Уважаемые читатели, предлагаем вашему вниманию следующую разработку из рубрики «Обзор патентов» – способ сварки полимерных труб соединительными деталями с закладными нагревателями. Авторами патента являются Старостин Николай Павлович, Аммосова Ольга Александровна (RU), Петров Дмитрий Дмитриевич, Ботвин Глеб Владимирович, Данзанова Елена Викторовна, Тихонов Роман Семенович, Николаева Мария Александровна. Патентообладатель: федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук.
Изобретение относится к области сварки полимерных труб соединительными деталями с закладным нагревателем и может использоваться для сварки полиэтиленовых труб при температурах окружающего воздуха ниже предусмотренных нормативными документами. Изобретение направлено на получение качественного сварного соединения без строительства специального отапливаемого укрытия. Результат достигается за счет доведения температуры в зоне оплавления между трубой и муфтой до значения температуры от –15 °С до +45 °С, предусмотренного нормативными документами. Скорость охлаждения устанавливают такой же, как при температурах окружающего воздуха из регламентированного интервала. Перед сваркой полимерных труб через клеммы муфты с помощью самого сварочного аппарата подается определенная мощность и производится предварительный подогрев. Для сварки при низких температурах окружающего воздуха в программном обеспечении сварочного аппарата устанавливается программа с расчетными данными подаваемой мощности для предварительного подогрева, технологической паузы и регулировки скорости охлаждения сварного соединения. Температура в области оплавления и скорость охлаждения сварного соединения при любых низких температурах принудительным образом устанавливаются как при сварке в регламентированном интервале температур с учетом температуры окружающего воздуха (фиг. 5).
Область, к которой относится изобретение
Изобретение относится к сварке полимерных труб соединительными деталями с закладными нагревателями и может использоваться при сварке полиэтиленовых труб при низких температурах окружающего воздуха.
Уровень техники
Известно техническое решение (1. Проектирование и строительство газопроводов из полиэтиленовых труб и реконструкция изношенных газопроводов СП 42 – 103 – 2003. – Издание официальное. – М. ЗАО «ПОЛИМЕРГАЗ», 2004. – С. 84), в котором при более широком интервале температур окружающего воздуха, чем от –15 °С до +45 °С, сварочные работы рекомендуется выполнять в помещениях (укрытиях), обеспечивающих соблюдение заданного температурного интервала (п. 6.48). Недостатком указанного способа является трудоемкость и большие затраты времени на строительство укрытия и на достижение регламентированной температуры воздуха внутри укрытия и на свариваемых участках полимерных труб.
Наиболее близким является техническое решение (2. Пат № 2744141. Способ сварки полимерных труб соединительными деталями с закладным нагревателем. Опубл. 03.03.2021, бюл. № 7), в котором в процессе сварки при низких температурах воздуха (ниже –15 °С) производится предварительный подогрев перед сваркой и управление охлаждением сварного соединения после сварки путем подачи определенного напряжения через клеммы закладного нагревателя детали. Подаваемое напряжение для предварительного подогрева и управления охлаждением рассчитано с помощью методов математического моделирования тепловых процессов сварки и заложено в разработанное программное обеспечение сварочного аппарата. Недостатком технического решения является то, что при заданной низкой температуре окружающего воздуха количество энергии подогрева, определяемое временем воздействия нагревателя, и изменяющаяся во времени мощность нагрева для управления охлаждением путем подачи напряжения в существующие сварочные детали обеспечиваются закладным нагревателем с большой погрешностью. Это связано с тем, что в существующих деталях закладные нагреватели изготовлены из различных материалов. А также с тем, что электрическое сопротивление проводников с ростом температуры увеличивается, с понижением – уменьшается.
Зависимость сопротивления R(Т) провода от температуры Т описывается формулой:
где температура Т задается в градусах Цельсия; R20 – сопротивление проводника при 20 °С; α – температурный коэффициент сопротивления (ТКС) с размерностью 1/°С, зависящий от материала. Мощность закладного нагревателя определяется по формуле:
где U – подаваемое напряжение. В штрих-коде детали с закладным нагревателем ТКС не указывается. При подаче одного и того же напряжения на клеммы деталей с закладными нагревателями из различных материалов мощности не будут одинаковыми. В связи с этим управление напряжением является не универсальным и приводит к необходимости расчета математической модели для каждого варианта детали отдельного производителя и типоразмера, с целью получения качественных сварных соединений и запись в программу аппарата.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является универсализация способа сварки с помощью деталей с закладными нагревателями и получение качественного сварного соединения полимерной трубы при температурах окружающего воздуха ниже регламентируемого.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в использовании программного обеспечения самого сварочного аппарата, позволяющего корректировать изменение мощности при предварительном подогреве и поддерживать необходимую скорость охлаждения сварного соединения с учетом температуры окружающего воздуха, которая ниже нормативного значения.
Способ сварки полимерных труб соединительными деталями с закладным нагревателем заключается в подготовке концов труб, установке и закреплении концов свариваемых труб в зажимах центрирующего приспособления с одновременной посадкой детали с закладным нагревателем, подключении детали к сварочному аппарату, в задании программы процесса сварки, пуска процесса сварки, нагрева и охлаждения сварного соединения. Способ отличается тем, что температура в области оплавления предварительно доводится до значения из регламентированного интервала температур и требуемая скорость охлаждения сварного соединения поддерживается подачей изменяющейся по времени мощности самим сварочным аппаратом, в системе которого заложена программа, позволяющая произвести предварительный подогрев, выдержку технологической паузы для выравнивания температурного поля области сварки в значениях регламентируемого интервала температур окружающего воздуха и поддерживание необходимой скорости охлаждения сварного соединения, как при остывании в допустимом интервале температур производства сварки независимо от температурного коэффициента сопротивления материала закладного нагревателя.
Существенные признаки, характеризирующие изобретение
Ограничительные: сварку производят путем установки и закрепления концов свариваемых труб в зажимах центрирующего приспособления с одновременной посадкой детали с закладным нагревателем, подключения детали с закладным нагревателем к сварочному аппарату, пуска процесса сварки.
Отличительные: предварительный подогрев производится обеспечением постоянной мощности в закладном нагревателе в течение определенного времени, а охлаждение сварного соединения после нагрева производится путем обеспечения изменяющейся во времени мощности.
Известно, что программа процесса сварки учитывает кроме данных штрих-кода, прилагаемого к детали с закладным нагревателем, еще и температуру окружающего воздуха через датчик температуры сварочного аппарата.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображено температурное поле в вертикальном сечении стенок участка трубы и детали в момент времени завершения подогрева при температуре окружающего воздуха –40 °С. На фиг. 2 изображено температурное поле в вертикальном сечении стенок участка трубы и детали в момент времени завершения выравнивания температур при температуре окружающего воздуха –40 °С. На фиг. 3 приведена временная зависимость мощности нагревателя (1) на стадии охлаждения в условиях температуры окружающего воздуха –40 °С с управляемым охлаждением. На фиг. 4 изображена динамика изотермы 120 °С (2) в сечении муфты и трубы вертикальной плоскостью при температуре окружающего воздуха 20 °С в конце нагрева и изотерма 100 °С в различные моменты времени: (3) – 2 мин; (4) – 4 мин; (5) – 6 мин охлаждения соответственно. На Фиг. 5 приведена динамика изотермы изображена динамика изотермы 120 °С (2) в сечении муфты и трубы вертикальной плоскостью при температуре окружающего воздуха –40°C по технологии с предварительным подогревом в конце нагрева и изотерма 100 °С в различные моменты времени: (3) – 2 мин; (4) – 4 мин; (5) – 6 мин охлаждения соответственно.
Осуществление изобретения
Способ осуществляется следующим образом. Свариваемые поверхности полимерных труб очищаются от загрязнений и обезжириваются. Затем трубы устанавливаются и закрепляются в зажимах центрирующего приспособления с одновременной посадкой детали с закладным нагревателем. Деталь с закладным нагревателем подключают к сварочному аппарату. Считывающим устройством сварочного аппарата проводится сканирование штрих-кода и запуск предварительного подогрева. При этом подается определенная мощность, которая зависит от условий окружающей среды и типоразмера детали. После подогрева выдерживается время (технологическая пауза) для выравнивания температуры в области оплавления детали с закладным нагревателем и трубы. Затем производится сваривание детали с трубой и охлаждение сварного соединения с заданной скоростью. Заданная скорость охлаждения сварного соединения обеспечивается подачей мощности от сварочного аппарата через клеммы детали. Параметры предварительного подогрева, технологической паузы, сваривания и охлаждения полимеров заранее заложены в программу сварочного аппарата для каждого типоразмера трубы и муфты, в независимости от типа закладного нагревателя с учетом температуры окружающего воздуха.
Пример. Для сварки полиэтиленовых труб ПЭ 100 SDR 11 диаметром 110 мм и толщиной стенки 10 мм с помощью детали с закладным нагревателем при температуре окружающего минус 40 °С время нагрева составляет 200 с, охлаждения 15 минут, напряжение нагревателя при нагреве 40 В. Мощность нагревателя вычислялась по формуле:
где сопротивление R = 0,96 Ом; температурный коэффициент сопротивления спирали β = 4,3 · 10–3 1/°С.
Подогрев осуществляется при постоянной мощности нагревателя 107 Вт в течение 24,5 минуты. Температурные поля в вертикальном сечении стенок участка трубы и детали в моменты времени завершения подогрева показаны на фиг. 1. После подогрева начинается технологическая пауза для выравнивания температур продолжительностью 4 минуты. После технологической паузы температурные поля в стенке трубы и детали устанавливаются более однородными (фиг. 2).
После выравнивания температур запускается процесс сварки в стандартном режиме, как при допустимых температурах. После сварки начинается остывание сформированного сварного соединения, при этом скорость охлаждения управляется изменением подаваемой мощности сварочного аппарата по времени (фиг. 3, кривая 1). Формулы для определения мощности нагревателя, зависящей от температуры окружающего воздуха и размеров труб, заранее закладывались в программное обеспечение аппарата для сварки.
В процессе сварки в условиях температуры окружающего воздуха –40 °С со скоростью охлаждения, установленной управлением посредством изменения по времени мощности, достигаются такие же процессы формирования структуры материала сварного соединения, как при температуре 10 °С. Об этом говорят графики изотерм 120 °С (2), зафиксированных в материале сварного соединения после нагрева и изотермы 100 °С в различные моменты времени охлаждения (3, 4, 5), как показано на фиг. 4 и фиг. 5. Известно, что при температуре 120 °С начинается процесс кристаллизации полиэтилена, а при температуре 100 °С заканчивается.
Формула изобретения
Способ сварки полимерных труб соединительными деталями с закладным нагревателем, заключающийся в подготовке концов труб, установке и закреплении концов свариваемых труб в зажимах центрирующего приспособления с одновременной посадкой детали с закладным нагревателем, подключении детали к сварочному аппарату, в задании программы процесса сварки, пуска процесса сварки, нагрева и охлаждения сварного соединения, отличающийся тем, что температура в области оплавления предварительно доводится до значения из регламентированного интервала температур и требуемая скорость охлаждения сварного соединения поддерживается подачей изменяющейся по времени мощности самим сварочным аппаратом, в системе которого заложена программа, позволяющая произвести предварительный подогрев, выдержку технологической паузы для выравнивания температурного поля области сварки в значениях регламентируемого интервала температур окружающего воздуха и поддерживание необходимой скорости охлаждения сварного соединения как при остывании в допустимом интервале температур производства сварки независимо от температурного коэффициента сопротивления материала закладного нагревателя.
