Сварка полиэтиленовых труб при помощи соединительных деталей с закладными нагревателями. Сварка полиэтиленовых труб соединительными деталями с закладными нагревателями Достоинства, недостатки и область применения сварки ЗН

1 Принцип и терминология

Правильное название метода - «Сварка труб с помощью фитингов с закладными нагревателями», или коротко «Сварка с закладными нагревателями». Название соответствует нормативным документам:

Недавно принятому гармонизированному ГОСТ Р ИСО 12176-2-2011 «Трубы и фитинги пластмассовые. Оборудование для сварки полиэтиленовых систем. Часть 2. Сварка с закладными нагревателями.»
Более ранним нормативным документам РФ, в которых упоминалась данная технология сварки, например, СНиП 42-01-2002 «Газораспределительные системы.»

Закладной нагреватель - электрическая спираль, вмонтированная в свариваемую поверхность фитинга. Поэтому название фитингов, приведенное в ГОСТ Р 52779-2007 (п.4.1.2), является более точным: «Детали с закладными электронагревателями (электросварные)». Устаревший ГОСТ Р 52134-2003 (п.4.6.1) и только что пришедший ему на смену ГОСТ 32415-2013 (п.4.2.1) называют такие фитинги «электросварными». Из-за краткости определение «электросварные фитинги» является более популярным, чем «фитинги с закладными электронагревателями». Согласно ГОСТ Р 52134-2003 (п.4.6.1), электросварные фитинги для водопровода и отопления изготавливаются из ПЭ, ПП или ПБ. Электросварные фитинги для газопроводов - только из ПЭ. На практике даже водопроводные фитинги под сварку ЗН - это в подавляющем большинстве случаев полиэтиленовые фитинги, соответственно, для полиэтиленовых труб.

Академическое название метода сварки точно описывает физический принцип, но является громоздким. По этой причине в обиходе чаще применяются названия «электрофузионная сварка» (от английского «electrofusion welding»), краткое «ЭФ сварка» или «EF сварка», местное новообразование «сварка электромуфтами» или «электромуфтовая сварка». В некоторых нормативах (например, в НАКС"овском РД 03-614) используют сокращение «сварка ЗН».

Итак, во внутреннюю поверхность электросварного фитинга вмонтирована электроспираль, контакты которой выведены на наружную поверхность. Подача электрической мощности на контакты приводит к разогреву свариваемых поверхностей фитинга и трубы и, в конечном итоге, к образованию сварного соединения.

Технология электромуфтовой сварки, в принципе, заключается в следующем (см.рис.1):

конец трубы вводят в электросварной фитинг, наружная поверхность трубы касается внутренней поверхности фитинга или находится от нее на минимально возможном расстоянии;
к контактам электросварного фитинга подключают провода специального сварочного аппарата , который пропускает через закладной нагреватель (электроспираль) электрический ток;
спираль нагревает внутреннюю поверхность электросварного фитинга и наружную поверхность трубы до вязко-текучего состояния, полиэтилен трубы и фитинга перемешивается;
после остывания труба и фитинг образуют единую деталь; спираль остается внутри сварного соединения как побочный эффект.

Если не вдаваться в подробности, то всё выглядит просто.

При ближайшем рассмотрении, технология электрофузионной сварки вызывает проблемы, которые обусловлены всего несколькими типовыми причинами:

Сварщик невнимательно изучает спецификации фитингов и/или инструкцию сварочного аппарата;
Сварщик нерадиво выполняет подготовку к сварке;
Сварщик из ложной экономии не использует вспомогательный инструмент - роликовые скребки, позиционеры и пр.;
Самое главное - сварщик не понимает физику и логику процесса электрофузионной сварки. Поэтому допускает ошибки при выборе трубы, электросварных фитингов и сварочного аппарата, а также с легкой душой пренебрегает требованиями инструкций.

2 Достоинства, недостатки и область применения сварки ЗН

Для соединения напорных пластиковых труб применяются всего три технологии сварки: (1) сварка нагретым инструментом встык , (2) сварка нагретым инструментом в раструб и (3) сварка с закладными нагревателями. Именно эти 3 технологии обеспечивают прочность сварного соединения не ниже прочности исходной трубы. Благодаря своим особенностям, технология электромуфтовой сварки занимает в этом ряду незаменимое положение:

В отличие от стыковой сварки, сварка ЗН не образует внутреннего грата и, соответственно, не приводит к снижению проходимости труб. Поэтому применяется, в т.ч., и для безнапорных трубопроводов дренажа и канализации.
Если говорить о средних и больших диаметрах труб, то оборудование для сварки ЗН значительно легче, дешевле и универсальнее, чем оборудование для стыковой или раструбной сварки. Кроме того, оборудование для сварки ЗН не имеет подвижных частей или поверхностей, покрытых тефлоном, поэтому реже приводится в негодность нерадивыми пользователями, и поэтому охотнее сдается в аренду продавцами оборудования.
Качество сварного соединения при сварке ЗН значительно меньше зависит от человеческого фактора, чем при стыковой или даже раструбной сварке.
Сварка ЗН позволяет сварить трубы, когда ни одна из труб не имеет возможности перемещения вдоль оси. Поэтому совершенно незаменима при ремонте трубопроводов.
Сварка ЗН незаменима также для соединения полиэтиленовых труб, армированных лавсановым или другим волокном. Стыковая сварка в этом случае не дает прочности, адекватной прочности исходной трубы. Однако если после стыковой сварки обрезать наружный грат и сверху выполнить сварку ЗН, армированные полиэтиленовые трубы оказываются вполне экономически оправданными.
Другое незаменимое достоинство сварки ЗН - она позволяет соединить трубы из сшитого полиэтилена (PE-Xa и PE-Xc), которые другими способами сварить невозможно. Сварка производится электросварными фитингами из ПЭВП. Тот факт, что PE-X является реактопластом и его макромолекулы связаны между собой поперечными связями, не мешает макромолекулам ПЭВП «связываться» с ними силами Ван-дер-Ваальса.
И одно из самых важных достоинств - сварка ЗН позволяет собирать сложные 3-мерные трубопроводы средних и больших диаметров прямо по месту (см.рис.2). Раструбная сварка для таких диаметров неприменима, а стыковая - как правило, выполняется на горизонтальной поверхности.

К недостаткам технологии электромуфтовой сварки можно отнести только один - сравнительно высокую стоимость электросварных фитингов. Есть еще ограничение, сварка ЗН неприменима для протяжки трубопроводов при бестраншейной прокладке или при ремонте изношенных трубопроводов, поскольку в результате сварки локально увеличивается диаметр ПЭ трубопровода.

Сварка с закладными нагревателями формально рекомендована для ограниченного разнообразия трубопроводов:

Системы водоснабжения и канализации

Одной из широко применяемых технологий соединения полиэтиленовых труб является сварка при помощи деталей с закладными нагревателями (далее ЗН), которая заключается в расплавлении полиэтилена на соединяемых поверхностях детали (муфты, отвода, перехода и т. д.) и труб за счет тепла, выделяемого при протекании электрического тока по заложенному в деталь электрическому нагревателю (спирали из металлической проволоки), и последующем естественном охлаждении сварного соединения.

В результате взаимопроникновения (диффузии) макромолекул полиэтилена происходит перемешивание расплавленных слоев двух контактирующих поверхностей (наружной трубы и внутренней детали), затем при остывании образуется неразъемное сварное соединение.

Сварку деталями с ЗН в технической литературе называют также сваркой с закладными нагревательными элементами, электромуфтовой, электросопротивлением, терморезисторной и пр., однако в пособии использован термин, закрепленный в действующей нормативной документации.

Сварка деталями с ЗН используется во всей области применения полиэтиленовых трубопроводов, для:

соединения полиэтиленовых труб (мерных, длинномерных), плетей, сваренных стыковой сваркой, при строительстве новых трубопроводов (газопроводов, водопроводов и др.);
соединения полиэтиленовых труб с гладкими деталями без ЗН (отводами, тройниками, редукционными муфтами, заглушками и т. п. с удлиненными хвостовиками);
ремонта трубопроводов;
присоединения ответвлений к трубопроводам (например, с помощью седловых отводов);
восстановления изношенных стальных трубопроводов методом протяжки в них полиэтиленовых труб.

Сварка газопроводов деталями с ЗН может применяться при температуре воздуха от -15 до + 45 °С, а водопроводов при температуре воздуха от -5 до + 35 °С.

При выполнении работ по сварке полиэтиленовых труб при иных температурах либо следует применить особый технологический режим сварки, который должен быть аттестован в соответствии с РД 03-615-03, либо проводить сварочные работы в помещениях (палатках), обеспечивающих соблюдение разрешенного температурного интервала.

Сваркой деталями с ЗН можно соединять трубы с d 20 ÷ 2000 мм независимо от толщины стенки, трубы с разным SDR, трубы из полиэтилена разных, но близких по характеристикам марок (например из ПЭ 80 и ПЭ 63, ПЭ 80 и ПЭ 100). Для прочного соединения необходимо, чтобы показатели текучести расплава у этих марок полиэтилена были одинаковы или близки по значению.

В настоящее время для строительства газопроводов разрешено применять трубы и детали только из ПЭ 80 и ПЭ 100.

Эксплуатация полиэтиленовых газопроводов допускается при температуре стенки трубы не ниже — 20°С.

Преимущества сварки деталями с ЗН:

единственный способ, используемый для ремонта полиэтиленовых трубопроводов и врезки новых отводов (в т. ч. под давлением);
автоматизация процесса сводит влияние уровня подготовки и квалификации рабочего персонала (сварщика) к минимуму;
бОльшая зона сварки, чем при стыковой сварке, площадь контакта свариваемых труб существенно повышает надежность соединения;
возможность соединения труб из разных марок полиэтилена и с разным SDR;
отсутствуют ограничения на толщину стенки;
удобнее, чем при сварке встык, соединять длинномерные трубы;
сварка деталями с ЗН требует меньшей мощности источника энергии, чем сварка встык;
подача энергии сварочному аппарату необходима только на время сварки, тогда как при стыковой сварке энергию необходимо подавать в течение всего периода остывания для поддержания требуемого давления осадки;
меньший вес и габариты сварочного аппарата по сравнению с аппаратом для стыковой сварки облегчает, упрощает и ускоряет сварку в траншее или котловане, а также транспортировку;
отсутствует необходимость ультразвукового контроля стыков;
цена сварочного аппарата гораздо ниже цены аппарата для стыковой сварки.

Недостатки сварки деталями с ЗН:

удорожание строительства за счет стоимости деталей с ЗН, особенно при использовании мерных (длиной до 12 м) труб и труб большого диметра (d > 200 мм).

Конструкция муфты с ЗН показана на Рис. 3. Чтобы расплав не вытекал во время сварки в зазоры между трубами и деталью (муфтой) из-за увеличения объема полиэтилена при нагревании, витки ЗН располагают неравномерно вдоль продольного сечения детали. В результате там, где спираль не может расплавить полиэтилен (в центре и по краям детали), образуются так называемые «холодные зоны».

Роль «холодных зон» в процессе сварки заключается в том, что:

при движении расплава от более нагретых мест к «холодным зонам» он остывает и твердеет, запирая таким образом остальную часть расплава, который заполняет все пространство между свариваемыми поверхностями;
компенсируются небольшие несоосности и углы, возникшие при сборке соединения, а также отклонения поперечного сечения трубы от окружности.

Сварка возможна как только деталями с ЗН, так и с одновременным использованием деталей без ЗН, которые соединяют с трубами специальными муфтами с ЗН.

Детали с ЗН могут быть, в зависимости от способа производства, как с открытой внутри детали спиралью ЗН, так и со спиралью ЗН, покрытой тонким слоем полиэтилена (Рис. 4.).

При закрытой спирали передача тепла к трубе несколько замедляется за счет дополнительного слоя полиэтилена между спиралью и трубой.

Преимуществом открытой спирали является быстрый разогрев за счет конвекции и теплового излучения от ЗН и, соответственно, быстрое перекрытие внутреннего зазора расплавом за счет также и того, что деталь при нагреве расширяется внутрь, а труба — наружу.

Детали некоторых фирм-производителей для d ≥ 180 мм имеют внешнее армирование стальной проволокой для увеличения жесткости. Для сварки длинномерных труб рекомендуют применять удлиненные детали с ЗН. В их удлиненных «холодных зонах» происходит выравнивание осевой кривизны труб.

Электрическое сопротивление спирали зависит от вида, диаметра, производителя детали. Величину сопротивления ЗН определяет производитель деталей.

Детали без ЗН (отводы, тройники, редукционные муфты, заглушки и т. п.) называют гладкими или «спиготами».

Основными технологическими параметрами сварки деталями с ЗН являются:

напряжение электрического тока, подаваемого на ЗН (как правило — от 6 до 48 В);

время сварки, в течение которого происходит разогрев ЗН и расплавление полиэтилена (зависит от вида, диаметра и производителя детали);

время охлаждения полученного соединения, в течение которого происходит застывание расплава и образование сварного соединения (зависит от вида и диаметра детали, обычно — от нескольких минут до часа и более).

Время охлаждения сварного соединения в паспорте детали или на штрих-коде должно подразделяться на время охлаждения до перемещения (до 70°С) и до нагружения газопровода давлением.

Таблица 1. Некоторые режимы сварки труб муфтами с ЗН Elofit SDR11 (производства фирмы «Nupigeco», напряжение на муфте 40 В)

d труб (мм)
Время сварки (с)

Сварка трубопроводов муфтами с закладным нагревателями (ЗН) является одной из широко применяемых технологий соединения полимерных труб, которая заключается в расплавлении полимера на соединяемых поверхностях детали (муфты, отвода, перехода и т.д.) и труб за счет тепла, выделяемого при протекании электрического тока по заложенному в деталь электрическому нагревателю (спирали) из металлической проволоки, и последующем естественном охлаждении сварного соединения. Особенно успешно свариваются этим методом полиэтиленовые трубопроводы.

Сварка деталями с ЗН используется во всей области применения полиэтиленовых трубопроводов для:

соединения полиэтиленовых труб, плетей, сваренных стыковой сваркой, при строительстве новых трубопроводов (газопроводов, водопроводов и др.);
соединения полиэтиленовых труб с отводами, тройниками, заглушками и т.п.; - ремонта трубопроводов.

Сваркой деталями с ЗН можно соединять трубы диаметром от 20 до 800 мм независимо от толщины стенки, трубы из полиэтилена разных, но близких по характеристикам марок (например, из ПЭ80 и ПЭ63, ПЭ80 и ПЭ100). Для прочного соединения необходимо, чтобы показатели текучести расплава у этих марок полиэтилена были одинаковы или близки по значению.

Основные достоинства сварки с ЗН:

это единственный способ, используемый для ремонта полиэтиленовых трубопроводов и врезки новых отводов (в т.ч. под давлением);
автоматизация процесса сводит к минимуму влияние на качество соединения уровня подготовки и квалификации рабочего персонала;
площадь контакта свариваемых элементов больше, чем при стыковой, что значительно повышает надежность соединения;
отсутствует ограничение на толщину стенки;
требует источник энергии значительно меньшей мощности, чем сварка встык;
меньший вес и габариты сварочного аппарата по сравнению с аппаратом для стыковой сварки упрощают и ускоряют сварку в траншее или котловане;
цена сварочного аппарата гораздо ниже цены аппарата для стыковой сварки.

На рис.4.17 показана конструкция муфты с ЗН марки FRIALEN. Провода от источника энергии присоединяются к контактам на детали, а специальный индикатор в теле муфты информирует о достаточности нагрева.

Рис.4.17. Муфта с закладным нагревателем

Чтобы расплав не вытекал во время сварки в зазоры между трубой и деталью (муфтой) из-за увеличения объема полимера при нагревании, витки ЗН располагают не по всей поверхности фитинга (горячие зоны), оставляя свободными от нагревателя центральную и концевые части фитинга (холодные зоны). Во время сварки при движении расплава полимера из «горячих зон» к «холодным зонам» он остывает и твердеет, запирая таким образом остальную часть расплава, заполняющего все пространство между свариваемыми поверхностями. Детали с ЗН в зависимости от способа производства могут быть как с открытой внутри спиралью, так и со спиралью, покрытой тонким слоем полимера.

Преимуществом открытой спирали является быстрый разогрев и, соответственно, быстрое перекрытие внутреннего зазора расплавом. Для сварки длинномерных труб рекомендуют применять удлиненные детали с ЗН. В их более длинных «холодных зонах» происходит выравнивание осевой кривизны труб.

Основными технологическими параметрами сварки с ЗН являются:

напряжение, подаваемое на ЗН (как правило, от 6 до 42 В);
время сварки, в течение которого происходит разогрев ЗН и расплавление полиэтилена;
время охлаждения соединения, в течение которого происходит застывание расплава и образование сварного соединения.

В паспорте детали или на штрихкоде время охлаждения должно подразделяться на время до перемещения (до 70°С) и до нагружения газопровода давлением.