автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка теоретических основ технологии и оборудования для контактной тепловой сварки пластмассовых конструкций на объектах нефтяной и газовой промышленности

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Э.БАУМАНА.

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДНЯ КОНТАКТНОЙ ТЕПЛОВОЙ СВАРКИ ПЛАСТМАССОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОБЪЕКТАХ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность: 05.03.06 - Технология и машины сварочного

производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора . технических наук

На правах рукописи

г"> од

2 4 МР Ш5

ЗАЙЦЕВ Конкордий Иванович

Москва, 1995

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте по строительству трубопроводов (ВНИИСТ) Министерства топлива и энергетики Российской Федерации.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лившиц Л.С.

доктор технических йаук, профессор Тростянсйая Ё.Б.

доктор технических наук, профессор ХоАопов Ю.В.

Ведущее предприятие; НПО ''1Шстик"

Зашита состоится h // * МО*Я Í9á5 г» fij/^fчасов йа заседании диссертационного ьойета До.бЗЛб.О? йри Московском технйчеоком унйьероМбйё йМ;Н<ё»£ауМайа tío адресу: Í07005\ МоскЬа, 2-ая Бауманская, 5;

Ваш отзыв в 1-ом бкз», заЬёрё1гныЯ печатью, йросйм направлять lio указанному ёдресу.

С диссертацией можйо бзйакошться в бйблибтеке МГ1У Ш. Н.Э. Баумана.

Телефон для справок: 267-09-63.

Афторё^ерат? разослан /О. О1/. Í995i4

Ученый секретарь диссёртационйого совета,

кандидат технических наук, ДоЦент

В*В.Шип

Подписано к печати.1.0. ¡№45T.a IS95rt- Объем 2 П.л. Saká3 J*. А ~

Тирак 100 экз*

íoTaitpattí йШСТ

ОШЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Перспективы научно-технического прогресса нефтяной, газовой и нефтеперерабатывающих отраслей, составляющих основу энергетического потенциала страны,неизбежно связаны со значительным ростом объемов потребления пластмасс (преимущественно термопластов).

В настоящее время этими отраслями только пластмассовой пленки используется ежегодно более 150 тыс.т. Рост объема выпуска полимерных материалов и создание новых, з том числе:армированиях полимерных пленок сложного совмещения,нетканых син-, тетических материалов, пластмассовых труб диаметром до I22C мм, является основой для дальнейшего расширения производства и применения сварных пластмассовых конструкций в этих жизненно важных отраслях страны. Это является следствием не только растущего дефицита металла, но и других объективных причин. Интенсификация добычи путем подачи е нефтегазоносные пласты с поверхности земли различных инициирующих веществ приводит к образованию сероводорода, который при наличии вода ведет к разрушению стальных коммуникаций и конструкций вследствие проявления водородной хрупкости. Разрушения трубопроводов от внешней я внутренней коррозии относятся как 1:200. Ситуация еще больше усложняется с вовлечением в эксплуатацию крупных месторождений, содержащих помимо нефти и газа коррозионно-стойкие составляющие.

Для снижения интенсивности внутренней коррозии приходится завышать толщину стенок труб на величину, не диктуемую рабочим давлением, применять специальные стали, использовать химические добавки в виде ингибиторов, проводить многочасовую термическую обработку сварных швов. Все это сопряжено с большими дополнительными трудовыми, энергетическими и материальными затратами v вместе с тем не обеспечивает достаточных гарантий от коррози -онных разрушений й аварий, ведущих к непредсказуемым последствиям я громадному ущербу.

Принципиальным решением, позволяющим исключить вредное воздействие перечисленных факторов,является применение пластмассовых конструкций¡трубопроводов,резервуаров,цистерн,бассейнов и т.д. Это определяет актуальность всех работ, направленных на разработку технологических процессов и техники для создания и изготовления конструкций из пластмассСтермопластов), которые

не маслимы без сварки.

Сварка как технологический процесс получения неразъемных соединений в максиыалглэ.1 степени позволяет реализовать основные достоинства пластмасс: коррозионную стойкость, герглетяч -ность, Еысокие антиадгезионные и другие полезные свойства. Однако до 60-х годое исследованиям е области сЕарки фактически уделялось недостаточно внимания.

В связи с этим автор с 1960 г. предпринял систематические исследования по выяснению механизма образования сварных соединений, а также исследования, направленные на разработку технологий и техники сварки термопластов, в частности, труб аудированных пленок и нетканых синтетических материалов.

Предетавлякмая работа является результатом многолетних исследований, проводимых ео ВНШСТе по разработке технологий и техники сварки пластмасс, и выполнялась автором и под его руководством в соответствии с постановлениями Совета . Министров СССР К 877 от 22.10.76 г., Н 979 от 2.12.79 г. й 621 от

2.06.82 г., а также в соответствии с программой важнешей научно-технической проблемы 0.72.025, утвержденной постановлением Госкомитета по науке и технике 25.12.70 г., программой по проблеме 0.72.01, утЕержденной постановлением ГКНТ 5.11.76 г. й 390, и программой по проблеме 0.72.01, утвержденной ГКНТ и Госпланом СССР от 29.12.81 г. за № 515/271. Часть работ проводилась с 1967 г. по планам двустороннего научно-технического сотрудничества стран СЭВ по теме ХУТ.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы являлось:

1. Снижение материальных, энергетических и трудовых затрат путем замены в нефтяной и газовой промышленности стальных трубопроводов, железобетонных и металлических листовых конст -рутеций сварными пластмассовыми.

2. Повышение срока службы и эксплуатационной надежности трубопроводных ком;.1уникзций за счет уменьшения коррозионного воздействия.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие научные, технологические я технические задачи:

- установить роль состояния поверхности при образовании СЕарного соединения и определить кинетику этапов оплавления деталей при их контактном нагреве и осадке, вскрыв влияние на эти процесс:' технологических параметров сварки;

- изучить реологические процессы при образовании соедине-

ний и установить сеязь между основными технологические параметрами режима сварки термопластов л на этой основе предаю -жить общую классификацию термопластов по свариваемости;

- разработать математическую модель процесса контактной сварки и методику расчета тепловых процессов, протекающих при получении сварных соединений деталей из термопластов;

- разработать ноЕые технологии и оборудование для высоко качественной сварки пластмассовых конструкций в нефтяной, га-зоеой и других отраслях энергетического комплекса;

- сформулировать принципа создания автоматизированного оборудования с обратной связью для стыковой контактной сварки термопластов.

Таким образом, данная работа представляется как решение крупной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение, заключающееся в создании теории,технологии и оборудования для контактной тепловой сЕарки термопластов, обеспечивающих повышение эксплуатационной надежности, снижение трудо- и энергоемкости при изготовлении конструкций из пластмасс.

Методы исследования. Для изучения специфического строе -ния поверхностных слоев исходных и оплавленных термопластов и их сЕарных соединений использовались рентгеносгруктурный анализ, ИК- и УФ-спектроскопия, оптическая, олтикэполяризацион -ная и электронная микроскопия, деревотографический анализ и другие современные методы.

Исследование и Еыбор основных параметров технологических вариантов сварки проводились с использованием теории вероят -ности и планирования экспериментов, а обработка полученных данных-с использованием методов математической статистики.Построение номограмм и обобщенных расчетных характеристик,а так же решение большинства систем уравнений математических моделей выполнялось с помощью ЭЗД. Использовались также методы темпера турно-временного моделирова ния.

3 процессе работы созданы оригинальные методы исследования свойств сварных соединений. С целью определения несущей способности сварных соединений были изготовлены опытные стенды и построены полигоны для испытаний моделей сварных конструкций в натурных условиях; часть сварных конструкций испкты-валась на полигонах Министерства обороны.

Научная новизна.

1. На основании изучения процессов, происходящих в зоне контакта соединяемых при сварке деталей-из термопластов, разработана физико-техкологическая модель процесса их сварки, выдвинута и развита новая концепция механизма, образования сварных соединений, названная реологической, показывающая,что существенную роль в образовании сварных соединений термопластичных материалов играет течение расплава в зоне контакта свари -Баемых деталей.

2. Разработаны математическая модель процесса контактной сварки и расчетные метода определения тепловых полей в шве и околошовной зоне. Показано, что главными количественными кри -териями получения качественного сварного соединения являются температурный интервал вязкотекучего состояния выше Ттек, но ниже Т^«^^, а также уровень в характер изменения в этом интервале. вязкости расплава. Это позволило предложить классифика цию термопластов по свариваемости.

3. йгервые установлена физическая связь между основными параметрами сварки и даны аналитические зависимости для их определения при-сварке термопластов. Показано, что доминирующими факторами режима сварки являются температура инструмента, предельное время нагрева и давление осадки свариваемых деталей , при этом предельное время нагрева прямо пропорционально вязкости свариваемого материала толщине детали и обратно пропорционально температуре нагрева; давление осадки пропорционально средней вязкости расплава, толщине свариваемых деталей и обратно пропорционально времени осадки.

4. На основе установленных закономерностей удалось, теоретически обосновать и практически реализовать условия получения качественных сварных соединений, позволяющих максимально использовать физические и химические свойства пластмасс в температурном интервале вязкотекучего состояния, при снижении энергоемкости процесс? сварки.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

I. Доказана возможность использования сварных пластмассовых конструкций для сооружения объектов нефтяной и газовой промышленности.

Разработаны технологические процессы контактной тепловой сварки термопластов в виде труб, листов, профильных изделий и

'пленочных материалов, которые включены в нормативные документы отраслевого и государственного уровня (СН 478-80; ВСН 440-83;,ВСН 003-88; ОСТ 102-63-81; ОСТ 102-47-78; ОСТ 102-58-80 и др.).

2. Создано оригинальное сварочное оборудование: прессы, в том числе полуавтоматические с программным управлением для сварки пленок; трубосварочные устройства и машины (в том шо-ле первые в СССР автоматизированные трубосварочные установки с программным управлением типа УСПТ-7), которые служат прототипами для моделей серийного производства. Их оригинальность подтверждена авторскими свидетельствами.

3. Созданы экспериментальные стенды и приборы (более 20 типов) и разработаны методы исследования, позволяющие полу -чить количественные характеристики свойств сварных соединений термопластов при работе их в различных средах, при различных температурных режимах и нагрузках.

4. Осуществлено внедрение технологий сварки термопластов при создании оригинальных конструкций и сооружений в различных отраслях народного хозяйства. Отработана промышленная технология сварки антифильтрационных экранов рассолохранилищ для подземных резервуаров (в производственных организациях РАО "Газпром"), сварки систем трубопроводов нефтесбора, которые эксплуатируются с 1965 г. на нефтепромыслах Г.П. "Роснефть", сварки многооборотных контейнеров и укрытий, приме -няемых на производстве в легкой промышленности, сварки систем водо- и газоснабжения для сельского строительства и др.

Апробация работы.По мере выполнения исследований основные положения работы докладывались на всесоюзных научно-тех -нических конференциях, симпозиумах и семинарах (Москва - 1961, 1977, 1988, 1992 гг.; Киев - 1974, 1976, 1979, 1981, 1988гг.; Рига - 1983 г.; Львов - 1982 г., Ивано-Франковск - 1976 г., Рязань - 1968 г., Челябинск - 1986 г., Таллин - 1988 г. и др.), на республиканских и краевых конференциях (Новочеркасск -1976 г., Владивосток - 1979 г., Ивано-Франковск - 1979 г., Одесса - 1979 г. и др.), московских конференциях сварщиков (1969, 1974, 1975, 1976, 1987 гг. и др.). О результатах док -ладывалось также на объединенной сессии научного и коорцина -ционного Советов по проблеме "Сварка" в ИХ им.Е.О.Патока.Си-стематически, начиная с 1965 г., результаты работы сообщались

на заседаниях комиссии "СЕарка пластмасс" научного Совета по проблеме "Коше прсцессы сварки и сварные конструкции".

Публикации. По теме диссертации опубликовано свыше 150 печатных работ, в том числе 3 монографии, 7 брошзр, получено 17 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация- состоит из введения, пяти глзе, еыеодое, изложенных на 517 страницах машинописного текста, с таблицами, содержит 209 рисунков,список литературы из 259 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Б пеовой главе дается анализ представлений различных авторов о механизме образования сварных соединений термопластов.

Развивая представления об аутогезии полимер-полимерных систем, в конце 50-х годое профессор Боюцкий С.С. шдвинул так называемую "диффузионную концепцию" механизма образования соединений термопластоЕ. Отличительной чертой этой концепции является то, что она исходят из взаимодиффузии макромолекул и учитывает их цепное строение и гибкость. При этом сЕарное соединение рассматривается как следствие диффузии, т.е. процесса, происходящего на макроуровне. Диффузионная концепция образования аутогезионного соединения была первой, объясняющей ряд особенностей механизма СЕарки термопластов. Она в 60-х годах получила признание у многих отечественных и-зарубежных исследователей и специалистов, занимающихся сваркой пластмасс (.¿акула B.JL, ДуброЕкин С.Д., Каган Д.Ф., Бухин В.Е., !«ак--Хелви Д.1.1., Гасин В.ГЛ., Дебел П., Сквайс Я. и др.).

Однако по мере накопления экспериментального материала были установлены явления, которые не могут быть объяснены с позиций диффузионной концепции сварки пластмасс.

Ананд И.Н. выдеинул теорию контактов, согласно которой образование сварного соединения термопластов происходит лишь ко отдельным микроплощадкам. Однако, на наш езгляд, она не ЕЗДержиЕает критики в сеязи с тем, что не позволяет объяснить получение равнопрочных сварных соединений.

Были попытки объяснить механизм образования сварных соединений пластмасс на основе адгезии СЕариваемых деталей с

учетом микрорельефа их поверхности, физической и химической адсорбции, образования двойного электрического слоя и т.д.

Все эти -явления б той или иной мере могут иметь место при сварке пластмасс. Однако, как показали нааи исследования, не они определяют основное содержание процесса сварки, а пред -ставляют собой сопутствующие явления.

Рассматривая процесс образования соединения лишь на микроуровне, все вышеперечисленные концепции не учитывают геометрических параметров соединяемых деталей, состояния поверхностей е момент их контакта, роль макропроцессов, которые, как было установлено нами, яеляются определяющими в механизме образования сварного шва. Не уделялось е этих концепциях долк -ного внимания тепловым процессам, такие определяющим весь комплекс механизма образования сЕарного соединения.

Известнш шагом в решении проблемы СЕарки термопластов являются работы группы исследователей из Аахенского технологического института ФРГ (Потенте X., ЗееЕа К., Менгеса Г. и др.), которые е своей модели учитывают скорость осадки при контактной сварке. Авторами не дается объяснения причин получения качественных или некачественных сварных соединений »при изменения скорости осадки. Однако рассмотрение скорости осадки как определяющего параметра не позволяет классифицировать пластмассы по свариваемости, так как скорость осадки не отражает природу полимера.

Таким образом, до настоящего Бремен;! нет установившейся, общепризнанной теории, позволяющей объяснить и предсказать процессы, происходящиегри формировании сварного шва, позволяющей корректировать процесс сварки пластмасс в связи с изме -нением их молекулярной массы, молекулярно-мзссового распределения и их состава. Не решена задача управления формированием свойств сварного соединения путем направленного варьирования технологическими параметрами.

Достоверность результатов исследований механизма образования сварного соединения е значительней мере обусловливается принятым за модель способом сварки. Из большого разнообразия способов сварки пластмасс в нашей стране е за рубемом основ -нол объем е настоящее Бремя приходится на контактно-тепловой способ сварки, который обладает большей универсальностью и обеспечивает наиболее качественное формирование сварного шва.

Поэтому теоретические, экспериментальные и технологические исследования в нашей работе в основном базировались на этом методе сварки. •

Во второй главе излагаются результаты исследований процессов, происходящих на поверхности деталей из термопластов при контакте с нагреЕзтелем. Рассматривается роль исходного состояния поверхности (шероховатость, химический состав) свариваемых деталей в образовании сварных соединений.

• Установлено негативное Елияние нз образование сЕарного соединения изменений поверхностных слоев деталей, подлежащих СЕарке, под влиянием окружающей среды (температуры, солнечной радиации, запыленности) со временем.

Качественно и количественно показано, что при оплавлении нагретым инструментом деталей из термопластов происходит изменение их физических сеойств и геометрических параметров. Обнаружено, что при нагреве плоских кромок плоским нагретым инст -рументом на нагреваемом торце образуется серповидный мениск , глубина вогнутости которого зависит от усилия прижатия нэгре -Еателя и времени контакта с ним, а также температуры нагрева -теля. Наличие такого мениска при стыковке деталей в процессе сварки приводит к защемлению воздушной прослойки, препятствующей сближению и взаимодействию макромолекул.

Показано, что при нагреЕе кромок может происходит термо -разложение полимера с выделением гэзоеой фазы, Еедущей к обрат зованию пор на оплавляемой поверхности, что также затрудняет взаимодействие макромолекул при недостаточном течении расплава в стыке.

При контакте расплавленной поверхности с воздухом проис -ходит активное окисление полимера, что подтверждено ИК-слект -рометрическим анализом. Как установлено с помощью сканирующей калориметрии, при нагреве полимера в среде инертного газа(азо-та, аргона) окисления не наблюдается, а деструкция нагреваемого полимера начинается при более еысоких температурах. Следо -Бательно, при сварке в среде инертных газоЕ можно получать не только более качественные СЕарные соединения, но можно уменьшить глубину проплавления и вести процесс нагрева более экономично по расходованию тепла.

Обнаружено также, что если проводить процесс оплавления за время, меньшее периода индукции окисления свариваемой плас-8

тмассы, то сварной сов будет обладать высоким качеством и,наоборот, когда время СЕарка превышает период индукции - свариваемый шов но будет обладать требуемыми свойствами.

Установлено, что при дзнных параметрах режима нагрева(оп-лаЕления) спустя определенное время, названное'нами предельным процесс сплавления переходит в квазистационарный, когда скорость прославления становится близкой к скорости оплавления Ц*^ 1/~опл' ПРИ дальнейший нагреЕ не позволяет уезлэткть глубину противления. На основании полученных предельных параметров наш составлена математическая модель процесса оплавления нагреваемых поверхностей деталей толщиной д плоским инструментом, согласно которой расчетным путем можно определить предельное Ере;,-л нагреЕа

у. _ ¡,вч8

т

9

Р°пЛ(длТ)

(I)

Скорость оплавления ^опл при данной температуре нагревателя

Тн будет:

опл к

2.0$

2 т

2 Рс(ТА

/М&г)

(2)

' о"/

Наксиг/альная глубина лроплавления Г1у при заданной скорости плавления в квазистецзокарном режиме может быть представлена зависимостью:

I А, (ъ-ъ)

(3)

Расчетом нами показано и экспериментально подтверждено , что теплоотдача в окружающую среду за счет конвекции на стадии оплавления кромок не оказывает заметного влияния на их температурное поле, так как над кромка;.«! создается определенный тепловой барьер вследствие радиационного п конвекционного потоков от выступающих частей нагревателя.

Таким образом, на основании исследований стадии оплавления (нагрева) пластмассовых деталей под сварку установлены граничные условия по температуре - она должна быть выше тем-

пера туры текучести Т_,ек (температуры плавления Т^), но ниже температуры деструкции "Тдестр- Установлена предельные значения по времени контакта с нагревателем. Это время t опл при заданной температуре нагревателя Тн должно быть не больше Ьу , выше которого процесс оплавления переходит в кЕазистационарныЗ, а также не более индукционного периода.

Как частный еыеод, следует: при больших скоростях нагреиа возможно оплавление при температурах Еыие Тдес^р, но при кратковременной выдержке в рамках периода индукции, т.е. возможна сварка терлопластов на форсированно!,I режиме при малой глубине проплавленпя.

При сварке ответственных деталей из интенсивно окисляющихся термопластов качественное соединение можно получить при сварке в инертной газовой среде.

Сделан также вывод, что давление нагревателя Ропл при контакте с оплавляемой поверхностью должно меняться по экспоненте, снижаясь по мере плавления нагреваемого термопласта, что позволяет обеспечить контакт с поверхностью и шесте с тем свести к минимуму объем вытекающего под давлением инструмента расплава из зоны контакта.

3 третьей главе разработана физико-технологическая модель процесса тепловой контактной сварки термопластов. Излагаются основные результаты исследования процесса формирования сварных швов при сварке оплавлением и проплавлением.

С использованием оригинальной методики доказано, что образование сварного соединения термопластов возможно лишь при течении расплава в зоне контакта соединяемых деталей.

Установлено, что при сварке оплавлением для реализации Вандер-Еаальсового взаимодействия макромолекул по свариваемым поверхностям необходимо эвакуировать ингредиенты, препятствующие сближению активированных макромолекул, что осуществляется при течении полимера, находящегося е вязкотекучем состоянии.

Только после выноса в грат с расплавом экранирующих прослоек, при полном сближении соединяемых поверхностей, происходит процесс аутогезии, т.е. образуется сЕарное соединение,внешне наблюдаемое как коалисценция расплавленных кромок.

Этот макропроцесс является решающим первым этапом в получении качественного сварного соединения. Он требует наличия определенного количества расплава, определяемого глубиной противления и вязкостью полимера. Возникновением.аутогезионной 10

сеязи заканчивается первый этап образования сварного соедино -ния и лишь после этого вследствие теплогой флуктуации может происходить и происходит второй этап - диффузия макромолекул в зоне сварки.

Таким образом, процесс образования сварного соединения происходит как бы поэтапно на двух уровнях: Еначале на макроуровне - объемное течение расплава и даже его частичное пере -мешиЕание и переход в аутогезию - первый эхап, а затем вслед -ствие значительной разницы в энергетическом потенциале слоев расплава в зоне соединения происходит второй этап - процесс взаимной диффузии, т.е. протекает процесс на микроуровне.

Б этом суть вскрытого нами механизма образования'сварного соединения и отличие от представлений, существовавших ранее.

Прямыми экспериментами по специально разработанной мето -дике на слоистых образцах показано, что при соответствующих параметрах режима оплавления (Тн,± оп, Роп) и осадки (Р0С.У£>С) можно за счет течения расплава полностью эвакуировать в грат из зоны стыка ингредиенты, препятствующие взаимодействию мак -ромолекул на поверхностях свариваемых деталей. На основании экспериментальных исследований реологических процессов в зоне стыка и изыскания возможностей управления ими предложена новая технология стыковой безгратовой сварки без осадки путем принудительного макроперемепивания расплава в стыке за счет смеще -ния СЕариЕаемых деталей в процессе их контактирования после оплавления. При этом происходит принудительное разрушение прослоек, препятствующих взаимодействию макромолекул.

Проведенный нами анализ термомеханических кривых термопластов полиолефинового, полиамидного рядов и пластмасс на их основе позволил установить, что вязкость в интервале вязкотеку -чего состояния изменяется в зависимости от вида термопласта , его молекулярной массы и молекулярно-массового распределения и добавок, т.е. характеризует природу полимеров, а следовательно, и пластмасс на их основе. Так как интенсивность течения расп -лава в зоне контакта свариваемых деталей зависит от вязкости расплава, характер ее изменения з температурном интервале вяз-котекучего состояния было предложенная рассматривать в качестве индикатора свариваемости термопластов.

Количественными параметрами, характеризующими изменение вязкости (следовательно, и свариваемости) термопластов в интервале вязкотекучего состояния, наш предлагается следующее

II

(рис.1): ширина температурного интЕерала А Т от температуры текучести Ттек до температуры деструкции Тдестр; уровень вяз -кости в этом интервале и градиент, характеризующий степень снижения вязкости в зависимости от поЕЫшения температу-

ры.

Чем меньше вязкость термопласта в этом интервале и чем шире этот температурный интервал, тем лучше сваривается данный термопласт.

Исходя из предложенных параметров, согласно нашей реоло -гической концепции, термопласты по свариваемости могут быть подразделены на четыре группы (см.таблицу).

Классификация термопластов по свариваемости

Уровень свариваемости Интервал Т -Т гтек дестр* °С Вязкость расплаЕа, Па.с Градиент снижения еязкости, Пз.с/М°С

Хорошо сваривающиеся Удовлетворительно сваривающиеся Ограниченно сваривающиеся Трудно сваривающиеся Более 50 Не более 50 Не более 50 Энергия акти энергии хи Менее Ю3 Не Еыше Ю5 Зыше I07 нации вязкого мических связе; Более ЮС Не менее 50 Требуются специальные меры до сварки гечения выше i

Изучен характер изменения скорости перемещения свариваемых деталей в процессе осадки. По интенсивности изменения скорость осадки может быть подразделена на три периода: а) интенсивного роста; б) интенсивного падения; в) перехода в "релаксационный режим". Экспериментально показано, что существует оптимальная скорость осадки 1Г0. Перемещение свариваемых деталей с малой скоростью (для ПЭ менее 10 мм/с) не позволяет удалять (эвакуировать) с расплавом из зоны стыка ингредиенты, препятствующие взаимодействию макромолекул, при перемещении с большей скоро -стыо (для ПЭ более 100 мм/с) проявляется "эффект Вшоградова", т.е. расплав, находясь в текучем состояния, проявляет себя при осадке как высокоэластичное (резиноподобное) вещество, что 12

также не позволяет вытеснить из стыкз ингредиенты. И в первом, и ео втором случаях формирование сварного соединения может быть некачественным, что приводит к понижению его служебных

сеойсте.

Из реологической концепции вытекаетЕажный выеод, что для получения благоприятных услоеий, обеспечивающих взаимодействие макромолекул по соединяемым поверхностям деталей, необходимо вытеснение поверхностного слоя расплава из середины сваривае -мых встык элементов (рис.2).

На основании исследований процесса осадки и течения расплава е зоне контакта нами было составлено несколько математи -ческих моделей механизма образования сварного соединения с учетом течения расплава, позволяющих с заданной точностью по -лучать количественные технологические параметры осадки: давление Р0, величину осадки Д, , время осадки t 0. Математическая формулировка этой задачи выполнена нами с использованием уравнений движения.

Рассматривая расплав в зоне контакта свариваемых деталей как вязкую жидкость, уравнение движения доя нее можно предста-еить в цилиндрических координатах в скалярной форме системой равенств:

1Е1 = —

дг ^ г

(4)

У <н

'¿'-'"/сР*

где Р - давление расплава; й - еязкость расплава;-векторы скорости течения;р - плотность расплава; у, - текущий радиус; £ - время течения.

л Суммарная зона противления двух сопрягаемых труб равна д0 (рис.3), а после осадки -п

Эту систему уравнений удалось решить применительно к стыковой сварке труб, пластин и блоков, используя решение Стефана и учитывая, что в зоне свариваемого стыка всегда тлеется область, где скорость расплава при осадке практически

Рис.3 Расчетная схема течения расплава в процессе осадки при стыкоьой сварке: а - расчетный элемент; б - сваренные трубы

приближается к кулю.

Рассматривая при этих условиях элемент расплава (рис.3) , нами была получена формула дам расчета давления осадки Рое при сварке труб:

з0№ + ЯУ] г /

ЧЬ(£п&чг &>я,) Що-/^- А?) (5)

где Д - величина осадки.

Зависимость (5) показывает, что давление осадки ^«должно быть тем больше, чем больше вязкость расплава, чем больше величина осадки, чем толще стенки свариваемых труб и чем меньше глубина проплавления. Естественно, что скорость осадки должна быть тем больше, чем меньше время осадки, т.е. тем больше должна быть скорость течения расплава.

Установлено, что время осадки, сопровождаемое интенсивным течением расплава полимера, на порядок ниже, чем это предполагалось ранее другими исследователями, например, для полиолефи-нов составляет лишь доли секунды (0,2-0,6 с). При этом скорость осадки обратно пропорциональна вязкости расплава, нарастающей по мере осадки по экспоненте.

Исследовано изменение кратковременной прочности сварных стыков соединений в зависимости от температуры нагревателя,давления осадки. Обнаружено три зоны по температуре и две по давлению.-

При низких температурах нагревателя (ниже 200°С) и высоких (выше 300°С) при сварке полиэтилена наблюдается снижение прочности сварных соединений. При высоких температурах происходит особенно резкое падение (провал) прочности. Однако с повышением давления осадки граница провала прочности сдвигается в область более высоких температур, а глубина провала уменьшается, что свидетельствует о том, что вследствие более интенсивной эвакуации расплава негативные процессы высокотемпературного нагрева (термодеструкция полимера и появление пор,окисление по границам захваченных газовых прослоек) в определенной степени компенсируются за счет вытеснения из зоны г акта нежелательных ингредиентов.

Прямыми экспериментами установлено, что при заданном давлении осадки из стыка эвакуируется расплав, обладающий наимень-

шей вязкостью; при достижении слоев, обладающих вязкостью суммарно уравновешивающей своим сопротивлением усилие осадки, течение прекращается, т.е. расплав из стыка не вытесняется полностью до границы зоны проплаЕления. Каков бы ни был темпера -турный градиент по сечению зоны проплаЕления, осадка заканчи -вается при вытекании расплава до определенной температурной границы. Это позволяет также сделать вывод: что можно форсировать режим сварки по температуре, учитывая инерционность процесса нагрева термопластов.

Экспериментально доказано, что прочность СЕарного шва по сечению (дифференциально-послойная прочность) меняется по па -раболическому закону с максимумом в середине, что, очевидно , является следствием переориентации текстуры материзла шеэ на 90° при течении расплава в контактной зоне.

Исследование микроструктуры поперечного сечения швов деталей из полиолефинов под оптическим микроскопом в поляризо -ванном свете позволило установить четыре структурные зоны, из которых, зона по границе проплавления представляет собой высо -коориентированное состояние термопласта в виде тяжей. При изменении микротвердости нами установлено, что этой структуре соответствуют максимальные значения (пик твердости).Анализ полей собственных напряжений и изучение их изменения в процессе осадки и остывания позволили сделать вывод, что в районе границы проплаЕления материал находится под максимальными растя -гивающими напряжениями. При этом их максимальное значение соответствует району подгратовой зоны.

Как показано совместными исследованиями, проведенными нами с сотрудниками ГипроНИИгаза КашкоЕской Е.А. и Кайгородо-вым Г.К., в подгратовой зоне вследствие интенсивной усадки грата могут возникать микротрещины в процессе остывания шва после СЕарки, которые,развиваясь со Бременем под действием рабочих нагрузок и поверхностно-активных сред, могут приводить к разрушению стыка. Это позволяет сделать вывод, что проблема технологической прочности существует не только для металлических, но и для пластмассовых сварных соединений.

Для предупреждения образования подгратовых трещин и уме -ньшения эффекта усадки грата на снижение несущей способности шва нами предложен способ снижения растягивающих напряжений в подгратовой зоне термомеханической обработкой шва путем его

обжатия в пластическом состоянии; на новую технологию получено авторское свидетельство В 479645. Отличие сварного шва по своим физическим и структурным свойствам от основного материала подтверждено также рентгеноструктурным и спектроскопическим анализами в ультрафиолетовом световом пучке, позволяющими ут-вервдать, что в сварном шве кристаллических тер/топластов имеется не только кристаллическая, но и аморфная фаза, а также специфическая фаза, которую чл.-корр.Касаткин Б.С. и к.х.н. Гринюк Б.Д. считают аналогичной мартенситной структуре в металлах.

Исследование кинетики образования сварных соединений армированных пленок при контактной сварке на прессах шаговым методом позволило дифференцировать процесс на этапы. Первый этап-сближение и физический контакт по отдельным точкам и площадкам; Еторой (при нагреЕе и наличии давления) - дальнейшее удаление газовой фазы из зоны контакта; третий - при нагреве поверхностей контакта до текучего состояния происходит процесс растекания расллаЕа от точек контактирования, сопровождаемый разрушением поверхностных слоев с перемешиванием расплава при таком течении; четвертый этап - равномерное течение расплава между армировкой (со смещением самой армировки) с постепенным зату -ханием процесса течения вплоть до момента смыкания слоег арми-роЕКИ свариваемых деталей пленок между собой.

Установлено, что наиболее интенсивное течение расплава в зоне контакта происходит в начальный период нагреЕа, по мере перехода полимера е текучее состояние. Следовательно," управление процессом сварки пленок следует производить в этот период. Для предупреждения деформации армировки и образования горф в околошовной зоне было предложено одновременно прилагать к свариваемой пленке е этот период растягивающие усилия.

Сравнительные исследования сЕарки армированных и неарми -роЕанных пленок подтвердили, что армировка оказывает значите -льное сопротивление течению расплава в зоне контакта свариваемых изделий, о чем свидетельствует меньшая деформационная способность армированной пленки. Скорость течения расплава при контактной сварке проплавлением на деа порядке ниже, чем при сварке оплавлением. Это объясняется не только меньшим количеством расплава, но и затрудненностью его перетекания между ар-мировкой и сварочными элементами. Вследствие этого тормозящего эффекта удельное давление при сварке пленок на порядок превы -

17

тает величину давления при стыковой сварке оплавлением.Для интенсификации реологических процессов в зоне контакта были разработаны технологии сварки с добавкой в зону контакта неарми -рованной пленки, обладающей меньшей вязкостью, а также способ сварки пленки со сдвигом в процессе сварки.

Исходя из предложенной нами реологической концепции образования сварных соединений,были найдены формулы для расчета технологических параметров режима сварки пленок, которые взаимосвязаны и в свою очередь зависят от конструкции нахлестки.

С целью определения прочности сварных соединений армиро -ванных пленок были разработаны специальные образцы для испытаний на расслоение и на растяжение. С их помощью было показано, что кратковременная срочность сварных соединений, помимо технологических параметров, сварки Iтемпературы нагреЕа, давления при СЕарке, времени выдержки при температуре.сварки) определяется особенностями армировки (конструкцией, свойствами ее материала) .

При течении расплава в процессе сварки в нахлестеке происходит смыкание армир^ки и прочность соединения фактически зависит от адгезии покровного пленочного материала к армировке.

Экспериментально установлено, что это предельное состоя -ние является и оптимальным, так как оно обеспечивает стабиль -ность прочностных показателей не только при кратковременных,яо и при длительных нагрузках без значительной'дисперсии.

Таким образом, с позиций выдвинутой нами реологической концепции механизма образования сварных соединений основной целью сварки данного термопласта является создание такого термомеханического цикла, который бы интенсифицировал реологические процессы в зоне контакта в условиях максимальной релакса -ционной способности свариваемых полимеров или их композиций с целью снижения уровня остаточных напряжений.

В четвертой главе приводятся результаты разработки мето -дов расчета тепловых полей и термических параметров технологических режимов контактной тепловой сварки, результаты исследования формы зоны проплавления при контактной тепловой сварке деталей оплавлением и изучения кинетики сварки пленок проплав-лением. Они свидетельствуют о том, что тепловые потоки при нагреве, выдержке, формировании шва и его остывании носят объемный характер. Экспериментально нами было показано, что темпе -

ратура на нагреваемых поверхностях при их оплавлении измеряется по экспотенциальному закону.

Если принять для расчета теплового состояния пластмассовых деталей при сварке схему одномерного распространения тепла,которая может быть выражена известным дифференциальным уравнением фурье. Для упрощения его решения в инженерных расчетах оно было аппроксимировано нами с помощью нижеследующих обобщенных -переменных:

<7>

На ЭШ были рассчитаны значения безразмерной температуры в в зависимости от безразмерного времени Рох и представлены в виде номограмм (рис.4,а), позволяющей определить глубину противления, температуру .в любой точке нагреваемой детали в любое время, строить иэохроны температур. Многочисленными экспериментами было установлено, что ошибка расчета находится в поле разброса фактических данных (зависящих от неоднородности пластмасс).

При сварке кристаллизирующихся термопластов существенное значение имеет.-скорость нагрева и охлаждения стыка, так как она определяет характер конечных структур. Для расчетного определения скорости нагрева сплавляемых кромок безразмерный кра-терий в выражениях (7) дифференцируется по критерию Яурье

- тфш ^(-чго*

Значение функции С/Э(роЛъ зависимости от Рох также было рассчитано нами на ЭШ.и представлено в виде номограммы (рис.4,б), позволяющей определять скорость нагрева в зависимости от времени нагрева, температуры нагревателя, а также определять другие функциональные зависимости.

Для расчета тепловой мощности сварочных нагревателей необходимо знать количество тепловой энергии, проходящей за время оплавления через границу оплавляемой детали. Суммарную энергию, вводимую в нагреваемое изделие и затрачиваемую на плав -ление поверхностей, можно определять по формуле:

6ъ±) = Тс^ (и -Ъ) р(Га) - ^(2 (9)

19

где С /г, »

. и - толщина оплаЕляемых кромок; уЗ - скрытая теплота плаЕле-ния термопласта; О - величина, назначаемая из условия:

(Т„ ~То)

(71 -%) ^

Для расчета по формуле (9) функция И?ох) представлена нами в виде номограмма (рис.4,в).

НаиболызЯ интерес хредстаЕляет собой, когда режим оплав -ления переходит в квазистационарный, т.е. время нагрева может быть принято е расчете '¿^~<х>. Тогда температура е любой точке может быть определена по формуле:

^х) ; (Ю)

Нами была получена зависимость безразмерной глубины про-плаЕления /К" от безразмерного Бремени оплавления & в гиде трансцендентного уравнения:

Ьт)~ "*(*- ™

значение максимальной глубины проплавления для данной скорости оплавления получается из выражения (10) при Т^Х)=ТП. Рассчитав при помощи ЭШ зависимости УГот ^ с использованием ураЕ -нения (II), получен график (рис.4,г), который позволяет рассчитать зависимость глубины проплавления от времени нагрева и от скорости оплавления, а зависимость времени достижения квазистационарного режима - от скорости оплавления.

Построение изохрон температур при квазистационарном режиме согласно формуле (10) при различных скоростях оплавления показывает, что с увеличением скорости оплавления возрастает концентрация теплового потока вблизи нагревательного инструмента.

Нгмк разработана таете методика расчета теплового состояния стыкового сварного соединения в процессе его охлаждения

ш В -Е Т

0е, ор

о.ь ■В с ■о%

0.3

0,2 вр 0%

Шг Пг I

О, ННЩ № № о,В51 о чл Од ои2^ом ООН щ 0,1

о 02 ОА о, в о, в 1,0 О I 8 12 1Ь 20

р о.г о,1> цб о,в уЫ,

О Ц в /2 16 20

ч

РШ

3

1

1 о

а оо г орь 1- тго

щ

V /

/ / > / , 1

О.ь

Р.

1 о.т 0,002

п

10 £

15 20 т

/V 20

и

Од /

4«

О 02 06 1,0 У

Рис.4. Номограмм;, для расчета тепловых процессов при контактном нагреве термопластов

после сварки.

Решение дифференциального уравнения теплопроводности,учитывающего не .только теплоотЕОД в осноеной материал, но и теплообмен с поверхности (по закону Ньютона), может быть представлено следующим образом:

Из этого уравнения можно определить температуру в любой точке СЕарного соединения е любой момент его охлаждения.

Таким образом, нами разработаны расчетные методы опреде -ления Есех термических параметров, необходимых при анализе те-плоеого состояния СЕэр:!Еаемых деталей в процессе сварки и охлаждения.

3 пятой главе излагаются результаты интеграции исследований по изучению всех этапов процессз образования сварных сое -динениГ; при контактной тепловой сварке термопластов (главным образом труб и армированных пленок). Приводятся обобщенные термомеханические циклы с количественными параметрами для сварки оплавлением и проплавленяем, в которых отражено соотношение скоростей нарастания давления и скорости перемещения рабочих инструментов, обеспечивающих сближение макромолекул по контактной поверхности соединяемых деталей.

Установленные предельные значения и взаимозависимости параметров, в частности от величины еязкости е интервале вязко -текучего состояния, позволяют резко сузить пределы ЕарьироЕа -ния значении технологических параметров.

Для проверки найденных технологических параметров было создано несколько экспериментальных стендоЕ для сварки, экспериментальный полигон для определения длительной прочности сварных соединений при их работе под различной нагрузкой е уело -

виях воздействия солнечных лучей, атмосферы и осадков. Были сконструированы и сооружены различные стенды для испытания сварных соединений труб и пленок под нагрузкой на образцах л в изделиях при выдержке в различных средах. Ыногопозициовные стенды позволяли обеспечивать постоянство нагрузок как при одностороннем воздействии сред (нефти, мазута, светлых нефтепродуктов) , так и гри двухстороннем, в том числе при выдержке в ПАВах е различных напередзаданных температурных режимах.Велись испытания и на стендах, обеспечивающих постоянство дефо-рлаций при нагружении сварных образцов е различных средах.

Для испытания сварных соединений армированных пленок на длительные динамические нагрузки, имитирующие условия работы привода быстроходных прецизионных токарных станков, были сконструированы стенды, позволяющие получать в сварных соедине -ниях армированной пленки знакопеременные нагрузки как в воздушной среде, так и в контакте с любами средами при различной степени растягивающих нагрузок.

Изучение характера оплавления и проплавления термоплас -тов и, в частности, труб различных диаметров и толщин, дало возможность создать оригинальные нагреватели для их стыковой огарки (а.с. К 763I2I, 753663), позволяющих регулировать форму границы проплавления за счет сочетания процесса нагреЕа и зонного охлаждения оплавляемых кромок свариваемых деталей.

На основании исследований реологических процессов при сварке проплавлением нахлесточных соединений армированной пленки на прессах найдены условия получения швов с заплавленными (герметизированными) кромками, исключающими фильтрацию продукта по ар;<шроЕке. Была вскрыта причина разрушения сварного соединения армированных пленок в околошоеной зоне, которой является деформация (гофрирование) армировки при течении расплава е нахлестке при прогреве под давлением. На основании этих исследований созданы оригинальные, практические нетепло-инерционные нагреватели (а.с..!5 852596), позволяющие обеспечить любой (по напередзаданной программе) тепловой режим при необходимом давлении на всем протяжении сЕарного шеэ с исключением гофрирования. Зтот эффект достигается путем приложения растягивающих нагрузок к амировке в процессе заключительной стадии формирования сварного соединения.

Изучение технологической прочности сварных стыков труб из полиолефинов и воздействия на полиолефины нефти и нефтепро-

дуктов позволили найти способ (а.с..1,' 1171356) предупреждения образования подгратоЕЫХ трещин, резко снижающих сроки службы пластмассовых-трубопроводов. Способ заключается в том,что после осадки охлаждение стыка ведется до температуры,равноЗ температуре отпуска термопласта, после чего производится плас -тификация поверхностных слоев шва и околошовной зоны путем пропитки их при изотермической Еыдержке органическим рзстЕО -рителем на глубину, соизмеримую с глубиной проникновения■под-гратоЕЫХ трещин. Установлено, что температура отпуска в дан -ном случае определяется как Тотп=(0,7-0,8) Т^ (30-40) °С . Время выдержки стыка при Тотп и воздействие пластифицирующих компонентой определяется требуемой глубиной проникновения пластификатора А и коэффициентом ее диффузии ( О) в материал из соотношения: ;

• С целью приближения по текстуре и структуре сварных швов к основному материалу эффективным является способ термомеха -нического упрочнения шеэ после осадки (а.е..'5 479645). При стыковой сварке оплзвлением специальных трубопроводов, предназначенных для транспорта внутритрубных,контейнеров и капсул, предложен способ удаления внутреннего грата(а.с.Й573363).

Исследование механизма формирования сварных соединений встык позволили разработать под руководством автора во

ЗНИИСТе гамму трубосварочных установок для сварки труб диаметром от 63 до 350 мм с ручным приводом, с помощью которых было сварено несколько магистральных и промысловых трубопрсЕО -дов, в том числе нефтепроводов и газопроводов на Бакинских и Башкирских нефтепромыслах. Впервые в СССР был сварен подвод -ный переход для объекта московского завода "Серп и Молот" и морские Еыпуски в Балтийское море из полиэтиленовых труб диаметром 800 и 1020 мм.

Под руководством автора были сконструированы по заданию ШНТ и Еыпущены серийно Киевским экспериментальна,! механическим заводом трубосварочные автоматы УС1ГГ-7 для сварки труб диаметром 140-355 им, это были первые в СССР автоматы, рабо -тающие по настраиваемой программе и полностью без участия оператора, осуществляющие цикл сварки, начиная от деухстэдийного оплавления и кончая необходимой выдержкой под давлением после осадки.

Совместно с НИПИтранспрогресс было создано мобильное устройство для сварки пластмассовых труб диаметром 430-630 мм е

полевых условиях (а.с.й 727472), позволившее сварить е районе г.Раменекое первый в СССР ппеЕмотрубопровод диаметром 630 ьм из полиэтиленовых труб для транспорта по нему контейнеров с жидкими и твердыми продуктами.

На основании выеодов по исследованию механизма образования сварных соединений при сварке армированных пленок были выдвинуты требования к их свариваемости, главными из которых являются снижение до минимума объема технологических пластифицирующих добавок б полимерные композиции, экранизирующих поверхностные слон- пленки, максимальное обеспечение адгезионных свойств этих композиций к армировке. Только в этом случае получается сварное соединение, отвечающее тем же требованиям,чт: и исходный материал сварной конструкции. На этом осноезн:;:! было создано несколько оригинальных композиций хорошо сЕариЕаю -щихся армированных пленок, в том числе (а.с. $ I03I080) для ответственных сварных оболочковых конструкций массового выпуска.

Для сварки прямолинейных длинномерных шеое пленочных конструкций шаговым способом были предложены и разработаны универсальные конструкции сварочных консольных прессоЕ(з.с.Л2С013Э), имеющих в 2,5 раза меньший гее по сравнению с традяиионнчми прессами. Исследования термомеханического цикла сварки армированных пленок с покровным материалом на основе поливинплхлори-дных композиций позволили создать совместно с 1.1инсклм ЗКТБ прессы-автоматы ПСТП-2, ПСТП-4 портально-консольного типа (а.с.té I0I4735) с унифицированными узлами. Эти прессы,работающие с предподогревом, т.е. в непрерывном режиме нагрева (без охлаждения до 20°С), позволяют сократить длительность цикла сварки армированных пленок на ЗС$.

Для произЕодстЕа монтажных работ непосредственно на строительных объектах была разработана совместно с ЭКБ по железо -бетону при ЗНИИСТ серия переносных прессов и технология производства при помощи их сборки и сварки оболочковых конструкций из армированных полимерных материалов. Для сварки неагиировэн-ных полимерных пленок толщиной до 600 мкм в монтажных условиях были разработаны простые ручные устройства, позволяющие осуществлять сварку как шэгоеым способом, так и непрерывно.

Разработанные технологии сгарки армированных пленок были внедрены при сооружении укрытий и тентов различного типа, мяг-

ких цистерн и многооборотных контейнеров, понтонов и мягких опор для монтажа трубопроводов, подвески.утяжелителей на трубопроводы, для изготоЕления приводных ремней и транспортеров, движителей болотоходов. Разработанные технологии сварки пластмассовых труб широко используются при сЕарке трубопроводов диаметром от 63 до 630 мм на нефтепромысловом строительстве.Созданное трубосварочное оборудование успешно работает в объеди -нении "Азнефть" при СЕарке нефтепроводов из полиэтиленовых труб, при монтаже трубопроводов на стройках Прикаспийского нефтегазового комплекса, на объектах производственного объединения "Башнешть".

Результаты работы послужили основой при разработке многих нормативных документов по сварке пластмассовых конструкций в ряде отраслей страны.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана физико-технологическая модель контактно -тепловой сварки термопластов. Впервые выдвинута и систематическими исследованиями подтверждена новая концепция механизма образования сЕарных соединений термопластов, получившая наименование реологической, которая позволила разработать принципиально новые технологии СЕарки пластмассовых конструкций, а также позволившая сформулировать принципы создания сварочной автоматизированной техники ноеых поколений.

Установлено, что для образования сЕэрного соединения при контактной тепловой сварке термопластов необходимо течение расплава в процессе образования шеэ. Ноеэя концепция постулирует, что процесс образования сварного соединения термопластов осуществляется е деэ этапа.

Первый этап происходит на макроуровне с перемещением ь:ак-рообьемоЕ полимера, находящегося в текучем состоянии в расплаве, его можно количественно регулировать простыми технологическими призмами. Ьторо5: этап протекает на микроуровне с перемещением макромолекул.

2. Предложена классификация термопластов по свариваемости, базирующаяся на реологических свойствах свариваемых термопластов в интервале температур, соответствующих из Еязкотекучему состоянию. Все термомасти по свариваемости разделены на четы-25

ре группа: хорошо сваривающиеся, удовлетворительно свариваю -щиеся, ограниченно сваривающиеся, трудносваривающиеся. Предложены параметры свариваемости по этой классификации:ширина температурного интервала от температуры текучести до температуры разложения, минимальный показатель вязкости в этом интер -Еале и градиент изменения вязкости при плавлении в зависимости от температуры.

3. Сделан вывод, что математический аппарат реологии жидкостей может быть продуктивно использован для расчетного определения параметров течения расплава при формировании свар -ного шеэ е процессе СЕарки термопластов оплавлением и пропла-влением. Аналогичный еывод можно также отнести к возможности использования аналитического аппарата теории массо- и тепло -переноса.

4. Получены аналитические зависимости для расчета термического цикла е зоне СЕарки и на их основе разработаны инже -нерные методики расчета термических параметров контактной сеэ-рки пластмассовых изделий.

5. Расчетным путем установлено и экспериментально подт -

верздено, что предельное время оплавления при контактном на-

греЕе деталей из термопластов прямо пропорционально толщине

свариваемых элементов,вязкости термопласта и обратно пропор -

ционально усилию контакта с нагревателем и его температуре .

Предельная глубина проилавления при заданной скорости проглав-ления „ *

пропорциональна температуре инструмента и обратно пропорцио -

нальна температуре плавления свариваемого материала.

6. На основе раскрытия механизма образования сварных соединений предложены научно обоснованные методы управления реологическими процессами при контактной тепловой СЕарке оплавлением и проплэвлениеы на первой стадии за счет уменьшения потока течешш расплава в зоне контакта свариваемых деталей (путем вращательных, Еозвратно-посгупательных перемещений) в процессе формирования сварного шва (в процессе осадки), изменения формы контактируемых поверхностей в процессе их плавления (изменения формы подложек, формы, нагревательных элемен -тсв). Регулирование течения за счет изменения тепловых полей в зонах шва и околошовной зоне (сочетание одновременного на-греЕа и охлаждения) потоком холодного газа или жидкости.

7. Созданы оригинальные модели сварочных устройств и установок для изготовления оболочковых конструкций (сварочные

27

прэссы линейные и фигурные), а также трубосварочные устройства и автоматы для сварки пластмассовых трубопроводов, которые выпущены серийно, а также служат осноеой для конструирования промышленных машин и установок, в том числе автоматизированных систем для различных отраслей народного хозяйства.

8. На основании исследований были разработаны и реализо -ваны технологии изготовления конкретных конструкций различного назначения (оболочковые укрытия, контейнеры, ангифилырацион -ные экраны, цистерны, газопроводы, нефтепроводы, водопроводы и др.) со значительным экономическим эффектом.

9. Проведенные исследования позволили решить крупную народнохозяйственную проблему - изготовление объемных оболочко -еых конструкций; разработаны эффективные технологии контактной тепловой сеарки проплавлением армированных полимерных пленок , в том числе относительно большой толщины.и сложного совмещения, сущность которых заключается е использовании реологических еоз

можностей покроЕных слоев такой пленки при одновременном регламентировании реологических процессов в ШЕе и околошоеной зоне за счет сочетания силовых и тепловых полей таким образом , чтобы интенсифицировалось течение расплава в шге и ограничивалось в околошоеной зоне, что наиболее полно позволяет получить свойства СЕарного соединения, приближающееся к свойствам основного материала. Обоснована также технология контактной тепловой сварки оплавлением труб из многотонажных термопластов с определением осноеных граничных услоеий как по температурному воздействию на полимерный материал, так и по Бремени его воздействия на первом этапе с учетом последующего силоеого воздействия для обеспечения физического контакта макромолекул по поверхности соединения за счет расплава с определенной скоро -стью, обеспечивающей удаление ингредиентов.

10. Результаты исследований по сварке термопластов включены в различные отраслевые стандарты и государственные НТД для проектирования и сварю; пластмассовых конструкций.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. ЗайцеЕ К.И. Сварка пластмасс при сооружении объектов нефтяной газовой промышленности. - М.: Недра. - 1984. - 224 с.

2. Зайцев К. И. Контактная СЕарка пластмасс е строительстве— М.:Стройиздат, 1982, - 79 с.

3. Зайцев К.И., Мацюк Л.Н. Сварка пластмасс - М.: Машиностроение, 1978. - 224 с.

4. Зайцев К.И. Сварка армированной пленки// Сварочное производство. - 1964. - № 8. - С. 66-69.

5. Зайцев К.И. Соединение труб из полимерных материалов // Строительство трубопроводов. - 1965. - Л 9. С.4-6.

6. Зайцев К.И. Деформация при сварке синтетических пленок на тепловых прессах// Автоматическая сварка. - 1965. -

JS 10. - С. 31-34.

7. Зайцев К.И. Особенности термического цикла при контактной сварке труб из термопластов// Строительство трубопроводов. - 1966. - Л 9. - С.13-14.

8. Зайцев К.И. Голь технологических дефорлаций в получении высококачественного сварного шва при соединении армированной шгенки сложного состава// Сварочное производство. - 1967. -

Ä 4. - С.29-30.

9. Зайцев К.И., Ляшенко В.Ф. Исследование тепловых процессов при стыковой сварке труб из термопластов// Автоматическая сварка. - 1968. - й I. - С.37-39.

10. Зайцев К.И., Крайнев В.В. Деформирование полимерных пленок при сварке на прессах// Автоматическая сварка. - 1969. -Л 5. - С.28-31.

11. Вивдт Б.Ф., Зайцев К.И. Влияние технологических параметров на форлу зоны проплавления при прессовой сварке термопластов// Автоматическая сварка. - 1969.-№10. - С.28-30.

12. Зайцев К.И., Сергеева Н.Л. О методе определения оптимальных параметров режима сварки армированной синтетической пленки// Сварочное производство. - 1969. - № 12. - C.I6-I7.

13. Зайцев К.И., Ляшенко В.Ф. Тепловые процессы при сварке труб из термопластов. - М.: ВНИИЗГазпром, 1970. - 38 с.

14. Зайцев К.И. О причине разрушения пластмассовых трубопроводов и схема расчета оптимальных параметров режима их сварки// Сварочное производство. - 1972. - № 6. - C.II-I3.

15. Зайцев К.И., Еухин Б.Е. Влияние реологических процессов в контактной зоне на качество сварных соединений труб из термопластов/ Строительство трубопроводов. - 1972. - № 7. -

С. 14-16.

16. Зайцев К. И. Механизм образования расплавленного слоя при контактной сварке термопластов и его влияние на режимы сварки/ Строительство трубопроводов. - 1973. - Л 5. - С.14-16.

17. Зайцев К.И. Механизм образования соединений при кон-тактоной сварке термопластов оплавлением// Автоматическая сварка. - 1973. - С. 28-31.

18. Зайцев К.И. Критические напряжения в сварных стыках полиэтиленовых труб// Строительство трубопроводов. - 1974. -№ 3. - С.17-18.

19. Зайцев К.И. Исследования механизма образования сварного соединения при контактной сварке// В сб.; Свайка полимерных материалов. Материалы семинара. - М.: МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, 1974. - С. 5-9.

20. Зайцев К.И^, Истратов И.Ф., Ляиенко В.Ф. Сварка пластмассовых трубопроводов. - М.: Недра, 1974. - 70 с.

21. Зайцев К.И. Принципы создания систем с обратной связью для автоматов контактной сварки труб из термопластов// В сб.: Экспресс-информация, - М,: ЦНТИ ВНИИСТ. - 1974. - № 24. -

С.9-13.

22. Зайцев К.И. Механизм течения полимерного материала при сварке его на тепловом прессе// Строительство трубопроводов. -1974. - Л 12. - .С. 17-19.

23. Зайцев К.И. Дифференциальное исследование сварного стыкового соединения термопластов// Пластические массы. - 1975. -

№ 4. - С. 67-69.

24. Зайцев К.И. Методика аналитического определения температурного поля и давления осадки при контактной сварке термопластов// В сб.: Труды ВНИИСТ. - М.: ВНИИСТ. - 1974. - № 30.

- С.332-350.

25. Зайцев К.И., Кашковская Е.А., Кайгородов К.Г. Особенности строения сварных швов при контактной сварке полиэтиленовых труб// Пластические массы. - 1975. - № 10. - С. 47-48.

26. Зайцев К.И. Контактная сварка армированных синетических пленок. М.: ВНИИЗГазпром, 1971. - 52 с.

27. Зайцев К.И., Сергеева Н.Л. Исследование причин изменения химического состава и структуры сварных соединений армированных пленочных термопластов в процессе старения. - Сварочное производство// 1976. - № 6. - С.- 10-12.

28. Зайцев К.И. Определение температуры на-торцах труб из термопластов при контактной сварке// Сварочное производство. -1976. - Л 8. - С. 48-49.

29. Зайцев К.И. Особенности управления процессом стыковой сварки труб из термопластов// Автоматическая сварка. - 1976. -Л 5. - С. 64-67.

30. Зайцев К.И. Контактная сварка встык труб из полиэтилена высокой плотности// Автоматическая сварка. - 1976. -

Л 12. - С. 32-33.

31. Зайцев К.И. Аналогии в механизмах сварки труб из термопластов и металлов// Строительство трубопроводов. - 1976. -Ü 2. - С. 33-34.

32. Зайцев К.И. Контактная сварка оплавлением пластмассовых труб на нефтепромыслах. - М.: ВНИИОЭНГ, 1976 - 77о.

33. SAJZEW K.I. UNTERSUCHUNGEN ÜBER BRUCHURSACHENAN SCHWEIßVERBINDUNGEN VON POLYÄTHYLNROKRLEITUNGEN (PE) HALLE,IJS MITTEILUNGEN -1977

S 338-347.

34. Зайцев К.И. Контактная сварка пластмассовых труб и пленок и роль реологических процессов в образовании сварных соединений// В сб.: Повышение качества и эффективности сварочного производства на предприятиях Москвы. Материалы конференции - М.: ВДНТП им. Ф.Э.Дзержинского. - 1980. - С. 103-106.

35. Зайцев К.И., Корнеев В.Д. Математическая модель течения расплава в шве при контактной сварке пластмассовых труб вотык // В сб. научных трудов БНИИСТ. - М.: БНИИСТ, 1980. -C.I03-II5.

36» Зайцев К.И. Оценка напряжений при контактной оварке термопластов// Строительство трубопроводов. - 1981. — ä 12. С.23-24.

37. Зайцев К.И., Ляшенко В.Ф., Вкндт Б.Ф. Раочет охлавде-ния сварных отыков труб из термопластов// В об.: Проектирование и строительство. - М.:Информнефтегазстрой. - 1981. - И 10. -

С. 32-36.

38. Зайцев К.И., ЕИНДТ Б.Ф., Гомольский Е.М. Передвижная автоматизированная установка УСПТ-7 для сварки пластмассовых труб// Сварочное производство. - 1982. - № I. - С. 12-13.

39. Зайцев К.И. Реологическая концепция механизма образования сварных соединений термопластов// В сб. научных статей.-КИЕВ: ИЭС им. Е.О.Патона, 1982. - С.3-7.

40. Лурье И.£,, Впщт Б.Ф., Зайцев К.И. Методика расчета процесса осадки при контактно-тепловой сварке пластмассовых труб// Автоматическая сварка. - 1983. - С.31-33.

41. Зайцев К.И., Вида? Б.Ф., Лурье И.В. Воздействие нефти на несущую опоообность трубопроводов из полиэтилена// Б сб.: Нефтенепромысловое строительство. - М.: ВНИИОЭНГ. - 1984. -

Л 2. - С.6-8.

ят

42. Зависимость степени окисления полиэтилена от технологических факторов аварки нагретым инструментом / Б.Ф.Вйндт, К.И.Зайцев, И.В.Лурье, Б.Я.Покивайло, Р.Т.Сагателян//■ Автоматическая сварка. - 1984. - * 6. - С. 69-71.

43. Зайцев К.И. Эффективность применения пластмасс и сварных конструкций из них в нефтяной и газовой промышленности и методика расчета технологических параметров стыковой сварки

// В сб.: Новые разработки по сварке полимерных материалов в трубопроводном строительстве. Сборник научных трудов. - М.г ВНИИСГ. - 1990. - С.3-13.

44. Зайцев К.И., Ляшенко В.Ф. Тепловые основы контактной сварки встык полиэтиленовых труб//- Инженерно-физический журнал. - 1991, т. 60. - » I. - С. 163-164.

45. A.C. J6 200139, СССР. Консольный пресс//К.И.Зайцев, В.Д.Столяренко// Б.И. - IS67. - № 16.

46. A.C. № 238770, СССР. Установка для сварки термопластичной пленки/ К.И.Зайцев, Б.Ф.Вйндт// Б.И. - 1969. - ä 10.

47. A.C. № 246814, СССР. Стан для сварки термопластичных пленок /К.И.Зайцев, С.Я.Бортаковский// Б.И. - 1969. - Л 21.

48. A.C. № 479645, СССР. Способ упрочнения сварных соединений /К.И.Зайцев// Б.И. - 1975. - * 29.

49. A.C. * 573363, СССР. Способ сварки труб из термопластов встык /К.И.Зайцев// Б.И. - 1977. - № 55.

50. A.C. - 753663, СССР. Нагреватели для стыковой контактной сварки труб из темопластов./К.И.Зайцев// Б.И. - 1980. - й 29.

51. A.C. № 734940, СССР. Устройство для сварки полимерных материалов /К.И.Зайцев, А.Г.Гладкий, Ю.Ф.Лущик и др. - 1980 -

( д.с.п.)

52. A.C. № 763I2I, СССР. Нагреватель для стыковой контактной сварки труб из термопластов Д.И.Зайцев// Б.И. - 1980. - JS34.

53. A.C. № 727472, СССР. Устройство для сварки труб из полимерных материалов Д.И.Зайцев, В.А.Коновалов, Б.Ф.Вщдт и др. // Б.И. - 1980. - » 4.

54. A.C. № 852598, СССР. Способ сварки внахлест термопластичных пленок и устройство для его осуществления Д.И.Зайцев // Б.И. - 1981. - J6 29.

55. A.C. Ji 1014735,CCCF. Устройство для контактной тепловой сварки термопластичных материалов Д.И.Зайцев, А.Г.Гладкий, Н.Л. Сергеева, А.М.Шашенев// Б.И. - 1983. - ft 16.