СВАРОЧНОЕ ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ

Полезная модель относится к оборудованию для сварки пластических материалов, а более конкретно к оборудованию для соединения многослойных металлополимерных труб с использованием нагретого инструмента, и может быть использовано, например, при монтаже трубопроводов систем горячего и холодного водоснабжения.
В настоящее время широкое распространение получили технологии изготовления трубопроводов из многослойных металлополимерных труб, наружный и внутренний слои которых выполнены из полимерного материала. Вариант пятислойной конструкции такой трубы представлен на рисунке (фиг.1). Труба содержит внешний полимерный слой 1, адгезионные покрытия 2 и 4, алюминиевый слой 3 и внутренний полимерный слой 5.
При монтаже трубопроводов соединение таких труб выполняют, как правило, с помощью резьбовых (компрессионных) фитингов (СП 40-103-98 группа Ж24, Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование и монтаж трубопроводов систем холодного и горячего внутреннего водоснабжения с использованием металлополимерных труб; СП 41-102-98 Группа Ж24. Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование и монтаж трубопроводов систем отопления с использованием металлополимерных труб) или с помощью пресс-фитингов (например, пресс-фитинги HERZ) (http://www.herz-vl/d/67920/d/hress-fitingi_gerc.pdf).
К недостаткам соединений с помощью резьбовых фитингов относятся возможные ошибки при монтаже (недостаточно затянута резьба), необходимость периодического контроля во время эксплуатации, так как затяжка обжимных гаек со временем ослабевает и появляется протечка в месте соединения. При использовании пресс-фитингов соединение получается значительно надежнее и долговечнее. Однако обоим способам присущи достаточно сложная технология и большое количество необходимых для монтажа трубопровода деталей.
В то же время при монтаже трубопроводов из однослойных полимерных труб широко применяются способы неразъемного соединения труб из термопластичных материалов без их растворения или изменения химического состава, исключительно за счет нагрева. Наиболее широко используются способ сварки нагретым инструментом встык (http://www.polyplastic.ru), терморезисторная сварка при помощи фитингов с закладными нагревателями (http://www/etp/com/ua/news/vid_svarki.html) и способ сварки нагретым инструментом враструб с использованием фитингов (http://www.polyplastic.ru).
При сварке встык, как показано на рисунке (фиг.1), нагрев свариваемых поверхностей производится металлическим нагретым инструментом. Сущность способа заключается в нагреве торцов свариваемых труб до расплавления материала и последующем смыкании нагретых торцов для остывания. При этом для получения качественного сварного соединения необходимо соблюдение ряда условий. Основным параметром процесса является температура нагрева сварочного инструмента, которую необходимо поддерживать постоянной с точностью до ±10 К. Время нагрева - плавления торцов свариваемых труб сварочным инструментом - зависит от температуры окружающей среды, толщины стенки труб, подготовки торцов труб под сварку. Сокращение продолжительности нагрева при постоянной температуре инструмента приводит к недостаточному размягчению материала и, как следствие, к ухудшению качества сварного шва. Точное соблюдение времени нагрева не всегда гарантирует стабильную глубину прогрева, она может изменяться в зависимости от условий окружающей среды. При нагреве сварочный инструмент должен касаться кромок труб по всему периметру. При правильном ведении процесса по всему периметру трубы должен образовываться равномерный грат расплавленного материала в виде валика высотой не более 2-3 мм. После оплавления концов труб необходимо быстро удалить нагреватель и произвести осадку труб. Время между удалением нагревателя и осадкой труб не должно превышать определенного значения, указанного в таблице сварки производителем, иначе происходит снижение прочности сварного шва в результате быстрого охлаждения свариваемых поверхностей. При увеличении давления осадки происходит чрезмерное выдавливание оплавленного материала наружу и внутрь трубы, что ухудшает качество сварного соединения. Продолжительность охлаждения под давлением определяется с учетом толщины стенки свариваемых труб, температуры окружающего воздуха и типа пластмассы. Сваренный стык необходимо выдерживать под давлением до полного охлаждения материала, так как перемещение концов труб сразу же после сварки может привести к созданию в стыке дополнительных внутренних напряжений.
Терморезисторная сварка или сварка с использованием фитингов с закладным нагревательным элементом, один из вариантов которых представлен на рисунке (фиг.3), - один из наиболее высокопроизводительных способов сварки. Суть его заключается в подаче электроэнергии к нагревательному элементу (проволоке), расположенному на внутренней части литой соединительной детали (фитинга). Проволока нагревается при пропускании через нее электрического тока и под воздействием тепла соединяемые поверхности трубы и фитинга оплавляются и свариваются между собой.
Известно устройство для соединения многослойных композиционных труб (Патент RU №93127, F16L 13/00, 20.4.2010), выполненное в виде муфты с внутренним крепежным элементом с цилиндрическим гнездом, охватывающим внутреннюю, торцевую и внешнюю поверхности трубы, в стенки цилиндрического гнезда запрессован или установлен при литье муфты закладной нагревательный элемент для расплавления внутреннего, наружного и торцевого слоев муфты и трубы с выведенными наружу муфты клеммами для подключения к источнику постоянного или импульсного электрического тока.
При нагреве до температуры плавления материала муфты линейное температурное удлинение закладного нагревательного элемента может привести к сближению его витков и формированию групп перегрева локальных участков, что приведет к увеличенному глубинному прогреву трубы и муфты, и как следствие, к деформации их поверхностей и деструкции полимера.
При сварке в раструб, поясняемой рисунком (фиг.4), с помощью сварочного приспособления свариваются труба 5 и соединительный элемент (фитинг) 1. Сварочное приспособление состоит из инструмента фитинга 2 и инструмента трубы 4, которые крепятся на нагревателе 3. Внешняя поверхность трубы нагревается инструментом трубы, одновременно с этим внутренняя поверхность фитинга нагревается инструментом фитинга. По достижении оплавления внешней поверхности трубы и внутренней поверхности фитинга сварочное приспособление удаляется из зоны сварки, а труба и фитинг совмещаются и остужаются.
Данный способ является наиболее технологичным из известных и широко используется на практике, отличаясь высоким качеством и надежностью получаемых с его помощью соединений однослойных полимерных труб. Однако в силу особенностей конструкции многослойных металлополимерных труб этот способ не нашел широкого применения для их соединения.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка устройства для соединения многослойных металлополимерных труб, обеспечивающего технологичность и качество, присущие способу соединения однослойных труб из термопластичных материалов нагретым инструментом с помощью фитингов. При этом конструктивные особенности металлополимерных труб определяют дополнительные требования:
- для получения качественного и надежного соединения многослойных металлополимерных труб, сварку их с фитингом необходимо осуществлять как по наружной поверхности, так и по внутренней поверхностям трубы, поэтому необходимо обеспечить предварительный нагрев ее внешнего и внутреннего полимерных слоев;
- в процессе сварки необходимо исключить разрушение и деформацию достаточно тонких полимерных и адгезионых слоев трубы и оголение внутреннего металлического слоя трубы, так как в противном случае надежного сцепления свариваемых поверхностей трубы и фитинга обеспечить невозможно.
Наиболее близкими аналогами являются различные модификации аппаратов для муфтовой сварки, например аппарат для муфтовой сварки типа 1045/TF фирмы O.M.I.S.A (Итaлия)(http://omisa.ru/index/cataloque/showitem.php?id=87), выбранный в качестве прототипа. При использовании данного аппарата с помощью инструмента трубы и инструмента фитинга, которые расположены непосредственно на нагревателе аппарата, конечный участок трубы и фитинг одновременно нагревают до достижения оплавления внешней поверхности трубы и внутренней поверхности фитинга. После этого труба и фитинг извлекаются из сварочного аппарата, конечный участок трубы совмещается с фитингом и фиксируется в нем до полного остывания.
Данный аппарат не может обеспечить качественного соединения многослойных металлополимерных труб, так как при его использовании возможны перегрев и деструкция материала внешнего полимерного слоя конечного участка трубы, а нагрев внутреннего полимерного слоя трубы до необходимой температуры, исключив при этом перегрев внешнего слоя, обеспечить нельзя,. Кроме того, при совмещении фитинга и конечного участка трубы, нагретых до температуры плавления полимерного материала, избыток расплавленного полимера будет выдавливаться во внутреннюю часть фитинга, уменьшая, тем самым, площадь сечения проходного отверстия соединения. Это, в свою очередь, приведет к увеличению гидравлических потерь и увеличению шумов при транспортировке жидкости по трубопроводу.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в обеспечении при ее использовании соединения многослойных металлополимерных труб с фитингом по наружной поверхности и по внутренней поверхности трубы, в повышении качества и надежности соединения многослойных металлополимерных труб, в расширении арсенала устройств для соединения труб из полимерных материалов.
Технический результат достигается тем, что показанное на рисунке (фиг.5) сварочное приспособление, для соединения многослойных металлополимерных труб способом сварки по внешней, внутренней и торцевой поверхностям конечного участка трубы, охватываемых внутренними поверхностями посадочного гнезда фитинга с одновременным предварительным нагревом конечного участка трубы и посадочного гнезда фитинга, выполнено с нагревателем 2, на котором расположены инструмент трубы 1 и инструмент фитинга 4, и блоком управления 2, функционально связанным с нагревателем. Нагреватель сварочного приспособления выполнен с расположенным в теле нагревателя нагревательным элементом 5, режим работы которого задается и поддерживается с помощью блока управления. Инструмент фитинга выполнен в виде втулки с гнездом для фитинга на стороне одного из своих торцов. Гнездо выполнено в форме кольцевого цилиндрического паза. Инструмент фитинга имеет непосредственный контакт с поверхностью нагревателя. Температура нагревателя и инструмента фитинга, равная температуре плавления материала фитинга, задается и поддерживается на постоянном уровне с помощью блока управления. Инструмент трубы выполнен в виде втулки с гнездом для конечного участка трубы со стороны одного из торцов, в форме кольцевого цилиндрического паза, соосного с внутренним крепежным отверстием втулки. Для обеспечения нагрева конечного участка трубы до температуры размягчения материала полимерных слоев трубы, инструмент трубы закрепляется на нагревателе через переходную втулку 6. Для настройки температуры нагрева при изменении внешних условий инструмент трубы выполнен со шкалой температуры и может перемещаться по оси переходной втулки, которая снабжена указателем температуры.
Процесс сварки трубы и фитинга с использованием данного приспособления поясняется рисунком (фиг.6). Нагреватель сварочного приспособления в течение времени, определяемого параметрами технологического процесса в зависимости от материала внешнего и внутреннего слоев трубы и соединительного устройства, разогревается до заданной температуры. После чего конечный участок трубы вставляется в инструмент трубы сварочного приспособления, фитинг вставляется в инструмент фитинга сварочного приспособления и фиксируются в них на время нагрева. Внешняя, внутренняя и торцевая поверхности конечного участка трубы нагреваются инструментом трубы до температуры размягчения материала внешнего и внутреннего слоев трубы. Одновременно внутренняя поверхность посадочного гнезда фитинга нагревается инструментом фитинга до температуры плавления материала фитинга. При этом из-за отсутствия непосредственного контакта поверхности инструмента фитинга сварочного приспособления с торцевым участком конусной стенкой посадочного гнезда фитинга не происходит деформации посадочного гнезда фитинга. По истечении заданного времени нагрева труба и фитинг одновременно извлекаются из сварочного приспособления, после чего нагретый конечный участок трубы вставляется до упора в нагретое посадочное гнездо фитинга с последующей фиксацией в неподвижном состоянии. При этом поверхности внутреннего и внешнего слоев конечного участка трубы в процессе теплообмена с нагретой до более высокой температуры поверхностью посадочного гнезда фитинга разогреваются до температуры плавления материала внутреннего и внешнего слоев трубы, обеспечивая, тем самым, получение качественного соединения. При этом полимерные слои конечного участка трубы не деформируются и не сдвигаются относительно внутреннего металлического слоя трубы. Избыток расплавленного полимера, заполняя полость между конусной стенкой посадочного гнезда фитинга и внутренней поверхностью конечного участка трубы, не выдавливается во внутреннее отверстие фитинга и не деформирует торцевой участок внутренней стенки посадочного гнезда фитинга. После полного остывания соединение готово к эксплуатации.
Данное приспособление может использоваться и для соединения однослойных пластиковых труб, а также для соединения однослойных пластиковых труб с многослойными металлополимерными трубами при монтаже трубопроводов с повышенными требованиями к качеству и надежности соединений труб.