RU2849117C1 - Method for welding polymer pipes with connecting parts with built-in heaters - Google Patents
Method for welding polymer pipes with connecting parts with built-in heatersInfo
- Publication number
- RU2849117C1 RU2849117C1 RU2025109018A RU2025109018A RU2849117C1 RU 2849117 C1 RU2849117 C1 RU 2849117C1 RU 2025109018 A RU2025109018 A RU 2025109018A RU 2025109018 A RU2025109018 A RU 2025109018A RU 2849117 C1 RU2849117 C1 RU 2849117C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- welding
- temperature
- welded joint
- pipes
- cooling rate
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область, к которой относится изобретениеField to which the invention relates
Изобретение относится к сварке полимерных труб соединительными деталями с закладными нагревателями и может использоваться при сварке полиэтиленовых труб при низких температурах окружающего воздуха.The invention relates to welding polymer pipes using connecting parts with embedded heaters and can be used in welding polyethylene pipes at low ambient temperatures.
Уровень техникиState of the art
Известно техническое решение (1. Проектирование и строительство газопроводов из полиэтиленовых труб и реконструкция изношенных газопроводов СП 42 - 103 - 2003. - Издание официальное. - М. ЗАО «ПОЛИМЕРГАЗ», 2004. - 84 с.), в котором при более широком интервале температур окружающего воздуха, чем от минус 15°С до плюс 45°С, сварочные работы рекомендуется выполнять в помещениях (укрытиях), обеспечивающих соблюдение заданного температурного интервала (п. 6.48). Недостатком указанного способа является трудоемкость и большие затраты времени на строительство укрытия и на достижение регламентированной температуры воздуха внутри укрытия и на свариваемых участках полимерных труб. There is a technical solution known (1. Design and construction of gas pipelines from polyethylene pipes and reconstruction of worn-out gas pipelines SP 42 - 103 - 2003. - Official publication. - M. ZAO POLIMERGAZ, 2004. - 84 p.), according to which, with a wider range of ambient air temperatures than from minus 15 ° C to plus 45 ° C, welding work is recommended to be performed in rooms (shelters) that ensure compliance with the specified temperature range (p. 6.48). The disadvantage of this method is the labor intensity and large time costs for the construction of the shelter and for achieving the regulated air temperature inside the shelter and on the welded sections of the polymer pipes.
Наиболее близким является техническое решение (2. Пат №2744141. Способ сварки полимерных труб соединительными деталями с закладным нагревателем. Опубл. 03.03.2021, бюл. №7), в котором в процессе сварки при низких температурах воздуха (ниже минус 15°С) производится предварительный подогрев перед сваркой и управление охлаждением сварного соединения после сварки путем подачи определенного напряжения через клеммы закладного нагревателя детали. Подаваемое напряжение для предварительного подогрева и управления охлаждением расчитано с помощью методов математического моделирования тепловых процессов сварки и заложено в разработанное программное обеспечение сварочного аппарата. Недостатком технического решения является то, что при заданной низкой температуре окружающего воздуха количество энергии подогрева, определяемое временем воздействия нагревателя, и изменяющаяся во времени мощность нагрева для управления охлаждением путем подачи напряжения в существующие сварочные детали обеспечиваются закладным нагревателем с большой погрешностью. Это связано с тем, что в существующих деталях закладные нагреватели изготовлены из различных материалов. А также с тем, что электрическое сопротивление проводников с ростом температуры увеличивается, с понижением - уменьшается. Зависимость сопротивления R(Т) провода от температуры Т описывается формулой:The closest technical solution is (2. Patent No. 2744141. Method for welding polymer pipes using connecting parts with an embedded heater. Published 03.03.2021, Bulletin No. 7), in which, during welding at low air temperatures (below minus 15°C), preheating is performed before welding and the cooling of the welded joint after welding is controlled by applying a certain voltage through the terminals of the embedded heater of the part. The applied voltage for preheating and cooling control is calculated using methods of mathematical modeling of thermal welding processes and is embedded in the developed software of the welding machine. A disadvantage of the technical solution is that, at a given low ambient air temperature, the amount of heating energy, determined by the heater exposure time, and the time-varying heating power for cooling control by applying voltage to existing welded parts are provided by the embedded heater with a large error. This is due to the fact that embedded heaters in existing components are made of different materials. It is also due to the fact that the electrical resistance of conductors increases with increasing temperature and decreases with decreasing temperature. The dependence of the resistance R ( T ) of a wire on temperature T is described by the formula:
где температура Т задаётся в градусах Цельсия; R 20 - сопротивление проводника при 20°С; α - температурный коэффициент сопротивления (ТКС) с размерностью 1/°С, зависящий от материала. Мощность закладного нагревателя определяется по формуле:where temperature T is specified in degrees Celsius; R 20 is the conductor resistance at 20°C; α is the temperature coefficient of resistance (TCR) with the dimension 1/°C, depending on the material. The power of the embedded heater is determined by the formula:
где U - подаваемое напряжение. В штрих-коде детали с закладным нагревателем ТКС не указывается. При подаче одного и того же напряжения на клеммы деталей с закладными нагревателями из различных материалов мощности не будут одинаковыми. В связи с этим управление напряжением является не универсальным и приводит к необходимости расчета математической модели для каждого варианта детали отдельного производителя и типоразмера, с целью получения качественных сварных соединений и запись в программу аппарата. Where U is the applied voltage. The TCS is not indicated in the barcode for parts with embedded heaters. When applying the same voltage to the terminals of parts with embedded heaters made of different materials, the power will not be the same. Therefore, voltage control is not universal and requires calculating a mathematical model for each part variant, manufacturer, and size to ensure high-quality welds and to program it into the machine.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей предлагаемого изобретения является универсализация способа сварки с помощью деталей с закладными нагревателями и получение качественного сварного соединения полимерной трубы при температурах окружающего воздуха ниже регламентируемого.The objective of the proposed invention is to universalize the welding method using parts with embedded heaters and to obtain a high-quality welded joint of a polymer pipe at ambient temperatures below the regulated one.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в использовании программного обеспечения самого сварочного аппарата, позволяющего корректировать изменение мощности при предварительном подогреве и поддерживать необходимую скорость охлаждения сварного соединения с учетом температуры окружающего воздуха, которая ниже нормативного значения.The technical result achieved in solving the assigned problem consists of using the welding machine's own software, which allows for the correction of power changes during preheating and maintaining the required cooling rate of the welded joint, taking into account the ambient air temperature, which is below the standard value.
Способ сварки полимерных труб соединительными деталями с закладным нагревателем заключается в подготовке концов труб, установке и закреплении концов свариваемых труб в зажимах центрирующего приспособления с одновременной посадкой детали с закладным нагревателем, подключении детали к сварочному аппарату, в задании программы процесса сварки, пуска процесса сварки, нагрева и охлаждения сварного соединения. Способ отличается тем, что температура в области оплавления предварительно доводится до значения из регламентированного интервала температур и требуемая скорость охлаждения сварного соединения поддерживается подачей изменяющейся по времени мощности самим сварочным аппаратом, в системе которого заложена программа, позволяющая произвести предварительный подогрев, выдержку технологической паузы для выравнивания температурного поля области сварки в значениях регламентируемого интервала температур окружающего воздуха и поддерживание необходимой скорости охлаждения сварного соединения, как при остывании в допустимом интервале температур производства сварки независимо от температурного коэффициента сопротивления материала закладного нагревателя.The method for welding polymer pipes using fittings with an embedded heater involves preparing the pipe ends, installing and securing the ends of the pipes to be welded in the clamps of a centering fixture while simultaneously seating the fitting with the embedded heater, connecting the fitting to the welding machine, programming the welding process, initiating the welding process, and heating and cooling the weld joint. This method is distinguished by the fact that the temperature in the fusion zone is preliminarily brought to a value within a specified temperature range, and the required cooling rate of the weld joint is maintained by applying time-varying power from the welding machine itself. The welding machine's system is programmed to perform preheating, maintain a process pause to equalize the temperature field of the weld zone within the specified ambient temperature range, and maintain the required cooling rate of the weld joint, as during cooling within the permissible welding temperature range, regardless of the temperature coefficient of resistance of the embedded heater material.
Существенные признаки, характеризирующие изобретениеEssential features characterizing the invention
Ограничительные: сварку производят путем установки и закрепления концов свариваемых труб в зажимах центрирующего приспособления с одновременной посадкой детали с закладным нагревателем, подключения детали с закладным нагревателем к сварочному аппарату, пуска процесса сварки.Limiting: welding is performed by installing and securing the ends of the pipes to be welded in the clamps of the centering device with the simultaneous seating of the part with the embedded heater, connecting the part with the embedded heater to the welding machine, and starting the welding process.
Отличительные: предварительный подогрев производится обеспечением постоянной мощности в закладном нагревателе в течение определенного времени, а охлаждение сварного соединения после нагрева производится путем обеспечения изменяющейся во времени мощности.Distinctive features: preheating is carried out by providing constant power in the embedded heater for a certain period of time, and cooling of the welded joint after heating is carried out by providing power that varies over time.
Известно, что программа процесса сварки учитывает кроме данных штрих-кода, прилагаемого к детали с закладным нагревателем, еще и температуру окружающего воздуха через датчик температуры сварочного аппарата.It is known that the welding process program takes into account, in addition to the barcode data attached to the part with the embedded heater, also the ambient air temperature via the welding machine's temperature sensor.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
На Фиг. 1 изображено температурное поле в вертикальном сечении стенок участка трубы и детали в момент времени завершения подогрева при температуре окружающего воздуха -40°С. На Фиг. 2 изображено температурное поле в вертикальном сечении стенок участка трубы и детали в момент времени завершения выравнивания температур при температуре окружающего воздуха -40°С. На Фиг. 3 приведена временная зависимость мощности нагревателя (1) на стадии охлаждения в условиях температуры окружающего воздуха -40°С с управляемым охлаждением. На Фиг. 4 изображена динамика изотермы 120°С (2) в сечении муфты и трубы вертикальной плоскостью при температуре окружающего воздуха 20°С в конце нагрева и изотерма 100°С в различные моменты времени: (3) - 2 мин; (4) - 4 мин; (5) - 6 мин охлаждения соответственно. На Фиг. 5 приведена динамика изотермы изображена динамика изотермы 120°С (2) в сечении муфты и трубы вертикальной плоскостью при температуре окружающего воздуха -40°C по технологии с предварительным подогревом в конце нагрева и изотерма 100°С в различные моменты времени: (3) - 2 мин; (4) - 4 мин; (5) - 6 мин охлаждения соответственно. Fig. 1 shows the temperature field in the vertical section of the walls of the pipe section and the part at the time of completion of heating at an ambient air temperature of -40°C. Fig. 2 shows the temperature field in the vertical section of the walls of the pipe section and the part at the time of completion of temperature equalization at an ambient air temperature of -40°C. Fig. 3 shows the time dependence of the heater (1) power at the cooling stage under conditions of an ambient air temperature of -40°C with controlled cooling. Fig. 4 shows the dynamics of the 120°C isotherm (2) in the section of the coupling and the pipe in a vertical plane at an ambient air temperature of 20°C at the end of heating and the 100°C isotherm at different times: (3) - 2 min; (4) - 4 min; (5) - 6 min of cooling, respectively. In Fig. 5 shows the dynamics of the isotherm, the dynamics of the 120°C isotherm (2) in the cross-section of the coupling and the pipe in a vertical plane at an ambient air temperature of -40°C using the technology with preliminary heating at the end of heating and the 100°C isotherm at different points in time: (3) - 2 min; (4) - 4 min; (5) - 6 min of cooling, respectively.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Способ осуществляется следующим образом. Свариваемые поверхности полимерных труб очищаются от загрязнений и обезжириваются. Затем трубы устанавливаются и закрепляются в зажимах центрирующего приспособления с одновременной посадкой детали с закладным нагревателем. Деталь с закладным нагревателем подключают к сварочному аппарату. Считывающим устройством сварочного аппарата проводится сканирование штрих-кода и запуск предварительного подогрева. При этом подается определенная мощность, которая зависит от условий окружающей среды и типоразмера детали. После подогрева выдерживается время (технологическая пауза) для выравнивания температуры в области оплавления детали с закладным нагревателем и трубы. Затем производится сваривание детали с трубой и охлаждение сварного соединения с заданной скоростью. Заданная скорость охлаждения сварного соединения обеспечивается подачей мощности от сварочного аппарата через клеммы детали. Параметры предварительного подогрева, технологической паузы, сваривания и охлаждения полимеров заранее заложены в программу сварочного аппарата для каждого типоразмера трубы и муфты, в независимости от типа закладного нагревателя с учетом температуры окружающего воздуха. The method is as follows. The surfaces of the polymer pipes to be welded are cleaned of contaminants and degreased. The pipes are then installed and secured in the clamps of a centering fixture, while the part with the embedded heater is simultaneously seated. The part with the embedded heater is connected to the welding machine. The welding machine's reader scans the barcode and initiates preheating. A preset power level is applied, which depends on environmental conditions and the size of the part. After preheating, a period of time (a process pause) is maintained to equalize the temperature in the fusion zone of the part with the embedded heater and the pipe. The part is then welded to the pipe, and the weld joint is cooled at a preset rate. The preset cooling rate is achieved by supplying power from the welding machine through the part's terminals. The parameters for preheating, process pause, welding and cooling of polymers are pre-programmed into the welding machine for each pipe and coupling size, regardless of the type of embedded heater, taking into account the ambient air temperature.
Пример. Для сварки полиэтиленовых труб ПЭ 100 SDR 11 диаметром 110 мм и толщиной стенки 10 мм с помощью детали с закладным нагревателем при температуре окружающего минус 40°С время нагрева составляет 200 с, охлаждения 15 минут, напряжение нагревателя при нагреве 40 В. Мощность нагревателя вычислялась по формуле:Example. For welding PE 100 SDR 11 polyethylene pipes with a diameter of 110 mm and a wall thickness of 10 mm using a part with an embedded heater at an ambient temperature of -40°C, the heating time is 200 s, cooling time is 15 minutes, and the heater voltage during heating is 40 V. The heater power was calculated using the formula:
где сопротивление R = 0,96 Ом; температурный коэффициент сопротивления спирали β = 4.3 · 10-3 1/°С.where resistance R = 0.96 Ohm; temperature coefficient of resistance of the coil β = 4.3 · 10 -3 1/°C.
Подогрев осуществляется при постоянной мощности нагревателя 107 Вт в течение 24,5 минут. Температурные поля в вертикальном сечении стенок участка трубы и детали в моменты времени завершения подогрева показаны на Фиг. 1. После подогрева начинается технологическая пауза для выравнивания температур продолжительностью 4 минуты. После технологической паузы температурные поля в стенке трубы и детали устанавливаются более однородными (Фиг. 2). Preheating is performed at a constant heater power of 107 W for 24.5 minutes. Temperature fields in the vertical cross-section of the pipe section and part walls at the end of preheating are shown in Fig. 1. After preheating, a 4-minute break begins to equalize the temperatures. After this break, the temperature fields in the pipe and part walls become more uniform (Fig. 2).
После выравнивания температур запускается процесс сварки в стандартном режиме, как при допустимых температурах. После сварки начинается остывание сформированного сварного соединения, при этом скорость охлаждения управляется изменением подаваемой мощности сварочного аппарата по времени (Фиг. 3, кривая 1). Формулы для определения мощности нагревателя, зависящей от температуры окружающего воздуха и размеров труб, заранее закладывались в программное обеспечение аппарата для сварки. After the temperatures have equalized, the welding process begins in standard mode, as permissible temperatures. After welding, the formed weld joint begins to cool, with the cooling rate controlled by varying the welding machine's power input over time (Fig. 3, curve 1). Formulas for determining the heater power, depending on the ambient temperature and pipe dimensions, were pre-programmed into the welding machine's software.
В процессе сварки в условиях температуры окружающего воздуха - 40°С со скоростью охлаждения, установленной управлением посредством изменения по времени мощности, достигаются такие же процессы формирования структуры материала сварного соединения, как при температуре 10°С. Об этом говорят графики изотерм 120°С (2), зафиксированных в материале сварного соединения после нагрева и изотермы 100°С в различные моменты времени охлаждения (3, 4, 5), как показано на Фиг. 4 и Фиг. 5. Известно, что при температуре 120°С начинается процесс кристаллизации полиэтилена, а при температуре 100°С заканчивается.During the welding process under conditions of ambient air temperature of -40°C with the cooling rate set by control by changing the power over time, the same processes of formation of the structure of the welded joint material are achieved as at a temperature of 10°C. This is evidenced by the graphs of the 120°C isotherms (2), recorded in the welded joint material after heating and the 100°C isotherm at different moments of cooling time (3, 4, 5), as shown in Fig. 4 and Fig. 5. It is known that at a temperature of 120°C the crystallization process of polyethylene begins, and at a temperature of 100°C it ends.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2849117C1 true RU2849117C1 (en) | 2025-10-22 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2432517C1 (en) * | 2010-06-07 | 2011-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Мордовская Трубная компания" | Method of connection of multi-layer metal-polymer pipes |
| RU2450202C2 (en) * | 2010-07-19 | 2012-05-10 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук | Procedure for socket welding of polymer pipes |
| RU2744141C2 (en) * | 2019-05-13 | 2021-03-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Method of welding plastic pipes by connecting parts with an embedded heater |
| RU2810859C1 (en) * | 2023-07-19 | 2023-12-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук | Method of socket welding of polymer pipes at low air temperatures |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2432517C1 (en) * | 2010-06-07 | 2011-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Мордовская Трубная компания" | Method of connection of multi-layer metal-polymer pipes |
| RU2450202C2 (en) * | 2010-07-19 | 2012-05-10 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук | Procedure for socket welding of polymer pipes |
| RU2744141C2 (en) * | 2019-05-13 | 2021-03-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Method of welding plastic pipes by connecting parts with an embedded heater |
| RU2810859C1 (en) * | 2023-07-19 | 2023-12-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук | Method of socket welding of polymer pipes at low air temperatures |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Старостин Н.П., Герасимов А.И., Ботвин Г.Б., Данзанова Е.В. Сварка полипропиленовых труб при отрицательных температурах. Журнал "Строительство уникальных зданий и сооружений". ISSN 2304-6295. 4 (55). 2017, с. 7-18. Старостин Н.П., Аммосова О.А. Сварка полиэтиленовых труб встык нагретым инструментом при низких температурах. Журнал "Нефтегазовое Дело". 2015, т.13, N2, с. 126-132. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4684789A (en) | Thermoplastic fitting electric welding method and apparatus | |
| US20020130124A1 (en) | Electrofusion socket forming system | |
| RU2849117C1 (en) | Method for welding polymer pipes with connecting parts with built-in heaters | |
| EP0764493A1 (en) | Induction welding method and system for forming a fluidtight joint between metal pipes | |
| CN104139226A (en) | Elbow welding system and method of refrigerating system | |
| CN1030886A (en) | The plastic components welding method and the machine of interior dress winding | |
| RU2448820C2 (en) | Method and system of forge welding | |
| CN107641707B (en) | A kind of blast funnace hot blast stove furnace shell local heat treatmet annealing device and method | |
| TW500997B (en) | IR welding of fluoropolymers | |
| CN105799159A (en) | Electric-molten pipe welding machine and electric-molten pipe welding method | |
| US4631107A (en) | Thermoplastic fitting electric heat welding apparatus | |
| US5902507A (en) | Closed loop temperature control of induction brazing | |
| RU2810859C1 (en) | Method of socket welding of polymer pipes at low air temperatures | |
| RU2744141C2 (en) | Method of welding plastic pipes by connecting parts with an embedded heater | |
| RU2450202C2 (en) | Procedure for socket welding of polymer pipes | |
| CN113619127A (en) | Electric melting pipe welding method based on resistance wire resistance temperature coefficient automatic measurement | |
| CN108480812B (en) | Welding process of pipeline induction brazing device | |
| EP0403260B1 (en) | Solder joint system | |
| US20030221783A1 (en) | Ir welding of fluoropolymers | |
| CN113878880B (en) | Intelligent electric melting welding temperature control method and device | |
| CN204526156U (en) | Open heat blower and plastic welding equipment | |
| RU2665393C2 (en) | Method of thermoplastic pipes welding | |
| Starostin et al. | Management of thermal process for polyethylene gas pipes welding with built-in heater | |
| CN1052441C (en) | Electric soldering method | |
| RU2396478C1 (en) | Procedure for welding polymer pipes |