Сварка полиэтиленовых труб фитингами с закладными электронагревателями

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 

В. И. Кимельблат, А. С. Зиганшина 

СВАРКА ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ 
ФИТИНГАМИ С ЗАКЛАДНЫМИ 
ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯМИ 

Учебное пособие 

Казань 
Издательство КНИТУ 
2021 

УДК 678.029.43(075) 
ББК 35.710я7 

К40

Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 

Рецензенты: 
канд. хим. наук, доц. Р. О. Сироткин 
канд. хим. наук Б. Н. Бобров 

К40 

Кимельблат В. И. 
Сварка полиэтиленовых труб фитингами с закладными электронагревателями : учебное пособие / В. И. Кимельблат, А. С. Зиганшина; 
Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : 
Изд-во КНИТУ, 2021. – 96 с. 

ISBN 978-5-7882-3101-3

Содержит новейшие сведения об альтернативном технологическом процессе, реализуемом при сооружении полимерных трубопроводов, – сварке закладными нагревателями. Обобщены результаты российских и зарубежных исследований и разработок, а также технологических экспериментов в области 
сварки закладными нагревателями. 
Предназначено для студентов направления подготовки 18.03.01 (18.04.01) 
«Химическая технология». 
Подготовлено на кафедре технологий пластических масс. 

ISBN 978-5-7882-3101-3
© Кимельблат В. И., Зиганшина А. С., 2021
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2021

УДК 678.029.43(075) 
ББК 35.710я7

Содержание 

Список сокращений ..................................................................................................... 4 

ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 

1. ПРОЦЕДУРА СВАРКИ ПЭ ТРУБ ЗН ................................................................... 9 

2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ,
ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ СВАРКЕ ЗН ...................................................................... 15 

3. КЛАССИФИКАЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ ЗН .......................................................... 22 

4. СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ С ЗН ................................................................. 24 

5. АППАРАТЫ ДЛЯ СВАРКИ ЗН И ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ ОСНАСТКА ...... 31 

5.1. Сварочные аппараты ........................................................................................ 31 

5.2. Вспомогательная оснастка .............................................................................. 39 

6. УСЛОВИЯ СВАРКИ ............................................................................................. 48 

7. ПОДГОТОВКА К СВАРКЕ .................................................................................. 51 

8. СПЛАВЛЕНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ..................................................................... 62 

8.1. Сплавление ....................................................................................................... 62 

8.2. Охлаждение ...................................................................................................... 66 

8.3. Оформление документации ............................................................................ 67 

9. ПРОВЕРКА ГЕРМЕТИЧНОСТИ ......................................................................... 68 

10. СВАРКА СЕДЕЛОК, БОЛЬШИХ МУФТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
И РЕМОНТ ................................................................................................................. 71 

10.1. Особенности сварки ЗН в зависимости от конструкции и размеров 
деталей ..................................................................................................................... 71 

10.2. Особенности сварки фитингов с ЗН для труб больших диаметров .......... 72 

10.3. Ремонт трубопроводов деталями с ЗН ......................................................... 75 

10.4. Сварка длинномерных труб .......................................................................... 78 

11. ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ФАКТОР .............................................................................. 79 

12. КОНТРОЛЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ......................................................... 83 

ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................................... 95 

3

С п и с о к  с о к р а щ е н и й

dn – номинальный наружный диаметр трубы 
en – номинальная толщина стенки трубы 
МОР – максимальное рабочее давление 
MRS – минимальная длительная прочность 
SDR – отношение диаметра и толщины стенки трубы 
БМП – бимодальные полиэтилены 
ВИК – визуально-измерительный контроль 
ДХП – длительная хрупкая прочность 
ЗН – закладной нагреватель 
ММ – молекулярная масса 
ММР – молекулярно-массовое распределение 
НИ – нагретый инструмент 
НТД – нормативно-техническая документация 
ПАВ – поверхностно-активные вещества 
ПВД – полиэтилен высокого давления 
ПВП – полиэтилен высокой плотности 
ПНД – полиэтилен низкого давления 
ПТР – показатель текучести расплава 
ПЭ – полиэтилен 
ТУ – технический углерод (сажа) 
ПТР 190/5 – показатель текучести расплава в г/10 мин, измеренный при 
190 °С и нагрузке 5 кг. 

4 

В В Е Д Е Н И Е

Способ соединения полимерных труб с применением закладных 
электронагревателей (ЗН) часто называют электродиффузионной сваркой. Отличительной особенностью этой технологии, выделяющей ее 
среди других методов сварки полимеров, является тот факт, что течение расплава в зоне сварки не играет значительной роли. Следовательно, растет доля ответственности диффузионных явлений за результаты сварки. В новейшей НТД соединение с ЗН именуют «электросварным соединением», его определяют, как «соединение между ПЭ электросварным раструбным или седловым фитингом и трубой или трубным концом фитинга». 
В технической литературе кроме термина «фитинги» применяются термины «соединительные детали» и «фасонные части». 
Сварка закладными электронагревателями имеет достаточно 
длинную историю и хороший «послужной список». В конце ХХ века 
она широко применялась в Великобритании, Франции, Бельгии, Голландии, Финляндии, США, ФРГ, Швейцарии, Японии и других странах 
при сооружении газопроводов и других трубопроводных систем ответственного назначения. 
В 60-е годы прошлого века С. В. Ехлаков и Р. Ф. Локшин, изучая 
метод сварки ЗН, выявили ряд важных закономерностей процесса. 
Для сварки ЗН характерен кратковременный нестационарный процесс 
нагрева, который достаточно сложно описывается математическими 
моделями. Практические выводы исследователи получали на основе 
многофакторных экспериментов. 
В ряде стран (Франция, Бельгия) сварка ЗН успешно развивалась 
еще в 70-е годы под протекцией монопольных структур. В 1975 г., после сравнительных испытаний разных видов соединений, Gaz de France 
приняло сварку ЗН в качестве единственного правильного способа соединения газопроводов. В других странах процессы применения ЗН 
развивались иными путями. В Голландии и Германии сварка ЗН свободно конкурировала с методом НИ встык, а в США в практике монтажа полиэтиленовых газопроводов в это же время преобладала раструбная сварка нагретым инструментом. Активные патентные разработки и НИОКР в области сварки ЗН выполнялись исследовательскими 
структурами Georg Fischer, Mannesman, Gaz de France, Central Plastics 
Co, Plasson и других фирм и концернов. В результате были разработаны 

многочисленные и разнообразные фитинги с ЗН. Новые конструкции 
предлагают турецкие и китайские фирмы. 
Российские исследования в этой области тормозились, в частности по причине относительного слабого развития отечественного производства изделий с ЗН. Решающим доводом противников сварки ЗН 
были соображения о дороговизне деталей. В современной российской 
практике строительства полиэтиленовых (ПЭ) газопроводов с опорой на 
импорт деталей, сварочных аппаратов и технологий метод сварки ЗН 
уже получил распространение и приобретает все больше сторонников. 
Метод сварки ПЭ труб ЗН имеет много особенностей, которые 
не всегда справедливо относят к достоинствам и недостатком. При внимательном анализе некоторые оценки особенностей сварки ЗН оказываются тенденциозными и не вполне корректными. 
Наиболее существенным недостатком метода сварки ЗН считалась дороговизна фитингов. Однако сторонники сварки с ЗН логично 
отмечают, что цена фитингов несущественна, если соединению подлежат длинномерные трубы (длиной до нескольких сот метров). 
Муфты с ЗН удобны при сварке в стесненных условиях монтажа 
технологических систем и при ремонте ПЭ трубопроводов, хотя их исключительная роль преувеличена. Известны и применяются в практике 
ремонта несколько методов сварки нагретым инструментом (НИ) 
встык и разнообразные компрессионные соединения. 
Очевидным преимуществом соединений с ЗН является относительно большая площадь контакта свариваемых заготовок по сравнению со сваркой НИ встык. Поэтому допустимы небольшие локальные 
внутренние дефекты в плоскости сплавления. 
Методом ЗН, в отличие от метода НИ, часто сваривают трубы из 
теплостойких ПЭ с топологически непрерывной пространственной сеткой. Следует отметить, что при этом рекомендуются более узкие рамки 
параметров подготовки и сварки. 
В классических работах, выполненных в 70-е годы, отмечалось, 
что некоторые теории сварки не применимы к процессу с ЗН. В отличие от сварки НИ, с помощью деталей с ЗН возможна сварка разнотолщинных деталей и заготовок из различных градаций ПЭ, в том числе 
из старых марок ПЭ. Однако корректность такой технологии сварки 
неочевидна. Надежность подобных соединений нуждается в обосновании, а иногда в проверках длительными испытаниями. Сварка разнородных ПЭ может оправдываться экстренной необходимостью. Например, при аварийных ремонтных работах. 

Фитинги с ЗН седельной конструкции нашли широкое применение взамен неравнопроходных тройников в качестве врезок в действующие трубопроводы, в том числе под давлением и для других целей.  
Иногда преимуществом метода сварки ЗН называют отсутствие 
влияния человеческого фактора на качество соединения. Это предумышленное искажение фактов с целью создания необоснованных конкурентных преимуществ для сварки ЗН. Довод не выдерживает строгой 
критики как с теоретических позиций, так и с точки зрения производственной практики. Технологический процесс сварки ЗН труб малых 
диаметров требует от сварщика аккуратности и соблюдения всех норм 
наиболее трудоемких подготовительных работ, а также контроля процесса сварки. Таким образом, фальшивая информация о незначительной роли человеческого фактора при сварке ЗН провоцирует снижение 
технологической дисциплины. Что же касается сварки труб средних и 
больших диаметров, то от исполнителя (сварщика-оператора сварочных аппаратов) требуется не только строгое выполнение предписаний, 
но и конструктивный подход к сварке, основанный на достаточно глубоком понимании научно-технических основ процесса. 
Автоматизация сварочных аппаратов и компьютеризация протоколирования технологического процесса сварки не исключает человеческого фактора в потенциально бесконтрольной части подготовки деталей к сварке, а требует более высокой квалификации сварщиков. 
Достоинством сварки ЗН является отсутствие грата на внутренней стенке свариваемых труб. Такой грат неизбежно образуется при 
сварке НИ встык. Впрочем, хорошо известны практичные технологии 
срезания внутреннего грата. 
Аппараты для сварки ЗН значительно дешевле и надежнее машин для сварки НИ встык. Эта разница особенно заметна при сравнении конструкций и цен машин для труб средних и больших диаметров. 
Справедливости ради, следует отметить, что из-за высоких цен на большие соединительные детали с ЗН экономический эффект неочевиден. 
К недостаткам сварки ЗН иногда относят отсутствие системы 
контроля технологического процесса сварки. Это несомненное заблуждение обусловлено недостаточной информацией о принципах организации и методах контроля сварки ПЭ труб методом ЗН. Высокое качество соединений, сваренных ЗН, гарантирует многоступенчатая система превентивного и пооперационного контроля, а также проверки 
готовых соединений. 

Мы рассматривали вопросы контроля сварки ЗН и ранее. Новые 
перспективы развития контроля дают новые методы испытаний и возможности фотофиксации процесса и дистанционные IT-технологии пооперационного контроля. Дополнительная информация о новых методах испытаний сварных соединений приведена в настоящем издании. 
Обобщая вышеизложенное, можно заключить, что квалифицированное применение сварки ЗН раскрывает новые возможности расширения эффективного применения полимерных, и в первую очередь ПЭ 
труб, при сооружении и ремонте трубопроводных систем различного 
назначения. 
Исходным материалом для настоящего пособия является ранее 
опубликованное издание, актуализированное, переработанное, дополненное новой научно-технической информацией и актуальными инновациями ведущих зарубежных фирм. 
При составлении настоящего пособия автору были полезными 
дискуссии с И. Волковым, Ю. Яковлевым, А. Усаевым, Э. Краузе 
(E. Krause), А. Жуковым и Н. Прокопьевым. 
Авторы считают своим приятным долгом выразить коллегам искреннюю признательность. 

Контрольные вопросы 
1. Актуальность развития варки ЗН в России.
2. Особенности (достоинства и недостатки) сварки ЗН.
3. Область эффективного применения сварки ЗН.
4. Какова роль человеческого фактора при сварке ЗН?

8 

1 .  П Р О Ц Е Д У Р А  С В А Р К И  П Э  Т Р У Б  З Н

Источником тепла при сварке ЗН является металлическая проволока (спираль), разогреваемая электрическим током. Спираль обычно 
размещается на рабочей поверхности соединительной детали. С целью 
понимания процесса сварки ЗН можно провести измерения температуры свариваемых поверхностей, давления расплава, зазоров и изменение размеров в процессе сварки (нагрева и охлаждения). Отметим, что 
зазоры между свариваемыми деталями актуальны для муфт, но теряют 
смысл для седловидных деталей из-за особенностей их крепления 
к трубе. Кроме того, методы моделирования могут быть использованы 
для расчета распределения температуры в фитинге. Эти инструменты 
используются для анализа и оптимизации условий сварки. Три параметра сварки: давление (P), температура (T) и время (t) важны для процесса сплавления. Эти три параметра должны рассматриваться совместно. Чтобы обеспечить хорошие результаты, параметры сварки 
должны оставаться в сбалансированном диапазоне «треугольника P–T–
t». Соотношение параметров имеет большое значение. Дефицит одного 
параметра не может быть компенсирован даже при крайних значениях 
других параметров.  
Давление расплава при сварке ЗН определяется прежде всего зазором между наружным размером трубой и внутренним диаметром 
муфты. Но дизайн фитинга и расположение спиралей также оказывают 
влияние на давление.  
Температура расплава свариваемых деталей определяется конструкцией фитинга и параметрами электропитания. Время нагревания 
корректируется в зависимости от температуры окружающей среды. 
На рис. 1.1 для примера изображены расчетные и экспериментальные зависимости от времени сварки температуры в разных точках 
соединения:  
– на спирали;
– ПЭ трубе вблизи спирали;
– внутренней поверхности фитинга;
– наружной поверхности свариваемой трубы;
– внутренней поверхности трубы;
– наружной поверхности фитинга.

Рис. 1.1. Изменения температуры в процессе сварки 

Корпус фитинга должен расширяться внутрь радиально, чтобы 
закрыть зазор так быстро, как возможно, и потом нагреть трубу. Контакт осуществляется в течение нескольких секунд, и начинается фактический процесс сварки. Самой распространенной деталью с ЗН является муфта, на внутренней поверхности которой размещена спираль 
(рис. 1.2). В НТД этот тип фитингов именуется также электросварным 
раструбным фитингом. 

Рис. 1.2. Размещение проволоки-спирали внутри 

традиционной муфты