Сварка встык при строительстве полимерных трубопроводов

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

В. И. Кимельблат, А. С. Зиганшина 

СВАРКА ВСТЫК 
ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ 
ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ 

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 встык при строительстве полимерных трубопроводов : учебное пособие / В. И. Кимельблат, А. С. Зиганшина; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 
2021. – 104 с. 

ISBN 978-5-7882-3102-0

Проанализированы современные тенденции и нормативно-техническая документация сварки полимерных трубопроводов нагретым инструментом встык, 
подробно рассмотрены процессы сварки, требования к квалификации персонала, 
возможные дефекты, появляющиеся в процессе сварки нагретым инструментом. 
Предназначено для студентов направления подготовки 18.03.01 (18.04.01) 
«Химическая технология». 
Подготовлено на кафедре технологий пластических масс. 

ISBN 978-5-7882-3102-0
© 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. ПОЛИЭТИЛЕНЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ
ТРУБ ............................................................................................................. 8 

2. ТРУБЫ И ФИТИНГИ ........................................................................... 20 

3. СВАРКА ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ НАГРЕТЫМ
ИНСТРУМЕНТОМ ВСТЫК .................................................................... 30 

3.1. Общие положения ............................................................................ 30 

3.2. Процедуры сварки НИ встык ......................................................... 35 

3.3. Основные параметры сварки .......................................................... 38 

3.4. Последовательность операций сварки ........................................... 46 

4. КВАЛИФИКАЦИЯ СВАРЩИКОВ .................................................... 65 

5. СВАРОЧНАЯ ТЕХНИКА .................................................................... 73 

6. КОНТРОЛЬ СВАРКИ НИ .................................................................... 91 

7. ДЕФЕКТЫ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ........................................... 95 

Список литературы ................................................................................. 102 

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)  

В В Е Д Е Н И Е  

Полимерные газопроводы и другие трубопроводные системы за
няли достойное место в глобальной практике строительства, успешно 
вытесняя традиционные трубы. Экономическая эффективность применения полимерных труб обусловлена их техническими монтажно-эксплуатационными преимуществами. Главными достоинствами полимерных трубопроводов являются их долговечность, надежность и устойчивость. Расчетный срок безаварийной эксплуатации полимерных трубопроводов составляет много десятилетий. 

Гибкость, малый вес и хорошая свариваемость позволяют повы
сить производительность труда и эргономичность строительства. Коррозионная стойкость, гладкость стенок, устойчивость к техногенным 
и природным катастрофам и другие эксплуатационные преимущества 
обеспечивают высокую надежность долговечность полимерным трубопроводным системам. 

Мировое производство полимерных труб развивается в количе
ственном и качественном отношении. В последнее время в объеме производства полимерных труб лидирует Китай. В США наращивают производство как ПЭ из сланцевой нефти, так и труб из ПЭ. Планируется 
производство монолитных длинномерных труб диаметром до 3500 мм 
на берегу моря и их транспортировка потребителю по океану в виде 
плотов. В настоящее время таким образом организован трафик ПЭ труб 
диаметром 2000 мм из Норвегии. 

Важные европейские тенденции – освоение новых эффективных 

марок полимеров и конструкций труб для альтернативных способов 
монтажа. В качестве полимерных материалов трубопроводов используются стеклопластики, термопласты общего и специального назначения.  

В мировой практике для газопроводов в промышленных масшта
бах производят трубы из теплостойкого полифениленсульфида. Такие 
трубы применяются для транспортировки газа с температурой до 
150 °С. Расширяется применение полиамида 11 и 12 при строительстве 
и ремонте газопроводов. 

При строительстве газопроводных распределительных сетей 

наиболее часто применяются различные марки полиэтилена (ПЭ) низкого давления (ПНД). 

Для России внедрение полимерных труб особенно актуально 

в связи с износом и коррозией устаревших трубопроводов. 

Российский рынок полимерных труб развивается в количествен
ном и качественном отношениях. Освоено производство ПЭ труб диаметром до 1600 мм. Планируется производство труб диаметром 
2000 мм. Появляются новые разновидности многослойных труб. Естественно, количественные показатели производства труб непосредственно связаны с объемом финансирования жилищно-коммунального 
хозяйства (ЖКХ). Строительному рынку еще предстоит выходить из 
депрессивного состояния. Важным позитивным фактором является 
производство российского ПЭ трубных марок на Оргсинтезе, НКНХ, 
заводах Ставролен и СИБУР. Российское сырье закрывает примерно 
90 % потребностей производства труб в России. 

Основным способом получения неразъемных соединений поли
олефиновых труб является сварка. Таким образом, сварка полиэтилена 
является весьма распространенным технологическим процессом, завершая полный цикл переработки полиэтилена. Сварка используется как 
в полевых условиях, на стройплощадках, так и в цехах, при изготовлении укрупненных узлов. 

При сооружении самых массовых (для России) полиэтиленовых 

трубопроводов наиболее экономична контактная сварка нагретым инструментом (НИ) встык. При достижении надлежащего качества сварки 
НИ получаются сварные соединения, превосходящие по прочности основной материал труб. 

Метод сварки НИ много десятилетий успешно применяется в ми
ровой практике. В СССР сварка полиэтиленовых труб успешно проводилась с 50-х гг. ХХ в. Усилиями ряда высококвалифицированных специалистов были созданы многочисленные нормативные документы (НТД), относящиеся к трубам, фитингам, сварочному оборудованию 
и технологии сварки, и накоплен позитивный опыт сварки НИ в производственной практике. 

Организован технический надзор за сооружением ПЭ трубопро
водов. Строительство трубопроводов основывается на строительных 
нормах и фирменных материалах. 

Сварка представляет собой единый технологический процесс, 

в котором интегрируется целый ряд элементарных процессов и технологических представлений. Задача технологов в области сварки организовать сварочный процесс на основе системного подхода к сварке 
и научно-обоснованных представлений о связи квалификации сварщиков, свойств свариваемых материалов, конструкции изделий, характеристик сварочных машин и технологии с качеством сварки. 

Обычно бывает несколько причин некачественной сварки. Технология сварки НИ встык в принципе является вполне устойчивой 
к случайным помехам и умышленным вариациям технологических 
факторов. Поэтому отрицательные результаты обычно возникают при 
сочетании целого ряда негативных факторов. 
Одна из задач, решаемых в данном издании, – помощь будущим 
специалистам в обнаружении и оценивании опасность факторов, снижающих вероятность успешной сварки и ухудшающих качество сварных соединений. 
В международных стандартах ISO, авторитетных национальных 
нормативах и российских ГОСТах устанавливаются многочисленные 
границы применимости стандартных технологических норм. Границы 
применимости описаны в литературе. Многие из этих границ не удовлетворяют потребностям практики в части сварки новых марок ПЭ, 
толстостенных труб больших диаметров и другим специфическим потребностям строительства. 
Рекомендации, приведенные в данном пособии, основаны на анализе международных стандартов, авторитетных национальных рекомендаций, оригинальных исследований и опытно-экспериментальных 
работ автора. 

Контрольные вопросы 

1.Актуальность замены традиционных труб на полимерные.
2.Монтажно-эксплуатационные преимущества полимерных труб.
3.Что такое границы применимости технологий сварки?
4.Основные факторы, влияющие на свойства сварных соединений.

1 .  П О Л И Э Т И Л Е Н Ы ,  П Р И М Е Н Я Е М Ы Е  

В  П Р О И З В О Д С Т В Е  Т Р У Б  

Развитие ассортимента марок полиэтиленов, предназначенных 

для производства труб, является поучительным примером прогресса 
полимерного материаловедения. Изучение истории совершенствования 
марок ПЭ является полезным учебно-методическим приемом наряду 
с анализом логики дизайна трубных марок. 

Вместе с тем изучение особенностей различных трубных марок 

ПЭ имеет важное практическое значение. Полиэтиленовые трубопроводы являются основным капиталом их владельцев и рассчитаны на 
длительную эксплуатацию в течение многих десятилетий. За время эксплуатации появляется необходимость ремонта систем и подключения 
новых потребителей. Таким образом, операторы трубопроводов 
должны обладать необходимыми знаниями о потенциальной свариваемости ПЭ новейших и старых марок трубных ПЭ. 

Полиэтилены выделяются среди других крупнотоннажных тер
мопластов прекрасной химической стойкостью, высокой стойкостью 
к термоокислительной деструкции и стабильностью свойств во времени. Конечно, эти преимущества относительны и имеют известные 
пределы. Деградация ПЭ в условиях неправильного хранения и переработки в чрезмерно жестких условиях способна необратимо ухудшить 
его свариваемость. 

 

Базовые марки и композиции 

 

Для ПЭ, как и большинства других термопластов, разработан 

и производится обширный марочный ассортимент, опирающийся на 
базовые марки. Базовые полимеры отличаются молекулярной массой (ММ), содержанием и распределением сомономеров, формой и модальностью молекулярно-массового распределения (ММР). 

Макромолекулы полиэтиленов и его сополимеров конструируют 

в процессе синтеза технологическими приемами (при низком или высоком давлении). Свойства сополимеров могут существенно различаться 
и определяются их молекулярно-массовым составом, наличием коротко- и длинноцепных разветвлений и характером их распределения, 
а также надмолекулярной структурой, зависящей от молекулярных 

характеристик. Важной характеристикой сополимеров является порядок чередования мономерных звеньев вдоль цепи. 

При низком давлении получают семейство полиэтиленов низкого 

давления (ПНД): гомополимер – полиэтилен высокой плотности с линейными макромолекулами, сополимеры с высшими α-олефинами, 
имеющие линейное строение основной цепи и короткие ветвления, образованные сомономером, как правило бутеном; полиэтилен средней 
плотности (ПСП) – линейное строение основной цепи и короткие ветвления, образованные бутеном или гексеном. Линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПНП) при линейном строении основной цепи содержит большое число коротких ветвлений. При низком давлении получают также бимодальные полиэтилены (БМП), состоящие из гомополимера с меньшей ММ и сополимера с более высокой ММ. Известны и полимодальные ПЭ. Различные семейства ПЭ термодинамически несовместимы, но их можно смешивать. 

В промышленных ПЭ имеется набор молекул разных размеров, 

поэтому для полимеров однозначное понятие «молекулярная масса» 
(ММ), строго говоря, не является вполне корректным, хотя и часто используется. Молекулярная масса полимерного образца является средней статистической величиной и определяется видом молекулярно-массового распределения (ММР) и способом усреднения. 

На форму кривой ММР при хранении, транспортировке, перера
ботке, включая сварку, и дальнейшей эксплуатации полимеров оказывает влияние их деструкция. Деструкция, связанная с разрывом химических связей в макромолекулах, приводит к уменьшению степени полимеризации или ММ полимера. Сшивка образует разветвленные 
структуры, локальный и в предельном случае топологически непрерывный гель. 

В соответствии с глобальной практикой производства трубные 

композиции, кроме основной базовой марки ПНД, содержат также относительно маловязкий полиэтилен. Это часто полиэтилен высокого 
давления (ПВД) или линейный полиэтилен низкой плотности, в котором предварительно диспергирован технический углерод или цветные 
красители, антиоксиданты, процессинговые и эксплуатационные стабилизаторы, реологические и другие целевые добавки. В российской 
практике производства ПЭ труб используются далеко не все известные 
в мире, но тем не менее весьма многочисленные композиции. 

В первом приближении при характеризации полиэтиленов 

условно выделяют диапазон показателей текучести расплава (ПТР), 
обычный для каждого вида переработки. Сварка разных композиций 

ПНД считается допустимой, если значения их ПТР находятся внутри 
определенного диапазона. 

Следует отметить, что требования технологичности трубных ма
рок и надежности изделий к структуре базовых марок полимеров и составу композиций настолько противоречат друг другу, что макромолекулярный дизайн новейших базовых марок трубных полимеров и дизайн композиций предоставляет собой последовательность компромиссных решений инновационного характера. 

 

Кристаллизация ПЭ 

 

Кристаллизация ПЭ является важнейшим физическим процес
сом, протекающим после соединения свариваемых заготовок. Охлаждение сварного соединения – это только внешний признак завершения 
процесса сварки. С точки зрения физики сварка заканчивается после образования единой частично кристаллической структуры свариваемых 
заготовок. В общей структуре кристаллы ПЭ связываются проходными 
цепями, расположенными в аморфных зонах. 

Кинетика кристаллизации зависит от температуры и должна учи
тываться при обосновании длительности охлаждения сварных стыков. 
Кристаллизация трубных ПНД протекает в быструю и медленную стадии и завершается примерно за 2 недели. За время охлаждения сварного 
соединения, предусмотренное технологией сварки, успевает закончиться быстрая стадия кристаллизации. 

 

Кратковременные механические испытания 

 

Характер разрушения сварных соединений (пластический или 

хрупкий) на практике оценивается при осевом растяжении. Если оценивать упруго-деформационные характеристики и работу разрушения, 
можно уточнить прогноз работоспособности сварного соединения. 
При этом точкой отсчета является показатель работы разрушения основного материала трубы. 

Обобщая большой объем информации о связи разветвленности, 

кристалличности, молекулярной массы и ММР сополимеров этилена 
с упруго-прочностными показателями, можно отметить следующее: 

– отрицательное влияние низкомолекулярных фракций ПЭ на 

прочность и высокомолекулярных фракций на удлинение при разрыве; 

– негативная роль длинноцепной разветвленности и позитивная 

роль короткоцепной для показателей длительной прочности.