resarПриродные ресурсы Арктики и СубарктикиArctic and Subarctic Natural Resources2618-97122686-9683Академия наук Республики Саха (Якутия)10.31242/2618-9712-2019-24-4-13resar-505Research ArticleМеталлургия и материаловедение. МатериаловедениеMetallurgy and materials science. Materials scienceРегулирование теплового процесса при электромуфтовой сварке полиэтиленовых труб при низких температурахThermal process control during electrofusion welding of polyethylene pipes at low temperatureshttps://orcid.org/0000-0002-5686-1817СтаростинНиколай ПавловичStarostinNikolai Pavlovich

Старостин Николай Павлович, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией, Институт проблем нефти и газа СО РАН, 677980, Якутск, ул. Автодорожная, д. 20, Россия, https://orcid.org/0000-0002-5686-1817, nikstar56@mail.ru;

Starostin Nikolai Pavlovich, doctor of technical sciences, professor, head of laboratory, Institute of Oil and Gas Problems SB RAS, 20 Avtodorozhnaya st., Yakutsk, 677980, Russia, https://orcid.org/0000-0002-5686-1817, nikstar56@mail.ru

nikstar56@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3551-0417АммосоваОльга АлександровнаAmmosovaOlga Aleksandrovna

Аммосова Ольга Александровна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт проблем нефти и газа СО РАН, 677980, Якутск, ул. Автодорожная, д. 20, Россия https://orcid.org/0000-0003-3551-0417, ammosova_o@mail.ru

Ammosova Olga Aleksandrovna, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Institute of Oil and Gas Problems SB RAS, 20 Avtodorozhnaya st., Yakutsk, 677980, Russia, https://orcid.org/0000-0003-3551-0417, ammosova_o@mail.ru

ammosova_o@mail.ruИнститут проблем нефти и газа СО РАНРоссияInstitute of Oil and Gas Problems SB RASRussian Federation201905112024244143151Copyright © Старостин Н.П., Аммосова О.А., 20242024Старостин Н.П., Аммосова О.А.Starostin N.P., Ammosova O.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://resar.elpub.ru/jour/article/view/505

На основе математического моделирования теоретически исследуется тепловой процесс при электромуфтовой сварке полиэтиленовых труб для газопроводов соединительными муфтами с закладными нагревательными элементами. Исследуется влияние температуры окружающего воздуха на динамику температурного поля при электромуфтовой сварке полиэтиленовых труб. Математическая модель теплового процесса сварки учитывает геометрические размеры, теплофизические свойства материала свариваемых труб и муфты, температуру окружающего воздуха, скрытую теплоту фазового превращения полиэтилена, напряжение, подаваемое на закладной нагреватель. Приводятся результаты численного расчета теплового процесса сварки при различных температурах окружающего воздуха. Разработана методика определения параметров электромуфтовой сварки полиэтиленовых труб, обеспечивающих протекание теплового процесса при низких температурах окружающего воздуха по закономерностям, свойственным при сварке при допустимых температурах. Показано, что для обеспечения допустимой динамики температурного поля при температурах воздуха ниже нормативных, необходимо предварительно перед сваркой подогреть муфту и свариваемые участки труб. Предварительный подогрев осуществляется вмонтированным штатным нагревателем. Для снижения скорости охлаждения сварного муфтового соединения предлагается использование слоя теплоизоляции. Приведены рекомендуемые технологические параметры электромуфтовой сварки для труб ПЭ 80 ГАЗ SDR 11 63×5,8 при температурах воздуха ниже нормативных.

The thermal process during electrofusion welding of polyethylene pipes for gas pipelines by connecting couplings with embedded heater is theoretically investigated on the basis of mathematical modeling. The influence of ambient temperature on the dynamics of the temperature field in the electrofusion welding of polyethylene pipes is investigated. The mathematical model of the thermal welding process considers geometric dimensions, thermophysical properties of welded pipes and coupling material, ambient temperature, latent heat of polyethylene phase transition, voltage applied to embedded heater. Results of numerical calculation of thermal welding process at various ambient temperatures are presented. Methodology has been developed for determining the parameters of electrofusion welding of polyethylene pipes, ensuring the flow of thermal process at low ambient temperatures according to the laws inherent in welding at permissible temperatures. It is shown that in order to ensure acceptable dynamics of the temperature field at air temperatures below standard, it is necessary to preheat the coupling and sections of pipes before welding. Preheating is carried out by standard embedded heater. The use of thermal insulation layer is proposed in order to reduce cooling rate of the welded coupling. Recommended technological parameters of electrofusion welding are given for pipes PE 80 GAZ SDR 11 63×5.8 at air temperatures below standard.

математическая модельтемпературарасчетметод конечных разностейуправлениетепловой процессэлектромуфтовая сваркапредварительный подогревохлаждениефазовый переходоплавлениекристаллизациятеплоизоляцияmathematical modeltemperaturecalculationfinite difference methodcontrolheat processelectrofusion weldingpreheatingcoolingphase transitionreflowcrystallizationthermal insulationРабота выполнена в рамках Госзаказа ФАНО РФ (проект № АААА-А17117040710038-8 от 07.04.2017 г.The research was carried out within the state assignment of FASO of Russia (pro- ject No. AAAA-A17-117040710038-8 of 04/07/2017.ReferencesБоровский Б.И., Кунский М.О. Оптимизация систем газоснабжения городских микрорайонов // Строительство и техногенная безопасность. 2014.Borovskij B.I., Kunskij M.O. Optimizacija sistem gazosnabzhenija gorodskih mikrorajonov // Stroitel’stvo i tehnogennaja bezopasnost’. 2014. No. 50. P. 29–33.№ 50. С. 29–33.Petrishin A. K voprosu ispol’zovanija polijetilena v truboprovodah // Nauka segodnja: zadachi i puti ih reshenija: mat. mezhd. nauchno-prakt. konf. Tjumen’: Izd. OOO “Marker”, 2017. P. 31–32.Петришин А. К вопросу использования полиэтилена в трубопроводах // Наука сегодня: задачи и пути их решения: мат. межд. научно-практ. конф. Тюмень: Изд. ООО «Маркер», 2017. С. 31–32.Kuliczkowska E., Gierczak M. Buckling failure numerical analysis of HDPE pipes used for the trenchless rehabilitation of a reinforced concrete sewer // Engineering Failure Analysis. 2013. Vol. 32. P. 106–112. doi: 10.1016/j.engfailanal.2013.03.007Kuliczkowska E., Gierczak M. Buckling failure numerical analysis of HDPE pipes used for the trenchless rehabilitation of a reinforced concrete sewer // Engineering Failure Analysis. 2013. Vol. 32. P. 106–112. doi: 10.1016/j.engfailanal.2013.03.007Luo X., Lu S., Shi J., Li X., Zheng J. Numerical simulation of strength failure of buried polyethylene pipe under foundation settlement // Engineering Failure Analysis. 2015. Vol. 48. P. 144–152. doi: 10.1016/j.engfailanal.2014.11.014Luo X., Lu S., Shi J., Li X., Zheng J. Numerical simulation of strength failure of buried polyethylene pipe under foundation settlement // Engineering Failure Analysis. 2015. Vol. 48. P. 144–152. doi: 10.1016/j.engfailanal.2014.11.014Gould S.J.F., Davis P., Beale D.J., Marlow D.R. Failure analysis of a PVC sewer pipeline by fractography and materials characterization // Engineering Failure Analysis. 2013. Vol. 34. P. 41–50. doi: 10.1016/j.engfailanal.2013.07.009Gould S.J.F., Davis P., Beale D.J., Marlow D.R. Failure analysis of a PVC sewer pipeline by fractography and materials characterization // Engineering Failure Analysis. 2013. Vol. 34. P. 41–50. doi: 10.1016/j.engfailanal.2013.07.009SP 42-103-2003. Proektirovanie i stroitel’stvo gazoprovodov iz polijetilenovyh trub i rekonstrukcija iznoshennyh gazoprovodov. M.: Polimergaz, FGUP CPP, 2004. 86 p.СП 42-103-2003. Проектирование и строительство газопроводов из полиэтиленовых труб и реконструкция изношенных газопроводов. М.: Полимергаз, ФГУП ЦПП, 2004. 86 с.Chen H., Scavuzzo R.J., Srivatsan T.S. Influence of joining on the fatigue and fracture behavior of high density polyethylene pipe // Journal of Materials Engineering and Performance. 1997. N 6(4). P. 473–480. doi: 10.1007/s11665-997-0119-8Chen H., Scavuzzo R.J., Srivatsan T.S. Influence of joining on the fatigue and fracture behavior of high density polyethylene pipe // Journal of Materials Engineering and Performance. 1997. N 6(4). P. 473–480. doi: 10.1007/s11665-997-0119-8Lai H.S., Tun N.N., S.H. Kil, et al. Effect of defects on the burst failure of butt fusion welded polyethylene pipes // Journal of Mechanical Science and Technology. 2016. Vol. 30 (5). P. 1973–1981. doi: 10.1007/s12206-016-0403-3Lai H.S., Tun N.N., S.H. Kil, et al. Effect of defects on the burst failure of butt fusion welded polyethylene pipes // Journal of Mechanical Science and Technology. 2016. Vol. 30 (5). P. 1973–1981. doi: 10.1007/s12206-016-0403-3Tariq F., Naz N., Khan M.A. et al. Failure analysis of high density polyethylene butt weld joint // Journal of Failure Analysis and Prevention. 2012. Vol. 12 (2). P. 168–180. doi: 10.1007/s11668-011-9536-yTariq F., Naz N., Khan M.A. et al. Failure analysis of high density polyethylene butt weld joint // Journal of Failure Analysis and Prevention. 2012. Vol. 12 (2). P. 168–180. doi: 10.1007/s11668-011-9536-yZakar F., Budinski M. Fracture of a saddle fusion (weld) joint in high density polyethylene (HDPE) pipe // Engineering Failure Analysis. 2017. Vol. 82. P. 481–492. doi: 10.1016/j.engfailanal.2017.03.009Zakar F., Budinski M. Fracture of a saddle fusion (weld) joint in high density polyethylene (HDPE) pipe // Engineering Failure Analysis. 2017. Vol. 82. P. 481–492. doi: 10.1016/j.engfailanal.2017.03.009Bowman J. A review of the electrofusion joining process for polyethylene pipe systems // Polymer Engineering & Science. 1997. Vol. 37(4). P. 674–691. doi:10.1002/pen.11712Bowman J. A review of the electrofusion joining process for polyethylene pipe systems // Polymer Engineering & Science. 1997. Vol. 37(4). P. 674–691. doi:10.1002/pen.11712Lee B.Y., Kim Y.K., Hwnag W.G., Kim J.S., Lee S.Y. Improvement of butt-welding characteristics of double wall polyethylene pipes // Metals and Materials International. 2012. Vol. 18 (5). P. 851–856. doi: 10.1007/ s12540-012-5016-5Lee B.Y., Kim Y.K., Hwnag W.G., Kim J.S., Lee S.Y. Improvement of butt-welding characteristics of double wall polyethylene pipes // Metals and Materials International. 2012. Vol. 18 (5). P. 851–856. doi: 10.1007/ s12540-012-5016-5Stokes V.K. The vibration and hot-tool welding of polyamides // Polymer Engineering & Science. 2001. Vol. 41 (8). P. 1427–1439. doi: 10.1002/pen.10842Stokes V.K. The vibration and hot-tool welding of polyamides // Polymer Engineering & Science. 2001. Vol. 41 (8). P. 1427–1439. doi: 10.1002/pen.10842Panaskar N., Terkar R. Study of joining different types of polymers by friction stir welding, // Mandal D.K., Syan C.S. (eds) CAD/CAM, Robotics and Factories of the Future. Lecture Notes in Mechanical Engineering. New Delhi: Springer, 2016. P. 731–739. doi: 10.1007/978-81-322-2740-3_70Panaskar N., Terkar R. Study of joining different types of polymers by friction stir welding // Mandal D.K., Syan C.S. (eds) CAD/CAM, Robotics and Factories of the Future. Lecture Notes in Mechanical Engineering. New Delhi: Springer, 2016. P. 731–739. doi: 10.1007/978-81-322-2740-3_70Avdonin N.A. Matematicheskoe opisanie processov kristallizacii. Riga: Zinatne, 1980. 180 p.Авдонин Н.А. Математическое описание процессов кристаллизации. Рига: Зинатне, 1980. 180 с.Vabishhevich P.N. Chislennye metody reshenija zadach so svobodnoj granicej. M.: Izd-vo MGU, 1987. 164 p.Вабищевич П.Н. Численные методы решения задач со свободной границей. М.: Изд-во МГУ, 1987. 164 с.Samarskii A.A. The theory of difference schemes. Basel: Marcel Dekker Inc, NY, 2001.Samarskii A.A. The theory of difference schemes. Basel: Marcel Dekker Inc, NY, 2001.Samarskii A.A., Moiseenko B.D. Jekonomichnaja shema skvoznogo scheta dlja mnogomernoj zadachi Stefana // Zhurn. vychislit. matematiki i mat. fiziki. 1965. Vol. 5, N 5. P. 816–827.Самарский А.А., Моисеенко Б.Д. Экономичная схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана // Журн. вычислит. математики и мат. физики. 1965. Т. 5, № 5. С. 816–827.Fizicheskie velichiny: Spravochnik / A.P. Babichev, N.A. Babushkina, A.M. Bratkovskij i dr.; pod red.Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлтхова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.I.S. Grigor’eva, E.Z. Mejlthova. M.: Jenergoatomizdat, 1991. 1232 p.Гориловский М.И., Калугина Е.В., Иванов А.Н., Сатдинова Ф.К. Исследование кристалличности и термостабильности в трубах, полученных из различных видов полиэтилена // Пластические массы. 2005.Gorilovskij M.I., Kalugina E.V., Ivanov A.N., Satdinova F.K. Issledovanie kristallichnosti i termostabil’nosti v trubah, poluchennyh iz razlichnyh vidov polijetilena // Plasticheskie massy. 2005. N. 4. P. 9–12.№ 4. С. 9–12.Barber P., Atkinson J.R. Some microstructural features of the welds in butt-welded polyethylene and polybutene-1 pipes // Journal of Materials Science. 1972. Vol. 7 (10). P. 1131–1136. doi: 10.1007/ BF00550195Barber P., Atkinson J.R. Some microstructural features of the welds in butt-welded polyethylene and polybutene-1 pipes // Journal of Materials Science. 1972. Vol. 7 (10). P. 1131–1136. doi: 10.1007/BF00550195Pokharel P., Kim Y., Choi S. Microstructure and mechanical properties of the butt joint in high density polyethylene pipe // International Journal of Polymer Science . 2016. P. 1–13. doi: 10.1155/2016/6483295Pokharel P., Kim Y., Choi S. Microstructure and mechanical properties of the butt joint in high density polyethylene pipe // International Journal of Polymer Science . 2016. P. 1–13. doi: 10.1155/2016/6483295Ageorges C., Ye L., Hou M. Advances in fusion bonding techniques for joining thermoplastic matrix composites: a review // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2001. Vol. 32(6). P. 839–857. doi: 10.1016/S1359-835X(00)00166-4Ageorges C., Ye L., Hou M. Advances in fusion bonding techniques for joining thermoplastic matrix composites: a review, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2001. Vol. 32(6). P. 839–857. doi: 10.1016/S1359-835X(00)00166-4Kajgorodov G.K., Kargin V.Ju. Vlijanie skorosti ohlazhdenija polijetilenovogo svarnogo shva na ego prochnost’ // Truboprovody i jekologija. 2001. N. 2. P. 13–14.Кайгородов Г.К., Каргин В.Ю. Влияние скорости охлаждения полиэтиленового сварного шва на его прочность // Трубопроводы и экология. 2001.Krjukova I.M., Skvirskaja I.I., Ushakov V.Ja., Shmakov B.V. Vlijanie temperatury rasplava na svojstva polijetilena v krupnogabaritnyh izdelijah // Plasticheskie massy. 1998. N. 6. P. 38–39.№ 2. С. 13–14.№ 2. С. 13–14.Крюкова И.М., Сквирская И.И., Ушаков В.Я., Шмаков Б.В. Влияние температуры расплава на свойства полиэтилена в крупногабаритных изделиях // Пластические массы. 1998. № 6. С. 38–39.Крюкова И.М., Сквирская И.И., Ушаков В.Я., Шмаков Б.В. Влияние температуры расплава на свойства полиэтилена в крупногабаритных изделиях // Пластические массы. 1998. № 6. С. 38–39.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.