Управление температурным режимом сварки полиэтиленовых труб в условиях низких температур

Для широкого применения полиэтиленовых труб при строительстве газопроводов в регионах очень холодного климата необходима разработка оперативной технологии сварки с целью выполнения ремонтно-восстановительных работ без использования теплых укрытий. Предлагается технология оперативной электромуфтовой сварки полиэтиленовых труб при низких температурах на открытом воздухе с управляемой кристаллизацией материала сварного шва. Сокращение времени выполнения соединения достигается предварительным подогревом с помощью закладного нагревателя и выравнивания температур путем свободного охлаждения. Расчет температурного режима сварки методом конечных элементов показал, что при последующем нагреве по режиму сварки в нормальных условиях объем расплава соответствует объему расплава сварки при допустимой температуре воздуха. Для соблюдения режима кристаллизации расплава полиэтилена в условиях низких температур, характерных для сварки при допустимых температурах воздуха, предлагается изменение мощности нагревателя по времени. Для определения временной зависимости мощности закладного нагревателя, обеспечивающей соответствующую кристаллизацию материала сварного шва и зоны термического влияния, решена обратная задача теплопроводности методом градиентной минимизации функционала. На основе решения несвязанной термоупругой задачи с использованием программного средства Dolfin/FEniCS проведен сравнительный анализ влияния распределений температур на сварочные напряжения при сварке по предлагаемой и стандартной технологиям. Расчетами показано, что при сварке с управляемой кристаллизацией напряжения между трубой и муфтой находятся в допустимом диапазоне. Исследования с помощью растрового электронного микроскопа JEOL JSM-7800F надмолекулярных структурных образований в материале зоны термического влияния показали, что предлагаемая технология управляемой кристаллизации обеспечивает формирование в зоне термического влияния сферолитов с размерами, характерными для сварки в нормальных условиях.

1. Иванов Н.И., Чевычелов Д.А., Писевич Е.Ю. и др. Сварка нагретым инструментом трубопроводов из полиэтилена для газоснабжения диаметром 90–315 мм. Известия Юго-Западного государственного университета. 2023; 27(2):24–41. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2023-27-2-24-41

2. Кимельблат В.И., Волков И.В. Процедуры и основные параметры сварки полиэтилена. Вестник Казанского технологического университета. 2014;17(14):293–296.

3. Петкевич В.М., Гладких С.А., Глаголев И.М., Пячин С.А. Испытание муфтовых соединений полиэтиленовых труб. В кн.: Игнатенко И.В. (ред.) Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: труды Всероссийской научно-практической конференции творческой молодежи с международным участием, г. Хабаровск, 16–19 апреля 2024 г. Т. 2. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС; 2024. С. 451–456.

4. Шурайц А.Л., Каргин В.Ю., Вольнов Ю.Н. Газопроводы из полимерных материалов: Пособие по проектированию, строительству и эксплуатации. Саратов: Издательство «Журнал «Волга – XXI век»; 2007. 612 с.

5. Старостин Н.П., Аммосова О.А. Управление тепловым процессом электромуфтовой сварки полиэтиленовых труб при низких температурах. Сварка и диагностика. 2017;(5):21–25.

6. Старостин Н.П., Аммосова О.А. Управление движением фронта кристаллизации при сварке полиэтиленовых труб в условиях низких температур. Тепловые процессы в технике. 2024;16(4):162–169.

7. Старостин Н.П., Аммосова О.А., Петров Д.Д. и др. Сварка полиэтиленовых труб муфтами с закладными нагревателями при низких температурах. Часть 1. Реализация управления фронтом кристаллизации. Сварка и диагностика. 2024;(6):44–49. https://doi.org/10.52177/2071-5234_2024_06_44

8. Chebbo Z., Vincent M., Boujlal A., et al. Numerical and experimental study of the electrofusion welding process of polyethylene pipes. Polymer Engineering and Science. 2015; 55(1):123–131. https://doi.org/10.1002/PEN.23878

9. Spina R., Spekowius M., Hopmann C. Simulation of crystallization of isotactic polypropylene with different shear regimes. Thermochimica Acta. 2018;659:44–54. https://doi.org/10.1016/j.tca.2017.10.023

10. Бородин П.Ю., Галанин М.П. Динамическая связанная задача термоупругости в различных пространственных приближениях. Математическое моделирование. 1998;10(3): 61–82.

11. Sivtsev P.V., Stepanov S.P., Smarzewski P. Numerical study of soil-thawing effect of composite piles using gmsfem. Journal of Composites Science. 2021;5(7):167. https://doi.org/10.3390/jcs5070167

12. Zienkiewicz O.C., Jaylor R.L., Zhu J.Z. The Finite Element Method: its Basis and Fundamentals (Seventh Edition). Oxford: Butterworth-Heinemann; 2013. 714 p.

13. Logg A., Mardal K.A, Wells G. Automated Solution of Differential Equations by the Finite Element Method: The FEniCS Book. New York: Springer Sci. & Business Media; 2012. 731 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-23099-8

14. Software package GMSH. Available at: https://gmsh.info/ (accessed: 05.06.2025).

15. Software package ParaView. Available at: http://paraview.org/ (accessed: 05.06.2025)

16. Алифанов О.М., Артюхин Е.А., Румянцев С.В. Экстремальные методы решения некорректных задач. М.: Наука; 1988. 288 с.

17. Алифанов О.М., Михайлов В.В. Решение граничной обратной задачи в переопределенной постановке. Инженерно-физический журнал. 1983;45(3):776–781.