N. P. Starostin , O. A. Ammosova
ESTIMATED DETERMINATION OF HEAT-AFFECTED ZONES FOR WELDING OF POLYETHYLENE PIPES AT LOW TEMPERATURES
DOI: 10.17804/2410-9908.2018.1.006-015 The boundaries of heat-affected zones (HAZ) are determined by mathematical modeling of the thermal process of butt welding of polyethylene pipes for gas pipelines. When choosing the process conditions for welding of polyethylene pipes, as well as when investigating the quality of the welded joint, determination of the boundary of the heat-affected zone is of great importance, since structural changes of the welded materials occur in this zone. The mathematical model used takes into account the heat of the phase transition in the temperature range, as well as the thermal effect of burr formed during upsetting. The adequacy of the proposed mathematical model is shown by comparing the experimental and calculated temperature data. The temperature was recorded using a multichannel temperature programmer with a Thermodat-17E3 graphical display. The problem was solved numerically by the finite difference method. The developed algorithms are implemented as a set of programs in the Delphi environment. Numerical simulation was carried out for a 63×5.8 PE 100 GAZ SDR11 pipe. The admissible area of heat-affected zones is defined. It is formed at admissible air temperatures. The computational experiments have shown the possibility of controlling the temperature regime for welding under conditions of low ambient temperatures and providing the same temperature field variation in the HAZ as at permissible air temperatures. The time of its formation is fixed. By preheating the ends of a welded pipe and using a thermal enclosure weld during cooling at low temperatures, the desired location of the HAZ boundary is achieved.
Keywords: butt welding of polyethylene pipes, gas pipelines, mathematical modeling of thermal process, heat-affected zones, thermal enclosure Bibliography:
1.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, no. 32, pp. 106–112. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2013.03.007.
2.Luo 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, no. 48, pp. 144–152. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2014.11.014.
3.Gould 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, no. 34, pp. 41–50. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2013.07.009.
4.Borovsky B.I., Kunsky M.O. Optimization of gas supply systems in residential city districts. Stroitelstvo i Tekhnogennaya Bezopasnost, 2014, no. 50, pp. 29–33. (In Russian).
5.Petrishin A. K voprosu ispolzovaniya polietilena v truboprovodakh. In: Materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii “Nauka segodnya: zadachi i puti ikh resheniya”, Russia, Vologda, 31 May, 2017 [Science Today: Problems and Ways of Solving Them: Proceedings of the International Scientific and Practical Conference]. Tyumen, Marker LLC Publ., 2017, pp. 31–32. ISBN: 978–5–906850–51–5. (In Russian).
6.Lee 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, no. 5, pp. 851–856. DOI: 10.1007/s12540-012-5016-5.
7.Panaskar N., Terkar R. Study of joining different types of polymers by friction stir welding. In: Mandal D.K., Syan C.S., eds. CAD/CAM, Robotics and Factories of the Future, Ser. Lecture Notes in Mechanical Engineering, Springer, New Delhi, 2016, pp. 731–739. DOI: 10.1007/978-81-322-2740-3_70.
8.SP 40–102–2000. Svod pravil po proektirovaniyu i stroitelstvu. Proektirovanie i montazh truboprovodov system vodosnabzheniya i kanalizatsii iz polimernykh materialov. Obshchie trebovaniya [Design and Assembly of Polymer Pipelines for Water-Supply and Sewage Systems. General Requirements: Handbook of Instructions]. (In Russian).
9.Starostin N.P., Ammosova O.A. Simulation of the Thermal Process of Butt Welding of Polyethylene Pipes at Low Temperatures. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2016, vol. 89, iss. 3, pp. 714–720. DOI: 10.1007/s10891-016-1430-8.
10.Rodionov A.K., Babenko F.I., Kovalenko N.A. Crack resistance of welded butt joints in polyethylene pipes. Materialy. Tekhnologii. Instrumenty, 2003, vol. 8, no. 3, pp. 19–20. (In Russian).
11.Lai H.S., Tun N.N., Kil S.H., Yoon K.B. Effect of defects on the burst failure of butt fusion welded polyethylene pipes. Journal of Mechanical Science and Technology, 2016, vol. 30, no. 5, pp. 1973–1981. DOI: 10.1007/s12206-016-0403-3.
12.Tariq F., Naz N., Khan M.A., Baloch R.A. Failure analysis of high density polyethylene butt weld joint. Journal of Failure Analysis and Prevention, 2012, vol. 12, no. 2, pp. 168–180. DOI: 10.1007/s11668-011-9536-y.
13.Zakar F., Budinski M. Fracture of a saddle fusion (weld) joint in high density polyethylene (HDPE) pipe. Engineering Failure Analysis, 2017, vol. 82 pp. 481–492. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2017.03.009.
14.Avdonin N.A. Matematicheskoe opisanie protsessov kristallizatsii [Mathematical Description of Crystallization Processes]. Riga, Zinatne Publ., 1980, 180 p. (In Russian).
15.Vabishchevich P.N. Chislennye metody resheniya zadach so svobodnoy granitsey [Numerical Methods for Solving Problems with a Free Boundary]. Moscow, MGU Publ., 1987, 164 p. (In Russian). 16.Babichev A.P., Babushkina N.A., Bratkovsky A.M., etc. Fizicheskie velichiny: spravochnik [Physical Quantities: Reference Book, I.S. Grigoriev, E.Z. Meylikhov, eds.]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1991, 1232 p. (In Russian). Н. П. Старостин, О. А. Аммосова
РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ ЗОН ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПРИ СВАРКЕ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
На основе математического моделирования теплового процесса при сварке полиэтиленовых труб встык для газопроводов определяют границы зон термического влияния (ЗТВ). При выборе технологических режимов сварки полиэтиленовых труб, а также при исследовании качества сварного соединения большую роль имеет определение границы зоны термического влияния, поскольку в ней происходят структурные изменения свариваемых материалов. Используемая математическая модель учитывает теплоту фазового перехода в интервале температур, а также тепловое влияние образующегося при осадке грата. Показана адекватность предлагаемой математической модели путем сопоставления экспериментальных и расчетных температурных данных. Регистрация температур производилась с помощью многоканального программного регулятора температуры с графическим дисплеем ТЕРМОДАТ–17Е3. Поставленная задача решалась численно методом конечных разностей. Разработанные алгоритмы реализованы в виде комплекса программ в среде «Delphi». Численное моделирование проводилось для трубы марки ПЭ 100 ГАЗ SDR11 63×5,8. Определяется допустимая область ЗТВ, сформированная при допустимых температурах воздуха, и время ее формирования. Вычислительными экспериментами показана возможность регулирования температурным режимом при сварке в условиях низких температур окружающего воздуха и обеспечения в зоне термического влияния такого же изменения температурного поля, что и при допустимых температурах воздуха. Проведение сварки полиэтиленовых труб с предварительным подогревом и выравниванием температуры, а также проведение этапа осадки свариваемых труб в теплоизоляционной камере с расчетными размерами, приводят к допустимому темпу охлаждения и формированию границы ЗТВ в пределах допустимой области.
Ключевые слова: сварка полиэтиленовых труб встык, газопровод, моделирование теплового процесса, зона термического влияние, теплоизоляционная камера Библиография:
1.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. – No. 32. – P. 106–112. – DOI: 10.1016/j.engfailanal.2013.03.007.
2.Numerical simulation of strength failure of buried polyethylene pipe under foundation settlement / X. Luo, S. Lu, J. Shi, X. Li, J. Zheng // Engineering Failure Analysis. – 2015. – No. 48. – P. 144–152. – DOI: 10.1016/j.engfailanal.2014.11.014.
3.Failure analysis of a PVC sewer pipeline by fractography and materials characterization / S. J. F. Gould, P. Davis, D. J. Beale, D. R. Marlow // Engineering Failure Analysis. – 2013. – No. 34. – P. 41–50. – DOI: 10.1016/j.engfailanal.2013.07.009.
4.Боровский Б. И., Кунский М. О. Оптимизация систем газоснабжения городских микрорайонов // Строительство и техногенная безопасность. – 2014. – № 50. – С. 29–33.
5.Петришин А. К вопросу использования полиэтилена в трубопроводах // Наука сегодня: задачи и пути их решения : материалы научно-практической конференции, Вологда, 31 мая 2017 г. : сб. науч. тр. – Тюмень : ООО «Маркер», 2017. – С. 31–32. – ISBN: 978–5–906850–51–5.
6.Improvement of butt-welding characteristics of double wall polyethylene pipes / B. Y. Lee, Y. K. Kim, W. G. Hwnag, J. S. Kim, S. Y. Lee // Metals and Materials International. – Vol. 18, no. 5. – P. 851–856. – DOI: 10.1007/s12540-012-5016-5.
7.Panaskar N., Terkar R. Study of joining different types of polymers by friction stir welding // CAD/CAM, Robotics and Factories of the Future. Ser. Lecture Notes in Mechanical Engineering / ed. by D. K. Mandal, C. S. Syan. – Springer, New Delhi, 2016. – P. 731–739. – DOI: 10.1007/978-81-322-2740-3_70.
8.СП 40–102–2000. Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования.
9.Starostin N. P., Ammosova O. A. Simulation of the Thermal Process of Butt Welding of Polyethylene Pipes at Low Temperatures // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – 2016. – Vol. 89, iss. 3. – P. 714–720. – DOI: 10.1007/s10891-016-1430-8.
10.Родионов А. К., Бабенко Ф. И., Коваленко Н. А. Трещиностойкость сварных стыковых соединений полиэтиленовых труб // Материалы. Технологии. Инструменты. – 2003. – Т. 8, № 3. – С. 19–20.
11.Effect of defects on the burst failure of butt fusion welded polyethylene pipes / H. S. Lai, N. N. Tun, S. H. Kil, K. B. Yoon // Journal of Mechanical Science and Technology. – 2016. – Vol. 30, no. 5. – P. 1973–1981. – DOI: 10.1007/s12206-016-0403-3.
12.Failure analysis of high density polyethylene butt weld joint / F. Tariq, N. Naz, M. A. Khan, R. A. Baloch // Journal of Failure Analysis and Prevention. – 2012. – Vol. 12, no. 2. – P. 168–180. – DOI: 10.1007/s11668-011-9536-y.
13.Zakar 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.2017.03.009.
14.Авдонин Н. А. Математическое описание процессов кристаллизации. – Рига : Зинатне, 1980. –180 с.
15.Вабищевич П. Н. Численные методы решения задач со свободной границей. – Москва : Изд-во МГУ, 1987. – 164 с.
16.Физические величины : справочник / А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др. / под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. – М. : Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.
      
Библиографическая ссылка на статью
Starostin N. P., Ammosova O. A. Estimated Determination of Heat-Affected Zones for Welding of Polyethylene Pipes at Low Temperatures // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. -
2018. - Iss. 1. - P. 6-15. - DOI: 10.17804/2410-9908.2018.1.006-015. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2018-1/2018-1_168.html (accessed: 31.10.2024).
|
