Напряженно-деформированное состояние сварных соединений труб из полимеров, выполненных способом стыковой сварки под углом
Рассмотрено напряженно-деформированное состояние сварных стыковых соединений, выполненных под разными углами, и рассчитано распределение эквивалентных напряжений по сечению сварного шва. Определены диапазоны углов относительно нижней образующей при стыковой сварке, в границах которых необходимо уста...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100820 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Напряженно-деформированное состояние сварных соединений труб из полимеров, выполненных способом стыковой сварки под углом / Е.С. Никонова, Н.Г. Кораб, В.Ю. Кондратенко // Автоматическая сварка. — 2009. — № 5 (673). — С. 20-23. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860030337550123008 |
|---|---|
| author | Никонова, Е.С. Кораб, Н.Г. Кондратенко, В.Ю. |
| author_facet | Никонова, Е.С. Кораб, Н.Г. Кондратенко, В.Ю. |
| citation_txt | Напряженно-деформированное состояние сварных соединений труб из полимеров, выполненных способом стыковой сварки под углом / Е.С. Никонова, Н.Г. Кораб, В.Ю. Кондратенко // Автоматическая сварка. — 2009. — № 5 (673). — С. 20-23. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Рассмотрено напряженно-деформированное состояние сварных стыковых соединений, выполненных под разными углами, и рассчитано распределение эквивалентных напряжений по сечению сварного шва. Определены диапазоны углов относительно нижней образующей при стыковой сварке, в границах которых необходимо установить дополнительные прижимающие устройства, чтобы нивелировать существующий перепад напряжений в сварном шве. Найдено новое технологическое решение в виде устройства для сварки труб из термопластов, на которое получен патент Украины.
The stress-strain state of butt welded joints made at different angles was studied, and distribution of equivalent stresses across the weld section was calculated. The ranges of angles to the lower generatrix in butt welding were determined, within which it is necessary to mount additional hold-down devices to level the existing gradient of stresses in the weld. A new technological solution was found in the form of a device for welding thermoplastic pipes, for which a patent of Ukraine was granted.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:52:07Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.05:678.029.43]:620.17
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБ ИЗ ПОЛИМЕРОВ,
ВЫПОЛНЕННЫХ СПОСОБОМ СТЫКОВОЙ
СВАРКИ ПОД УГЛОМ
Е. С. НИКОНОВА, инж., Н. Г. КОРАБ, канд. техн. наук, В. Ю. КОНДРАТЕНКО, инж.
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Рассмотрено напряженно-деформированное состояние сварных стыковых соединений, выполненных под разными
углами, и рассчитано распределение эквивалентных напряжений по сечению сварного шва. Определены диапазоны
углов относительно нижней образующей при стыковой сварке, в границах которых необходимо установить до-
полнительные прижимающие устройства, чтобы нивелировать существующий перепад напряжений в сварном шве.
Найдено новое технологическое решение в виде устройства для сварки труб из термопластов, на которое получен
патент Украины.
К л ю ч е в ы е с л о в а : полимерные изделия, сварные соеди-
нения, стыковая сварка, соединительные детали, прочность
сварной конструкции, исследования напряженно-деформи-
рованного состояния, устройство для сварки труб из тер-
мопластов
В настоящее время для соединения труб из по-
лимерных материалов используют три основных
способа сварки: терморезисторную, сварку наг-
ретым инструментом встык и враструб. Сварку
нагретым инструментом враструб в основном
применяют для соединения труб малого диаметра,
например, при монтаже систем водо- и газоснаб-
жения, отопления и т. д. Для соединения труб
наружным диаметром более 63 мм, как правило,
используют терморезисторную или стыковую
сварку. При этом даже поверхностный сравни-
тельный анализ показывает очевидные преиму-
щества использования стыковой сварки: отсутс-
твие необходимости в дополнительных соеди-
нительных деталях, простоту выполнения сварки
и высокую надежность получаемых сварных со-
единений. Кроме того, стоимость терморезистор-
ных соединительных деталей сравнительно вы-
сока и с увеличением диаметра трубопровода цена
на такие детали пропорционально возрастает.
Ранее весомым аргументом в пользу терморезис-
торной сварки была минимизация так называе-
мого человеческого фактора и, как следствие,
более высокое качество получаемых сварных
швов. Однако в настоящее время с появлением
на территории Украины все большего количества
современного автоматизированного сварочного
оборудования для стыковой сварки, способного
точно контролировать все технологические пара-
метры сварочного процесса, положение резко из-
менилось. Стыковая сварка превратилась в спо-
соб, обеспечивающий практически стопроцентное
качество получаемых сварных соединений и спо-
собный на равных конкурировать с терморезис-
торной сваркой. С учетом экономических факто-
ров можно утверждать, что для труб диаметром
более 160 мм альтернативы стыковой сварке сей-
час нет [1, 2].
В то же время существует проблема запрета
на территории Украины использования сварных
соединительных деталей при строительстве газоп-
роводов — вместо них используют более дорогие
литые соединительные детали (при строительстве
систем водооснабжения, водоотвода и канали-
зации таких ограничений нет).
Ранее считалось, что сварные швы при изго-
товлении соединительных деталей всегда умень-
шают прочность конструкции в целом. При этом
даже вводили специальные понижающие коэффи-
циенты, а при расчетах принималось, что проч-
ность сварной конструкции составляет от 30 до
70 % прочности основного материала без сварных
швов. В настоящее время при проектировании по-
лимерных трубопроводов существует практика
введения коэффициента уменьшения прочности
сварного соединения, изготовления сварных со-
единительных деталей из труб с большей тол-
щиной стенки, чем в трубопроводе. Все это обус-
ловлено в первую очередь непониманием и иг-
норированием особенностей строения и образо-
вания сварных соединений из полимеров [3, 4].
На данный момент практически отсутствуют
исследовательские работы и публикации, касаю-
щиеся соединительных деталей для полимерных
трубопроводов, сваренных стыковой сваркой под
© Е. С. Никонова, Н. Г. Кораб, В. Ю. Кондратенко, 2009
20 5/2009
углом. Сварочное оборудование для производства
таких деталей преимущественно импортное и
имеет ряд недостатков, основным из которых яв-
ляется невозможность технологически нивелиро-
вать перепад напряжений на торцах труб, которые
образуют стык при сварке под углом [5]. Это может
привести к получению некачественного сварного
соединения. Отсутствует также нормативная база,
касающаяся возможности использования таких де-
талей при строительстве, которая бы учитывала осо-
бенности современных полимерных материалов и
современные представления об их структуре. Учи-
тывая отмеченное выше, был поставлен ряд экс-
периментов и выполнены эмпирические расчеты по
исследованию напряженно-деформированного сос-
тояния сварных соединений полиэтилена способом
стыковой сварки под углом.
Для исследования напряженно-деформирован-
ного состояния сварного полимерного соединения
выбрали расчетную систему APROX, поскольку
комплекс ориентирован на исследования напря-
женно-деформированного состояния разнообраз-
ных систем и конструкций в физически и гео-
метрически нелинейных постановках, которые на-
ходятся под действием статической и динамичес-
кой нагрузки. С его помощью можно исследовать
в классической и уточненной постановках такие
характерные особенности работы конструкций и
систем, как большие перемещения, процесс плас-
тической деформации слоев материала конс-
трукции, зарождение и развитие трещин как по
толщине, так и в плане конструкции при силовой,
стационарной и нестационарной динамической
нагрузке, определение спектра собственных форм
и частот колебаний системы.
Расчетная система APROX построена на
использовании метода конечных элементов, по
которому затруднительно определять погреш-
ность расчетов, поэтому для оценки последней
использовали метод тестовых задач. Значения, по-
лученные при решении такой тестовой задачи с
помощью системы APROX, отличаются от ана-
литических, полученных при помощи классичес-
ких формул сопротивления материалов, меньше
чем на 5 %, что свидетельствует об эффектив-
ности и точности выбранного численного метода
решения данной задачи [6].
В системе APROX был смоделирован процесс
стыковой сварки под углом полимерных труб,
имеющих сварные швы. Эта модель реализует
максимально приближенные технологические ус-
ловия получения сварных соединительных дета-
лей из полимерных труб (типа тройник, отвод сег-
ментный односекторный и многосекторный) спо-
собом стыковой сварки.
Для задания параметров в системе APROX ис-
пользовали следующие расчетные данные
(рис. 1): D1 = 110 мм — наружный диаметр трубы;
D2 = 90 мм — внутренний диаметр трубы; L1 =
= 600 мм — длина сегмента трубы; L2 = 10 мм
— длина сварного шва; L = 2000 мм — общая
длина трубы; 2α = 30, 45, 60, 90° — соответс-
твенно угол сварки сегментов полимерных труб
при производстве соединительных деталей (раз-
меры и углы сварки выбраны по данным типо-
размеров основных соединительных деталей, при-
веденных фирмой «Barbara Kaczmarek» (Поль-
ша)). Материал трубы — полиэтилен высокого
давления марки ПЕ80; модуль Юнга E = 690 МПа;
коэффициент Пуассона k = 0,35.
К трубе приложена осевая нагрузка 0,147 МПа
с торца. Срезанная под углом α часть трубы счи-
талась закрепленной по всем направлениям.
Результаты расчета в системе APROX постав-
ленной задачи представлены в таблице, из которой
видно, что расчетный перепад распределения нап-
ряжений по сечению составляет от 15 до 55 %. Это
свидетельствует прежде всего о том, что в разных
точках сварного шва прочность будет разной. При
этом следует отметить, что особый интерес пред-
ставляет закономерность распределения удельно-
го усилия прижатия по поверхности стыка.
На рис. 2 показаны диапазоны углов перепада
напряжений относительно нижней образующей при
стыковой сварке, которые одновременно являются
диапазонами углов относительно нижней образу-
ющей, в границах которых необходимо установить
дополнительные прижимающие устройства, чтобы
нивелировать существующий перепад напряжений:
65…120°; 195…225°; 305…320°.
Рис. 1. Схема модельного образца полимерной трубы, сварен-
ного с использованием процесса стыковой сварки
Результаты расчета напряженно-деформированного сос-
тояния сварного полимерного соединения в системе
APROX
Угол сварки
сегментов
труб 2α, град
Эквивалентное напряже-
ние по сечению поверхнос-
ти сварки σэкв⋅103, МПа
Диапазон распределе-
ния перепада эквива-
лентных напряжений,
град
30 129,8 43...136
150,5 193...222
151,7 307...336
45 126,1 242...291
60 0,7282 41...140
90 74,03 65...120
151,9 283...318
156,8 199...234
5/2009 21
Основываясь на изложенных выше соображе-
ниях, разработано новое технологическое реше-
ние в виде устройства для сварки труб из тер-
мопластов, на которое получен патент Украины
на полезную модель [7]. Согласно этому патенту
полезная модель относится к области сварки плас-
тмасс, а именно к устройствам для сварки труб
из термопластов.
Схема устройства для сварки труб из термоп-
ластов приведена на рис. 3.
Для улучшения конструкции необходимо было
создание условий равномерного прижатия свари-
ваемых труб путем установки на центратор гид-
роцилиндров, которые имеют возможность пере-
мещаться в диапазоне углов 65…120, 195…225,
305…320° относительно нижней образующей
труб. Поставленная задача решается следующим
образом: устройство для сварки труб 6 из тер-
мопластов содержит сварочный блок — центратор
в виде установленных на направляющие 3 двух
плит: подвижной 2 и неподвижной 1, на которых
шарнирно закреплены зажимные хомуты 4 со
сменными вкладышами (на чертеже не изобра-
жены), привод для центровки труб, их переме-
щения и создания сварочного давления, нагрева-
тель и электронный блок управления, съемные
гидроцилиндры 5 установлены на центраторе с
возможностью их перемещения в установленном
диапазоне углов или их установки на центраторе
с первоначально разной длиной. Элементы креп-
ления гидроцилиндров выполнены в виде поса-
дочных отверстий типа «сережка» 7.
Наличие гидроцилиндров, расположенных в
указанном диапазоне углов относительно нижней
образующей труб, обеспечивает создание условий
равномерного прижатия свариваемых труб и, как
следствие, приблизительно одинаковую проч-
ность сварного соединения на отдельных участках
сварного шва.
Использование полезной модели позволяет
значительно улучшить качество сварных соеди-
нений при стыковой сварке под углом и более
широко использовать сварные соединительные
детали при строительстве трубопроводов.
Выводы
1. Литые соединительные детали из полимерных
материалов целесообразно заменять сварными,
выполненными способом стыковой сварки.
2. Необходим учет напряженно-деформиро-
ванного состояния сварных стыковых соедине-
ний, выполненных под разными углами, диапа-
зона углов относительно нижней образующей при
стыковой сварке, в границах которых требуется
установка дополнительных прижимающих уст-
ройств, чтобы нивелировать существующий пе-
репад напряжений в сварном шве.
3. Разработано новое технологическое решение
в виде устройства для сварки труб из термоп-
ластов, на которое получен патент Украины на
полезную модель.
4. Результаты работы могут найти применение
при дальнейшем исследовании прочностных ха-
рактеристик сварных соединительных деталей и
оценке возможностей широкого внедрения таких
соединительных деталей в строительство трубоп-
роводов на территории Украины.
1. Esaulenko G. В., Kondratenko V. Y. Morphologie und
Eigenschaffen von Stumpfschweiβungen an polymeren Wer-
kstoffen // Kunststoffschweissen und kleben’92. — Duеβel-
dorf: DVS-Verlag, 1992. — P. 3–5.
2. Никонова Е. С. Обеспечение эксплуатационной надеж-
ности систем трубопроводного транспорта // Сварные
швы полимерных материалов как упрочняющий элемент
конструкции трубопровода: Материалы ІV науч.-практ.
семинара, Киев, 11 апр. 2006 г. — Киев: Экотехнология,
2006. — С. 106.
Рис. 2. Диаграмма распределения эквивалентных напряжений
по сечению поверхности сварки (диапазоны углов перепада
напряжений относительно нижней образующей при стыко-
вой сварке: № 1 — 65…120; № 2 — 195…225; № 3 —
305…320°)
Рис. 3. Схема устройства для сварки труб из термопластов
(обозначения см. в тексте)
22 5/2009
3. Експериментальні дослідження фізико-механічних влас-
тивостей зварних стикових з’єднань полімерних ма-
теріалів та рекомендації щодо оптимізації процесу зва-
рювання / К. С. Ніконова, В. Ю. Кондратенко, В. В.
Гончаренко, І. В. Коваленко // Сварка и родственные
процессы в промышленности: Материалы 2-го науч.-
техн. семинара, Киев, 17 апр. 2007. — Киев: Экотехно-
логия, 2007. — С. 94.
4. Рекомендации по расчету и проектированию трубопро-
водов из термопластов /ЦНИИЭ инженерного оборудо-
вания: НПО «Пластик». — М.: Стройиздат, 1985.—
136 с.
5. Шестопал А. Н., Минеев Э. А. Справочник по сварке и
склеиванию пластмасс / Под общ. ред. А. Н. Шестопала.
— Киев: Техніка, 1986. — 192 с.
6. САПР. Програмний комплекс АПРОКС в розрахунках
машин та апаратів хімічних виробництв / О. В. Гондлях,
О. С. Сахаров, В. І. Сівецький та ін. — К.: ТОВ
«Поліграф Консалтинг», 2006. — 136 с.
7. Пат. 24692 Украина. Устройство для сварки труб из
термопластов / В. В. Гончаренко, И. В. Коваленко, Е. С.
Никонова. — Опубл. 10.07.2007, Бюл. № 10.
The stress-strain state of butt welded joints made at different angles was studied, and distribution of equivalent stresses
across the weld section was calculated. The ranges of angles to the lower generating line in butt welding, within which
it is necessary to mount additional hold-down devices to level the existing gradient of stresses in the weld, were
determined. A new device was designed for welding of thermoplastic pipes. The device is covered by the patent of
Ukraine.
Поступила в редакцию 06.11.2008
УКРАЇНСЬКО-РОСІЙСЬКИЙ, РОСІЙСЬКО-УКРАЇНСЬКИЙ
СЛОВНИК ІЗ ЗВАРЮВАННЯ (CD-ROM). — К., Довіра, 2008.
В рамках проекта «Словники України» Институтом
электросварки им. Е. О. Патона совместно с Украинским
языково-информационным фондом НАН Украины к 90-ле-
тию Национальной академии наук Украины издан «Ук-
раїнсько-російський, російсько-український словник із зварю-
вання» в электронном формате (CD-ROM).
Словарь, имея нормативный характер, содержит более
6,5 тыс. терминов и терминосочетаний, которые отража-
ют основную терминологию по сварочным и родственным
технологиям, актуализированную с действующими между-
народными и национальными стандартами по сварке.
Словарь предназначен для инженерно-технических ра-
ботников, студентов и переводчиков технической литера-
туры.
Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Укра-
ины вышлет БЕСПЛАТНО «Словарь…» при условии направ-
ления заявки с точным указанием Ваших почтовых реквизи-
тов на адрес:
Киев-150, ул. Боженко, 1, ИЭС им. Е. О. Патона, отдел № 41
Тел.: 287-62-68, факс: 287-74-57
E-mail: bernadsky@paton.kiev.ua
5/2009 23
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100820 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:52:07Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Никонова, Е.С. Кораб, Н.Г. Кондратенко, В.Ю. 2016-05-27T08:23:01Z 2016-05-27T08:23:01Z 2009 Напряженно-деформированное состояние сварных соединений труб из полимеров, выполненных способом стыковой сварки под углом / Е.С. Никонова, Н.Г. Кораб, В.Ю. Кондратенко // Автоматическая сварка. — 2009. — № 5 (673). — С. 20-23. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100820 621.791.05:678.029.43]:620.17 Рассмотрено напряженно-деформированное состояние сварных стыковых соединений, выполненных под разными углами, и рассчитано распределение эквивалентных напряжений по сечению сварного шва. Определены диапазоны углов относительно нижней образующей при стыковой сварке, в границах которых необходимо установить дополнительные прижимающие устройства, чтобы нивелировать существующий перепад напряжений в сварном шве. Найдено новое технологическое решение в виде устройства для сварки труб из термопластов, на которое получен патент Украины. The stress-strain state of butt welded joints made at different angles was studied, and distribution of equivalent stresses across the weld section was calculated. The ranges of angles to the lower generatrix in butt welding were determined, within which it is necessary to mount additional hold-down devices to level the existing gradient of stresses in the weld. A new technological solution was found in the form of a device for welding thermoplastic pipes, for which a patent of Ukraine was granted. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Напряженно-деформированное состояние сварных соединений труб из полимеров, выполненных способом стыковой сварки под углом Stress-strain state of welded joints on polymer pipes produced by butt welding at an angle Article published earlier |
| spellingShingle | Напряженно-деформированное состояние сварных соединений труб из полимеров, выполненных способом стыковой сварки под углом Никонова, Е.С. Кораб, Н.Г. Кондратенко, В.Ю. Научно-технический раздел |
| title | Напряженно-деформированное состояние сварных соединений труб из полимеров, выполненных способом стыковой сварки под углом |
| title_alt | Stress-strain state of welded joints on polymer pipes produced by butt welding at an angle |
| title_full | Напряженно-деформированное состояние сварных соединений труб из полимеров, выполненных способом стыковой сварки под углом |
| title_fullStr | Напряженно-деформированное состояние сварных соединений труб из полимеров, выполненных способом стыковой сварки под углом |
| title_full_unstemmed | Напряженно-деформированное состояние сварных соединений труб из полимеров, выполненных способом стыковой сварки под углом |
| title_short | Напряженно-деформированное состояние сварных соединений труб из полимеров, выполненных способом стыковой сварки под углом |
| title_sort | напряженно-деформированное состояние сварных соединений труб из полимеров, выполненных способом стыковой сварки под углом |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100820 |
| work_keys_str_mv | AT nikonovaes naprâžennodeformirovannoesostoâniesvarnyhsoedineniitrubizpolimerovvypolnennyhsposobomstykovoisvarkipoduglom AT korabng naprâžennodeformirovannoesostoâniesvarnyhsoedineniitrubizpolimerovvypolnennyhsposobomstykovoisvarkipoduglom AT kondratenkovû naprâžennodeformirovannoesostoâniesvarnyhsoedineniitrubizpolimerovvypolnennyhsposobomstykovoisvarkipoduglom AT nikonovaes stressstrainstateofweldedjointsonpolymerpipesproducedbybuttweldingatanangle AT korabng stressstrainstateofweldedjointsonpolymerpipesproducedbybuttweldingatanangle AT kondratenkovû stressstrainstateofweldedjointsonpolymerpipesproducedbybuttweldingatanangle |