JELLEGZETES ÜZEMFENNTARTÁSI OBJEKTUMOK ÉS SZAKTERÜLETEK 4.09 5.03
Infravörös hevítő eljárással hegesztett, PVDF és PP anyagú csővezetékrendszerek hosszú távú viselkedése Tárgyszavak: hőre lágyuló műanyag; élettartam; PP; PVDF; infravörös hevítés; hegesztés; csővezeték; vegyipar; élelmiszeripar; tartós szilárdság; megbízhatóság.
Vegyipari, élelmiszeripari és hasonló, különleges tisztasági követelményeket támasztó rendszerekben elterjedten alkalmaznak különféle műanyagokból készített csővezetékeket, szerelvényeket, tartályokat, amelyek csatlakoztatására külső fűtőelemekkel végzett hegesztést használnak. Azonban ez a hevítési módszer éppen a különleges tisztasági követelményeket nem elégíti ki. Ilyen esetekben célszerű a gazdaságos, nagyobb megbízhatóságot adó eljárással, infravörös sugárzással, érintkezés nélkül felmelegíteni a csatlakozó elemeket. A jelenlegi irányelvek, előírások a szokványos műanyagokból (polietilén, polipropilén, poli(vinilidén-fluorid) készült csövek infravörös hevítéses tompahegesztésének technológiájára, a követelményekre, a vizsgálati módszerekre, az elérhető megbízhatóságra, a várható élettartamra nem térnek ki; a jelenlegi ismeretek a gyártók és a felhasználók tapasztalatain alapulnak. E hiányosságok megszüntetésére, az irányelvek folyamatban levő kidolgozásának támogatására végzett vizsgálatok módszereit, előzetes eredményeit foglalja össze az alábbi tanulmány.
Szerkezeti anyagok Poli(vinilidén-fluorid) A PVDF kiválóan megmunkálható, hegeszthető és alakítható, nagy mechanikai szilárdságú, kémiai hatásoknak magas hőmérsékleten is ellenálló hőre lágyuló fluortartalmú polimer. PVDF anyagú csöveket, idomokat az élelmiszer-, a nukleáris és a vegyiparban használnak.
PVDF szuszpenziós (II. típus) és emulziós (I. típus) polimerizációs változatokban kapható. A szuszpenziós polimerizációs változat nagyobb kristályossági fokú, magasabb olvadási hőmérsékletű, termomechanikai tulajdonságai jobbak az azonos mólsúlyú, emulziós polimerizációs változaténál. A II. típus színindexe is jobb a homályos I. típusénál. A kétféle típusú anyag az eltérő MFR érték (Melt Flow Rate) ellenére egymással összehegeszthető. Polipropilén (PP) Kis sűrűségű, kiválóan feldolgozható, hegeszthető és alakítható, hőálló, nagy mechanikai szilárdságú, kiváló kémiai stabilitású, fiziológiai szempontból semleges, hőre lágyuló anyag. A polipropilén kiválóan alkalmas magas hőmérsékletű, nagy vegyszerállósági követelményeket kielégítő vegyipari alkalmazásokhoz. PVDF és PP anyagú, hőre lágyuló csővezeték-rendszerek hegesztési módszerei A hegesztett kötés minőségét és reprodukálhatóságát három hegesztési jellemző befolyásolja lényegesen: a hőmérséklet, a nyomás és az idő (hőtermelés, hűtés). Csővezeték-rendszerek fűtőelemes hegesztésekor a hőátadás módjától függően az alábbi eljárásokat különböztetik meg: • fűtőelemes tompahegesztés, amelynél a hőátadás a fűtőelemmel való közvetlen érintkezés útján történik, • fűtőelemes tompahegesztés, amelynél a hőátadás a fűtőelemmel való érintkezés nélkül, hősugárzással történik, • fűtőspirálos hegesztés, • fűtőelemes karmantyús hegesztés. A műanyagok hegesztési folyamatait egyre szélesebb körben automatizálják, azonban a csővezeték-rendszerek szakszerű összeállítása és hegesztése szakmai ismereteket, a hegesztőberendezések működésének alapos ismeretét és gondos munkát követel meg. A hegesztőberendezésekre vonatkozó követelményeket a biztonsági, valamint a kötésekre vonatkozó igények határozzák meg. Ezek többek között a következők: • üzembiztonság, • a gépeknek a hegesztési varrat minőségét befolyásoló mérettűrései, • a gépeknek a hegesztési varratok minőségét befolyásoló konstrukciós jellemzői. A korszerű hegesztőgépekkel szemben támasztott további követelmények:
• a hegesztések reprodukálhatóságának szavatolása speciális vezérlőés szabályozórendszerekkel, • a hegesztett kötés dokumentálása és jegyzőkönyvezése (csatlakozás személyi számítógéphez), • egyszerű kezelhetőség (pl. érintésérzékeny képernyős terminál), • szerelési hegesztés lehetősége nehezen hozzáférhető helyeken. A két leggyakrabban alkalmazott eljárás a fűtőelemes tompahegesztés és a fűtőelemes tompahegesztés infravörös melegítéssel. Fűtőelemes tompahegesztés A hőre lágyuló műanyag csövek összekötésére ipari létesítményekben a leggyakrabban alkalmazott eljárás a fűtőelemes tompahegesztés. Ennek példáján vizsgálva a kötődés mechanizmusa a következő: A bevezetett hőenergia hatására az illeszkedő felületeken oldódnak a polimerláncok közötti, intermolekuláris kötési erők. A fűtőelem eltávolítása után az összeillesztendő felületeket egymáshoz nyomják, és így a két rész szabadon mozgó polimerláncai közös krisztallitokat képezhetnek. Manapság ezt a krisztallizációs folyamatot tekintik a műanyagok legvalószínűbb hegesztési mechanizmusának. Fűtőelemes tompahegesztés alapvető lépései: • az összehegesztendő elemek befogása és beigazítása, • a felületek megtisztítása forgácsoló megmunkálással (síkra gyalulással), • a felületek felfektetése a fűtőelemre, • a felületek melegítése, • a fűtőelem eltávolítása, • a felületek egymáshoz illesztése, a nyomást definiált módon növelve, • a hegesztett kötés lehűlése nyomás alatt. Fűtőelemes hegesztés időviszonyait az 1. ábra szemlélteti. A fűtőelemes tompahegesztés más módszereknél egyszerűbb, kisebb költségekkel jár. Nagy tisztasági követelmények esetén a fűtőelemmel való közvetlen érintkezés szennyezések forrása lehet. A keletkező hegesztési varratok mérete nagyobb az érintkezés nélküli módszerekkel kialakított varratoknál. Fűtőelemes tompahegesztés infravörös melegítéssel Az összehegesztendő felületekkel nem érintkező, infravörös hevítéses fűtőelemes eljárás az utóbbi években általánosan elterjedt eljárás PVDF, PP, ECTFE és PFA anyagok hegesztésére. Az eljárás előnye a szennyeződések megelőzése, a kisebb méretű hegesztési varrat és a jelentősen csökkent hegesztési idő (2. ábra), viszont a fűtőelemek helyzetének pontosabb beállításához nagy pontosságú berendezések szükségesek.
nyomás az összeillesztési tartományban
tűrésmező
alkalmazási nyomás – illesztési nyomás
+/- 5%
előmelegítési nyomás alkalmazkoelőmelegítési idő dási idő
1
2
hegesztési idő
lehűlési idő
teljes illesztési idő hegesztési idő
1. átállási idő 2. illesztési nyomás átállási ideje
1. ábra A fűtőelemes hegesztési eljárás lépései (illesztőnyomás/idő) 60
-68% tompahegesztés
50
infravörös hegesztés
40 30 20 10
méretek, mm
2. ábra Hegesztési idők összehasonlítása a fűtőelemes és az infravörös hevítéses eljárásokra
250x11,9
225x10,8
200x9,6
180x8,6
160x7,7
140x6,7
125x6,0
110x5,3
90x4,3
75x3,6
63x3,0
50x3,0
32x2,4
0 20x1,9
-70%
Az illesztési nyomás növeléséhez a nyomásszabályozott és az elmozdulásszabályozott változatok használatosak. A nyomásszabályozott berendezésekben a nyomóerőt rugós, hidraulikus vagy menetes orsós hajtások állíthatják elő, és az a teljes hegesztési művelet alatt a program szerinti mértékben, a lehűlési fázisban is hat, így húzófeszültségek nem léphetnek fel. A definiált nyomóerők alkalmazása lehetővé teszi az elemek eltérő olvadási viszkozitásának kompenzálását, ami különösen csövek és más idomok összehegesztésénél lényeges. Az elmozdulásszabályozott berendezésekben a nyomóerőt az elemek egymáshoz viszonyított elmozdulása hozza létre. A hegesztési nyomás az elemek olvadási viszkozitásának is függvénye, a hegesztési nyomás és időbeli változása nem szabályozható, és a lehűlési szakaszban, különösen a vastag falú alkatrészek esetében, a termikus kontrakció következtében a nyomás csökken. Az infravörös hevítéssel működő, korszerű berendezések teljesen automatikus működésűek, a kezelőszemélyzet beavatkozási lehetőségeit a minimumra csökkentik, és így egyenletes, nagy megbízhatóságú hegesztési varratok előállítását teszik lehetővé; a hegesztési folyamat minden paraméterét folyamatosan mérik és regisztrálják, így az eredmények reprodukálhatók és értékelhetők. Az alábbi vizsgálati eredmények igazolják azt, hogy nyomásszabályozott, infravörös hevítést alkalmazó készülékekkel lényegesen nagyobb szilárdságú hegesztési varratok készíthetők, mint a hagyományos tompahegesztéses technológiával. Hegesztett kötésekkel szemben támasztott követelmények A műanyagból készített ipari rendszerekkel (csővezetékekkel, készülékekkel) szemben a megfelelő anyagokon kívül (szilárdság, érzéketlenség vegyszerekre stb.) támasztott követelmények az alábbiak: • a hegesztett varratok tartóssága, nem változó minősége (tartós nyomásállóság, tartós húzószilárdság), • a hegesztett varratok tartós, jó minőségű reprodukálhatósága, • gazdaságos előállíthatóság. A hegesztési varratok tulajdonságait befolyásoló tényezőket a 3. ábra foglalja össze. E tényezők nagy részét a megfelelő hegesztőkészülékek vezérelhetik vagy szabályozhatják. A hegesztett kötések további, alapvető minősítési kritériumait, a mechanikai-technológiai vizsgálatok részleteit a 2202 és 2203 számú DVS irányelvek tartalmazzák. Hegesztett kötés tartós szilárdsága nagymértékben függ az alapanyagtól. A legfontosabb anyagjellemzőt az FNCT (Full-Notch-Creep-Test) vizsgálat és az ebből következő, a repedések lassú növekedésével kapcsolatos bemetszett próbatesten vizsgált szilárdsági tényező adja meg. Az FNCT vizsgálat során meghatározott, körbefutó bevágással gyengített anyagmintát húzó igénybevételnek teszik ki. A nagy FNCT-élettartamú, és így a lassú repedésnövekedéssel szemben ellenálló anyagok hegesztett kötései ennek megfele-
lően hosszú élettartamúak. Több kísérletsorozat igazolta azt, hogy PVDF és PP alapanyagok bemetszési érzékenységétől jelentős mértékben függ a hegesztett kötések élettartama.
környezeti körülmények légáramlás fűtőelem beállítása hegesztési nyomás illesztési nyomás növelése előkészítés pontos helyezés alapanyag hegesztési idő húzóerő
hegesztési varrat nagysága varrat homogenitása hegesztési tartomány szennyezettsége hegesztési tartomány elszíneződései hegesztési varrat szilárdsága
3. ábra A hegesztési varrat szilárdságát befolyásoló tényezők
PVDF infravörös hevítéssel hegesztett kötéseinek élettartama A hőre lágyuló anyagok hegesztett csatlakozásainak minősége megbízható módon határozható meg tartós húzóvizsgálattal. A DVS 2203-4 szerinti mérőberendezésben egyenletes, statikus húzó igénybevétellel terhelik a temperált (nedvesítőszert tartalmazó) folyadékban levő vizsgált hegvarratos mintát, és a törésig eltelt időt határozzák meg. A tartós húzó igénybevételre vonatkozó hegesztési tényezőt különböző feszültségekkel terhelt, hegesztett és nem hegesztett próbatestek törésig eltelt időtartamaival határozzák meg úgy, hogy a hegesztett és a nem hegesztett minták adott időtartamra vonatkozó törési feszültségeinek hányadosát képezik. Hasonló módon, a húzó terheléssel meghatározott törési feszültségek összehasonlításával kapható a rövid idejű húzó igénybevételre vonatkozó hegesztési tényező, amely azonban kevésbé lényeges paraméter. A hosszú idejű húzó igénybevételi hegesztési tényező különféle anyagokra és eljárásokra vonatkozó követelményeit a DVS 2203-1, valamint a DVS 2205-1 irányelvek tartalmazzák. A vizsgálatok során különféle infravörös hegesztőrendszereket és PVDF alapanyagok jellemzőit határozták meg. Az eredmények összehasonlíthatósága érdekében azonos méretű (63 × 3,0 mm SDR 21) csöveket vizsgáltak, a hegesztéseket szakértő személyzet végezte szabályozott környezeti körülmények között (tisztaszoba). Az eredmények értékeléséhez figyelembe vették a gyártók adatait is.
A minták jelölése G: alapanyag; S: hegesztés G1.1 G1.2 G1.3 G1.4 G1.5 G1.6 S2a/1 S2a/3 S2a/4 S2b/1 S2b/5 S2b/8 Sa2/10 Sa2/11 Sa2/12 Sa2/13 Sa2/14 Sa2/15
13,0
Vizsgálati feszültség N/mm2
12,5
12,5
8,8
Élettartam óra 1274,9 1253,9 2466,3 1239,8 1660,6 1620,2 171,1 515,1 644,3 987,7 380,8 216,4 >19162 >19162 >19162 >19162 >19162 >19162
Standard szórás óra
1536,5
723,4
Ridegtörés aránya > 30% A törés kiindulása a hegesztési varrat hornyától; ridegtörés aránya > 30%
421,8
408,1
>19162
Megjegyzés
A minták vizsgálata még folyamatban (2002. november 5.)
–
infravörös hegesztés alapanyag
12,5 2 feszültség,N/mm N/mm 2 feszültség,
Geometriai középérték óra
12,0 hosszú idejű húzó igénybevételre vonatkozó hegesztési tényező: 11,1 : 12,5 = 0,89
11,5 11,0 10,5 10,0 9,5
vizsgálati hőmérséklet: 95 °C
6 minta vizsgálata még folyamatban
infravörös hegesztés
9,0 8,5 100
1 000
10 000
100 000
élettartam, óra
4. ábra Szuszpenziós típusú anyagok fűtőelemes, infravörös hevítéses, nyomásszabályozott, hegesztett kötései élettartamának és hegesztési tényezőjének meghatározása Már az előzetes mérések során kiderült, hogy az alapanyag hatása következtében a szuszpenziós típusú PVDF anyaggal elérhető élettartamok többszörösen meghaladják az emulziós típusú PVDF anyaggal elérhető élettartamokat (4. és 5. ábra), és ugyanezt tapasztalták a hegesztett minták vizs-
gálatai során is. Ez a vizsgált, emulziós típusú PVDF anyag nagyobb bemetszés-érzékenységével magyarázható. A minták jelölése G: alapanyag; S: hegesztés G1.1 G1.2 G1.3 G1.4 G1.5 G1.6 S2a/1 S2a/3 S2a/4 S2b/1 S2b/5 S2b/8 Sa2/10 Sa2/11 Sa2/12 Sa2/13 Sa2/14 Sa2/15
Vizsgálati feszültség N/mm2
Élettartam óra 211,4 397,5 157,1 140,1 239,7 237,5 87,8 56,9 76,6 66,9 42,5 33,5 >19100 >19100 >19100 >19100 >19100 >19100
12,5
12,5
8,8
217,3
57,6
>19100
Standard szórás óra
Megjegyzés
Ridegtörés aránya > 30%; a minták megnyúltak
97,0
A törés kiindulása a hegesztési varrat hornyától; ridegtörés aránya > 30%
24,5
A minták vizsgálata még folyamatban (2002. november 5.)
–
infravörös hegesztés
13,0
alapanyag
12,5 2 feszültség, feszültség,N/mm N/mm2
Geometriai középérték óra
12,0
alapanyag (számított érték) ● infravörös hegesztés
11,5 11,0
hosszú idejű húzó igénybevételre vonatkozó hegesztési tényező: 11,1 : 12,5 = 0,89
10,5 10,0
6 minta vizsgálata még folyamatban
vizsgálati hőmérséklet: 95 °C
9,5
infravörös hegesztés
9,0 8,5 10
100
1 000
10 000
100 000
élettartam, óra
5. ábra Emulziós típusú anyagok fűtőelemes, infravörös hevítéses, elmozdulásszabályozott, hegesztett kötései élettartamának és hegesztési tényezőjének meghatározása
Összehasonlításként, fűtőelemes hegesztéssel készített, szuszpenziós PVDF anyagú mintákat vizsgáltak, amelyek célja annak megállapítása volt, hogy ezzel az anyaggal milyen, hosszú időtartamú igénybevételre vonatkozó hegesztési tényezőket lehet elérni, és milyen mértékben érhetők és/vagy haladhatók meg a DVS 2203-1 irányelvben leírt követelmények. A vizsgálatok alapján megállapítható, hogy a hegesztési eljárástól (nyomás- vagy elmozdulásszabályozott) és az anyag típusától függetlenül az infravörös fűtőelemes tompahegesztéssel 0,8-nél nagyobb hosszú idejű terhelésre vonatkozó hegesztési tényező érhető el, és így ez nagyobb az DVS 2203-1 irányelvben megkövetelt 0,6 értéknél. Előírt minimális értékként javasolják a 0,8 hegesztési tényező elfogadását. A vizsgált minták 30%-nál nagyobb arányban ridegtörést mutattak.
Következtetések Törekedni kell jobb minőségű alapanyagok használatára, mert a nagyobb élettartamú alapanyagból készült csövek hegesztett kötéseinek élettartama azonos értékű hegesztési tényező esetén is nagyobb élettartamot és így nagyobb biztonságot jelent. PVDF anyagok infravörös hevítéses hegesztése előnyösebb a hagyományos fűtőelemes tompahegesztésnél. A hevítés ideje rövidebb, a hegesztendő felületek nem érintkeznek a fűtőelemmel, a hegesztési folyamat egyszerűbb, a hegesztett kötések minősége lényegesen jobb. Az infravörös hevítéses eljárást tíz év óta eredményesen alkalmazzák, 20 és 315 mm közötti átmérőjű csövekhez használható, infravörös hevítéses tompahegesztő készülékek eléggé elterjedtek.
Az alkalmazott anyagok A két tárgyalt hőre lágyuló anyag különféle változatai jól beváltak az agresszív közegekkel kapcsolatos alkalmazásokban, egyes esetekben üvegszállal erősített változatokban is. Az alapanyagok jelentős árkülönbsége miatt a polipropilén az általánosan alkalmazott anyag, a polivinilidén-fluoridot csak különleges követelmények (kilúgozódási jellemzők, nagymértékben koncentrált savak, 90 °C-nál magasabb hőmérsékletek) kielégítésére használják. Az ipari csővezetékek létesítésében alkalmazott legfontosabb anyag a PP-R (vagy PP-3 típus) és a PP-H (vagy PP-1 típus); a PP-B (vagy PP-2 típus) jelentősége kisebb. A polipropilén homopolimerek nagymértékben izotaktikusak is így nagy mértékben kristályosak, amelynek következménye nagy merevségük, nagy szilárdságuk és magasabb hőmérsékleten is megmutatkozó alaktartósságuk. Az amorf tartományok 0 °C közelében kezdenek befagyni, és ennek következtében az anyag ennél alacsonyabb hőmérsékleten meglehetősen rideg. Az
alapvetően α-szferolitos kristályszerkezet helyett megfelelő adalékolással a rugalmasabb β-szferolitos szerkezet alakítható ki, amelynek következménye a nagyobb fajlagos ütőmunka. Propilén és etilén együttes polimerizálása lehetővé teszi a beépített komonomerek statisztikus eloszlását (PP-R), aminek következménye az izotaktikus polimerlánc helix-szerkezetének megszakadása, a kristályosság csökkenése. Ez pedig a PP-H anyaggal összehasonlítva nagyobb szívósság és flexibilitás, kisebb merevség és keménység megvalósítását jelenti. A PP-R anyagtípus egyik lényeges előnye, különösen hosszabb idejű igénybevétel esetén a maximális alkalmazási hőmérséklet. Az anyagok tulajdonságai megfelelő adalékolással módosíthatók, így illeszthetők az alkalmazásokhoz. Csövek és szerelvényeik esetében az anyagokat különösen nyomás, hőmérséklet és vegyi hatások hosszú idejű elviselésére, valamint a hegeszthetőség szempontjából kell optimálni. Ultraibolya sugárzás hatása esetén különösen lényeges az oxidációt gátló adalékok alkalmazása, amelyek az anyagtulajdonságok romlásával járó termo- és fotooxidációs folyamatokat késleltetik. A polipropilén jellegzetes kazánszürke színét (RAL 7032) korom és TiO2 adalékolásával állítják be. Rendkívüli tisztasági technológiai követelmények esetén pigmensadalékok nélküli, natúr polipropilént (PP-n) használnak, amelynek tulajdonságai megegyeznek a szürke anyagéval, azonban ultraibolya sugárzás károsítja. A polipropilén általános tulajdonságai Az ipari csővezetékek készítésére használatos polipropilén tulajdonságai: • 0,91 g/cm3 értékű kis sűrűség (PVC 1,40 g/cm3), • nagy tartós (kifáradási) szilárdság, • nagyon jó vegyszerállóság, • mikroorganizmusokkal szembeni ellenállás, • nagy öregedésállóság, • jó hegeszthetőség, • nagyon jó kopásállóság, • nem vezeti az elektromosságot, • kiváló akusztikai csillapító hatású, • különösen a kopolimerek (PP-B és PP-R) nagyon jól alakíthatók termoplasztikus módszerrel (pl. mélyhúzással). Ezek a tulajdonságok valamennyi, jelenleg használatos alapanyagra érvényesek, egyes jellemzők a polimer típusától és az adalékanyagoktól függően különbözhetnek. A különféle polipropilén-típusok tartós szilárdsága Polipropilénből készült csővezeték-rendszerek megengedhető üzemi túlnyomásának meghatározásához a számítás kiindulási alapja a tartós szilárd-
ság. Ezért ez a műanyagcsövek egyik legfontosabb tulajdonsága. A tartós szilárdság belső nyomás alatt álló cső várható élettartamát adja meg. Hőre lágyuló műanyagok töréshez vezető feszültsége a hőmérséklettől és az igénybevétel időtartamától is függ. A tartós szilárdságot különféle hőmérsékletekre határozzák meg és kettős logaritmikus (a feszültség az idő függvényében) diagramban ábrázolják. A DIN 8078 megadja a fentebb ismertetett polipropilén-típusok minimális tartós szilárdsági görbéit. Ezeknek a minimális görbéknek megfelelő követelményeket valamennyi alkalmazott alapanyagnak ki kell elégítenie. Emellett az egyes polimertípusok iránt – a hőmérséklettől függően – különböző követelményeket támasztanak. Az egyes polimertípusok különböző értékű tartós szilárdsága (terhelhetősége) különösen magas hőmérsékleten (nyomással terhelt polipropilén csőrendszerek hőmérsékletének felső határa általában 95 °C) szembetűnő. A DIN 8078 szabvány (1996. április) figyelembe veszi azt a tényt, hogy a polipropilén időközben alkalmazott termikus öregedési stabilizátorai termikus hatások ellen nagy öregedésállóságot tesznek lehetővé. Ezek kompenzálják a tercier szénatom (pl. polietilénhez viszonyított) általános oxidációérzékenységét. Magasabb hőmérsékleten kiváló tartós szilárdságú a PP-R anyag. Ez az oka a PP-R anyag melegvizes alkalmazásokban tapasztalható jelentős eredményeinek. Ezek az előnyös tulajdonságok azonban ipari alkalmazásokban is eredményesen hasznosíthatók. A polipropilén fentebb leírt tulajdonságai alapján különösen előnyösen alkalmazható a vegyiparban, ahol szigorú követelményeket támasztanak magasabb hőmérsékleteken a vegyszerállósággal kapcsolatban. A rendkívül nagy tisztasági követelményekkel járó alkalmazásokban a polipropilén nagy tisztaságú változatai is használhatók.
Hegesztési eljárások összehasonlítása A DVS 2207, 11. rész irányelveit már évek óta eredményesen alkalmazzák polipropilén fűtőelemes tompahegesztéséhez. E hegesztési technológia különös előnye a széles hegeszthetőségi tartomány. A hőmérséklet, a nyomás és az idő reprodukálható beállítására alkalmas, világosan definiált hegesztési folyamat tette ezt az eljárást az ipari polipropilén csővezeték-rendszerek területén gazdaságos és biztonságos megoldássá. A polipropilén alkalmazása nagy tisztaságot követelő területeken azonban új követelményeket támasztott a hegesztés technológiájával szemben. A polipropilén érintkezés nélküli vagy infravörös hevítéses tompahegesztési módszerével kisebb méretű belső hegesztési varratokat és holtterek nélküli varratokat lehet megvalósítani.
Ennek az újszerű hegesztési eljárásnak köszönhetően további, az ipari alkalmazások szempontjából lényeges előnyöket is sikerült elérni: • A rövidebb hevítési és hűlési idők következtében csökken e hegesztés időszükséglete (6. ábra), és • A fűtőelemes hevítéssel elérhetőnél kedvezőbb hosszú idejű tulajdonságok. 2500 tompahegesztés infravörös hegesztés
lehűlési idő, s
2000 1500 1000 500
250x22,7
225x20,5
200x18,2
180x16,4
160x14,6
140x12,7
125x11,4
110x10
90x8,2
75x6,8
63x5,8
50x4,6
40x3,7
32x2,9
25x2,7
20x2,5
0
cső mérete, mm
6. ábra Polipropilén-hegesztések lehűlési időinek összehasonlítása (fűtőelemes, infravörös hevítés, nyomásszabályozott)
A vizsgált anyagok és hegesztett kötések jellemzői tartós igénybevétel közben A hegesztett kötések hosszú idejű, húzó igénybevételű, tartós terhelése közben végzett vizsgálatára a DVS 2203 4. részében leírt, szabványos eljárást alkalmazták. Ezzel az eljárással meghatározható a hosszú idejű hegesztési tényező, amely lényegében a hegesztett minták és a nem hegesztett minták szilárdságának aránya. A DVS 2203 irányelvek 1. része megadja a különféle anyagokra és hegesztési eljárásokra vonatkozó tartós igénybevételi hegesztési tényezőt (fs). Ennek megkövetelt minimális értéke polipropilén anyagra 0,8. Már a hosszú időtartamú vizsgálatok első szakaszában, az alapanyagok vizsgálata során kiderült, hogy a PP-R anyag élettartamának geometriai középértéke (2451,1 óra) többszöröse a β-nukleált PP-H anyagénak (679,8 óra). Ez az eltérés a hegesztett minták mérései során is észlelhető volt, a PP-R anyagú minták tartós igénybevétel során mért élettartama 200…400%-kal
meghaladta a PP-H anyagú minták élettartamát, függetlenül az alkalmazott (fűtőelemes vagy infravörös) hevítési módszertől és a vizsgálati feszültségtől. A mérések mindkét vizsgált anyagnál kimutatták azt, hogy az infravörös hevítéssel hegesztett minták tartós igénybevételi élettartama jelentősen nagyobb a hagyományos, fűtőelemes eljárással hegesztett mintákénál. PP-R és PP-H anyagok infravörös hevítéssel tompahegesztett kötéseinek hosszú idejű terhelésre vonatkozó hegesztési tényezője > 0,8. A hegesztési varrat tulajdonságai és az azt befolyásoló tényezők Hegesztett kötés élettartama nagymértékben függ az alapanyag tulajdonságaitól. Az anyag legfontosabb paramétere az FNTC vizsgálat (FullNotch-Creep-Test) során kapott érték, és ezzel a repedések lassú növekedésével szembeni ellenállás (bemetszési érzékenység). Ennél a vizsgálatnál meghatározott méretű kerületi horonnyal gyengített mintákat vizsgálnak húzó igénybevétellel. Nagy FNTC-értékű anyagok nagy ellenállást tanúsítanak repedések lassú növekedésével szemben, és így az ilyen anyagok hegesztett kötései is nagy tartós szilárdságukkal tűnnek ki. A nagy tartós szilárdság és a nagy FNCT-érték közötti korreláció a 7. ábrán is jól látható. Az alapanyag vizsgálata során nagyobb élettartamot mutató anyag (PP-R) az FNCT mérés során is kedvezőbb eredményeket adott. 10 000
élettartam, óra
PP-H PP-R 1 000
2451,1
697,8 352,02 146,35
100 FNCT
alapanyag
7. ábra Bemetszés nélküli anyagminták hosszú idejű húzásvizsgálatával és az FNCT eljárással meghatározott élettartamának összehasonlítása A polipropilénnel kapcsolatban ismeretes, hogy a fűtőelemes eljárással készített hegesztési varratokban túl erősen kialakult folyási vonalak következménye a hegesztési varrat szilárdságának csökkenése lehet. Ez a jelenség az élettartam-vizsgálatoknál is megfigyelhető. Az élettartam-vizsgálatok során azt tapasztalták, hogy a törés (a polietilénhez hasonlóan) általában a
hegesztési varrat réséből kiindulva az alapanyagon keresztül terjed, azonban polipropilénnél az elnyújtott szferolitok mentén is folytatódhat. A tartós szilárdságot befolyásoló tényező maga a hegesztési eljárás is. Polipropilén esetében a hegesztési paraméterek (nyomás, idő és hőmérséklet) egyértelmű definiálásának döntő jelentősége van a hegesztési varrat minőségének reprodukálhatósága szempontjából. Más vizsgálatok igazolták, hogy különösen vastag falú polipropilén csövek hegesztéséhez a szabályozott nyomású, infravörös hevítéses eljárás előnyös. A hegesztési varrat minősége nagymértékben függ a nyomás állandó növelésétől, valamint a lehűlési fázisban a nyomás szabályozásától, mivel így a polipropilén zsugorodási jellegzetességei nem ronthatják a hegesztés minőségét. A szabályozott elmozdulásos eljárásban a lehűlési fázisban az anyag zsugorodása következtében a hegesztési tartományban csökkenhet a nyomás, ez pedig húzófeszültségeket kelthet a hegesztési varratban.
Értékelés A vizsgált anyagok eltérő bemetszésérzékenysége mellett a hegesztési varrat anyagszerkezete is befolyásolhatja a hegesztett kötés tartós szilárdságát. A PP-R anyagú, tompahegesztett varratok nagyobb tartós szilárdságát az is magyarázhatja, hogy a nagyobb amorf anyaghányad következtében a varrat tartományában az anyag szívósabb. Így a feszültségcsúcsok leépülhetnek, a hajlítószilárdság lényegesen nagyobb, mint a PP-H orientált anyagában. Az infravörös hevítéses eljárás további előnye, hogy a hegesztési tartományban kisebb a képlékennyé válás mélysége, így a hegesztési varrat kedvezőbb alakú, és a gondosan szabályozott, automatizált hegesztési művelet is javítja a hegesztési varrat minőségét. Hasonlók a tapasztalatok poli(vinilidén-fluorid) anyagú csövek és szuszpenziós anyagú szerelvényeik hegesztéseinek eddigi vizsgálataiban is; az ilyen hegesztett kötések tartós szilárdsága, élettartama hasonló a hegesztett cső–csőkötések megfelelő értékeihez. Az ilyen hegesztett kötések előforduló törései is mindig a bemetszésre érzékeny anyagban következnek be. A szabályozott nyomású, infravörös hevítéses cső–cső és cső–szerelvény hegesztett kötések hosszú idejű terhelésre vonatkozó hegesztési tényezője is nagyobb mint 0,8. (Pálinkás János) Hessel, J.; Frank, Th.; Lueghamer, A.: Langzeitverhalten infrarotgeschweißter Rohrleitungssysteme aus PVDF und PP. – Teil. 1. = 3R International, Zeitschrift für die Rohrleitungspraxis, 41. k. 12. sz. 2002. p. 645–651. Hessel, J.; Frank, Th.; Lueghamer, A.: Langzeitverhalten infrarotgeschweißter Rohrleitungssysteme aus PVDF und PP. – Teil. 2. = 3R International, Zeitschrift für die Rohrleitungspraxis, 42. k. 5. sz. 2003. p. 282–287.
