Разработка основ сварки полиэтиленовых труб деталями с закладными нагревателями при низких температурах

Проект направлен на разработку основ сварки полиэтиленовых труб для газопроводов серийно выпускаемыми деталями с закладными нагревателями на открытом воздухе при низких температурах без использования теплоизолирующего материала. В отчетном периоде работы были посвящены обоснованию возможности обеспечения при сварке в зонах термического влияния (ЗТВ) и сварного шва динамики температурного поля, свойственной при сварке в нормальных условиях. Разработан алгоритм численного определения нестационарного температурного поля на всех стадиях сварки полиэтиленовых труб при температурах воздуха ниже рекомендуемых нормативными документами. Использовалась математическая модель теплового процесса на стадии нагрева и охлаждения, учитывающая теплоту фазового превращения материала в интервале температур. Задача решалась известным методом сквозного счета введением эффективного коэффициента теплоемкости, зависящего от степени кристалличности. Степень кристалличности трубного полиэтилена определялась по данным дифференциального сканирующего калориметра (ДСК). Решением задачи параметрической идентификации по экспериментальным температурным данным уточнялись коэффициенты уравнения теплопроводности в пределах доверительного интервала, и обеспечивалась адекватность модели реальному тепловому процессу сварки. Расчетами определялись границы зоны сварного шва и ЗТВ при сварке в нормальных условиях. Параметры предварительного подогрева (мощность закладного нагревателя, время подогрева) и выравнивания температур (продолжительность) определялись методом локальных вариаций из условия обеспечения в зоне сварного шва и ЗТВ стандартной сварки распределения температур со значениями из допустимого для сварки интервала. Несмотря на отсутствие слоя теплоизоляционного материала, расчетами показана возможность получения такого распределения при низких температурах воздуха регионов холодного климата. Полученный результат позволяет выполнить нагрев закладным нагревателем по регламентированному режиму. Для того чтобы в зоне сварного шва и ЗТВ сформировалась надмолекулярная структура, характерная для сварки в условиях допустимой температуры, на стадии охлаждения, в проекте предложено управлять движением фронта кристаллизации, используя закладной нагреватель. Для определения временной функции мощности нагревателя, обеспечивающего движение фронта кристаллизации, как при допустимой для сварки температуры воздуха, решена обратная задача теплопроводности. Критерием качества служит функционал, характеризующий отклонение расчетных и заданных температур. В качестве заданной температурной информация при решении обратной задачи брались расчетные значения температур на границе зоны сварного шва и ЗТВ стандартной сварки. Разработанным прототипом аппарата выполнялась сварка полиэтиленовых труб с помощью муфты с закладным нагревателем в климатической камере при температуре воздуха минус 40,2 градусов Цельсия. В результате эксперимента установлено, что выполнение предварительного подогрева и выравнивания температур с расчетными параметрами, а также управление кристаллизацией, изменяя мощность закладного нагревателя по времени согласно решения обратной задачи, обеспечивают заданную динамику температуры. Полученный результат свидетельствует, во-первых, о корректной работе прототипа аппарата для сварки. Во-вторых, об эффективности предлагаемого подхода определения параметров предварительного подогрева и функций управления движением фронта кристаллизации.