RU2085383C1

RU2085383C1 - Method of radial friction welding of polyolefin-base tubular parts

Info

Publication number: RU2085383C1
Application number: RU9494046164A
Authority: RU
Inventors: Леонид Львович Стриковский; Елена Леонидовна Стриковская
Original assignee: Леонид Львович Стриковский; Елена Леонидовна Стриковская
Priority date: 1993-01-11
Filing date: 1994-12-09
Publication date: 1997-07-27

Abstract

FIELD: production of thermoplastic pipes for handling aggressive media under pressure; radial friction welding of reinforced pipe and end face bushing. SUBSTANCE: in proposed method of radial friction welding of tubular parts made of polyolefin - base thermoplastics, initial interference mating is provided additionally over second seating surface. Mating over seating surface of smaller diameter is done on diameter not exceeding inner diameter of pipe reinforcement framework and on length commensurable with thickness of tube wall. Moreover, value of initial interference fitting over seat surface of smaller diameter is selected equal to 0.6-1.0 of initial interference value over seat surface of larger diameter. Support mandrel is fitted in central hole of pipe prior to mating the parts to be welded. According to other design version, value of initial interference over seat surface of smaller diameter is selected not to exceed 0.6 of value of initial interference over seat surface of larger diameter and radial expanding force is applied to inner surface of smaller diameter prior to relative rotation of parts to be welded. Expanding force should be uniformly distributed over circumference. Value of initial interference over seat surface of larger diameter is chosen to be equal to 1- 2% of value of this diameter. EFFECT: enlarged operating capabilities. 4 cl, 2 dwg, 4 tbl

Description

Изобретение относится к области сварки термопластов с использованием теплоты трения, а именно к способу радиальной сварки трением, преимущественно армированной трубы и концевой втулки, выполненных из термопласта на основе полиолефинов. The invention relates to the field of welding of thermoplastics using the heat of friction, and in particular to a method of radial friction welding, mainly a reinforced pipe and an end sleeve made of a thermoplastic based on polyolefins.

Известен способ радиальной сварки трением трубчатых деталей из термопластов при котором осуществляется взаимное сопряжение свариваемых деталей по двум посадочным поверхностям разного диаметра с начальным натягом по одной из них, относительное вращение свариваемых деталей, торможение и выдержку для охлаждения (патент США N 3799821, В 29 С 27/08, 1974.)
В известном способе осуществляют сопряжение с начальным натягом около 0,9% от диаметра посадочной поверхности по одной из посадочных поверхностей, а именно меньшего диаметра, в то же время как сопряжение по посадочной поверхности большего диаметра осуществляют с нулевым натягом (переходная посадка), при этом длина сопряжение по обеим посадочным поверхностям примерно одинакова. Сварное соединение, обеспечивающее прочность и плотность изделия, получается, таким образом, по посадочной поверхности меньшего диаметра, в то время как посадочная поверхность большего диаметра полноценной сварке не подвергается, что впрочем, приемлемо для данного вида изделий.A known method of radial friction welding of tubular parts made of thermoplastics in which the welded parts are interconnected on two seating surfaces of different diameters with an initial interference fit on one of them, the relative rotation of the welded parts, braking and holding for cooling (US patent N 3799821, В 29 С 27 / 08, 1974.)
In the known method, pairing with an initial interference fit of about 0.9% of the diameter of the landing surface along one of the landing surfaces, namely a smaller diameter, is performed, while coupling along the landing surface of a larger diameter is carried out with zero interference (transition landing), while the mating length on both landing surfaces is approximately the same. A welded joint, which ensures the strength and density of the product, is thus obtained on the landing surface of a smaller diameter, while the landing surface of a larger diameter is not fully welded, which, however, is acceptable for this type of product.

Применительно к радиальной сварке трением таких деталей из термопласта, как армированная труба и концевая втулка, известным способом в его неизменном виде не удалось бы обеспечить необходимое качество изделия по следующим причинам. With regard to radial friction welding of thermoplastic parts such as reinforced pipe and end sleeve, in a known manner in its unchanged form, it would not be possible to provide the necessary product quality for the following reasons.

Труба из термопласта, армированная, в частности проволочным каркасом спиральной или решетчатой формы, изготавливается известным методом непрерывного экструзионного формирования и по мере изготовления разрезается вместе с армирующим каркасом на мерные отрезки заданной длины, которые затем снабжаются концевыми втулками для фланцевого или муфтового (резьбового) соединения при прокладке трубопроводов. Армирующий каркас трубы, выходящий на ее торцовую поверхность, остается в условиях эксплуатации доступным воздействию протекающей среды под давлением. Последняя неизбежно проникает, преодолевая силы сцепления термопласта с металлом, вдоль армирующего каркаса и воздействует непосредственно на наружный слой стенки трубы, отрывая его за пределами концевой втулки от армирующего каркаса. При этом последний уже не выполняет своей функции, и рабочая нагрузка от давления протекающей среды воспринимается непосредственно наружным слоем трубы, что недопустимо даже в случае неагрессивной протекающей среды. Попытки осуществления одновременно с радиальной сваркой трением торцовой сварки концевой втулки с торцом трубы не дали благоприятного результата именно из-за наличия в торцовой поверхности трубы металла армирующего каркаса, препятствующего нормальному процессу торцовой сварки трением. Также неэффективными оказались попытки использования различных уплотнительных средств, которые препятствовали бы недостаточной надежности герметизации, в особенности с течением времени. A thermoplastic pipe reinforced, in particular with a spiral or lattice wire frame, is made by the known method of continuous extrusion forming and, as it is manufactured, is cut together with a reinforcing frame into measured lengths of a given length, which are then supplied with end sleeves for a flange or sleeve (threaded) connection laying pipelines. The reinforcing frame of the pipe extending to its end surface remains in use under the influence of a flowing medium under pressure. The latter inevitably penetrates, overcoming the adhesion forces of the thermoplastic with the metal, along the reinforcing cage and acts directly on the outer layer of the pipe wall, tearing it outside the end sleeve from the reinforcing cage. Moreover, the latter no longer fulfills its function, and the working load from the pressure of the flowing medium is perceived directly by the outer layer of the pipe, which is unacceptable even in the case of a non-aggressive flowing medium. Attempts to carry out simultaneously with radial friction welding end-face welding of the end sleeve with the pipe end did not give a favorable result precisely because of the presence of a reinforcing cage metal in the end surface of the pipe, which impedes the normal process of mechanical friction welding. Attempts to use various sealing means have also proved ineffective, which would have prevented insufficient sealing reliability, especially over time.

Результатом изобретения является создание такого способа радиальной сварки трением, преимущественно армированной трубы и концевой втулки, выполненных из термопласта на основе полиолефинов, и аналогично деталей, применение которого позволило бы достигнуть требующегося для тяжелых условий эксплуатации качества изделий в отношении их прочности, плотности и эксплуатационной надежности. The result of the invention is the creation of such a method of radial friction welding, mainly of reinforced pipe and end sleeve, made of thermoplastic based on polyolefins, and similar parts, the use of which would allow to achieve the quality of products required for severe operating conditions in terms of their strength, density and operational reliability.

Для достижения технического результата в способе радиальной сварки трением трубчатых деталей из термопластов, преимущественно армированной трубы и концевой втулки, выполненных из термопласта на основе полиолефинов, при котором осуществляют взаимное сопряжение свариваемых деталей по двум посадочным поверхностям разного диаметра с начальным натягом по одной из них, относительное вращение свариваемых деталей, торможение и выдержку для охлаждения. Согласно изобретению сопряжение с начальным натягом осуществляют дополнительно по второй посадочной поверхности, причем сопряжение по посадочной поверхности меньшего диаметра осуществляют на диаметре, не превышающем внутренний диаметр армирующего каркаса трубы, и на длине, соизмеримой с толщиной стенки трубы. To achieve a technical result in the method of radial friction welding of tubular parts made of thermoplastics, mainly reinforced pipes and end sleeves made of thermoplastic based on polyolefins, in which the welded parts are interconnected on two landing surfaces of different diameters with an initial interference fit on one of them, relative rotation of welded parts, braking and shutter speed for cooling. According to the invention, the coupling with the initial interference is carried out additionally on the second seating surface, and the coupling on the landing surface of a smaller diameter is carried out at a diameter not exceeding the inner diameter of the pipe reinforcing frame, and at a length commensurate with the pipe wall thickness.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения величину начального натяга по посадочной поверхности меньшего диаметра выбирают равной 0,6-1,0 от величины начального натяга по посадочной поверхности большего диаметра, при этом перед сопряжением свариваемых деталей в центральное отверстие трубы устанавливают опорную оправку. According to one preferred embodiment of the invention, the value of the initial interference fit on the landing surface of a smaller diameter is selected equal to 0.6-1.0 of the value of the initial interference fit on the landing surface of a larger diameter, and a supporting mandrel is installed in the central hole of the pipe before mating the parts to be welded.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения величину выбирают не более 0,6 от величины начального натяга по посадочной поверхности большего диаметра, при этом перед относительным вращением свариваемых деталей к внутренней поверхности трубы на участке, соответствующем длине посадочной поверхности меньшего диаметра, прикладывают радиальное разжимающее усилие, равномерно распределенное по окружности. According to another preferred embodiment of the invention, a value of no more than 0.6 is selected from the value of the initial interference fit on a larger diameter bore, while before the relative rotation of the parts to be welded, a radial tensile force is applied uniformly to the pipe corresponding to the length of the smaller bore distributed around the circle.

В любом варианте использования изобретения величину начального натяга по посадочной поверхности большего диаметра выбирают равной 1-2% от величины этого диаметра. In any embodiment, the use of the invention, the value of the initial interference fit on the landing surface of a larger diameter is chosen equal to 1-2% of the value of this diameter.

В описываемом способе функцию восприятия основных механических нагрузок несет сварное соединение по посадочной поверхности большего диаметра, длина которой может выбираться без вынужденных ограничений, в то время как сварное соединение по посадочной поверхности меньшего диаметра, имеющего вынужденно ограниченную величину, несет главным образом функцию герметизации армирующего каркаса трубы от воздействия протекающей среды. In the described method, the function of perceiving the main mechanical loads is carried by a welded joint along the landing surface of a larger diameter, the length of which can be chosen without unlimited restrictions, while a welded joint along the landing surface of a smaller diameter, having a compulsory limited value, mainly carries the function of sealing the reinforcing frame of the pipe from exposure to a flowing medium.

Выбранный диаметр посадочной поверхности меньшего диаметра и соответственно герметизирующего участка сваренного соединения обусловлен необходимостью полного исключения металла из посадочной поверхности, без чего трудно гарантировать требующееся качество сварного соединения в отношении его плотности. Существенное уменьшение этого диаметра целесообразно по прочностным соображениям. The selected diameter of the seating surface of a smaller diameter and, accordingly, the sealing portion of the welded joint is due to the need for complete exclusion of metal from the seating surface, without which it is difficult to guarantee the required quality of the welded joint in relation to its density. A significant reduction in this diameter is advisable for strength reasons.

Выбранная относительно малая длина этого герметизирующего участка, как установлено экспериментально, достаточна для выполнения им своей функции и в то же время позволяет существенно увеличить длину участка армирующего каркаса, находящегося в пределах концевой втулки, что способствует повышению несущей способности изделия по отношению к внешним нагрузкам. Существенное увеличение длины герметизирующего участка по отношению к выбранной нецелесообразно также потому, что он расположен на меньшем диаметре, и соответствующая относительно малая толщина стенки в этом месте ограничивает предельную величину прикладываемого при сварке трением крутящего момента, величина которого пропорциональна длине этого участка (при прочих равных условиях). The selected relatively small length of this sealing section, as established experimentally, is sufficient to fulfill its function and, at the same time, can significantly increase the length of the section of the reinforcing frame located within the end sleeve, which helps to increase the load-bearing capacity of the product with respect to external loads. A significant increase in the length of the sealing section in relation to the selected one is also impractical because it is located on a smaller diameter, and the corresponding relatively small wall thickness in this place limits the limit value of the torque applied during friction welding, the value of which is proportional to the length of this section (ceteris paribus )

Начальный натяг по поверхности меньшего диаметра может быть таким же, как и по поверхности большего диаметра, или меньше, что предпочтительно. Это соотношение величин начального натяга может колебаться в широких пределах, в зависимости как от назначения изделия, конструкции и конкретных размеров свариваемых деталей, используемых термопластичных материалов, параметров технологического оборудования для сварки трением, так и фактических величин толщины стенки и длины участка трубы с меньшим диаметром (герметизирующего участка). При благоприятном соотношении этих факторов могут не потребоваться дополнительные технологические средства, такие как опорная оправка, в особенности при относительно малой, но достаточной для сварки трением величине натяга по поверхности меньшего диаметра. Как установлено экспериментально, использование опорной оправки оправдано при величине натяга по поверхности меньшего диаметра, составляющей 0,6-1,0 от величины натяга по поверхности большего диаметра. При неблагоприятном соотношении указанных факторов, когда величина натяге по поверхности меньшего диаметра не может быть установлена достаточной для полноценной сварки трением по прочностным соображениям, в частности до 0,6 от величины натяга по поверхности большего диаметра, целесообразно использование технологического средства для приложения к внутренней поверхности трубы на соответствующей длине радикального разжимающего усилия, равномерно распределенного по радикального разжимающего усилия, равномерно распределенного по окружности, такого как разжимная или коническая оправка. The initial interference on the surface of a smaller diameter may be the same as on the surface of a larger diameter, or less, which is preferred. This ratio of the initial interference can vary widely, depending on both the purpose of the product, the design and the specific dimensions of the parts to be welded, the thermoplastic materials used, the parameters of the technological equipment for friction welding, and the actual values of the wall thickness and the length of the pipe section with a smaller diameter ( sealing area). With a favorable ratio of these factors, additional technological means, such as a supporting mandrel, may not be required, especially with a relatively small, but sufficient for friction welding, tension on the surface of a smaller diameter. As established experimentally, the use of a support mandrel is justified when the interference value on the surface of a smaller diameter, comprising 0.6-1.0 of the interference value on the surface of a larger diameter. If the ratio of these factors is unfavorable, when the amount of interference on the surface of a smaller diameter cannot be set sufficient for full friction welding for strength reasons, in particular up to 0.6 of the value of interference on the surface of a larger diameter, it is advisable to use technological means for applying to the inner surface of the pipe on the corresponding length of the radical expanding force uniformly distributed over the radical expanding force uniformly distributed over the circumference parts such as expandable or conical mandrel.

На фиг. 1 изображен частичный разрез сварного соединения армированной трубы и концевой втулки под фланцевое соединение; на фиг.2 то же, под муфтовое соединение. In FIG. 1 shows a partial section through a welded joint of a reinforced pipe and an end sleeve for a flange joint; figure 2 is the same, under the coupling connection.

Способ радиальной сварки трением трубчатых деталей из термопластов, преимущественно армированной трубы 1 и концевой втулки 2, выполненных из термопласта на основе полиолефинов, включает взаимное сопротивление свариваемых деталей 1 и 2 по двум посадочным поверхностям 3 и 4 разного диаметра с начальным натягом, относительное вращение свариваемых деталей 1 и 2, торможение и выдержку для охлаждения. The method of radial friction welding of tubular parts made of thermoplastics, mainly reinforced pipe 1 and end sleeve 2, made of thermoplastic based on polyolefins, includes the mutual resistance of the parts 1 and 2 to be welded along two seating surfaces 3 and 4 of different diameters with an initial interference fit, the relative rotation of the parts to be welded 1 and 2, braking and shutter speed for cooling.

Сопряжение с начальным натягом осуществляют по обеим посадочным поверхностям 3 и 4, при этом соотношение величин натяга по каждой из них может быть различным, в зависимости от вида изделия. Сопряжение по посадочной поверхности 4 меньшего диаметра (герметизирующий участок) осуществляют на диаметре, не превышающем внутренний диаметр армирующего каркаса 5 трубы 1, на длине, соизмеримой с номинальной толщиной ее стенки, как показано на чертежах (фиг. 1,2). Pairing with the initial interference fit is carried out on both landing surfaces 3 and 4, while the ratio of the interference values for each of them may be different, depending on the type of product. Pairing on the landing surface 4 of a smaller diameter (sealing section) is carried out at a diameter not exceeding the inner diameter of the reinforcing frame 5 of the pipe 1, at a length commensurate with the nominal thickness of its wall, as shown in the drawings (Fig. 1,2).

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, величина начального натяга по посадочной поверхности 4 меньшего диаметра составляет 0,6-1,0 от величины начального натяга по посадочной поверхности 3 большего диаметра. При этом перед сопряжением свариваемых деталей 1 и 2 в центральное отверстие трубы 1 на глубину, соизмеримую с длиной посадочной поверхности 4, устанавливают технологическую опорную оправку 6 (фиг.1), воспринимающую сжимающую нагрузку, как в процессе сопряжения (напрессовки), так и в процессе сварки трением. According to one of the preferred embodiments of the invention, the magnitude of the initial interference fit on the landing surface 4 of a smaller diameter is 0.6-1.0 of the magnitude of the initial interference fit on the landing surface 3 of a larger diameter. In this case, before pairing the parts to be welded 1 and 2 into the central hole of the pipe 1 to a depth commensurate with the length of the seating surface 4, a technological support mandrel 6 (Fig. 1) is installed, which receives the compressive load, both during the pairing (pressing) and friction welding process.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения, величина начального натяга по посадочной поверхности 4 меньшего диаметра составляет до 0,6 от величины начального натяга по посадочной поверхности 3 большего диаметра. При этом перед относительным вращением свариваемых деталей 1 и 2 к внутренней поверхности трубы 1 на участке, соответствующем длине посадочной поверхности 4, прикладывают контролируемое радиальное разжимающее усилие, равномерно распределенное по окружности, оптимальная величина которого устанавливается опытным путем. Эта величина зависит от конкретной величины начального натяга по посадочной поверхности 4 и оптимальных для конкретного случая параметров трения при радиальной сварке. В качестве средства для создания такого усилия могут быть использованы раздвижная цилиндрическая или коническая (фиг.2) оправка 7. According to another preferred embodiment of the invention, the magnitude of the initial interference fit on the landing surface 4 of smaller diameter is up to 0.6 from the magnitude of the initial interference fit on the landing surface 3 of larger diameter. In this case, before the relative rotation of the welded parts 1 and 2 to the inner surface of the pipe 1 in the area corresponding to the length of the seating surface 4, a controlled radial expanding force is applied, uniformly distributed around the circumference, the optimal value of which is established experimentally. This value depends on the specific value of the initial interference fit on the seating surface 4 and the friction parameters optimal for a particular case during radial welding. As a means to create such an effort can be used sliding cylindrical or conical (figure 2) mandrel 7.

В любом варианте использования изобретения возможна и целесообразна величина начального натяга по посадочной поверхности 3 большего диаметра в пределах 1-2% от величины этого диаметра. Такая величина начального натяга более предпочтительна для выполнения качественной радиальной сварки трением и допустима по крайней мере в преимущественной области применения способа, согласно изобретению, благодаря наличию в трубе несущего армирующего каркаса 5. In any variant of the use of the invention, it is possible and appropriate the value of the initial interference fit on the landing surface 3 of larger diameter within 1-2% of the value of this diameter. Such an initial interference value is more preferable for performing high-quality radial friction welding and is permissible at least in the preferred field of application of the method according to the invention, due to the presence of a supporting reinforcing frame 5 in the pipe.

Ниже приведены практические примеры осуществления изобретения. The following are practical examples of the invention.

Пример 1. (фиг.1)
Производят радиальную сварку трением полиэтиленовых трубы 1, армированной решетчатым проволочным каркасом 5, и концевой втулки 2 под фланцевое соединение, имеющей кольцевой выступ 8 для накидного фланца и периферийные пазы 9 для фланцевого крепежа, используемые также для приложения крутящегося момента. Процесс характеризуется следующими данными и параметрами представленными в табл.1.Example 1. (figure 1)
Radial welding is performed by friction of a polyethylene pipe 1 reinforced with a lattice wire frame 5, and an end sleeve 2 for a flange connection, having an annular protrusion 8 for a flange and peripheral grooves 9 for flange fasteners, also used for applying torque. The process is characterized by the following data and parameters presented in table 1.

Пример 2 (фиг.1)
Пример отличается от примера 1 тем, что труба 1 армирована спиральным проволочным каркасом 5, а также следующими данными и параметрами представленными в табл. 2.Example 2 (FIG. 1)
The example differs from example 1 in that the pipe 1 is reinforced with a spiral wire frame 5, as well as the following data and parameters presented in table. 2.

Пример 3 (фиг.2)
Производят радиальную сварку трением полиэтиленовых трубы 1, армированной решетчатым проволочным каркасом 5, и концевой втулки 2 под муфтовое (резьбовое) срединение, имеющей пазы 10 для приложения крутящего момента. Процесс характеризуется следующими данными и параметрами представленными в табл. 3.Example 3 (figure 2)
Radial welding is performed by friction of a polyethylene pipe 1 reinforced with a lattice wire frame 5 and an end sleeve 2 under a sleeve (threaded) mediation having grooves 10 for applying torque. The process is characterized by the following data and parameters presented in table. 3.

Пример 4 (фиг.2)
Пример отличается от примера 3 тем, что труба 1 армирована спиральным проволочным каркасом 5, а также следующими данными и параметрами представленными в табл. 4.Example 4 (figure 2)
The example differs from example 3 in that the pipe 1 is reinforced with a spiral wire frame 5, as well as the following data and parameters presented in table. 4.

Пример 5 (фиг.2)
Пример отличается от примера 3 следующими данными и параметрами представленными в табл. 5.Example 5 (figure 2)
The example differs from example 3 in the following data and parameters presented in table. 5.

Изделия, получаемые с применением способа, согласно изобретению, могут быть использованы, преимущественно, для сооружения трубопроводов; в особенности предназначенных для транспортирования агрессивных сред под давлением, в нефтегазовой, химической, энергетической и других отраслях промышленности. Products obtained using the method according to the invention can be used mainly for the construction of pipelines; especially designed for transporting aggressive media under pressure in the oil and gas, chemical, energy and other industries.

Claims

1. A method of radial friction welding of tubular parts made of thermoplastics based on polyolefins, mainly a reinforced pipe, and an end sleeve, in which the welded parts are interconnected along two landing surfaces of different diameters with an initial interference fit along one of them, the relative rotation of the parts to be welded, braking and exposure for cooling, characterized in that the pairing with the initial interference is carried out additionally on the second landing surface, and the pairing on the landing surface These smaller diameters are carried out at a diameter not exceeding the inner diameter of the pipe reinforcing cage, and at a length commensurate with the pipe wall thickness.

2. The method according to claim 1, characterized in that the initial preload on the seating surface of a smaller diameter is chosen equal to 0.6 1.0 from the value of the initial preload on the landing surface of a larger diameter, and a support is installed in the central hole of the pipe before mating the welded parts mandrel.

3. The method according to claim 1, characterized in that the magnitude of the initial interference fit on the smaller diameter landing surface is selected to be no more than 0.6 from the magnitude of the initial interference tension on the larger diameter landing surface, with a radial applied to the inner surface of the smaller diameter before the relative rotation tensile force uniformly distributed around the circumference.

4. The method according to PP.1 to 3, characterized in that the value of the initial interference fit on the landing surface of a larger diameter is chosen equal to 1 2% of the value of this diameter.