Cum se fac fitinguri pentru țevi din plastic?

În sistemele de conducte polimerice, realizarea îmbinărilor este un proces de integrare a două faze solide diferite prin mijloace termice, chimice sau mecanice pentru a forma o singură structură monolitică (sau un nod mecanic rigid), mai degrabă decât o simplă operațiune de asamblare. Acest proces trebuie efectuat în limitele vâscoelastice dictate de natura termoplastică a materialului. Un mecanism de îmbinare de succes depinde direct de parametri morfologici fundamentali, cum ar fi:

1. Temperatura de topire a polimerului (T_m),
2. Temperatura de tranziție sticloasă (T_g) și

• Gradul de cristalinitate.

Îmbinările conductelor din plastic se bazează în esență pe două filozofii principale:

Metode de îmbinare prin sudare

Procesul de sudare (fuziune) se bazează pe principiul interdifuziei (interdiffusion) lanțurilor polimerice sub acțiunea căldurii și a presiunii pentru a forma o rețea omogenă. În infrastructura industrială, cea mai comună metodă este sudarea cap la cap (butt fusion).

În sudarea cap la cap, de exemplu pentru conductele din polietilenă de înaltă densitate (HDPE), temperatura de interfață este adusă de obicei între 200°C și 220°C. Acest interval este mult peste valoarea Tm a materialului (aproximativ 130°C) și permite polimerului să treacă într-o formă de curgere vâscoasă. Presiunea de îmbinare aplicată după îndepărtarea plitei de încălzire (în general 0.15±0.01 MPa) declanșează difuzia lanțurilor topite unele în altele.

Cel mai critic parametru al procesului este faza de răcire. Pentru ca cristalizarea în zona îmbinării să fie finalizată în aceeași morfologie ca și corpul principal al conductei, sistemul trebuie să se răcească sub presiune la temperatura ambiantă prin convecție naturală (natural convection); în caz contrar, tensiunile reziduale (residual stresses) vor cauza microcrăpături.

Îmbinări cu mufă

Îmbinările cu mufă se referă la îmbinarea termică a capetelor conductelor prin introducerea acestora într-o mufă (cuplaj). Cea mai tehnologică variație a acestei categorii este sudarea prin electrofuziune (EF). Rezistențe din fire de cupru sau aliaj cu o anumită rezistență ohmică sunt plasate pe suprafața interioară a mufelor EF în faza de producție.
Aparatul de sudură transmite sistemului tensiunea și timpul necesar fitingului prin intermediul unui cititor de coduri de bare. Curentul care trece prin fire topește polimerul înconjurător conform principiului încălzirii Joule (P = I²R). Deoarece expansiunea termică a polimerului este restricționată de peretele exterior al mufei, se produce o presiune proprie a topiturii (melt pressure) ridicată, orientată din zona topită spre zona rece (spre interiorul conductei).
Această presiune asigură amestecul molecular, creând o zonă de etanșare impecabilă. În sudarea prin electrofuziune, compatibilitatea indicelui de curgere a topiturii (MFI - Melt Flow Index) este principala variabilă termodinamică ce determină calitatea fuziunii.

Sisteme cu garnitură

Acestea sunt tipuri de conexiuni care nu necesită sudare termică și se bazează pe mecanica de compresie a materialului vâscoelastic. În sistemele cu garnitură, bariera de etanșare este asigurată de obicei de materiale elastomerice precum EPDM (etilen-propilen-dien-monomer) sau NBR (cauciuc nitrilic).

Succesul hidraulic al sistemului se bazează pe principiul că presiunea de contact (P_contact) generată de comprimarea elastomerului trebuie să fie întotdeauna mai mare decât presiunea hidrostatică internă (P_internal) din interiorul conductei. Elastomerii sunt materiale incompresibile cu un coeficient Poisson ridicat (aproximativ 0.5). Când conducta este împinsă în mufă, garnitura se deformează în direcție radială și își umple complet locașul.

Măsuri de etanșare

Pentru etanșarea la nivel molecular, este obligatoriu ca zona îmbinării să fie lipsită de contaminare fizică și chimică. În special după producția conductelor din polietilenă, pe suprafața conductei se formează un strat de oxidare inactiv cu o grosime de câțiva microni din cauza efectului oxigenului atmosferic și al razelor UV. Răzuirea acestui strat cu răzuitoare mecanice (scraper) până la o adâncime de 0.2 mm înainte de electrofuziune sau sudarea cu mufă este o măsură critică de etanșare.

În plus, „ovalitatea” (ovality) cauzată de tensiunile reziduale post-extruzie sau de condițiile de depozitare în conductele termoplastice poate perturba toleranța jocului (clearance gap) dintre mufă și conductă, ducând la pierderea presiunii topiturii și la formarea unei „suduri la rece”. Utilizarea clemelor de rotunjire (rounding clamps) înainte de îmbinare este o cerință a standardelor de inginerie.

Metode de testare și control

Integritatea structurală a operațiunilor de îmbinare este validată prin metode distructive și nedestructive (NDT).

1. Teste nedestructive: Cea mai frecvent aplicată metodă pe teren este testul de presiune hidrostatică (ISO 1167). Sistemul este umplut cu apă, presiunea este ridicată de obicei la de 1.5 ori presiunea de proiectare și se monitorizează scăderea presiunii. În aplicațiile industriale avansate, se utilizează dispozitive de testare cu ultrasunete cu滄e fazate (PAUT) pentru a detecta golurile de aer (voids) sau defectele de sudură la rece la interfața îmbinării.
2. Teste distructive: În laborator, epruvetele prelevate din zona sudată sunt supuse unui test de tracțiune (Tensile Test) sau unui test de cojire (Peel Test). Într-o sudură de succes, se așteaptă ca ruperea să se producă nu de la interfața sudurii (rupere fragilă – brittle failure), ci din corpul conductei propriu-zise (deformare ductilă – ductile yielding).

Întrebări frecvente

1. Pot fi sudate împreună conducte din polietilenă cu valori MFI (indice de curgere a topiturii) diferite sau din clase diferite (de exemplu, PE80 cu PE100)?

Da, pot fi sudate. Cu toate acestea, trebuie acordată atenție diferenței de vâscozitate a topiturilor lor. În sudarea cap la cap, materialul cu vâscozitate mai mică a topiturii are tendința de a curge mai mult de pe plita de încălzire. Pentru a gestiona această situație, trebuie să se rămână în intervalele standard de toleranță pentru presiune/timp și ar trebui preferată utilizarea mufelor de electrofuziune (EF); deoarece mufele EF pot tolera cu ușurință diferențele de MFI (în general în intervalul 0.2 - 1.4 g/10 min) datorită presiunii proprii în volumul limitat.

2. Garniturile elastomerice utilizate în sistemele de conducte din plastic cu garnitură își pierd proprietatea de etanșare în timp?

Prin natura elastomerilor, este inevitabil ca aceștia să sufere o relaxare vâscoelastică a tensiunilor (stress relaxation) în timp, sub o solicitare continuă de compresiune. Cu toate acestea, garniturile EPDM de înaltă calitate fabricate în conformitate cu standardul DIN EN 681 sunt formulate pentru a menține presiunea de contact peste presiunea hidrostatică pe parcursul celor 50 de ani de viață de proiectare ai conductei. Expunerea excesivă au clor sau temperaturile de funcționare în afara limitelor pot accelera acest proces de relaxare, crescând riscul de scurgeri.

3. Ce este „Sudura la rece” și poate fi detectată prin testul de presiune hidrostatică pe teren?

Sudura la rece (cold weld) este o stare în care lanțurile polimerice nu reușesc să interdifuzeze la nivel molecular din cauza lipsei de căldură sau presiune, a răzuirii insuficiente a suprafeței sau a contaminării, prezentând doar o aderență superficială slabă. Testele de presiune hidrostatică pe teren (în special testele pe termen scurt) pot fi insuficiente pentru detectarea defectelor de sudură la rece; deoarece sistemul poate suporta temporar presiunea instantanee cu această aderență slabă, dar în timp, apar rupturi bruște din cauza fisurării sub tensiune ambientală (ESC). Prin urmare, fiabilitatea este asigurată prin analiza înregistrărilor de date (datalogger) obținute de la aparatele de sudură CNC complet automatizate și prin controale cu ultrasunete (NDT).