Управление температурным режимом сварки полиэтиленовых труб в условиях низких температур = Temperature control for welding polyethylene pipes in low-temperature conditions

Для широкого применения полиэтиленовых труб при строительстве газопроводов в регионах очень холодного климата необходима разработка оперативной технологии сварки с целью выполнения ремонтно-восстановительных работ без использования теплых укрытий. Предлагается технология оперативной электромуфтовой сварки полиэтиленовых труб при низких температурах на открытом воздухе с управляемой кристаллизацией материала сварного шва. Сокращение времени выполнения соединения достигается предварительным подогревом с помощью закладного нагревателя и выравнивания температур путем свободного охлаждения. Расчет температурного режима сварки методом конечных элементов показал, что при последующем нагреве по режиму сварки в нормальных условиях объем расплава соответствует объему расплава сварки при допустимой температуре воздуха. Для соблюдения режима кристаллизации расплава полиэтилена в условиях низких температур, характерных для сварки при допустимых температурах воздуха, предлагается изменение мощности нагревателя по времени. Для определения временной зависимости мощности закладного нагревателя, обеспечивающей соответствующую кристаллизацию материала сварного шва и зоны термического влияния, решена обратная задача теплопроводности методом градиентной минимизации функционала. На основе решения несвязанной термоупругой задачи с использованием программного средства Dolfin/FEniCS проведен сравнительный анализ влияния распределений температур на сварочные напряжения при сварке по предлагаемой и стандартной технологиям. Расчетами показано, что при сварке с управляемой кристаллизацией напряжения между трубой и муфтой находятся в допустимом диапазоне. Исследования с помощью растрового электронного микроскопа JEOL JSM-7800F надмолекулярных структурных образований в материале зоны термического влияния показали, что предлагаемая технология управляемой кристаллизации обеспечивает формирование в зоне термического влияния сферолитов с размерами, характерными для сварки в нормальных условиях. To promote the widespread use of polyethylene pipes in constructing gas pipelines in cold climates, it is essential to develop a welding technology that enables repair and restoration without the need for heated shelters. This article investigates the operational electrofusion welding of polyethylene pipes at low temperatures in open air, focusing on controlling the crystallization of the weld material.To reduce the time required for making a joint in low temperatures, we propose using a preheating method using an embedded heater, followed by equalizing temperatures through free cooling. Calculations of the welding temperature regime, performed using the finite element method, indicate that subsequent heating, according to the welding parameters under standard conditions, results in a melt volume that corresponds to the weld melt volume at acceptable air temperatures.To maintain the appropriate crystallization conditions for the polyethylene melt during welding in low-temperature environments, we suggest varying the heater power over time. To determine the time dependence of the embedded heater’s power required for proper crystallization of the weld material and heat-affected zone, we solve the inverse problem of thermal conductivity through the gradient minimization of the functional.Using Dolfin/FEniCS software, we conducted a comparative analysis of temperature distributions and their effects on welding stresses during the implementation of the proposed method versus standard technology. Our calculations demonstrate that when utilizing controlled crystallization, the stresses between the pipe and coupling remain within permissible limits. Studies conducted with a JEOL JSM-7800F scanning electron microscope on supramolecular structural formations in the heat-affected zone revealed that the proposed controlled crystallization technique enables the formation of spherulites in the heat-affected zone, with sizes comparable to those observed in welding under normal conditions.