محمد ریاحی : دانشیار، دانشکده مکانیک دانشگاه علم و صنعت ایران

خلیل کوشایان : دانشجوی کارشناسی ارشد مکانیک ، دانشگاه علم و صنعت ایران

محمد فرجی : دانشجوی دکترا، دانشگاه علم و صنعت ایران

گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشکده مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

مقاله شبیه سازی فرآیند حرارت دهی در جوش لب به لب لوله های پلی اتیلن و مقایسه با نتایج تجربی در دومین کنفرانس ملی مهندسی ساخت و تولید در آبان ماه سال 1388 در دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد ارائه شده است.
چکیده : فرآیند جوش بات فیوژن یکی از مرسومترین روشهای اتصال و جوش لوله‌های پلی اتیلن میباشد. مرحله حرارت دهی مهمترین مرحله در این روش اتصال میباشد. کیفیت جوش به ضخامت لایه مذاب و مقدار ماده مذاب موجود در لبه جوش بستگی دارد لذا تعیین توزیع درجه حرارت و عمق لایه مذاب و ارتفاع بید تشکیل شده در مرحله حرارت دهی برای پیش بینی کیفیت جوش بسیار اهمیت دارد. در این تحقیق انواع مدهای انتقال حرارت بررسی شده است و یک مدل عددی از فرآیند جوش در مرحله حرارت دهی با در نظر گرفتن شرایط فیزیکی حاکم در جوش برای تعیین توزیع درجه حرارت و مکانیزم تشکیل بید در آن تهیه شده است. با انجام جوش و اندازه‍‌گیری دما با استفاده از ترمومتر دیجیتال در فواصل مختلف از انتهای لوله پروفیل توزیع دما در آن بدست آمده است . در انتها نتایج آزمایشهای تجربی با نتایج شبیه‌سازی از لحاظ دما و شکل گرده جوش اولیه مقایسه شده است.

واژه های کلیدی: انتقال حرارت، جوش بات فیوژن، اجزای محدود ، لوله پلی اتیلن

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید

مقدمه
امروزه لوله‌ پلی اتیلن به مهمترین ماده مورد استفاده در شبکه‌های انتقال و توزیع گاز شهری تبدیل شده است. مهمترین عواملی که باعث این انتخاب شده است عبارتند از:

– هزینه‌های پایین نصب ونگهداری نسبت به لوله‌های فلزی

– مقاومت بالا در برابر خوردگی

– مقاومت شیمیایی بالا

– حد دوام و عمر بالاتر(حداقل 50 سال)

– مقاومت بالا در برابر بارهای ضربه‌ای ناگهانی مانند زلزله.

برای اتصال لوله‌ها در شبکه‌های پلی اتیلن انتقال گاز از چندین روش استفاده میشود که مهمترین و شناخته شده ترین این روشها جوش لب به لب(بات فیوژن) و جوش الکتروفیوژن میباشد.
در روش بات فیوژن ابتدا برای رفع آلودگی، سطوح اتصال را به صورت دقیق تمیز میکنند یا برای انطباق دقیق سطوح انتهای لوله‌ها را پیشانی تراشی میکنند تا سطوحی صاف و عمود بر هم حاصل شود. بعد از آن سطوح را در تماس با یک پلیت حرارتی قرار میدهند و فاز گرمایش آغاز میشود. معمولاً فاز گرمایش در لوله‌ها در دو مرحله انجام میشود. فاز اول گرمایش با حضور عامل فشار و فاز دوم گرمایش که معمولاً مقدار فشار محوری اعمال شده بسیار کم و در حدود صفر است. در فاز اول گرمایش یک فشار اولیه در انتهای لوله به صورت یکنواخت اعمال میشود که زمان این فاز در استانداردها مشخص است و برای لوله با SDR11 در حدود 200 ثانیه می‌باشد.
در شکل- 1 مراحل جوش به صورت شماتیک ارائه شده است. بعد از تشکیل گرده اولیه جوش فاز دوم مرحله گرمایش که در آن فشار اعمالی بر انتهای لوله در حدود صفر است آغاز میشود. زمان این فاز در حدود 180 ثانیه است. مرحله بعدی مرحله تغییر وضعیت و کنار رفتن پلیت حرارتی و اتصال سطوح مذاب و نرم شده تحت اثر یک فشار معین میباشد. این مرحله به طور همزمان با مرحله خنک کاری و سرد کردن میباشد و نفوذ مولکولی و خنک کاری با هم همپوشانی دارند

شکل 1- شکل شماتیک مراحل جوش لب به لب

تعدادی تحقیق در موضوع جوش لب به لب وجود دارد ولی در آنها محقیقن به توضیح تئوری فرآیند حادث شده در مراحل مختلف جوش لب به  لب نمیپردازند و همچنین در این تحقیقات به کل فرآیند نیز پرداخته نمیشود لسکویچ به بررسی تاثیر جوش لب به لب بر روی میکروساختار روش و مقایسه با ساختار اصلی لوله پرداخته است. کولا لوکا و همکارانش بر روی بهینه‌سازی فرآیند جوش لب به لب با استفاده از پارامترهای مؤثر بر آن و انجام یک سری آزمایشهای تجربی با استفاده از روش آماری F.F.T پرداخته است. ژائو و همکارش به بررسی اثر آلودگی سطوح بر روی جوش لب به لب لوله‌های پلی اتیلن و لو و همکارانش به بررسی تأثیر پارامتر فشار و آلودگی سطوح بر روی مقاومت و کیفیت جوش پرداخته‌اند. آز.وود به بررسی و تحلیل عددی فرآیند انتقال حرارت جوش لب به لب در لوله‌های پلی اتیلن با استفاده از روش دیفرانسیل محدود پرداخته است و یک مدل ریاضی برای مساله بدست آورده است. با توجه به مرور تحقیقات انجام شده در جوش لب به لب، در زمینه مدلسازی عددی فرآیند جذب حرارت کارهای چندان زیادی انجام نشده است و نیز با توجه به اینکه پایه تئوری محکمی برای مدلسازی کامپیوتری فرآیند جهت بهینه‌سازی پارامترهای جوش وجود ندارد در این مطالعه به منظور درک بهتر فرآیند جوش لب به لب و بررسی تاثیر پارامترهای مختلف جوش در مرحله حرارت دهی، ابتدا مساله انتقال حرارت بررسی شده است. در نهایت یک مدل کامپیوتری از فرآیند بر مبنای استفاده از روش المان محدود تهیه شده است و با نتایج تجربی مقایسه شده است.

مدل رفتاری ماده پلی اتیلن 

اگر یک تنش کششی به یک پلیمر ترموپلاستیک اعمال شود کرنش کششی ماده با گذشت زمان افزایش مییابد. این رفتار ویسکوپلاسیتک ماده را میتوان به ساختار مولکولی ماده و چینش دوباره ماکرو مولکوهای آن در کنار هم دانست. پارامتر اساسی در رفتار تنش- کرنشی ماده پلیمری ترموپلاستیک نرخ کرنش می باشد و در نرخ های کرنش بالا ماده دارای خواص الاستیک و تا حدود زیادی دارای خواص پلاستیک میباشد. در سرعتهای کششی پایین ماده ترموپلاستیک رفتار داکتیل از خود نشان میدهد. در مورد فرآیند جوشکاری افزایش دما در منطقه جوش باعث ذوب ماده در آن ناحیه ایجاد رفتار ویسکوز در آن میشود. برای مدلسازی رفتار ماده مذاب و منطقه حرارت دیده در آن از ترکیب دو حالت الاستو ویسکوپلاسیتک و حالت استاندارد الاستیک- پلاسیتک ماده استفاده میشود.
در این تحقیق مرحله حرارت دهی در جوش لب به لب به دو روش عددی و تجربی بررسی شد و پروفیل توزیع دما و شکل بید به دو روش به دست آمد. مقدار عمق لایه مذاب 5mm در شبیه سازی و مقدار تجربی اندازه‌گیری شده با ترموکوپل 4mm میباشد. این اختلاف اندک را میتوان به دلیل ایده‌آل در نظر گرفتن تماس بین لوله و پلیت و نادیده گرفتن شرایط واقعی تماس بین لوله و پلیت و مقاومت تماسی بین آنها دانست.
در شبیه‌سازی عددی نتایج توزیع دمایی و عمق لایه مذاب با نتایج تجربی مطابقت قابل قبولی دارد. برای فواصل نزدیک توزیع دمایی تطابق و همسانی بسیار خوبی با نتایج تجربی دارد. مقدار ارتفاع بید تشکیل شده در انتهای مرحله حرارت دهی 2mm به دست آمد که منطبق با اندازه تجربی اندازه‌گیری شده میباشد. از نتایج به دست آمده میتوان برای پیشبینی شکل نهایی بید تشکیل شده و بررسی اثرات پارامترهای مهم جوش مانند دما و فشار بر روی عمق لایه مذاب و کیفیت جوش به دست آمده با شرایط متفاوت حرارت دهی استفاده کرد.

مراجع

1- ISO11414, "Plastic pipes and fitting- preparation of polyethylene (PE) pipe/pipe or pipe/fitting test pieces
assemblies by butt fusion",first edition , 1996.
2- Gueugnaut D, Hehn O., Vincent M.," Modeling of the Physicochemical and thermomechanical phenomena
arising during butt fusion welding of polyethylene components” , 2006.
3- Benkreira H., Shillitoe S., Day A.J., « Modeling of the Butt Fusion Welding Process», Chemical Engineering
Science, Vol. 46, No. 1, pp. 135, 1991.
4- Budak V.M., «Investigation of the Thermal Aspects of Contact Butt Welding in Polyethylene Tubes », Svar.
Proiz., No. 1, pp.5, 1997.
5- Shillitoe S., Day A.J., Benkreira H., «A Finite Element Approach to Butt Fusion Welding Analysis », Proc.