Farklı HDPE Boruların Alın Kaynağı Prosesinde Optimizasyon Tekniği ile Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi ve Optimum Parametrelerin Belirlenmesi

Öz

PE borular, esneklik, dayanıklılık ve korozyon direnci gibi özellikleri nedeniyle su, gaz, kanalizasyon, sulama ve yangın koruma sistemleri gibi birçok altyapı uygulamasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışma, PE80 ve PE100 sınıfı boruların alın kaynağı işlemi için optimum kaynak parametrelerini belirlemeyi ve PE100 ile PE80 boruların alın kaynağıyla birleştirildiğinde mekanik özelliklerinin nasıl etkileneceğini incelemeyi amaçlamaktadır. Çalışmada, üç farklı kaynak sıcaklığı (215, 220, 225°C), iki birleştirme basıncı (1 ve 2 bar), ısıtma ve soğutma süreleri kullanılarak bu boruların optimum kaynak parametreleri belirlenmiştir. PE80+PE80, PE100+PE100 ve PE100+PE80 boru kombinasyonları için alın kaynağı işlemi gerçekleştirilmiş ve bu işlemlerin mekanik performansa etkileri test edilmiştir. Çekme dayanımı, sertlik ve hidrostatik iç basınç testleriyle kaynak sonrası mekanik özellikler detaylı olarak incelenmiştir. PE100 borular, PE80'e kıyasla daha yüksek çekme dayanımı ve sertlik değerleri gösterirken, PE80+PE100 kombinasyonlarında kaynak parametrelerinin dikkatlice optimize edilmesi gerektiği ortaya konmuştur. Cevap Yüzey Metodu kullanılarak PE100-PE80 kombinasyonu için optimum parametreler belirlenmiş ve bu kombinasyonun mekanik dayanım açısından test edilmiştir. Sonuç olarak, PE100 ve PE80 boruların kaynak sonrası mekanik performanslarının optimum koşullarda önemli ölçüde iyileştirilebileceği gözlemlenmiştir. Optimum parametreler kullanıldığında PE80+PE100 kombinasyonunun çekme dayanımı %46.7 oranında iyileşmiş ve 11.28 N/mm²’den 16.55 N/mm²'ye yükselmiştir. Aynı şekilde, sertlik değerleri 49 Shore D'den 57 Shore D'ye çıkarak %16 oranında bir artış göstermiştir. Hidrostatik iç basınç testinde ise Deney 6 (225°C kaynak sıcaklığı ve 2 bar basınç) PE80+PE100 kombinasyonu optimum şartlar altında 11 bar’a kadar dayanım göstermiş ve bu da orijinal duruma kıyasla önemli bir iyileşme sağlamıştır.

Anahtar Kelimeler

• PE80
• PE100
• Sıcak Eleman Alın Kaynağı
• Çekme dayanımı
• Sertlik
• Hidrostatik İç Basınç

Investigation of Mechanical Properties of Different HDPE Pipes in Butt Welding Process with Optimization Technique and Determination of Optimum Parameters

Öz

ABSTRACT: Polyethylene (PE) pipes are widely utilized in infrastructure applications such as water distribution, gas transportation, sewage, irrigation, and fire protection due to their flexibility, durability, and corrosion resistance. This study aims to optimize the butt welding parameters for PE80 and PE100 pipes and evaluate their mechanical properties post-welding. Experiments were conducted using three welding temperatures (215°C, 220°C, and 225°C), two joining pressures (1 bar and 2 bar), and varying heating and cooling times. Butt welding was applied to PE80+PE80, PE100+PE100, and PE100+PE80 combinations. Tensile strength, hardness, and hydrostatic internal pressure tests were performed to assess mechanical performance. Results indicate that PE100 pipes exhibit higher tensile strength and hardness than PE80. However, optimizing welding parameters is critical for PE80-PE100 combinations. Using the Response Surface Method, the optimal welding parameters were identified and validated. Under optimal conditions, the tensile strength of the PE80+PE100 combination increased by 46.7%, from 11.28 N/mm² to 16.55 N/mm². Hardness values improved by 16%, rising from 49 Shore D to 57 Shore D. Additionally, in the hydrostatic internal pressure test, the PE80+PE100 combination (welded at 225°C and 2 bar) withstood up to 11 bar, significantly improving its pressure resistance. In conclusion, optimizing butt welding parameters enhances the mechanical properties of PE100 and PE80 pipes, making them more suitable for infrastructure applications.

Anahtar Kelimeler

• PE80
• PE100
• Butt Fusion Welding
• Tensile Strength
• Hardness
• Hydrostatic Internal Pressure

Kaynakça

1. Akkurt A., İ. Ertürk İ., (2010). Sıcak Eleman Alın Kaynak Yöntemi ile Birleştirilmiş PE Doğalgaz Borularının Güvenirliklerinin Araştırılması, Pamukkale Üni.Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 16, Sayı 2, s.221-233.
2. Bayrakçıl, M. D., Bodur, O., Klein, M., Walcher, E.-M., Poszvek, G., & Jalowiec, M. (2024). Characterization of Polyethylene Pipe Properties Through Advanced Metrology Techniques. In ISPR 2023, LNME. DOI:10.1007/978-3-031-53991-68.
3. Cai, S., Yuan, H., Cui, Y., Zhang, Y., & Siddiqui, A. A. (2011). Control System Design of Automatic Butt Fusion Welding Machine for Polyethylene Pipe. IEEE. DOI:10.1109/ICIEA.2012.6361038.
4. Dağlı, M., Demirer, A., & Yumat, E. (2023). HDPE Boruların Alın Kaynağında Kaynak Parametrelerinin Birleşme Mukavemetine Etkisinin Yüzey Cevap Metodu ile Optimizasyonu. AKU IJETAS. Vol.6 (2), pp.95-109, December 2023. DOI:10.53448/akuumubd.1289128
5. Dağlı M., Demirer A., Yumat E., (2023-2). Alın Kaynağı Uygulanmış PE100 Borularda Optimum Kaynak Parametresinin Mekanik ve Ömür Testi İncelemesi, 11th International Mardin Artuklu Scientific Researches Conference, s.751-759, December 13-15, Mardin, Türkiye.
6. Demchenko V., Iurzhenko M., Shadrin A., Galchun A., (2017). Relaxation behavior of polyethylene welded joints, Nanoscale Research Letters, 12:280, DOI 10.1186/s11671-017-2059-z
7. Galchun, A., Korab, N., Kondratenko, V., Demchenko, V., Shadrin, A., Anistratenko, V., & Iurzhenko, M. (2015). Nanostructurization and Thermal Properties of Polyethylenes’ Welds. Nanoscale Research Letters, 10:138.
8. Guo, W., Shi, J., & Hou, D. (2016). Research on Phased Array Ultrasonic Technique for Testing Butt Fusion Joint in Polyethylene Pipe. Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute. DOI:10.1115/PVP2013-97205.

9. Haroon, M., Jia, Y.-F., Lai, H., Jiang, W., & Tu, S.-T. (2019). Welding Residual Stress in HDPE Pipes: Measurement and Numerical Simulation. Journal of Pressure Vessel Technology. DOI:10.1115/1.4043463.
10. Hawkeye Industries Inc. (2008). Fabricated Fitting Butt Fusion Procedure, Technical Bulletin: TB-0308-FF, FPR IDC and NIDC Fittings.Kim, J.-S., Oh, Y.-J., Choi, S.-W., & Jang, C. (2019). Investigation on the Thermal Butt Fusion Performance of Buried HDPE Piping in Nuclear Power Plants. Nuclear Engineering and Technology. DOI:10.1016/j.net.2019.02.002.
11. Montgomery Douglas C., (2020). Design and Analysis of Experiments, Wiley, 10. Baskı, Bölüm 11-13, ISBN-10 ‏: ‎ 1119722101.
12. Pathak, S., & Pradhan, S.K. (2020). Experimentation and Optimization of HDPE Pipe Electro Fusion and Butt Fusion-Welding Processes. Materials Today: Proceedings.
13. Starostin N. P., Ammosova, O. A. (2009). Thermal Processes in Butt-Welding Polyethylene Pipe at Low Ambient Temperatures, Russian Engineering Research. Vol.29 (1), p.12–16.
14. Sun, Y., Jia, Y.-F., Haroon, M., & Tu, S.-T. (2019). Measurement and Analysis of Residual Stress in HDPE Pipe Welds. ASME Journal of Pressure Vessel Technology.
15. Tan, N. (2021). Deformation transitions and their effects on the long-term performance of polyethylene and its pressure pipe, Doktora tezi, Alberta Üniversitesi, Makine Müh. Bölümü
16. Uzun H., Kocaman A. G., (2018). HDPE 100 Boruların Sıcak Eleman Alın Kaynağıyla Birleştirilmesinde Kaynak Sıcaklığı Parametresinin Birleştirme Mukavemetine Etkisi, Academic Perspective Procedia , Vol.1, Issue 1, p.168-177, Journal e-ISSN:2667-5862, DOI : 10.33793/acperpro
17. Zhang, Y., & Jar, P.-Y. B. (2016). Comparison of Mechanical Properties Between PE80 and PE100 Pipe Materials. Journal of Materials Engineering and Performance. DOI:10.1007/s11665-016-2274-2.