CC BY
120
УДК 622.612.4.076
А. А. Шаймухаметов, А. И. Габитов
Адгезия цементной композиции к стали
Уфимский государственный нефтяной технический университет 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел.: (347) 228-22-00
Изложен способ обеспечения долговечности стальных нефтепромысловых трубопроводов путем нанесения защитных покрытий на внутреннюю поверхность. Рассмотрено применение цементных композиций, содержащих, наряду с гидравлическим вяжущим, неорганические и органические компоненты, повышающие технологические и эксплуатационные характеристики защитных покрытий, наносимых в полевых условиях на внутреннюю поверхность технологических трубопроводов.
Ключевые слова: адгезия, долговечность, цементная композиция, портландцемент, жидкое стекло, едкий натр, полимерная добавка, технологические жидкости, агрессивное воздействие, нефтепромысловый трубопровод, пневмопорш-невой способ, усадочные деформации покрытия, адгезионная прочность, демпфирующий эффект.
Стальные трубопроводы находят широкое применение в различных отраслях экономики. Для обеспечения заданной долговечности необходима защита трубопроводов от агрессивного воздействия технологических жидкостей. Обеспечение долговечности стальных нефтепромысловых трубопроводов по транспортированию сточных вод в настоящее время осуществляется, главным образом, применением ингибиторов коррозии стали и защитных покрытий на основе лакокрасочных материалов, стекла, эмалей и полиэтилена.
Значительного эффекта пассивации поверхности стали можно добиться нанесением на нее минеральной композиции на основе портландцемента 1. Необходимым условием долговечности покрытия и выполнение им защитных функций является адгезия цементной композиции к поверхности стальной трубы. Цементная композиция может быть нанесена на поверхность, смачиваемую водой, либо другими полярными жидкостями, содержащими полярные функциональные группы (например, ОН-) 2-8. Начальная адгезия (смачивание — прилипание с помощью полярной жидкости) в неорганических системах с вяжущими свойствами заменяются последующими прочными адгезионными контактами 1 9 10. Значения интегральных характеристик нормального
8, 11-17
од-
сцепления, приведенные в работах ного порядка. Это говорит о достоверности метода оценки выше упомянутых характеристик механического состояния зоны контакта между покрытием из цементной композиции и стальной поверхностью, определяемого физико-химическим, химическим и физическим взаимодействием между ними.
Большое значение для обеспечения надежного сцепления покрытия со стальной основой (подложкой) имеет сглаживание отрицательного влияния усадочных деформаций, которые связаны с уменьшением свободной, адсорбционно или химически связанной воды в цементной композиции. Так, в работе 18 отмечается, что при подвижности бетонной смеси более 5—7 см сцепление в результате возрастания усадки пристыковых слоев бетона будет понижаться. Это объясняется тем, что при пластификации смеси путем увеличения исходного содержания воды наблюдаются более значительные собственные объемные деформации бетона, связанные с перемещением влаги как в самом бетоне при протекании процесса гидратации, так и в окружающую среду (при понижении ее влажности, давления и повышения температуры).
Метод прогнозирования монолитности отделочного слоя, или иначе, метод оценки сплошности системы, состоящей из различных слоев (в том числе, по времени изготовления), изложен в работах 8, 13-15, 17, 18. Для решения задачи необходимо определить в общем случае разность деформаций (усадок, например) слоя защитного покрытия и основания (е), а также предельную растяжимость слоя (епр) в изделии. С ростом усадки оболочечного слоя возможны следующие виды нарушения монолитности: при е < епр может произойти отслоение, при е > епр наступит растрескивание. В любом случае для предотвращения нарушения монолитности необходимо назначить меры по сближению величин конечной усадки и предельной растяжимости, а в случае отслоения — по дополнительному увеличению прочности сцепления защитного слоя с основанием 18.
Дата поступления 22.05.07
Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. №№3
При нанесении покрытия способом центрифугирования обеспечивается уплотнение материала и увеличение площади молекулярных контактов между цементной композицией и сталью. Применение цементно-песчаных растворов в данном случае позволяет обеспечить равномерную толщину покрытия, прочно связанного с поверхностью трубы 5 13' 17' 19' 20. При защите внутренней поверхности трубопровода пневмопоршневым способом требования к адгезионным и тиксотропным свойствам
14 15 22
цементных композиций повышаются 14' 22.
Учитывая замечания 1 21, адгезионную прочность, по-видимому, можно увеличить за счет повышения концентрации функционально активных групп и композиции путем введения в ее состав натриевого жидкого стекла с силикатным модулем т > 2. При использовании в качестве вяжущего алитового портландцемента, активно гидратирующего с момента затворения водой, в результате взаимодействия жидкого стекла с гидроксидом кальция образуется едкий натр, приводящий к увеличению концентрации активных функциональных групп (ОН-) у поверхности стали. При этом в растворе силиката натрия имеют место полимерные образования из полианионов с отрицательно заряженной поверхностью 21. Последнее говорит о том, что при нанесении цементной композиции на поверхность трубопровода кроме водородных связей здесь могут образовываться ионные связи отрицательно заряженных коллоидов кремниевой кислоты с положительно заряженными участками поверхности стали. Действие молекулярных сил влияет на структуру граничных слоев, материала покрытия и стали 2' 3. Можно предположить, что последующее образование прочных адгезионных контактов, заменяющих начальную адгезию, будет сопровождаться упрочнением и уплотнением граничащего со сталью слоя покрытия.
Введение в состав цементной композиции дополнительного латекса дивинилстирольного каучука, устойчивого в щелочной среде, должно положительно сказаться на увеличении сил сцепления покрытия со стальной поверхностью. Это может быть объяснено меньшим влиянием усадки на напряженно-деформированное состояние контактной зоны в силу демпфирующего эффекта, вызванного полимерной добавкой 11 14.
При экспериментальной проверке предложенных способов повышения адгезии и снижения отрицательного влияния усадки цементной композиции на сцепление покрытия с поверхностью стальной трубы было установлено: прочность сцепления покрытия с основой при нормальном отрыве для цементной композиции с добавкой жидкого стекла, диви-нилстирольного латекса и регулятора жизнеспособности состава композиции оказалась выше, чем для сцепления контрольного состава (цементно-песчаного раствора) в 2.5—4.0 раза.
Литература
1. Урьев Н. Б. // Ресурсы. Технология. Экономика.— 2006.— №3.— С. 43.
2. Сычев M. M. Неорганические клеи: 2-е издание, переработанное и дополненное.— Л.: Химия, 1986.— 152 с.
3. Щукин Е. Д., Перцова А. В., Амелина Е. А. Коллоидная химия.— M.: M^, 1982.— 384 с.
4. Fukunishi Akio, Mori Jasushige, Funtai Kagakkaishi // Soc. Power Technol.— 2004.— V. 41, №3.— P. 162.
5. Fischer Hans-Bertram, Stark Jochen // ZementKalk-Gips Int.— 2005.— V. 58, №12.— P. 79.
6. Girard-Reyder Emmanuel, Oslanec Robert, Whitfan Philip, Brown Hugh R. // Langmir.— 2004. V. 20, №3.— P. 708.
7. Utilisation de compositions aquenses de traitement de surfaces de mortiers a base de sulfate de calcium anhydre assurant une forte adherence des materiux de finition. Заявка 2865472. Франция MiïK с 04 в 41/48, с 04 В 40/00. / Chryso Soc. Sas Dubois Brugger Isabelle, Boustingorry Pascal, Mosquert Martin №0400713. Заявл. 26.01.2004.
8. Courand L. // Mag. Concr. Res.— 2005.— V. 57, №5.— P. 273.
9. Akolzin A. P., Jhosh P., Kharitonov Y. Y. // J. Electrochem. Soc. India.— 1984.— 33-2.— P. 177.
10. Петрова В. З., Чилинкина Т. Р., Чилинки-на M. В. Исследование процессов физико-химического взаимодействия стали и ситаллоцемен-та. // Новые материалы и технологии HMТ-2002. Тез. докл. на Всерос. науч.-техн. конф.— Т 1.— M: Изд-во «MAТИ»,— РГТУ, 2002.— С. 40.
11. Mацкович А. Ф., Федоренко Р. И., Яворский А. А. // Бетон и железобетон.— 1978.— №10.— С. 23.
12. Слипченко Г. Ф., Кац Л. А., Литвиненко В. А., Черкинский Ю. С. // Бетон и железобетон.— 1975.— №8.— С. 11.
13. Li Yigiang, Xing Guandjing, Huazhong Keji daxue xuebao. Zirau Kexue ban // J. Huazhing Univ. Sei and Technol. Natur. Sei.— 2004.— V. 32, №11.— P. 94.
84
Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. Жо3
14. Jennt A., Holzer L., Zurbriggen R., Herwegh M. // Cem. And Concr. Res.- 2005.- V. 35, №1.- P. 35.
15. Нелюбина Н. Х., Шибаева Г. И. // Изв. вузов. Строительство.- 2006.- №2.- С. 40.
16. Mukteparela F., Bakradze G., Tamanis E., Stolyarova S., Zaporina N. // Phys. Status solidic.- 2005.- V. 2, №1.- P. 339.
17. Garbacz A., Gorka M., Courard L. // Mag. Concr. Res.- 2005.- V. 57, №1.- P. 49.
18. Горчаков Г. И., Михайловский В. П., Пимено-ва А. Р. // Бетон и железобетон.- 1978. — №6.- С. 35.
19. Пособие по защите внутренней поверхности стальных труб от коррозии (к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) / АКХ им. К.Д. Памфилова.- М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.- 16 с.
20. Song Jiquan, Du Cuiwei, Li Xiaogang // J. Univ. and Technol. Breijing.- 2006.- №13.-P. 37.
21. Тотурбиев Б. Д. Строительные материалы на основе силикат-натриевых композиций. - М.: Стройиздат, 1988.- 206 с.
22. Benard Q., Fois M., Grisel M. // Int. J. Adhes and Adhes.- 2005.- V. 25, №5.- P. 404.
Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. JJ3
85
