Определение качества бетонного слоя обетонированной трубы Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 622.692.4.07:620.179.16-033.3.

Определение качества бетонного слоя

ОБЕТОНИРОВАННОй ТРУБы

А.И.ПОПОВА, аспирант

Кафедра ПЭМГ

Ухтинский государственный технический университет

E-mail: alen.popova@yandex.ru

Статья посвящена проблемам, относящимся к области технической диагностики линейной части магистральных трубопроводов. Речь идет о входном контроле обетонированной трубы,применяющейся для строительства участков магистральных трубопроводов в обводненных условиях и при сооружении переходов, через водные препятствия. Существующая практика такого контроля не подразумевает проверку качества утяжеляющего слоя.

Ключевые слова: магистральный газопровод, обетонированная труба, ультразвуковой контроль, градуиро-вочная зависимость, прочность бетона, качество бетона.

This work is devoted to the problems concerning area of technical diagnostics of a linear part of the main pipelines. It is a question of the entrance control обето-нированной a pipe applied construction of sites of the main pipelines in обводненных conditions and at a construction of transitions, through water obstacles. The existing practice of such control does not mean quality check of a making heavier layer.

Keywords: main gas main, pipe covered by concrete, ultrasonic control, strength of concrete, quality of concrete.

О сновная функции бетонного слоя обетонированной трубы - балластировка трубопровода на обводненных участках и при сооружении подводных переходов. Но защитная функция бетона — тоже очень важна. В «Отчёте Эспо по Nord Stream: Документ по основным вопросам. Безопасность на море» отмечается, что в выходе трубопровода из строя может сыграть значительную роль внешнее механическое воздействие, связанное с рыболовством, военно-морским и коммерческим судоходством и природными берегоформирующими факторами.

Например, в условиях морского перехода газопровода Бованенково-Ухта через Байдарацкую губу дополнительная опасность для эксплуатации трубопровода заключается в постепенном отступлении берегов (до 3,5 м/год) и уменьшении слоя осадков над трубопроводом, в результате чего труба может оголиться, получить прогиб или повреждение льдами. Ледовые борозды наблюдаются практически вдоль всей трассы перехода глубиной до 2,5 м, шириной — до 10 м.

Существующая практика входного контроля не подразумевает проверку прочности утяжеляющего слоя, но для уверенности, что бетонное покрытие защитит трубопровод от возможных механических воздействий, предлагается дополнить входной контроль операциями по проверке качества бетонного слоя. Для примера норвежские требования к качеству труб, представленные в стандарте DNV-OS-F101 «Морской стандарт DNV-OS-F101. Подводные трубопроводные системы», включают кроме прочих характеристик труб еще и ограничения по минимально допустимой прочности бетонного слоя трубы.

В данной статье рассматриваются два фактора, влияющие на прочность бетона: это трещины в бетоне и пустотные включения в бетон (поры большого размера).

Трещины в бетонном покрытии — один из наиболее опасных вероятных дефектов конструкции обетонированной трубы. В случае, когда для строительства используются трубы с балластным слоем, не защищенным каким-либо покрытием и для контроля доступна открытая поверхность бетона, вероятность получения повреждений бетонного покрытия увеличивается. Вместе с тем по причине свободного доступа к поверхности бетона расширяются возможности ультразвукового обследования балластного слоя. При обнаружении трещин в ходе визуального контроля бетонного слоя для определения степени опасности дефекта предлагается определить ее глубину. Для этого следует провести несколько замеров, используя датчики поверхностного прозвучивания ультразвуковым прибором и выполнить несложный расчет. Для этих целей в различных нормативных документах предлагаются схемы установки датчиков и формулы расчета глубины трещины. Рассмотрим только три варианта.

Способ 1. Согласно РД 153-34.1-21.326-2001 [1] глубина трещин определяется с помощью щупов или ультразвуковых приборов. При применении ультразвукового метода глубина трещины устанавливается по изменению времени распространения ультразвука методом продольного профилирования при

условии, что плоскость трещинообразования перпендикулярна линии прозвучивания (рис. 1). Глубина трещин определяется из соотношений:

V

к = — л г 2 - г

2 >2 .

V =

(1)

(2)

где h — глубина трещины, см; V — скорость распространения ультразвука на участке бетона без трещин, см/мкс; tl — время распространения ультразвука на участке бетона с трещиной, мкс; ta — время распространения ультразвука на участке бетона без трещины, мкс; I — база прозвучивания для обоих участков, см.

Способ 2. По методике НПП «ИНТЕРПРИБОР» [2] для выполнения измерений следует установить датчики как указано на схеме, представленной на рис. 2, и провести первое измерение (положение датчиков И-П1). При этом следует зафиксировать базу измерения на бетоне через трещину I, обращая внимание на то, что трещина должна быть расположена ровно посередине. Проводится замер и при этом фиксируется время распространения продольной волны — tl.

Затем устанавливаются датчики, как указано на рис. 2, при обязательном условии а=1 и проводится второе измерение (положение датчиков И-П2). Второе измерение проводится на «чистом» бетоне -без дефектов. Фиксируется время распространения продольной волны —

Затем рассчитывается глубина трещины Ъ, , мм, по формуле:

а

к = — т 2'

Л V

V 2 У

-1

(3)

где а — база измерения на «чистом» бетоне (без дефектов), мм; I — база измерения на бетоне через трещину, мм, причем, а=1; t1 — время распространения продольной волны при первом замере, мкс; ta — время распространения продольной волны при втором замере, мкс; Ътр — глубина трещины, мм.

Приведенное уравнение выведено из предположения, что изменение пути колебаний эквивалентно изменению времени их распространения. Здесь, как и в первом случае не учитывается, что скорость прохождения ультразвуковой волны может различаться в зависимости от направления прозвучивания. В связи с этим, вероятнее всего, что погрешность определения глубины трещины в процентах к фактической глубине будет колебаться в пределах от 5 до 20%, исходя из особенностей ультразвуковой дефектоскопии в крупноструктурных материалов.

Ряд ультразвуковых приборов имеет программу математической обработки результатов замеров и позволяет определить глубину трещины автомати-

Рис. 1. Определение глубины трещин в конструкции: 1 - излучатель; 2 - приемник

Рис. 2. Схема установки датчиков:

I — база измерения на бетоне через трещину (положение датчиков И-П1), а — база измерения на «чистом» бетоне (положение датчиков И-П2); — глубина трещины, мм

Рис. 3. Схема установки датчиков по стандарту BS 1881 р.203:

1-4 — точки установки датчиков; х — фиксированная длина участков, мм; Ьтр — глубина трещины, мм

чески. В числе этих приборов входит рекомендуемый к использованию для входного контроля обето-нированных труб прибор «Пульсар 1.2» производства НПП «ИНТЕРПРИБОР».

Способ 3. Определение глубины трещины может быть произведено по методике, принятой в Великобритании (стандарт BS 1881 р.203) [3], применяется разностная схема установки преобразователей. Для выполнения измерений следует установить датчики, как указано на схеме, представленной на рис. 3.

Сначала датчики устанавливаются на точки 1-2 схемы (трещина находится посредине, т.е. 1=2х) и измеряется время затем датчики устанавливаются на точки 3-4 (трещина - посредине 1=4х), измеряется время t2.

Глубина трещины Ътр, мм, рассчитывается по формуле:

ктр = Х

. 2 2 4 ^ - ^

(4)

12 Ч

где х — фиксированная длина участков, мм; 1-4 — точки установки датчиков; t1 — время распространения

2

I

1

продольной волны при первом замере, мкс; ¿2 — время распространения продольной волны при втором замере, мкс.

Недостатками данной зависимости являются пренебрежение анизотропными свойствами бетона (различиями скорости в зависимости от направления прозвучивания) и временем прохождения ультразвуковой волны в бездефектной зоне. Данный факт так же препятствует получению достоверного результата и увеличивает погрешность расчетной глубины трещины.

Выберем эмпирически способ, при котором расчетное значение расчетной глубины трещины оказалось наиболее близким к фактическому. Строение опытной модели № 2 аналогично первой (см. рис. 1), но вместо заложенных дефектов она имеет импровизированную «трещину».

Размеры модели составляют 440x440x210 мм, верхняя поверхность свободна от какого-либо покрытия. Размеры трещины определены при формовании модели и составляют 300x50x1,5 мм. Для имитации «трещины» в бетонный массив был вложен сложенный вдвое стальной лист длиной 300 мм на глубину 50 мм. До полного твердения бетона он был изъят так, чтобы в бетоне осталась плоская щель шириной раскрытия около 1,5-2 мм.

Схема полученной модели представлена на рис. 4. Замеры были произведены по трем расчетным схемам (см. рис. 1-3). Глубина трещины рассчитана согласно приведенным формулам (1)-(4). Результаты замеров и произведенных расчетов представлены в таблице. Сравнительный анализ результатов подтвердил теоретические предположения.

Вычисления произведены с использованием возможностей программного обеспечения Excel.

Наиболее близкое к фактическому расчетное значение глубины трещины было получено при проведении замеров по РД 153-34.1-21.326-2001, отклонения расчетной глубины трещины от фактической

глубины составили всего 11%. Используя методику, предложенную НПП «Интерприбор», получили схожие результаты, отклонения расчетной глубины трещины от фактической глубины, равной 50 мм, составили 12%. Следуя рекомендациям стандарта BS 1881 р.203, получили расчетную глубину трещины, наиболее отличавшуюся от фактической: отклонения расчетной глубины трещины от фактической глубины составили в этом случае 23%.

Следовательно, опытным путем было установлено, что наиболее близкий к фактическому значению результат определения глубины трещины в бетоне может быть получен, следуя отечественной методике расчета или используя возможности приборов со встроенной программой определения глубины трещины. Диаграмма соотношения расчетных глубин трещины в бетонном слое с фактической глубиной имитации трещины представлена на рис. 5.

Пустотные включения в бетон опасны, если они имеют размер более 1/3 толщины бетонного слоя. В этом случае прочность бетона снижается на столько, что приближается к критическим значениям, когда нормируемый запас прочности конструкции уже не обеспечивается. Известно, что размер пустотного включения может быть определен при сквозном ультразвуковом прозвучивании по изменению вре-

Рис. 4. Модель бетонного слоя для определения глубины трещины

Опытное определение глубины трещины в бетонном покрытии трубы тремя способами

Средние значения по 10 замерам, сделанные по методикам:

Показатели РД 153-34.1-21.326-2001 НПП «Интерприбор» Стандарт BS 1881 р.203 (Великобритания)

База измерения на «чистом» бетоне (без дефектов), а=1, мм 120 120 _

Фиксированная длина участков х, мм — — 60

Время распространения продольной волны, мкс:

при первом замере, tl 37,5 — —

при втором замере, ta 30,0 — —

Время распространения продольной волны, мкс:

при первом замере, ^ — 37,6 37,6

при втором замере, ^ — 30,1 65,7

Расчётная глубина трещины, &т0, мм 45,1 44,8 40,5

h тр, мм /-iU-

IUI

Рис. 5. Диаграмма соотношения расчетных значений глубины трещины hTp с фактической

мени прохождения ультразвукового сигнала. В результате проведенных исследований установлено, что размеры подповерхностных пустот в бетоне могут быть установлены ультразвуковым методом при одностороннем доступе к поверхности и даже сквозь полимерное ленточное покрытие.

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды и характеризуется рядом отличительных особенностей по сравнению с колебаниями слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне частот сравнительно легко получить направленное излучение; ультразвуковые колебания хорошо поддаются фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний в определенных зонах воздействия. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает уникальные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники. Развитие и применение ультразвуковых технологий открывает в настоящее время новые перспективы в области контроля, измерений, исследований внутренней структуры материалов и изделий.

Рассмотрим возможность применение УЗ-дефектоскопа для контроля качества бетонного слоя обетонированной трубы, покрытого полимерным ленточным покрытием. Трубы для сооружения подводных переходов с полимерным ленточным покрытием выпускаются в Архангельске компанией ООО «Бредеро Шо Архангельск», где производятся трубы с бетонной оболочкой по ТУ BSM MPS-08.1/2010 «Трубы стальные диаметром 101-1422 мм с наружным утяжеляющим бетонным покрытием, в том числе с протекторами», разработанному компанией Bredero Shaw (Малайзия), и по ТУ 5860-00162071312-2010 «Трубы c наружным утяжеляющим бетонным покрытием» совместной разработки ООО «Бредеро Шо Архангельск» и ЗАО «Газпром Строй Тэк Салават». В соответствие со «Свидетельством о типовом одобрении» Российским морским регистром судоходства на бетонное покрытие должны быть определены характеристики: расчетная толщина слоя, прочность на сжатие, плотность и ударная прочность.

Определение всех этих параметров под силу ультразвуковому методу контроля [4]. Поскольку скорость прохождения ультразвука в воздухе (330 м/с) значительно ниже таковой в бетоне (3900-4900 м/с), ультразвуковая волна огибает пустотное включение, давая возможность говорить о его размере в зависимости от времени задержки сигнала. Большое затухание высокочастотных ультразвуковых колебаний в изделиях из бетона вызывает необходимость вести их дефектоскопию на низких ультразвуковых частотах (50-200 кГц). Длина волны колебаний на этих частотах в бетоне лежит в пределах 20-80 мм (при скорости равной 4-10 м/с). Для большинства строительных материалов из бетона и изделий в пределах одной партии и марки значения среднеквадратичного разброса скорости распространения колебаний, определенные на бездефектных образцах, составляют от 5 до 20%. Разброс значений этой скорости в одной строительной конструкции еще меньше. Это позволяет по аномальному изменению времени и скорости прохождения ультразвукового импульса делать выводы о неоднородности контролируемого участка.

Значительный вклад в развитие данной проблемы, особенно в части внедрения низкочастотных ультразвуковых преобразователей внесли отечественные учёные: Ю.М. Рапопорт, В.Е. Поляков, А.И. Потапов.

Сложность объекта контроля заключается в том, что нельзя использовать способ сквозного прозву-чивания, который чаще всего применяется для контроля строительных конструкций. Поэтому для контроля бетонной оболочки трубы можно только использовать метод поверхностного прозвучи-вания согласно рекомендациям МДС 62-2.01 ГУП «НИИЖБ» от 2001 г. [5]. Кроме того, бетонная поверхность трубы, согласно принятой технологии производства, скрыта под слоем гидроизоляции в виде полимерной липкой ленты.

Изучим влияние полимерного слоя на результаты ультразвукового прозвучивания.

Автором сделано предположение, что через слой полимерной ленты при условии ее плотного прилегания к поверхности бетона, возможно не только определить его прочность и плотность бетона, но и выявить пустоты в бетонном слое ультразвуковым прибором с сухим точечным контактом датчиков способом поверхностного прозвучивания с использованием временного теневого метода. Предположение сделано на основе того, что временной теневой метод обладает достаточной помехоустойчивостью и наименее критичен к нестабильности акустического контакта искателей с контролируемым изделием.

Теоретически полимерный слой, является при положительных температурах достаточно пластичным материалом, не препятствующим проникновению УЗ-волны, и при плотном прилегании к бетонной поверхности будет только способствовать

^ шт ~ ^

№

- 1

(5)

где Z — минимальное расстояние между точками акустического контакта излучающих поверхностей искателей; ^ — относительное изменение времени распространения колебаний, вызываемое дефектом, при этом

^ =

(6)

Рис. 6. Схема проведения замеров для обнаружения пустотных включений способом поверхностного прозвучивания

улучшению акустического контакта. Известно, что за счет применения вязких контактных материалов (пластилин, технический вазелин и др.) достигается улучшение акустического контакта. В нашем случае слой полимерной ленты будет выступать в качестве контактного вещества, что, предположительно, даст возможность проводить дефектоскопию подповерхностного слоя даже при наличии на нем полимерной пленки.

В ходе проведения лабораторных экспериментов было исследовано влияние на результаты ультразвукового контроля бетонных моделей наличия полимерного покрытия. Результаты проведенных измерений опубликованы в [6]. Опытные замеры времени прохождения ультразвуковых сигналов проводилось на бетонной модели с искусственными порами при 21°С. Устройство поверхностного прозвучивания в сборе представляет собой держатель с двумя ультразвуковыми преобразователями. Преобразователи оснащены конусными насадками, обеспечивающими сухой контакт без использования жидкостных смазок. Фиксированная база измерения при поверхностном прозвучивании составляет 120 ±0,3 мм.

Схема проведения замеров для обнаружения пустотных включений способом поверхностного про-звучивания представлена на рис. 6.

На первом этапе замеры проводились по открытой поверхности бетона. Затем на контролируемую поверхность, было уложено четыре слоя пленки ПВХ общей толщиной 2 мм, имитирующие защитное покрытие обетонированной трубы. Следующим этапом было повторное проведение замеров по тем же участкам контроля. По полученным экспериментальным данным значения среднеквадратичного разброса скорости распространения колебаний в бездефектной зоне составляют 4,5%. Тогда как в зоне расположения пустотного включения диаметром 40 мм на пути прохождения ультразвуковой волны скорость его увеличилась на 6,1%.

Для определения размера единичных включений и дефектных зон способом поверхностного прозву-чивания при одностороннем доступе к объекту авторами выведена формула:

где tg — время распространения колебаний при наличии дефекта; t0 — время распространения колебаний в бездефектной зоне изделия.

Анализируя результаты поверхностного про-звучивания бетонной модели сквозь полимерное ленточное покрытие, отмечено: слой ленты ПВХ не препятствует прохождению УЗ-волн и сокращает время прохождения сигнала в зависимости от толщины слоя. Время и скорость прохождения сигнала через полимерное покрытие отличаются от результатов, полученных на открытой поверхности бетона, но характер изменения времени прозвучивания в различных точках поверхности сохраняется, что дает возможность обнаружить дефектные участки и определить размер дефекта в бетоне.

Рассчитаем размер обнаруженного пустотного включения по формулам (5) и (6), предполагая, что центр поры расположен на уровне линии прозвучи-вания.

5, = ^ =

36,15

га 34,06

= 1,0600 ;

й

= гЛ Е>. - 1 = 120 д/1,0600 - 1 = 42,2 мм .

Получили размер «поры», равный 42,2 мм, отличающийся от фактического размера заложенного пустотного включения на 6%. Для более точного определения размера включения необходимо совместить линию прозвучивания с центром пустотного включения, перемещая ее по поверхности бетона. Точка, в которой отклонение времени прозвучива-ния будет максимальным, соответствует середине дефекта. В ходе дальнейших экспериментов при совмещении центра поры с линией прозвучивания погрешность при определении размера дефекта составила 3,8%.

Повторим эксперимент в той же точке, но замеры будем производить через слой полимерной ленты. Для получения результата более близкого к фактическому размеру дефекта, необходимо, чтобы осевая линия искателей проходила по центру дефекта. Место нахождения центра нашей «поры» определим по максимальному увеличению времени распространения УЗ-волны t между датчиками комплексного искателя, перемещая его по поверхности бетонной модели в зоне предполагаемого нахождения включения и выполняя замеры через каждые 3-5 мм. Находим точку, где замеренное время оказа-

лось наибольшим: tmax составило 32,11 мкс, а среднее время распространения колебаний в бездефектной зоне изделия составили 30,51 мкс. Подставив эти значение в те же формулы получим:

t.

51 = - =

32,11 30,51

= 1,0524 ;

d . = Z

mm

E - 1 = 120 д/1,0524 - 1 = 39,32.

Получили расчётный размер «поры», равный 39,32 мм. Отклонение от фактического размера пустотного включения диаметром 40 мм составляет 2%.

Таким образом, экспериментально доказано, что ультразвуковой дефектоскоп может быть применен для дефектоскопии и оценки свойств бетонного покрытия на стальных трубах по времени и скорости распространения ультразвуковых колебаний в условиях одностороннего доступа даже через слой ленты ПВХ при условии ее плотного прилегания к поверхности бетона. При этом результаты замеров по покрытию отличаются от результатов открытой поверхности, но характер изменения времени про-звучивания в различных точках поверхности сохраняется, позволяя при этом выявить заложенные дефекты по аномальному изменению времени и скорости. С использованием этого же прибора со встроенной программой определения глубины трещин

производства НПП «ИНТЕРПРИБОР» может быть определена глубина трещин в бетонном покрытии с достаточной для входного контроля точностью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Измеритель времени распространения ультразвука «ПУЛЬСАР-1» модификация «Пульсар-1.2». Паспорт. — М.: НПП «Интерприбор», 2001.

2. РД 153-34.1-21.326-2001 Методические указания по обследованию строительных конструкций производственных зданий и сооружений тепловых электростанций.

3. BS 1881 р.203 Testing concrete. Determination of ultrasonic pulse velocity. Including admixtures [Text] : British Standart Institution — London: BSI, 1986.

4. ГОСТ 17624-87. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности.

5. МДС 62-2.01. Методические рекомендации по контролю прочности бетона монолитных конструкций ультразвуковым методом способом поверхностного прозвучивания.

6. Попова А.И. Влияние полимерного покрытия и включений в бетон на изменение параметров распространения ультразвуковых волн // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». — 2012. — № 2.

t

о