CC BY
10Теплотехнические характеристики палубы суперблока, утепленной стиропорбетоном
о см о см
о ш т
X
<
т О X X
Стефурак Людмила Александровна
к.т.н., доцент кафедры бизнес-информатики и математики, Тюменский индустриальный университет, stefurak@yandex.ru
Стефурак Петр Богданович
ведущий инженер отдела проектного управления и мониторинга геологоразведочных работ, ООО «Газпром геологоразведка», stefurakPB@yandex.ru
Композиционный материал - стиропорбетон применяют для утепления палубы суперблока. Стиропорбетон состоит из портландцемента М-400, вспененных гранул полистирола, песка и спецдобавок. Стиропорбетон удерживается в подволоке палубы без дополнительного металлического листа за счет конфигурации ячеек палубы суперблоков и адгезии. Разрушения и увлажнение стиропорбетона возможны при спуске суперблока на воду, продвижению его по воде на север Тюменской области, вытаскиванию на берег и транспортировке до газоконденсатного месторождения (35-50 км). Испытания теплотехнических характеристик стиропорбетона показали его высокую надежность. Разработаны методики для испытания прочности сцепления стиропорбетона с палубой суперблока и изучения его характеристик на вибростойкость после испытания. Фрагмент палубы устанавливали в климатическую камеру "Илка". На поверхности фрагмента палубы закрепляли датчики теплового потока и температуры. Полученные результаты показывают, что динамические нагрузки снижают сопротивление теплопередаче на 8-12% за счет раскрытия трещин и появления конвективного теплообмена. В результате выявлено, что фактическое термическое сопротивление палубы суперблока толщиной 0,25 м и после воздействия динамических нагрузок сохраняется на достаточно высоком уровне. В результате проведенных исследований стиропорбетон получил статус материала допустимого к применению в нефтегазопромысловом строительстве. Ключевые слова. Композиты, теплотехнические характеристики, сопротивление теплопередаче.
Введение
К строительству в регионах Севера Тюменской области предъявляются особые требования. Особое значение приобретают вопросы защиты грунтов от воздействия сооружений при переходе от понтонных к беспонтонным суперблокам [1]. Понтонный суперблок эксплуатируется с проветриваемым подпольм, что в отношении воздействия тепловых потоков на грунты предпочтительно. Утепляют подволок палубы суперблоков с помощью минераловатных плит, пенопласта прокладочного [2] и стиропорбетона. Минерало-ватные плиты и пенопласт прокладочный имеют общий недостаток - чтобы зафиксировать их в подволоке
палубы (ячейки размером 1,5 * 15 * 0,2 м ) необходим удерживающий стальной лист толщиной 0,0005 + 0,001 м, что увеличивает расход металла 10000 ^ 25000 кг на один суперблок, трудоемкость и, самое главное, потери тепла через мостики холода (палуба - холостой набор - металлический лист). Кроме того, минераловатные плиты и пенопласт прокладочный при транспортно-перегрузочных операциях, монтаже и эксплуатации суперблоков могут разрушаться, оседать и увеличивать пустоты, что повышает потери тепла через палубу.
Цель исследования
Наиболее целесообразным оказалось применить для утепления палубы стиропорбетон, имеющий адгезию к подволоку палубы и холостому набору. Применение монолитного стиропорбетона взамен плит пенопласта прокладочного и плит минеральной ваты для утепления палубы суперблока снижает трудоемкость и стоимость производства работ [3, 4], сокращает расход металла т.к. при достаточной прочности сцепления стиропорбетона с подволоком палубы не нужен листовой металл для крепления утеплителя.
Цель работы - изучить влияние динамических нагрузок (транспортировка, погрузка, разгрузка, эксплуатация) на теплотехнические характеристики сти-ропорбетона.
Материал и методы исследования
Стиропорбетон изготавливают на основе портландцемента (М400), песка и гранул пенополистирола. Смесь компонентов с водой перемешивают в бетономешалке и укладывают в подволок палубы. После семи суток выдержки в естественных условиях блок-понтон может кантоваться и использоваться для сборки и установки оборудования.
Определение прочности сцепления стиропорбетона с подволоком палубы проводили путем испытания на вырыв анкера из массы утеплителя. Экспери-
менты ставили на фрагментах подволока палубы размером 1,5 * 1,5 * 0,2 м . Стиропорбетон, уложенный в фрагменты, соответствовал марке 350. Анкеры устанавливались в массе утеплителя на расстоянии
0,025 м от настила фрагмента. Они состояли из листа стали 0,3 * 0,2 * 0,03 м , в середине которого приварен штырь с кольцом (
Ь — 0,41м, 0 — 0,012 м ). Испытывали фрагменты на специальном стационарном стенде в горизонтальном положении. С помощью четырех болтов фрагменты крепили к раме стенда. Эксперимент проводили по тем состояниям, при которых стиропорбетон в образце под влиянием прикладываемой нагрузки не удовлетворял требованиям, предъявляемым к нему.
В тех же условиях, параллельно с формированием фрагментов и укладкой смеси, создавали для контроля кубы 0,1 * 0,1 * 0,1 м . После двадцати восьми суток естественного твердения и фрагменты и кубы подвергались испытаниям. Нагружение анкера производилось ступенями, составлявшими 10% нормативной нагрузки. После каждой ступени давалось 600 с выдержки, во время которой снимали показание динамометра. Динамометр ДПУ-50-2-У2 установили по схеме: анкер - динамометр - крюк стрелы автопогрузчика. По ходу испытания визуально оценивали состояние фрагмента, фиксировали появляющиеся трещины. В качестве нагрузки использовали усилие прикладываемое автопогрузчиком. Прикладывали нормативную нагрузку, и продолжительность выдержки доходила до 1800 с. После достижения нормативных нагрузок, в области анкера появились трещины в образцах. В процессе вырыва анкера трещины разрастались по диагонали от центра к углам.
Прочность сцепления (Я<°8) анкера с стиропорбе-
тоном должна быть не больше прочности О^ ) стиро-
порбетона монолита в подволоке палубы. В этом случае не надо крепить стиропорбетон к холостому набору палубы. Условие устойчивости стиропорбе-
тона монолита в подволоке палубы: ^>8 - О28.
Прочность сцепления анкера с стиропорбетоном монолита (рис. 1) определяли по формуле.
Р 0
Г>0 _
*28
г>0
где К28 - прочность сцепления анкера с стиропорбетоном проектной прочности, кгс / см2;
Р0- величина отрывающей нагрузки на анкер, кгс ;
2
А - общая площадь отрыва стиропорбетона, см .
Основной характеристикой прочностных свойств стиропорбетона служит марка по прочности на сжатие (кубиковая прочность), под которой принимается предел прочности при сжатии эталонных образцов
0,1* 0,1* 0,1 м , испытанных после набора проектной прочности. Образцы испытывались на прессе П-10. Предел прочности стиропорбетона при сжатии (
Я28 ) определяли для каждого испытанного образца (рис. 2) по формуле
*28_ А
где Я28 - проектная прочность стиропорбетона,
кгс / см2; Р - разрушающая нагрузка, кгс ;
2
А - средняя рабочая площадь образца, см .
Прочность стиропорбетона монолита в подволоке палубы (рис. 3) находили как напряжение стиропорбетона плиты 1,5*1,5* 0,2 мс зажатыми краями. Чтобы рассчитать вес плиты, были приняты допущения об ее однородной плотности. Формула рассчета:
_ 6Р(и + 1)а2
°28 _ 47И2 '
где О28 - прочность стиропорбетона монолита в
подволоке палубы, кгс /см2;
Р - вес плиты стиропорбетона на единицу площади, кг ; а - сторона плиты, см ; / - коэффициент Пуассона (/=0,2); Л - толщина плиты, см .
Расчёты показали, что при вырыве анкера происходит разрушение стиропорбетона, а не контактного слоя: стиропорбетон - холостой набор подволока палубы. Следовательно, прочность сцепления больше прочности стиропорбетона. Прочность сцепления анкера с стиропорбетоном меньше прочности(напряже-ния) стиропорбетона монолита в подволоке палубы. Поэтому не надо крепить стиропорбетон к холостым наборам листовым металлом.
Для проведения испытания стиропорбетона при эксплуатационных и транспортных нагрузках исполь-
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о м о
о см о см
о ш т
X
3
<
т О X X
зовались шесть фрагментов подволока палубы суперблока размером 1,5 * 1,5 * 0,2 м , которые утепляли стиропорбетоном марки 300 толщиной 0,0025м. Фрагменты испытывали через двадцать восемь суток естественного твердения стиропорбетона. При проведении эксперимента использовали вибратор ИВ-24. Вибратор закрепили на крестовине, установленной на фрагменте палубы. На продолжении 6,0 часов исследовали фрагмент на эксплуатационные нагрузки. Стойки фрагмента палубы были зафиксированы. Показания виброперемещения и вибростойкости снимали Виброметром ВИП-2 по углам и в центре фрагмента с интервалом времени в 0,5 часа.
Из полученных данных, а также из вида поверхности следует, что деформации и разрушения стиропорбетона не наблюдалось, то есть длительные временные испытания прошли успешно. Значит, эксплуатационные нагрузки стиропорбетон выдерживает.
Фрагмент испытывали на многократную циклическую транспортную нагрузку при условии, что две диагональные стойки были свободные. У первой стойки
амплитуда вертикального колебания была 0,006 м , третьей - 0,008 м. На фрагменте появилась трещина длиной 1,17 м и шириной 0,0018 м (норма
0,0015 м ) после 63 -104 циклов. Это число циклов, которые выдержал образец, больше в 70 раз тех циклов нагружения стиропорбетона, которым он подвергается при перемещении способом "волок" на расстояние 50 км. С достаточным основанием можно утверждать, что композиционный материал в подволоке палубы суперблока выдерживает циклические транспортные нагрузки.
Поведение образцов под сосредоточенной нагрузкой исследовали, прикладывая усилие гидравлическим домкратом ДГ-25. Значения нагрузки снимали динамометром ДОСМ 20-3. Результаты, полученные в результате испытаний образца под сосредоточенной нагрузкой в центре настила такие: величина прогиба больше контрольного на 3,9% (норма 15%); появилась
трещина шириной 0,0014 м (норма 0,0015 м ),
длиной 1,9 м на поверхности стиропорбетона при нагрузке 7,5 т. Следоварельно, сосредоточенную нагрузку в центре фрагмента стиропорбетон выдерживает.
Исследованя фрагмента на вертикальное перемещение одной из опор показали, что стиропорбетон не
разрушился при нагрузке до 6, 2 т, которая в 1,65
раз была больше контрольной величины 3,75 т.
Нагрузку большую 6, 2 т на опору не прикладывали по требованиям безопасности. Испытания для определения прочности сцепления стиропорбетона с палубой суперблока выявили, что усилие, при котором происходил отрыв композита, равно 9,0 т. Это усилие в 21 раз больше массы стиропорбетона в ячейке, умноженную на коэффициент динамичности. Результаты, полученные из экспериментов позволяют сделать следующий вывод: композиционный материал - стиропорбетон марки М300 в подволоке палубы удовлетворяет
требованиям, предъявляемым к нему, он выдерживает транспортно-перегрузочные и эксплуатационные нагрузки суперблока.
Теплотехнические параметры палубы суперблока теоретически определяются с большими допущениями. Эти допущения искажают картину тепломассопе-реноса через нее [5]. Наличие металлических включений (арматурная сетка, ребра жесткости холостого набора подволока палубы) приводят к недостоверной оценке температурного поля через палубу, утепленную стиропорбетоном. Достоверные теплофизические исследования натурных фрагментов теплоизолированной палубы суперблока проводили экспериментальным путем. Для проведения экспериментов была взята климатическая камера "ИЛКА". Испытуемый фрагмент подволока палубы установили в дверном проеме камеры (Рис.4). Размеры фрагмента совпадали с размерами ячейки подволока палубы. Изготавливалось два образца 1,5*1,5* 0,2 м . Металлический каркас заполняли стиропорбетоном марки 300. После двадцати восьми суток выдержки смесь имела проектную прочность, и испытуемый образец монтировали в климатическую камеру.
Эксперимент проводили, следуя требованиям ГОСТ 25380-2014 [6]. Замеряли температуру на внутренней и наружной поверхности образца; плотность теплового потока, проходящего через образец. На расстоянии 0,1 м от поверхностей фрагмента измеряли температуру внутреннего и наружного воздуха. Для измерения температуры использовали хромель-копеле-вые термопары стеклянные термометры. Дисковые тепломеры применяли, чтобы замерять тепловые потоки. Вольтметр В7-2Ф был вторичным прибором. Места нахождения теплопроводных включений на образце определяли точки для измерения требуемых параметров (рис. 4).Чтобы достичь плотного контакта тепломера с образцом, поверхность тепломера смазывали техническим вазелином.
Рис. 4. Теплотехнические испытания фрагментов падубы суперблока
Тепломеры и термопары фиксировались на образце с помощью пластилина. Испытания проходили при температуре наружного воздуха на уровне —35 С , а внутреннего воздуха на уровне +27° С . Эксперимент проводили, когда установился стационарный теплоперенос через образец. Значения датчиков температуры и теплового потока получали спустя 1,5 и 7 суток. Было применено значение 7 суток т.к. конструкция образца имеет значительную тепловую инерцию.
Результаты исследования и их обсуждение
Тепловую инерцию Д палубы суперблока определяли по формуле:
Д = RiSi + R2-S2 + R3.S3
где Ri, Si - термическое сопротивление и коэффициент теплоусвоения стального настила;
R2, S2 - термическое сопротивление и коэффициент теплоусвоения теплоизоляционного слоя стиропорбетона М 300;
R3 S3 - термическое сопротивление и коэффициент теплоусвоения упрочняющего слоя бетонной стяжки.
д = 0004 -126,5 +-026.1,95 + 00.16,77 = 58 0,079 1,51
0,009+6,17+0,56=6,74.
По результатам измерения температуры и плотности тепловых потоков рассчитаны в соответствии с требованиями [5, 6] теплотехнические параметры опытного фрагмента палубы суперблока. Выводы
При утеплении палубы стиропорбетоном, ее сопротивление теплопередаче R0 = 3,24 м2 °С / Вт больше требуемого сопротивления теплопередаче палубы RmP = 2,73 м2 °С / Вт , следовательно, в
этом случае палуба по теплотехнике будет удовлетворять проектным требованиям.
Литература
1. Стефурак Б.И., Трофимов Н.С. Производство ограждающих конструкций для суперблоков // Строительство нефтегазопромысловых объектов. М.: ЭИ ВНИИПКтехоргнефте-газстрой.-1988.- №10.-С.11-16.
2. Аксенов Б.Г., Стефурак Л.А., Стефурак П.Б. Теплозащитные свойства двухслойных ограждающих конструкций на основе композиционного пенопласта // Современные наукоемкие технологии. 2019. № 2. С. 15-19.
3. Гагарин В.Т. Теория состояния переноса влаги в строительных материалах и теплозащитные свойства ограждающих конструкций. М.:НИИСФ, 2000.168с.
4. Воробьев В.А., Стефурак Б.И., Стефурак Л.А. Перлитофенопласт для изоляции трубопроводов // Строительные материалы. 1976. N 9. С. 25-26
5. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. Thermal performance of the buildings. СПб.: ДЕАН, 2004. 64с.
6. ГОСТ 25380-2014, Здания и сооружения. Метод измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции. М.: Стандартин-форм, 2015. 11 с.
Thermal characteristics of the superblock deck insulated with Styrofoam
Stefurak L.A., Stefurak P.B.
Industrial University of Tyumen, LLC Gazprom Geologorazvedka
Composite material - Styrofoam is used to insulate the deck of the superblock. Styrofoam consists of Portland cement M-400, expanded polystyrene granules, sand and special additives. Styrofoam is retained in the deck pod without additional sheet metal due to the configuration of the superblock deck cells and adhesion. Destruction and moistening of Styrofoam is possible when launching the superblock to the water, moving it through the water to the North of the Tyumen region, pulling it ashore and transporting it to the gas condensate field (3550 km). Tests of thermal characteristics of Styrofoam showed its high reliability. Methods have been developed to test the adhesion strength of Styrofoam to the deck of the superblock and to study its characteristics for vibration resistance after the test. A fragment of the deck was installed in the climate chamber "Ilka". Sensors of heat flow and temperature were fixed on the surface of the deck fragment. The obtained results show that dynamic loads reduce the resistance to heat transfer by 8-12% due to the opening of cracks and the appearance of convective heat exchange. As a result, it was revealed that the actual thermal resistance of the superblock deck with a thickness of 0.25 m and after exposure to dynamic loads remains at a sufficiently high level. Styrofoam received the status of a material acceptable for use in oil and gas construction as a result of the research.
Key words. Composites, thermal characteristics, heat transfer resistance.
References
1. Stefurak B.I. Production of enclosing structures for superblocks:/ Stefurak B.I., Trofimov N. S.-M.: Construction of oil and gas facilities, 1988.- №10 - p. 11-16.
2. Aksenov B. G. Heat-Protective properties of two-layer enclosing structures based on composite foam plastic:/ Aksenov B. G., Stefurak L. A., Stefurak P. B. -M.: Modern science-intensive technologies, 2019. - № 2 - p. 15-19.
3. Gagarin V. T. Theory of the state of moisture transfer in building materials and heat-protective properties of enclosing structures - M.: NIISF, 2000. - 168 p.
4. Vorobyev V. A. Permite foam plastic for pipe insulation: / Stefurak B.I., Stefurak, L. A.-M.: Stroitel'nye materialy, 1976. - № 9 - p. 25-26.
5. SNiP 23-02-2003. Thermal performance of the buildings -SPb.: DEAN, 2004. - 64 p.
6. G0ST25380-2014. Buildings and structures. Method for measuring the density of heat flows passing through the enclosing structures - M: STANDARTINFORM, 2015. - 11 p.
X X О го А С.
X
го m
о
to о to о
