CC BY
3
Утяжеляющие покрытия труб из высокопрочных мелкозернистых
бетонов
В.А. Перфилов, В.А. Демин Волгоградский Государственный технический университет, Волгоград
Аннотация: В данной работе рассмотрен анализ технических решений в технологии изготовления обетонированных труб. При сооружении подводных переходов наиболее надежным и эффективным способом балластировки является способ, предполагающий использование труб со сплошным бетонным покрытием. Бетонные покрытия, в числе прочего, обеспечивают защиту магистрального трубопровода от механических повреждений, а также от воздействия агрессивной среды. Предложены составы мелкозернистого бетона для бетонирования поверхности стальных труб с использованием неутилизированных отходов сталепроволочно-канатного или трубного производств. Установлено, что применение указанных отходов в определенных дозировках способствует увеличению прочности бетона, высокой морозостойкости при сокращении количества дорогостоящих тяжелых заполнителей.
Ключевые слова: утяжеляющие покрытия труб, отходы производства, мелкозернистый бетон, прочность, морозостойкость.
Для подводной прокладки нефте- и газопроводов применяются стальные трубы различных диаметров с нанесением на их поверхность утяжеляющего бетонного покрытия с целью предотвращения всплытия трубопровода при эксплуатационной прокачке продукта [1-3]. Одно из предприятий по нанесению бетонного покрытия на трубопроводы построено в городе Волжский, Волгоградской области. Здесь также находится трубный завод, являющийся поставщиком стальных труб для обетонирования. Доставка готовых утяжеленных труб на морское месторождение будет осуществляться по реке Волге.
Характеристика покрытия трубы
Покрытие трубы состоит из следующих слоев:
- один направляемый эпоксидный слой, толщина которого должна составлять минимум 0,150мм;
- один слой адгезива, толщина должна составлять минимум 0,200мм;
- один слой полиэтилена повышенной плотности с добавками;
- один слой ПЭ-порошка (обработка для придания шероховатости покрытия, минимальный размер части 0.5мм);
Трубы размером 0 813x39 мм производятся из стали SAWL 450 в соответствии с международными стандартами API, DIN EN, ASTM, российскими стандартами и техническими условиями. Объем бетонного покрытия на 1 трубу - 1,76 м , толщина бетонного слоя - 53 мм, плотность
"5
бетона - 3040 кг/м .
Приготовление и укладка бетонной смеси
Производство бетонной смеси осуществляется в бетоносмесительном
"5
цехе Donmix150 с производительностью 150 м /час.
Инертные материалы подаются в два приемных бункера, откуда через вибросито ленточными конвейерами поступают в 4-х секционный бункер инертных материалов с конвейером - дозатором. Оттуда они подаются на ленточный конвейер для загрузки в смеситель. Портландцемент и вода через дозатор подаются в двухвалковый смеситель. Приготовленная бетонная смесь выгружается на ленточный конвейер для последующей подачи в специальный бункер, из которого производится нанесение набрызгом бетонного покрытия небольшими слоями.
Подача трубы к месту обетонирования осуществляется при помощи тележки. Рама узла набрызга установки обетонирования регулируется по высоте. Осуществляется выставление узла набрызга. Производится подача трубы к месту обетонирования. Труба, вращаясь, движется через зону обетонирования, где происходит смачивание поверхности трубы водой и подача синтетического шпагата, с первоначальным его закреплением за каркас, для удержания свежего бетона на трубе. Натяжение шпагата регулируется тормозными устройствами катушек шпагата, глубина залегания нитей в защитном балластном покрытии - положением направляющего нити ролика. Одновременно с этим, в промежуток между двумя вращающимися
роликами набрызга подается бетонная смесь и происходит нанесение покрытия на трубу.
Перед нанесением бетонного покрытия трубы помещают на гидравлические весы при помощи 20т-го двухбалочного мостового крана. Далее из питательного бункера смесь подается на подающий конвейер, откуда она поступает на разгоняющий конвейер, а он подает на валки с частотой вращения 2000 об. / мин. для нанесения балластного покрытия на трубу. Так как труба вращается и перемещается одновременно, то покрытие ложится слоями, набирая требуемую толщину. В это же время начинает работать скрепер, который, опускаясь, выравнивает поверхность бетонного покрытия, а весь излишек бетонной смеси со скрепера падает на возвратный конвейер для последующего применения. Бетонная смесь, которая «отскочила» от трубы, попадает на конвейер для возврата бетонной смеси в бункер-накопитель рекуперата.
Управляющая система - автоматическая, с возможностью ручного управления. Автоматическое управление может осуществляться при помощи микропроцессора или компьютера. Процесс обетонирования трубы длится 6 минут. Торцевые зоны трубы не бетонируются, так как необходимо оставить место для последующей сварки стыков трубопровода на месте морской укладки с помощью трубоукладочной баржи.
Установка рассчитана на трубы диаметром от 406-1420 мм, длина труб от 8 до 12 метров, максимальный вес трубы 30 000 кг, производительность -
л
не более 1000 м /час.
Применение высокопрочного мелкозернистого бетона
Исходные данные:
Плотность смеси проектная р\ = 3040 (кг/м3) Класс бетона В35; Марка бетона М450;
Подвижность бетонной смеси Ж =20 сек.
Выбор материалов:
Портландцемент: для бетона класса В35 по СНиП 5.01.23 рекомендуемая допустимая марка цемента М500, нормальная густота цементного теста-27 %; р*= 1,2 г/см\ р£йяг=3,15 г!смъ.
Максимальный размер крупности частиц заполнителя следует назначать, с учетом технических характеристик используемого оборудования.
При изготовлении мелкозернистых бетонов в качестве заполнителей нашли широкое применение промышленные отходы [4-6]. Предлагается в качестве тяжелых заполнителей совместно с габбро-диабазом применять отходы производства сталепроволочно-канатного или трубного заводов в соотношении 1:1. Применение указанных отходов способствует их утилизации и улучшению экологической обстановки в регионе.
Так как у нас уникальное сооружение, для него отсутствует нормативный документ для расчета подбора набрызга смеси. Поэтому принимаем водоцементное отношение В/Ц=0,35.
Отходы сталепроволочно-канатного производства содержат, масс. %: Fe2 Oз - 69,9 %, СаО - 11,2 %, С1 - 10,86 %, 8102 - 3,89 %, ЛЬ Оз - 1,02 % и другие - 3,13 %.
Сернокислый шлам является отходом производства стальных труб, образующийся в процессе обработки труб серной кислотой и известняком. Химический состав отхода представлен следующими компонентами: Fe203 -(10-15) %; МвО - (3-5) %; БЮ2 - (7,0-7,3) %; СаБ04 - (25-30) %; СГ2О3 - 1%; CaF2 - (25-30) % и другие.
Содержание в обоих отходах оксидов железа, кремния и других компонентов в смеси с портландцементом способствует получению
высокопрочных составов бетонов повышенной плотности, что является необходимым условием утяжеляющего покрытия стальных труб.
Перед применением указанных отходов производства необходимо произвести их незначительную подготовку, включающую очистку от хлористых и кальциевых соединений, а также повышением содержания оксидов железа.
Учитывая высокую жесткость бетонной смеси для ее лучшей адгезии и удобоукладываемости, а также коррозионностойкости [7], использовали суперпластификатор СП-4, который предварительно растворяли в воде затворения с помощью ультразвукового диспергатора с частотой 26 кГц.
Технология приготовления бетонной смеси.
Заранее взвешенный порошковый суперпластификатор СП-4 в количестве 0,45 % от массы цемента вводили в воду затворения и подвергали ультразвуковому перемешиванию в течение 5 минут. Параллельно перемешивали сухие компоненты цемента и заполнителей в двухвалковом смесителе в течение 5-7 минут. По окончании раздельного перемешивания объединяют полученные субстанции в указанном смесителе и доводят до однородного состояния и необходимой жесткости смеси.
Для определения прочностных и других характеристик затвердевшего мелкозернистого бетона [8-10] изготавливали образцы стандартных размеров 10^10x10 см, которые подвергались тепловлажностной обработке по заводскому режиму: 3 часа - подъем температуры до 700С, 8 часов -изотермический прогрев, 2 часа - снижение температуры до 400 С.
По окончании твердения были проведены испытания образцов на прочность и морозостойкость.
В результате испытаний установлено, что прочность образцов на сжатие находилась в пределах 58,5 - 64,3 МПа. Марка по морозостойкости,
определяемая количеством циклов попеременного замораживания и оттаивания составила 350-400 циклов.
Выводы
Таким образом, содержание оксидов железа в промышленных отходах сталепроволочно-канатного и трубного производств, а также других компонентов способствует, при определенных дозировках, сохранению и даже увеличению прочности мелкозернистых бетонов, применяемых в достаточно сложных морских условиях при прокладке подводных трубопроводов. Применение неутилизированных и дешевых отходов производства способствует снижению затрат на использование дорогостоящих тяжелых заполнителей из габбро-диабаза и других.
Литература
1. Перфилов В.А., Зубова М.О., Неизвестный Д.Л., Лукина И.Г., Орешкин Д.В., Чеботаев А.Н. Балластировка подводных трубопроводов с применением базальтовой фибры и бурового шлама // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2012. - № 11. - C. 40-41.
2. Проскурин Е. А. Защитные покрытия. Качество и долговечность труб// Национальная металлургия, 2003 - С. 69-78.
3. Johnson E. R. Permafrost-related performance of the Trans-Alaska oil pipeline // Proc., 9th Int. Conf. on Permafrost. Fairbanks, AK, USA. - 2008. - P. 868.
4. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности. Ростов н/. Д: Феникс, 2007. 368 с.
5. Богдасаров А.С., Нестеренко А.И. Использование отходов промышленности для производства шлако-известково-гипсового вяжущего //
Инженерный
вестник
Дона, 2020, №3. URL:
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2020/6374.
6. Каряев С.Б. Использование промышленных отходов в производстве бетона // Научно-практическая конференция «Перспективы развития научных систем в глобальном мире». Саратов, ЦМП «Академия Бизнеса», 2019. Сс. 50-52.
7. Саидов Д.Х., Умаров У.Х. Влияние минерально-химических добавок на коррозионностойкость цементных бетонов с применением промышленных отходов // Инженерный вестник Дона. 2013. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1634.
8. Перфилов В.А., Габова В.В., Лукьяница С.В. Бетон для строительства подводных нефтегазовых сооружений // Инженерный вестник Дона. - 2020. -№ 11. - 8 с. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n11y2020/6673.
9. Сахибгареев Р.Р. Физико-химические аспекты применения модифицированных бетонов. // Строительные материалы, 2007 - № 7. -с.72-
10. Gartner E.M., Macphee D.E. A physico-chemical basis for novel cementitious binders //Cement and Concrete Research. 2011. T. 41, № 7. pp.736749. DOI: 10.1016/j.cemconres.2011.03.006.
1. Perfilov V.A., Zubova M.O., Neizvestnyy D.L., Lukina I.G., Oreshkin D.V., Chebotayev A.N. Stroitel'stvo neftyanykh i gazovykh skvazhin na sushe i na more. 2012. № 11. pp. 40-41.
2. Proskurin E. A. Natsional'naya metallurgiya, 2003. pp. 69-78.
3. Johnson E. R. Proc., 9th Int. Conf. on Permafrost. Fairbanks, AK, USA. 2008. P. 868.
73.
References
4. Dvorkin L.I., Dvorkin O.L. Stroitel'nye materialy iz otkhodov promyshlennosti. [Construction materials from industrial waste]. Rostov n/. D: Feniks, 2007. 368 p.
5. Bogdasarov A.S., Nesterenko A.I. Inzhenernyj vestnik Dona, 2020, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2020/6374.
6. Karyayev S.B. Nauchno-prakticheskaya konferentsiya «Perspektivy razvitiya nauchnykh sistem v global'nom mire». Saratov, TSMP «Akademiya Biznesa», 2019. pp. 50-52.
7. Saidov D.KH., Umarov U.KH. Inzhenernyj vestnik Dona. 2013. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1634.
8. Perfilov V.A., Gabova V.V., Luk'yanitsa S.V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2020. № 11. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n11y2020/6673.
9. Sakhibgareyev R.R. Stroitel'nye materialy, 2007. № 7. pp.72-73.
10. Gartner E.M., Macphee D.E. Cement and Concrete Research. 2011. T. 41, № 7. pp.736-749. DOI: 10.1016/j.cemconres.2011.03.006.
