Балластный материал повышенной плотности для подводных магистральных трубопроводов
Владельцы патента RU 2455553:
Общество с ограниченной ответственностью "Балластные трубопроводы СВАП" (RU)
Изобретение относится к трубопроводной технике, а именно к балластным материалам, наносимым на наружную поверхность труб подводных магистральных трубопроводов для их утяжеления. Балластный материал для подводных магистральных трубопроводов содержит цемент, заполнитель, пластификатор и воду. В качестве цемента использован сульфатостойкий портландцемент, а в качестве заполнителя - баритовая руда и железо-марганцевый концентрат. Материал имеет следующее соотношение компонентов, мас.%: портландцемент 8.2-10.5, вода 5.2-6.7, пластификатор 0.05-0.18, баритовая руда 3-17 с плотностью 3.9-4.1 кг/см3 и влажностью 1,8-2%, железо-марганцевый концентрат 69-82 с плотностью 4.2-4.5 кг/см3 и влажностью 3,5-4%. Отношение воды к портландцементу составляет 0.35-0.5. Компоненты заполнителя имеют следующий гранулометрический состав: 0-0.16 см - до 3%, 0.16-1.0 см - до 27%, 1.0-2.5 см - до 34% и 2.5-5.0 см - остальное. Техническим результатом изобретения является уменьшение наружного диаметра труб с балластным покрытием. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к трубопроводной технике, а именно к балластным материалам, наносимым на наружную поверхность труб подводных магистральных трубопроводов для их утяжеления.
Известна система контроля плавучести трубы, включающая балластный материал плотностью, равной или большей 2000 кг/м3, содержащий следующие компоненты: вяжущее, регулирующую время затвердевания добавку, заполнители по одному или в сочетании, водо-песчаную смесь или водо-баритовую смесь (см. патент US 6663453, кл. F16L 1/16, опубл. 09.01.2003). В описании к данному патенту не раскрывается содержание компонентов в балластном материале и гранулометрический состав наполнителей. Недостатком известной системы является то, что для современных магистральных трубопроводов приемлемая плотность балластного материала существенно выше 2000 кг/м3.
Известны особо тяжелые бетоны, в том числе баритовый бетон, плотность которого превышает 2500 кг/м3 (http://betony.ru), но состав особо тяжелого бетона и особенности его использования как балластного материала для труб в указанном источнике не приводятся.
Известен бетон, включающий барит в качестве заполнителя (см. заявку WO 98/01402, кл. C04B 14/36, опубл. 15.01.1998). Для повышения плотности заполнитель имеет заданный гранулометрический состав, в котором 8 мас.% барита находится в виде очень мелкой фракции с размером частиц от 0,01 µм до 1000 µм, 4 мас.% в виде мелкой фракции с размером зерен от 1 до 3 мм, 10 мас.% в виде крупной фракции с размером зерен от 3 до 7 мм; мелкий кварцевый песок с размером зерен от 0,1 мм до 3 мм; крупные фракции гравия от 3 мм до 75 мм. Соотношение воды к цементу по массе задано в интервале 0.30-0.35. Такой состав имеет два основных недостатка: первый - невозможность получения балластного материала с гарантированной плотностью, превышающей 2800 кг/м3 в связи с отсутствием ограничений используемого крупного и мелкого заполнителя по материалам и их плотности; второй - небольшое массовое отношение воды к цементу в растворе (0.30-0.35), не позволяющее использовать малоподвижный раствор с крупными фракциями для заполнения концевого пространства между проводящей трубой и оболочкой путем нагнетания через отверстия в крышках.
Известен балластный материал для подводных магистральных трубопроводов, являющийся наиболее близким аналогом к заявленному изобретению и содержащий цемент, заполнитель, пластификатор и воду (см. патент RU 2257503, F16L 1/24, опубл. 27.07.2005). Этот материал используется для заполнения кольцевого пространства между трубой и оболочкой магистральных трубопроводов и представляет собой цементно-песчанный раствор подвижностью 10-12 см по конусу Строй-ЦНИЛ. Основным недостатком известного материала является его низкая плотность (до 2400 кг/м3), вызывающая необходимость увеличения размеров концевого пространства, заполняемого балластным материалом для придания трубопроводу отрицательной плавучести.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в создании балластного материала плотностью, превышающей 2800 кг/м3, имеющего после затвердевания и выдержки в течение 28 суток прочность на сжатие, достигающую 50 МПа, что позволяет существенно уменьшить наружный диаметр труб с балластным покрытием. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в балластном материале для подводных магистральных трубопроводов, содержащем цемент, заполнитель, пластификатор и воду, в качестве цемента использован сульфатостойкий портландцемент, а в качестве заполнителя - баритовая руда и железо-марганцевый концентрат в следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 9.2-10.5, вода - 4.0-5.5, пластификатор - 0.05-0.18, баритовая руда - 3-17 с плотностью 3.9-4.1 кг/см3 и влажностью 1,8-2%, железо-марганцевый концентрат - 69-82 с плотностью 4.2-4.5 кг/см3 и влажностью 3,5-4%, при отношении воды к портландцементу 0.35-0.5 и следующим гранулометрическим составом компонентов заполнителя: 0-0.16 мм - до 3%, 0.16-1.0 мм - до 27%, 1.0-2.5 мм - до 34%, 2.5-5.0 мм - остальное. В качестве пластификатора целесообразно использовать комплексную добавку, состоящую из комбинации суперпластификаторов (СП) различных типов в следующем соотношении компонентов, % объема:
| тип П | 72-82 |
| тип НФ | 4-10 |
| тип МФ | 6-10 |
| тип ЛСТ | 3-8 |
Соотношение компонентов заявленного материала было получено в ходе многочисленных натурных экспериментов, результаты некоторых из которых приведенных в табл.1.
Отношение воды к цементу, выбранное в пределах 0.35-0.5, необходимо для достижения требуемой пластичности балластного материала. Гранулометрический состав приведен в табл.2, выбор соотношений обусловлен необходимостью получения балластного материала с заданной плотностью. В этой же таблице указаны плотность и прочность на сжатие предлагаемого балластного материала. Определение средней плотности смесей выполнено в соответствии с ГОСТ 12730.1-78. Прочности бетона на сжатие определялись в соответствии с ГОСТ 10180-90.
Использование железномарганцевого концентрата определяется в основном двумя факторами. Во-первых, железомарганцевый концентрат имеет в своем составе значительное количество оксидных и гидроксидных соединений марганца, железа и других металлов. Такие соединения являются хорошим сорбентом серы (на их основе изготавливаются сорбенты для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода). Сера связывается в комплексные соединения и, как следствие, не оказывает негативного воздействия на арматурный каркас балластного слоя и на тело самой трубы в случае отсутствия у последней слоя изоляции. Во-вторых, высокая плотность железомарганцевого концентрата позволяет получать особо тяжелые балластные покрытия, что, в свою очередь, может снизить стоимость основной трубы за счет некоторого снижения толщины стенки.
Функция пластификатора (суперпластификатора далее СП) играет весьма важную функцию для особо тяжелых бетонов. Сегодня используются 4 основных типа СП: - на основе сульфированных нафталин-формальдегидных поликонденсатов - тип НФ; - на основе сульфированных меламин-формальдегидных поликонденсатов - тип МФ; - на основе очищенных лигносульфанатов - тип ЛСТ; - на основе поликарбоксилатов и полиакрилатов - тип П. Несмотря на различный механизм воздействия на молекулы, суть действия СП сводится к взаимодействию функциональных групп СП с гидрооксидом кальция, приводящее к нейтрализации молекул и увода их с поверхности цементных зерен. Однако эффект механизмов протекания взаимодействия различных СП показывает, что эффективность СП типа П ориентировочно вдвое превосходит значения для типов МФ и НФ и почти втрое типа ЛСТ. С учетом этого нами применен пластификатор в виде комплексной добавки, состоящей из всех типов пластификаторов в следующих соотношениях (% объема): П 72-82%; НФ 4-10%; МФ 6-10%; ЛСТ 3-8.
Предлагаемый балластный материал позволяет с высокой точностью получать требуемую плотность особо тяжелых балластных материалов в пределах 3500-3700 кг/м3.
| Таблица 1 | ||||
| Компоненты | Состав №1 | Состав №2 | Состав №3 | Состав по прототипу |
| Цемент, кг/м3 | 360 | 360 | 360 | 420 |
| Вода, кг/м3 | 150 | 150 | 150 | 140 |
| Пластификатор, кг/м3 | 4 | 5 | 6 | Гравий 840 |
| Баритовая руда, кг/м3 | 550 | 350 | 120 | 430 |
| Железо-марганцевый концентрат, кг/м3 | 2490 | 2750 | 3080 | Песок 650 |
| Плотность, кг/м3 | 3500 | 3600 | 3700 | 2480 |
| Прочность при сжатии, МПа | 48 | 48 | 47 | 45 |
| Таблица 2 | |||
| Наименование компонента | Плотность, кг/см3 | Гранулометрический состав, мм | Влажность, % |
| Баритовая руда | 3,9-4,1 | 0 до 3%; | 1,8-2 |
| 0,16-1,0 до 27% | |||
| 1,0-2,5 до 34% | |||
| 2,5-5,0 остальное | |||
| Железо- | 4.2-4.5 | 0 до 3%; | 3,5-4 |
| марганцевый | 0,16-1,0 до 27% | ||
| концентрат | 1,0-2,5 до 34% | ||
| 2,5-5,0 остальное |
1. Балластный материал для подводных магистральных трубопроводов, содержащий цемент, заполнитель, пластификатор и воду, отличающийся тем, что в качестве цемента использован сульфатостойкий портландцемент, в качестве заполнителя - баритовая руда и железо-марганцевый концентрат в следующем соотношении компонентов, мас.%:
| портландцемент | 9.2-10.5 |
| вода | 4.0-5.5 |
| пластификатор | 0.05-0.18 |
баритовая руда - 3-17 с плотностью 3,9-4,1 кг/см3 и влажностью 1,8-2%,
железо-марганцевый концентрат - 69-82 с плотностью 4,2-4,5 кг/см3 и влажностью 3,5-4%,
при отношении воды к портландцементу 0,35-0,5 и следующим гранулометрическим составом компонентов заполнителя:
| 0-0,16 мм | до 3% |
| 0,16-1,0 мм | до 27% |
| 1,0-2,5 мм | до 34% |
| 2,5-5,0 мм | остальное |
2. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве пластификатора использована комплексная добавка в следующем соотношении компонентов, % объема:
| Тип П | 72-82 |
| ТипНФ | 4-10 |
| ТипМФ | 6-10 |
| Тип ЛСТ | 3-8 |
