Предложен метод снижения концентрации напряжений в зоне сварного шва морского трубопровода с бетонным покрытием путем устройства кольцевых прорезей в бетонном покрытии, в качестве бетонного покрытия предлагается использовать серный бетон – высокопрочный композитный материал, состоящий из инертных заполнителей и вяжущей технической серы с модифицирующими добавками. Использование технологии с нанесением покрытия из серного бетона позволит снизить концентрацию напряжений в зоне сварного шва морского трубопровода, достичь оптимального распределения напряжений, а также повысить защищенность сварного шва от внешних воздействий.
Сооружение морских трубопроводов невозможно без применения балластных утяжелителей, которые используются для придания трубопроводу проектного положения, а также являются протектором (защитой) трубопровода от внешних механических воздействий.
На наш взгляд, одной из самых сложных технологических операций при сооружении морских трубопроводов является изоляция сварного соединения. Правильный выбор изолирующего материала, его качество и соблюдение технологии его нанесения определяют безопасность и надежность эксплуатации трубопровода.
Выбор конструкции и материала изоляционного покрытия для сварного шва зависит от следующих основных факторов:
- диапазон температур (окружающей среды, продукта перекачки) эксплуатации трубопровода;
- диаметр подводного трубопровода;
- срок эксплуатации;
- способ и технология укладки трубопровода в проектное положение;
- совместимость выбранного изолирующего материала с заводским, нанесённым изоляционным покрытием;
- условия нанесения, требования к подготовке поверхности стыков;
- время выполнения технологической операции по нанесению материала;
- стоимость изоляционного материала.
Исходя из производственного опыта, время выполнения технологической операции по нанесению изоляционного покрытия на сварной шов не должно превышать 20 минут. В качестве примера можно привести трубопровод диаметром 1000 мм, с толщиной стенки 18 мм, время изоляции сварного шва составляет 15–17 минут. Концы трубопроводной секции со сплошным бетонированием на расстоянии 35–40 см от кромки остаются без нанесения покрытия для выполнения сварочных работ.
По мере совершенствования технических решений и разработки новых материалов, в качестве материала для заполнения объема в зоне стыка используют:
- битумные мастики;
- быстро схватываемые бетоны;
- полиуретанобитумные мастики;
- полиуретановые мастики;
- пенополиуретановые пены высокой плотности.
Исходя из опыта эксплуатации и сооружения подводных трубопроводов со сплошным армированным бетонным покрытием, можно отметить высокую надежность и устойчивость трубопровода в проектном положении, а способ сплошного бетонирования признать эффективным методом балластировки.
Одним из самых существенных недостатков трубопроводов со сплошным бетонным покрытием является увеличение изгибной жесткости трубопровода, с повышением напряжений в процессе укладки в проектное положение в зоне сварного шва.
При изгибе трубопровода с монолитным сплошным бетонным покрытием в силу различий изгибной жесткости сечения стального трубопровода в зоне сварного шва (β-зоне) и изгибной жесткости сечения в зоне, защищенной бетонным покрытием, напряжения локализуются в окрестности кольцевого сварного шва, достигая максимальных значений по мере приближения к бетонированной поверхности.
Как видно из диаграммы, представленной на рисунке 1, поля высоких концентраций напряжения находятся в зоне сварного шва в момент изгиба трубопровода. Для удобности отображения полей эквивалентных распределений бетонное покрытие не показано.
На рисунке 2 показана диаграмма распределения напряженно-деформированного состояния трубопровода с бетонированным покрытием. Стоит отметить наличие наибольших значений напряжений в зоне сварного шва между бетонными покрытиями.
Одним из методов снижения концентрации напряжений в зоне сварного шва морского трубопровода с бетонным покрытием является устройство кольцевых прорезей в бетонном покрытии. Кольцевые прорези, как показано на рисунке 3, наносятся с определенным шагом, для обеспечения снижения концентрации напряжений в зоне сварных швов.
Как показано на диаграмме на рисунке 4, в момент изгиба трубопровода не возникает значительных напряжений в сварном шве, и нагрузка от изгибающего момента распределяется равномерно.
Однако данная разработка была представлена лишь в качестве проектного решения снижения напряженно-деформированного состояния зоны сварных швов и на практике не используется. Причиной отказа использования данной технологии является снижение прочностной характеристики бетонного покрытия трубопровода, отсутствие сплошности и однородности покрытия.
Для создания сплошности и однородности бетонного покрытия при применении данной технологии нами предлагается использование высокопрочного быстросхватывающего материала – серного бетона (серобетона).
Заполнение кольцевых разрывов в бетонном покрытии, а также в зоне сварного шва позволяет достичь оптимального распределения напряжений на стыках и повысить их защищенность.
Серобетон представляет собой высокопрочный композитный материал, состоящий из инертных заполнителей и вяжущей технической серы с модифицирующими добавками.
Следует отметить простоту его транспортировки и хранения, низкую трудоемкость технологического процесса по нанесению покрытия, быстроту отвердевания (от 4 до 10 минут), а также высокую прочность.
В таблице 1 приведен сравнительный анализ свойств серного и портландцементного бетона.
В ходе сравнительного анализа свойств бетонных покрытий, представленных в таблице 1, были сделаны следующие выводы:
1. Прочностные характеристики серобетона в значительной для производства мере отличаются от значений портландцементного бетона.
2. Модуль упругости в значительной степени не изменился.
3. Стоит отметить быстрое отвердевание серобетона из-за наличия модифицирующих добавок, что для условий производства является неоценимым преимуществом.
4. Стоит отметить также низкий процент истираемости серобетона по сравнению с портландцементным бетоном.
Таким образом, использование технологии с нанесением покрытия из серобетона позволит снизить концентрацию напряжений в зоне сварных швов морского трубопровода, достичь оптимального распределения напряжений, а также повысить защищенность сварных швов от внешних воздействий.
Литература
1. Ханов М.Б., Шарнина Г.С., Рафиков С.К. Анализ возможности применения серобетона для бетонирования сварных стыков морских трубопроводов. Трубопроводный транспорт – 2020: тезисы докладов XV Международной учебно-научно-практической конференции / редкол: Р.Н. Бахтизин, С.М. Султанмагомедов и др. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2020. – С. 208–210.
2. Шарнина Г.С., Абдрахманов Р.Р., Валимухаметова А.И. Современные методы противокоррозионной защиты магистральных газопроводов. – Учебное пособие по дисциплине «Современные проблемы развития науки, техники и технологии (нефтегазовые техника и технологии)» [Электронный ресурс]. – 3,08 Мб. – 77 с.
3. Шарнина Г.С., Якупова Л.А. Техническая диагностика для обеспечения промышленной безопасности и надежности морских трубопроводов. – Издательство: ООО Информационное агентство Neftegaz.RU, Деловой журнал Neftegaz.RU, 2019 г., № 11 (95). – С. 84–86.
