ТРУБА С БЕТОННЫМ ПОКРЫТИЕМ И СПОСОБЫ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
PIPE WITH CONCRETE COATING AND METHODS FOR PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к трубопроводной технике, а именно к трубам с бетонным покрытием, используемым при прокладке трубопроводов по дну водоемов, в заболоченной местности в сейсмоопасных районах, а также в случаях, когда требуется повышенная защита трубопровода.
Известна конструкция трубы комбинированной с балластным покрытием, которая состоит из центральной трубы, проводящей вещество в газообразном или жидком состоянии и оболочки, установленной соосно проводящей трубе с образованием кольцевого пространства. Внутренний диаметр оболочки больше, чем наружный диаметр центральной трубы, а длина оболочки меньше, чем длина центральной трубы. Центральная труба снабжена опорно-направляющим устройством, которое состоит из центраторов, распределенных и закрепленных на наружной поверхности центральной трубы. Центраторы имеют фаски, которые расположены на поверхностях, контактирующих с внутренней поверхностью оболочки. Кольцевое пространство заполняет балластный материал. Оболочка является спиральновитой из оцинкованной стальной ленты с выступающими внутрь швами. Оболочка на наружной поверхности имеет защитное покрытие (Патент РФ №2317469 от 20.10.2006).
Наиболее близким к заявляемому изобретению является труба с балластным покрытием (патент РФ №99580 от 23.04.2010 на полезную модель), которая содержит центральную трубу, оболочку, установленную соосно центральной трубе с образованием кольцевого пространства, балластный материал и опорно-направляющее устройство. Центральная оболочка имеет внутренний диаметр больший, чем наружный диаметр центральной трубы. Опорно-направляющее устройство состоит из центраторов. Между центральной трубой и балластным материалом нанесен слой пенополиуретана. Центраторы распределены и закреплены на слое пенополиуретана. Внутри балластного материала расположен арматурный каркас с фиксаторами, удерживающими арматурный каркас на слое пенополиуретана и центраторах. При этом арматурный каркас имеет, по меньшей мере, четыре продольные арматуры, на которые навита по спирали с равным шагом поперечная арматура. Продольная и поперечная арматура соединена с помощью вязальной проволоки и/или сварки. В качестве балластного материала использована бетонная смесь.
Недостатками аналога и прототипа является то, что невозможно достичь высоких защитных функций бетонного покрытия, необходимых для использования трубопровода, например, в сейсмоопасных районах.
Это объясняется тем, что конструкции аналога и прототипа предусматривают наличие концентричных проводящей трубе кольцевых покрытий. Для увеличения веса трубы необходимо увеличивать плотность бетонного покрытия. Увеличение плотности бетонного покрытия влечет за собой снижение его прочности. Такая особенность, приемлемая при нанесении только балластных покрытий, не может рассматриваться как достаточный показатель в случае превалирования защитных функций покрытия или комплексного покрытия, позволяющего обеспечить необходимую балластировку трубы в совокупности с максимальной защитой конструкции от повреждений.
Известен способ нанесения балластного покрытия на поверхность трубы для подводного трубопровода (РФ 2074333 А), состоящий в том, что проводящую трубу поднимают в вертикальное положение путем поворота подъемного механизма вокруг горизонтальной оси и устанавливают ее в удерживающей рамной конструкции. Затем размещают кольцевую форму вокруг наружной поверхности трубы с образованием кольцевого пространства, подают в него готовую бетонную смесь и, по мере затвердевания бетона, перемещают кольцевую форму вверх вдоль трубы. Однако данный способ требует для своего осуществления применения сложного громоздкого и дорогостоящего оборудования и не позволяет достигнуть высокой производительности, поскольку процесс нанесения покрытия с учетом необходимого времени схватывания жидкой бетонной смеси протекает достаточно медленно.
Известен способ нанесения балластного покрытия на поверхность трубы, при котором трубу оборачивают арматурной сеткой, сетку закрепляют сваркой и на арматурную сетку наносят жидкую цементно-песчаную смесь с помощью специальной оснастки методом торкретирования. После выравнивания слоя нанесенной смеси и затвердевания цементно-песчаной смеси трубу с нанесенным на ее поверхность покрытием оборачивают липкой лентой. Данный способ имеет весьма низкую производительность, обусловленную достаточно длительным временем твердения нанесенной смеси до прочности, при которой конструкцию можно перемещать, а также использования сложного дорогостоящего оборудования для равномерного распределения набрызгиваемого материала по поверхности трубы.
Также известен способ, описанный в патенте РФ №2257503 С1 и выбранный в качестве прототипа. Способ состоит в том, что трубу помещают в наружную оболочку, устанавливают по торцам оболочки заглушки и нагнетают в пространство между трубой и оболочкой цементно-песчаную смесь. При этом предварительно по всей длине трубы устанавливают центрирующие опорные кольца, на которые надевают полиэтиленовую оболочку, оставляя свободными концы трубы. Устанавливают трубу в наклонное положение и нагнетают цементно-песчаный раствор подвижностью 10-12 см по конусу СтройЦНИЛ через отверстие в заглушке со стороны нижнего торца под давлением не менее 30 бар до появления раствора в отверстии заглушки на противоположном верхнем торце. После отверждения смеси заглушки удаляют. Предложенный способ не позволяет получить балластные трубы с необходимыми защитными параметрами.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка конструкции трубы, в том числе тяжелой балластной трубы с внешним покрытием и способа ее производства, при этом покрытие должно позволять получать трубы с высокими параметрами прочности внешнего покрытия.
Технический результат, достигаемый в заявляемой конструкции трубы с бетонным покрытием и способе ее изготовления, состоит в высокой защищенности трубы от внешних механических и ударных воздействий, что позволяет использовать тяжелые балластные трубы с таким покрытием, например, в сейсмоопасных районах.
3
3
3
3
Технический результат достигается тем, что труба с бетонным покрытием состоит из проводящей трубы, на которое нанесено бетонное покрытие. Бетонное покрытие состоит, по меньшей мере, из двух слоев, при этом внешний слой выполнен из бетонной смеси с плотностью от 1900 кг/см до 2600 кг/м, а, по меньшей мере, один из внутренних слоев выполнен из бетонной смеси с плотностью от 2900 кг/см до 3400 кг/см.
В частном случае проводящая труба дополнительно снабжена изоляционным покрытием, которое расположено под первым внутренним слоем бетонного покрытия.
В частном случае между слоями бетонного покрытия дополнительно размещена несъемная опалубка.
В частном случае несъемная опалубка может быть выполнена в виде витой оболочки.
В частном случае несъемная опалубка закреплена на центрирующих поясах, выполненных из центраторов.
В частном случае внешний слой бетонного покрытия размещен под внешней несъемной опалубкой.
В частном случае внешняя несъемная опалубка может быть выполнена в виде витой оболочки.
В частном случае внешняя несъемная опалубка может быть выполнена в виде витой оболочки с нанесенным на нее полиэтиленовым покрытием.
3
3
3
3
Также технический результат достигается тем, что изготовление трубы с бетонным покрытием осуществляют следующим способом. Производят установку центрирующих поясов на проводящую труб. Затем устанавливают первую опалубку на центрирующие пояса. Производят подготовку бетонной смеси первого слоя с плотностью от 2900 кг/см до 3400 кг/см, которая включает смешивание цемента, заполнителя, пластифицирующего компонента и воды. Нагнетают полученную смесь в кольцевое пространство между поверхностью трубы и первой опалубкой и осуществляют выдержку. Устанавливают центрирующие пояса на и затем устанавливают вторую опалубку на центрирующие пояса. Производят подготовку бетонной смеси с плотностью от 1900 кг/см до 2600 кг/см для второго слоя, которая включает смешивание цемента, заполнителя, пластифицирующего компонента и воды. Нагнетают полученную смесь в кольцевое пространство под второй опалубкой и осуществляют выдержку.
В частном случае возможно снятие первой опалубки после выдержки первого слоя.
В частном случае возможно выполнение второй опалубки съемной.
В частном случае возможно перед установкой, по меньшей мере, одной из опалубок дополнительно установить арматурный каркас.
3
3
3
3
Также технический результат достигается тем, что изготовление трубы с бетонным покрытием осуществляют следующим способом. Производят установку центрирующих поясов на поверхности проводящей трубы. Затем устанавливают первую опалубку на центрирующие пояса. На поверхность первой опалубки производят установку центрирующих поясов и на них устанавливают вторую опалубку. Подготовку бетонной смеси с плотностью от 2900 кг/см до 3400 кг/см для первого слоя и бетонной смеси с плотностью от 1900 кг/см до 2600 кг/см для второго слоя покрытия производят одновременно и раздельно. Оба процесса подготовки включают смешивание цемента, заполнителя, пластифицирующего компонента и воды. Производят нагнетание полученной бетонной смеси первого слоя в кольцевое пространство между поверхностью проводящей трубы и первой опалубкой, а полученной бетонной смеси второго слоя в кольцевое пространство между первой опалубкой и второй опалубкой. Причем нагнетание второго слоя начинается через 30-60 секунд после начала нагнетания первого слоя и осуществляют выдержку.
В частном случае возможно перед установкой, по меньшей мере, одной из опалубок дополнительно установить арматурный каркас.
3,
3
Конструкция трубы с бетонным покрытием, полученная при реализации заявляемых способов, в сечении представляет собой трубу с двумя слоями нанесенного покрытия. Каждый слой покрытия выполняет различные функции и, соответственно, имеет различные физико-механические свойства. Бетонный слой. расположенный внутри покрытия, имеет повышенные балластные свойства, плотность в пределах 2900-3400 кг/см при этом прочность на сжатие в этом слое достигается в пределах 55-40 МПа. Наружный слой является защитным покрытием, имеет плотность 1900-2600 кг/м, а прочность на сжатие такого слоя значительно выше и достигает 180 МПа.
Предложенная конструкция позволяет изменять вес, толщину и прочностные характеристики каждого слоя бетона, что расширяет возможности использования трубных конструкций. Так при использовании труб с бетонным покрытием в сейсмоопасных районах требуются повышенные защитные свойства, а при использовании труб с бетонным покрытием на водных переходах или в болотистых местах требуются повышенные балластные, утяжеляющие свойства. Изготовленные по предлагаемому способу трубы с бетонным покрытием могут использоваться в тех случаях, когда известные до сих пор способы защиты и балластировки трубопроводов не в состоянии обеспечивать характеристики, необходимые трубопроводам с точки зрения защиты от внешних техногенных и природных воздействий. Использование заявляемой трубы с бетонным покрытием, имеющим высокую степень защиты, позволяет прокладывать трубопроводы в условиях, когда прокладка трубы может быть разрешена только при условии выдачи уполномоченной организацией специальных технических условий.
В дальнейшем изобретение иллюстрируется подробным описанием конкретных, но не ограничивающих настоящее решение примеров его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1 - представлен продольный разрез трубы с бетонным покрытием;
Фиг. 2 - первый поперечный разрез трубы с бетонным покрытием;
Фиг. 3-второй поперечный разрез трубы с бетонным покрытием.
3
3
3
3
Труба с бетонным покрытием в соответствии с заявленным техническим решением состоит из проводящей трубы 1, причем в конкретном примере внешняя поверхность проводящей трубы 1 снабжена изоляционным покрытием 2. Центрирующие пояса первого слоя 4 бетонного покрытия выполнены из установленных на трубе 1 центрирующих опор 3, соединенных между собой ленточными элементами 12. На центрирующих опорах 3 первого слоя 4 бетонного покрытия закреплена первая несъемная опалубка 6. Между трубой 1 и первой несъемной опалубкой 6 установлен арматурный каркас 5. Первый слой 4 бетонного покрытия размещен в кольцевом пространстве, образованном между трубой 1 и первой несъемной опалубкой 6. Первый слой 4 бетонного покрытия имеет плотность в пределах от 2900 кг/см до 3400 кг/см. Высокая плотность бетонной смеси первого слоя 4 обеспечивает трубе балластные характеристики. Бетонная смесь с плотностью менее 2900 кг/см не может обеспечить трубе значимые балластные характеристики, а бетонная смесь с плотностью выше 3400 кг/см имеет низкие прочностные характеристики на сжатие менее 40 МПа, что может привести к повреждению его при нанесении второго бетонного слоя, что для изделий данного назначения не допустимо.
3
3
3
3
3
3
3
Центрирующие опоры 7 второго слоя 8 бетонного покрытия установлены на первой несъемной опалубке 6 и соединены между собой ленточными элементами 11. На центрирующих опорах 7 второго слоя 8 бетонного покрытия закреплена вторая несъемная опалубка 10. Второй слой 8 бетонного покрытия, армированный арматурным каркасом 9, размещен в кольцевом пространстве, образованном между первой несъемной опалубкой 6 и второй несъемной опалубкой 10. Плотность второго слоя 8 бетонного покрытия находится в пределах от 1900 кг/см до 2600 кг/м. В заявленной конструкции второй слой выполняет защитные функции. Плотность бетонной смеси и прочность на сжатие для бетонных смесей носит нелинейный характер. Заявленные пределы плотности позволяют обеспечить высокую прочность на сжатие 180 МПа для плотности 2300 кг/см, а для плотности 2600 кг/см и 1900 кг/см прочность на сжатие составит 60 МПа. Из приведенных значений видно, что только в заявленном интервале плотности от 1900 кг/см до 2600 кг/м бетонный слой может обеспечить необходимые защитные функции.
Изготовление заявленной трубы может быть осуществлено следующими способами.
При изготовлении трубы с бетонным покрытием использована труба 1 с нанесенным на ее поверхность изоляционным трехслойным полиэтиленовым покрытием 2.
Для изготовления трубы с бетонным покрытием устанавливают на поверхности проводящей трубы 1 центрирующие пояса, состоящие из центрирующих опор 3, соединенных между собой ленточными элементами 12. Для увеличения прочностных характеристик балластного слоя возможна установка дополнительного арматурного каркаса 5. На центрирующие пояса устанавливают первую опалубку 6.
Осуществляют подготовку исходных компонентов первого слоя 4 бетонного покрытия. Для этого инертные материалы (барит, железосодержащие руды) просеивают через бурат для выделения примесей крупной фракции. Затем инертные материалы, пластифицирующая добавка (в конкретном примере - поликарбоксилат) и цемент через систему транспортеров подается на весы, где компоненты отвешиваются согласно выбранному составу. Состав выбирают исходя из необходимой плотности балластного материала. Примеры конкретных составов приведены в Таблице 1.
Отвешенные компоненты подают в смеситель, где происходит смешивание. Перемешивание продолжают до получения однородной гомогенной массы.
Полученную бетонную смесь нагнетают бетонным насосом (насосами) в пространство между трубой 1 и установленной на ней первой несъемной опалубкой 6. При этом собранная трубная конструкция располагается под углом 5°÷8° к горизонту. Нагнетание раствора производится через специальные съемные заглушки на конце трубы 1. Заливка производится с конца, расположенного ниже относительно горизонтальной линии. Закачка бетонной смеси осуществляется бетонным насосом до полного заполнения конструкции - до выхода смеси из патрубка крышки конструкции, расположенной выше. После завершения процедуры заполнения конструкции осуществляют выдержку в естественных условиях на стенде в течение времени до набора прочности не менее 5 МПа.
В приведенном примере на следующем этапе производят установку второй несъемной опалубки 10. При необходимости возможно снятие первой опалубки, при этом вторую опалубку устанавливают на поверхность первого слоя 4 бетонного покрытия.
Для установки второй опалубки 10 на поверхность первой опалубки 6 устанавливают центрирующие пояса, состоящие из центрирующих опор 7, соединенных между собой ленточными элементами 11. В приведенном примере для усиления конструкции устанавливают арматурный каркас 9. На центрирующие пояса устанавливают вторую опалубку 10.
Подготавливают бетонную смесь для получения второго слоя 8.
Примеры вариантов состава бетонной смеси для получения необходимой плотности второго слоя 8 бетонного покрытия представлены в Таблице 2.
Полученная бетонная смесь нагнетается бетонным насосом (насосами) в пространство между первой несъемной опалубкой 6 и установленной на ней второй несъемной опалубкой 10. При этом собранная трубная конструкция располагается под углом 5°÷8° к горизонту.
После завершения процедуры нагнетания осуществляют выдержку в естественных условиях на стенде в течение времени до набора прочности второго бетонного слоя не менее 5 МПа.
В зависимости от технологических потребностей при заливке бетона могут быть использованы различные виды второй несъемной опалубки 10, например, стальная спиралевидная оболочка. Оболочка может быть покрашена, либо покрыта различными полимерными материалами, что позволяет получать различные характеристики изделий.
Также возможно использование съемной опалубки.
В другом способе изготовления трубы с бетонным покрытием сначала производят установку центрирующих поясов, выполненных из центрирующих опор 3, соединенных между собой ленточными элементами 12, на поверхности проводящей трубы 1. Затем при необходимости производят установку арматурного каркаса 5. Устанавливают первую опалубку 6 на центрирующих поясах. На поверхность первой опалубки 6 производят установку центрирующих поясов, выполненных из центрирующих опор 7, соединенных между собой ленточными элементами 11. При необходимости производят установку арматурного каркаса 9. Производят установку второй опалубки 10. Подготовку бетонной смеси первого слоя и второго слоя бетона производят
одновременно и раздельно. Примеры вариантов состава бетонной смеси для получения необходимой плотности первого слоя 4 бетонного покрытия представлены в Таблице 1, а варианты состава второго слоя 8 бетонного покрытия представлены в Таблице 2.
Полученные бетонные смеси нагнетаются бетонными насосами. Полученная бетонная смесь первого слоя 4 нагнетается в кольцевое пространство между поверхностью проводящей трубы 1 и первой опалубкой 6, а полученная бетонная смесь второго слоя 8 в кольцевое пространство между первой опалубкой 6 и второй опалубкой 10. При этом собранная трубная конструкция располагается под углом 5°÷8° к горизонту. Причем нагнетание второго слоя 8 начинается через 30÷60 секунд после начала нагнетания первого слоя 4, что предотвращает смятие первой опалубки или сдвиг первой опалубки 6 под воздействием нагнетаемого второго слоя 8 бетонной смеси. Время задержки выбирается исходя из текучести первого слоя бетонной смеси. После закачки бетонных смесей первого слоя 4 и второго слоя 8 осуществляют выдержку при естественных условиях на стенде в течение времени до достижения слоями плотности 5 МПа.
Окончательную выдержку заявленной трубы осуществляют на складе в течение нескольких суток.
Заявляемая труба с бетонным покрытием имеет высокие балластирующие и защитные характеристики и может эксплуатироваться в качестве трубопроводов, проложенных в горных и сейсмоопасных районах, в сложных геокриологических условиях. Также заявляемая труба может быть использована в качестве балластной трубы в морской воде, на речных переходах, в заболоченной местности. Кроме того она может применяться при особых условиях эксплуатации трубопроводов.