Содержание к диссертации
Введение
1. Способы прокладки и ремонта трубопроводов с использованием специально обработанных грунтов 29
1.1. Классификация способов прокладки трубопроводов 29
1.2. Анализ современного состояния защиты трубопроводов от коррозии изоляционными покрытиями 35
1.3. Виды ремонтных работ на линейной части магистральных трубопроводов и существующие технологии капитального ремонта 49
1.4. Перспективы использования и область применения гидрофобизированных грунтов на объектах трубопроводного транспорта 58
1.5. Выводы по главе 1 69
2. Экспериментальные исследования свойств гидрофобизированных грунтов 71
2.1. Общие требования к свойствам гидрофобизированных грунтов и выбор вяжущих продуктов 73
2.2. Физико-механический механизм структурирования гидрофобизированных грунтов 77
2.3. Экспериментальное изучение физико-механических свойств гидрофобизированных грунтов 84
2.3.1. Методика проведения экспериментов 85
2.3.2. Оценка погрешностей эксперимента 87
2.3.3. Методы определения вида аналитических зависимостей 89
2.3.4. Обсуждение результатов 94
2.4. Определение оптимальной дозировки вяжущего для гидрофо-бизации грунтов. 119
2.5. Определение оптимальной толщины обсыпки из гидрофобизи- 126 рованных грунтов
2.6. Выводы по главе 2 135
3. Повышение долговечности изоляционных покрытий при обсыпке трубопроводов гидрофо-бизированным грунтом 136
3.1. Моделирование процессов разрушения изоляционных покрытий и оценка влияния обвалования из гидрофобизированных грунтов на остаточный ресурс изоляции. 136
3.2. Лабораторные исследования влияния обсыпки из гидрофобизированных грунтов на свойства изоляционных покрытий трубопроводов . 146
3.3. Полигонные исследования влияния обсыпки из гидрофобизированных грунтов на свойства изоляционных покрытий трубопроводов 155
3.4. Натурные исследования влияния гидрофобизированных грунтов на долговечность изоляционных покрытий 158
3.5. Выводы по главеЗ 164
4. Исследование воздействия вяжущих продуктов на защитные свойства изоляционных покрытий ; 165
4.1. Исследование физико-механических свойств изоляционных покрытий, обработанных органическими вяжущими. 165
4.2. Определение рационального состава органических веществ для ремонта изоляционных покрытий трубопроводов методом восстановления 175
4.3. Исследование адгезии и водопроницаемости новых конструкций изоляционных лент и обёрток. 179
4.4. Натурные исследования по ремонту изоляционных покрытий методом восстановления 186
4.5. Выводы поглаве4. 189
5. Разработка и внедрение технологии строительства и ремонта трубопроводов с использованием гидрофобизированных грунтов 191
5.1. Классификация использования гидрофобизированных грунтов на объектах трубопроводного транспорта. 191
5.2. Технология строительства трубопроводов в обсыпке из гидрофобизированных грунтов 193
5.3. Ремонт изоляционных покрытий трубопроводов методом восстановления; 204
5.3.1. Технология ремонта изоляционных покрытий с применением органических вяжущих продуктов и обсыпки из гидрофобизированных грунтов 204
5.3.2. Разработка методики расчёта параметров катодной защиты при ремонте изоляционных покрытий методом восстановления. 225
5.4. Технология балластировки трубопроводов с использованием анкер-инъекторов 227
5.5. Технология производства изоляционных работ с использованием новых конструкций полимерных лент и обёрток. 242
5.6. Разработка методики расчёта остаточного ресурса нефтегазопро-мысловых трубопроводов 252
5.7. Выводы по главе 5 258
Основные выводы 259
Список использованной литературы 261
Приложение
- Анализ современного состояния защиты трубопроводов от коррозии изоляционными покрытиями
- Физико-механический механизм структурирования гидрофобизированных грунтов
- Лабораторные исследования влияния обсыпки из гидрофобизированных грунтов на свойства изоляционных покрытий трубопроводов
- Определение рационального состава органических веществ для ремонта изоляционных покрытий трубопроводов методом восстановления
Введение к работе
145(2.
Актуальность проблемы. Одним из путей решения проблемы повышения надёжности нефтегазопроводов является использование новых эффективных научно обоснованных технологий строительства и ремонта трубопроводных систем. Основной особенностью строительства и ремонта трубопроводов является разнообразие природно-климатических и гидрогеологических характеристик местности вдоль трассы, что требует значительного разнообразия конструктивных и технологических решений при прокладке и эксплуатации линейной части трубопроводов на просадочных и набухающих грунтах, оползневых и горных участках, болотистых и заторфованных отложениях, грунтах с высокой коррозионной активностью.
Подземные трубопроводы работают в специфических коррозионных условиях, что обусловливает необходимость противокоррозионной защиты. Почвенная коррозия является одним из серьёзных факторов в определении условий эксплуатации трубопроводов. Около 45% всех аварий на трубопроводах происходит по причине коррозии. Поэтому эффективность противокоррозионной защиты в значительной степени определяет уровень надёжности трубопровода. Выбор вида защиты определяется технико-экономическими соображениями. При разработке проектов принимаются во внимание как технические (наличие или отсутствие блуждающих токов, коррозионная активность грунтов, вид противокоррозионной изоляции и пр.), так и экономические факторы (размеры единовременных затрат, эксплуатационные расходы и пр.).
Задача определения срока службы различных видов противокоррозионной изоляции стальных трубопроводов зависит от многих факторов, основные из них - эксплуатационные свойства защитных
покрытии и степень взаимодействия с :
и средой.
БИБЛИОТЕКА СПетегіюг »-в
4 Эксплуатационные свойства защитных покрытий зависят от физико-химических свойств исходных материалов, качества очистки труб, соблюдения технологии выполнения изоляционных работ, возможности осуществления мероприятий по защите изоляции от повреждений в процессе изоляционно-укладочных работ и эксплуатации трубопровода.
Долговечность полимерных и битумных материалов, находящихся в фунтовой среде, оценивается примерно в 50 лет, а срок службы защитных покрытий трубопроводов из этих материалов составляет около 15-20 лет. Очевидно, что при существующих условиях эксплуатации изоляционные покрытия трубопроводов нуждаются в защите от негативного воздействия окружающей грунтовой среды.
Основными причинами возникновения дефектов в защитных покрытиях трубопроводов являются: несоблюдение технологии их нанесения, механические повреждения при засыпке трубопроводов, смерзание изоляции с грунтом, механические повреждения при взаимодействии с грунтом в период эксплуатации (растрескивание, гофрообразования и т.д.) физико-химическое воздействие грунта, приводящее к вымыванию пластификаторов, т.е. эти причины связаны в основном с взаимодействием покрытий с окружающей грунтовой средой.
Ведущими научно-исследовательскими организациями в области трубопроводного транспорта: ВНИИСТ, ВНИИГАЗ, ИПТЭР, РГУНГ и др. -в последние годы предприняты значительные усилия по увеличению работоспособности защитных покрытий трубопроводов, но к настоящему времени исследования относились непосредственно к самой изоляции без рассмотрения возможности изменения воздействия внешней среды. Одним из направлений увеличения срока службы изоляции является искусственное воздействие на внешние условия с использованием гидрофобизации фунтов.
Методы технической мелиорации грунтов применяются в трубопроводном строительстве как в качестве самостоятельных мер, так и в комплексе с инженерно-строительными мероприятиями, направленными на искусственное улучшение состояния и физико-механических свойств пород различными техническими приёмами. Однако гидрофобизация грунтов как один из методов технической мелиорации недостаточно изучен в плане использования в трубопроводном строительстве.
Существующие технологии по стабилизации положения трубопроводов, устройству искусственных грунтовых оснований, снижению коррозионной активности грунтов, уменьшению механического и физико-химического воздействия грунтов на изоляционные покрытия имеют ряд недостатков: ограниченность области применения, потребность в громоздком оборудовании, низкая производительность, значительный объём транспортировки материалов, что существенно сдерживает их использование в трубопроводном строительстве.
В соответствии с проектом межгосударственной программы «Высоконадёжный трубопроводный транспорт» повышение надёжности и экологической безопасности объектов топливно-энергетического комплекса может обеспечиваться за счёт технического перевооружения и реконструкции технологического оборудования, систем автоматизации насосных станций, резервуарных парков и телемеханизации линейной части магистральных трубопроводов, выполнения работ по диагностике и капитальному ремонту линейной части, резервуаров и оборудования.
Цель работы - научное обоснование и разработка новых эффективных технологий строительства и капитального ремонта газонефтепроводов с использованием гидрофобизированных фунтов, направленных на повышение надёжности трубопроводного транспорта углеводородного сырья.
Задачи исследований:
1. Определить область и перспективы использования
гидрофобизированных грунтов (ГФГ) с разработкой научно обоснованной
классификации их применения на объектах трубопроводного транспорта.
-
На основании проведённого многофакторного эксперимента определить оптимальную дозировку вяжущих продуктов для ГФГ.
-
Определить оптимальную толщину слоя ГФГ для обсыпки трубопровода. Установить зависимость скорости коррозии металла трубы от толщины слоя ГФГ в случае повреждения изоляции.
-
Разработать математическую модель для определения влияния обсыпки из ГФГ на работоспособность и долговечность изоляционных покрытий. Обосновать методику определения остаточного ресурса защитных покрытий трубопроводов, при этом определить показатель скорости старения защитных покрытий при обсыпке ГФГ.
-
Обосновать и разработать технологию ремонта трубопроводов методом восстановления защитных покрытий с использованием ГФГ.
6. Разработать новые конструктивные схемы прокладки и
балластировки трубопроводов, новые элементы конструкций полимерных
покрытий и технологию строительства трубопроводов на основе
использования ГФГ.
Научная новизна
В диссертационной работе получены следующие новые результаты:
-
Теоретически обоснованы перспективы использования и область применения ГФГ в трубопроводном строительстве. Предложена классификация использования ГФГ на объектах трубопроводного транспорта.
-
Разработаны требования к свойствам ГФГ и произведён выбор вяжущих продуктов для использования при строительстве и ремонте трубопроводов. На основе проведённого многофакторного эксперимента
7 определена оптимальная дозировка вяжущего для гидрофобизации грунтов — 9,6% по массе грунта с влажностью, отличающейся от оптимального значения не более чем на 5%.
-
Установлено оптимальное значение толщины слоя ГФГ, полученное построением целевой функции по критерию минимальных удельных затрат на проведение ремонтных работ. Предложена математическая модель и получена зависимость скорости коррозии металла трубы от толщины слоя ГФГ в случае повреждения изоляции, при этом установлено, что слой ГФГ в 10 см снижает скорость коррозии на 40%, по сравнению с засыпкой трубопровода обычным минеральным грунтом.
-
Впервые предложена математическая модель и получена зависимость переходного сопротивления изоляции от степени её повреждения. Установлено, что повреждение изоляции в пределах до 0,2% приводит к потере её диэлектрических свойств более чем в 5 раз. Показано, что нерационально использовать дорогостоящую изоляцию с высоким значением переходного сопротивления, гораздо большее значение для изоляционных покрытий имеет их устойчивость к механическим повреждениям в течение длительного времени. Предложен алгоритм численного решения задачи оценки остаточного ресурса защитных покрытий трубопроводов, проложенных в обсыпке ГФГ. На основе лабораторных, полигонных и натурных экспериментальных исследований определен показатель скорости старения защитных покрытий трубопроводов, проложенных в обсыпке из ГФГ, равный 0,08 1/год, при этом установлено, что срок службы защитных покрытий увеличивается на 40%.
-
Разработана новая технология ремонта защитных покрытий трубопроводов методом восстановления с использованием органических вяжущих материалов. Определен рациональный состав органических веществ для ремонта изоляционных покрытий трубопроводов методом
8 восстановления, позволяющий вести ремонтные работы при температуре окружающего воздуха до минус 10 С.
6. На основе теоретических и экспериментальных исследований обоснованы новые конструктивные схемы прокладки и балластировки трубопроводов, разработаны основные параметры технологии строительства подземных и наземных трубопроводов, обеспечивающие экономичность и безопасность проведения работ. Экспериментально установлено улучшение свойств изоляционных полимерных лент, соединённых липкими сторонами: адгезия в нахлёсте увеличивается более чем в 5 раз, водопроницаемость уменьшается более чем в 2 раза в зависимости от марки изоляции, что позволило разработать новые конструкции защитных полимерных покрытий и технологию их нанесения.
На защиту выносятся результаты теоретических и экспериментальных исследований, методики расчёта, новые материалы, конструкции, технологии для строительства и ремонта объектов трубопроводного транспорта с использованием ГФГ.
Практическая ценность работы
Научные результаты, полученные в работе, применены при строительстве и ремонте газопроводов Уренгой-Новопсков, Челябинск-Петровск, Уренгой-Петровск, Шкапово-Тубанкуль, Ишимбай-Уфа, Ямбург-Поволжье.
Патенты и руководящие документы на новые конструкции и технологические процессы по способам прокладки, балластировке и ремонту трубопроводов внедрены при строительстве и ремонте промысловых и магистральных трубопроводов в «Главвостоктрубо-проводстрое», АК «Уралтрубопроводстрой», ОАО «Гипротрубопровод» АК «Транснефть», ООО «СМУ-4», ООО «Старстрой», ОАО «РИТЭК», «Нефтегазкомплектмонтаж».
Использование ГФГ в трубопроводном строительстве и внедрение результатов диссертационной работы позволили получить суммарный фактический экономический эффект 1 129,7 тыс. рублей в ценах 1984г.
Результаты работы реализованы в одном отраслевом стандарте, пяти отраслевых нормативных документах и одной рекомендации.
Теоретические и практические результаты работы использованы в 2-х учебных пособиях для вузов, методических указаниях и лекциях по курсам «Сооружение и ремонт трубопроводов», «Технология металлов и трубопроводно-строительные материалы».
Апробация работы
Результаты работы докладывались на международных, всесоюзных, всероссийских и республиканских совещаниях и конференциях:
Первой всесоюзной конференции «Проблемы освоения Западно-Сибирского топливо-энергетического комплекса» (г. Уфа, 1982 г.);
Третьей всесоюзной конференции «Проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа» (г. Ивано-Франковск, 1985 г.);
- Всесоюзной конференции «Проблемы научно-технического
прогресса в трубопроводном транспорте газа Западной Сибири» (г. Уфа,
1987 г.);
- Областной конференции «Применение достижений научно-техниче
ского прогресса при обустройстве нефтяных месторождений» (г. Тюмень,
1988 г.);
Девятой республиканской конференции «Проблемы развития газовой промышленности Западной Сибири» (г. Тюмень, 1988 г.);
Семинаре «Совершенствование технологии и оборудования процессов переработки и транспорта нефти» (г. Новополоцк, 1989 г.);
- Третьем конгрессе нефтегазопромышленников России (г. Уфа, 2001
г.);
- Всероссийской конференции «Трубопроводный транспорт нефти и
газа» (г. Уфа, 2002 г.);
- Международной конференции «Трубопроводный транспорт -
сегодня и завтра» (г. Уфа, 2002 г.);
Четвёртом конгрессе нефтегазопромышленников России (г. Уфа, 2003 г.);
Техническом Совете ОАО «ГИПРОтрубопровод» АК «Транснефть» (г. Москва, 2003 г.);
- Научно-техническом Совете института «Нефтегазпроект» (г.
Тюмень, 2003 г.)
- Секции «Защита трубопроводов от коррозии» научно-технического
Совета ОАО «ВНИИСТ» (г. Москва, 2003 г.);
Публикации
По теме диссертации опубликовано 46 работ, в том числе 1 монография, 1 авторское свидетельство и 10 патентов.
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы, включающего 190 наименований, изложена на 398 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков, 24 таблицы.
Анализ современного состояния защиты трубопроводов от коррозии изоляционными покрытиями
Срок службы металлических конструкций в естественных условиях окружающей среды часто относительно короткий. Продлить его можно в основном четырьмя способами, которые широко используются в практике [5]. К ним относятся: 1) изоляция поверхности сооружения от контакта с внешней агрессивной средой; 2) использование коррозионно-стойких материалов; 3) воздействие на окружающую среду с целью снижения ее агрессивности; 4) применение электрохимзащиты подземных металлических сооружений. . Классификация способов защиты трубопроводов от коррозии представлена на рис. 1.5. Первый способ носит название пассивной защиты. Он предусматривает: а) нанесение на поверхность металла слоя химически инертного относительно металла и окружающей агрессивной среды вещества с высокими диэлектрическими свойствами. В качестве защитных материалов применяют различного рода мастики, краски, лаки, эмали, пластмассы. Эти материалы жидкие в процессе нанесения, затем высыхают, образуя твердую пленку, которая обладает достаточной прочностью и хорошим сцеплением (адгезией) с поверхностью защищаемого металла.
Второй способ защиты — это применение коррозионно-стойких труб. Он осуществляется введением в металл компонентов, повышающих его коррозионную стойкость в данных условиях, или удалением вредных примесей, ускоряющих коррозию. Данный способ применяют на стадии изготовления металла, а также при термической и механической обработке металлических: деталей. Во многих случаях легирование металла, мало склонного к пассивации, металлом, легко пассивируемым: в данной среде,, приводит к образованию сплава, обладающего той же (или почти той же) пассивируемостью, что и легирующий металл. Таким путем получены многочисленные коррозионно-стойкие сплавы, например нержавеющие стали, легированные хромом и никелем. Однако широкое внедрение этого способа сдерживается высокой стоимостью нержавеющих металлов.
Сюда же можно отнести использование труб из титановых и алюминиевых сплавов, а также труб из неметаллических материалов, обладающих высокой химической стойкостью (асбестоцемента, бетона, керамики, стекла, пластмассы и т.д.). Однако изготовление изделий из коррозионно-стойких материалов не должно рассматриваться как отдельный способ защиты от коррозии: где нет коррозионного процесса, там нет и защиты от него.
Третий способ защиты трубопроводов от коррозии — это снижение агрессивности окружающей среды. Существует несколько методов, первый из них, получивший наибольшее распространение, предусматривает дезактивационную обработку агрессивной среды введением ингибиторов (замедлителей) коррозии. Действие ингибиторов сводится в основном к адсорбции на поверхности металла молекул или ионов ингибитора, тормозящих коррозию. К этому способу можно отнести и удаление агрессивных компонентов из состава коррозионной среды (деаэрация водных растворов, очистка воздуха от примесей и осушка его).
Обработка коррозионной среды различными ядохимикатами позволяет значительно снизить интенсивность деятельности микроорганизмов, что уменьшает опасность биокоррозии металлов.
При борьбе с подземной коррозией осуществляется обработка агрессивного грунта с целью обеспечения его деаэрации, гидрофобизации, нейтрализации щелочами или кислотами, а также производится частичная замена на менее агрессивный грунт или специальная засыпка. Последнее мероприятие может рассматриваться как защита изоляции и металла от прямого воздействия среды. Четвертый способ носит название активной защиты. Сюда относят: а) постоянную катодную поляризацию металлического сооружения, эксплуатирующегося в среде с достаточно большой электропроводностью. Такая поляризация, осуществляемая от внешнего источника электрической энергии, носит название катодной защиты. При катодной защите изделию придается настолько отрицательный электрический потенциал, что оно становится катодом и разрушение металла термодинамически невозможно; б) протекторную защиту, которая основана на катодной поляризации, вызванной электрическим контактом сооружения с металлом, обладающим более отрицательным электродным потенциалом, например стального сооружения с отливками из магниевых сплавов. Более электроотрицательный металл (магний) в среде с достаточно высокой электропроводностью подвергается разрушению, и его следует периодически возобновлять. Такой металл называется протектором, а метод — протекторной защитой; в) электродренажную защиту; к этому методу можно отнести мероприятия по борьбе с блуждающими токами, которые осуществляются по двум основным направлениям: предупреждение или уменьшение возможности возникновения блуждающих токов на самом источнике тока и проведение специальных работ на защищаемом подземном сооружении по отводу блуждающих токов. Защита подземных сооружений осуществляется размещением установок дренажной защиты (УДЗ), устройством электрических экранов, установкой изолирующих фланцев на трубопроводах [5]. Основными направлениями совершенствования борьбы с коррозией являются: применение новых конструкций и способов нанесения изоляционных покрытий; применение различных технологических мероприятий; использование ингибиторов; использование высокоэффективных и экономичных труб; совершенствование методов обследования действующих трубопроводов без нарушения режима их работы. Условия эксплуатации трубопроводов весьма многообразны, поэтому большой выбор имеющихся в настоящее время защитных покрытий, которые отличаются друг от друга как свойствами, так и технологией нанесения, позволяет во многих случаях успешно решать проблему борьбы с коррозией.
За последние годы в России ив ряде зарубежных фирм разработаны новые конструкции и способы нанесения изоляционных покрытий [6-50]. Подробный анализ этих работ рассмотрен автором в статье [51].
Основными причинами возникновения дефектов защитных изоляционных покрытий являются: 1) применение некачественных либо несоответствующих изоляционных материалов, при этом изменение показателей качества изоляционных материалов происходит в результате неправильных: транспортировки (деформация рулонов), хранения (засорения битума землей, обводнения битума при хранении под открытым небом) или приготовления (нарушения дозировки компонентов битумной мастики, перегрев мастики, чрезмерное разведение грунтовки растворителем) [52].
Физико-механический механизм структурирования гидрофобизированных грунтов
Для физического обоснования той или иной математической модели грунтов и их свойств необходимо провести изучение механизма взаимодействия скелета грунта с вяжущими продуктами и установить типы образуемых ими структур.
Ранее проведенные исследования [2, 63, 118] показывают, что взаимодействие грунтов с вяжущими продуктами представляет процесс, близкий к явлению физической адсорбции. Наиболее интенсивно адсорбируются асфальтены, причем 0,5% их содержания достаточно для придания грунту водостойкости. Карбены и карбоиды, входящие в состав вяжущего, выполняют роль твердых заполнителей, смолы - связующего, легкие масла — разжижителей.
Взаимодействие вяжущего со скелетом грунта зависит от структуры грунта и его физико-химических свойств.
Установлено, что при закреплении и гидрофобизации грунтов компоненты вяжущего обволакивают частицы глинистой фракции, при этом песчано-пылеватые фракции собираются в гнезда и линзы различной формы и величины. В песках при отсутствии достаточного количества глинистых частиц (которые являются активными центрами в грунтах, необходимыми для зарождения процессов адсорбции при взаимодействии вяжущего с грунтом) не удается создать прочной и водоустойчивой структуры вяжущегрунтовои смеси [63, 118,119].
В глинах из-за значительных связей между микрочастицами грунта невозможно добиться качественного перемешивания вяжущего с грунтом. Для закрепления и гидрофобизации органическими вяжущими продуктами можно использовать суглинки и супеси, а также грунтово-песчаные смеси [102, 115, 117]. На рис. 2.1 представлены схемы микроструктуры грунта в зависимости от дозировки вяжущего, которые получены на основании теоретических исследований [102, 112], анализа физико-механических свойств ГФГ и наблюдений микроструктуры грунта под микроскопом МБС-9. На рис. 2.2, 2.3 представлены фотографии микроструктуры грунтов. Рис. 2.1. Схемы микроструктуры грунтов в зависимости от дозировки вяжущего: а - 0%; б - 0-4%; в - 4-6%; г - 6-10%; д - более 10% При отсутствии вяжущего водоустойчивость и сцепление грунта низкие, а коррозионная активность максимальная. Структура грунта - раздельно-зернистая (рис. 2.1, а). При увеличении дозировки вяжущего до 4% практически получить однородную вяжущегрунтовую смесь не удается. В смеси имеются участки микрочастиц грунта с порами, заполненными вяжущим продуктом и участки минерального грунта. Структура грунта смешанная - преобладает раздельно-зернистая и, в меньшей степени, зернисто-плёнчатая (рис. 2.1, б).
При дальнейшем увеличении дозировки (до 6%) происходит полное заполнение пор между микрочастицами грунта и обволакивание микрочастиц пленкой из вяжущего продукта (дозировка 8%). При этом еще остаются микрочастицы грунта, имеющие непосредственную (когезионную) связь между собой. Структура грунта смешанная — зернисто плёнчатая, но имеются участки с раздельно-зернистой структурой (рис. 2.1, в).
При увеличении дозировки вяжущего до 10% количество когезионных связей между микрочастицами грунта уменьшается. Все микрочастицы грунта обвалованы пленкой вяжущего продукта. При этом наблюдается максимальное значение- коэффициента водоустойчивости и сцепление. Структура грунта -зернисто-плёнчатая (рис. 2.1, г).
Дальнейшее увеличение дозировки увеличивает только толщину пленки из вяжущего продукта между микрочастицами грунта, что подтверждается выносом вяжущего из ГФГ при уплотнении. Поэтому при дозировке вяжущего более 10% коррозионная активность уменьшается менее интенсивно. А за счет увеличения расстояния между микрочастицами грунта и ослабления связей происходит уменьшение сцепления,- коэффициента водоустойчивости и временного сопротивления сжатию, а также, возрастание водонасыщения и набухания. Структура грунта — агрегативная (рис. 2.1, д).
Таким образом, изменение свойств минеральных грунтов при смешении их с нефтяными дисперсными системами (НДС), например с нефтяным вяжущим веществом ВМТ-Л, во многом зависит от результатов их контактных взаимодействий. Как результат молекулярно-поверхностных эффектов на границе раздела фаз в закрепленном грунте наибольшее значение имеет процесс адсорбции активных компонентом НДС на поверхности частиц минерального материала. С этим процессом, во-первых, прежде всего, связана гидрофобизация поверхности, а следовательно, и повышение водоустойчивости грунта, а во-вторых, способность заметно повышать механическую прочность минерального грунта в целом [118].
Сопоставление данных адсорбции асфальтенов на грунтах подтверждает, что с увеличением содержания воды в грунте обеспечивается утолщение гидратных слоев, в результате чего затрудняются адсорбционные процессы, Рис. 2.2. Микроструктура песка при различной дозировке вяжущего: а - к=0%; б - А=6%; в - =10%; г - =15% вследствие этого происходит общее расстройство грунтовой системы. Максимальное количество воды в грунте, при котором еще наблюдается адсорбция асфальтенов для суглинка - 25-26% (по массе), а для песка - не более 5-7% (по массе). Интенсивное нарастание механической прочности закрепленного грунта объясняется повышением когезии остатка после испарения легких компонентов вяжущего вещества. Необходимо обращать особое внимание на когезию вяжущего вещества потому, что она будет в основном предопределять прочностные показатели ГФГ. Модифицирование свойств вяжущих веществ различными добавками позволяет создать новою структуру грунта с более высокими физико-механическими характеристиками.
Лабораторные исследования влияния обсыпки из гидрофобизированных грунтов на свойства изоляционных покрытий трубопроводов
Изменение состояния изоляционного покрытия вследствие протекания процессов старения приводит к постепенному монотонному снижению переходного сопротивления изоляции «труба-земля».
При планировании экспериментов было установлено, что по данным разных" исследователей величина случайных ошибок Ах в экспериментах на грунте составляет от 10-20% до 50-100% [4, 121, 122, 126]. Одним из способов уменьшения случайных ошибок является увеличение числа измерений, поэтому необходимо рассчитать количество измерений, с тем чтобы случайная ошибка практически не играла роли. С этой целью выполняются оценочные расчеты достоверности получаемых результатов. Систематическая ошибка 8, определяемая классом точности прибора (А,. V), составляет примерно 0,1%. Уменьшать случайную ошибку целесообразно только до тех пор, пока общая погрешность измерения не будет полностью определяться систематической ошибкой [122, 142]. Для этого необходимо, чтобы доверительный интервал, определенный со стандартной степенью надежности а = 0,95, был существенно меньше величины систематической ошибки: АХ«д. (3.18) Практически для экспериментов на грунте можно ограничивается выполнением следующего требования [111]: АХ« . (3.19) Тогда необходимое количество опытов определим из соотношения: г Тп (3-20) где Sx— средняя квадратичная ошибка единичного результата. Примем Ах = 20 %, откуда с доверительной вероятностью а = 0,95: S . (3.21) Вычислив Sx по (3.21) и подставив в (3.20), окончательно получим п -4-Ю4. Практически такое число опытов для получения единичного результата выполнить невозможно. В этом случае рекомендуется менять методику эксперимента с целью исключения большой случайной ошибки.
Представляется возможным только единственный путь: проведение натурного эксперимента по определению фактического влияния обсыпки из ГФГ на изменение переходного электросопротивления на трубах диаметром, соответствующим реальному трубопроводу в условиях максимально приближенных к реальным (трассовым). При такой постановке эксперимента случайная ошибка сводится к минимуму. На данном этапе лабораторных исследований ставилась задача определения качественного изменения переходного сопротивления 148 изоляционных покрытий в ГФГ и определение свойств изоляционных покрытий после выдержки в ГФГ за значительный период времени. Образцы труб, заложенных на долгосрочное изучение свойств изоляционных покрытий трубопроводов и коррозии металла труб, имели следующие параметры: - длина образцов труб L = 0,5 м; - диаметр труб D = 0,06 м; - площадь поверхности труб F-w D- -0,1 м2. Ячейки для хранения образцов труб тщательно заизолированы двумя слоями изоляционной пленки, поэтому электрический контакт между ячейками исключен.
Образцы труб заизолированы одним слоем полимерной пленки «Поликен 980-25». Торцы образцов труб тщательно заизолированы и покрыты гидрофобизированным слоем воска для исключения электрического контакта внутренней полости трубы с грунтом. На поверхности ячеек выведены тщательно заизолированные провода, подсоединенные к концам труб.
Образцы труб уложены в обвалование из минерального грунта и грунта, гидрофобизированного вяжущим ВМТ-Л. Условия закладки образцов: 1) песок, гидрофобизированный вяжущим ВМТ-Л; 2) песок минеральный;: 3) суглинок, гидрофобизированный вяжущим ВМТ-Л; 4) суглинок минеральный; 5) супесь, гидрофобизированная вяжущим ВМТ-Л; 6) супесь минеральная; 7) засоленный суглинок, гидрофобизированный вяжущим ВМТ-Л; 8) засоленный суглинок минеральный. Перед закладкой образцов проводилась контрольное измерение влажности и удельного электросопротивления грунтов. Результаты измерений приведены в табл. 3.1. 149 Таблица 3.1 Значения влажности и удельного электросопротивления грунтов Удельное № образца Влажность, % электросопротивление грунта, Ом-м 1 6,7 64,9 9 6,7 31,1 3 17,6 46,2 4 17,6 20,9 5 9,8 52,2 6 9,8 21,1 7 18,2 24,1 8 18,2 5,8 Образцы труб заложены в период с 6.01.90 г. по 10.01.90 г. Последние измерения переходного сопротивления «труба-земля» методом трубопровода. конечной длины были проведены 11.11.99 г., т. е. испытания проводились в течение почти 10 лет. Определение переходного сопротивления покрытий методом трубопровода конечной длины проводили в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51164-98. Сущность метода состоит в катодной поляризации полностью построенного и засыпанного участка трубопровода и оценки переходного сопротивления по смещению разности потенциалов «труба-земля» и силе поляризующего тока, вызывающей его смещение. Переходное сопротивление вычисляли по результатам измерения смещения потенциала при заданной силе тока на участке трубопровода определенной длины и диаметра.
Определение рационального состава органических веществ для ремонта изоляционных покрытий трубопроводов методом восстановления
Разработка перспективных составов органических веществ, предназначенных для восстановления изоляционных покрытий магистральных трубопроводов, производилась совместно с научными сотрудниками кафедры химии БГПИ, которые осуществляли выбор компонентов: и обеспечение технологических параметров органических веществ, определение их физико-химических и механических свойств [63, 92, 118]. Автором определены основные защитные свойства изоляционных покрытий, которые нормируются требованиями ГОСТ Р 51164-98 (переходное сопротивление «труба-земля», адгезия, прочность при ударе, сплошность), до и после обработки вяжущими продуктами.
Выбор наилучшего состава вяжущих веществ производился на основании основных требований, которые предъявляются к изолирующим покрытиям. Покрытия должны: 1) обладать высокими диэлектрическими свойствами, влагонепроница-емостью, эластичностью, механической прочностью; 2) иметь хорошую адгезию как к металлу, так и к другим изоляционным покрытиям; 3) быть сплошным на всей поверхности защищаемого сооружения, химически стойким и не вступать во взаимодействие с металлом и окружающей средой, быть стойким против действия бактерий. Основными составляющими компонентами вяжущих веществ для ремонта изоляционных покрытий трубопроводов являются растворители, загустители и наполнители. Важнейшим компонентом вяжущих веществ, выполняющим роль жидкой; малополярной среды и определяющим все функциональные свойства продуктов, являются растворители. Выбор объектов исследования растворителей обусловлен эксплуатационными требованиями разрабатываемого продукта. В качестве объектов исследования служили следующие вещества: легкий вакуумный газойль (ЛВГ), легкий газойль коксования (ЛГК), бензин коксования (БК), флегма термического крекинга (ФЛК), смола пиролиза бензина (СПБ), бензин керосиновая фракция (БКФ), кубовые остатки смолы производства полиалкилбензола и др. [63, 118].
В качестве загустителей и вяжущих веществ используют твердые окисленные углеводороды, полимерные и пленкообразующие вещества, жидкие высыхающие масла, мыла органических кислот, латексы, каучук, битумы и силикагели. В вяжущие вещества иногда вводят один загуститель, а чаще два-пять. При составлении композиции загустителей используют установленные закономерности по получению двойных синтетических смесей загустителей типа «битум-каучук», «мылополимеры», «воскополимеры», а также тройных и более сложных композиций, в которых каждый компонент несет свою функциональную нагрузку. С этих позиций проведены исследования свойств гудрона арланской нефти (ГАН), вакуумированного крекинг-остатка (ВКО), асфальта деасфальтизации гудрона (АДГ), тяжелой смолы пиролиза (ТСП), кубовых остатков синтетических жирных кислот (СЖК), кубовых остатков высших жирных спиртов (ВЖС), гача, петролатума, эпоксидированного каучука (ЭК) марки ПДК-ЗАК с отвердителем, битума БН 90/10 (БН), отходов производства синтетического этиленпропиленового каучука (СКЭПТ) и др. В качестве отвердителя для ЭК использовали полиэтиленполиахмины (ПЭПА) [63, 118]. Наполнители представляют собой твердые частицы различных веществ и вводятся в состав вяжущих для придания им структурной и механической прочности. Они образуют со структурой вяжущих продуктов фазовые границы раздела и стабилизируются в ней в виде коллоидной дисперсии поверхностно-активными компонентами. Наполнители повышают прочность, теплостойкость, улучшают эластичные и пластические свойства.
Основными требованиями, предъявляемыми к наполнителям, являются тонко дисперсность, низкая влагонасыщаемость, гидрофобность, устойчивость к воздействию различных агрессивных сред. В качестве объектов исследования служат отходы содово-цементного (ЦСП), шиферного и асбестоцементного (АЦП) производства, отходы производства алюмосиликатного катализатора, отработанный катализатор каталитического крекинга,. цемент, а также MgO и СаО.
Кафедрой химии БГПУ изучены свойства различных компонентов и на основе проведения научно-исследовательских работ предложен ряд вяжущих композиций и веществ для дальнейших исследований по определению возможности восстановления изоляционных покрытий подземных магистральных трубопроводов. Автором производилось определение основных защитных свойств изоляционных покрытий до и после обработки предложенными составами вяжущих продуктов, а также оценка технологических параметров и стоимости. Результаты экспериментальных исследований представлены в приложении Б. Наилучшие результаты у вяжущих веществ с составами: (70% ВКО, 30% ФЛ) + 50% БН+-15% ЭК (2% ПЭПА); (60% БН, 40% ФЛ) + 15% ЭК (2% ПЭПА); (60% БН, 40% СПБ) + 15% СКЭПТ; 63% БН; 37% СПБ. Физико-химические свойства данных составов и их компонентов опубликованы в работе [92]. Для; гидроизоляции трубопроводов и защиты их от коррозии в практике часто используются битумы как: с наполнителями, так и без наполнителя. Битумная пленка почти непроницаема для воды, обладает большой химической устойчивостью и в очень малой степени набухает. В качестве растворителей используются СПБ и флегма. Смола пиролиза бензина - продукт пиролиза бензина, представляет собой черный продукт, который при хранении загустевает, в воде практически нерастворим, содержит до 70% ароматических углеводородов. Флегма обладает высокой растворяющей способностью, что обеспечивает агрегативную устойчивость и невысокую вязкость, содержит до 73j8% ароматических углеводородов. Каучуковые добавки в вяжущих продуктах повышают не только деформативную способность, но и динамическую прочность и стойкость. Вяжущие вещества с каучуковыми добавками обладают значительной химической стойкостью при воздействии минерализованных грунтовых вод, а также достаточно высокой атмосфероустойчивостью. К тому же введение каучуков — это один из способов повышения морозостойкости [92].
Как видно из приложения Б, защитные свойства изоляционных покрытий после обработки вяжущими продуктами на основе ВКО, гача, АДГ, петролатума, ГАН улучшались незначительно. Наилучшие свойства у вяжущих с добавками каучука (ЭК и СКЭПТ) или на основе битума.
