УДК 620.197:691.5:628.15

Ким И.Л., Маслов Е.Б.

Новые технологии внутренней цементсодержащей футеровки стальных труб

Сибирский государственный университет путей сообщения

Эта статья о разработке технологии сухого формования внутреннего покрытия стальных труб. Исследован процесс водонасыщения цементно-песчаной смеси и изменения ее консистенции. Подобран состав покрытия, обеспечивающий высокие защитные свойства.

Ключевые слова: технология сухого формования; водонасыщение цементной смеси; цементно-песчаная облицовка.

This article is about developing the technology of dry forming internal coating steel pipes. Investigated the water saturation of the cement-sand mixture and changes in its consistency. Selected the coating composition, which provides high protective properties.

Keywords: dry forming technology; water saturation of cement mix; cement-sand coating.

Трубопроводы являются капиталоемкой и весьма ответственной составляющей транспортной системы водоснабжения, рассчитанной на долговременную безаварийную эксплуатацию. Однако техническое состояние трубопроводов, более 70% которых состоят из стальных труб, с каждым годом ухудшается, главным образом в связи с коррозией. В результате коррозии и деятельности биобактерий во внутренней полости трубопроводов, существенно ухудшается качество воды, поставляемой от очистных сооружений к потребителям.

Единственный способ существенно повысить долговечность стальных трубопроводных систем – проведение антикоррозионных мероприятий, которые обеспечат их сохранность в течение всего срока службы. Из всех видов антикоррозионных покрытий наиболее надежную защиту обеспечивают тонкостенные цементно-песчаные облицовки. Срок службы стальных труб с внутренним цементно-песчаным покрытием превышает 50 лет.

При непосредственном участии авторов разработана новая технология создания внутренней цементно-песчаной облицовки методом сухого формования, отличающаяся простотой и надежностью. Сущность способа сухого формования изделий на основе цемента заключается в укладке в форму сухой цементно-песчаной смеси, ее уплотнении прессованием и последующим водонасыщением.

Применительно к изоляции труб процесс нанесения покрытия состоит из ряда последовательных операций. Сначала поверхность трубы увлажняется, по смоченной поверхности распределяется сухая цементно-песчаная смесь, которая пропитывается влагой и прилипает к стенке трубы, образуя слой требуемой (6-8 мм) толщины. Маловлажный слой уплотняется и разравнивается при помощи массивного катка, после чего дополнительно насыщается водой [1].

Консистенция смеси на контакте с поверхностью трубы меняется от литой до особо жесткой. По мере увеличения толщины покрытия за счет действия капиллярных сил происходит отток воды от контактного слоя и самопроизвольное распределение жидкости по всему объему,  при этом вытесняется газообразная фаза. Высокая подвижность смеси в начальный момент затворения обеспечивает наибольшую площадь контакта и, в итоге, высокую адгезию облицовки к поверхности трубы, одну из основных характеристик качества покрытия. Так, значения адгезионной прочности (на отрыв) со стальной подложкой у сухосформованных образцов в 1,5 –2 раза превышают аналогичные показатели у образцов, изготовленных традиционным замешиванием [2].

В результате исследований цементно-песчаных смесей с различным соотношением песка и цемента установлено оптимальное значение начального водосодержания слоя покрытия, минимальная величина которого ограничивается величиной внутреннего сцепления смеси, достаточного для получения устойчивого от осыпания слоя. Так, установлено, что неосыпающийся слой можно сформировать уже при водоцементном отношении (В/Ц) равном 0,12-0,14. С другой стороны, слой должен иметь такую влажность, чтобы его можно было уплотнять прокаткой, не опасаясь налипания смеси на каток. Установлено, что верхнее значение В/Ц должно быть ограничено на уровне 0,18-0,20, и это значение предпочтительнее при формировании слоя, так как при таком водосодержании смеси имеют меньшую связность, и, следовательно, лучше уплотняются прокаткой.

Последующее увеличение количество воды в слое покрытия уже после его уплотнения в значительной степени определяет эксплуатационно-технические характеристики материала облицовки. Как уже отмечалось выше, по мере увеличения толщины слоя происходит отток воды от поверхности контакта покрытия со стальным основанием и выравнивание влажности по толщине слоя, в то время как реакция межфазного взаимодействия происходит в присутствии достаточного количества влаги.  Установлено, что при увеличении В/Ц от 0,20 до 0,32 прочность сцепления (на отрыв) образцов сухого формования увеличилась с 15 до 44 кПа, то есть почти в 3 раза.

Столь же благоприятно отразилось увеличение водосодержания и на других показателях качества: водопоглощение по массе снизилось с 12,5 до 10,2%, прочность на сжатие возросла с 15 до 33 МПа. При сухом формовании увеличение количества воды затворения приводит к вытеснению газообразной фазы, способствует стяжению объема цемент-вода и, как следствие, происходит некоторое доуплотнение смеси, растет плотность материала. Дальнейшее повышение в/ц сверх оптимального значения лишь увеличивает объем несвязанной воды и капиллярную пористость и, таким образом, негативно отражается на качестве покрытия.

На физико-механические свойства материала облицовки и прочность его сцепления с поверхностью трубы оказывают влияние как состав покрытия (соотношение цемента и песка, его крупность, В/Ц, вид и количество модифицирующих добавок), так и технологические факторы. Исследование влияния этих факторов на технические характеристики покрытия проводилось при их варьировании в многофакторных экспериментах. Так, для облицовок наилучших составов получены следующие характеристики:

прочность сцепления на сдвиг при

продавливании облицовки в  трубе                            1,8 – 2,0 МПа

прочность материала покрытия на сжатие                 40 - 42 МПа

прочность на растяжение при  изгибе                         7,8 – 8,5 МПа

водопоглощение по массе                                            8 - 9 %

Полученные показатели свидетельствуют о хорошем качестве покрытия и о его высокой защитной способности. Обследование опытной партии облицованных труб, врезанной на участке действующего водопровода, после трех лет эксплуатации подтверждает этот вывод. Нарушения сплошности и дефектов (трещин, отслаивания, разрушения) покрытия, в том числе и в зоне сварных швов не обнаружено, следов коррозионных поражений под облицовкой нет.

В настоящее время авторами разрабатывается новый способ футеровки, который, как и технология сухого формования, не нуждается в применении технически сложных механизмов и дорогостоящих материалов, но вместе с тем позволяет создавать качественное минеральное покрытие. Способ основан на использовании литых цементсодержащих смесей. Применение смесей литой консистенции имеет существенные достоинства:

во-первых, они технологичны, и на основе несложных приемов можно получить слой покрытия;

во-вторых, смеси литой консистенции в значительной степени увеличивают прочность сцепления покрытия  со стенкой трубы, что является одним из важнейших показателей качества;

в-третьих, поверхность покрытия из литой смеси имеет малую шероховатость, что благоприятно отражается на гидравлических характеристиках облицованных труб.

Тем не менее, есть ряд негативных факторов, которые ограничивали применение литых смесей. Ввиду малого внутреннего сцепления литые смеси склонны к оплыванию, поэтому до сих пор не удавалось создать слой покрытия требуемой (3 мм и более) толщины. Еще одна проблема заключается в том, что введение в состав цементных растворных смесей избыточного количества воды для улучшения удобоукладывемости приводит к неблагоприятным последствиям: ухудшаются такие важнейшие эксплуатационные свойства как прочность, плотность, водонепроницаемость конечного изделия – минеральной облицовки.

Основной задачей в настоящее время является подбор состава цементсодержащей композиции, удовлетворяющей следующим основным требованиям:

при сохранении литой консистенции необходимо получить неоплывающий слой  требуемой толщины;

затвердевшее покрытие из литой смеси должно иметь надлежащее качество – высокую прочность, плотность и адгезию к стали, низкую проницаемость и усадку. Выполнение этих требований непосредственно определяет долговечность системы сталь-облицовка.

Поставленные задачи невозможно решить без использования современных строительных материалов, специальных многокомпонентных модифицирующих комплексов, которые вводятся в растворную смесь для улучшения потребительских свойств изделий.

Целесообразно применение добавок суперпластификаторов, которые в значительной степени увеличивают подвижность мелкозернистых смесей. Еще больший эффект достигается при совместном использовании пластифицирующих добавок и ультрадисперсных наполнителей, способствующих уплотнению структуры песчаного бетона. Введение в состав смесей расширяющихся добавок компенсирует усадку цементной матрицы, а добавки-ускорители схватывания позволят сократить продолжительность технологического цикла нанесения покрытия. Таким образом, использование многокомпонентных систем позволит управлять структурообразованием на всех этапах создания качественной цементсодержащей облицовки с высокой защитной способностью.

В настоящее время на экспериментальной установке ведется отработка технологических параметров с целью стабильного получения гладкого бездефектного покрытия заданной толщины в трубах, на образцах–отрезках труб такой результат уже достигнут.

Литература

1. Баталов В.Г., Маслов Е.Б., Нижевясов В.В. Особенности нанесения цементно-песчаного покрытия на внутреннюю поверхность стальных труб методом сухого формования/ Известия вузов. Строительство, 1997 г., №10, С.69-72.

2. Баталов В.Г., Маслов Е.Б., Нижевясов В.В. Оптимизация состава цементно-песчаной облицовки стальных труб, создаваемой по технологии сухого формования/ Известия вузов. Строительство, 1998 г., №1, С.51-57.