Труды всероссийской научно — практической конференции «Актуальные вопросы и инновационные решения в нефтегазовой отрасли», Самара 2020 г.

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРНОЙ АРМАТУРЫ ПРИ ОБУСТРОЙСТВЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Зельцер Г.А. ZeltserGA@samnipi.rosneft.ru ООО «СамараНИПИнефть», г. Самара

Аннотация
В работе рассматривается применение композитных материалов при обустройстве месторождений. С помощью ультразвука установлено влияние низких температур на стеклопластиковую арматуру.
Ключевые слова: стеклопластиковая арматура, обустройство месторождений.
Abstract
The paper considers the use of composite materials in the field development. The effect of low temperatures on fiberglass reinforcement using ultrasound has been established.
Keywords: fiberglass reinforcement, field development.

               Основным направлением в строительстве в условиях рыночной экономики является эффективное производство, повышение качества, надежности и долговечности возводимых зданий и сооружений. Строительные технологии постоянно совершенствуются. На смену традиционным материалам приходят новые, обладающие улучшенными эксплуатационными характеристиками. В результате активного сотрудничества научных учреждений и промышленных предприятий разработана пластиковая арматура, являющаяся перспективным материалом. Область применения не ограничивается использованием для фундамента зданий в строительной отрасли.

               Композитная арматура уверенно конкурирует с металлическими прутками, постепенно заменяет их при решении круга определенных задач. Стальные стержни нецелесообразно использовать в области дорожного строительства, мостостроительной отрасли, при устройстве фундаментов, где высока вероятность их постепенного разрушения под влиянием агрессивной среды. Полимерную арматуру пока что нецелесообразно использовать при жилом строительстве, т.к. связующий компонент имеет низкую температуру плавления, порядка 150-200 0C

               Раньше применение композитной арматуры повсеместно было невозможно из-за отсутствия нормативных документов, регламентирующих выпуск качественной продукции, сейчас же есть ГОСТ 31938-2012 «Арматура композитная полимерная» [1] и что более важно СП 295.1325800.2017 «Конструкции бетонные, армированные полимерной композитной арматурой. Правила проектирования» [2]

               К основным положительным характеристикам можно отнести следующие особенности:
— высокая стойкость к коррозии, в отличие от металлического конкурента, стеклопластик вообще спокойно переносит длительный контакт с водой.
— непроводимость электрического тока,
— низкая теплопроводность, что позволяет экономить при отделочных работах на утеплении.
— устойчивость к низким температурам, арматура способна выдерживать длительную заморозку и разморозку.
— высокая прочность,
— малый вес
• Несмотря на значительную популярность и эффективность, этот материал имеет и некоторые недостатки.
• Эти недостатки не критичны, но забывать о них не стоит. К ним относятся следующие характеристики:
• -стеклопластиковая арматура не выдерживает воздействия высоких температур.
• — низкий модуль упругости,
• — постепенное снижение прочности,
• — разрушение под воздействием щелочных реакций.
— Арматура из стеклопластика плохо гнется. Существует такой метод, когда выполнить гнутые участки арматурного каркаса можно и из стальных элементов, а затем нарастить их при помощи стеклопластиковых прутков. Стержни с композитным наполнителем производятся из различных видов волокон. Пластиковая арматура классифицируется следующим образом:
— арматура стеклопластиковая (АСП). Ее основой является стекловолоконный наполнитель. Поперечно расположенные спиральные рифли повышают сцепление стеклопластиковых прутков с бетоном. Строители устанавливают устойчивые к воздействию влаги стержни в фундамент и покрытия автомагистралей;
— базальтопластиковая (АБП). Включает волокна из базальта, благодаря которым прутки приобретают черный цвет. Базальтовые стержни внешне выделяются, так как арматура стеклопластиковая имеет светлый или кремовый оттенок. Базальтопластиковые прутки превосходят стеклопластиковые стержни по устойчивости к растяжению, модулю упругости и стойкости к агрессивным жидкостям, что сказывается на их цене;
— углепластиковая (УГП). Является разновидностью композитных элементов усиления, характеризуется мелкой структурой армирующего материала. Основой углепластиковых прутков является карбон, положительно зарекомендовавший себя при изготовлении композитных бетонов. Увеличенная цена компенсируется эксплуатационными характеристиками, легкостью работы с углепластиковыми стержнями;
— комбинированная (АКК). Представляет собой полимерные стержни, при изготовлении которых используется стекловолоконный и базальтоволоконный наполнитель. Специалисты называют такие прутки стеклобазальтовыми и применяют для решения специальных задач.

                 Области применения полимерной арматуры Применение полимерной арматуры в нефтегазовой отрасли наиболее целесообразно при устройстве фундаментов под АГЗУ, БДР, дренажные емкости, КТП, камеры прима и пуска, в фундаментах прочих сооружений. Площадка установки БДР

POLIMERNOY ARMATURY PRI OBUSTROYSTVE

Рис.1. – Применение арматуры при строительстве площадки БДР.

                  Это эффективно в экономическом плане, высокая прочность стеклопластиковых стержней, позволяет произвести равнопрочностную замену металлической арматуры на стеклопластиковую меньшего диаметра. К тому же композитная арматура не подвержена коррозии, и соответственно убережет фундамент от разрушения, вызванного коррозией металлической арматуры. К тому же монтаж композитной арматуры гораздо проще чем металлической и происходит намного быстрее. На этом область применения полимерной арматуры не заканчивается, также возможны применения при обустройстве дорожных покрытий (в случаях когда не используются сборные конструкции), укрепления откосов, строительстве ограждений, изготовления бетонных изделий, требующих обеспечения преднапряженного армирования (столбов, плит, шпал, траверс), возведения эстакад, мостовых конструкций, путепроводов.
Технология производства полимерной арматуры
Обработка ровинга

POLIMERNOY ARMATURY PRI OBUSTROYSTVE

Рис.2.– Сырье для производства стеклопластиковой арматуры

                      Стеклоровинг – основа композитной арматуры, который получают путём расплава алюмоборосиликатного стекла. Материал вытягивается в нить сечением в 10–20 микрон, затем нити пропитываются замасливателем и сплетаются в пучки. Изначально основной материал располагается на специальных стеллажах, которые равномерно подают его дальше по линии. Собранные в плотный пучок нити сушатся и подогреваются горячим воздухом, а затем нагретый ровинг проходит через пропиточную ванну, полностью погружаясь в эпоксидную смолу. Узел пропитки – это механизм с четырьмя желобами, по которым протягиваются нити различных диаметров (от 12 до 18 мм). После обработки ровинг попадает в формообразующую фильеру, которая определяет диаметр будущего стройматериала, а затем – на обмотку жгутом, которая подгоняет толщину стержней до определённого параметра и обеспечивает прочность при контакте с бетонной основой. Те изделия, что получились нужной толщины, остаются в виде готовой продукции, а те, что тоньше, дополнительно обсыпаются песком. Обмотчик, как и узел пропитки, состоит из четырёх ручьёв и работает от двух ременных электродвигателей. Благодаря круговой траектории вращения, намоточное устройство позволяет получить изделия правильной цилиндрической формы. Сформированные изделия попадают в магнезитовую туннельную печь длиной в 8 м, чтобы произошли остаточные химические реакции (полимеризация смол). Готовые, но ещё раскалённые изделия отправляются в ванну, наполненную проточной водой, для охлаждения до комнатной температуры. Последний шаг – это автомат резки, делящий материал на пруты по заданным параметрам. Поскольку даже на самых простых станках используется дисковая пила с алмазным напылением, срез получается точным и ровным. Конвейерная линия изготовления композитной арматуры полностью автоматизирована и управляется программным блоком. Перед началом производства арматуры все необходимые параметры будущих изделий задаются инженером-оператором. Композитная арматура успела получить множество положительных отзывов со стороны специалистов в строительной сфере. По самым скромным оценкам, её производство в малых масштабах способно окупиться уже через полтора года при условии полного сбыта товара. Стеклопластиковый материал надёжен, устойчив к внешним разрушительным факторам, легко транспортируется Эксперимент

                        Задача эксперимента: Установить влияние низких температур на стеклопластиковую арматуру с помощью ультразвука. Известно, что на скорость распространения ультразвука существенно влияет плотность материала. Поэтому было решено провести эксперименты на образцах подверженных климатическим испытаниям – замораживанию-оттаиванию [5] для оценки хранения арматуры на строительной площадке. Для начала проведения испытаний стеклопластиковую арматуру, изготовленную по ГОСТ 31938-2012 [2] и по ТУ23.14.12-001-02112619-2019 диаметрами 4, 6, 8 мм разрезали на равные части, длина каждого образца 250 мм Всего было сделано по 3 экземпляра каждого диаметра (для выведения более точных значений) для проведения нескольких циклов замораживания-оттаивания образцов. Первое измерение скорости ультразвука было сделано до проведения испытаний, чтобы зафиксировать исходные значения
Для начала все образцы помещались в емкость с водой, чтобы вода заполнила все свободные поры в арматуре. Длительность данной процедуры составляла 4-5 часов

                    Затем образцы помещались в морозильную камеру на такой же промежуток времени 4-5 часов [5], в расчете на то, что вода проникшая во все свободные поры образцов начнет расширяться, разрушая образцы изнутри, создавая поры, тем самым позволяя нам поймать с помощью ультразвука изменения физических свойств материала. Далее образцы высушивались в духовой печи при температуре 60 С. После этого цикл считался законченным и образцы снова помещались в воду. Показатели скорости распространения ультразвука в образцах снимались каждые 10 циклов. Измерения проводилось при помощи дефектоскопа Пульсар-2.2 с частотой ультразвуковой волны, равной 60 кГц. Измерение проводится методом сквозного прозвучивания [6], [8]

                      При проведении испытаний было выявлено, что скорость распространения ультразвука в различных образцах с различным диаметром от 4 до 6 мм одинаковая, также было установлено, что скорость ультразвука не изменяется после климатических испытаний в образцах, сделанных по ГОСТ, и напротив, изменяется для образцов, сделанных по ТУ. Также образцы, изготовленные по ГОСТ не имеют внешних дефектов после испытаний, в отличии от образцов сделанных по ТУ, различные дефекты приведены на рисунке 3.

POLIMERNOY ARMATURY PRI OBUSTROYSTVE

 Рис.3.– Дефекты на арматурных стержнях: 1) Отслоение ребер арматуры; 2) Характерные черные пятна вдоль волокон

После проведения климатических испытаний, все образцы были сданы на рентгеноскопию, в расчете на то, что мы увидим на снимках повреждения или дефекты. На снимке мы не увидели повреждений.
В ходе проведения эксперимента было выявлено:
а) У всех образцов, изготовленных по ГОСТ до и после проведения испытаний показатели не изменились, внешние дефекты отсутствуют.
б) У всех образцов, изготовленных по ТУ после проведения испытаний, выявлена потеря скорости ультразвука, что дает нам понять, что количество пор в образцах увеличилось, также после испытаний присутствуют заметные дефекты.
в) Из пункта б) следует, что при низком качестве арматуры, можно оценить климатические воздействия, с помощью ультразвука и напротив, если арматура изготовлена с соблюдением всех норм, то оценку климатических воздействий на нее с помощью ультразвука дать невозможно.

Заключение

                  Высокие эксплуатационные свойства композитной арматуры позволяют использовать ее в различных областях. Материал уверенно конкурирует со сталью, благодаря комплексу положительных качеств. При соблюдении всех норм технологии производства полимерной арматуры, ее можно широко использовать при обустройстве нефтегазовых месторождений, экономя при этом значительные средства.

Список используемых источников информации:

1. ГОСТ 31938-2012. Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций.
2. СП 295.1325800.2017. Конструкции бетонные, армированные полимерной композитной арматурой. правила проектирования.
3. Гиздатуллин А.Р., Хозин В.Г. Особенности испытаний и характер разрушения полимеркомпозитной арматуры. Инженерно-строительный журнал, №3, 2014.- с. 40-47.
4. Обзор современных акустических методов неразрушающего контроля полимерных композиционных материалов, применяемых в России и за рубежом при изготовлении и эксплуатации изделий авиационной техники. Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника» №1, 2014
5. Булманис В.Н. Эксплуатационная устойчивость полимерных волокнистых композитов и изделий в условиях холодного климата : Автореф. дис. на соиск. учен. степ. д. т. н / Моск. авиац. технол. ин-т им. К.Э. Циолковского. — Якутск, 1989. — 32 с. : ил. — Список работ авт.: с. 29-32
6. Мурашов В.В.. Румянцев А.Ф. Диагностика полимерных композиционных материалов акустическими методами.// Авиационные материалы. Избранные труды. – Москва,ВИАМ, 2007. с. 342-347.
7. Мурашов В.В.. Румянцев А.Ф. Контроль многослойных клееных конструкций из полимерных композиционных материалов.// Авиационные материалы. Избранные труды. – Москва,ВИАМ, 2007. с. 342-347.
8. Генералов А. С., Мурашов В. В., Далин М. А., Бойчук А. С. Диагностика полимерных композитов ультразвуковым реверберационно-сквозным методом // Авиационные материалы и технологии. М.: ВИАМ. 2012. № 1. С. 42-47. 9. Ермолов И. Н., Ермолов М. И. Ультразвуковой контроль. Учебник для специалистов первого и второго уровня квалификации. Издание пятое, стереотипное. М.: 2006 – 208 с.
10. Поляков В. В., Головин А. В. Упругие характеристики пористых материалов // ПМТФ.1993. Т. 34, № 5. С. 32–35.
11. G. Wróbel, S. Pawlak. Ultrasonic evaluation of the fibre content in glass/epoxy composites. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. Volume 18. September–October 2006. P. 187-190.

12. Mahoor Mehdikhani, Larissa Gorbatikh, Ignaas Verpoest. Voids in fiber-reinforced polymer composites: A review on their formation, characteristics, and effects on mechanical performance. Journal of composite materials 4, 2018. P. 19-21.
13. Потапов А.И. Оценка связи прочности и скорости ультразвука в стеклопластике // Записки Горного института. 2018. Т. 230. С. 176-184.