балластный материал для подводных магистральных трубопроводов

Формула изобретения

Балластный материал для подводных магистральных трубопроводов, содержащий цемент, заполнитель, пластификатор и воду, отличающийся тем, что в качестве цемента использован сульфатостойкий портландцемент, в качестве пластификатора - поликарбоксилат РСЕ, а в качестве заполнителя - баритовый промпродукт, баритовая руда и железо-марганцевый концентрат в следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент - 8,2-10,5,

вода - 5,2-6,7,

пластификатор - 0,1-0,15,

баритовый промпродукт - 18-28 с плотностью 3,78-3,82 кг/см³ и влажностью 0,9-2,1%,

баритовая руда -18-28 с плотностью 3,9-4,1 кг/см³ и влажностью 2%,

железо-марганцевый концентрат - 25-45 с плотностью 4,2-4,5 кг/см³ и влажностью 4%,

при отношении воды к портландцементу 0,35-0,5 и следующим гранулометрическим составом компонентов заполнителя:

0-0,16 мм - до 5%,

0,16-1,0 мм - до 25%,

1,0-2,5 мм - до 35%

2,5-5,0 мм - остальное.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к трубопроводной технике, а именно к балластным материалам, наносимым на наружную поверхность труб подводных магистральных трубопроводов для их утяжеления.

Известна система контроля плавучести трубы, включающая балластный материал плотностью, равной или большей 2000 кг/м ³, содержащий следующие компоненты: вяжущее, регулирующую время затвердевания добавку, заполнители по одному или в сочетании, водопесчаную смесь или водобаритовую смесь (см. патент US 6663453, кл. F16L 1/16, опубл. 09.01.2003). В описании к данному патенту не раскрывается содержание компонентов в балластном материале и гранулометрический состав наполнителей. Недостатком известной системы является то, что для современных магистральных трубопроводов приемлемая плотность балластного материала существенно выше 2000 кг/м³.

Известны особо тяжелые бетоны, в том числе баритовый бетон, плотность которого превышает 2500 кг/м³ (http://betony.ru), но состав особо тяжелого бетона и особенности его использования как балластного материала для труб в указанном источнике не приводятся.

Известен бетон, включающий барит в качестве заполнителя (см. заявку WO 98/01402, кл. С04В 14/36, опубл. 15.01.1998). Для повышения плотности заполнитель имеет заданный гранулометрический состав, в котором 8 мас.% барита находится в виде очень мелкой фракции с размером частиц от 0.0 мкм до 1.000 мкм, 4 мас.% в виде мелкой фракции с размером зерен от 1 до 3 мм, 10 мас.% в виде крупной фракции с размером зерен от 3 до 7 мм; мелкий кварцевый песок с размером зерен от 0.1 мм до 3 мм; крупные фракции гравия от 3 мм до 75 мм. Соотношение воды к цементу по массе задано в интервале 0.30-0.35. Такой состав имеет два основных недостатка: первый - невозможность получения балластного материала с гарантированной плотностью, превышающей 2800 кг/м³, в связи с отсутствием ограничений используемого крупного и мелкого заполнителя по материалам и их плотности; второй - небольшое массовое отношение воды к цементу в растворе (0.30-0.35), не позволяющее использовать малоподвижный раствор с крупными фракциями для заполнения концевого пространства между проводящей трубой и оболочкой путем нагнетания через отверстия в крышках.

Известен балластный материал для подводных магистральных трубопроводов, являющийся наиболее близким аналогом к заявленному изобретению и содержащий цемент, заполнитель, пластификатор и воду (см. патент RU 2257503, F16L 1/24, опубл. 27.07.2005). Этот материал используется для заполнения кольцевого пространства между трубой и оболочкой магистральных трубопроводов и представляет собой цементно-песчаный раствор подвижностью 10 - 12 см по конусу Строй-ЦНИЛ. Основным недостатком известного материала является его низкая плотность (до 2400 кг/м³), вызывающая необходимость увеличения размеров концевого пространства, заполняемого балластным материалом для придания трубопроводу отрицательной плавучести.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в создании балластного материала плотностью, превышающей 2800 кг/м³, имеющего после затвердевания и выдержки в течение 28 суток прочность на сжатие, достигающую 50 МПа, что позволяет существенно уменьшить наружный диаметр труб с балластным покрытием. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в балластном материале для подводных магистральных трубопроводов, содержащем цемент, заполнитель, пластификатор и воду, в качестве цемента использован сульфатостойкий портландцемент, в качестве пластификатора - поликарбоксилат РСЕ, а в качестве заполнителя - баритовый промпродукт, баритовая руда и железомарганцевый концентрат в следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 8.2-10.5, вода - 5.2-6.7, пластификатор - 0.1-0.15, баритовый промпродукт - 18-28 с плотностью 3.78-3.82 кг/см³ и влажностью 0.9-2.1%, баритовая руда - 18-28 с плотностью 3.9-4.1 кг/см³ и влажностью 2%, железомарганцевый концентрат - 50-60 с плотностью 4.2-4.5 кг/см³ и влажностью 4%, при отношении воды к портландцементу 0.35-0.5 и следующим гранулометрическим составом компонентов заполнителя: 0-0.16 мм - до 5%, 0.16-1.0 мм - до 25%, 1.0-2.5 мм - до 35%, 2.5-5.0 мм - остальное.

Соотношение компонентов заявленного материала было получено в ходе многочисленных натурных экспериментов, результаты некоторых из которых приведенных в табл.1. Добавление к баритовой руде баритового промпродукта позволяет существенно сократить стоимость балластного материала.

Отношение воды к цементу, выбранное в пределах 0.35-0.5, необходимо для достижения требуемой пластичности балластного материала. Гранулометрический состав приведен в табл.2, выбор соотношений обусловлен необходимостью получения балластного материала с заданной плотностью. В этой же таблице указаны плотность и прочность на сжатие предлагаемого балластного материала. Определение средней плотности смесей выполнено в соответствии с ГОСТ 12730.1-78. Прочности бетона на сжатие определялись в соответствии с ГОСТ 10180-90.

Использование железомарганцевого концентрата определяется в основном двумя факторами. Во-первых, железомарганцевый концентрат имеет в своем составе значительное количество оксидных и гидроксидных соединений марганца, железа и других металлов. Такие соединения являются хорошим сорбентом серы (на их основе изготавливаются сорбенты для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода). Сера связывается в комплексные соединения и, как следствие, не оказывает негативного воздействия на арматурный каркас балластного слоя и на тело самой трубы в случае отсутствия у последней слоя изоляции. Во-вторых, высокая плотность железомарганцевого концентрата позволяет получать особо тяжелые балластные покрытия, что, в свою очередь, может снизить стоимость основной трубы за счет некоторого снижения толщины стенки.

Предлагаемый балластный материал позволяет с высокой точностью получать требуемую плотность особо тяжелых балластных материалов в пределах 3350-3450 кг/м³.

Таблица 1
Компоненты	Состав № 1	Состав № 2	Состав по прототипу
Цемент, кг/м3	340	350	420
Вода, кг/м3	150	150	140
Поликарбоксилат РСЕ, кг/м3	2.4	2.4	-
Баритовый промпродукт, кг/м3	960	700	Гравий 840
Баритовая руда, кг/м3	980	700	430
Железомарганце- вый концентрат, кг/м3	950	1550	Песок 650
Плотность, кг/м3	3390	3450	2480
Прочность при сжатии, МПа	48	47	45

Таблица 2
Наименование компонента	Плотность, кг/см3	Гранулометрический состав, мм	Влажность, %
Баритовый промпродукт	3,78-3,82	0 до 5%;	0,9-2,1
	0,16-1,0 до 25%
	1,0-2,5 до 35%
	2,5-5,0 остальное
Баритовая руда	3,9-4,1	0 до 5%;	2
	0,16-1,0 до 25%
	1,0-2,5 до 35%
	2,5-5,0 остальное
Железо-марганцевый концентрат	4.2-4.5	0 до 5%;	4
	0,16-1,0 до 25%
	1,0-2,5 до 35%
	2,5-5,0 остальное