балластный материал повышенной плотности для подводных магистральных трубопроводов

Формула изобретения

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

портландцемент	9.2-10.5
вода	4.0-5.5
пластификатор	0.05-0.18

баритовая руда - 3-17 с плотностью 3,9-4,1 кг/см³ и влажностью 1,8-2%,

железо-марганцевый концентрат - 69-82 с плотностью 4,2-4,5 кг/см³ и влажностью 3,5-4%,

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

0-0,16 мм	до 3%
0,16-1,0 мм	до 27%
1,0-2,5 мм	до 34%
2,5-5,0 мм	остальное

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве пластификатора использована комплексная добавка в следующем соотношении компонентов, % объема:

Тип П	72-82
ТипНФ	4-10
ТипМФ	6-10
Тип ЛСТ	3-8

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, водо-песчаную смесь или водо-баритовую 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. C04B 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 0,01 µм до 1000 µм, 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-песчанный 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, а в качестве заполнителя - баритовая руда и железо-марганцевый концентрат в следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 9.2-10.5, вода - 4.0-5.5, пластификатор - 0.05-0.18, баритовая руда - 3-17 с плотностью 3.9-4.1 кг/см³ и влажностью 1,8-2%, железо-марганцевый концентрат - 69-82 с плотностью 4.2-4.5 кг/см³ и влажностью 3,5-4%, при отношении воды к портландцементу 0.35-0.5 и следующим гранулометрическим составом компонентов заполнителя: 0-0.16 мм - до 3%, 0.16-1.0 мм - до 27%, 1.0-2.5 мм - до 34%, 2.5-5.0 мм - остальное. В качестве пластификатора целесообразно использовать комплексную добавку, состоящую из комбинации суперпластификаторов (СП) различных типов в следующем соотношении компонентов, % объема:

тип П	72-82
тип НФ	4-10
тип МФ	6-10
тип ЛСТ	3-8

Соотношение компонентов заявленного материала было получено в ходе многочисленных натурных экспериментов, результаты некоторых из которых приведенных в табл.1.

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 железномарганцевого 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.

Функция пластификатора (суперпластификатора далее СП) играет весьма важную функцию для особо тяжелых бетонов. Сегодня используются 4 основных типа СП: - на основе сульфированных нафталин-формальдегидных поликонденсатов - тип НФ; - на основе сульфированных меламин-формальдегидных поликонденсатов - тип МФ; - на основе очищенных лигносульфанатов - тип ЛСТ; - на основе поликарбоксилатов и полиакрилатов - тип П. Несмотря на различный механизм воздействия на молекулы, суть действия СП сводится к взаимодействию функциональных групп СП с гидрооксидом кальция, приводящее к нейтрализации молекул и увода их с поверхности цементных зерен. Однако эффект механизмов протекания взаимодействия различных СП показывает, что эффективность СП типа П ориентировочно вдвое превосходит значения для типов МФ и НФ и почти втрое типа ЛСТ. С учетом этого нами применен пластификатор в виде комплексной добавки, состоящей из всех типов пластификаторов в следующих соотношениях (% объема): П 72-82%; НФ 4-10%; МФ 6-10%; ЛСТ 3-8.

Предлагаемый балластный материал позволяет с высокой точностью получать требуемую плотность особо тяжелых балластных материалов в пределах 3500-3700 кг/м ³.

Таблица 1
Компоненты	Состав № 1	Состав № 2	Состав № 3	Состав по прототипу
Цемент, кг/м3	360	360	360	420
Вода, кг/м3	150	150	150	140
Пластификатор, кг/м3	4	5	6	Гравий 840
Баритовая руда, кг/м3	550	350	120	430
Железо-марганцевый концентрат, кг/м3	2490	2750	3080	Песок 650
Плотность, кг/м 3	3500	3600	3700	2480
Прочность при сжатии, МПа	48	48	47	45

Таблица 2
Наименование компонента	Плотность, кг/см3	Гранулометрический состав, мм	Влажность, %
Баритовая руда	3,9-4,1	0 до 3%;	1,8-2
		0,16-1,0 до 27%
		1,0-2,5 до 34%
		2,5-5,0 остальное
Железо-	4.2-4.5	0 до 3%;	3,5-4
марганцевый		0,16-1,0 до 27%
концентрат		1,0-2,5 до 34%
		2,5-5,0 остальное