Исследование способности водопоглощения асбестоцементных трубопроводов

Известно, что в условиях бесканальной прокладки тепловой сети на трубопровод воздействуют изгибающие силы вследствие собственного веса трубы, веса находящегося в ней теплоносителя и веса слоя земли, покрывающего трубу. Также они подвергаются нагрузкам на сжатие от веса слоя земли, прикрывающего трубу, динамическим нагрузкам, создаваемым транспортом при движении на поверхности земли, и чистому растяжению в процессе эксплуатации при работе под гидравлическим давлением. Помимо указанных выше нагрузок, действующих на уложенные в землю трубы, в условиях практического применения асбестоцементные трубы могут получить удары во время погрузки, транспортировки и укладки [1].

Способность противостоять действию внешних сил без разрушения зависит от состава, строения и свойств самой асбестоцементной трубы, от характера действующих нагрузок, типа напряженного состояния в опасных зонах трубопровода и от состава, температуры и давления теплоносителя.

Известно, что работоспособность асбестоцементных труб в качестве теплопроводов зависит от их водопоглощения. Водопоглощение – это способность материала впитывать и удерживать в порах воду. В исследованиях использовались асбестоцементные трубы ВТ-9, полученные на комбинате «Волна» г. Красноярска (в состав входит 15% асбеста и 85% портландцемента). Эти трубопроводы изготовлены машинным способом – навивкой под давлением.

Стенки труб состоят из отдельных тонких слоев-пленок, накладываемых на форматную скалку и спрессовываемых в процессе формования в монолит. Для произведенных таким способом трубопроводов величина водопоглощения (14-16%) находится в пределах допустимых значений.

В основу методик исследований были приняты стандартные положения [2] с некоторыми дополнениями, в частности все исследуемые образцы выдерживались в водных растворах при постоянных температурах среды до полного водонасыщения. Образцы партии, выдерживаемой при температуре теплоносителя 40 ° С, далее обозначаются как образцы «Г40»; выдерживаемые при температуре теплоносителя 60 ° С - «Г60»; при температуре теплоносителя 80 ° С - «Г80»; при температуре теплоносителя 100 ° С - «Г100». В качестве эталона приняты образцы той же марки асбестоцементного трубопровода со склада, обозначенные индексом «Э»; под индексом «С» представлены образцы той же партии, но высушенные при температуре 100-110 ° С.

Экспериментальным путем был исследован характер водопоглощения образцов асбестоцементной трубы марки ВТ–9. Исследование на водопоглощение производилось на образцах кубической формы 20*20*20 мм, вырезанных из стенок асбестоцементных труб марки ВТ-9 номинальным диаметром 150 мм. Для данного испытания было изготовлено 30 образцов. Первоначально образцы были высушены при температуре 100 ° С, а затем помещены в емкости с водой, в которых поддерживалась постоянная температура, соответствующая каждой партии. Образцы подвергались взвешиванию через каждые 24 ч насыщения водой с точностью до 0,01 г. Насыщение образцов производилось до тех пор, пока результаты взвешиваний стали отличаться не более чем на 0,01 г от предыдущих взвешиваний.

Водопоглощение по массе (%) вычислили по формуле:

w = m1 — m 0 >100%, m0

где m 1 – масса насыщенного водой образца, г; m 0 – масса образца в исходном состоянии, г.

Характер изменения водопоглощения образцов с течением времени представлен на рисунке 1.

15 %*

14,34% 1435%

13,82% 14-45%

15,46% 15,53% 15,82% 15,82% 15,82%

-*-------И---И---К

15,27% 15,28% 1530% 1530% 1530%

13 82% 14,73% 14,74% 14,62% 14,62% 14,62%

12_?У070 4,^,0^, /о »          '

Т40"

13^3% 13,60% 14,08% 14,14% 14,62% 14,62% 14,62%

10 %

1        2       3       4       35      52 S3

Время выдерживания образцов, сут

Рисунок 1 – Влияние температуры теплоносителя и время выдерживания в воде на изменение водопоглощения асбестоцементных труб

Замечено, что после выдерживания в воде у всех образцов наблюдается изменение цвета на наружной поверхности – буро-коричневый «ободок» (рис. 2 стрелка), который свидетельствует о карбонизации внешнего слоя трубы. Это явление положительное, так как при этом повышается устойчивость стенки трубы к коррозии.

Рисунок 2 – Образцы после воздействия теплоносителя с температурой

Установлено, что у насыщенных водой образцов прочность по всем видам деформации меньше, чем у воздушно-сухих, в среднем на 13,4%. Воздушно-сухой образец, т.е. образец, который выдерживался в обычных температурно-влажностных условиях, содержит 8–11% гигроскопической влаги, которая оказывает капилярное давление на стенки пор и создает дополнительные напряжения в материале, т.е. увлажнение материала снижает эту прочность. Асбестоцемент, высушенный при температуре 100-110 ° , имеет прочность при изгибе на 1218% больше, чем в воздушно-сухом состоянии.

Исследования водонепроницаемости стенок трубы, проводимые на экспериментальной установке, показали, что тестируемая асбестоцементная труба марки ВТ-9 хорошо переносит высокую температуру до 140 ° и двойное превышение рабочего давления, создаваемого теплоносителем на стенки трубы.

Изменение прочностных характеристик при воздействии воды с различными температурами можно объяснить только теплофизическими и фильтрационными характеристиками материала трубы, являющимися функциями химического и минералогического состава, а также физико-химическими процессами, протекающими при твердении асбестоцемента при измене- нии температуры воды.

После вышеприведенных экспериментов каждый из образцов был подвергнут физикомеханическим испытаниям с целью определения изменения прочностных характеристик (рис. 3).

Рисунок 3 – Усредненные значения предела прочности при сжатии образцов асбестоцементного трубопровода

Согласно полученным данным при испытаниях на сжимающие усилия все образцы – и сухие, и насыщенные влагой - имеют одинаковый характер повреждений (рис. 4).

Рисунок 4 – Характер разрушений образцов, выдержанных при различных температурах воды: а - «Г40»; б - «Г60»; в - «Г100»

Чистому растяжению в процессе эксплуатации асбестоцемент подвергается при работе под гидравлическим давлением. В отличие от чистого растяжения это напряжение называется растяжением при изгибе. Для определения прочностных характеристик из испытуемых асбестоцементных труб было изготовлено 30 образцов-балочек размерами 15*15*200 мм.

Средством испытания асбестоцементных трубопроводов была разрывная машина ИР 5057-50 УХЛ 4.2 с регулируемой скоростью приложения нагрузки и силоизмерителем, c допускаемой погрешностью не более 1% (рис. 5). Результаты испытания даны на рисунке 6.

Рисунок 5 – Общий вид ИР 5057-50 УХЛ 4.2

Рисунок 6 – Усредненные значения предела прочности при изгибе образцов асбестоцементного трубопровода

Заключение

• 1.    С течением времени водопоглощение материала повышается и составляет 14–16% по

• 2.    Степень водопоглощения зависит от качества сырья (марки асбеста и цемента), процентного соотношения асбеста и цемента, технологии изготовления трубы (плотности намотки), а также от толщины стенки.

• 3.    На рисунках 3–6 отображены среднеарифметические результаты пределов прочности исследуемых образцов по различным видам деформаций, наглядно видно как снижение предела прочности относительно эталонного образца, так и его повышение в зависимости от характера изменения температурных режимов. Снижение происходит при температурах водной среды от 40 до 60 ° С, повышение при температуре свыше 80 ° С. Все прочностные показатели для образцов при испытании на изгиб, ударную вязкость, сжатие отличаются примерно на 15%. При таком колебании показателей асбестоцемент можно признать практически однородным материалом.

массе при плотности материала 2 г/см3. Все выдерживаемые образцы максимально насыщаются влагой в первые 2-3 сут, после чего средняя плотность материала увеличивается и дальнейшее водонасыщение происходит в очень небольших соотношениях (0,05–0,25 %).

Таким образом, асбестоцементные трубопроводы по свойствам водопоглощения можно использовать в качестве теплопроводов.