Перспективы применения строительных композитных конструкций

А.В. Малышкина, А.П. Смирнов
ООО «Газпромнефть НТЦ»
Malyshkina.AVi@gazpromneft-ntc.ru, Smirnov.AnP@gazpromneft-ntc.ru

Журнал «Нефтяное хозяйство»

В связи с увеличением числа краткосрочных проектов в нефтегазовой отрасли возникла необходимость создания быстросборных, легких, мобильных, долговечных конструкций, которые минимальное количество персонала с использованием наименьшего числа единиц техники могло бы собрать и разобрать за короткое время и перевезти на новое место. Применяя традиционные материалы и проектные решения, сложно достичь высоких результатов в капитальном строительстве. Кроме того, существует еще один важный фактор – ежегодный рост цен на металлопрокат [1]. Это в дальнейшем повлияет на снижение спроса на металлические конструкции, так как сметная стоимость строительных объектов может включать до 60-70 % цены на металл. В то же время стоимость композитных материалов будет снижаться в связи с развитием отрасли и технологий.
Композиты — это материалы, состоящие из нескольких компонентов: армирующего наполнителя, определяющего основные свойства, и связующего. Наиболее эффективными для строительного сектора по соотношению стоимости и свойств материала являются стеклопластиковые композиционные материалы, основные компоненты которых – стекловолокнистые армирующие материалы и синтетические связующие (эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы).
Рынок композитных материалов и технологий в последние годы активно развивается, причем темпы роста объема отечественного композитного рынка значительно выше, чем мирового. Ежегодный темп прироста российского рынка композитов составляет примерно 20 % [2]. Основными секторами мировой экономики, потребляющими композитные материалы, являются строительная индустрия (более 3,5 млн т/год), транспортное машиностроение (около 3 млн т/год), энергетика и электроника (около 1,7 млн т/год) [3]. Широкое применение композитов в строительной и других отраслях обусловлено многими факторами, в частности, высокими прочностными и удельными характеристиками этих материалов в сочетании со стойкостью к коррозии и специальными свойствами, а также удобством транспортировки и монтажа готовых изделий из-за их сравнительно малой массы.
Несмотря на значительные перспективы применения, доля российской отрасли композитов по отношению к мировой невысока. Это обусловлено рядом сдерживающих факторов, особенно заметных на примере строительства, составляющего значительную часть российского рынка потребления. Основными причинами, сдерживающими развитие композитной отрасли в России, являются неразвитость внутреннего рынка, недостаток подготовленных кадров, несовершенство системы нормативно-технической документации по применению композитных материалов в строительстве. С 2013 г. разработано более 400 нормативных актов, но в настоящее время введено 218, большинство из которых являются стандартами на методы контроля и испытаний композитных материалов и только один – свод правил по промышленным дымовым трубам [4]. Организации композитной отрасли заявляют о низком уровне проработки документов, так как новые стандарты стараются адаптировать к нормам традиционных материалов и методикам их испытаний.
Разработка достаточной нормативной базы на композитные материалы является необходимым, но недостаточным условием развития отрасли. Требуется обеспечить достаточный спрос со стороны крупных промышленных компаний, в частности, нефтегазовой отрасли. Для этого нужно разрушить стереотипы о единственном возможном варианте исполнения конструкций – металлическом. В нашей стране в настоящее время функционирует большое число заводов-изготовителей композитных материалов и конструкций. Основной сбыт таких предприятий в строительном и нефтегазовом секторе – это трубная продукция. Преимущество применения композитных трубопроводов при прокладке в агрессивных коррозионных условиях и для транспорта сероводородсодержащих сред уже доказано на практике.
Внедрение композитных конструкций при строительстве зданий и сооружений проходит не такими быстрыми темпами, что связано не только с отсутствием нормативно-технической базы, но и со слабой огнестойкостью стеклопластика. Компания «Татнефть-Пресскомпозит» поставила и смонтировала 969,5 т стеклопластиковых кабельных эстакад на нефтеперерабатывающем заводе АО «Танеко» в 2015 г. Это стало возможным благодаря тому, что компания разработала и утвердила руководящие документы по проектированию и расчету конструкций из пултрузионных стеклопластиковых профилей, специальные технические условия по пожарной безопасности и разделению кабельной галереи и технологической эстакады противопожарным экраном [5].
Предприятия по производству композитных конструкций, активно работающие над решением проблемы низкой огнестойкости, добились высоких результатов. Некоторые компании разработали материал с высокими огнестойкими характеристиками связующих компонентов. Например, специалисты компании «ТатнефтьПресскомпозит» при сотрудничестве со специалистами Научно-Технического Центра «Газпром нефти» в июле 2019 г. провели испытания своих стеклопластиковых профилей и получили следующий результат. Превышение предельного значения скорости нарастания деформации образца произошло через 27 мин с начала испытания, превышение предельного значения деформации – через 36 мин с начала теплового воздействия (рис. 1). Испытания образца проведены в соответствии с техническим заданием на испытание стеклопластиковых изделий на огнестойкость и ГОСТ 30247.1-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции».
Еще одним возможным способом повышения огнестойкости композитов является применение нетканых

75.PNG

76.PNG

материалов. Например, компания Technical Fibre Products Ltd. разработала пассивную огнезащиту, интегрированную в структуру композитного изделия (рис. 2). При воздействии огня или температур выше 190 °C нетканый материал расширяется в одном направлении с увеличением первоначальной толщины в 22 раза, формируя стабильный продукт обугливания, который обеспечивает термоизоляцию композита [6].
Достижения в области повышения огнестойкости и улучшения характеристик композитов обеспечили возможность дальнейшей проработки конструктива сооружений для применения на объектах «Газпром нефти». Преимущества композитных конструкций по сравнению с металлическими заключаются в:
– транспортировке легким вездеходным транспортом;
– ручной транспортировке в местах, не доступных для техники;
– простоте монтажа и крупноблочной сборке конструкций;
– изготовлении готовых конструкций на заводах, минимизировании объема работ на стройплощадке;
– отсутствии необходимости огневых и лакокрасочных работ на объекте;
– лучших диэлектрических характеристиках, электромагнитной прозрачности;
– высокой химической и биологической стойкости;
– сроке службы около 50 лет;
Композитные материалы могут использоваться в резервуарах и емкостном оборудовании, на кабельных и технологических эстакадах, в мачтах связи и освещения, на площадках обсуживания и переходных мостиках, в блочно-модульном оборудовании, мобильных дорожных плитах, в свайном фундаменте и др. У конструкций в композитном исполнении много ограничений в применении, но с каждым годом их становится меньше в связи с развитием отрасли. Использование композитных свайных фундаментов в России до недавнего времени считалось невозможным, но исследовательская группа из СПбГАСУ занимается разработкой композитной сваи с модифицированной поверхностью для строительства на многолетнемерзлых грунтах. Специалисты института считают, что композитные сваи окажутся более надежными и не будут подвергаться выталкиванию при морозном пучении грунтов [7]. Это связано с мгновенной прочностью смерзания стеклопластика с таким грунтом.
Впервые в России ООО  «Татнефть-Пресскомпозит» по предложению Научно-Технического Центра «Газпром нефти» разработало конструктив сборно-разборной кабельной эстакады, масса секций которой не превышает 50 кг. Опытный образец быстросборной кабельной эстакады размерами 1×1 м был представлен на открытии топливного терминала «Гладкое» в Ленинградской области (рис. 3).

77.PNG

По результатам совместной экспертизы разработанной конструкции сотрудниками Научно-Технического Центра «Газпром нефти» и ООО «Татнефть-Пресскомпозит» было принято решение об улучшении конструктива кабельной эстакады и разработке большого числа мобильных модульных вариантов конструкций, применяемых при обустройстве месторождений (рис. 4).
В настоящее время Научно-Технический Центр «Газпром нефти» активно сотрудничает с производителями композитных материалов в области проектирования, разработки материалов, технологий и сертификации экономически эффективных изделий и конструкций, используемых в процессах бурения, добычи, капитального строительства на объектах «Газпром нефти». Кроме усовершенствования характеристик композитных материалов и конструкций, Научно-Технический Центр «Газпром нефти» считает перспективным развитие методов диагностики

78.PNG

и прогнозирования дефектов композитов. Так, в числе разработок конструкторских решений и технологий неразрушающего контроля качества готовых сооружений и изделий на основе композитных материалов создан прототип лазерного ультразвукового дефектоскопа. Развитие отрасли будет неполным без создания методов утилизации композитных материалов. В данном направлении пока нет конкретных решений, так как конструкции обладают большим сроком службы.
Все отмеченное доказывает возможность использование композитных конструкций в ближайшем будущем, так как их преимущество по сравнению с металлическими неоспоримо. Высокая стоимость композитных конструкций и отсутствие нормативно-методических документов компенсируются низкими эксплуатационными и транспортными затратами, продолжительным сроком службы, возможностью повторного использования без потери несущей способности.

Список литературы 

1. Динамика цен металлопроката. – М.: Металлоторговая система Metalsea, 2019. – http://metalsea.ru/pricesummary
2. Российский рынок композитов показывает ежегодный рост на 20 %. – Официальный сайт Министерства промышленности и торговли РФ, 2017. – http://minpromtorg.gov.ru/press-centre/news/#!rossiyskiy_rynok_kompozitov_pokazyvaet_ezhegodnyy_rost...
3. Черных М.А. Проблематика применения базальтокомпозитной продукции в ГОСТируемых// КОМПОЗИТНЫЙ МИР. – 2017. – №6. – С. 36-37.
4. https://standartgost.ru/org/1-4294950630?page=3
5. http://www.fiberpull.ru/
6. Composite fire protection. – Официальный сайт Technical Fibre Products Ltd (США). – https://www.tfpglobal.com/products/composite-materials/composite-fire-protection
7. Черенева В. Фундамент в вечной мерзлоте. – Электронный журнал. – СПб.: Российская Газета RG.RU. – https://rg.ru/2019/02/06/reg-szfo/peterburgskie-uchenye-razrabotali-svai-dlia-stroitelstva-v-arktike... 

References 

1. Dinamika tsen metalloprokata (Rolled metal price dynamics), 2019, URL: http://metalsea.ru/pricesummary
2. Rossiyskiy rynok kompozitov pokazyvaet ezhegodnyy rost na 20 % (The Russian composites market shows an annual growth of 20%), 2017, URL: http://minpromtorg.gov.ru/press-centre/news/#!rossiyskiy_rynok_kompozitov_pokazyvaet_ezhegodnyy_rost...
3. Chernykh M.A., The problems of application of basalt composite products in GOST (In Russ.), KOMPOZITNYY MIR, 2017, no. 6, pp. 36-37.
4. https://standartgost.ru/org/1-4294950630?page=3
5. http://www.fiberpull.ru/
6. Composite fire protection, URL: https://www.tfpglobal.com/products/composite-materials/composite-fire-protection
7. Chereneva V., Fundament v vechnoy merzlote (Permafrost foundation), URL: https://rg.ru/2019/02/06/reg-szfo/peterburgskie-uchenye-razrabotali-svaidlia-stroitelstva-v-arktike....

Возврат к списку