Опыт применения высококачественных бетонов при бетонировании нефтяной платформы «Приразломная»

В 1992 году Указом президента Российской Федерации было создано ЗАО «Российская компания по освоению шельфа» (ЗАО «Росшельф»), учредителями которого стали ОАО «Газпром», РНЦ «Курчатовский институт», ПО «Севмаш», ЛПМБ «Рубин» и ряд других, в том числе региональных компаний, связанных с разработкой Штокмановского и Приразломного месторождений арктического шельфа. А в 2002 году «Газпромом» и «Роснефтью» создано ЗАО «Севморнефтегаз». О том, какой опыт был приобретен в применении высококачественных бетонов при бетонировании нефтяной платформы, рассказывается в статье.

Месторождение Приразломное, открытое в 1989 году, расположено в 60 км от берега на глубине 19-20 метров. Его запасы оцениваются в 72 млн т нефти.Для освоения месторождения была создана уникальная морская ледостойкая стационарная нефтяная платформа «Приразломная» (рис. 1).

 Рисунок 1

Ее характеристики:

- длина – 139 м;

- ширина – 144 м;

- высота – 141 м;

- масса – 117 тыс. т (247 тыс. т – с твердым балластом);

- количество скважин – 40;

- вместимость нефтехранилищ – 124 тыс. м3;

- объем нефтедобычи – 21 тыс. м3 в день;

- персонал – 200 человек;

- период автономности – 60 дней;

- расчетный срок службы – 25 лет.

На платформе по проекту предусматривается балластировочный слой из бетона (см. рис. 2),

Рисунок 2

Так как бетонирование должно было вестись в труднодоступных местах со сложным армированием без применения вибрации, фирмой ЗАО СК «Гермес», которая вела работы по заливке бетона, были сформулированы особые требования к бетонной смеси и бетону. Их разработка была поручена специалистам ОАО «НИЦ «Строительство». Исходя из необходимости обеспечения заполнения бетонной смесью бетонируемого объема без дополнительных механических воздействий (свойства самоуплотняющегося бетона), были установлены следующие требования к показателям качества бетонной смеси:

- удобоукладываемость бетонной смеси марка П5 по ГОСТ 7473;

- диаметр расплыва конуса бетонной смеси – 60-70 см;

- время истечения бетонной смеси из бункера заданного размера – 5-20 сек.;

- сохраняемость подвижности бетонной смеси – не менее 4-х часов после приготовления;

- для обеспечения отсутствия холодных швов схватывание бетонной смеси должно наступать не ранее 8 часов с момента приготовления;

- водоотделение бетонной смеси не должно превышать 0,4%;

- рекомендуемая температура бетонной смеси на момент приготовления – 5-30оС;

- температура уложенного бетона при твердении должна повышаться не более чем на 23оС по отношению к температуре бетонной смеси при ее укладке.

Качество бетона должно было соответствовать следующим требованиям:

- класс бетона по прочности – В 20;

- плотность бетона – 2300+50 кг/м3;

- усадка бетона – не более 0,1 мм/м;

- марка бетона по морозостойкости – F200;

- проектный возраст бетона – 60 суток.

Исходя из необходимости обеспечения термической трещиностойкости монолитного балластировочного слоя состав и компоненты бетона должны обеспечивать минимизацию тепловыделения при твердении в реальных условиях выполнения работы. В соответствии с проведенными расчетами градиент температуры по толщине между центром и поверхностью бетона не должен превышать 10оС/м. Согласно современным представлениям самоуплотняющаяся бетонная смесь (СУБ) способна заполнять в том числе густоармированные конструкции под действием сил гравитации без использования механического уплотнения, при этом сохраняя свою однородность и высокую растекаемость. В отличие от традиционных бетонных смесей, укладываемых и уплотняемых при помощи вибрации, СУБ характеризуется повышенным содержанием тонкодисперсных частиц и, соответственно, повышенным содержанием цементного теста (цемент + тонкодисперсная минеральная добавка + вода), а ее приготовление осуществляется с применением суперпластификаторов на поликарбоксилатной основе. По рекомендациям содержание тонкодисперсных частиц (цемент + минеральная добавка) в СУБ должно составлять не менее 450 кг/м3 (около 160 л/м3 по абсолютному объему) и не более 650 кг/м3 (около 250 л/м3 по абсолютному объему). Наибольшая крупность заполнителя при изготовлении СУБ должна находиться в пределах 8-16 мм (применительно к классификации заполнителя по ГОСТ 8267-93 может быть принята в пределах 10-20 мм). Вязкость СУБ в соответствии с рекомендациями оценивается временем ее истечения из бункера с заданными размерами. Для определения способности бетонной смеси к самоуплотнению в сочетании с показателем времени истечения используется диаметр расплыва конуса, т.к. одного показателя времени истечения недостаточно. С точки зрения состава самоуплотняющийся бетон представляет собой 5-компонентную систему, основными составляющими которой являются: цемент, заполнители, тонкодисперсные наполнители, химические добавки и вода. Соотношение компонентов СУБ может изменяться в широких пределах, причем для каждой группы материалов существует свое оптимальное соотношение.

При разработке рекомендаций по составам бетонных смесей выбор сырьевых материалов и назначение их расходов осуществлялись исходя из сформулированной заказчиком (ЗАО СК «Гермес») задачи: минимизировать дополнительные расходы, связанные с применением специально подготовленных заполнителей, химических и минеральных добавок, и исключить существенное усложнение технологии приготовления смеси. Это привело к дополнительным сложностям при проектировании состава самоуплотняющегося бетона, поскольку СУБ особенно критичны к выбору заполнителей и их гранулометрическому составу, к виду и назначению минеральных и химических добавок. В качестве вяжущего после исследования нескольких видов цемента был предложен портландцемент Саввинского завода ЦЕМ II/В-Ш 22,5Н. Этот выбор был обусловлен минимизацией транспортных расходов и обеспечением требований по снижению тепловыделения конструкции.

В качестве заполнителей использовались местные материалы. Истинная плотность песка составила 2,54 г/см3. Насыпная плотность – 1526 кг/м3, пустотность 9,9%. По величине модуля крупности – 2,8 – песок относится к группе крупных (Мк = 2,5-3). По основным показателям песок соответствует требованиям ГОСТ 8736 и ГОСТ 26633. Гранитный щебень характеризуется несколько повышенной истинной плотностью – 2,86 г/см3. В соответствии с этим значение насыпной плотности составляет 1571 кг/м3. Зерновой состав щебня соответствует требованиям ГОСТ 8267-93 по содержанию зерен более 20 мм (фактическое значение 2,7%, нормативное значение – не более 10%), но при этом характеризуется повышенным содержанием зерен менее 5 мм – фактическое значение 13,3% при нормативном значении не более 10%. Был установлен оптимальный состав зерновой смеси заполнителей из условия получения самоуплотняющегося бетона (62% песка + 38% щебня). Выбор тонкодисперсных минеральных добавок осуществлялся с учетом опыта изготовления СУБ компанией MC-Bauchemie. В строительной практике рекомендуемыми и наиболее часто используемыми тонкодисперсными добавками являются: каменная мука (например, известняковая), зола-унос и микрокремнезем (МК). После проведения предварительных исследований для применения был выбран минеральный порошок неактивированный известняковый МП-1 по ГОСТ Р 52129-2003. Было установлено, что заданное сочетание технологических свойств обеспечивается при использовании химических добавок в сочетании с тонкодисперсной минеральной добавкой. Исходя из условия обеспечения стабильной поставки и поддержания качества добавок на постоянном уровне было рекомендовано применение химических добавок фирмы MC-Bauchemie, в том числе поликарбоксилатного суперпластификатора Muraplast FK 63 и замедлителя схватывания для бетонных смесей Centrament Retard 390. Наличие добавки-замедлителя в составе бетонной смеси привело к заметному снижению темпов твердения в первые 3-5 суток. При последующем твердении наблюдался равномерный прирост прочности. Значение прочности, соответствующее нормативному показателю для бетона класса В20, было обеспечено в возрасте 28-45 суток. В итоге после лабораторных исследований был подобран состав самоуплотняющегося бетона, удовлетворяющий всем заявленным требованиям. Проведенные испытания показали, что разработанный состав бетона дает нормативное значение прочности в возрасте 45 суток и обеспечивает необходимые технологические свойства бетонной смеси, в том числе способность к самоуплотнению. При твердении температура бетона повысилась на 18оС по отношению к температуре бетонной смеси при ее укладке, что удовлетворяет требованиям к бетонной смеси (разница температур не более 23оС). Градиент температуры по толщине между центром и поверхностью бетона не превышал 10оС/м и составил 8,8оС/м.

 Рисунок 3. Общий вид строительной площадки Бетонирование балластировочного слоя МЛСП «Приразломная» проходило в период с мая по июнь 2011 года в г. Мурманск, ОАО «ПО «Севмаш» (на территории филиала 35-го СРЗ, ОАО «ЦС «Звездочка»).

Работы проводились ЗАО СК «Гермес». Сотрудники ОАО «НИЦ «Строительство» и MC-Bauchemie участвовали в проведении работ и в контроле над приготовлением, транспортировкой и укладкой бетонной смеси. Приготовление бетонной смеси проходило в бетономешалках принудительного типа фирмы Stetter на территории специально построенного под этот проект бетоносмесительного узла, откуда транспортировалась в грузовых миксерах к бетононасосам, находившимся на причале возле пришвартованной платформы. Далее транспортировка бетонной смеси осуществлялась при помощи бетононасосов по трубопроводам до места бетонирования, причем длина перекачки доходила до 400 м. Проведенные заранее на полигоне испытания показали, что, несмотря на высокую протяженность магистрали и большое число изгибов трубопровода, подобранная бетонная смесь сохраняет свои свойства и при выходе к месту бетонирования отвечает заданным характеристикам самоуплотняющегося бетона. Благодаря высококвалифицированным специалистам СК «Гермес» все работы были проведены без сбоев, весь объем бетона уложен в заданные сроки и заданного качества. Контроль осуществлялся согласно Технологическому регламенту, разработанному специалистами НИЦ «Строительство». В ходе производства работ контролировались удобоукладываемость (по измерению диаметра расплыва конуса), время истечения бетонной смеси из специального бункера, представляющего собой перевернутую усеченную пирамиду с размером отверстия по верхнему сечению 515х75 мм, по нижнему сечению 65х75 мм, с выпускной горловиной высотой 150 мм и размером выпускного отверстия 65х75 мм с выдвижной заслонкой, плотность. Изготавливались образцы для определения прочности на сжатие и растяжение при изгибе по ГОСТ 12730.1 и для определения морозостойкости. Во время работ не было выявлено каких-либо нарушений изготовления, транспортировки и укладки бетонной смеси.

В августе 2011 г. МЛСП «Приразломная» была отправлена из Мурманска к шельфовому месторождению в Печорском море. Начать добычу нефти на Приразломном месторождении нефтяники планируют в I полугодии 2012 г. На полную мощность добычи – 7 млн т нефти в год– МЛСП должна выйти через 7 лет. По производительности ее можно сравнить с современным нефтедобывающим комплексом на месторождении Южное Хыльчую в Ненецком округе. Однако площадь платформы меньше наземного собрата в 35 раз, а расчетная численность персонала –почти в 5 раз. При этом в конструкции платформы «Приразломная» изначально заложена возможность приема нефти с других месторождений, что позволит в дальнейшем эффективно –без строительства аналогичных платформ – вовлечь в рентабельную разработку соседние месторождения благодаря снижению удельных затрат на их обустройство.

Автор О.О. КАЛАШНИКОВ, ведущий инженер-технолог MC-Bauchemie, тел.: 8-800-555-06-05, www.mc-bauchemie.ru
ТЕХНОЛОГИИ БЕТОНОВ №3-4, 2012