Spodryd.ru

Ремонт квартир
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как рассчитывают коэффициент линейного расширения бетона

Как рассчитывают коэффициент линейного расширения бетона?

Для того чтобы построить прочное здание, специалисты определяют коэффициент линейного расширения бетона. Так строитель может узнать, на сколько изменится в длину материал после нагревания. Такие расчеты позволяют избежать преждевременной деформации постройки, появление трещин и увеличить эксплуатационную стойкость сооружения.

Системы измерения расширения/усадки и СНС тампонажных цементов на базе ультразвукового анализатора цемента

Обязательным условием качественного цементирования нефтяных и газовых скважин является герметичная изоляция заколонного пространства, при которой проявления пластовых флюидов не возникают на протяжении всего срока эксплуатации скважины. Межпластовые перетоки, затрубные проявления являются результатом негерметичности цементного кольца по различным причинам.

По технологическим условиям цементирования скважин сразу после продавливания тампонажного раствора давление составного столба в заколонном пространстве всегда выше давления пластового флюида. Однако в период ОЗЦ в результате снижения давления в поровом пространстве тампонажного раствора в условиях АВПД возникает градиент давления, действующий по направлению из пласта в скважину. Давление в затрубье снижается благодаря сочетанию процессов структурирования (развития статического напряжения сдвига), водоотдачи, поглощения воды гидратацией и объемной усадки цемента. Возникающий градиент давления и является движущей силой флюидопроявлений.

Для обеспечения герметичности заколонного пространства в зоне контакта цементный камень – обсадная труба и цементный камень – порода должно развиваться определенное давление со стороны камня. Поэтому герметичность скважин в большей степени зависит от объемных изменений цементного камня при его твердении. Этого можно достичь применением тампонажных смесей, способных расширяться в процессе структурообразования (расширяющиеся тампонажные цементы (РТЦ)). При этом величина расширения должна быть больше, чем уменьшение объема системы за счет контракции, и в то же время не должна превышать предельного усилия на смятие или нарушение целостности обсадных колонн.

При разработке и совершенствовании составов расширяющихся тампонажных материалов необходимо учитывать следующее. Если обеспечить расширение смеси в период, когда ее структура еще достаточно пластична, чтобы силы, вызывающие расширение, не привели к образованию трещин, то расширение обусловит уплотнение смеси, уменьшение ее проницаемости и создание напряженного контакта между твердеющей смесью и препятствующими ее расширению колонной и стенками скважины. Напряженный контакт, исключающий зазоры и щели между камнем из расширяющегося цемента и колонной или стенками скважины, должен предотвратить газопроявления и перетоки вод. Если расширение наступает уже в сформировавшейся кристаллизационной структуре (после конца схватывания), то наблюдаются необратимые разрушения цементного камня, при этом величина расширения незначительна, а давление на стенки колонны и скважины велико. В связи с этим, необходимо управлять процессом расширения, кинетика которого должна быть таковой, чтобы основная часть расширения происходила после окончания продавки тампонажного раствора в затрубное пространство. Таким образом, исследование объемных изменений цементных растворов и камня должно позволять определять, в какой период, в какой фазе формирования цементного камня и в каких объемах происходит расширение.

Читайте так же:
Компоненты для приготовления цемента

Система Измерения Объемного Расширения Цемента (VCED), производства компании OFI Testing Equipment, Inc., является дополнительным модулем к существующим Ультразвуковым Анализаторам Цемента (UCA) OFITE. Эта Система позволяет непрерывно измерять расширение или усадку образца цемента в условиях высоких температур и давлений. При этом, Система VCED подсоединяется непосредственно к штатной испытательной ячейке Ультразвукового Анализатора Цемента и позволяет измерять расширение/усадку образца цемента одновременно с определением предела прочности при сжатии ультразвуковым методом.

На рис. 1 показана Система измерения объемного расширения цемента (VCED) OFITE (кат. №120-54), подключенная к одноячеечному Ультразвуковому анализатору цемента (UCA) OFITE (кат. №120-50).

Рис. 1. Система измерения объемного расширения цемента (VCED) OFITE

Технические характеристики Системы VCED OFITE приведены ниже:

  • Максимальное давление: 15000 PSI (103,4 МПа);
  • Максимальная температура: 400°F (204,4°C);
  • Объем образца: 190 мл;
  • Диапазон измерений изменения объема образца цемента: ±15% (±30 мл);
  • Система Сбора Данных (DAS) отображает результаты испытания на мониторе в реальном времени;
  • Образец цемента на протяжении всего испытания находится в контакте со средой создания давления – водой.

Одним из ключевых элементов Системы VCED является Прецизионный шприцевой насос высокого давления. Насос осуществляет следующие основные функции:

  • Создает и точно поддерживает давление в испытательной ячейке;
  • Непосредственно отслеживает изменение объема образца в ячейке, которое специализированное программное обеспечение пересчитывает в % изменения объема.

Технические характеристики Прецизионного шприцевого насоса высокого давления:

  • Двунаправленная система;
  • Управление с персонального компьютера;
  • Точность измерения: до 0,01 мл;
  • Рабочий объём: 60 мл;
  • Максимальное давление: 15000 PSI (103,4 МПа);
  • Точность поддержания давления: ±25 PSI (0,17МПа).

Для защиты насоса от загрязнений и попадания цемента в рабочую область VCED оборудована системой фильтров низкого и высокого давления, а также предохранительным клапаном, который срабатывает в случае превышения максимально допустимого давления.

Читайте так же:
Нужен цемент с доставкой

В процессе испытания в главном рабочем окне программы Системы Сбора Данных VCED OFITE в графическом виде в зависимости от времени отображаются следующие параметры: температура ( 0 F / 0 C), время прохождения ультразвукового сигнала (μsec/in), значение предела прочности при сжатии (PSI / kPa), акустическое полное сопротивление (MRayl), объем (mL) и изменение объема (%). В поле над графиком отображаются текущие значения каждого из измеряемых параметров, а также время, прошедшее с начала испытания.

В программном обеспечении предусмотрена специальная функция, которая позволяет исключить увеличение объема образца цементного раствора, происходящее при его нагреве за счет теплового расширения, из конечных результатов испытания.

Рис. 2. Результаты испытания цементного раствора, приготовленного из цемента класса Н, без добавок

На рис.2 представлен отчет об испытании образца цементного раствора, приготовленного из цемента класса Н без добавок, проведенном с использованием Системы измерения объемного расширения цемента (VCED) OFITE (кат. №120-54). Как видно из графика, в течение первого часа испытания объем образца увеличивается (светло-зеленая кривая) за счет теплового расширения при разогреве (рост температуры – красная кривая). При выходе на режимную температуру происходит стабилизация объема образца. В процессе дальнейшего твердения цемента наблюдается уменьшение его объема. По истечении определенного времени, необходимого для стабилизации объема образца при заданной температуре, программное обеспечение начинает рассчитывать изменение объема (Delta Volume, %) и отображать его на графике (фиолетовая кривая). Для исследуемого образца цемента регистрируемое во времени изменение объема – отрицательное, т.е. происходит его усадка.

После закачки цементного раствора и его размещения в затрубном пространстве начинается структурирование раствора. В процессе структурирования цементного раствора и развития статического напряжения сдвига (СНС) происходит снижение гидростатического давления столба цемента и, как следствие, возникает опасность проникновения пластовых флюидов в зацементированное кольцевое затрубное пространство. Таким образом, задача определения СНС в течение переходного периода при схватывании цемента, т.е. при переходе цементного раствора из жидкого состояния, определяющего пластовое давление, в непроницаемое твердое состояние, когда столб цемента теряет способность передавать давление на пласт, представляется весьма актуальной.

Читайте так же:
Как строили замки без цемента

Система Измерения СНС (SGSM), производства компании OFI Testing Equipment, Inc., также является дополнительным модулем ко всем имеющимся Ультразвуковым Анализаторам Цемента (UCA) OFITE. Эта Система предназначена для измерения развития СНС образца цемента во времени в условиях высоких температур и давлений.

На рис. 3 показана Система Измерения СНС (SGSM) OFITE (кат. №120-53), подключенная к Сдвоенному ультразвуковому анализатору цемента (UCA) OFITE (кат. №120-51).

Рис. 3. Система Измерения СНС (SGSM) OFITE

Принцип действия Системы SGSM основан на прямом измерении величин развивающегося СНС. Система подсоединяется непосредственно к штатной испытательной ячейке Ультразвукового Анализатора Цемента. Ротор автоматически кондиционирует цементный раствор внутри ячейки. На протяжении всего испытания ротор периодически вращается, измеряется сопротивление, а специализированное программное обеспечение Системы Сбора Данных рассчитывает значения СНС.

При подключении Системы Измерения СНС (SGSM) к Ультразвуковому анализатору цемента с двумя ячейками OFITE (кат.№120-52), либо к Сдвоенному ультразвуковому анализатору цемента OFITE (кат.№120-51), вторая ячейка может быть использована для одновременного проведения стандартного испытания по определению предела прочности при сжатии ультразвуковым методом на цементном растворе того же замеса. При этом, специализированное программное обеспечение Системы Сбора Данных рассчитывает и отображает результаты обоих испытаний, т.е. зависимость СНС и предела прочности при сжатии от времени, на одном графике.

Измерительный комплекс, состоящий из Ультразвукового анализатора цемента с двумя ячейками OFITE (кат. №120-52), либо Сдвоенного ультразвукового анализатора цемента OFITE (кат. №120-51), а также Системы Измерения СНС (SGSM) OFITE (кат. №120-53) и Системы измерения объемного расширения цемента (VCED) OFITE (кат. №120-54) позволяет получать более полную информацию о характеристиках старения цементного раствора – камня в условиях высоких температур и давлений.

Этот комплекс дает возможность одновременно определять:

  • предел прочности при сжатии и динамику набора прочности тампонажным цементом ультразвуковым методом,
  • расширение, либо усадку образца цемента, и отслеживать этот процесс во времени,
  • развитие СНС образца цемента во времени.
Читайте так же:
Гидроизоляция гипсокартона цементной гидроизоляцией

Статья была опубликованя в журнале «Бурение и нефть», № 1, 2010.

Расчет температурного линейного расширения

Так же, как и здание после строительства может дать «усадку», некоторые материалы, напротив, со временем увеличиваются или удлиняются. Это явление в физике называется тепловым расширением, потому что возникает оно по мере того, как на твердое тело воздействует высокая температура. Оно становится причиной увеличения площади, поэтому фактор расширения необходимо принимать во внимание при строительстве автомагистралей и зданий.

К примеру, при возведении дома с железобетонными элементами в климатических условиях, близким к тропическим или южным, строители могут не учесть вероятность линейного расширения. Впоследствии увеличенные металлические конструкции могут привести к повреждению других механизмов и преждевременному разрушению всей конструкции.

Подобный пример можно привести и при строительстве железнодорожных рельс. Нагреваясь под прямыми лучами солнечного света, молекулы металла расширяются и удлиняются. В холодное время года рельсы напротив, укорачиваются. Хотя это сложно заметить невооруженным взглядом, с целью безопасности нужно учитывать это при строительстве с применением не только металла, но и камня, даже пластика.

Как определить температурное линейное расширение

Чтобы избежать негативных последствий расширения материалов, используются специальные термометры. Они чувствительны к малейшим изменениям температуры. Но лучше предусмотреть возможные изменения и перестраховаться еще на стадии планирования производства. Для этого разработан онлайн-калькулятор, который моментально демонстрирует:

  • коэффициент линейного теплового расширения;
  • удлинение по осям Х, Y и Z;
  • величину, на которую удлиняется материал при заданной температуре.

Все, что нужно сделать для этого – выбрать из выпадающего списка нужный материал, выбрать его параметры: толщину, дину и ширину. Если нужно конкретно узнать его состояние при той или иной температуре, можете выбрать и эту функцию на сайте. Отметим, расчеты проводятся относительно начальной температуры материала 0°C. Ответы выдаются на анализе коэффициентов линейного теплового расширения, и расчетам, которые уже проведены и запрограммированы на сайте. Система реагирует на изменения и самостоятельно выполняет подсчет.

Читайте так же:
Аллергия от цемента как лечить

Какие материалы чаще всего подвергаются расширению

Прежде всего, это – металлы: алюминий, купрум, медь. Среди камней можно отметить гранит базальт, кварцит и даже кирпич. Аналогично на высокие температуры реагируют дерево, сложные штукатурки и стекло. Из вышеперечисленных материалов наименьший коэффициент теплового расширения имеют:

  • клинкерный и стеновой кирпич;
  • дерево;
  • штукатурка;
  • базальт;
  • стеновой кирпич.

Для сравнения, наибольший показатель – у алюминия, стали и меди. К примеру, КТЛР алюминия составляет 24•10-6 1/град, что в 2 раза больше, чем у стали. Поэтому монтаж трубопровода невозможен без предварительных расчетов, особенно если планируется использовать алюминиевые трубы для горячего водоснабжения или отопления. Изменение длины трубопровода при перепадах температуры определяется по формуле

  • а – КТЛР материала, из которого изготовлена труба или другое изделие;
  • tmax – наибольшая температура, которой достигает теплоноситель;
  • tс — температура окружающей среды на момент установки конструкции;
  • l — длина трубопровода.

Также есть специально составленные таблицы значений среднего температурного коэффициента линейного расширения различных материалов. Но прибегать к ним и сложным расчетам не обязательно, если под рукой есть интернет и безошибочное решение можно получить с помощью калькулятора за считанные минуты.

Вывод

Литейный чугун остается наиболее надежным материалом для прокладки сточной системы в жилых постройках, производственных, административных и офисных зданиях. Он подвержен тепловому расширению гораздо меньше, чем другие популярные материалы. Это означает, что компенсировать увеличение длины изделия будет проще и дешевле, нежели в случае со сталью или дорогостоящей медью. Подобрать чугунные трубы и фитинги можно в нашем каталоге продукции от самого популярного бренда России.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector