B ETONOVÝ PLÁŠŤ P O D M O Ř S K Ý C H P O T R U B Í

Transkript

1 B ETONOVÝ PLÁŠŤ P O D M O Ř S K Ý C H P O T R U B Í CONCRETE COATING OF MARINE PIPELINES M IKAEL W. BRAESTRUP Konstrukce ocelových potrubí pro přepravu ropy, plynu, vody a jiných látek tvoří podstatnou část celosvětové stavební činnosti, přičemž asi 10 % všech potrubí je instalováno na volném moři. Mořská potrubí lze rozdělit do těchto funkčních kategorií: přípojná potrubí jsou relativně krátká potrubí s malým průměrem, která přepravují surové uhlovodíky z podmořských ústí vrtů nebo vrtných plošin do výrobních nebo separačních zařízení; servisní potrubí přepravují pomocná média, např. korozní inhibitor, zvedací plyn nebo vstřikovou vodu, v opačném směru, často společně se středovými kabely zajišťujícími elektřinu nebo signalizaci; exportní potrubí přepravují vytěženou ropu nebo plyn na pevninu nebo do sběrných nebo skladovacích zařízení, kde mohou být označena jako importní potrubí. Podmořská potrubí mohou být: neohebná, tj. svařovaná dohromady z ocelových trubek, buď bezešvých nebo podélně svařovaných, kdy nejčastějším materiálem je uhlíková ocel, i když pro přípojná potrubí lze použít nerezavějící slitinu (CRA); ohebná, tj. vyrobená z nekonečných polymerových trubek zesílených vnitřní kostrou a vnějším tlakovým a tažným drátěným opancéřováním. Neohebná potrubí jsou normálně značena vnějším průměrem (OD), zatímco vnitřní průměr (ID) se používá pro ohebná potrubí. Jmenovitý průměr potrubí se tradičně udává v palcích a běžně se používají termíny: malý průměr: menší než 4 střední průměr: od 4 do 16 velký průměr: větší než 16. Co se týká délky, rozlišujeme: spojovací potrubí spojuje zařízení v omezené příbřežní oblasti, přenosová potrubí nebo hlavní potrubí přepravují velká množství ropy nebo plynu z těžebního komplexu na volném moři na pevninu nebo mezi dvěma pevninami. Přenosová potrubí jsou položena přes mořské úžiny, fjordy, ústí velkých řek atd. Zatímco potrubí pro přepravu kapalin na pevnině byla známa už od starověku, vývoj konstrukcí podmořských potrubí spadá do konce první poloviny 20. století. Jako první příklad je obvykle uváděn projekt PLUTO (Pipe Line Under the Ocean) během války (při vylodění v Normandii v roce 1944) se Britové pokoušeli dodávat palivo přes Lamanšský průliv spojeneckým jednotkám, a to pomocí ohebného potrubí o průměru 3. Dávno předtím byla v mělkých vodách Kaspického moře, jezera Caddo v Lousianě, nebo v amerických pobřežních vodách Mexického zálivu, kde se před stoletím začalo s průzkumem výskytu uhlovodíků mimo pevninu, instalována exportní ropná potrubí malého průměru. Evidence potrubí umístěných mimo pevninu se začala vést až v roce 1968 a je odhadováno, že do konce 20. století bylo instalováno téměř km mořských potrubí velkého a středního průměru, přičemž každým rokem přibývá asi km. Většina potrubních systémů je umístěna v silně technicky vybavených oblastech Arabského zálivu, Mexického zálivu a Severního moře. Aby potrubí zůstalo na mořském dně, musí jeho specifická tíha překročit 1,0 a kvůli stabilitě se standardně vyžaduje hodnota 1,4, přičemž v pobřežních oblastech s vysokým působením vln je zvýšena na 1,6 nebo více. U potrubí o průměru vyšším než 12 je často dostatečný záporný vztlak dosahován pomocí přitěžovací obetonávky. Výjimku tvoří potrubí položená v hlubokých vodách, kde kombinace klidné vody a velké tloušťky stěny, která vydrží hydrostatický tlak, odstraňuje nutnost přitěžovacího pláště. Potrubní plášť přináší relativně nové užití betonu. Původně byl používán v Mexickém zálivu a v Arabském zálivu, ale kritéria provedení prodělala podstatný vývoj po zavedení do méně příznivého prostředí, např. v Severním moři [2, 3]. Množství betonu není nepodstatné, u standardního hlavního plynového potrubí, které může být dlouhé stovky kilometrů, představuje přitěžovací plášť objem betonu cca 250 m 3 /km. Článek je zaměřen na speciální vlastnosti betonových plášťů potrubí a konstrukční interakci mezi betonovým pláštěm a ocelovým potrubím. Srovnávací přehled technologie podmořského potrubí lze najít v [6]. I NSTALACE PODMOŘSKÉHO POTRUBÍ Nejběžnější způsob instalace dlouhých potrubí na volném moři je pomocí plavidla k pokládání potrubí (obr. 1). Opláštěné trubky v délkách cca 12,2 m (40 ) dodávané zásobovacími loděmi jsou svařovány do kolony rour na několika svařovacích stanicích na tzv. první linii (obr. 2). Jakmile je svar hotov, plavidlo k pokládání potrubí se posune dopředu na svých osmi až dvanácti kotvách a odtahuje se z pod potrubí, které opisuje křivku S směrem k mořskému dnu. Bóje jsou připevněny ke kotvám, které jsou neustále posunovány vlečnými čluny. Potrubí opouští plavidlo přes naváděcí nos, jehož nastavení kontroluje zakřivení ohybu. Vybočení průvěsu je zabráně- Obr. 1 Pokládka potrubí do moře (S-pokládka) Fig. 1 Offshore pipelaying (S-lay) 10 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 2/2007

2 Obr. 2 Obvodové svařování na plavidle k pokládání potrubí do moře Fig. 2 Girth welding on laybarge firing line Obr. 3 Svařená kolona rour v napínáku pokládkového plavidla Fig. 3 Welded pipe string in laybarge tensioner no držením potrubí pod tahem, který je zajišťován napínáky přidržujícími troubu na pokládkovém plavidle (obr. 3). Poloponorné plavidlo třetí generace k pokládání potrubí do moře, které pracuje nepřetržitě 24 h denně, je schopno položit 3 až 4 km potrubí denně, což odpovídá přidání 12 m potrubí každých 5 min. Aby se zvýšila rychlost pokládky, jsou často svařovány dva potrubní spoje na odděleném místě, a po té se přidají na první linii dvojité spojování. V hlubokých vodách (několik set metrů) je manipulace s kotvami nepraktická a některá moderní plavidla se opírají o dynamické polohování, které je schopno udržet stanici pomocí mohutných přítlačníků. V hloubkách překračujících asi 700 m je tvar pokládky S nahrazen pokládkou J, kde kolona rour vstupuje do vody ve svislé nebo téměř svislé poloze. To eliminuje použití první linie, což znamená, že svařování se musí provádět pouze na jedné stanici. Proto je dvojité spojování (nebo dokonce trojité či čtyřnásobné spojování) zásadní pro udržení přijatelné rychlosti pokládky. O PLÁŠTĚNÍ TRUBEK Hlavním stavebním prvkem každého podmořského potrubí jsou úseky potrubí v délce cca 12,2 m (40 ). Před svařením do kolony rour a pokládkou na mořské dno jsou jednotlivé díly potrubí opatřeny některými nebo všemi níže uvedenými charakteristikami, jak vyžaduje provedení: vnitřní plášť vnější protikorozní plášť tepelná izolace galvanizační anody přitěžovací obetonávka Typický průřez opláštěným potrubím je zobrazen na obr. 4 a na obr. 5 jsou srovnané opláštěné díly potrubí připravené Obr. 5 Opláštěné díly potrubní připravené k odeslání Fig. 5 Coated pipe joints stacked for shipment k odeslání dodavateli instalace. Opláštění potrubí, zejména obsahuje-li beton, se normálně provádí v obalovacím dvoře na pevnině. Tradičně nejčastější externí korozní ochranou podmořských potrubí býval nátěr černouhelným dehtem a stále zůstává upřednostňovanou volbou u potrubí opatřených přitěžovací obetonávkou. Ze zdravotních, bezpečnostních a ekologických důvodů je toxický uhelný dehet ve stále větší míře nahrazován asfaltem (bitumenem). Tepelně nanášený povlak se skládá Obr. 4 Typický průřez opláštěným svařovaným potrubím Fig. 4 Typical cross-section of coated pipe Obr. 6 Nátěr, vnitřní a vnější obal nanášený na potrubí Fig. 6 Enamel, inner wrap and outer wrap applied to pipe joint B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 2/

3 z asfaltového nátěru zesíleného jednou nebo více vrstvami vnitřního obalu ze skelného vlákna a opatřeného vnějším obalem z asfaltem impregnované plsti se skelným vláknem. Tradičně bývala celková tloušťka 5 až 6 mm, ale současné specifikace umožňují tloušťku 4 mm, pokud je dosažena i přes svarový šev. Nátěrová hmota se připravuje z asfaltu smíchaného s minerálními plnivy na specifikovanou tvrdost a bod měknutí a je skladována při teplotě cca 220 C. Po vyčištění potrubí, přípravě povrchu a nanesení základního nátěru se horký asfalt lije na otáčející se svařované potrubí, na které je současně spirálovitě navinován vnitřní obal ze skelného vlákna a po něm i vnější impregnovaný obal (obr. 6). Vnější protikorozní povlak je doplněn katodovou ochranou. U dlouhých podmořských potrubí je tvořena galvanizačními zinkovými nebo hliníkovými náramkovitými anodami upevněnými na trubku před nanesením betonu (obr. 7). Obr. 7 Montáž galvanizační anody na svařované potrubí s ochranným povlakem Fig. Mounting of sacrificial anode on enamel coated pipe joint Obr. 8 Spirálové armovací koše připevňované na svařované potrubí opatřené ochranným povlakem Fig. 8 Spiral reinforcement cages mounted on enamel coated pipe joint K ONSTRUKCE BETONOVÉHO PLÁŠTĚ Hlavní funkcí betonového pláště je rovnoměrně zatížit potrubí, přičemž hustotu betonu lze zvýšit přidáním železné rudy. Tradičně se specifikuje hustota kg/m 3 (oproti normální hustotě betonu kg/m 3 ), avšak běžně lze dosáhnout hustoty až kg/m 3 a metodou taženého bednění až kg/m 3. Je požadováno, aby hlavní materiály splňovaly obvyklé normy pro výrobu betonu, např. EN Podle místa projektu bývá požadováno použití nízkoalkalického síranovzdorného cementu, nebo jako alternativa vysokopecní struskový cement, který vykazuje dobrou charakteristiku pro použití na volném moři. Mohou být dány horní limity poměru voda/cement (např. 0,40). Minimální obsah cementu 300 kg/m 3 je dostatečný, ale mnoho provozovatelů používá mnohem vyšší obsah, aby dosáhli požadovaných vlastností směsi. Trvanlivost betonového pláště potrubí je vynikající [5], nebylo pozorováno žádné zhoršení na troubách vytažených z moře po 30 letech, což je standardní konstrukční životnost podmořského potrubí. Jako výztuž lze použít běžnou síť s roztečí 17 (drátěné pletivo) v chráněných vodách, ale výdrž takových plášťů v drsnějších mořských podmínkách byla méně než uspokojivá; lepší výsledky byly dosaženy při použití svařovaného drátěného pletiva pro vysoké zatížení. Alternativně se vysoce kvalitní pláště vyztužují žebrovými koši, které lze ohýbat ze standardních svařovaných sítí nebo je lze vyrobit na míru jako spirálové koše bodově svařované. Poměr výztuže musí být dostatečný, aby zajistil celistvost pláště během manipulace, přepravy, instalace a provozu, včetně působení rybářských zařízení. Standardní specifikace jsou min. 0,08 % v podélném směru a 0,5 % po obvodu. Musí být zabráněno elektrickému kontaktu s ocelí trubky nebo s jakýmikoli anodami. N ANÁŠENÍ BETONOVÉHO PLÁŠTĚ U některých dřívějších podmořských potrubí se přitěžovací obetonávka vyráběla tradičním způsobem litím do bednění kolem trubky a tento způsob lze stále používat u nanášení betonových plášťů na místě instalace k překonání malých vodních toků atd. U dlouhých přenosových potrubí je však tento postup příliš nákladný a časově náročný, takže byly vyvinuty metody, které nevyžadují bednění. Nejběžnější aplikací betonu je nahazování, což je proces, při němž se velmi suchá betonová směs (bez sednutí) nahazuje na otáčející se díl potrubí. Dalšími metodami jsou obalování betonu kolem potrubí, kdy je směs přidržována páskou, nebo lití do posuvné formy (posuvné bednění). Armovací ocel se dodává buď jako svařované drátěné pletivo, které se ovine okolo dílu potrubí současně s nanášením betonu, nebo ve formě prefabrikovaných košů, které se nasazují na díl potrubí před Obr. 9 Schématický nákres jednotky pro nahazování betonu Fig. 9 Schematic sketch of concrete impingement unit 12 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 2/2007

4 nanesením betonu a přidržují se v poloze pomocí rozpěrek (obr. 8). Aby zůstal prostor pro zařízení na obvodové svařování při montáži potrubí, nanášení betonu se zastaví v určité vzdálenosti (standardně 360 mm) od obou konců dílu. Anody jsou umisťovány na potrubí před nanesením betonového pláště a jsou chráněny před znečištěním cementem nebo betonem. U betonování v posuvném bednění může být praktičtější namontovat anody následně. Pokud je tloušťka betonu větší než tloušťka anod (která je běžně 40 mm), betonový povlak se zkosí směrem k anodě. Převládající metody nanášení jsou: Nahazování je nejběžnější způsob nanášení betonu na potrubí. Beton jde z míchačky na pásový dopravník, který ho dopraví do jednotky pro nahazování, kde rychle točící se drátěné kartáče nebo paprsky kolesa doslova hází beton na otáčející se potrubí, které se postupně posunuje jednotkou (obr. 9). Nastavením rychlosti posuvu a rychlosti otáčení získá obsluha požadovanou tloušťku pláště, který je uhlazován pomocí stíračů. Je zvlášť důležité, aby nedošlo k tvoření vypuklin na povlaku na koncích potrubí, protože to může vést k odlupování a tvorbě radiálních trhlin při stohování opláštěných dílů. Ze stejného důvodu je hrana povlaku na koncích mírně zaoblena. Určité množství odraženého materiálu (cca 10 %) lze vrátit zpět do směsi. Aby se předešlo nadměrnému spadu, metoda nahazování vyžaduje velmi suchý beton (bez sednutí) s konzistencí vlhké zeminy. Směs nesmí obsahovat žádné velké částice (maximální velikost plniva je Obr. 10 Nanášení betonového pláště potahováním Fig. 10 Concrete coating application by extrusion cca 10 mm), ale obsahuje velké množství jemné frakce. Takže běžný je obsah cementu až 600 kg/m 3, což dává poměr voda/cement asi 0,30. Z praktických důvodů je minimální tloušťka betonu 40 mm, ale může být naneseno až cca 150 mm. V zásadě lze větší tloušťku pláště dosáhnout nanesením druhé vrstvy po vytvrzení první. Zkušenost ukazuje, že jednoduchý ocelový drát omotaný kolem trubky snižuje náchylnost ke spadu po dosažení požadované tloušťky. Tento drát by se však měl po zatvrdnutí betonu pláště potrubí odstranit, aby nepřekážel zařízení k pokládání. Alternativně lze použít vláknobeton (obr. 15). Opravy nevytvrzeného povlaku lze provádět nastříkáním nebo zatřením mírně vlhčí směsí. Produktivita metody nahazování je impozantní dobře fungující jednotka je schopna potáhnout 1 až 1,5 km potrubí za osmihodinovou směnu, což odpovídá nanesení cca 40 m 3 betonu za hodinu. Při potahování je betonová směs nanášena na polyetylénovou nosnou pásku, která je pak pod tlakem spirálovitě navinována na otáčející se díl potrubí (obr. 10). Výztuž je vkládána do pláště ve formě pletiva a/nebo spirálových armovacích tyčí; armovací koše nelze dobře použít. Nosná páska je po vytvrzení betonu odstraněna. Plášť nanesený potahováním může mít různou tloušťku od 25 do 175 mm, přičemž produktivita je řádově stejná jako u nahazování. Bylo obnoveno i tradiční lití betonu s použitím techniky posuvného bednění. Jednotlivé díly potrubí s upevněným armovacím košem se umístí do svislé polohy a betonová směs se lije do prstencového posuvného bednění, které se posunuje kolem dílu nahoru a vibruje (obr. 11). Mechanizací procesu lze zvýšit kapacitu jednotky na 4 až 5 dílů za hodinu, což odpovídá 0,4 až 0,5 km za osmihodinovou směnu. O ŠETŘOVÁNÍ BETONU, KONTROLA A TESTOVÁNÍ Aby se dosáhlo přiměřené hydratace cementu, je důležité zachovat to málo vlhkosti, které je v nanesené směsi. Toho lze docílit plastovým obalem nebo propařováním. V druhém případě musí být teplota spíše nízká (30 až 40 C), částečně aby nedošlo k poškození asfaltového povlaku, částečně aby nedošlo k dehydrataci betonu. Po propařování po dobu 6 až 8 h lze díly potrubí potažené betonem uskladnit stohováním, ale vlhkost by měla být udržována po dobu čtyř dnů. Bez ohledu na způsob ošetření by teplota neměla klesnout pod 5 C, dokud pevnost nedosáhne 15 MPa. Žádný díl potrubí by neměl být vyskladňován dříve než po sedmi dnech, což bývá obvykle ještě později, aby mohla být doložena pevnost po 28 dnech. Stanovení pevnosti betonu v tlaku je obtížné. Obecně se pevnost konstrukčního betonu specifikuje jako pevnost tlaku standardních válců 300 x 150 mm nebo 100mm krychlí, testovaných při dvacetiosmidenní pevnosti, a tyto vzorky jsou běžně lity a testovány na kvalitu betonového pláště. Avšak kvůli způsobu nanášení a suchosti směsi (zejména při nahazování) nemusí být hodnoty reprezentativní u hotového povlaku, takže se požaduje testování na místě betonáže, aby mohla být doložena skutečná pevnost naneseného betonu. Potahovači potrubí tradičně používají pro tento účel vrtaná jádra a běžně je požadována pevnost Obr. 11 Nákres jednotky posuvného bednění Fig. 11 Sketch of a slipforming unit B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 2/

5 jádra 40 MPa stanovená podle normy ASTM C 39. Aby se dosáhlo přiměřeně konzistentních výsledků, musí být průměr jádra alespoň trojnásobek maximální velikosti plniva a délka musí být větší než tento průměr. Jádrové vrtání nesmí poškodit protikorozní povlak ani armování, přičemž je téměř nemožné vyjmout neporušená jádra, zejména při použití drátěného pletiva, které vede k velkému rozptylu výsledků. Alternativně lze použít zkoušení na místě, např. zkoušky na vytažení. Upřednostňovaný způsob doložení pevnosti betonu je specifikováním charakteristické pevnosti na válcích nebo krychlích a požadavkem, aby potahovač pomocí série testů stanovil konzistentní vztah mezi touto pevností a charakteristickou pevností stanovenou jím upřednostňovanou metodou testu na místě, která se použije na stejných vzorcích. Přejímka může být založena na výsledcích při sedmidenní pevnosti, pokud je stanoven podobný vztah mezi sedmi a dvacetiosmidenní pevností. Namáhání v ocelovém potrubí během instalace je dost citlivé na objemovou tíhu ponořeného potrubí, proto jsou nutné úzké tolerance hmotnosti potaženého potrubí, standardně -10 až +20 % u jednotlivých dílů a 0 až +4 % u denní produkce. Aby se dosáhlo takové přesnosti, je nutné udržet jednotnou hustotu betonu. Proto jsou neustále odebírány vzorky pro stanovení hustoty za sucha. Během výroby je stanoven vztah mezi suchým betonem a hustotou mokré směsi, což umožňuje, aby bylo sledování založeno na odebírání vzorků v betonárně. Objemová tíha ponořeného potrubí je také ovlivněna nasákavostí betonového obalu. Pro konstrukční účely se za normální nasákavost považuje 2 % (hmotnosti), ale může být i vyšší. V každém případě se nasákavost ověřuje v obalovacím dvoře ponořením vzorků (nebo celých potažených potrubních dílů) do vody po dobu 24 hodin. Vizuální kontrola rozměrů obsahuje měření obvodu podél dílu potrubí. Je specifikován vnější průměr a minimální objemová tíha ponořeného potrubí (kvůli stabilitě na dně) a potahovač stanoví nominální tloušťku betonu na základě zadané konstrukční hustoty betonu. Betonový plášť musí být souosý s ocelovým potrubím a bez nadměrných zvlnění, přičemž standardní tolerance u potaženého dílu jmenovitého průměru je -10 až +20 mm. Má-li být potrubí položeno konvenční metodou, je důležité, aby betonový plášť neklouzal po protikorozním povlaku, což se dokládá stahovacími testy na hotovém plášti. Betonový plášť určité délky (1,5 až 2 m) u kteréhokoli konce dílu potrubí se oddělí obvodovým řezem pilou a stahuje se hydraulickými zdviháky (obr. 12), přičemž požadovaná mez pevnosti závisí na předpokládané síle napínáku plavidla k pokládání trubek. Stahovací testy jsou normálně prováděny při pokojové teplotě, ale u asfaltových plášťů používaných při horní mezi teplotního rozsahu by mohlo být užitečné ověřit smykovou pevnost při tropické teplotě. Byly zaznamenány případy ocelových trubek, které vyklouzávaly z betonového povlaku. Smyková pevnost styčných ploch mezi betonem a tepelně aplikovanými povlaky je dostatečná, aby poškození vzniklo v protikorozním povlaku, který má smykovou pevnost cca 0,1 MPa při pokojové teplotě. Schopnost betonu odolat nárazům rybářského zařízení musí být doložena nárazovými zkouškami. Díl potrubí se přiměřeně podloží, např. písčitou lavicí nebo masivní plošinou, a udeří se na něj kladivem specifikovanou nárazovou energií (obr. 13). Hmotnost a nárazová hrana beranidla představují standardní zařízení na lovení do vlečné sítě; běžné testy zahrnují: kladivo s rovnou plochou 75 mm, kg, dopadající rychlostí 2 m/s (4 uzly) kladivo o poloměru 10 mm, kg, dopadající rychlostí 2,76 m/s (obr. 14). U prvního testu by bylo přejímacím kritériem, že se neobjeví žádná výztuž po šedesáti opakovaných úderech do stejného místa. U druhého, přísnějšího testu by protikorozní povlak neměl vykazovat žádné poškození a poloměr odloupnutí by neměl překročit 300 mm po pěti úderech. Úhel nárazu je v kolmém směru k ose trubky, ale stanovený může být rovněž šikmý nárazový test (např. při 60 ). Na obr. 15 je betonový plášť po Obr. 12 Zkouška stažení betonového pláště z potrubí Fig. 12 Push-off test on concrete coated pipe Obr. 13 Beranidlo pro nárazovou zkoušku betonového povlaku Fig. 13 Rig for impact testing of concrete coating 14 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 2/2007

6 Obr. 14 Úzká hrana narážeče hydraulického kladiva kg Fig. 14 Narrow striker edge of 2,68 kg impact hammer pěti opakovaných úderech těžkým kladivem z obr. 14. Obr. 15 Betonový povlak po pěti úderech těžkým hydraulickým kladivem, není odkryt žádný protikorozní povlak Fig. 15 Concrete coating after five blows by the heavy impact Hammer, no anticorrosion coating exposed Z VÝŠENÍ NAMÁHÁNÍ PŘI POKLÁDCE Přestože betonový plášť není brán v úvahu při přenášení konstrukčních zatížení na potrubí, jeho přítomnost zvyšuje ohybovou tuhost. To by nemělo velký důsledek, kdyby tuhost byla rovnoměrná. Potrubí se však spojuje z jednotlivých dílů délky 12 m a svařuje se na plavidle k jeho pokládání na moři (obr. 1). Aby se získal prostor pro obvodové svařování, je beton na koncích dílů zkosen. Po nanesení protikorozního povlaku na svar se dosáhne mechanické ochrany vyplněním montážního spoje obvykle horkým asfaltovým tmelem litým do jednorázového plechového bednění a lícujícím s přilehlým betonem. Protože výplňový materiál je dost měkký, ohybová tuhost se v montážním spoji neliší významně od tuhosti holého ocelového potrubí. Ohybová tuhost složeného, betonem potaženého potrubí je přímo určena za předpokladu plné interakce mezi ocelovým potrubím a betonovým pláštěm. Výpočty mohou být zjednodušeny tím, že se vezme do úvahy lineární pružnost a nezohlední se podíl z protikorozního povlaku, armování a namáhaného betonu. U standardního potrubí může zvýšení tuhosti snadno dosáhnout 50 % a u izolovaného potrubí, kde je beton oddělen od oceli vrstvou izolace (obr. 16), se tuhost může zvýšit o koeficient 2. Během pokládky trubek je potrubí vystaveno ohýbání. Pokud je tuhost nerovnoměrná, zakřivení má tendenci soustřeďovat se v pružnějších montážních spojích. Označením délky potažených úseků a montážních spojů L c, resp. L s, a příslušných ohybů κ c, resp. κ s, dostaneme kompatibilitu: κ c L c + κ s L s = κ L, kde κ je střední křivost a L = L c + L s Momentová rovnováha je: κ c EI c = κ s EI s = κ EI Zde EI c je ohybová tuhost potaženého potrubí, EI s je ohybová tuhost montážních spojů (identifikovaných tuhostí ocelového potrubí) a EI je střední ohybová tuhost. Vyřešením výše uvedených rovnic dostaneme: EI = k EI s, κ s = k κ a κ c = k κ EI s /EI c, kde k = L EI c /(L s EI c + L c EI s ) je činitel zvýšení zakřivení. Není běžné brát do Obr. 16 Složený průřez izolovaného potrubí s betonovým pláštěm Fig. 16 Composite section of insulated pipe with concrete coating úvahy zvýšení tuhosti potažených potrubí. Pokud se tak učiní, je to normálně zjednodušenou střední tuhostí v ohybu [1] definovanou jako: EI = (L c EI c + L s EI s )/L I když tento zjednodušený vzorec není přesný, poskytuje hodnoty velmi blízké správným hodnotám. Všimněte si, že pro L s /L c 0 dostaneme k EI c /EI s takže, pokud je délka montážního spoje malá oproti délce betonem potaženého potrubí, pak bude snížení zakřivení potaženého potrubí nepodstatné, zatímco zakřivení (a tím i namáhání) v montážním spoji se zvýší ve stejném poměru jako pružnost. Toto je důležité, jestliže se má předejít namáhání a trvalému pnutí potrubí během pokládky. Výše uvedený argument předpokládá náhlou změnu tuhosti od montážního spoje k opláštěné části potrubí. Avšak tuhost složeného průřezu v této oblasti se zvyšuje tvořením tlakového pásma v betonu (obr. 16) vyvolaného přenosem sil z ocelového potrubí k betonovému plášti pomocí smyku mezi plochami. Smykové napětí se přenáší na určité délce přechodnice, která se zvyšuje se zvyšováním vynuceného středního zakřivení, které je nulové ve vznikajícím ohybu. Přítomnost délky přechodnice vede ke snížení vzestupu křivosti, což se dá snadno vypočítat za předpokladu, že se pružnost potrubí lineárně mění po délce přechodnice od nižší hodnoty složeného opláštěného potrubí k vyšší hodnotě u montážního spoje. Je to skutečně otázka přidání délky přechodnice k fyzické délce montážního spoje [4]. Samozřejmě, že všechny problémy související se zvýšením tuhosti by nevznikly eliminací přechodu smyku mezi ocelí a betonem. Ohýbání potrubí by pak mělo za následek vznik trhlin po celém obvodu betonového pláště a plášť mezi trhli- B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 2/

7 Obr. 17 Ohybové zkoušky na opláštěném potrubním spoji v místě montáže Fig. 17 Field bending tests on coated pipe joint Literatura: [1] Wilhoit J C & Merwin J E: Pipe Stresses Induced in Laying Offshore Pipeline, Journal of Engineering for Industry, Trans. ASME, sv. 89, No. 1, Feb. 1967, pp [2] Kiernan E: Concrete Protects Offshore Pipeline, Oil & Gas Journal, Vol. 80, No. 18, May 1982, pp [3] Palmer A. C.: Concrete Coating for Submarine Pipelines, Magazine of Concrete Research, Vol. 34, No. 120, Sept. 1982, pp [4] Pallesen T. R.; Braestrup M. W.; J rgensen O. & Andersen J. B.: Danish Line Insulated against Hydrate Formation, Oil & Gas Journal, Vol. 84, No. 17, Apr. 1986, pp [5] Braestrup M. W.: Concrete Coating of Submarine Pipelines, Improving Performance of Concrete in Marine Environments, IIR Conference, Proc Paper No 11, Hong Kong, June 1987, 16 s. [6] Braestrup M. W.; Andersen J. B.; Andersen L. W.; Bryndum M. B.; Nielsen N. J. R.; & Christensen C. J.: Design and Installation of Marine Pipelines, Blackwell Publishing, Oxford, 2005 nami by se navlékal na potrubí jako korálky na šňůřu, bez zvýšení tuhosti. Avšak jak bylo vysvětleno dříve, je nutné, aby byl přechod smyku mezi plochami na potrubí zachován během pokládky a aby se zabránilo nepřijatelným diferenciálním pohybům kvůli změnám tlaku a teploty během provozu. Zvýšení tuhosti lze snížit provedením obvodových zářezů v betonovém plášti přibližně po 1 m. To bylo realizovánlo na některých starších potrubích v Severním moři, převážně však kvůli kontrole vzniku trhlin. Zářezy v betonu však snižují odolnost pláště proti nárazu i jeho trvanlivost, takže se od této praxe upustilo, zejména když zkušenosti ukázaly, že nekontrolovaný vznik trhlin v betonu nemá žádné negativní účinky. Aby se vypočítala délka přechodnice, a tím faktor zvýšení zakřivení, je nutné znát smykovou pevnost protikorozního povlaku. Většina povlaků, včetně asfaltového, má smykovou pevnost nejméně 0,1 MPa, což dostačuje k zabránění sklouzávání betonového pláště během pokládky. U izolovaných potrubí je nejslabší třecí plocha často mezi izolací a chráničkou pod betonovým pláštěm, ale smyková pevnost povrchu ocelového potrubí je stejné řádové hodnoty. Uvedené výpočty ukazují, že zvýšení zakřivení je důležité pro praktickou tloušťku betonu, přičemž příslušná koncentrace namáhání by měla být vzata v úvahu při analýze namáhání při pokládce, což se zřídka, pokud vůbec, dělá. Povšimněte si však, že v praktických podmínkách lze zvýšení zakřivení snížit v průvěsu, kde je nejnebezpečnější. Ohýbání potrubí na zaváděcím nose v kombinaci s napětím při pokládce vytvoří trhliny v horní části betonového pláště, které se úplně nezacelí po narovnání. Takže střídavé ohýbání potrubí v průvěsu by nutně nevytvořilo tlakové pásmo v betonu, které způsobuje zvýšené zakřivení v montážních spojích. K vyhodnocení zvýšení zakřivení v praktických podmínkách byl realizován prototypový testovací program [4]. Izolovaný a betonem opláštěný díl potrubí s přiříznutím na obou koncích byl vystaven ohýbání s použitím síly výstředného tahu (obr. 17). Měření odpovídajících hodnot vynuceného celkového zakřivení a zakřivení opláštěného spoje mimo konce umožňuje vypočet délky přechodnice. Výsledky vykazují značný rozptyl, ale předpokládané zvýšení délky přechodnice se zvýšením vynuceného zakřivení je zjevné. Průměrné výsledky ukazují smykový přechod mezi plochami, který souhlasí se stahovacími testy provedenými v laboratoři. Testy nedovolily experimentálně stanovit faktor zvýšení zakřivení, ale testování potrubí se simulovaným montážním spojem ukázalo výrazné zvýšení zakřivení na neopláštěném místě. Český překlad otištěn se souhlasem autora. V anglické verzi byl článek otištěn ve sborníku konference Betonářské dny Mikael W. Braestrup samostatný inženýr, MSc, PhD Ramboll, Dánsko mwb@ramboll.dk Ve slavném a rozlehlém městě Efesu vydali prý předkové za dávných dob zákon:... Stavitel, který přejímá provedení veřejné práce, musí závazně prohlásit, kolik bude činit stavební náklad. Po předložení rozpočtu úřadům se stavitelův majetek obstaví po dobu, než je stavba hotova. Jestliže po úplném dokončení stavby odpovídá stavební náklad předloženému rozpočtu, je stavitel vyznamenán pochvalným dekretem a čestnými dary. Také v případě, že se k rozpočtu nemusí doplácet více než čtvrtina, zaplatí se to z veřejných prostředků a nestíhá se to žádnou pokutou. Stoupnou-li však stavební náklady o více než čtvrtinu, vymáhá se rozdíl na dokončení stavby z majetku stavitelova. (Marcus Vitruvius Pollio: Deset knih o architektuře, Kniha desátá, Předmluva) 16 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 2/2007