Подводный клей 

А.Дутов,
водолазный специалист "Подводгазэнергосервис"

Соединение объектов под водой традиционно выполняется следующими основными способами: резьбовым, заклепками, сваркой, бетонированием. Только с недавних пор стало возможным склеивание предметов под водой, а также их герметизация, изоляция от окружающей среды и т.д.

Применение подводной склейки началось в начале нашего века: морская практика требовала быстрой заделки пробоин корпусов кораблей, особенно в боевых условиях.

В русском флоте для этих целей применялся расплавленный сургуч. Специальные команды боевых кораблей перед боем готовили стальные пластыри вогнутой формы, где сургуч поддерживался в расплавленном виде.

Пластырь устанавливался над пробоиной, опрокидывался и опускался на нее. Сургуч имеет достаточную вязкость и поэтому весь не стекал с пластыря. Сургучный пластырь обладал большой массой и, медленно остывая под водой, долго сохранял пластичность. Затем пластырь подсасывался входящим потоком воды, а сургуч играл роль герметика.

О прочности такого склеивания говорить не приходилось, но это решало сиюминутную задачу и подталкивало изобретательскую мысль к усовершенствованию процесса.

Более близкий прототип современных подводных клеев, как ни странно, применялся в автоделе. Шины автомобилей (броневиков) заполняли синтетическим каучуком на основе полиуретановых смол. Этот состав имел способность твердеть при контакте с парами воды и, когда колесо получало пробоину, каучук частично вытекал и герметизировал ее. Особенно выраженный эффект достигался при качении колеса по влажной почве.

В СССР в 70-е годы в Киевском институте высокомолекулярных соединений АН УССР была разработана серия клеев и герметиков для подводного применения "Спрут" и "ВАК", предназначенных, в первую очередь, для ремонта подводных переходов нефтегазопроводов. Основой этих клеев является ненасыщенная полиэфирная смола ПН-1.

Клей изготовлялся из 3-х и 4-х компонентов. Многие организации СССР использовали "Спрут" и "ВАК" в подводно-технических работах.

В настоящее время, в России на заводе Пластмасс разработана и выпускается полиэфирполиуретановая система - ПЭПУС, которая является основой для современных смол ПН-1 и ПН-609.

В течение 2-х лет фирма "Подводгазэнергосервис" успешно применяет ПЭПУС для ремонта подводных переходов газопроводов. Применяются в нашей практике и импортные клеи. Так, нашей организацией совместно с ВНИИСТом (Всероссийский научно-исследовательский институт по строительству трубопроводов) опробована технология и разработана инструкция нанесения защитных покрытий подводных переходов системой, состоящей из 2-х разных клеев. Первым слоем (на поверхность трубы) наносится клей Тортекс (Thortex) фирмы "E. Wood LTD" (UK), вторым - ПЭПУС.

Причина обращения к такому комбинированному покрытию заключается в том, что Тортекс имеет хорошую адгезию к стали под водой, но повышенную хрупкость, а ПЭПУС обладает высокими прочностными характеристиками. Имеется еще ряд особенностей в применении каждого из клеев, об этом будет рассказано ниже. Данное комбинированное покрытие утверждено Госгортехнадзором России.

НАЗНАЧЕНИЕ, ВОЗМОЖНОСТИ КЛЕЕВ

Антикоррозионное покрытие

Главное назначение подводных клеев в настоящее время - антикоррозионное покрытие. Они применяются при ремонте старой и нанесении новой изоляции объектов под водой, в основном - подводных переходов нефтегазопроводов.

Такие работы невозможно выполнить ни одним из других известных видов соединений материалов. Физическая суть процесса подводной клеевой изоляции состоит в том, что клей имеет большую поверхностную активность, чем вода и поэтому вытесняет воду с поверхности объекта, чем и достигается адгезия (прилипание). При использовании любого другого клеящего материала, между клеем и поверхностью всегда останется тончайшая пленка воды. Подводными клеями покрываются стальные поверхности - для защиты от коррозии; бетонные поверхности - для защиты от эрозии и фильтрации воды, которая вымывает бетон; деревянные - для защиты от гниения.

Свойства гидроизоляционных клеевых составов должны отвечать основным требованиям противокоррозионных защитных покрытий:

  • сплошность и непрерывность покрытий;
  • коррозионная стойкость, долговечность;
  • высокие диэлектрические свойства - характеризует степень защиты металла от электрохимической коррозии;
  • хорошая адгезия к металлам, бетону, дереву, стеклу и т.д. Это свойство определяет степень защиты материала от проникновения окружающей среды, а так же механическую прочность клеевого шва;
  • химическая устойчивость в агрессивных средах и биологическая устойчивость при воздействии грибков и микроорганизмов;
  • достаточная механическая прочность, обеспечивающая сохранность покрытия при воздействии нагрузок, создаваемых грунтом и щебнем в ходе засыпки;
  • длительное сохранение пластичности при циклических температурных нагрузках. Это свойство особенно важно на участках трубопроводов в урезной зоне воды и на мелководье из-за зимнего промерзания;
  • замедление возникающих коррозионных процессов на поверхности защищаемого металла;
  • технологичность изготовления и нанесения изоляции в подводных условиях;
  • возможность проведения контроля покрытия после его полимеризации.
  • "Холодная сварка" - ремонт дефектов труб и других конструкций

    Подводные клеи применяются не только для изоляции, но и для восстановления прочности поврежденных труб, когда клей берет на себя часть силовой нагрузки от внутреннего давления в трубе и других силовых факторов.

    В освоенной нами технологии, ремонту пока подлежат только несквозные дефекты - коррозионные каверны глубиной до 60% от номинальной толщины трубы, расслоение металла, производственный брак, вмятины.

    Ремонт производится с помощью композитных спиральных муфт - стеклопластиковых лент, длиной достаточной для намотки вокруг данной трубы в 8 слоев. Муфтами ремонтируются только прямолинейные участки трубопроводов. Ремонт производится без остановки транспортировки нефти или газа. Для ремонта данным методом применяются следующие материалы: композитная лента из высокопрочного материала шириной 300 мм и толщиной 1,5 мм; мастика для заполнения дефектов трубы; двухкомпонентный клеевой состав для склеивания витков муфты и первого витка муфты к трубе.

    Муфты выпускаются для ремонта труб конкретного диаметра от 219 до 1420 мм включительно. Муфты, предназначенные для ремонта труб большего диаметра, могут использоваться для меньшего размеров труб.

    Клеевые составы и муфты разработаны ВНИИСТом, технология установки муфты разработана ООО "ПОДВОДГАЗЭНЕРГОСЕРВИС" (ПГЭС).

    Герметизация подводных конструкций

    Герметизация не предполагает обязательного силового воздействия на склеиваемые объекты. Она производится аналогично нанесению изоляции, с той разницей, что клей или пластырь могут не прилегать к объекту по всей поверхности. Так, например, была произведена герметизация шандоры верхнего бьефа плотины на р. Тобол в г. Рудный. Шандора состоит из длинных узких элементов со щелями между ними. На всю площадь шандоры были наложены полотнища с клеем. В данном случае, чтобы достичь необходимой прочности, в расчет принимается давление воды и ширина щелей с одной стороны и прочность и толщина пластыря с другой.

    В другом случае необходимо было герметезировать стык бетонных труб, подающих питьевую воду. Применялся экологически чистый клей на основе смолы ПН - 609. Трубы разного диаметра с серпообразным зазором переменной ширины. Здесь нагрузка на герметик определяется перепадом давлений и шириной зазора. Целесообразно применять клей с большим количеством тиксотропного наполнителя для придания большей вязкости (густая шпатлевка). По мере увеличения зазора было необходимо клеевую композицию армировать волокнистыми материалами.

    Герметизацию возможно производить методом заливки (промоины в теле плотины, опорах мостов). Перспективным представляется герметизация с помощью вспенивающихся композиций - можно обходиться без опалубок и ограждений, что экономит время и снижается расход клеев.

    Использование клеев в судоремонте

    Не поднимая судно в док, с помощью подводных клеев возможно выполнять следующие работы: заделка пробоин, трещин, коррозионных каверн, усиление изношенных листов обшивки, исправление дефектов винторулевой группы (кавитационные каверны). При больших дефектах возможен комбинированный метод - использование пластыря на болтах, а клея как герметизирующего наполнителя.

    Работы на подводной части судна существенно отличаются от трубопроводных, тем, что здесь нет возможности нанесения кольцевых витков вокруг трубы.

    Это накладывает дополнительные требования по прочности соединения и по первоначальному фиксированию клеевых элементов до полимеризации.

    В данном случае пластыри для ремонта дефектов изготавливают из нескольких слоев ткани, пропитанной клеевым составом, из металла или компаунда, насыщенного волокнистым материалом (рубленое стекловолокно с добавлением тиксотропных наполнителей). При сквозном дефекте, если есть доступ, с обеих сторон накладывают пластыри. При этом получается эффект заклепки. При сквозном дефекте, пластырь ставится со стороны большего давления, которое помогает первоначальной фиксации. Если ставится малый и жесткий (из металла) пластырь, то можно обойтись без фиксирующих приспособлений.

    Для первоначального фиксирования пластыря (до полимеризации клея) используются элементы из легких материалов, поджимающие пластырь за счет своей плавучести; конструкции из тросов и клиньев и т.д. Наиболее удобно для этих целей использовать магнитные системы.

    Для ускорения процесса можно воздействовать на клей повышенной температурой - горячая вода в эластичных емкостях. Так же проливается горячей водой и внутренняя поверхность борта.

    Осенью 1999г. ПГЭС провел работы по ремонту баржи в московском Северном речном порте. В барже имелась трещина длиной 120 мм и шириной раскрытия 1,5 мм. После дефектоскопии данного участка был наложен стальной пластырь с подводной стороны, размерами 200 х100 х 2 мм на клее ПЭПУС. С внутренней стороны на трещину наложена густая мастика со стекловолокном с вдавливанием мастики внутрь трещины.

    После ремонта баржа прошла всю навигацию 2000г.

    Клей как конструкционный материал

    Отвержденные клеевые системы не имеют высокой прочности на разрыв и сдвиг. Их назначение - высокая адгезия к различным материалам. Именно это свойство и позволяет получить высокопрочные материалы в сочетании: клей - наполнитель - армирующее вещество.

    Основную нагрузку в композитных материалах воспринимает на себя армирующий элемент, расположенный вдоль действия разрушающей силы. В качестве армирующих элементов применяются металлы, прочные ткани, нетканые материалы и другие композитные материалы. Возможны различные комбинации, обусловленные конкретными целями.

    Наполнители вводят для достижения требуемой вязкости и тиксотропности для удобства работы под водой, а так же для окрашивания (пигменты) и придания специальных свойств.

    Имея в своем распоряжении обычные строительные материалы - металлический профиль, железобетонные изделия, дерево и клеевые композиции с армирующими наполнителями, возможно быстро и без использования тяжелой техники создавать различные конструкции под водой. Для этого предлагается использовать легкие металлические и пластмассовые муфты для соединения деталей. Муфты не силовые, а только формообразующие - всю нагрузку воспринимает клеевая композиция. vТаким путем можно добиться любой необходимой прочности конструкции. Так, например, при установке двух стоек вместо одной, прочность конструкции повышается в 2 раза. Ели же эти стойки склеены между собой, то прочность повышается во много раз, а выполнить такие связи с помощью клеев намного проще, чем другими способами.

    Теплоизоляция объектов

    Изолировать необходимо трубы, пропускающие горячие (или холодные) продукты, резервуары, плавучие объекты, фундаменты строений, расположенные в грунтовых водах.

    Теплоизоляцию можно создать известными утеплителями, приклеив их к объекту, если клей имеет адгезию к данному утеплителю. Если адгезии нет, то утеплитель временно фиксируется любым способом, а затем обматывается рулонными материалами с клеями, аналогично изоляции труб. Вода при этом выдавливается с поверхности объекта. Этот способ пригоден для замкнутой изолируемой поверхности (трубы, резервуары).

    Наиболее перспективен метод вспенивающихся клеев, пригодный для любой конфигурации. Он основан на том, что при замешивании клея в него добавляют пенообразователи. Затем клей наносится на объект либо как краска, либо с помощью рулонных материалов.

    Через определенное время клей начинает вспениваться, образуя на поверхности объекта шубу с замкнутыми порами. Время и увеличение объема зависит от концентрации компонентов, температуры и давления воды.

    Общие закономерности при работе с подводными клеями

    Независимо от назначения данной полимерной системы - изоляция, силовой ремонт, заполнения объемов и т.д. - есть общие свойства, закономерности и методы работы с ними.

    ВЯЗКОСТЬ клеевой системы - степень текучести материала, определяется временем, за которое данный материал вытекает из данного отверстия в определенном объеме. Чем больше вязкость, тем менее текуч материал. Вязкость измеряется в стоксах (Ст.).

    Вязкость накладывает ограничения на всю технологию, так как очень трудно наносить материал кистью при высокой вязкости, заполнение какой -либо полости может не произойти полностью - материал раньше начнет схватываться. С другой стороны, при малой вязкости материал быстро стекает с поверхностей, его трудно нанести на армирующий элемент достаточной толщиной, требуется тщательная герметизация опалубки.

    Повышают вязкость добавкой инертных наполнителей. Если надо снизить вязкость, можно пользоваться растворителями, если это допустимо по тех условиям, т.к. они влияют на процесс полимеризации, повышают пористость, снижают прочность.

    На вязкость влияет температура - при повышении температуры вязкость понижается (необходимо помнить, что в этом случае уменьшается и время работоспособности клея). Много хлопот возникает при работе в жаркое время: при замешивании на суше клей текуч, попадая в холодную воду, вязкость резко возрастает. Вязкость некоторым образом определяется

    ТИКСОТРОПНОСТЬЮ - свойство материала сохранять первоначально заданную форму. Это свойство характеризует способность материала не стекать с потолочных и вертикальных поверхностей, что важно при нанесении клеев без армирующих материалов.

    Тиксотропность достигается введением специальных наполнителей, обладающих большим внутренним трением, что препятствует перемещению частиц материала относительно самих себя.

    Один из тиксотропных наполнителей - мелкодисперсный порошок на основе асбеста.

    При данной тиксотропности вязкость может быть разной. Вспомним такие "твердые" вещества, как сургуч, стекло, которые "текут" при большой температурной выдержке.

    НАПОЛНИТЕЛИ - инертные материалы, не влияющие на химический процесс полимеризации. Наполнители вводят для достижения нужной вязкости. Прочность так же зависит от вида наполнителя - некоторые порошковые (например, металлы) повышают прочность на сжатие и сдвиг. Наполнители вводят для достижения специальных свойств, например против обрастания (яды), а так же красители. Для снижения стоимости материалов могут применяться и дополнительные наполнители, когда требуется заполнить большой объем пустот в теле бетонных гидротехнических сооружений (песок, гравий)

    В качестве наполнителей применяют аэросил, асбест, тальк и т.д. Волокнистые наполнители (например, рубленое стекловолокно) повышают прочность на разрыв, что перекликается с АРМИРУЮЩИМИ материалами, которые служат для повышения прочности клеевых композиций. Основная нагрузка от внешней силы распределяется по нитям армирующего вещества, расположенного вдоль действия силы. В качестве армирующего элемента применяют стеклоткани и другие ткани, нетканые материалы, металлы.

    Могут применяться не силовые армирующие вещества, когда требуется получить гарантированную сплошность покрытия при изолировочных работах. Здесь может применяться не размокающая бумага.

    ТЕПЛОСТОЙКОСТЬ - способность материала сохранять свои свойства при повышенной температуре, она проверяется на эталонных образцах путем повышения температуры, до тех пор, пока образцы не потеряют свою форму. Современные материалы имеют теплостойкость от 100 до 2000С.

    ТЕМПЕРАТУРА ЭКСПЛУАТАЦИИ - пределы температур, при которых может эксплуатироваться отремонтированный объект.

    ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ - способность вещества впитывать воду. Отношение веса впитанной воды к весу испытуемого образца, выражается в процентах.

    Водопоглощение характеризует степень устойчивости материала к воде, его монолитность и, как следствие, изоляционные свойства и долговечность.

    ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ (ЭП) - определяется величиной напряжения, при которой произошел пробой материала данной толщины. Измеряется в В/мм. ЭП так же характеризует изоляционные свойства, способность противостоять катодной защите ремонтируемых объектов.

    УСАДКА - уменьшение (увеличение) объема клея после полимеризации. Измеряется в процентах. Различают объемную и линейную усадку.

    Усадка двояко влияет на качество работ. При наложении кольцевого замкнутого пластыря, он, после отвердения, уменьшаясь в размерах, плотно охватывает изолируемый объект, при этом дополнительно вытесняет воду и вдавливается в микрорельеф поверхности.

    Если же требуется заполнить большую полость, то излишняя усадка может дать зазоры у стенок. Для борьбы с этим явлением надо подбирать материалы с малым коэффициентом усадки и закладывать как можно больше наполнителей.

    Есть материалы с отрицательной усадкой, увеличивающие свой объем. Кроме того, применяются пенообразователи - в зависимости от количества его, материалы расширяются в определенной степени.

    ВИБРОСТОЙКОСТЬ - способность материала сопротивляться циклическим знакопеременным нагрузкам. Вибростойкость характеризует долговечность материала. Вибрации возникают практически во всех технических объектах. На трубопроводах - от пульсации давления перегоняемого продукта, на судах - от работы двигателей, на гидротехнических сооружениях - от работы турбин, насосов, потока воды в водоводах.

    Вибростойкость проверяется на вибростендах при разных частотах, амплитудах и времени воздействия на образцы.