Цементирование стали и цементация металла в домашних условиях

Общая информация о процессе

В первую очередь необходимо понимать основы термической обработки стали.

К особенностям цементации металла относят следующие факторы:

1. Благодаря процедуре цементируемые стали становятся прочнее, что повышает износостойкость и прочность материала;
2. Свойства эксплуатации металла изменяются за счет нагрева изделий в жидкости, газовой или твердой среде, что улучшает ее характеристики;
3. Нагревание деталей можно до разных температур, нет ограниченной константы и точных рекомендаций. В домашних условиях процесс цементации проходит при температуре 500 градусов по Цельсию. В промышленных условиях с использованием профессионального оборудования температура нагрева в печи достигает более 1300 градусов по Цельсию. Следует знать, что температуру выбирают, учитывая концентрацию примесей и углерода.
4. Профессионалы рекомендуют в домашних условиях цементировать низкоуглеродистые виды стали (приблизительно 0,2%). Например, лезвие от недорогого кухонного ножа, изготовленного из стали или небольшие детали.
5. В структуру стали углерод проникает довольно медленно. Поэтому цементация лезвия ножа в условиях домашней процедуры происходит со скоростью не более 0,1 мл в час. Чтобы это же лезвие выдерживало более сильные нагрузки, нужно усиливать слой толщиной до 0,8 мл в час. Еще важно понимать, что цементация ножа или небольшого вала в условиях домашнего цеха займет минимум восемь часов. При этом следует удерживать определенную температуру в печи, чтобы не нарушить температурный режим.
6. В процессе цементации изменяется не только свойство металла, но и его фазовый состав и атомная решетка. В целом поверхность получает такие же характеристики, как и при закалке, но при этом существует возможность контроля в узком диапазоне температур, чтобы избежать различных дефектов материала.

Осуществить цементацию нержавеющий стали немного сложнее, но в то же время это качественно улучшит характеристики этого вида металла.

Как цементируют скважину?

Для цементации скважины используется тампонажный раствор. В отличие от бурового раствора, облегчающего процесс бурения, тампонажный раствор превращается в твердое тело. Благодаря этому обсадная колонна крепится к стенка скважины. Такое техническое решение делает во много раз прочнее всю конструкцию.

Известно несколько методов цементации, каждый из которых содержит следующие основные этапы:

• приготовление тампонажного раствора
• подача раствора в затрубное пространство одним из способов
• твердение тампонажной смеси
• проверка качества тампонажа

тампонажный цемент

Учитывая важность и высокую сложность предстоящего процесса, перед началом тампонирования обязательно составляется схема будущих работ. Схема составляется с учетом конструкции скважины, характеристик грунта, в котором было произведено бурение, протяженности участка тампонирования, марка тампонажного раствора и многое другое. Все параметры обязательно проверяются инженерным расчетом, так как неправильно сделанное тампонирование способно навсегда вывести скважину из строя и тогда уже придется применять ликвидационное тампонирование, цель которого защита водоносного горизонта от загрязнений с поверхности и из промежуточных геологических слоев. Кроме теоретических расчетов всегда учитывается опыт тампонирования скважин, проведенный в сходных условиях. Кроме упрочнения и герметизации скважины цементация позволяет удалить буровой раствор, смесь раствора с буровым шламом и другие жидкости (например, промывочную жидкость) из затрубного пространства.

Зачем цементировать скважину?

Цементирование скважины – процесс, который следует сразу после окончания буровых работ. Процедура цементирования заключается в том, что в затрубное или межтрубное (в случае если обсадная труба помещена в свою очередь в полиэтиленовую более широкую трубу) вводится цементный раствор, который со временем затвердевает, образуя монолитный ствол скважины.

Цементный раствор в этом случае называется “тампонажный”, а сам процесс “тампонированием”. Сложный инженерный процесс, именуемый технологией цементирования скважин, требует определённых знаний и специального оборудования.

В большинстве случаев источники воды можно тампонировать своими руками, что обходится гораздо дешевле, чем привлечение специалистов.

Цементирование скважин – комплекс мероприятий, направленный на укрепление затрубного пространства и обсадной колонны от разрушающего бокового давления горных пород и воздействия грунтовых вод

Правильно произведённое тампонирование скважин на воду способствует:

• обеспечению прочности конструкции скважины;
• защите скважины от грунтовых и верховых вод;
• укреплению обсадной трубы и защите её от коррозии;
• повышению срока эксплуатации водоисточника;
• устранению крупных пор, пустот, зазоров, через которые в водоносный горизонт могут попасть нежелательные частицы;
• вытеснению бурового раствора цементным, если первый использовался при бурении.

От того, насколько грамотно осуществлено цементирование, будет зависеть качество добываемой воды и эксплуатационные характеристики скважины. Также цементирование производится для ликвидируемых скважин, которые больше не будут больше эксплуатироваться.

Почему фундамент нуждается в усилении?

Подземные конструкции здания со временем утрачивают свои эксплуатационные качества. И это не зависит от материала дома: монолитные, деревянные, кирпичные, железобетонные, сооружения из камня после определенного времени использования нуждаются в реконструкции.  Ускоряют этот процесс природные и техногенные факторы.

К техногенным стоит отнести:

• Неравномерную осадку в результате длительного уплотнения грунтов под воздействием тяжести здания или проведения доработки территории (например, строительство рядом с помещением подземных сооружений). Согласно статистическим данным дворы, улицы и дома, расположенные над тоннелями метро, оседают в год на шесть сантиметров, а расположенные над станциями – на десять сантиметров.
• Искусственное понижение уровня залегания грунтовых вод при обустройстве ливневой канализации и дренажей. Это приводит к тому, что зона аэрации увеличивается. Что способствует осушению и загниванию элементов деревянной конструкции. Как результат можно наблюдать существенную неравномерную осадку.
• Повышение уровня грунтовых вод. Под воздействием этого фактора основания обводняются, появляются провалы.
• Надстройку дома. Это увеличивает нагрузку на основание. Фундамент нередко теряет устойчивость и проседает. Конструкция повреждается, повышается ее износ.
• Прорыв водопровода. Становится причиной размыва грунта и образования промоин, каверн, прочих опасных деформаций.
• Промышленные установки, транспорт оказывают на основание дома вибрационное действие. Вибрация вызывает уплотнение песка, разжижение водонасыщенного грунта. В итоге дом становится менее устойчивым.

К природным факторам износа принадлежат:

1. землетрясения;
2. подмыв фундамента здания, расположенного вблизи рек, моря или водохранилищ;
3. таяние вечномерзлых грунтов;
4. деформация оползневых склонов;
5. ветровая эрозия основания.

Причиной разрушения металлических конструкций нередко становится коррозия, а деревянных – разложение и загнивание. Это приводит к просадке и появлению трещин в стенах, ухудшению эксплуатационных качеств здания.

Для восстановления основания, повышения стойкости сооружения, обычно обращаются за помощью к специалистам.

Если стоимость и цена услуги слишком высокая, и финансовое положение владельца дома не позволяет нанять рабочих для устранения проблемы, тогда следует попытаться выполнить работу своими силами. Советуем посмотреть статью про сварной и прессованной решетчатый настил.

Классификация среды, в которой проходит цементация стали

Науглероживание ножа или другого изделия может проходить в следующих средах:

1. Твердой.
2. Газовой.
3. В виде пасты.
4. Растворе электролита.
5. Кипящем слое.

Цементация металла в домашних условиях графитом проводится чаще всего. Наибольшее распространение получила твердая среда по причине того, что не нужно обеспечивать высокую герметичность печи.

Газ применяется преимущественно в промышленном производстве, так как позволяет достигнуть требуемых результатов за минимальный период.

 Завершающий этап цементирования

Период затвердевания цементного столба может варьироваться, в зависимости от состава раствора. Имеет значение и то, какая именно колонна тампонировалась. Для кондуктора, например, достаточно 16 часов, а для эксплуатационной колонны нужны сутки. По истечении этого срока, в скважину опускают электротермометр. Итак:

• С его помощью, по изменениям температур, определяют высоту подъёма раствора в цементируемом пространстве. Максимальное выделение раствором тепла, происходит в течение нескольких часов после его затвердевания. Поэтому, для определения данного показателя, прибор должен быть спущен в скважину в течение суток после окончания тампонажа.

Скважинный локатор

• Для контроля качества цементирования широко применяют акустический зонд (скважинный локатор). Участки, не заполненные раствором, определяются по амплитудам звуковых колебаний. Если к качеству тампонажных работ претензий нет, начинают обвязку устья скважины. Затем, в неё спускают пикообразное долото либо желонку, с помощью которой разбуривают затвердевшие остатки раствора и заливочные пробки.

Далее наступает черёд опрессовки ствола, то есть проверка его на герметичность. Для этого, в него закачивается вода под давлением, превышающим расчётное на 20%. Если спустя полчаса давление снижается не больше, чем на 0,5 мПа, и при этом не происходит выделение газа, и перелива воды, скважина считается герметичной.

Усиление фундаментов цементацией: технология работ

Даже самый прочный фундамент со временем теряет часть своих эксплуатационных свойств под воздействием внешних факторов – нагрузки от здания, воздействия слоёв грунта и подземных вод, температурных и климатических условий и пр. Таким образом, через семь-десять лет использования перед владельцем может встать вопрос об укреплении фундамента, в чём может помочь дополнительное цементирование.

Данный метод применим к опорным фундаментам и используется в тех случаях, когда опора или свая износилась со временем, а её несущая способность снизилась. Конечно, можно полностью заменить их – однако, этот процесс долог и потребует больших затрат сил и денежных средств. Цементация же позволит привести опоры в порядок, не нарушая общей целостности фундамента. О том, что представляет собой технология усиления фундаментов цементацией – читайте в нашей статье.

Как понять, что фундамент нужно усиливать

Помимо множества внешних факторов, скорое разрушение фундамента может быть вызвано ошибками в процессе его монтажа – например, использовался раствор не той плотности или имело место смешивание нескольких растворов, использовались некачественные материалы, была неправильно проведена разметка и.т.п. Важную роль играет гидроизоляция бетона, а также уплотнение грунта перед его заливкой; игнорирование этих мер приведёт к скорому смещению фундамента, особенно – на пучинистом грунте.

В результате поверхность бетона покрывается трещинами; если фундамент прогибается под зданием, эти трещины будут увеличиваться и вскоре появятся на стенах. Появление таких повреждений – первый признак того, что фундамент нуждается в ремонте.

Определить, с какой скоростью проходит разрушение, можно при помощи бумажной ленты, прикрепив её к поверхности стены поперёк трещины. Если она не порвётся в течение недели, разломы перестали расширяться, либо расширяются очень медленно; если же лента порвётся за несколько дней, пора бить тревогу.

Способы и технология проведения цементации

Цементация, иначе – инъекцирование бетоном, может проводиться двумя способами: внутренним и сквозным:

Весь процесс можно разбить на следующие этапы:

1. Бурение шурфов (скважин), в местах наибольшего повреждения фундамента. В среднем ширина шурфов должна составлять метр на метр; длина – равняться глубине фундамента минус 15-20 см. Чтобы не оказать серьёзного вибрационного воздействия на всю конструкцию, рекомендуется бурить скважины с небольшим наклоном (50-70) в шахматном порядке. Если есть возможность, пробурить шурф лучше и внутри дома – так как в центральной части разрушения более интенсивны. Определить их расположение нетрудно – обращайте внимание на трещины на бетоне и кирпичной кладке, а также на осыпающуюся штукатурку.
2. Далее в бетоне просверливаются отверстия, в которые вставляются трубки для закачки бетонного раствора; шаг трубок может составлять 30-50 см, диаметр – 4-11 см. Глубина определяется протяжённостью разрушений, максимальное значение для внутреннего инъекцирования бетона– на 30 см меньше глубины фундамента, при сквозном на 0,5 м больше глубины фундамента.
3. После этого нужно приготовить бетонный раствор, консистенция которого значительно отличается от той, что применяется при строительстве. Соотношение воды и цемента в нём равняется 0,9 к 1. Для закачки смеси в шурф используется обычный насос либо передвижная насосная станция.
4. После того, как уровень впитывания раствора снизится до 3,5 литров в минуту, нужно постепенно сгустить раствор до соотношения «вода-щебень – 0,7 к 1». Теперь остаётся только вылить весь приготовленный раствор, заполнив шурф до отказа – нормы расхода материала подробно описаны в нормативных документах ЕНиР. Для увеличения скорости можно повышать давление закачки, но не более, чем до 0,3 МПа.

Работу по цементации можно считать оконченной. Заполненные раствором шурфы накрываются брезентом и оставляются на 48 часов – этого времени достаточно, чтобы бетон схватился и отвердел.

Помните, что  проведение цементации подразумевает серьёзные структурные изменения в фундаменте дома, которые зачастую бывают излишними. Например, если причиной проседания здания является не повреждение фундамента, а элементарные ошибки в строительстве – например, неправильный расчёт нагрузки, из-за которого он стал продавливать грунт. В таком случае возникшие трещины не будут распространяться дальше, а бурение шурфов может только усугубить положение. Поэтому, если Вы не обладаете должным опытом в строительстве, перед началом любых работ лучше проконсультироваться со специалистами.

Усиление фундамента

Применение инъектирования для усиления основания — новаторский метод. Провести самостоятельно не получится, так как потребуется специальная строительная техника.

Суть усиления заключается в том, чтоб под углом 45 градусов делаются скважины, которые заполняются раствором. В течении суток раствор густеет, полностью заполняет трещину.

В скважины монтируют сваи, в них заливают цемент или бетон. Грунт увеличивается на 10 процентов. Раствор действует как инъекция — он заполняет ослабленные внутренние поверхности. Таким образом удается достигнуть увеличения несущей способности сооружения, при этом не прибегая к серьезным строительным мерам.

Но несмотря на то, что инъектирование применяется часто, существует масса нюансов, которые не учитываются мастерами при работе, в результате чего эффективность процесса снижается.

На процесс не влияет на угол наклоны и надежность конструкции. Увеличение угла не нужно, хотя некоторые строители и пытаются сделать это при расчетах. Сваи обязательно крепятся плотно на фундаменте здания. Инъекции цемента в старом основании нужно, если он не будет убираться. Укрепление дополнительными материалами требуются, если заделка сваи менее пяти диаметров.

Обращают внимание на состав грунта. Если он склонен к оседанию или движению, то используются в комплекте с цементным составом дополнения инертного типа, например, песок.

Чтоб еще больше усилить фундамент используются профиля из металла, стекло или трубы. Армирование применяется на сечениях, а стекло — везде.

Если под фундаментом располагаются грунтовые воды, то используются методики комплексного усиления. Дело в том, что бетон при контакте с водой не может показывать предельные показатели прочности, начинает разрушаться со временем. Строители, видя этот недостаток при начале монтажа, используют буронабивные сваи. Суть методики заключается в том, что в предварительно сделанные дыры в фундаменте, монтируются трубки, выполняющие роль опалубки.

Термический метод

Этот способ применяют в основном при укреплении просадочных грунтов. Технология усиления грунта термохимическим обжигом основана на обработке основания продуктами сгорания жидкого или газообразного топлива. При необходимости сжигаемый материал обогащают добавками.

Топливо сгорает в герметичной скважине, расположенной вертикально, горизонтально или под наклоном. В результате образуются прочные термогрунтовые столбы.

Более современный электротермический обжиг ведут с помощью нихромных электронагревателей. Возможность колебаний мощности нагревателя по высоте скважины позволяет регулировать форму и размеры образующихся при обжиге столбов в соответствии с неоднородностью пластов.

Расчеты, необходимые при цементировании скважин

После того, как проведена полная идентификация пробуренной скважины, приступают к  соответствующим расчетам, в ходе которых получают следующие необходимые для цементирования данные:

Вычисления можно проводить как в ручном режиме, так и с помощью автоматических средств, с применением необходимого программного обеспечения.

Для успешного расчета нужны перечисленные ниже входящие данные:

• диаметр цементируемой скважины;
• необходимое значение  плотности  цементного раствора;
• высоту кольца уплотнения;
• объем стакана и так далее.

После проведения автоматизированного расчета программа выдает результат в виде  таблицы, в которую включены все необходимые данные. Если в такой таблице заменить некоторые исходные  значения, то перерасчет проводится автоматически и результат будет иным.

В настоящее время расчет ручным способом применяется редко, однако эта методика до сих пор имеет право на свое существование. Входящие данные при ручном расчете ничем не отличаются от автоматизированного.

На примере одноступенчатой тампонажной технологии рассмотрим последовательность вычислений. Она выглядит таким образом:

• начинают расчет с вычисления высоты столба буферной жидкости с учетом предварительно определенного коэффициента аномальности;
• затем проводят расчет высоты столба цементирующего раствора, находящегося за пределами  эксплуатационной колонны;
• определяется необходимый объема такого раствора;
• рассчитывается вес сухой цементной части;
• вычисляется необходимое количества воды или иной разбавляющей жидкости;
• вычисляется максимальное значение давления, которое будет на упорном  кольце.

На заключительном этапе  расчета определяется требуемая подача цемента соответствующими агрегатами, а также количество цементирующих приборов. Также в процессе расчета определяется количество цементосмесителей,  необходимых для обеспечения  требуемого объема цементирующего раствора.

В заключении подведем итоги.

Разумеется, качество решения это непростой инженерной задачи находится в прямой зависимости  от соблюдения правильной последовательности и всех правил проведения необходимых технологических операций, а также от  корректности проведенных  расчетов и квалификации персонала. Рабочие и инженеры, непосредственно проводящие цементирование, должны целиком и полностью соблюсти все требования, предъявляемые к проведению этих работ.

Кроме того, важную роль в этом процессе играет качество применяемых для приготовления цементной смеси  материалов, а также исправность и эффективность применяемого оборудования. Соблюдение всех перечисленных требований позволяет провести эти работы качественно, что дает возможность существенно продлить срок эксплуатации  глубинных конструкций скважины.

Список используемой литературы:

• Нефть и Нефтепродукты — Википедия
• Хаустов, А. П. Охрана окружающей среды при добыче нефти/ Хаустов, А. П., Редина, М. М. Издательство: «Дело», 2006. 552 с.
• Алекперов, В.Ю. Нефть России: прошлое, настоящее и будущее /Алекперов В.Ю. М.: Креативная экономика, 2011. – 432 с.
• Издательство: «Нефть и газ», 2006. 352 с. Сургутнефтегаз.
• Экономидес, М. Цвет нефти. Крупнейший мировой бизнес: история, деньги и политика/ Экономидес М., Олини Р. Издательство: «Олимп-Бизнес», 2004. 256 с.

Основные преимущества монолитного фундамента:

• отличная способность выдерживать горизонтальные и вертикальные нагрузки;
• высокая устойчивость к влаге;
• надежность, прочность и жесткость, приспособленность к различным видам грунта;
• способность выдержать любые подвижки грунта, землетрясения, повышенные нагрузки;
• долговечность;
• внутренне расположение стен в здании может быть любым. Сначала можно построить фундамент, после этого заняться планировкой помещения;
• отсутствие грызунов и насекомых;
• нет необходимости устанавливать дорогостоящую систему утепления пола и гидроизоляции.

Для устройства фундамента необходимо много материалов – песка, стальной арматуры, цемента, добавок, щебня. Такой состав гарантирует прочность, ускорит застывание бетона.

Учитывая конструкционные особенности данного основания и сложность его обустройства, для его выполнения следует пользоваться услугами только квалифицированных специалистов с большим опытом. Помимо этого, потребуется специальная строительная техника.

Выводы и полезное видео по теме

В ниже представленных видеороликах речь идёт о скважинах в нефтегазовой отрасли, но принцип технологии производства работ такой же, как для водоносных скважин.

Процедура одноступенчатого цементирования скважины:

Специфика производства манжетного цементирования:

Технологические особенности двухступенчатого цементирования:

Цементирование – сложный процесс, требующий применения специализированной техники. Однако это не говорит о том, что провести его самостоятельно невозможно. Выбрав и правильно приготовив тампонажный раствор, используя минимальный набор агрегатов, с работой вполне можно справиться самостоятельно.

В любом случае эксплуатация скважины без укрепления ствола цементом не будет долгой, а затраты на бурение нового водоисточника будут ничуть не меньше.

Если после изучения материала у вас остались вопросы о том, как правильно зацементировать скважину после бурения, или вы обладаете ценными знаниями по данному вопросу, пожалуйста, оставляйте свои в расположенном ниже блоке.

Выполнение работ

При инъектировании все зависит от типа повреждения. Если в бетонном монолите появилась трещина, то процедура выполняется следующим образом:

1. Трещина расширяется при помощи болгарки.
2. В отверстие вставляются паркеры.
3. С обоих сторон от трещины приклеивается защитная лента.
4. Трещина и установленные в ней трубки заливаются строительным раствором, после чего через отверстия в бетонную толщу подается состав для инъектирования.
5. Паркеры удаляются, а поверхность зачищается.

Если речь идет об уплотняющих инъекциях на влажных участках поверхности, то процедура будет следующей:

1. По бокам от трещины сверлятся отверстия (в шахматном порядке) из которых при помощи пылесоса удаляется пыль и бетонные частицы.
2. В отверстия устанавливаются паркеры и инъецируется состав.
3. Трубки удаляются и поверхность покрывается строительным раствором.

При заделке напорных течей инъекционные работы производятся точно также, только в этом случае необходимо использовать специальные составы, которые быстро затвердевают и хорошо расширяются.

Виды оборудования которое может понадобиться

В перечень технического обеспечения проведения работ включают следующее оборудование для цементирования скважин:

• цементировочные агрегаты, необходимые для затворения цемента и его продавливания в скважину под давлением;
• цементно-смесительные машины используют в тех же целях, что и цементировочные агрегаты;
• цементировочная головка необходима для проведения промывки скважинного ствола и последующего цементирования его стенок;
• заливочные пробки применяются в том случае, если выбирается двухступенчатое цементирование скважин;

• другие виды мелкого оборудования, включая краны высокого давления, гибкие металлические шланги, устройства для распределения раствора и др.

Оборудование, необходимое для цементирования скважин, может быть установлено на грузовых автомобилях

Важно! Чтобы обеспечить качество выполнения сложной инженерной задачи, необходимо неукоснительно следовать требованиям технологического регламента, разработанного специалистами для крепления скважинных стволов. Также тампонажная бригада, в состав которой входят лишь квалифицированные рабочие, должна соблюдать технологическую дисциплину. Большое внимание уделяют и качеству используемых тампонажных материалов.

Как видите, процесс цементирования скважин зависит от профессионализма людей, задействованных в работах, и от материалов, используемых для выполнения поставленной задачи.