Особенности эксплуатации полиэтиленовых труб при гидротранспорте илистого осадка Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© Ю.В. Кириченко, Ю.П. Горбатов, М.В. Прохоренко, 2006

Ю.В. Кириченко, Ю.П. Горбатов,

М.В. Прохоренко

ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ ПРИ ГИДРОТРАНСПОРТЕ ИЛИСТОГО ОСАДКА

щ применение композиционных материалов нашло в послед-

-Кж. ние годы широкое распространение в различных отраслях. Это вызвано такими достоинствами этих материалов как долговечность, пластичность, низкая плотность при достаточной сопротивляемости различным нагрузкам, легкость изготовления изделий и запасных частей к ним, невысокая стоимость и т.д. В технически развитых странах полиэтилен (ПЭ) и поливинилхлорид (ПВХ) практически полностью вытеснили чугун, сталь, керамику, асбестоцемент в коммунальных хозяйствах городов. Трубопроводы и фасонные части из ПЭ и ПВХ хорошо зарекомендовали себя при транспортировании воды, канализационных и ливневых стоков в различных условиях эксплуатации.

Гидротранспортирование пульпы по полиэтиленовым и ви-нилхлоридным трубопроводам до настоящего времени являлось одним из способов улучшения характеристик гидротранспортных систем, но не рассматривалось в качестве полноценной замены стальным трубам. Имеется определенный опыт применения труб из композиционных материалов (или стальных с футировкой) на ряде горнодобывающих предприятий в США, Канаде, Аргентине, Нидерландах, Швеции, Австрии, ЮАР и т.п. В 1986-1988 гг. производились испытания полиэтиленовых труб из ПЭ-63 Казанского завода с внутренним диаметром 540 мм в АО «Баштрансгидромеха-низация» на карьерах Предуралья в широком диапазоне гидротранспортных режимов. Участок пульпопровода из полиэтиленовых труб использовался для транспортирования грунтов VI категории от земснаряда 300-40 с землесосом 20Р-11м и V категории от земснаряда 180-60 с землесосом 16ГРУТ-8 [1]. Пульпопровод экс-

плуатировался в широком диапазоне температур - от +340С до -80С. Результаты испытаний показали, что применение ПЭ труб целесообразно на грунтах V категории и ниже при подаче землесоса Q < 2200 м3/ч. Была также отмечена пластичность труб, что позволило на расстоянии 110 м отклонить по горизонтали пульпопровод на 700.

При реконструкции Захарковского песчаного карьера в Красногорском районе Московской области было произведено широкомасштабное применение полиэтиленовых труб фирмы WAVIN (Вавин) для напорного гидротранспортирования илистого осадка. Осадок разрабатывался земснарядом производительностью 400 м3/ч по пульпе, напором 20 м вод. ст. по ПЭ пульпопроводу в песколовку к земустановке ГРу 400/20. Далее илистая пульпа с содержанием песчаных частиц в пределах 0,4-0,5 % подается по ПЭ трубопроводу диаметром 280 мм и длиной 1500 м к двум последовательно соединенным перекачивающим станциям 400/20 и 400/40. Дальнейший гидротранспорт осуществляется также по ПЭ трубам к дюкеру через р.Москву и далее по стальному пульпопроводу 0 = 630 мм на расстояние 5,68 км в систему канализации с остаточным напором ^ст = 2.. .3 м. вод. ст. геодезическая высота подъема h = 40 м. Фактическая производительность при этом составляет 380 м3/ч (105,56 л/с).

ПЭ трубы фирмы «Вавин» изготовляются из материала ПЕ100 диаметром до 1400 мм с классом давления ПН6,3, ПН10 и ПН16. Соединение - стыковой сварной или муфтами. Отличаются хорошей химической устойчивостью, низким весом, высокой прочностью, эластичностью, устойчивостью к коррозии и электрокоррозии, что позволяет эксплуатировать их в широких диапазонах режимов транспортирования и свойств жидкостей. Основное использование - транспортирование воды и канализационных стоков.

В техническом описании систем напорных трубопроводов представлены номограммы водяного потока при различных режимах эксплуатации, согласно которым удельные потери напора на трение при скорости транспортирования v = 1,5 м/с для труб диаметром 280 мм составляет ~ 6.25 м вод. ст. на км. Эти номограммы рассчитаны по формуле Коулбрука-Уайта (Colebrook - White):

(

Q = -6,95 • lg

0,74

Д. • 106 3,71А ,

В? .Д. (1)

где Q - расход воды, м3/с, Di - внутренний диаметр труб, м, I -удельные потери напора, м/м, k - коэффициент шероховатости, м (к = 0,00005 м при диаметре более 200 мм).

Однако эти значения справедливы при расходе воды Q = 77 л/с. Фактические условия эксплуатации, как изложено выше, следующие: на участке от песколовки до станций перекачки расстояние транспортирования Lтр = 1500 м, геодезическая высота подъема = 1 м, фактическая производительность по иловой пульпе плотностью р = 1,01 т/м3 и Qфaкт = 420...450 м3/ч (116,7-125 л/с), остаточный напор ^ст = 10 м вод. ст.

Согласно номограммам водяного потока. Представленным фирмой «ВАВИН», такие расходы при скорости V = 1,5 м/с соответствуют трубам диаметром 355 мм, а для труб D = 280 мм скорость должна быть не менее 2,3 м/с. Потери напора соответственно будут / = 4,8 м вод. ст/км и / = 13 м.вод.ст/км. Фактически же они составляют при вышеизложенных условиях эксплуатации

кз / с “ кг “ Кст 20 “ 1 “ 10

= 6,0 м вод. ст/км (2)

где = 20 м вод. ст - напор землесоса, местные потери не учитываются, так как нет фасонных частей.

Существующие методики расчетов потерь напора на трение при транспортировании воды по полиэтиленовым трубам при вышеизложенных условиях дают следующие результаты:

1. Расчеты по уравнению Блязиуса для воды при t = 20 °С и 3000 < Re <10000 [2]:

і0 = 5,13 •Ю-1 • В~и5 • V1,75 = 5,12 м/км (3)

2. Расчеты по методике КО TR 10501 при 4000 < Re < 150000

[3]:

і0 = 5,37-10-1 • В~',24 • V1,76 = 5,31 м/км (4)

3. Расчеты по СНиП 2.04.02-84 (без учета режима течения жидкости) после подстановок и преобразований:

і0 = 6,3-10-1 • В~и26 • V1,774 = 6,16 м/км (5)

k

Отмечено, что расчеты по КО TR 10501 практически совпадают с расчетами по уравнениям классической гидродинамики, а расчеты по российским нормативным документам дают несколько завышенные результаты [4].

Оценивая методики расчета напорного гидротранспорта, принятые в гидромеханизации (ВНИПИИстромсырье, ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, методы В.С. Кнороза, В.В. Трайниса, ИГД им. А.А. Скочинского, упрощенный метод проф. Н.Д. Холина, Г.П. Николаева и С О. Славутского и т.п.), можно сделать вывод, что сочетание метода ВНИПИИстромсырье с методикой КО TR 10501 дает результаты близкие фактическим потерям при этих условиях.

Метод ВНИПИИстромсырье используется для расчета параметров гидротранспортирования раздельно-зернистых и связных пород, в том числе суглинков, илов и глин [5]. Удельные потери напора при критической скорости определяется по следующей формуле:

гп. кр = 10 (1 + 4^Р ) , (6)

где Р = ——— - объемная концентрация твердого в пульпе, уг, ув, ут

Ут - У в

- плотности соответственно гидросмеси, воды и породы, т/м3.

Применительно к рассматриваемым условиям

Р = 2,01—1,0 = 0,0909. Отсюда 1пк„ = 5.31(1 + 4д/0,0909 )= 6,404 м вод.

1.11 -1,0 р ' ’

ст/км.

Можно отметить, что расчетные удельные сопротивления несколько превышают фактические. С учетом того, что было принято допущение отсутствия местных сопротивлений на пульпопроводе длиной 1500 м можно сделать вывод о более высоких гидротранспортных характеристиках полиэтиленовых труб.

В настоящее время в России отмечена тенденция роста объемов выпускаемых отечественных труб из полиэтиленовых материалов. С 2005 года после переезда в г. Новочебоксарск начал работу Чебоксарский трубный завод с производственными линиями общей мощностью 12000 т в год с диапазоном типоразмеров полиэтиленовых труб от 20 до 1200 мм включительно. Полимерные трубы выпускаются еще рядом предприятий в РФ и в республике Беларусь. В первую очередь это холдинг «Евротрубпласт» и целый ряд заводов средней производительности - ЗАО «Агрогазполи-

Свойства материала труб Полиэфирное связующее (стеклопластик) ПВХ Полиэтилен низкого давления (ПЭ)

Температура эксплуатации, °С до +70 +30 до +60

Морозостойкость Применение при отрицательных температурах нежелательно, значительно сокращается срок эксплуатации -10 -40, по некоторым литературным данным до -70. Допускается многократное заморажива-ние-разморажива-ние без изменения свойств

Номинальное рабочее давление, атм. 4-10* до 10, в отдельных случаях до 16 до 10, в отдельных случаях до 16

Влагопоглощение, % 0,2-0,8 0,1 0,01

Долговечность, лет 15-20 до 50 не менее 50

Способ соединения Не сваривается, соединение с резиновыми прокладками Плохая свариваемость, используется клей или резиновые прокладки** Все виды сварки

Примечания: * данные ЗАО «Композитнефть»;

** долговечность которых значительно ниже ПВХ

мер», ООО «Бородино-пласт», «Никопласт» и т.д. Имеется опыт эксплуатации трубопроводов из стеклопластика, полимерной основой которого являются реактопласты. Это жесткий и прочный материал, сформированный из полиэфирной или эпоксидной смолы, состоящей из трехмерной сетки, образованной с помощью отвер-дителя и стеклянной арматуры. В то же время рассматривать стеклопластик как альтернативу полиэтиленовым или стальным трубам представляется преждевременным.

В таблице приведены сравнительные величины свойств материала, представленные научно-производственной ассоциацией «АКВА-БЕЛ» (Республика Беларусь).

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

- рассматриваемая гидротранспортная система работает при предельно-критических скоростях;

- полученные расчетные и фактические данные свидетельствуют о хорошей сходимости результатов (разница около 1 %) при использовании методики ВНИПИИстромсырье;

- некоторое превышение расчетных удельных потерь над фактическими значениями связано с особенностями эксплуатации полиэтиленовых труб, имеющих лучшие по сравнению со стальными гидродинамические характеристики;

- предлагаемая фирмой «ВАВИН» достаточно сложная система расчета гидротранспортирования корреспондирует с простой методикой ВНИПИИстромсырье, что делает возможность применимости последней при расчетах гидравлического транспорта многофазных сред;

- применение пульпопроводов из стеклопластика применительно к российским климатическим условиям и технологиям гидромеханизации нецелесообразно;

- полученные результаты требуют подтверждения при эксплуатации полиэтиленовых труб в других горнотехнических условиях.

----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кириченко Ю.В. использование полиэтиленовых труб при гидротранспортировке высокоабразивных грунтов. - М.: МГГУ, ГИАБ, №7-8, 1993, с. 33-35.

2. Janson L.E. Plastics pipes for water supply and disposal. Boras, Borealis, 4th edition, 2003.

3. ISO TR 10501 Thermoplastics pipes for the transport of liquids under pressure

- Calcalation of head losses

4. Швабауер В., Гвоздев И., Гориловский М. Расчет гидравлических потерь давления в трубопроводе из пластмасс. - Полимерные трубы, №1, 2005, с. 36-40.

5. Нурок Г.А. Процессы и технология гидромеханизации открытых горных работ. - М.: Недра, 1985.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------

Кириченко Ю.В., Прохоренко М.В. - Московский государственный горный университет,

Горбатов Ю.П. - ПК «Гидромехпроект»,