Обгрунтування наукового підходу до розрахунку параметрів гідротранспорту в пластмасових трубопроводах
Володимир Шуригін, к.т.н., ВГМК
Євген Семененко, к.т.н., с.н.с., ІГТМ НАН України
На збагачувальних фабриках гірничо-збагачувальних комбінатів (ГЗК) України відходи збагачення відводяться за допомогою напірних гідротранспортних комплексів, а на таких підприємствах, як Вільногірський гірничо-металургійний комбінат (ВГМК) та Іршанський ГЗК, напірні гідротранспортні комплекси використовуються і для доставки вихідних пісків на збагачувальні фабрики [ 1-4]. Крім того, відомі приклади застосування цього виду транспорту при розробці техногенних родовищ, коли лежані відходи зі сховища подаються на повторне збагачення. Таке широке застосування трубопровідного гідротранспорту на підприємствах гірничорудної промисловості обумовлено характером середовищ, що транспортуються, технологічної сумісністю і його перевагами в даних умовах над іншими видами транспорту: конвеєрним, автомобільним і залізничним [1, 2, 5-10].
Досвід експлуатації українських і зарубіжних збагачувальних фабрик показує, що за час їхньої роботи протяжність магістралей гідротранспортних комплексів, що забезпечують доставку сировини, що переробляється і відведення відходів збагачувального виробництва, постійно збільшується [1, 2, 4]. У міру відпрацювання родовища фронт гірських робіт і місця складування відходів віддаляються від збагачувальних фабрик, що вимагає переміщення насосної станції і збільшення довжин трубопроводів. Періодичне подовження трубопроводу гідротранспортного комплексу без установки додаткових насосів або збільшення діаметрів робочих коліс обмежено через виникнення критичних режимів течії, які різко знижують ефективність і надійність гідротранспортування [1-4].
Наприклад, досвід експлуатації кар'єрного гідротранспортного комплексу ВГМК показує, що часто для забезпечення сверхкритичних режимів роботи після подовження трубопроводу необхідна потужність менша, ніж потужність ще одного насоса, а замінити існуючі робочі колеса на робочі колеса з великим діаметром неможливо [1, 2, 4]. У цьому випадку установка ще одного насоса значно збільшує капітальні витрати і енергоємність гідротранспортування, а також інтенсифікує знос трубопроводів, запірної арматури і проточних частин інших насосів. Крім того, через нестабільність параметрів транспортується кар'єрний гідротранспортний комплекс після подовження трубопроводу може періодично працювати то в сверхкритичних режимах, то в режимах з частковим замуленням трубопроводу, що знижує ефективність функціонування всього технологічного ланцюжка від вузла пульпоутворення в кар'єрі до батареї гідроциклонів на збагачувальній фабриці.
Дана проблема актуальна і має велику практичну важливість. З одного боку, план розробки родовищ і введення в експлуатацію нових карт намиву хвостосховищ визначається з урахуванням економічних, гірничогеологічних та екологічних факторів, а тому в принципі не може враховувати режими роботи гідротранспортних комплексів. З іншого боку, важливість ресурсо- та енергозбереження на підприємствах гірничорудної промисловості регламентується низкою державних і регіональних програм, а також обмеженнями на електроенергію, енергоносії і основний екологічний ресурс - воду.
Питання зниження гідравлічних опорів при течії гідросуміші і води розглядався в роботах вітчизняних і зарубіжних фахівців [1, 4-12]. Аналіз результатів цих досліджень дозволив виділити наступні методи, які можуть бути застосовані для умов гідротранспорту: накладення на потік поздовжніх пульсацій швидкості [6]; покриття внутрішньої поверхні труб матеріалом з низьким коефіцієнтом тертя [3, 5, 7]; додавання в середу, що транспортується поверхнево- активних або гидродинамічно активних речовин [10, 11]; використання додаткових струменевих насосів [3, 8, 9].
Найбільш перспективними, на думку авторів, для гідротранспортних комплексів є методи зниження гідравлічних опорів не за рахунок покриття внутрішньої поверхні труби матеріалом з низьким коефіцієнтом тертя, а шляхом заміни сталевих труб на поліетиленові, так як розвиток вітчизняної та зарубіжної промисловості дозволило за останні роки істотно просунутися в створенні труб і запірної арматури з полімерних матеріалів. З'явилася можливість використовувати поліетиленові труби замість сталевих не тільки для подачі питної і технічної води, а й для гідротранспортування вихідних пісків на збагачувальне виробництво, а також для відведення відходів їх переробки.
Можливість цього була вперше доведена експериментальним шляхом в умовах гідротранспортного комплексу ВГМК, коли в квітні 2006 року було введено в експлуатацію дослідну ділянку поліетиленової труби довжиною 160 м, змонтовану на робочому трубопроводі. Застосована труба ПЕ 80 SDR 21 діаметром 630 мм з товщиною стінки 30 мм, розрахована на робочий тиск до 6 атм. За положенням на кінець 2006 року трубопровід відпрацював більше 3500 год, подано більше 2 млн. м3 рудних пісків. Щільність пульпи залежно від режиму роботи гідротранспортного комплексу змінювалася від 1,01 до 1,22 т/м3. При огляді внутрішньої частини труби помітний знос тільки виступаючої частини зварювального шва. Внутрішня частина труби практично вся гладка, невелика шорсткість помітна тільки в нижній частині труби в межах від 200 до 300 мм по дузі. Замір товщини труби ультразвуковим переносним приладом показав знос не більше 1,5 мм. Остаточний висновок про зносостійкість поліетиленових труб робити ще рано. Але, враховуючи те, що вартість сталевих труб сьогодні практично зрівнялася з вартістю поліетиленових труб з робочим тиском до 6 атм., Можна припустити, що застосування поліетиленових труб на ділянках трубопроводу, де робочий тиск не перевищує 6 атм., Економічно вигідніше, ніж застосування сталевих труб.
Однак розрахунок гідравлічного опору таких труб утруднений через відсутність даних про залежність коефіцієнта гідравлічного опору від числа Рейнольдса, методик розрахунку критичних швидкостей гідротранспортування і додаткових гідравлічних ухилів, обумовлених присутністю твердих частинок.
Вітчизняні виробники поліетиленових труб не мають в своєму розпорядженні таких даних, а зарубіжні або приводять номограми з діапазонами витрат, що не характерні для гідротранспортних комплексів ГЗК, або вказують, що ця величина для поліетиленових труб менше, ніж для чавунних в 100, а то і в 1000 разів.
Ненабагато краще вивчена залежність гідравлічного ухилу від швидкості при течії води в поліетиленових трубопроводах [12-15]. Ряд авторів приводять близькі формули, які можна узагальнити в одну, проте використовувати їх для розрахунку параметрів гідротранспорту важко, так як ці методики:
- Не враховують зміну в'язкості несучої рідини;
- Не враховують вплив шорсткості стінки трубопроводу, яка змінюється в процесі експлуатації;
- Призначені для розрахунку гідравлічних ухилів несучої рідини і не можуть бути застосовані для розрахунку додаткових гідравлічних ухилів, обумовлених присутністю в потоці твердих частинок;
- Не дозволяють розрахувати критичну швидкість гідротранспортування.
більш докладно - див Полімерні труби - Україна № 3, 2007
Таким чином, в рамках методичного підходу, що використовується в алгоритмах третьої групи, можна зробити наступні прогнози щодо параметрів гідротранспорту для поліетиленових трубопроводів:
- У нових поліетиленових трубопроводах значення повного гідравлічного ухилу може бути менше, ніж у сталевих такого ж діаметру;
- По мірі експлуатації поліетиленових трубопроводів величини гідравлічних ухилів, обумовлених плином несучої рідини, можуть зростати, а величини гідравлічних ухилів, обумовлені зважуванням твердих частинок, - знижуватися;
- В процесі експлуатації поліетиленових трубопроводів для кожного значення шорсткості внутрішньої поверхні труби може існувати швидкість течії пульпи, при якій повний гідравлічний ухил буде мінімальним;
- Критичні швидкості гідротранспортування в нових поліетиленових трубопроводах можуть бути вище, ніж у сталевих такого ж діаметру, проте цей чинник може виявитися несуттєвим, так як робітники швидкості пульпи в поліетиленових трубопроводах будуть більшими, ніж в сталевих;
- По мірі експлуатації поліетиленових трубопроводів значення критичної швидкості в них зменшуватиметься і з часом, при значному збільшенні шорсткості, може стати меншим, ніж критична швидкість в сталевих трубопроводах.
Література.
1. Баранов Ю. Д., Блюсс Б. А., Семененко Е. В., Шуригін В. Д. Обгрунтування параметрів і режимів роботи систем гідротранспорту гірських підприємств. - Д.: Нова ідеологія, 2006. - 416 с.
2. Гуменік І. Л., Сокіл А. М., Семененко Е. В., Шуригін В. Д. Проблеми розробки розсипних родовищ. - Д.: Січ, 2001. - 224 с.
3. Звягільський Е. Л., Блюсс Б. А., Назимко Є. І., Семененко Е. В. Удосконалення режимів роботи гідротранспортних установок технологій вуглезбагачення. - Севастополь: Вебер, 2002. - 247 с.
4. Шуригін В. Д., Семененко Е. В., Нікіфорова Н. А. Аналіз способів підвищення ефективності роботи гідротранспортного комплексу / / Металургійна і гірничорудна промисловість. № 6, 2005, с. 70-74.
5. Дмитрієв Г. П., Махарадзе Л. І., Гочіташвілі Т. Ш. Напірні гідротранспортного системи. - М.: Надра, 1991. - 304 с.
6. Покровська В. Н. Трубопровідний транспорт в гірській промисловості. - М.: Надра, 1985. - 191 с.
7. Смолдирів А. Е. Трубопровідний транспорт. - М.: Надра, 1980. - 390 с.
8. Сілін Н. А., Коберник С. Г. Режими роботи великих землесосних снарядів і трубопроводів. - К.: Вид-во АН Української РСР, 1962. - 138 с.
9. Сілін Н. А., Вітошкін Ю. К., Карасик В. М., Очеретько В.Ф. Гідротранспорт (питання гідравліки). - К.: Наук. думка, 1971. - 158 с.
10. Ступін А. В., Асланов П. В., Симоненко А.П., Биковська Н. В., Фоменко С. А. Застосування гідродинамічно активних добавок полімерів і поверхнево-активних речовин в енергозберігаючих технологіях / / Прикладна гідромеханіка, 2001, т . 3 (75), № 1, с. 74-81.
11. Погребняк В. Г., Писаренко А. А. Розчини полімерів в умовах пристеночной турбулентності і механізм зниження гідравлічного опору / / Прикладна гідромеханіка, 2000, т. 2 (74), № 2, с. 83-95.
12. Альтшуль А. Д. Гідравлічні опору. - М.: Надра, 1982. - 224 с.
13. ISO TR 10501 Thermoplastics pipes for the transport of liquids under pressure - Calculation of head losses.
14. СП 40-101-2000 Проектування і монтаж трубопроводів з поліпропілену «рандом сополімер».
15. СНиП 2.04.02-84 Водопостачання. Зовнішні мережі та споруди. 16. Юфин А. П. Гідромеханізація. - М.: Стройиздат, 1965. - 496 с.
17. Кріль С. І. Напірні взвесенесущіе потоки. - К.: Наук. думка, 1990. - 160 с.
18. Коберник С. Г., Войтенко В. І. Напірний гідротранспорт хвостів гірничо-збагачувальних комбінатів. - К.: Наук. думка, 1967. - 140 с.
19. Швабауер В. В., Гвоздьов І. В., Горіловскій М. І. Розрахунок гідравлічних втрат тиску в трубопроводі з пластмас / / Полімерні труби, № 1 (6), 2005, с. 36-40.
20. Трайніс В. В. Параметри і режими гідравлічного транспортування вугілля по трубопроводах. - М.: Наука, 1970. - 191 с.
Джерело: журнал "Полімерні труби - Україна"
