Перспективы применения полимерных материалов в гидромеханизации Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

_____________________________________ © Е.А. Чижов, А.Е. Чижов,

С.Г. Новиков, Ю.А. Толкачев, 2009

Е.А. Чижов, А.Е. Чижов, С.Г. Новиков,

Ю.А. Толкачев

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ

Рассмотрен весь технологический цикл гидромеханизированных работ, начиная с пульпопровода, проведен анализ применения полимерных композиционных материалов в работе гидромеханизированного комплекса.

Ключевые слова: полимерные материалы, пульпопровод, поливинилспиртовые кордные нити, гидросмеси, плоские трубопроводы, гидромеханизированные работы.

Один из путей повышения эффективности работы гидромеханизированного комплекса является: снижение его материалоемкости и энергопотребления, повышение абразивной и коррозионной стойкости, снижение эксплуатационных затрат. Применение полимерных композиционных материалов позволит решить часть этих задач. При этом полимерные материалы должны обеспечить соответствие ряду технико-экономических и эксплуатационных требований:

- минимальная масса и стоимость;

- высокие гидравлические характеристики; стойкость к циклическим и ударным нагрузкам; высокая ремонтопригодность;

-атмосферо-, свето- и водостойкость;

-прочность на растяжение, обеспечивающая надежную передачу тяговых усилий от земснаряда к концевому понтону;

-стойкость к гидроабразивному износу и истиранию.

В табл. 1 представлены новые отечественные материалы, которые используются для изготовления технических тканей.

Как видно из табл. 1 по большинству показателей нити из полимерных материалов превосходят металлические. Высокомодульные арамидные нити CBH, Русар, Армос, производства ОАО «Каменскволокно», обладают уникальными свойствами: высокой прочностью, легкостью, негорючестью, высоким модулем упругости. Но из-за высокой стоимости и некоторых технологиче-

ских сложностях не нашли еще достаточно широкого применения в нашем производстве.

Таблица 1

Основные характеристики высокопрочных нитей

Показатели Единица измере- ния Волокно на основе СВНПЭ Арамид- ные ПВС- НТ ПА-66 ПЭТФ ПА-6 Сталь

Удельная разрывная нагрузка кгс/мм 2 280-370 290-360 180-210 100- 110 110-120 95-105 160- 200

Модуль упругость кгс/мм 2 8800- 13500 9000- 15000 3250- 3900 500- 600 900- 1100 250- 300 12600- 16000

Удлинение при разрыве % 3-5 3-5 5-7 15-19 8-12 16-20 1-2

Удельный вес г/см 0,98 1,50 1,30 1,14 1,38 1,14 7,8

Поливинилспиртовые нити (ПВС) по своим физикомеханическим характеристикам занимают промежуточное положение между арамидными и стальными нитями, однако они значительно дешевле, более технологичны, обеспечивают лучшую адгезию к резине.

Оборудование гидромеханизации предназначено, в основном, для работы в водной среде, а потому особый интерес представляет то, как влияет эта среда на прочностные характеристики силовых элементов.

На рис. 1 представлена зависимость прочности вискозных и поливинилспиртовых кордных нитей, производства фирмы «КА-МиТ» г. Тверь, от времени нахождения их в воде. Как видно из графика, прочность нитей ПВС при нахождении в воде уменьшается всего на 8-9 %, а удлинение при нагрузке остается постоянным. В тоже время вискозные нити теряют прочность почти на 35%, а удлинение увеличивается до 17%. Таким образом преимущество надо отдать кордным тканям на основе поливинилспиртовых волокон.

Особое место среди армирующих материалов занимает метал-локорд. Металлокорд представляет собой трос, свитый из стальных латунированных или оцинкованных проволочек.

Применяется в качестве армирующих материалов в изделиях, работающих при повышенных нагрузках. Мы используем металло-корд для изготовления напорных эластичных трубопроводов диаметром 159 - 426 мм, работающих под давлением до 8 МПа.

Время выдерживания в Н20, мин.

Рис. 1. Изменение прочностных характеристик вискозных и ПВС кордных нитей в мокром состоянии

Металлокорды изготавливаются по ГОСТ 14311-85. Некоторые типы металлокордов представлены в табл. 2.

При подборе типа металлокорда необходимо стремиться к выбору корда, который обеспечивал бы большую поверхность сцепления с резиной и обеспечивал большую прочность на разрыв.

При этом глубина проникновения резины в структуру метал-локорда и его стойкость к циклическим колебаниям являются одним из основных факторов, обеспечивающих эффективность его работы в изделии.

Продукция предприятия «Рассвет-К» полностью сориентирована на нужды гидромеханизации. Рассмотрим весь технологический цикл гидромеханизированных работ, начиная с пульпопровода.

Характеристика Тип металлокорда

металлокорда 4Л30НТ 15Л24А 28Л18А 9Л15/27А 4Л22А

Диаметр м/к, мм 0,70 1,33 1,19 0,83 0,50

Разрывное усилие, кг 86,1 176,5 173 91 39

Относительное удлинение, % 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5

Выносливость, цикл 14000 12800 13500 14200 13800

Корпусной пульпопровод земснаряда делится на всасывающий и напорный. Трубопроводы всасывающие и напорно-всасывающие предназначены для всасывания и нагнетания различных жидкостей и гидросмесей в интервале температур от -40 до + 50 С. Всасывающие трубопроводы работают под разряжением до 600 мм рт. ст., напорно-всасывающие под давлением до 10 кг/см2 и разряжением до 600 мм рт. ст. Изготавливаются диаметром до 610 мм и длиной до 7300 мм с фланцами или манжетами.

Гибкость всасывающего пульпопровода позволяет опускать раму грунтозаборного устройства на 60°-90° по вертикали, (рис. 2).

Начиная с сентября 2008 года конструкция всасывающих труб претерпела изменения - усилена внутренняя камера, позволяющая увеличить срок службы при кавитационных. явлениях, изменен способ навивки проволочной спирали. Возможна навивка двух спиралей и установка распорных колец. Приведенные изменения увеличивают монолитность и герметичность изделия, позволяют исключить случаи отслоения внутренней резиновой камеры. Увеличение эластичности всасывающего пульпопровода уменьшило вероятность забивки его крупными камнями, корнями растений и т.д., снижая тем самым возможные срывы в работе землесоса.

Наличие «гофр» на всасывающем пульпопроводе (рис.3, 4) способствует предотвращению деформации фланцевых соединений от

Рис. 2

Рис.3

Рис.4

осевых усилии и не нуждается в установке сальниковых осевых компенсаторов.

Напорный корпусной пульпопровод соединяет напорный патрубок грунтового насоса с плавучим пульпопроводом, (рис. 5).

Этот участок пульпопровода, особенно отводы, наиболее подвержен гидроабразивному износу. Величина шума внутри машинного зала достигает 90 и более децибел. Фирма «Рассвет-К» изготавливает корпусной пульпопровод по чертежам заказчика, исходя из возможностей машинного за-

ла земснаряда, делая усиление отво-дов в местах наиболее подверженных гидроабразивному износу (рис. 6).

кальный патрубок; 3 - отвод; 4 - верхняя труба; 5 - отвод; б - грунтовый насос

Эластичные отводы изготавливаются для горнодобывающей и горноперерабатывающей промышленности для перемещения абразивных материалов, на обогатительных фабриках в трубопроводных линиях по перемещению породы для дальнейшей переработки. Эластичный отвод изготавливается на давление до 1 МПа, с износостойкой внутренней камерой диаметром от 219 до 530 мм

Плавучий пульпопровод служит для соединения напорнокорпусного пульпопровода с береговым и обеспечения маневренности земснаряда. Традиционно, для создания плавучести, используются стальные сдвоенные понтоны .

Недостатками таких плавающих секций является большая материалоемкость, громоздкость, большие затраты на перевозку, низкая коррозионная стойкость. В табл. 3 представлены некоторые характеристики плавучих пульпопроводов.

Предприятие ООО «Рассвет-К» производит гибкие эластичные трубопроводы разных конструкций и разного назначения.

Таблица 3

Показатели

Землесосный снаряд

100-40 К 300-40 350-50Л 350-50Т 300- 40УЛ 500-60

Общая длина ,м 120 300 150 150 150 150

Диаметр труб, мм 350 500 600 600 600 700

Количество секций, шт 20 50 25 25 25 50

Длина понтонов, м 5,48 6 6 6 6 10

Масса понтона, кг 1540 1500 1500 1500 1500 7700

Масса шарового шарнира, кг 303 690 690 690 690 1546

Гибкие эластичные трубопроводы состоят из силовых элементов, герметизирующего внутреннего покрытия и наружного защитного слоя, стойких к гидроабразивному износу. Гибкие тру-

бопроводы изготавливаются диаметром от 150 до 900 мм, длиной

7,3 м, на рабочее давление до 4 МПа. Трубопроводы могут изготавливаться в плавающем варианте. В среднем срок службы наших трубопроводов по гидроабразивному износу в 5-8 раз больше, чем у стальных труб, имеют повышенную стойкость к действию агрессивных сред. Напорные плавающие эластичные трубопроводы, с фланцами используются в гидромеханизации в качестве пульпопровода. При радиусах изгиба 10-12 его диаметров он сохраняет свою форму и таким образом не требует шаровых соединений (рис.

7).

Отсутствие шаровых соединений, эластичность наших трубопроводов позволяет перемещать гидросмеси повышенной концентрации (до 50% по твердому). Плавучесть грунтопровода обеспечивают поплавки. Поплавки выполнены из устойчивого к механическому воздействию материала. Кажущаяся плотность материала поплавков находится в пределах 60-110 кг/м.куб. Водопоглощение не превышает 1,2 %, деформация при воздействии внешних нагрузок до 0,03 мПа не превышает 10%. Цветовое покрытие поплавка может быть разным .Эластичные трубопроводы длиной до 7,3 метров диаметром 219, 273, 325 мм и 426 мм на давление до 4 МПа, и соединяться

Рис. 7

Рис. 8:1 - фланец; 2 - напорная труба; 3 - поплавок

в

Рис. 9 Плавающий пульпопровод с короткими поплавками: 1 - фланец; 2 - напорная труба; 3 - поплавок

между собой через специальные уплотнительные кольца. Потери напора на трение в наших трубопроводах на 8-12 % ниже чем в стальных трубах. Масса 1 п.м. гибких труб в 3-4 раза меньше чем стальных труб тех же диаметров. Плавающие трубопроводы компактны и удобны в перевозке. По конструкции плавающие трубы, отличаются поплавками, в одном случае пенополиэтитлен наносится на всю длину трубы. рис. 8)

В другом случае поплавки могут быть изготовлены короткомерными представляют собой пустотелый цилиндр (рис. 9) имеющий один продольный разрез АВ, необходимый для навешивания поплавков на напорную трубу.

Длина поплавков L и его диаметры Б и d определяются расчетом плавучести и согласовываются с заказчиком. При этом плавучесть пульпопровода при полной закупорке должна быть не меньше 5-10% .Как правило, на одну напорную трубу мы навешиваем 79 поплавков. Крепление поплавков осуществляется «малорастяжи-

-.1-,

□ — ..і

Рис. 10: 1 - полукольцо; 2 - полукольцо; 3 - шпилька; 4 -шайба

мыми» полиэстеровыми или стальными лентами. Рассматривая варианты поплавков, предпочтение было

1 отдано второму, т.е. короткомерным поплавкам. Так как сплошное по-Jt— крытие напорной трубы пенополи-этиленом снижает ее гибкость, при механических повреждениях затрудняется ремонт, а иногда требуется полная замена. И самое главное исчезает многофункциональность такой трубы, например при работе на береговые отвалы и т.д. Мы изготавливали пенополиэтиленовые поплавки, состоящие из двух полуколец, соединяемых шпилькой (рис. 10).

Но такой поплавок достаточно сложен в исполнении, а следовательно и дороже.

Размеры поплавков в зависимости от диаметра напорного пульпопровода приведены в табл. 4.

Из табл. 4 видно, что с увеличением диаметра напорных труб, диаметр поплавков увеличивается и начиная с диаметра 530 мм эффективность транспортировки последних несколько снижается. Для примера 150 м плавающих эластичных труб диаметром 325 мм и длиной по

7,3 м с пенополиэтиленовыми поплавками можно перевезти одной машиной, а труб диаметром 530 мм с поплавками диаметром 900 мм - всего 8-9 штук (рис. 11).

В этой связи заслуживают внимания эластичные, плоскосвора-чиваемые пневматические поплавки, к изготовлению которых мы приступаем в этом году.

Монтаж и демонтаж таких поплавков легко осуществить в полевых условиях. Для складирования и перевозки не требуется больших объемов. Могут изготавливаться в нескольких вариантах (рис. 12).

Таблица 4

Диаметр пульпопровода, мм Параметры поплавка Количество поплавков на секцию, шт. 1 = 7.3м

L D d

219 600 410 250 9

273 600 500 310 9

325 600 590 362 9

426 600 700 462 9

530 600 900 580 9

610 600 1100 695 9

а) 1-пневматический б) 1-вертикальный в) 1-вертикальный г) 1-горизонтальный

поплавок; пневмопоплавок; поплавок; поплавок;

2-пульпопровод 2-пульпопровод 2- пульпопровод 2- пульпопровод

Рис. 12

Плавающий пульпопровод изготовленный по схеме «б» с вертикальным расположением поплавков защищен патентом России № 2007131035/03.

С нашей точки зрения вариант (г) наиболее рационален, т.к. в качестве поплавков (1) используются облегченные плоскосворачи-

Рис. 13

ваемые трубы, которые при необходимости могут использоваться на картах намыва или в другом месте (рис. 13).

Наиболее перспективным на наш взгляд являются комбинированные поплавки. Плавающие трубы с комбинированными поплавками имеют минимальное пенополиэтиленовое покрытие обеспечивающее плавучесть «пустых» труб и пневматические поплавки, которые изготавливаются в плоском виде и при транспортировке укладываются во внутреннюю полость трубы.

Сравнительный анализ плавающих пульпопроводов фирмы «Рассвет-К» показывает:

• по стоимости они в четыре раза дешевле стальных рефулеров. Для примера звено плавучее Т80.000.000А длиной 7 м Ду 300 мм из стали стоит около 200000 руб., а звено плавающего трубопровода ТНФП Ду 325мм стоит 53000 руб.

• Для транспортировки одной секции стального рефулера с понтонами требуется одна машина, гибкого рефулера из 20 секций Ду 325 длиной 150 п.м так же перевозится одной машиной.

• Время на монтаж и демонтаж гибкого плавающего трубопровода значительно меньше, чем стального с понтонами и шарами (вес одной секции стального рефулера Ду 300 составляет 2500 кг, а вес одной секции гибкого плавающего трубопровода Ду 325 составляет 200 кг.

• Для работы с гибким плавающим трубопроводом не требуются шаровые соединения.

• Срок службы по гидроабразивному износу у гибкого плавающего трубопровода в 5-8 раз больше чем у стального трубопровода.

• Радиус изгиба гибкого плавающего трубопровода составляет 12 диаметров, для Ду 325 составит 4.м. При работе с гибким плавающим трубопроводом ТНФП энергозатраты на перемещение 1м3 грунта снижаются на 20-30%, снижение энергозатрат происходит как за счет снижения потерь напора по длине, так и за счет снижения потерь напора на местные сопротивления, каковыми являются шаровые соединения, перекрывающие до 2/3 площади живого сечения трубопровода.

• Работа с гибким плавающим трубопроводом позволяет перемещать гидросмеси с концентрацией до 50% по твердому.

• При работе со стальным трубопроводом, шаровые соединения позволяют работать с давлением до 1 МПа и при полном отсутствии волнения. Гибкий плавающий трубопровод может быть рассчитан на давление до 4 МПа и работу при значительных волновых нагрузках.

• Эластичные трубопроводы (ТНФ и ТНФП) изготавливаются нескольких модификаций. С мягкими манжетами по концам труб, с неподвижными резинометаллическими фланцами и вращающимися стальными фланцами на резинотканевом «бурту» с металлическими закладными. Два последних соединения не требуют использования, каких либо прокладок.

Для оперативного разъединения плавающих труб ТНФП на отдельные части, предлагаем Вам быстроразъемные соединения конструкции ООО фирмы «Рассвет-К». Для электрических земснарядов мы предлагаем нашим заказчикам специальное приспособление, позволяющее осуществлять прокладку кабеля, производить установку сигнальных огней. На одну секцию плавающих труб ТНФП необходимо одно приспособление. Конструкция плавающего трубопровода защищена заявкой на изобретение № 2007131035/03.

Гибкие соединения трубопроводов - компенсаторы изготавливаются диаметром до 900 мм и длиной 1000 мм. Наличие фланцев позволяет собирать трубопроводы необходимой длины . Размеры фланцев выполняются в соответствии с ГОСТ 12819-80. 12820-80, 12822-80 или по согласованию с заказчиком. Одна секция гибкого соединения обеспечивает угол поворота между отдельными звеньями стальных труб не менее 25.

Возможно изготовление гибких соединений других размеров с углами изгиба до 45 как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. За счет конструктивных особенностей, гибкие соединения способны компенсировать значительные осевые и угловые деформации, демпфировать гидроудары, предотвращать развитие электрохимической коррозии. Один компенсатор диаметром 900 мм, длиной 800 мм способен компенсировать до 90 мм осевых деформаций. Области применения - вместо металлических шаровых соединений на земснарядах, в качестве эластичных компенсаторов осевых и угловых деформаций трубопроводных систем. Гибкие со-

единения - компенсаторы, изготавливаются двух типов, с радиальными гофрами (рис. 14) и тороидальными (рис. 15).

Рис. 14 Рис. 15

Фирма «Рассвет-К» предлагает Вашему вниманию быстро-возводимые эластичные дамбы, которые могут использоваться как временные ГТС, для защиты объектов в береговой зоне от стихийных бедствий, для возведения временных преград, например водоподпорных плотин, для временного хранения воды и т.д. Дамбы (оболочки) могут изготавливаться диаметром до 5 м и длиной до 50 м. Для устойчивости оболочку заполняют водой не более 75% ее максимального объема. После заполнения водой она не требует специального крепления (рис. 16).

Рис. 16

Таблица 5

№ п/п Рабочая высота, Н, м Периметр дамбы, м Расчетный диаметр при максимальном заполнении, м Отношение высоты дамбы к ширине основания, м Ориентировочная масса 1 П.М.*

1 0,3 1,66 0,53 0,3 х 0,6 3,4

2 0,43 2,51 0,8 0,43 х 0,9 5,0

3 0,6 3,2 1,0 0,6 х 1,3 7,4

4 1,0 6,28 2,0 1,0х2,2 12,0

5 2,0 ,8 8, 2,8 2,0 х 4,5 17,6

6 2,5 13,2 4,2 2,5 х 5,2 26,4

7 3,0 16,6 5,0 3,0х6,5 32,0

Разработка эластичной дамбы защищена патентом России на изобретения № 2291931 Основные типоразмеры и характеристики эластичных дамб приведены в табл. 5.

Эти же оболочки являются основой для изготовления емкостей временного хранения, фильтрации пульпы и отвода осветленных вод (рис. 17).

Рис. 17

Емкости представляют собой эластичные оболочки, находящиеся одна в другой. Емкость 1 обеспечивает герметичность и организованный отвод осветленной воды. В емкости для хранения и фильтрации гидоросмесь поступает по трубопроводу 5, коллектору 4 и отводам 3 во внутреннюю фильтрующую

оболочку 2, в которой остаются твердые фракции гидросмеси, а осветленная вода поступает в меж-трубное пространство оболочек 1 и 2 далее по плоскосворачиваемому трубопроводу 6 отводится в водоем. Объем емкости

1 может быть от 250 до 1000 м3 и представляет собой герметичную оболочку диаметром от двух до пяти метров и длиной до 50 м. Используя эту схему можно собирать хранилища значительных объемов. Эти же емкости можно использовать, как базу для создания плавающих площадок катамаранного типа.

Рис. 18

Гибкие длинномерные плоскосворачиваемые трубопроводы изготавливаются диаметром от 150 до 1200 мм, отрезками до 100 м. Отличаются малой массой (один метр плоскосво-рачиваемого трубопровода диаметром 450 мм рассчитанный на рабочее давление 0,4 МПа весит не более 4 кг. Малая масса и плоскосворачиваемость дает возможность перевозить их намотанными на барабан, любыми видами транспорта, включая авиацию (рис. 19).

На рис. 18 показана работа плоского пульпопровода, уложенного по протопчине земснаряда Пр 246 Б. проведены параллельные исследования гидравлических характеристик.

Такой пульпопровод, при установке поплавков, может работать как плавающий (рис. 13, 18).

Рекомендуется использовать в качестве первичной обваловки карт намыва и др. ООО «Рассвет-К» может изготовить плоский длиной до 100 м, как с фланцами, так и без таковых, укомплектовать, по желанию заказчика,

Рис. 20 Рис. 22

Рис. 21

Рис. 19

катушкой для его укладки. Изготовить по желанию заказчика, тележку для монтажа и демонтажа береговых плоских труб (рис. 20, 21, 22).

Выдать необходимые рекомендации по эксплуатации

таких плоских трубопроводов. ООО фирма «Рассвет-К» предлагает нашим партнерам высококачественную и технологичную продукцию. Надеемся на плодотворное сотрудничество в области разработки и внедрения новых изделий в гидромеханизации, гатш

E.A. Chizhov, A.E. Chizhov, S.G. Novikov, Y.A Tolkachev

THE IMPLEMENTATION PROSPECTS FOR THE POLYMER MATERIALS IN HYDRA ULIC MINING

The whole technological cycle of hydraulic mining starting from the discharge pipe is reviewed; the analysis of polymer and composite material implementation in hydraulic mining operations is carried out.

Key words: polymer materials, discharge pipe, polyvinylalcohol cord threads, hydraulic fluids, flat pipelines, hydraulic mining operations.

___ Коротко об авторах ________________________________________

Чижов Е.А. - ООО фирма «Рассвет-К», rassvet-k@vandex.ru Чижов А.Е. - ООО фирма «Рассвет-К», rassvet-k@vandex.ru Новиков С.Г. - РГСУ,

Толкачев Ю.А. - ООО «КАМиТ», http://www.gruntoprovod.ru