CC BY
62
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ «СТОИК Н» 1 (17) 2010
*
УДК *2 82:622.271.4 М. И. ЧИГРИН
В. Е. ЩЕРБЛ
Омский государственный технический университет
ОАО «Сибнефтетранспроект», г. Омск
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НОВОГО СПОСОБА ГИДРОНАМЫВА ПЕСКА
В статье рассмотрены конструкции сгустителей, использующихся при гидронамыве песка. Установлено, что наиболее универсальным и безопасным является гравитационный сгуститель. Приведены результаты натурных экспериментов, показавших его положительные перспективы. Предложено конструктивное усовершенствование гравитационного сгустителя, основанное на использовании центробежных сил, действующих на частицы песка. Приведены положительные результаты натурных испытаний.
Ключевые слова: гидронамыв песка, сгуститель, гидротранспорт.
Эффективность работы напорного гидротранспорта в общем случае складывается из многих составляющих, среди которых оптимальная дислокация земснаряда, предусматривающая минимальное расстояние от места добычи до карты намыва (чем меньше расс тояние;, тем меньше затраты), минимальные потери напора, связанные с геометрическими размерами пульпопровода и наличием отрицательного уклона и т.д. Большинство подобных вопросов разрешается па уровне технологической подготовки работ и результатов геологической разведки.
Однако в любом случае при производстве гидро-намыва имеется два вида зачрат, которые во многом определяют эффективность этого способа добычи строительного ма териала. Это работа проталкивания пульпы через гидропровод и затраты на восстановление ландшафта, связанные с ликвидации «пляжных» откосов, образующихся при отекании пульпы с карты намыва. Кроме того, при производстве этих работ происходи т заболачивание окружающей местности, что негативно сказывается на экологической обстановке.
Автор [1 ] указывает, что одним из способов снижения количества воды, находящейся в пульпе, и, соответственно, работы на ее проталкивание, является ее оптимально сгущение как перед прокачкой через пульпопровод к карте памыва, так и непосредственно на конце пульпопровода перед подачей на карту намыва. Для этого используются так называемые сгустители пульпы, устанавливающиеся на напорном трубопроводе. Этот способ работы пульпопроводов начали использовать еще в 30-х годах прошлого столетия.
В первом случае отведенные излишки воды мо1-ут под напором подаваться снова к гидромонитору, во втором — отводиться в находящийся поблизости водоем или прокачиваться назад в исходный водоем.
При установке сгустителя на конце пульпопровода достигается только эффект снижения экологических потерь и затрат, связанных с ликвидацией «пляжных» откосов.
При установке сгустителя на начальном участке пульпопровода достигается комплексный эффект — снижение затрат на прокачку пульпы и уменьшение
заболачивания местности вблизи карты намыва, достижение минимальных размеров «пляжных» откосов.
Кроме того, как было показано выше, при отсыпке автомобильных дорог и железнодорожных насыпей конец напорного пульпопровода постоянно перемещается, и если на нет установить сгуститель, то работы по перемещению пульпопровода будут чрезвычайно затруднены, в связи с чем в настоящее время этот способ повышения эффективности работы пульпопровода практически не применяется.
По принципу действ ия существующие конструкции сгустителей можно подраздели ть на три группы:
1. Сгустители, в которых поток делится на две части по горизонтальной плоскости с отводом осветленной пульпы из верхней части пульпопровода. При этом сгущенная пульпа из нижней части пульпопровода продолжает движение к карте намыва.
2. Сгустители отстойною типа.
3. Центробежные аустители.
На рис. 1. показано сечение сгустителя первого типа (диафрагмовый сгуститель).
Принцип работы такого сгустителя следующий. Исходная пульпа по расширяющемуся патрубку попадает в полость сгустителя, скорость ее течения уменьшается, и пульпа частично осаждается на дне полости. Находящаяся в верхней части пульпа содержит в основном мелкие некондиционные часгицы песка и илистые частицы, которые почти не осаждаются на диафрагме и в основном уносятся по верхнему патрубку с осветленным потоком пульпы. Осаждающиеся на диафрагме крупные частицы постепенно скатываются в основной поток пульпы.
Автор (1,2] отмечает, что размеры такого сгустителя весьма критичны по отношению к размерам основного трубопровода и скорости течения пульпы. Так, при слишком большом объеме происходи т постепенное заиливание сч-устителя, при недостаточном объеме пульпа не успевает расслоиться, особенно если режим ее движения таков, что кондиционные относительно крупные частицы насыщают всю толщу потока.
На рис. 2. показана схема сгустителя второго типа — отстойного горизонтального сгусти теля.
Осветленная пульпа
Сгущенная
Рис. 1. Схеме работы днафрагмового сгустителя
Рис. 2. Схема работы отстойного сгустителя
Рис. 3. Схема работы центробежного сгустителя (циклона): а - схема движения пульпы; б - распределение скоростей в циклоне
Рис. 4. Схема гравитационного сгустителя по [4]:
1 - пульпопровод, 2 - зона течения до заметного расслоения пульпы, 3 - переходная зона, 4 - зона полного расслоения, 5 - смесь ила и пылеватых частиц с водой, б - трубопровод возврата в исходный водоем
По существу, в таком сгустителе используются гравитационные силы, под действием которых более плотные частицы грунта опускаются в нижнюю часть корпуса быстрее, чем поток достигнет торца корпуса, в котором расположены выходные патрубки.
Как и предыдущая конструкция (рис. 1), этот сгусти тель также кри тичен по о тношению к режиму течения пульпы. Гидросмесь необходимо подводить к аустителю при режиме течения, близком к критическому. при котором большая масса частиц движется п придонной области потока. Нижняя стенка сгустителя должна иметь положительный уклон к горизонту, больший, чем угол трения грунта. При таком угле наклона грунт будет сползать к устыо отводящей трубы. В противном случае сгуститель будет заиливаться. В такой конструкции могут образовываться вихри, для предотвращения которых необходимо принимать конструктивные меры в виде различных пластин, установленных в потоке.
Па рис. 3 показана схема сгустителя тре тьего типа, центробежного аустителя.
В таком устройстве исходная пульпа попадает в гидроциклон по линии, касательной к его цилиндрической части по тангенциальному подводу и движется
по спирали сверху вниз. При этом наиболее тяжелые кондиционные частицы отбрасываются на периферию, а обедненная смесь оказывается в центре. В соответствии с распределением скоростей (рис. 36) ил центральной части жидкость движется в сторону меньшего давления к верхнему выходу. Таким образом, в нижнюю часть циклона и далее на карту намыва подается сгущенная пульпа.
Как отмечают авторы |1. 3], сгуститель такого типа может успешно работать только при определенных стабильных параметрах исходной пульпы. Изменение напора и колебания состава пульпы может существенным образом сказаться на его работоспособности. Причем для каждого режима работы такое устройство должно настраиваться за счет изменения сопротивления подводящего и отводящих трубопроводов.
Тщательный информационный поиск позволил установить, что существует достаточно простой способ сгущения пульпы, практически не требующий для своего осуществления использования сложных конструкций [4].
Суть предложенного способа состоит в следующем (рис. 4).
Рис. 5. Схема установки гравитационного сгустителя:
1 - исходный водоем. 2 - гидромонитор, 3 - насос, 4 - линия возврата осветленной пульпы, 5 - кран-задвижки, 6 - основной напорный трубопровод, 7 - карта намыва песка
Рис. б. Эскиз сгустителя с центробежным отделителем в виде спирали в сборе (а), поперечное сечение сгустителя (б), шнек сгустителя (в):
I - основная труба пульпопровода, 2 - труба сгустителя, 3 - шнек, 4 - отвод
В соответствии с описанием (4] на начальном участке 2 наблюдается вихреобразное течение смеси песка, илистых фракций и пылеватых частиц по сечению трубопровода (течение по типу турбулентного). По мере продвижения смеси течение потока становится по качеству ближе к ламинарному (зона 3), и происходит его расслоение (зона 4), при каюром более; крупные и тяжелые частицы смещаются в сторону нижней части сечения. В дальнейшем сгущенная пульпа продолжает движение к карте намыва, а осветленная пульна возвращается в исходный водоем. Авторы патента предполагают, что для обычных режимов гидронамыва расстояние от земснаряда до сгустителя колеблется в пределах 100 - 150 м, однако никаких математизированных доводов в пользу такого у тверждения в патенте не приводи тся.
Анализируя рассмотренные конструкции сгустителей, можно сделать следующие выводы.
1. Все типы сгустителей (кроме последнего (4|) Moiyr успешно работать в достаточно узком диапазоне сочетаний режимных и конструктивных факторов, требуют регулировки и периодического осмотра на предмет возможного заиливания, которое способно привести не только к потере работоспособности сгустителя, но и к разрыву трубопровода.
2. С точки зрения простоты изготовления и обслуживания, а также безопасности эксплуатации несомненным преимуществом обладает сгуститель по патенту [4J.
На рис. 5 изображена схема установки гравитационного оустителя.
С целью экспериментальной проверки эффективности его работы были проведены на турные эксперименты на протоке «Березовая» при строительстве мостового перехода через р. Иртьпп в Ханты-Мансийском районе.
Гранулометрический состав пульпы (диаметр частиц I1 в мм,
% - процент содержания данного размера частиц в сухой навеске!
/, ■» 150 м
с/ 2,0 - 1.0 1.0 - 0,5 0.5 - 0,25 0.25 - 0.1 0.1 - 0.05
Карта наммпа
% 0.1 1.0 20.0 68.4 1 10,5
Сброс (отведенная пульпа на дистанции /,)
% 0.0 0,2 7.8 85.5 6.5
/, = 200 м
с/ | 2.0 - 1.0 1,0 - 0.5 0,5 - 0.25 0.25 - 0.1 0.1 - 0.05
Карта намыва
% 0.2 1.2 22,5 66.4 9.7
Сброс (отведенная пульпа на дистанции /,)
% 0.0 0.1 4.9 81.6 13.4
/, - 250 м
11 2.0 - 1.0 1.0 - 0.5 0.5 - 0.25 0.25 - 0.1 0.1 - 0.05
Карта намыва
% 0.2 1.5 26.3 67,5 4,5
Сброс (отведенная пульпа на дистанции /,)
% 0.0 0.0 3.2 78.3 18.5
- 100 м
в 2.0 - 1.0 1.0 - 0.5 0.5 - 0,25 | 0,25 - 0.1 0.1 - 0.05
Корга намыва
% 0.2 и 28.5 66.0 3.8
Сброс (отведенная пульпа на дистанции /,)
% 0.0 0.0 3.0 78.3 19.1
Для наиболее объективного сравнения результатов было проведено четыре эксперимента с разной длиной /,: 150, 200, 250 и 300 м. После проведения каждого эксперимента гидролиния в течение 30 мин промывалась чистой водой при выключенном гидромониторе.
В табл. 1 приведены результаты экспериментов, данные получены лабораторией треста Юганск-нефтеспецстрой (ЮНСС).
Анализ этих результатов позволяет сделать вывод о том. что при увеличении расстояния отвода осветленной пульпы от основного потока происходит улучшение гранулометрического состава основною потока, и можно рекомендовать это расстояние равным 250 — 300 м, что практически в два раза превышает сведении, приведенные в 14].
В то же время, как видно из табл. 1, существует некоторый определенный резерв в улучшении работы сгустителя. С целью реализации этого резерва было предложено ввести в конструкцию сгустителя дополнительно спиральный циклон, который в отличие от общепринятых положений [ 1 — 3| должен располагаться горизонтально (рис. 6).
Сгуститель работает следующим образом. После основного разделения фракций песка в гадролинии (как установлено — соответствует расчетам и составляет для испытываемого трубопровода около 200 м) верхняя часть пульны, содержащая, в том числе и частицы сечением порядка 0,5 мм, входит в сгуститель и закручивается в нем.
При этом наиболее тяжелые частицы двигаются к периферии и к концу прохождения сгустителя оказываются практически на стенках трубы 2 или близко к ним. При выходе из сгустителя эти тяжелые частицы в верхнее части, продолжая вращаться вокруг оси аустителя, стремятся прижаться к основной трубе 1, а в средней и нижнее части под действием центробежных сил продолжают удаляться ог оси вращения. Таким образом, по оси сгустителя на его выходе оказывается поток иульпы с мельчайшими «некондиционными» частицами. Именно этот поток и попадает в отвод 4.
Сгуститель был изготовлен и установлен (вварен в пульпопровод) на дистанции /, = 200 м от насоса. Результат,I его работы в сравнении с обычным методом отделения пульпы показан в табл. 2.
Как видно из результатов, применение сгустителя позволило достаточно резко снизить количество «некондиционного» песка на карте намыва за счет его кратного увеличения в составе отведенной пульпы, что весьма существенно. По своим показателям сгуститель превзошел также вариант установки отвода (при обычном способе) на дистанции 300 м.
11епрерывная работа сгустителя продолжалась четверо суток, после чего он был изъят из гидролинии, и была проведена ею дефектация на предмет износа шнека. Оказалось, что шнек заметно изношен. Измерения ею толщины показали, что в том варианте, в котором он был изготовлен (толщина полосы шнека равна 5 мм), он не может проработать весь сезон
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 <87) 2010
Сравнительный гранулометрический состав пульпы (диаметр частиц ё в мм,
% - процент содержания данного размера частиц в сухой навеске!
I, = 200 м, обычный метод
б 2.0 - 1.0 1,0 - 0,5 0,5 - 0,25 0,25 - 0.1 0.1 - 0.05
Карта намыва
% 0.2 1.2 22,5 66.4 9.7
Сброс (отведенная пульпа на дистанция У,)
% 0.0 0,1 4.9 81.6 13,4
1, — 200 м со спиральным сіустителем
с1 2.0 1.0 1,0 - 0,5 0,5 - 0,25 0.25 - 0,1 0.1 - 0.05
Карта намыва
% 0.2 1.5 25.6 70.6 2.1
Сброс (отведенная пульпа на дистанции /,|
% 0.0 0.0 3,0 65,5 31.5
(4 — 5 месяцев). Следовательно, нужно использовать полосу толщиной не менее 10 мм или изготавливать ее из высококачественных сталей.
Таким образом, в целом следует констатировать, что использование центробежного сгустителя является целесообразным и перспективным при гидронамыве песка.
Библиографический список
1. Юфин, Л.П. Гидромеханизация / Л.П. Юфин. — М. : Стройиздат. 1974. - 544 с.
2. Юфин. А.П. Гидромеханизация / А.П. Юфин. — М.: Изд-во литературы но строительству, 1965. — 496 с.
3. Поваров. А.И. Гидроциклоны / А.И. Поваров. — М.: Гос-гортехиздат. 1960. — 184 с.
4. Пат. № 2111313 Российская Федерация. Способ повышения концентрации пульпы при гидроиамыве / Ткаченко Н.М., Артюшин В.Л., Савва Л.Г., Чернышков А.П., Щерба В.Е.. Болштнн-ский А.І1.. Казанцев В.В., Жанко Ю.Н. - 5068139: заннл. 26.06.92; опубл. 20.05.98. Бюл. N0 14
ЧИІ РИН Максим Иванович, ведущий инженер ОАО «Сибнефтетранспроект».
ЩЕРБА Виктор Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Гидромеханика и транспортные машины» Омского государственного технического университета.
Адресмя переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 28.12.2009 г.
© М. И. Чнгрин, В. Е. Щерба
УДК «2-82 : «22.4 М. И. ЧИГРИН
ОАО «Сибнефтетранспроект», г. Омск
К ВОПРОСУ О ХАРАКТЕРЕ ДВИЖЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ЧАСТИЦ В ПОТОКЕ ПУЛЬПЫ ПРИ НАМЫВЕ ПЕСКА
В статье исследуется влияние формы частиц песка на траекторию их движения и скорость опускания. Показано, что траектория движения и скорость опускания частиц существенно зависят от их формы. Это дает возможность корректировать результаты расчетов движения пульпы по гидропроводу.
Ключевые слова: гидромеханика, обтекание тел, пульпопровод, гидронамыв песка.
Одним из наиболее перспективных способов гид- ватые частицы, не представляющие интереса п каче-
ронамыва песка является использование гравитацион- стве строительного материала, отводятся вместе с
пых сгустителей, устанавливаемых на начальном водой из верхней части пульпопровода в исходный
участке пульпопровода |1]. Суть способа заключа- водоем (рис. 1, 2).
ется в том, что но мере продвижения пульпы от пода- Расчеттакой гидролинии, в принципе, может быть
кнцего насоса ее движение стабилизируется, происхо- выполнен по рекомендациям (2-4), однако в этих
дитчастичное расслоение, и наиболее мелкие и пыле- источниках не уделено должною внимания учету
I
і
