CC BY
23
УДК 625.141
А. М. Асонов, И. И. Кузнецов
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), г. Екатеринбург, Российская Федерация
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОЧИСТКИ ЩЕБНЯ БАЛЛАСТНОЙ ПРИЗМЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПУТЕЙ ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ ЩЕБНЕОЧИСТИТЕЛЬНОЙ МАШИНОЙ
Аннотация. Рассмотрено влияние нефтяного загрязнения на балластную призму железнодорожного пути, а именно влияние нефти и нефтепродуктов на поддержание рельсошпальной решетки, восприятие нагрузок от подвижного состава, фильтрацию талого и дождевого стока. Нефтяное загрязнение балластной призмы приводит к увеличению его распространения в окружающей среде. Нефть и нефтепродукты оказывают сильное негативное воздействие на окружающую среду, которое приводит к деградации растительного покрова. Определены причины возникновения нефтяного загрязнения балластной призмы, которые приводят к нарушению ее функций. Уделено внимание повышению влажности балластной призмы в зимний период времени, что приводит к промерзанию балласта и увеличению жесткости пути. Рассмотрен способ очистки щебня щебнеочистительной машиной и выявлены его недостатки. Проведены исследования эффективности отмывки нефтезагрязненного щебня балластной призмы моющим средством О-БИСМ при отсутствии механического воздействия на образец, а также с применением барбатирования и перемешивания образца. Установлен рекомендуемый технологический режим применения моющего раствора.
Для решения проблемы эффективной очистки щебеночного слоя балластной призмы от нефтяного загрязнения предложен вариант усовершенствования очистки щебня от нефтепродуктов щебнеочистительной машиной, позволяющий решить проблему вторичного использования щебня и его утилизации.
Ключевые слова: балластная призма, нефтяное загрязнение, влажность балластной призмы, верхнее строение пути, геометрические неровности, нефтяная пленка, моющее средство О-БИСМ, щебнеочисти-тельная машина.
Alexander M. Asonov, Ivan I. Kuznetsov
Ural State University of Railway Transport (USURT), Yekaterinburg, the Russian Federation
IMPROVEMENT OF CLEANING OF BALLAST BED RAILWAYS FROM OIL PRODUCTS BY THE GRADDER WASHER
Abstract: Examined the effect of oil pollution on the ballast bed of the railway track, namely, the effect of oil and oil products on the following functions performed by the ballast bed: maintenance of the rail-sleeper grid, perception of loads from rolling stock, filtration of melt and rainwater. Ballast oil pollution leads to an increase in its distribution in the environment. Oil and oil products have a strong negative impact on the environment, which leads to degradation of vegetation. The causes of oil contamination of the ballast bed, which lead to disruption of its functions, are determined. Attention to increasing the humidity of the ballast in the wintertime, which leads to freezing of the ballast and an increase in the stiffness of the path. Considered a method for cleaning gravel with a gravel-cleaning machine and revealed shortcomings. Studies of the effectiveness of washing oil-contaminated ballast gravel with O-BISM detergent in the absence of mechanical influence on the sample, as well as with the use of barbation and mixing of the sample. The optimal technological mode of application of the washing solution is established.
Proposed an option for improving the cleaning of ballast gravel from oil products with a gravel-cleaning machine to solve the problem of efficiently cleaning the ballast gravel from oil pollution, which will solve the problem of crushed stone reuse and utilization.
Keywords: ballast bed, oil pollution, moisture of the ballast bed, track structure, geometric and power irregularities, oil film, O-BISM detergent, gravel-cleaning machine.
Зачастую транспортировка нефтепродуктов по железной дороге приводит к загрязнению верхнего строения пути этими продуктами, особенно пагубное влияние нефтепродукты оказывают на несущую способность щебеночного балласта. Эксплуатационная длина железнодорожных путей на территории Российской Федерации составляет 85,6 тыс. км, при этом протяженность электрифицированных линий составляет 43,8 тыс. км [1].
Образовавшаяся на поверхности зерен щебня нефтяная пленка приводит к снижению сцепления зерен между собой. Накопившиеся в ходе адгезии на поверхности нефтяной плен-
ки мелкие загрязнения приводят к разрушению балластной призмы и к снижению устойчивости восприятия нагрузок от верхнего строения пути, что сокращает срок его эксплуатации, особенно в трудных участках. Количество нефтепродуктов может достигать 20 г и более на 1 кг грунта [2].
Загрязнение балластного слоя может влиять на увеличение жесткости балласта и на сдвиг балластной призмы, но при этом сокращаются пустотные расстояния между зерен щебня, что влияет на снижение эластичности балластной призмы. В связи с этим осуществляется восстановление физико-механических характеристик балластной призмы методом очистки щебеночного слоя [3] или при несоответствии качества щебеночного балласта необходимо заменять его на новый, что требует большого количества щебня и эксплуатационных затрат.
Нефтяное загрязнение снижает эффективность отвода воды из слоев балластной призмы железнодорожного пути, это влияет на повышение влажности, из-за которой ухудшается несущая способность балластного слоя, при этом увеличение влажности более чем на 56 % приводит к увеличению деформации пути в пять - семь раз [4].
При воздействии неподрессоренных масс и колебаний надрессорного строения образовавшиеся неровности на железнодорожном полотне влияют на увеличение суммарных продольных, поперечных и вертикальных сил в результате взаимодействия колеса и рельса [5]. Движение с большими скоростями приводит к воздействию возникающих нагрузок на пару тонких рельсовых нитей, погруженных в насыпной балластный материал.
В зимние периоды времени повышенная влажность балласта влияет на его промерзание, в результате этого повышается жесткость пути. Значительное содержание замерзшей воды влияет на искажение профиля пути и увеличение ударнодинамических воздействий [6]. В весенний период времени образуются пучины при оттаивании замерзшей воды в слоях балластного материала.
Стоит отметить, что нарушение фильтрационной способности балластного материала приводит к смыву нефтепродуктов и других загрязнений вместе с талым и дождевым стоком в водные объекты, а также на прилегающие территории.
Щебеночный слой балластной призмы железнодорожных путей очищается щебнеочис-тительными машинами, которые в основном очищают только от крупных загрязнений, при этом нефтяная пленка, образовавшаяся на зерне щебня, не разрушается. Взвешенные вещества, накопившиеся при адгезии на поверхности нефтяной пленки, не отрываются.
Качество очистки щебня щебнеочистительной машиной характеризуется коэффициентом эффективности, зависимым от влажности щебеночной подушки, приводящей к слипанию мелких частиц засорителя и к налипанию их на зерна щебня, вследствие этого снижается эффективность очистки по причине забивания отверстий просеивающей поверхности [7].
В случае сильного загрязнения балластной призмы осуществляется замена щебеночной подушки на щебень [8], соответствующий ГОСТ 7392-2002 [9], что приводит к необходимости разрушения горных массивов.
Использованный нефтезагрязненный щебень изымается из балластной призмы и транспортируется на захоронение, это оказывает существенное влияние на дальнейшее распространение загрязнения в окружающей среде.
Для решения стоящих перед отраслью технической и экологической проблем следует признать необходимость использования щебеночной подушки железнодорожного полотна в рециклированном виде.
Нами рассмотрена возможность применения моющего средства О-БИСМ (отмыватель безотходный самоочищающийся модифицированный) с целью повышения эффективности очистки насыпного балластного материала щебня от нефтяного загрязнения.
Основным свойством данного моющего средства, кроме моющих, является свойство не растворять в себе нефтепродукты, что позволяет использовать моечный раствор продолжительное время без его замены на свежий.
№ 4(44
Для проведения исследований была предусмотрена десорбция нефтепродуктов с использованием четыреххлористого углерода с целью определения количества нефтепродуктов, находящихся на поверхности щебня. Установлено, что на 1 г сухого вещества щебня приходится 0,0014 г нефтепродуктов.
Очистка образца осуществлялась при следующих параметрах: время проведения исследований в течение 10 - 60 мин, температура раствора 45 - 60 °С с шагом в 5 °С, концентрация О-БИСМ 2 - 3,5 % с шагом 0,5 % [3], эффективность качества очистки моющим средством контролировалась четыреххлористым углеродом [10].
Определение эффективности очистки зерна щебня от нефтепродуктов осуществлялось при использовании предварительно подготовленного нефтезагрязненного образца, взятого с железнодорожной призмы станции Решеты Первоуральского городского округа Свердловской области.
Для проведения исследований зерно щебня помещалось в колбу и заливалось моющим раствором О-БИСМ. Образец выдерживался в моющем растворе в течение установленного времени без применения механического воздействия, температура моющего раствора поддерживалась постоянно.
Раствор, полученный в результате очистки образца, профильтровывался и переливался в делительную колбу, в которую для экстракции отмытых нефтепродуктов заливался четырех-хлористый углерод объемом 50 мл, после этого производилось перемешивание растворов в колбе в течение 5 мин.
После перемешивания образовавшийся раствор в ходе его отстаивания разделился на две части: нижняя часть - раствор четыреххлористого углерода и экстрагированные в нем нефтепродукты, верхняя часть - моющий раствор О-БИСМ.
Для полной экстракции нефтепродуктов из полученного раствора описанная выше операция с применением чистого четыреххлористого углерода проводилась до полного экстрагирования всех нефтепродуктов. Выделение нефтепродуктов из экстрагента осуществлялось способом выпаривания экстрагента через холодильник.
В таблице 1 представлены результаты проведенных исследований при концентрации О-БИСМ 3,5 % и температуре моющего раствора 60 °С.
Таблица 1 — Результаты проведения исследований при концентрации О-БИСМ 3,5 % и температуре моющего раствора 60 °С
№ п/п Время очистки образца моющим средством, мин Исходный вес нефтезагрязненно-го зерна щебня до очистки, г Вес зерна щебня после очистки моющим средством, г Количество отмытых нефтепродуктов моющим средством О-БИСМ, г Количество нефтепродуктов, приходящееся на 1 г сухого вещества щебня Эффективность очистки образца от нефтепродуктов моющим средством О-БИСМ
1 10 151,2318 150,9920 0,15503 0,001027 73,34
2 20 129,8523 129,5736 0,15650 0,001208 86,27
3 30 139,2556 138,9718 0,1869 0,001345 96,06
4 60 119,6756 119,3675 0,16524 0,001380 98,88
На графике, приведенном на рисунке 1, представлена зависимость интенсивности роста эффективности очистки зерна щебня при концентрации О-БИСМ 3,5 % и температуре моющего раствора 60 °С от времени проведения исследования.
По графику зависимости интенсивности роста эффективности очистки (см. рисунок 1) установлено, что в течение первых 20 мин проведения исследования рост эффективности очистки интенсивен, а после этого интенсивность роста снижается. Соответственно в качестве рекомендованного времени очистки моющим средством О-БИСМ выбрано 20 мин.
Аналогичным способом были проведены исследования по очистке образца при изменении температуры с шагом в 5 °С, концентрации моющего раствора с шагом 0,5 % и времени проведения исследования при экспозиции 10 мин.
Рисунок 1 - Зависимость эффективности очистки образца от времени проведения исследования
На рисунке 2 представлен сводный график эффективности очистки нефтепродуктов раствором О-БИСМ при отсутствии физического воздействия.
р рбо
и к с т и ч о ь
ьтс
о н в и
итк
е ф
ф
со
120
100
80
60
40
20
0
10
20
30
Время очистки образца, мин
Т = 45 °С, С = 2,0 %; -Ж--Т = 50 °С, С = 2,0 %;
Т = 60 °С, С = 2,0 %; —- Т = 45 °С, С = 2,5 %; Т = 55 °С, С = 2,5 %: -И--Т = 60 °С, С = 2,5 %;
60
Т = 55 °С, С = 2,0 %;
Т = 50 °С, С = 2,5 %; Т = 45 °С, С = 3,0 %
Рисунок 2 - Эффективность очистки нефтепродуктов с поверхности щебня раствором О-БИСМ
Рекомендуемая концентрация моющего раствора установлена по графику средних значений эффективности очистки (рисунок 3).
По рисунку 3 установлено, что график средней концентрации пересекает график при 3,0 %-ной концентрации моющего средства. Следовательно, за рекомендуемую концентрацию моющего средства принята концентрация в 3,0 %.
Рисунок 3 - Зависимость средней эффективности очистки по концентрациям моющего раствора и
времени проведения исследования
Установлено, что при 50 °С температуры раствора О-БИСМ интенсивность роста эффективности очистки снижается, соответственно за рекомендуемую температуру моющего раствора выбрано 50 °С.
Проведение исследований в условиях барботирования и перемешивания образца в растворе осуществлялось при рекомендуемом режиме применения моющего средства.
Исследование воздействия барбатирования на эффективность очистки образца проходило при помощи использования системы подачи воздуха от компрессора, перемешивание образца в моющем растворе проходило при помощи механического стержня. Результаты исследований влияния барбатирования и перемешивания образца в растворе О-БИСМ на эффективность очистки приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Исследование очистки нефтезагрязненного зерна щебня моющим раствором О-БИСМ при применении физического воздействия
Время проведения исследования очистки, мин Вес нефтезаг-рязненного образца, г Сорбционная емкость образца по н/п, мг/г Вес выделенных н/п, мг Вес н/п на образце после очистки, мг Эффективность, %
Применение системы перемешивания образца в растворе
10 129,7805 0,0014 0,1156 0,0643 64,28
20 129,5219 0,0014 0,15963 0,0219 87,91
Применение системы барбатажа
10 135,0652 0,0014 0,1038 0,0853 54,91
20 134,7848 0,0014 0,1452 0,0437 76,85
Согласно данным, представленным в таблице 2, очистка нефтепродуктов эффективнее при применении системы перемешивания. Для наибольшей эффективности процесс очистки нефтезагрязненного щебня необходимо осуществлять при помощи перемешивания его в растворе О-БИСМ.
Для применения данного способа очистки нефтезагрязненного щебня предполагается усовершенствование щебнеочистительной машины барабаном и системой очистки.
Просеянные зерна щебня от крупных загрязнений на грохотах щебнеочистительной машины поступают в барабан с моющим раствором, в котором при перемешивании и соприкосновения зерен щебня друг с другом осуществляется очистка. После барабана щебень выгружается и распределяется на конвейерную ленту для укладки в путь.
Загрязненный раствор, образовавшийся после очистки, направляется в установленный в щебнеочистительной машине горизонтальный отстойник, оборудованный тонкослойными модулями для выделения взвешенных частиц и нефтепродуктов. Очищенный раствор после горизонтального отстойника направляется обратно в барабан для повторной очистки, что позволит создать закрытую циклическую систему очистки щебня от нефтепродуктов.
Показатели экономической эффективности при внедрении предлагаемой технологии очистки нефтезагрязненного щебня представлены в таблице 3.
Таблица 3 — Показатели экономической эффективности предлагаемой технологии
Экономический показатель Единица измерения Значение показателя
Полный экономический результат тыс. руб. 1737,191
Капитальные затраты тыс. руб. 1556
Эксплуатационные расходы тыс. руб. 1311,524
Чистый экономический эффект тыс. руб. 176,707
Экономическая эффективность 0,27
капитальных вложении
Срок окупаемости лет 3 г. 8 мес.
Использование О-БИСМ позволит решить проблему повторного использования щебня при восстановлении щебеночного слоя балластной призмы железнодорожного полотна, снизить затраты на закупку нового щебня и его транспортировку к месту укладки в путь. Помимо этого будет решена проблема утилизации нефтезагрязненного щебня, непригодного для использования в железнодорожном полотне в связи с утратой им необходимых геометрических характеристик.
Список литературы
1. ОАО «РЖД» : Официальный сайт. - Текст : электронный. - URL : http://www.rzd.ru/ static/public/ (дата обращения: 24.07.2020).
2. Парамонова, И. Е. Деструкция нефтяных углеводородов биопрепаратами в зависимости от типа почв и различного уровня загрязнения нефтью / И. Е. Парамонова, А. Б. Кравченко. -Текст : непосредственный // Биотехнология. Теория и практика. - 2010. - № 4. - С. 54 - 63.
3. Кузнецов, И. И. Рециклирование замазученного щебня балластной призмы железнодорожных путей / И. И. Кузнецов, А. М. Асонов. - Текст : непосредственный // Экологическая безопасность в техносферном пространстве : сборник материалов науч.-практ. конф. - Екатеринбург : Российский гос. профессионально-педагогический ун-т, 2019. - C. 179 - 184.
4. Краснов, О. Г. Повышение эффективности глубокой очистки балласта железнодорожного пути совершенствованием щебнеочистительных устройств : специальность 05.22.06 «Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог» : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Краснов Олег Геннадьевич ; Петербургский гос. ун-т путей сообщения Императора Александра I. - Санкт-Петербург, 2002. -18 с. - Текст : непосредственный.
5. Аккерман, Г. Л. Цифровизация при проектировании криволинейных участков / Г. Л. Аккерман, С. Г. Аккерман, Д. В. Каргапольцев. - Текст : непосредственный // Путь и путевое хозяйство. - 2020. - № 3. - С. 37 - 40.
6. Железнодорожный путь : учебник / Е. С. Ашпиз, А. И. Гасанов [и др.] ; под ред. Е. С. Ашпиза. - Москва : Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2013. - 544 с. - Текст : непосредственный.
7. Машины для очистки щебеночного балласта нового покаления. Конструкция, расчет : учебное пособие / В. Ф. Ковальский, А. Н. Неклюдов [и др.] ; под ред. В. Ф. Ковальского. -Москва : Московский гос. ун-т путей сообщения, 2009. - 111 с. - Текст : непосредственный.
8. Луценко, А. Н. Пути снижения загрязнения железнодорожного полотна в Дальневосточном регионе / А. Н. Луценко, В. Д. Катин. - Текст : непосредственный // Вестник ВСГУТУ. -2013. - № 3 (42). - С. 187 - 192.
9. ГОСТ 7392-2002. Щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути. Технические условия. - Москва : Центр проектной продукции, 2003. - 15 с. -Текст : непосредственный.
10. Кузнецов, И. И. Перспектива использования моющего средства О-БИСМ в качестве реагента для регенерации нефтезамазученного щебня балластной призмы железнодорожных путей / И. И. Кузнецов, А. М. Асонов. - Текст : непосредственный // Перспектива : сборник науч. тр. студентов. - Екатеринбург : Уральский гос. ун-т путей сообщения, 2018. - Вып. 2 (233). - С. 84 - 91.
References
1. Ofitsalnii sait OAO «RJD» (The official website of Russian Railways), Available at: http://www.rzd.ru/static/public/ (accessed 02 November 2020).
2. Paramonova I. E., Kravchenko A. B. Destruction of petroleum hydrocarbons by biological products depending on the type of soil and different levels of oil pollution [Destruktsiya neftyanih uglevo-dorodov biopreparatami v zavisimosti ot tipa pochv i razlichnogo urovnya zagryazneniya neftyu]. Bio-tekhnologiia. Teoriia i praktika - Biotechnology. Theory and practice, 2010, no. 4, pp. 54 - 63.
3. Kuznetsov I. I., Asonov A. M. Recycling of oiled crushed stone ballast prism of railway tracks [Retsiklirovanie zamazuchennogo shebya ballastnoi prizmi zheleznodorozhnih putei]. Ekologicheskaia bezopasnost' v tekhnosfernom prostranstve: sbornik materialov nauchno-prakticheskoi konferentsii (Environmental safety in the technosphere space: collection of materials of the scientific and practical conference of young scientists and students). - Yekaterinburg: RGPPU Publ., 2019, 335 p.
4. Krasnov O. G. Povishenie effektivnisti glubokoi ochistki ballasta zheleznodorozhnogo puti sovershenstvovaniem shebneochistitelnih ustroistv (Increasing the efficiency of deep cleaning of ballast of a railway track by improving crushed stone cleaning devices). Ph. D. in Engineering thesis abstract, Saint-Petersburg, PGUPS, 2002, 18 p.
5. Akkerman G. L., Akkerman S. G., Kargapoltsev D. V. Digitalization in the design of curvilinear sections [Tsifrovizatsiya pri proektirovanii krivolineinih uchastkov]. Put' i putevoe khoziaistvo - Railway Track and Facilities, 2020, no. 3, pp. 37 - 40.
6. Ashpiz E. S., Hasanov A. I., Glusberg B. E. and others. Zheleznodorozhnyyput': uchebnik (Railway track: textbook). Moscow: Educational-methodical center for education in railway transport Publ., 2013, 544 p.
7. Kovalsky V. F., Neklyudov A. N., Kovalsky S. V., Chalova M. Yu. Mashiny dlya ochistki shchebenochnogo ballasta novogo pokaleniya. Konstruktsiya, raschet: uchebnoye posobie (Machines for cleaning new generation of crushed stone ballast. Design, calculation: training manual). Moscow: MIIT Publ., 2009, 111 p.
8. Lutsenko A. N., Katin V. D. Ways to reduce the pollution of railway tracks in the Far East region [Puti snizheniya zagryazneniya zheleznodorozhnogo polotna v Dal'nevostochnom regione]. Vestnik VSGUTU- Bulletin of VSGUTU, 2013, no. 3 (42), pp. 187 - 192.
9. Shcheben' iz plotnykh gornykh porod dlya ballastnogo sloya zheleznodorozhnogo puti. Tekhnicheskiye usloviya, GOST 7392-2002 (Crushed stone from dense rocks for the ballast layer of
the railway track. Specifications, GOST 7392-2002.). Moscow: Project Production Center Publ., 2003, 15 p.
10. Kuznetsov I. I., Asonov A. M. The prospect of using the O-BISM detergent as a reagent for the regeneration of oil-and-oil crushed stone of the ballast prism of railway tracks [Perspektiva ispol'zovaniya moyushchego sredstva O-BISM v kachestve reagenta dlya regeneratsii neftezamazu-chennogo shchebnya ballastnoy prizmy zheleznodorozhnykh putey]. Perspektiva : sbornik nauch-nykh trudov studentov (Perspective: collection of students scientific works). - Yekaterinburg: USURT Publ., 2018, issue 2 (233), pp. 84 - 91.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Асонов Александр Михайлович
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС).
Колмогорова ул., д. 66, г. Екатеринбург, 620034, Российская Федерация.
Доктор биологических наук, профессор кафедры «Техносферная безопасность», УрГУПС.
E-mail: asonov1942@mail.ru
Кузнецов Иван Ильич
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС).
Колмогорова ул., д. 66, г. Екатеринбург, 620034, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Техносферная безопасность», УрГУПС.
Тел.: 8-950-633-33-11.
E-mail: kuznetsov9403@gmail.com
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Асонов, А. М. Усовершенствование очистки щебня балластной призмы железнодорожных путей от нефтепродуктов щебнеочистительной машиной / А. М. Асонов, И. И. Кузнецов. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2020. - № 4 (44). -С. 112 - 119.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Asonov Alexander Mikhailovich
Ural University of Railway Transport (USURT).
Kolmogorova St., 66, Yekaterinburg, 620034, Russian Federation.
Doctor of Biological Sciences, Professor, Department of «Technosphere Safety», USURT.
E-mail: asonov1942@mail.ru
Kuznetsov Ivan Ilyich
Ural University of Railway Transport (USURT).
Kolmogorova St., 66, Yekaterinburg, 620034, Russian Federation.
Postgraduate student of the department «Techno-sphere Security», USURT.
Phone: 8-950-633-33-11.
E-mail: kuznetsov9403@gmail.com
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Asonov A. M., Kuznetsov I. I. Improvement of cleaning of ballast bed railways from oil products by the grad-der washer. Journal of Transsib Railway Studies, 2020, no. 4 (44), pp. 112 - 119 (In Russian).
