Владимир Шурыгин, к.т.н., ВГМК
Евгений Семененко, к.т.н., с.н.с., ИГТМ НАН Украины

Источник: журнал "Полимерные трубы - Украина"

На обогатительных фабриках горно-обогатительных комбинатов (ГОК) Украины отходы обогащения отводятся посредством напорных гидротранспортных комплексов, а на таких предприятиях, как Вольногорский горно-металлургический комбинат (ВГМК) и Иршанский ГОК, напорные гидротранспортные комплексы используются и для доставки исходных песков на обогатительные фабрики [1–4]. Кроме того, известны примеры применения этого вида транспорта при разработке техногенных месторождений, когда лежалые отходы из хранилища подаются на повторное обогащение. Такое широкое применение трубопроводного гидротранспорта на предприятиях горнорудной промышленности обусловлено характером транспортируемых сред, технологической совместимостью и его преимуществами в данных условиях над другими видами транспорта: конвейерным, автомобильным и железнодорожным [1, 2, 5–10].

Опыт эксплуатации украинских и зарубежных обогатительных фабрик показывает, что за время их работы протяженность магистралей гидротранспортных комплексов, обеспечивающих доставку перерабатываемого сырья и отведение отходов обогатительного производства, постоянно увеличивается [1, 2, 4]. По мере отработки месторождения фронт горных работ и места складирования отходов удаляются от обогатительных фабрик, что требует перемещения насосной станции и увеличения длин трубопроводов. Периодическое удлинение трубопровода гидротранспортного комплекса без установки дополнительных насосов или увеличения диаметров рабочих колес ограничено из-за возникновения критических режимов течения, которые резко снижают эффективность и надежность гидротранспортирования [1–4].

Например, опыт эксплуатации карьерного гидротранспортного комплекса ВГМК показывает, что зачастую для обеспечения сверхкритических режимов работы после удлинения трубопровода необходима мощность меньшая, чем мощность еще одного насоса, а заменить существующие рабочие колеса на рабочие колеса с большим диаметром невозможно [1, 2, 4]. В этом случае установка еще одного насоса значительно увеличивает капитальные затраты и энергоемкость гидротранспортирования, а также интенсифицирует износ трубопроводов, запорной арматуры и проточных частей других насосов. Кроме того, из-за нестабильности параметров транспортируемого материала карьерный гидротранспортный комплекс после удлинения трубопровода может периодически работать то в сверхкритических режимах, то в режимах с частичным заилением трубопровода, что снижает эффективность функционирования всей технологической цепочки от узла пульпообразования в карьере до батареи гидроциклонов на обогатительной фабрике.

В такой ситуации необходимо обеспечить регламентированную производительность гидротранспортного комплекса со скоростями, превышающими критическую. Это может быть достигнуто или повышением мощности используемых насосов, или снижением гидравлического сопротивления магистрали.

Данная проблема актуальна и имеет большую практическую важность. С одной стороны, план разработки месторождений и введения в эксплуатацию новых карт намыва хвостохранилищ определяется с учетом экономических, горногеологических и экологических факторов, а поэтому в принципе не может учитывать режимы работы гидротранспортных комплексов. С другой стороны, важность ресурсо- и энергосбережения на предприятиях горнорудной промышленности регламентируется рядом государственных и региональных программ, а также ограничениями на электроэнергию, энергоносители и основной экологический ресурс – воду.

Вопрос снижения гидравлических сопротивлений при течении гидросмеси и воды рассматривался в работах отечественных и зарубежных специалистов [1, 4–12]. Анализ результатов этих исследований позволил выделить следующие методы, которые могут быть применены для условий гидротранспорта: наложение на поток продольных пульсаций скорости [6]; покрытие внутренней поверхности труб материалом с низким коэффициентом трения [3, 5, 7]; добавление в транспортируемую среду поверхностно-активных или гидродинамически активных веществ [10, 11]; использование дополнительных струйных насосов [3, 8, 9].

Наиболее перспективными, по мнению авторов, для гидротранспортных комплексов являются методы снижения гидравлических сопротивлений не за счет покрытия внутренней поверхности трубы материалом с низким коэффициентом трения, а путем замены стальных труб на полиэтиленовые, так как развитие отечественной и зарубежной промышленности позволило за последние годы существенно продвинуться в создании труб и запорной арматуры из полимерных материалов. Появилась возможность использовать полиэтиленовые трубы вместо стальных не только для подачи питьевой и технической воды, но и для гидротранспортирования исходных песков на обогатительное производство, а также для отведения отходов их переработки.

Возможность этого была впервые доказана экспериментальным путем в условиях гидротранспортного комплекса ВГМК, когда в апреле 2006 года был введен в эксплуатацию опытный участок полиэтиленовой трубы длиной 160 м, смонтированный на рабочем трубопроводе. Применена труба ПЭ 80 SDR 21 диаметром 630 мм с толщиной стенки 30 мм, рассчитанная на рабочее давление до 6 атм. По положению на конец 2006 года трубопровод отработал более 3500 ч, подано более 2 млн. м3 рудных песков. Плотность пульпы в зависимости от режима работы гидротранспортного комплекса изменялась от 1,01 до 1,22 т/м3. При осмотре внутренней части трубы заметен износ только выступающей части сварочного шва. Внутренняя часть трубы практически вся гладкая, небольшая шероховатость заметна только в нижней части трубы в пределах от 200 до 300 мм по дуге. Замер толщины трубы ультразвуковым переносным прибором показал износ не более 1,5 мм. Окончательный вывод об износостойкости полиэтиленовых труб делать еще рано. Но, учитывая то, что стоимость стальных труб сегодня практически сравнялась со стоимостью полиэтиленовых труб с рабочим давлением до 6 атм., можно предположить, что применение полиэтиленовых труб на участках трубопровода, где рабочее давление не превышает 6 атм., экономически выгодней, чем применение стальных труб.

Однако расчет гидравлического сопротивления таких труб затруднен из-за отсутствия данных о зависимости коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса, методик расчета критических скоростей гидротранспортирования и дополнительных гидравлических уклонов, обусловленных присутствием твердых частиц.

Отечественные производители полиэтиленовых труб не располагают такими данными, а зарубежные или приводят номограммы с диапазонами расходов, не характерными для гидротранспортных комплексов ГОКов, или указывают, что эта величина для полиэтиленовых труб меньше, чем для чугунных в 100, а то и в 1000 раз.

Ненамного лучше изучена зависимость гидравлического уклона от скорости при течении воды в полиэтиленовых трубопроводах [12–15]. Ряд авторов приводят близкие формулы, которые можно обобщить в одну, однако использовать их для расчета параметров гидротранспорта затруднительно, так как эти методики:

• не учитывают изменение вязкости несущей жидкости;
• не учитывают влияние шероховатости стенки трубопровода, которая изменяется в процессе эксплуатации;
• предназначены для расчета гидравлических уклонов несущей жидкости и не могут быть применены для расчета дополнительных гидравлических уклонов, обусловленных присутствием в потоке твердых частиц;
• не позволяют рассчитать критическую скорость гидротранспортирования.

Цель статьи – на основании известных методов расчета параметров гидротранспорта в стальных трубопроводах разработать и обосновать научный подход расчета критической скорости и гидравлического уклона в полиэтиленовом трубопроводе с учетом изменения шероховатости внутренней стенки трубы. Известны методики расчета гидравлического уклона при течении воды в полиэтиленовых трубопроводах ISO TR 10501, СНиП 2.04.02-84, СП 40-102-2000.

Таким образом, в рамках методического подхода, используемого в алгоритмах третьей группы, можно сделать следующие прогнозы относительно параметров гидротранспорта для полиэтиленовых трубопроводов:

• в новых полиэтиленовых трубопроводах значение полного гидравлического уклона может быть меньше, чем в стальных такого же диаметра;
• по мере эксплуатации полиэтиленовых трубопроводов величины гидравлических уклонов, обусловленных течением несущей жидкости, могут возрастать, а величины гидравлических уклонов, опреде взвешиванием твердых частиц, – снижаться;
• в процессе эксплуатации полиэтиленовых трубопроводов для каждого значения шероховатости внутренней поверхности трубы может существовать скорость течения пульпы, при которой полный гидравлический уклон будет минимальным;
• критические скорости гидротранспортирования в новых полиэтиленовых трубопроводах могут быть выше, чем в стальных такого же диаметра, однако этот фактор может оказаться несущественным, так как рабочие скорости пульпы в полиэтиленовых трубопроводах будут большими, чем в стальных;
• по мере эксплуатации полиэтиленовых трубопроводов значение критической скорости в них будет уменьшаться и со временем, при значительном увеличении шероховатости, может стать меньшим, чем критическая скорость в стальных трубопроводах.

более подробно - см. Полимерные трубы - Украина № 3, 2007 г.

Литература.

1. Баранов Ю. Д., Блюсс Б. А., Семененко Е. В., Шурыгин В. Д. Обоснование параметров и режимов работы систем гидротранспорта горных предприятий. – Д.: Новая идеология, 2006. – 416 с.
2. Гуменик И. Л., Сокил А. М., Семененко Е. В., Шурыгин В. Д. Проблемы разработки россыпных месторождений. – Д.: Січ, 2001. – 224 с.
3. Звягильский Е. Л., Блюсс Б. А., Назимко Е. И., Семененко Е. В. Совершенствование режимов работы гидротранспортных установок технологий углеобогащения. – Севастополь: Вебер, 2002. – 247 с.
4. Шурыгин В. Д., Семененко Е. В., Никифорова Н. А. Анализ способов повышения эффективности работы гидротранспортного комплекса // Металлургическая и горнорудная промышленность. №6, 2005, с. 70–74.
5. Дмитриев Г. П., Махарадзе Л. И., Гочиташвили Т. Ш. Напорные гидротранспортные системы. – М.: Недра, 1991. – 304 с.
6. Покровская В. Н. Трубопроводный транспорт в горной промышленности. – М.: Недра, 1985. – 191 с.
7. Смолдырев А. Е. Трубопроводный транспорт. – М.: Недра, 1980. – 390 с.
8. Силин Н. А., Коберник С. Г. Режимы работы крупных землесосных снарядов и трубопроводов. – К.: Изд-во АН Украинской ССР, 1962. – 138 с.
9. Силин Н. А., Витошкин Ю. К., Карасик В. М., Очеретько В.Ф. Гидротранспорт (вопросы гидравлики). – К.: Наук. думка, 1971. – 158 с.
10. Ступин А. В., Асланов П. В., Симоненко А.П., Быковская Н. В., Фоменко С. А. Применение гидродинамически активных добавок полимеров и поверхностно-активных веществ в энергосберегающих технологиях // Прикладна гідромеханіка, 2001, т. 3 (75), № 1, с. 74–81.
11. Погребняк В. Г., Писаренко А. А. Растворы полимеров в условиях пристеночной турбулентности и механизм снижения гидравлического сопротивления // Прикладна гідромеханіка, 2000, т. 2 (74), № 2, с. 83–95.
12. Альтшуль А. Д. Гидравлические сопротивления. – М.: Недра, 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 Проектирование и монтаж трубопроводов из полипропилена «рандом сополимер».
15. СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. 16. Юфин А. П. Гидромеханизация. – М.: Стройиздат, 1965. – 496 с.
16. Криль С. И. Напорные взвесенесущие потоки. – К.: Наук. думка, 1990. – 160 с.
17. Коберник С. Г., Войтенко В. И. Напорный гидротранспорт хвостов горно-обогатительных комбинатов. – К.: Наук. думка, 1967. – 140 с.
18. Швабауэр В. В., Гвоздев И. В., Гориловский М. И. Расчет гидравлических потерь давления в трубопроводе из пластмасс // Полимерные трубы, №1 (6), 2005, с. 36–40.
19. Трайнис В. В. Параметры и режимы гидравлического транспортирования угля по трубопроводам. – М.: Наука, 1970. – 191 с.