Бипластмассовые трубы для шахтного водоотлива

Опыт эксплуатации оборудования шахтного водоотлива показывает, что даже на шахтах с нейтральными и слабокислыми водами (pH 7—5) скорость коррозии труб в условиях подземных выработок угольных и сланцевых шахт составляет 0,35—0,65 мм/год. Между тем выполненный ИГД им. А.А. Скочинского анализ показал, что более 10% всех угольных шахт имеют кислые воды.
Наблюдения на шахтах Кизеловского угольного бассейна показывают, что в таких условиях (рН<5) скорость коррозии возрастает в десятки раз. На шахтах, воды которых характеризуются pH 5—2,5, скорость коррозии труб из стали 45 составляет 4—5 мм/год, а при pH 1 достигает 20 мм. Прямой капеж шахтной воды pH 2 на стальную трубу с толщиной стенки 10—12 мм вызывает образование сквозной раковины через 2—3 нед. Аналогичные данные получены на шахтах Донбасса с кислотными водами: скорость коррозии стальных труб в непроточной шахтной воде при pH 3 составляет 3 мм/год, а в проточной воде при pH 2 достигает 12—16 мм/год.
Для защиты от коррозии стальные трубы главного водоотлива, изнутри футеруют различными материалами: свинцом, деревянной клепкой, резиновыми и лаковыми покрытиями. Из экономических соображений и технологической простоты для футерования преимущественно применяют кислотоупорный цемент, обычно наносимый на внутреннюю поверхность центробежным способом.
Существенными недостатками такой футеровки являются завышенные внешние размеры и вес труб, а соответственно и трудозатраты на их доставку и монтаж в шахтах. Кроме того, из-за интенсивного отложения на поверхности цемента минеральных осадков (до 25 мм/год) уменьшается их производительность, увеличиваются гидравлические сопротивления и расход электроэнергии на перекачку воды. При относительно больших скоростях движения (более 2,5 м/с) и перекачке осветленной кислотной воды наблюдается интенсивное вымывание цементной футеровки. В результате водоотливные трубы выходят из строя через 3—5 лет эксплуатации.

ИГД им. А.А. Скочинского и ВНИИПТуглемашем выполнены исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию высоконапорных труб шахтного водоотлива из композиций полимерных материалов, практически нечувствительных к агрессивным шахтным водам. Опыт и испытания показали, что наиболее удачной конструкцией высоконапорной трубы является такая, которая сочетает в себе две основные полимерные композиции — износостойкий термопласт и высокопрочный стеклопластик.
Полимерные материалы, армированные стекловолокнами, по прочности не уступают конструкционной стали, имеют вчетверо меньший удельный вес и высокую химическую стойкость. На рис. 9.1 показаны типовые конструкции разработанных для шахтного водоотлива высоконапорных бипластмассовых труб. Наружная оболочка 1 трубы, выполненная из стеклопластика, воспринимает механическую нагрузку. Внутренняя оболочка 2, выполненная из тонкостенной полиэтиленовой трубы, обеспечивает герметичность, химическую стойкость, создает высокую чистоту поверхности, сответствующую гидравлически гладким трубам.

Стеклопластиковая оболочка выполняется намоткой на поверхность полиэтиленовой трубы стеклянных волокон, пропитанных синтетической смолой. Формирование стеклопластиковых изделий методом намотки отличается технологической простотой, легко механизируется, обеспечивает высокую прочность материала. Этот метод требует применения смол так называемого контактного типа, полимеризующихся без выделения побочных продуктов и не требующих высокого давления формования. К смолам такого типа относятся полиэфирные и эпоксидные. Последние отличаются высокими показателями по механической прочности, но относительно дефицитны, дороги и несколько труднее в переработке по сравнению с полиэфирными из-за высокой вязкости.
Полиэфирные смолы, используемые для производства стеклопластиковых конструкций, представляют собой продукт взаимодействия ненасыщенных дикарбоновых кислот с многоатомными спиртами. Образующийся низкомолекулярный полиэфир применяют обычно в растворе мономера с ненасыщенными связями — стироле, метилметакрилате и т. п.
В процессе полимеризации молекулы монополимера образуют поперечную сшивку линейных полиэфирных цепей. Процесс отверждения полиэфирных смол обычно инициируют органическими перекисями. В качестве ускорителей реакции используются соли некоторых металлов переменной валентности: кобальта, ванадия и др.
Соответствующими подборами исходных продуктов при синтезе полиэфирных смол — кислот, гликолей и сшивающего мономера — можно в широком диапазоне менять свойства конечного продукта, как физико-механические (прочность, упругость, теплостойкость), так и химические (щелоче- и кислотостойкость, горючесть). Отечественной промышленностью освоено производство широкого класса полиэфирных смол с различными эксплуатационными свойствами.
Токсичность смол в процессе их переработки определяется типом входящего в их состав мономера. Смолы общего назначения, содержащие стирол в качестве сшивающего мономера, отличаются относительно высокой токсичностью, поэтому рекомендуются главным образом для механизированных и автоматизированных производств, предусматривающих минимальный контакт с ними производственного персонала.
Большим достижением советской науки является разработка практически нетоксичных полиэфирных смол, в которых вместо стирола применяется малолетучий низкомолекулярный полиэфир с ненасыщенными связями типа диметакрилата триэтиленгликоля (ТГМ-3). Смолы такого типа могут использоваться не только в специализированных химических производствах, но и в других отраслях промышленности, где не удается в полной мере обеспечить механизацию технологических процессов.
Например, в проведенных под руководством Н.В. Куликова исследованиях предусматривалась разработка мелкомасштабного производства стеклопластиковых изделий, которые легко осуществимы в условиях шахтных ремонтных мастерских или ремонтно-механических заводов. Исходя из этого для стеклопластиков были выбраны связующие материалы, относящиеся к группе бесстирольных ненасыщенных полиэфирных смол. Оценку качества различных смол этой группы смол проводили по водо- и кислотостойкости стеклопластиковых образцов на их основе. Образцы готовились намоткой на плоскую рамку стекложгута (ровинга) А марки H-1, пропитанного испытываемой смолой.
Намотка жгута выполнялась чередующимися слоями с взаимно перпендикулярными направлениями волокон. После полимеризации смолы образованные намоткой пластины стеклопластика выдерживались в растворе серной кислоты различной концентрации в течение определенного отрезка времени. Затем пластины разрезали абразивным диском на стандартные бруски для испытания на изгиб: не менее 5 образцов на каждый вид испытаний. В табл. 9.1 приведены результаты испытаний стеклопластиков, изготовленных на трех видах бесстирольных смол, разработанных в России.

Из результатов видно, что наибольшей кислотостойкостью обладают стеклопластики на основе смол ПН-11 и ПН-609-21М (ОСТ 6—05—431—78). Интересно, что растворы серной кислоты слабой концентрации оказывают несколько большее влияние на прочность стеклопластиков, чем высококонцентрированные. Поскольку для смолы ПН-609-21М освоено промышленное производство, а для ПН-11 — только опытное, для отработки технологии была принята первая.
Технология изготовления труб намоткой позволяет использовать простейший вид стеклопластиковой продукции — ровинг, который представляет собой пучок из 10—60 параллельно уложенных некрученых первичных нитей. По сравнению с другими видами стеклонаполнителя — холстом и тканью — ровинг отличается высокой прочностью и более низкой стоимостью.
Первичная нить образуется непосредственно из расплава стекломассы, вытекающей из 200—800 фильер платинового плавильного сосуда. Струйки расплавленного стекла наматываются на быстровращающийся барабан, проходя стадию вытяжки и охлаждения. Диаметр элементарного волокна обычно составляет 6—13 мкм и зависит от диаметра фильеры и скорости вытяжки. Для ровинга допускается верхнее значение диаметра волокна, что обеспечивает максимальную производительность стеклоплавильных агрегатов и минимальную себестоимость продукции.
Для производства непрерывных волокон общего назначения используется стекло алюмоборосиликатного состава (SiO2 — 54%, Al2O3-14%, B2O3-10%, CaO-16%, MgO-4%, Na2O-2%). При этом составе достигаются устойчивый технологический процесс вытяжки волокон и сравнительно высокая химическая стойкость.
В связи с прямым назначением изделия эксплуатироваться в условиях сильно агрессивных сред особое внимание было уделено выбору замасливателя, покрывающего поверхность стекловолокон, сообщающего ему химическую стойкость и предохраняющего волокна от истирания.
В табл. 9.2 приведены результаты испытаний на прочность при изгибе полиэфирных стеклопластиков, изготовленных на основе волокон с различными замасливателями. Из таблицы следует, что наибольшей стойкостью к воде обладают стекловолокна на замасливателе ПВЭ и ВТЭС (промышленная марка стеклоровинга Н-1) и ГВС-9 (марка 4п).

Исходные физико-механические характеристики стеклопластика, закладываемые в методику прочностных расчетов и определения температурно-временных зависимостей, имеют следующие значения:


Схема изготовления бипластмассовых труб описанной конструкции (см. рис. 9.1) на основе выбранных полимерных материалов приводится на рис. 9.2. Процесс состоит в послойной намотке пропитанного смолой стеклоровинга 5; 6 на тонкостенную полиэтиленовую трубу 2, которая остается в готовом изделии в качестве внутренней футеровки. Полиэтилен обеспечивает трубе герметичность, высокую химическую стойкость, гладкую поверхность.

Возвратно-поступательное перемещение каретки 7 вдоль оси изготавливаемой трубы позволяет осуществлять продольно-поперечную укладку жгутов в расчетном режиме в зависимости от требуемой прочности трубы. Последняя определяется назначением трубы, ее размерами (в диапазоне диаметров 125—300 мм) и соответствующим рабочим давлением (25—64 атм).
С учетом этих условий укладка стекложгутов осуществляется в следующем порядке их слоев:
- диаметр трубы 125 мм — два кольцевых слоя и один продольный (I-I);
- диаметр 200 мм — три кольцевых и два продольных (I-I-I);
- диаметр 300 мм — пять кольцевых слоев и три продольных (II-I-I-I).
Торцы полиэтиленовой трубы 2 предварительно отбортовываются в плоскости будущего фланца. Применяемый для футеровочной трубы полиэтилен низкого давления имеет значительно более высокий коэффициент температурного линейного расширения, чем стеклопластик [(2-З)*10в-4 мм/(мм*°С)].
Значительное различие механической прочности и коэффициентов температурного линейного расширения для стеклопластиков и полиэтилена не обеспечивает надежной совместной работы этих двух материалов прежде всего в осевом направлении трубы. Исходя из этих соображений, разработано два варианта исполнения фланцевых узлов: со стеклопластиковым фланцем 1 (см. рис. 9.1, а) и со стальным 3, обматываемым стекложгутом 1 (см. рис. 9.1, б). На рис. 9.1, в показан вариант быстроразъемного соединения.
Для исполнения труб со стальными фланцами несоответствия термокомпенсации устраняются рациональной заделкой футеровки 2 во фланцах, допускающих дилатометрические перемещения. При исполнении труб со стеклопластиковыми фланцами совместная работа стеклопластика и полиэтилена решается термостабилизацией полиэтиленовой футеровки и нарезкой на ней спиральных канавок.
Стеклопластиковые фланцы формуются как одно целое с корпусом трубы, причем стеклянные волокна фланца укладываются в направлениях, соответствующих главным напряжениям, возникающим при нагружении фланца, — кольцевом, осевом и радиальном. Каркасом для намотки и формования стеклопластиковых фланцев служат предварительно изготовленные стеклопластиковые коронки 3 (рис. 9.2).
Каждая коронка состоит из двух рядов радиально расположенных стальных или стеклопластиковых шпилек, закрепленных на тонкой обечайке. Для оформления болтовых отверстий в процессе намотки в его тело закладываются металлические стержни (знаки), извлекаемые после полимеризации трубы. Полимеризация (отверждение) материала осуществляется под действием введенного в смолу инициатора при комнатной или несколько повышенной (60—80° С) температуре.
Установка для изготовления труб по этой схеме включает центры 1 для установки и фиксирования полиэтиленовой оболочки 2, которая при намотке стекложгутов 5, 6 играет одновременно роль дорна; узлы поперечной намотки 7 и продольной укладки 4 ровинга, каждый из которых включает в себя шпулярник с бобинами ровинга 8 и ванну 4 для пропитки ровинга смолой, установленную на каретке 9, совершающей возвратно-поступательное перемещение вдоль оси трубы.

В соответствии с технологией изготовления и принятыми материалами средняя часть бипластмассовой трубы представляет собой цилиндрическое тело, образованное упорядоченной укладкой стекложгутов строго в поперечном (t) и продольном (l) направлениях на полиэтиленовую футеровку. Упругопластические показатели внутренней полиэтиленовой трубы на несколько порядков выше, чем стеклопластиковых, поэтому при расчете можно пренебречь ее наличием, считая, что она просто выравнивает (подобно резиновой камере) передаваемое на силовую стеклопластиковую оболочку гидравлическое давление.
При таком допущении расчет прочности стеклопластиковой трубы с явно выраженной ортотропией можно вести по формулам безмоментной теории расчета оболочек, в которой предполагается, что ее стенки сопротивляются только растяжению — сжатию, не испытывая воздействия изгибающих моментов. Расчет необходимого числа продольных жгутов ni определяется исходя из величины действующего в осевом направлении осевого усилия T и допускаемой нагрузки [q] на единичный ровинг (жгут):

Соответственно количество жгутов nt в поперечном направлении определяется по усилию Tt в поперечном направлении (рис. 9.3):

Усилие Ti, уравновешивающее гидростатический напор p в осевом направлении, определяется из соответствующего условия равновесия трубы среднего диаметра D:

Касательные усилия Тi определяются из условий равновесия полукольца (рис. 9.3):

Входящая в формулы (9.1) и (9.2) допускаемая нагрузка [q] на один жгут определяется на основании получаемой экспериментально исходной прочности q0 одного отвержденного связующим жгута и коэффициента запаса К:

Коэффициент запаса К учитывает ряд технологических факторов структурообразования стеклопластика и может быть выражен в виде произведения коэффициентов Ki:

каждый из которых учитывает: K1 — снижение прочности жгута в связи с групповой укладкой; К2 — разброс прочностных свойств стеклопластика ортогональной структуры; K3 — старение связующего; K4 — фактор среды, температуры и времени; K5 — возможные перегрузки трубы, в том числе гидравлические удары.

Для случая создания стеклопластиковых труб на основе описанного стеклопластика и определенных для шахт условий работы коэффициент запаса

Выражения (9.1)-(9.7) приводят к возможности назначения количества жгутов, обеспечивающих необходимую прочность труб в осевом и окружном направлениях:


По описанной выше схеме производства бипластмассовых труб для шахтного водоотлива на Кизеловском ремонтно-механическом заводе (КРМЗ) изготовлена и пущена в эксплуатацию установка, которая с 1975 г. выпускает трубы для шахт Кизеловского угольного бассейна, отличающихся весьма высокой кислотностью грунтовых вод (pH 2—3). КРМЗ освоено производство труб следующей характеристики:

Опыт эксплуатации показал высокую эффективность применения бипластмассовых труб на шахтах ПО «Кизелуголь». Например, первые эксплуатационные образцы бипластмассовых труб, установленные на шахте «Широковская» в 1965 г., эксплуатируются и поныне в условиях, где стальные футерованные трубы, служат не более года.
На главном водоотливе шахты им. 40-летия BЛKCM и на участковом водоотливе шахты «Ключевская» стальные нефутерованные трубы при перекачке шахтных вод с показателем кислотности pH 2,44—2,7 имеют срок службы от 1,5 до 4 мес. Би-пластмассовые, изготовленные на КРМЗ, эксплуатируются в этих же условиях свыше 5 лет без заметных следов каких-либо повреждений.
Применение бипластмассовых труб вместо стальных приводит также к существенному снижению трудовых затрат на доставку и монтаж труб. Если стальную трубу диаметром 200—300 мм весом 320—840 кг соответственно бригада из 5—6 человек доставляет к месту монтажа в горной выработке в течение 5—6 ч, то бипластмассовую тех же размеров два человека доставляют за 2—3 ч. При этом становится возможным, подобно способу доставки леса, использовать конвейерный транспорт. Облегчение доставки и монтажа бипластмассовых труб играет существенную роль также с позиций безопасности.
К примеру, на шахте «Северная» использование бипластмассовых труб позволило в короткий срок предупредить распространение и ликвидировать пожар. Противопожарный стеклопластиковый трубопровод был быстро смонтирован по заброшенной выработке в чрезвычайно стесненных условиях, где доставка и монтаж стальных труб встретили бы исключительные трудности. На шахте им. 40-летия BЛKCM благодаря возможности быстрого монтажа обводного трубопровода длиной 280 м из легких стеклопластиковых труб было предотвращено затопление горизонта.
Гидравлические сопротивления стеклопластиковых труб при мерно вдвое ниже, чем у прорезиненных рукавов, и вчетверо ниже, чем у льняных, а допускаемый напор многократно выше. Это позволяет подавать воду по одноступенчатой схеме нагнетания на существенно большие расстояния при достаточно высокой скорости прокладки трубопровода.
Разработанные конструкции легких и высокопрочных стеклопластиковых труб могут найти также применение в производственных ситуациях, связанных с частым наращиванием или укорочением технологического трубопровода, в частности при гидродобыче угля и системах с гидрозакладкой.
Область внедрения стеклопластиковых труб может быть еще более расширена за счет использования такого качества стеклопластиковых труб, как низкая теплопроводность (примерно в 100 раз меньше, чем у стали). Применение таких труб позволит существенно уменьшить дебит хладоагента и расход энергии в системах кондиционирования воздуха и системах замораживания грунтов.