» » Полимерные композиции для футерования транспортирующих трубопроводов

Полимерные композиции для футерования транспортирующих трубопроводов

30.08.2016

В настоящее время в промышленности нашей страны по трубопроводам транспортируется огромное количество различных материалов. Транспортировка сыпучих материалов по трубопроводам обходится намного дешевле и сохраннее, чем перевозка автомобильным или железнодорожным транспортом. Однако у трубопроводных систем имеется существенный недостаток — невысокий срок службы из-за износа.
Проблема футерования шахтных трубопроводов

Протяженность действующих трубопроводов для транспортировки руд черных и цветных металлов, строительных материалов непрерывно увеличивается. В угольной промышленности возрастает число шахт с гидродобычей, а также шахт, на которых применяют гидро- и пневмозакладку выработанного пространства. Несмотря на возросший в связи с этим выпуск, потребность в трубах остается острой проблемой из-за их сравнительно быстрого износа. В горнодобывающей промышленности по этой причине ежегодно расход труб составляет свыше 2 млн. пог. м.
Одним из важнейших направлений совершенствования гидравлического транспорта на шахтах с гидродобычей является увеличение в 3—4 раза сроков службы технологического оборудования. На ремонт и замену изношенных пульповодов затрачивается 20—25% средств содержания их общей эксплуатации.
В связи с непрерывным возрастанием доли открытых работ увеличивается применение гидротранспорта пульп на разрезах и карьерах. Например, на разрезе «Коркинский» по трубопроводам общей протяженностью свыше 10 км ежегодно пропускается около 1300 м3 пульпы с размерами кусков до 140 мм. Общий срок службы этих труб составляет 2—2,5 года.
Большое количество труб расходуется для технологии закладки выработанного пространства, которая все шире применяется при разработке мощных крутых пластов, склонных к самовозгоранию (Кузбасс), при отработке ценных углей, законсервированных в охранных целиках гражданскими и промышленными сооружениями (Донбасс, Караганда), и в других случаях.
Эксплуатационные наблюдения показали, что до полного износа трубы толщиной 8—10 мм на гидрозакладке пропускают около 80—110 тыс. м3 породы (песчаники и глинистые сланцы размерами 3—20 мм), а на пневмозакладке (например, в Донбассе — доменные шлаки с высокоабразивной стекловидной фазой) — 40—60 тыс. м3. Ежегодно заменяется около одной трети всех закладочных труб.
Для уменьшения износа и повышения долговечности трубы, транспортирующие гидроабразивные пульпы, футеруют базальтовыми или ситалловыми вкладышами. Относительная износостойкость таких труб увеличивается в 3—5 раз, однако при этом сильно возрастает вес труб, что в подземных условиях усложняет их монтаж и перенос. Кроме того, возрастает трудоемкость изготовления таких труб и их стоимость. Более предпочтительны футеровки из резиновых смесей, а также полимерных материалов, отличающихся эластичностью, — полиуретана, полиэтилена и других композиций.
В ИГД им. А.А. Скочинского проведены работы по изысканию экономичных полимерных композиций для футерования закладочных трубопроводов (Е.В. Шумихин, Н.В. Куликов). С этой целью проанализированы кинематика и основные эксплуатационные факторы, влияющие на износ трубопроводов. Перемещение пульпы по трубопроводу представляет собой движение точечных объектов, составляющих пространственную совокупность твердых частиц и подчиняющихся законам статистики.
Полимерные композиции для футерования транспортирующих трубопроводов

Для изучения износа представляет интерес режим потока. Опытным путем установлено, что износ горизонтального стального трубопровода происходит неравномерно: после пропуска 1000 м3 закладочной породы толщина нижней стенки уменьшилась на 0,11—0,2 мм, а верхней — на 0,02—0,05 мм.
С точки зрения кинематики частицы до определенных размеров полностью увлекаются и перемещаются потоком в трубопроводе. Например, потоком со скоростью 7 м/с свободно перемещаются частицы угля размером до 10 мм, песка — до 2 мм. Более крупные частицы перемещаются путем «сальтации», частица периодически касается или даже протаскивается по дну или стенкам трубы, а затем снова подхватывается и переносится на некоторое расстояние потоком (рис. 10.1).
Проведенные многими авторами экспериментальные исследования показали, что на износ трубопроводов существенно влияют параметры частиц, важнейшими из которых являются: скорость их движения vа, форма и размер, а также угол встречи частицы с поверхностью трубы. Зависимость интенсивности износа I от скорости движения частиц в первом приближении принято выражать зависимостью
Полимерные композиции для футерования транспортирующих трубопроводов

где k и с — коэффициенты, зависящие от материалов трубы (k) и частиц (с) соответственно.
Например, для резин на основе СКД-СКИ показатель степени ср равен 2,3, для других материалов c=2/3. Зависимость износостойкости труб от крупности частиц исследована], где показано, что с увеличением размера частиц от 0,05 до 1—3 мм износ резко возрастает, а далее кривая постепенно выполаживается, а при увеличении размера выше 8—10 мм износ не только не возрастает, но даже несколько снижается.
Влияние угла встречи частиц (угла атаки), перемещаемых потоком жидкости, на износ поверхности детали изучалось многими исследователями. Общее выражение кинетической энергии U частицы, ударяемой в бомбардируемую поверхность, имеет вид
Полимерные композиции для футерования транспортирующих трубопроводов

где d — средний диаметр частиц, мм; v — средняя скорость движения частицы, м/с; γ — удельный вес материала частиц, г/см3; α — угол атаки, град; m — число ударов в единицу времени.
Таким образом, чтобы выдерживать динамические нагрузки от летящих в потоке частиц, материал футеровки трубы должен обладать комплексом физико-механических свойств: эластичностью, способностью достаточно большого удлинения при растяжении (иметь небольшой модуль упругости), воспринимать большие ударные нагрузки без разрушения. Выбор материалов футеровок, отвечающих техническим требованиям их эксплуатации в трубопроводах для гидро- и пневмотранспортировки пород, осуществляется путем проведения исследования их сравнительной износостойкости.
Испытания материалов на гидростенде

Сравнительную оценку изнашивающего воздействия различных видов закладочных материалов, транспортируемых по трубам в потоке жидкости, установить в промышленных условиях практически невозможно. Такие исследования обычно проводятся экспериментально.
В ИГД им. А.А. Скочинского для испытания материалов, выбираемых в качестве футеровок гидротранспортных трубопроводов, разработан специальный гидростенд, представляющий собой вращающееся в вертикальной плоскости кольцо (тор) диаметром 2,6 м (рис. 10.2). Диаметр трубы 1 стенда Dк равен 0,2 м, что соответствует диаметру труб, применяемых в забойных трубопроводах при закладке. Объем кольца 250 л. Гидросмесь — вода 3 с твердыми абразивными частицами 4. Линейная скорость вращения кольца стенда (м/с)
vK = nDKn/60,

где n — скорость вращения, которая может регулироваться.
Основная скорость вращения n0 = 28 об/мин соответствует линейной скорости движения пульпы v0 = 3,8 м/с, близкой к средней скорости ее транспортирования в промышленных трубопроводах. Хотя кольцевой стенд не имеет полного физического тождества с натурой, его основные размеры — диаметр трубопровода и размер транспортируемых частиц — отвечают задаче моделирования процесса износа исследуемых материалов. Комплект испытываемых образцов набирается в специальной матрице 2 из листовой меди, которая помещается внутри тора по форме его образующей поверхности заподлицо.
Для испытаний на кольцевом стенде были отобраны полимерные материалы: полиамид-6, сополимер поликарбоната с фторопластом ДАК-42, полиэтилен низкого давления (ПЭНД), протекторная резина 4РМ-607 и полиуретан «Десмопан». В качестве эталона для сравнения принята сталь 20. Полимерные образцы для испытаний изготавливались на термопласт-автомате ДБ-3328, а для их подготовки использовались сушильный шкаф, дериватограф, аналитические весы АДВ с точностью измерения ±0.0001 г. Испытания проведены Е.В. Шумихиным.
В матрицу одновременно набирали 36 образцов: 4 ряда по 9 образцов каждого из исследуемых материалов для каждого цикла испытаний. Об износостойкости образцов iv судили по их объемному износу (см3), отнесенному к массе пропущенной гидроабразивной смеси (т).
Полимерные композиции для футерования транспортирующих трубопроводов

На рис. 10.3 приведена полученная в результате испытаний зависимость величины износостойкости испытанных полимерных материалов от содержания твердого в гидросмеси. Из графиков следует, что для всех материалов наблюдается единая закономерность: с увеличением твердого в гидросмеси износостойкость повышается, что, по-видимому, объясняется быстрой потерей режущих качеств абразива при их высокой концентрации в результате взаимной обивки.
Изучение зависимости износа материалов футеровки от абсолютного размера твердых частиц (T) при отношении T:Ж=1:2 (рис. 10.4) показало, что с увеличением размера частиц интенсивность износа возрастает, причем для полиамида-66 и ДАК-42 особенно резко. При увеличении размеров твердого выше 10 мм для некоторых материалов (резина, полиуретан «Десмопан») износ возрастает несущественно.
Различия в закономерностях износа объясняются структурными особенностями испытанных материалов. Полиамид-66, ДАК-42 и ПЭНД являются термопластами, имеющими развитые надмолекулярные структуры, сравнительно быстро теряющие энергию при воздействии более тяжелых масс аоразивных частиц (рис. 10.4, кривые 2, 1, 3). Полиуретаны и резина (рис. 10.4, 6, 5) относятся к классу эластомеров, имеющих аморфные сетчатые структуры, переплетенные поперечными связями, что позволяет им накапливать большую внутреннюю энергию до начала разрушения.
Проведенные исследования показали, что такие полимерные материалы, как полиэтилен, полиуретаны и некоторые типы резин, по износостойкости превышают углеродистые стали. Их целесообразно применять для гидрозакладочных и других транспортных трубопроводов в качестве футеровки стальных труб. Более высокая износостойкость футерованных такими материалами труб по сравнению со стальными подтверждена опытом работы гидротранспортных трубопроводов на разрезе «Коркинский» ПО «Челябинскуголь».
Испытания материалов на псевмостенде

Подбор футеровочных материалов, способных противостоять абразивному износу частицами измельченных кусков породы в процессе их транспортировки по пневмопроводу закладочного оборудования угольных шахт, целесообразно осуществлять на стенде.
На рис. 10.5 показана схема такого стенда для испытания образцов полимерных материалов на износостойкость в режиме работы трубопровода для транспортировки сыпучих материалов в потоке воздуха.
Стенд состоит из трубопровода 5 диаметром 50 мм, длиной 30 м, питателя 4, в котором сыпучий абразивный материал смешивается с потоком воздуха, поступающего по пневмопроводу 2 от компрессора 1. В линии воздухопровода установлена замерная станция 3 для измерения расхода сжатого воздуха. Отработанная аэросмесь поступает в бункер 7.
Полимерные композиции для футерования транспортирующих трубопроводов

Испытываемые образцы полимерных материалов в виде отрезков трубчатой формы 6 вставляются в водухопровод 5 в виде последовательного соединения, что обеспечивает их работу в одинаковом режиме и позволяет дать достаточно точную сравнительную оценку износа. Для устойчивости работы соединения экспериментальные образцы заключены в металлическую быстроразъемную оправу. Испытания проведены Е. В. Шумихиным.
В качестве критерия оценки износа материалов принят коэффициент относительной износостойкости ki — величина, показывающая, во сколько раз износ полимерного материала больше или меньше износостойкости эталонного (стального) образца:
ki = AMэγэ/ΔMпγп,

где AMэ и AMп — массы, потерянные эталонным и полимерным образцами в результате износа, мг; γэ, γп — удельный вес (плотность) соответствующих образцов, кг/м3.
В качестве абразива при испытаниях применялись материалы, реально используемые для заполнения выработанного пространства на шахтах: аргиллит, скатанный гравий, горельник. Окончательным испытаниям на стенде подвергались материалы, показавшие хорошие предварительные результаты на машине трения МИ-2: протекторные резины 4РМ-623, 4РМ-607, опытная резина ДМ Днепропетровского шинного завода, серийная резина 002166, полиуретан «Десмопан». В качестве эталона принята сталь 45.
В процессе испытаний исследовано влияние на износ материалов скорости транспортирования частиц породы и крупности их фракций. Влияние размеров (d) транспортируемых частиц гравия на износ (iv) испытанных материалов показано на рис. 10.6, а. При увеличении размеров частиц от 3 до 12 мм увеличение износа происходит почти линейно; при размерах 12—16 мм для резин ДМ, 002166 и полиуретана «Десмопан» интенсивность износа снижается. Можно полагать, что, несмотря на возрастание массы частиц, их кинетическая энергия уменьшается в связи с падением скорости перемещения, и этой энергии становится недостаточно для дальнейшего разрушения упомянутых материалов. Для других полимерных материалов такое насыщение происходит при более высоких фракциях частиц.
Такое положение соответствует представлениям о наличии для каждого материала некоторой «критической» крупности абразива при его гидротранспорте, которая определяется формулой
dKS, = 0.32D/ (I —s) а,

где D — диаметр трубопровода, мм; s— концентрация породы в жидкости, %; а — коэффициент относительной плотности: а = (γт - γж)/γж.
Установленная при испытаниях зависимость износа iv полимерных материалов от скорости потока (о) показана на рис. 10.6, б. Из графика видно, что для всех видов испытанных материалов в диапазоне скоростей потока v = 7/30 м/с нарастание износа почти пропорционально скорости, а затем износ возрастает более интенсивно.
Это согласовывается с положением работы о наличии для каждого типа каучука критической скорости, при которой интенсивность разрушения материала возрастает. Определяющее это разрушение амплитудное значение напряжения в зоне ударного контакта равно
σа = Км(vа/ап)2/5,

где Км — константа изнашиваемого материала; vа — скорость частицы при встрече с поверхностью, м/с; ап — скорость распространения продольных волн в эластомере, м/с.
Скорость ап обусловлена релаксационными процессами, которые проявляются при взаимодействии твердых частиц с поверхностью материала. Выбор эластичных материалов при высоких скоростях взаимодействия рекомендуется производить с учетом критерия Маха
M = va/aп ≤ 1.

Из графиков рис. 10.6, а, б видно, что наиболее износостойким из исследованных полимерных материалов является полиуретан «Десмопан», за ним следуют резины ДМ и 002166.
Бипластмассовые трубы

Помимо быстрого износа футеровок, существенным недостатком труб как для гидро-, так и для пневмотранспортировки является их большой вес, что повышает трудозатраты и ухудшает условия работы обслуживающего персонала при их переносе, монтаже и демонтаже в стесненных условиях подземных горных выработок. Для устранения этих недостатков в ИГД им. А.А. Скочинского разработана конструкция бипластмассовой трубы (рис. 10.7), корпус которой представляет собой высокопрочную стеклопластиковую оболочку 1, а внутренняя поверхность (футеровка) 2 — трубу из резины или другого износостойкого полимерного материала (эластомера). Узел стыковки труб (фланец), часто подвергающийся ударам, целесообразно выполнять из отрезка стальной трубы 3.
Как показали опыты, бипластмассовая труба в 3—5 раз легче стальной.
Полимерные композиции для футерования транспортирующих трубопроводов

Опытные образцы бипластмассовых труб для гидрозакладки изготавливались следующим технологическим приемом. Внутренняя труба прессовалась из резины в режиме: температура вулканизации tв = 153±2°С; давление 10 МПа, время вулканизации 40—60° С в зависимости от марки резины. Учитывая, что нижняя поверхность футеровки изнашивается сильнее, чем верхняя, рекомендуется изготавливать ее неравномерной толщины — эксцентричной в сечении (рис. 10.7, сечение А—А).
На подготовленную футеровку 2 надеваются металлические фланцы 3. Стенки фланца и резиновой трубы склеиваются клеем «Лейконат». Футеровка отбортовывается на фланце. Собранная с фланцами резиновая заготовка обматывается далее стекложгутом РБН-13-12-52-4п (ровинг бесщелочной намоточный с зама-сливателем) 1, пропитанным, связующим на основе полиэфирной смолы ПН-609-21М. Нити ровинга укладываются в кольцевом и радиальном направлениях. Опыт показал, что для удовлетворения техническим требованиям намотку силовой оболочки достаточно ограничить толщиной стенки δ≤3 мм.
Опытные образцы бипластмассовых труб, испытанные в процессах гидрозакладки на шахте «Красный Октябрь» в Донбассе, показали их высокие эксплуатационные качества и износостойкость.