Текст книги "Перспективные разработки для гидромеханизаторов. Технические опытные разработки, выполненные в тресте «Энергогидромеханизация»"

Перспективные разработки для гидромеханизаторов
Технические опытные разработки, выполненные в тресте «Энергогидромеханизация»
Николай Кожевников

© Николай Кожевников, 2016

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Н.Н.Кожевников, инженер, ветеран треста «Энергогидромеханизация»

1. Введение

С 1979 по 1992 годы я работал в аппарате треста «Энергогидромеханизация» Минэнерго в должности начальника лаборатории и отдела новой техники.

За эти годы совместной работы с инженерами проектной конторы треста «Гидромехпроект», другими институтами и заводами, в том числе с заводом «Промгидромеханизация», удалось создать не мало новых полезных технологий и устройств гидромеханизации.

Ряд удачных разработок, созданных еще до моей работы в этой области, а также и с моим участием, нашли широкое использование в производственных подразделениях треста и позволили существенно повысить производительность труда и снизить затраты. Эти технологии и устройства рекомендованы к использованию для всех организаций гидромеханизации России в опубликованной статье «Технические достижения треста „Энергогидромеханизация“» журнала «Гидротехническое строительство» №5 за 2015 г., а также в аналогичной электронной книге.

Но в эту статью не включены опытные разработки прошедшие успешные приемочные испытания на производстве, но не нашедшие широкого использования по разным причинам.

Ряд разработок, проверенных в лабораторных исследованиях и подтвердивших перспективность, но требующих дальнейших исследований и конструкторских доработок, полезно сохранить хотя бы в краткой публикации для продолжения дальнейшей работы. В настоящее время большинство отчетов о таких работах не сохранилось.

В статье отражен также и мой производственный опыт, полученный за многие годы работы непосредственно на объектах строительства.

По существу эта статья является продолжением книги о технических достижениях треста, и может быть полезной для развития гидромеханизации в будущие после кризисные годы России.

2. Проблемные технологии гидромеханизации

2.1 Возведение обвалования на картах намыва

Одной из насущных проблем, сдерживающих бесперебойную работу комплекса, является устройство обвалования в процессе намыва сооружения.

Во всяком случае, для беспрерывной работы комплекса необходимо иметь две карты намыва на один земснаряд или забойную установку. На одной карте ведется намыв грунта, на другой ведутся подготовительные работы, в основном формирование валика обвалования карты из намыто грунта.

Если на Волгострое и намыве плотины Цимлянской ГЭС возведение обвалования выполнялось вручную с помощью лопаты, то с 1953 г. при переходе на безэстакадный намыв обвалование возводилось, как правило, с помощь бульдозера на тракторе С-80 – С-100. При интенсивном намыве мощными земснарядами и недостаточном количества бульдозеров, возведение обвалования сдерживало работу комплекса.

Профессор Н. Д. Холин на Куйбышевгидрострое проводил опытные работы возведения обвалования с помощью наклонного ножа бульдозера на тракторе С-100. При этом ставилась задача получить валик грунта на высоту до 80 см за одну проходку трактора в контуре карты. Но мощности трактора не хватало, валик обвалования получался не выше 30 см, что было явно недостаточно для ведения намыва.

На этом же объекте по предложению инж. Гончарова был испытан прицепной отвал, перемещаемый вдоль контура карты прицепом из трех тракторов С-100. Валик грунта достигал при этом высоты до одного метра, но последовательный прицеп тракторов разжижал вибрацией свежий намытый водонасыщенный песок и тракторы вязли.

Кроме этого, намытый грунт карты не представлял ровной поверхности, были и пониженные ямки, которые трактор преодолеть не мог. По этой же причине ранее испытанные навесные устройства с черпаковой цепью, срезающие грунт с внешней стороны откоса карты и перемещающие грунт в валик обвалования, тоже не могли преодолеть пониженные ямки поверхности карты.

Случайной и удачной находкой для быстрого возведения обвалования оказался маневренный и быстроходный бульдозер ДЭТ-250, применяемый в инженерных военных подразделениях.

Впервые эта машина была применена на намыве узкопрофильной плотины Рижской ГЭС, с устройством обвалования там не было задержек в работе комплекса.

Можно сделать вывод, что мощности в 250 л.с. достаточно для быстрого возведения валика обвалования карты намыва. При этом эта машина быстроходна и может обслуживать несколько карт намыва.

На сегодня дизель электрический бульдозер ДЭТ-250, или его современный аналог, можно рекомендовать как простое оптимальное решение для обвалования карты намыва.

По предложению Б. М. Шкундина (А.С. №1366588) были проведены натурные испытания ограждающих секционных переносных щитов из нетканого фильтрующего материала взамен земляных дамбочек обвалования карты. Легкие щиты при испытаниях падали при подаче пульпы и её напоре на щит.

По предложения автора статьи были проведены натурные испытания инвентарных металлических секционных тяжелых щитов ограждения, монтируемых с помощью гусеничного крана, используемым при намыве

(А.С. №1666625 А1). Своё назначение щиты выполняли, но обладали высокой металлоёмкостью, поэтому производственные испытания щитов прекратились.

2.2. Оптимизация гидротранспорта грунта

Под этим выражением следует понимать минимум энергозатрат на перемещение одного кубометра грунта на расстояние одного километра по горизонтали. В свою очередь эергозатраты свяэаны с удельными потерями напора и концентрацией пульпы.

Натурных исследований в этой области почти не проводилось. Существующие инструкции по расчету потерь напора при гидротранспорте грунта основаны на исследованиях моделей в трубопроводах Д = 50 – 100 мм. Пересчета потерь напора с модели на трубопроводы Д = 200 – 1000 мм не существуют.

Поэтому все существующие расчеты потерь напора по этим инструкциям – относительны с вероятностью не более 70% от натуры. В моей практике неоднократно приходилось останавливать бустерные станции с грунтовыми насосами, построенные по расчету, ввиду перегрузки электродвигателей.

Если просчитать только затраты энергии на гидротраспорт грунта и сопоставить их с автотраспортом, а тем более с железнодорожным транспортом, то такое сравнение будет в предпочтении последних способов. При проектировании стационарного трубопроводного транспорта твердого материала на большое расстояние необходимо выполнение натурных экспериментов по определению потерь напора.

Многие специалисты, основатели гидромеханизации —

Н. Д. Холин, Б. М. Шкундин, А. П. Юфин., считают, что экономичный режим гидротранспорта возникает в конкретном случае при частично заиленном режиме пульпопровода, с высотой осадка до 10% от его диаметра. Лабораторными исследованиями института ВЗИСИ это положение было подтверждено.

Реально на всех земснарядах России установлено только два измерительных прибора – вакуумметр на входе в грунтовый насос и амперметр тока электропривода насоса. Отечественные разработки приборов измерения давления в пульпопроводе, консистометра, расходомера, были неудачными, а комплекс иностранных приборов дорогим и ненадежным. Измерителя слоя осадка в пульпопроводе не было разработано вообще.

Багермейстер, управляющий грунтозабором земснаряда, руководствуется только своим опытом и показаниями амперметра. При высокой консистенции пульпы начинается падение мощности привода и показаний амперметра, но багермейстер может не уловить этот момент, и при дальнейшем падении нагрузки переходить к режиму прокачки воды, т.е. к смыву слоя осадка грунта, который может продолжаться от 0.5 до 2 часов.

По моему заданию работники электролаборатории завода «Промгидромеханизация» инженеры Г. С. Сперанский и В.И.Киселев начали разработку кондуктометрического консистометра, основанного на сопоставлении проводимости забортной воды и пульпы на электрическом мосте, в том числе и достижению заданной высоты слоя осадка по его проводимости.

Датчиками служили врезанные в пульпопровод изолированные от массы электроды. Основанием для разработки такого прибора служило многократное отличие проводимости песка и воды.

Талантливыми разработчиками удалось создать простой консистометр и фиксированный датчик измерения слоя заиления, названного СОРГГ (сигнализатор оптимального режима гидротранспорта грунта) с выводом показаний на электронное табло пульта управления земснарядом.

Прибор был испытан на песчаных грунтах на многих земснарядах треста с отличными результатами, сбой показателей произошел только на земснаряде в Санкт-Петербурге, работавшим в Финском заливе на морской воде, при этом не была проведена калибровка прибора.

Прибор демонстрировался на ВДНХ и был удостоен золотой медали и защищен авторскими свидетельствами (А.с. 1416618 СССР и А.с. 1409731).

Неудачные попытки создания аналога были предприняты в тресте «Трансгидромеханизация» из-за конструктивных недоработок и попытки совмещения недоработанного прибора с автоматикой управления грунтозабором.

Подробнее прибор СОРГГ описан в статье в журнале «Гидротехническое строительство» [1].

Грамотный инженер электронщик способен воссоздать работоспособную конструкцию прибора СОРГГ, и я рекомендую возобновить эту удачную разработку для оснащения земснаряда и помощи багермейстеру в поддержании оптимального режима грунтозабора и гидротранспорта.

Принцип приборов консистометра и обнаружения заиления, построенного на сопоставлении электропроводности песка и воды, безусловно, правильный и практически многократно подтвержден.

Конечно, обнаружение начала заиления и определения консистенции в пульпопроводе можно выполнить и на другой основе, например с использованием ультразвука.

2.3. О возможности зимней работы земснарядов

Понятие зимней работы земснарядов связано с расположения объекта работ. В основном работы гидромеханизации выполнялись в умеренном континентальном поясе.

Но сегодня в больших объемах работа подразделений гидромеханизации ведется для обслуживания добычи нефти и газа на территории Западной Сибири, отнесенной к субарктическому и даже арктическому поясу, где зимний период с устойчивой отрицательной температурой воздуха до -10 ⁰ начинается с сентября месяца, а освобождение водоемов от ледяного покрова происходит в мае. В зимний период температура воздуха в этих районах может доходить до – 50 ^0, при которой работа гидромеханизации невозможна.

В этом регионе для обеспечения добычи нефти земснаряды добывают песок сегодня даже в арктической зоне на полуострове Ямал. Работа земснарядов производится в течение трех летних месяцев, и это экономически оправдано по сравнению с завозом песка в этот бездорожный район. Поэтому продление сезона работы земснарядов в этом регионе является актуальной задачей.

Но, оказывается, бывают и исключения. Мне на отзыв в 2000 г. прислали статью о круглогодичной устойчивой работе земснарядов на вторичной переработке хвостов на Норильском металлургическом комбинате. Я не поверил, и запросил авторов статьи официального подтверждения, которое вскоре получил. Оказалось, что в акваторию работы земснарядов сбрасывается теплая вода с сортировочной фабрики комбината, а работа земснарядов происходит по разработанной технологии с регулированием горизонта воды в забое. Приведенный случай, конечно, является редким исключением.

В этой статье я базируюсь только на собственном опыте зимней работы земснарядов на строительстве Куйбышевской ГЭС, где в зимнее время за период строительства было выполнено около 20 млн. м ³ или 20% общего объема работ. Из этого объема в наиболее суровую зиму 1955/56 г. при морозах до минус 40 ⁰ С было выполнено более 7 млн. м ³ земляных работ с моим непосредственным участием [2]. При этом намывались ответственные гидротехнические сооружения, не допускающие замерзания грунта и погребения льда в сооружении.

Препятствиями производства работ в зимний период являются три фактора: 1 – покров акватории забоя льдом, что препятствует перемещению земснаряда для разработки грунта; 2 – замерзание воды в пульпопроводе при остановке работы земснаряда;

3 – замерзание намытого грунта на карте и погребение льда в сооружение.

Первостепенным значением для сокращения влияния этих факторов является бесперебойная работа самого земснаряда или сведения к минимуму неизбежные его остановки для профилактики или ремонта.

Для борьбы с замерзания рабочей зоны акватории на Куйбышевгидрострое сначала уставили по контуру корпуса земснаряда водовод с насадками и подачей воды от штатного насоса 8-НДв (Q = 500 м ³ /ч, H = 80 м, N = 200 кВт). Многоструйная подача воды по борту корпуса привела не только к размыву льда, но способствовало его наращиванию.

В мастерских Куйбышевского СУ по проекту ПКК МВД конторы «Гидромеханизация» были изготовлены навесные на борт земснаряда осевые насосы мощностью N = 10 кВт с соплом. Их навешивали по 4 агрегата на каждый борт земснаряда. Струя из сопла была маломощная и размыв льда не получали.

Инженеры поняли, что для размыва и поддержания водной акватории требуется сосредоточенная струя большой мощности.

Для этого в акваторию рабочей зоны земснаряда стали размещать плавучую бустерную станцию с грунтовым насосом

20Р-11м (Q = 4000 м ³ /ч, H = 60 м, N =1200 кВт). Это мероприятие оказалось эффективным, струя из насадки поддерживала водную акваторию ото льда, факел растекания струи доходил до 100 м при ширине до 50 м. Так же использовали резервный земснаряд типа 300—40 при отсутствии бустера. Мероприятие дорогое, но эффективное.

Впоследствии на заводе «Промгидромеханизация» стали выпускать плавучие установки с осевым насосом мощностью N = 40 кВт. Четыре таких агрегата при их перемещении около земснаряда поддерживали водную акваторию.

Корме этого к земснаряду прикреплялась бригада из 10 – 15 человек для ручной колки льда у земснаряда и плавучего пульпопровода.

Предотвращение замерзания воды в пульпопроводе при остановке земснаряда было другой сложной проблемой зимней работы.

В начале, согласно местной инструкции, сливали воду из пульпопровода Д = 600 мм при каждой остановке работы земснаряда через установленные в пониженных местах шиберные выпуски. При горизонтальном участке пульпопровода вода сливалась не полностью, по внутренней поверхности трубы образовывался слой льда толщиной до 5 – 2 мм. При следующем пуске земснаряда и не продолжительной подачи пульпы эта корка льда оставалась, а при сливе воды наращивалась. Таким образом, через 10 -15 остановок земснаряда и сливе воды происходило полное заполнение сечения трубы льдом. При разрезе трубы было четко видно древовидную структуру замерзания воды.

Так в 1952 г. было «заморожено» два пульпопровода

Д = 600 мм, проложенные по льду Волги для намыва перемычки котлована ГЭС. Мероприятия по разогреву пульпопроводов были безуспешными, пришлось аварийно прокладывать новые пульпопроводы.

В 1956 г. было «заморожено» пять пульпопроводов Д = 800 – 1000 мм от земснарядов 1000—80, каждый протяженностью до 3 км. Намыв русловой плотины до необходимой отметки набора водохранилища для пуска агрегата ГЭС – прекратился. Узкую защитную дамбу отсыпали зимой сухим способом.

Освобождение пульпопроводов от льда выполнялось только при их демонтаже, никакие мероприятия, включая индукционный или огневой способы разогрева льда в трубах были неэффективными.

При назначении меня в 1955 г. главным инженером участка намыва примыканий к водосливной плотине, прежде всего я запретил сливать воду из пульпопровода Д = 800 – 600 мм при остановке земснаряда менее суток и температуре наружного воздуха минус 30 ⁰ С. При более длительной остановке воду из пульпопровода сливали только под моей личной проверкой, в том числе и ночью. Проверку полного опорожнения труб от воды я не доверял никому. При обнаружении не полного слива воды в пониженных местах и отсутствии выпуска, вызывал бульдозер и разрывал трубопровод. Этим удалось сохранить пульпопроводы в рабочем состоянии всю зиму 1955 – 56 г.

Следующей задачей было обеспечение по возможности бесперебойного намыва карты намыва и обеспечение этим исключения замерзания намываемого грунта и замыва льда в прудке карты. Качество намыва было под постоянным наблюдением технической инспекции.

Бесперебойный намыв карты обеспечивался подключением второго земснаряда, который находился в «горячем» резерве.

Ремонт грунтового насоса на земснаряде выполнялся полной его заменой новым в течении 2-х часов. Этими мероприятиями удалось выполнить качественную укладку грунта в ответственное сооружение.

Одним из главных условий зимней работы комплекса является высокая дисциплина и понимание ответственности всего коллектива, когда ошибка или небрежность одного работника может привести к срыву работоспособности всего комплекса.

Как видно из перечисленных мероприятий, работа комплекса зимой требует высоких затрат и необходима только в экстремальных случаях, которые были при строительстве Куйбышевской ГЭС.

2.4. Экологические проблемы гидромеханизации

Принято считать, что гидромеханизация является более экологически «чистым» способом земляных работ в сравнении с другими способами, в которых обычно включен транспорт грунта с помощью автосамосвалов. Гидротранспорт грунта и электропривод земснарядов действительно минимально нарушают природу.

Однако это не означает, что у гидромеханизаторов нет проблем в этой области, и они весьма серьезные. Перечислю наиболее существенные:

1. При отводе «осветленной» воды с карты намыва в ней неизбежно в большей или меньшей степени содержатся микрочастицы глинистого грунта. При разработке песчаных грунтов сброс этих частиц может быть в размере 3 – 5% от объема разработки, при илистых и глинистых грунтах он может доходить до 10% и более.

Обычно сбросные воды поступают в конечном результате в реку или акваторию, откуда вода забиралась для гидротранспорта, и загрязняют водоем, заиливая его.

Используемые для вторичного осветления сбросных вод промежуточные отстойники могут иметь большую площадь и не везде их можно разместить и не всегда эти отстойники могут быть эффективными.

Теоретически разработанные средства увеличения осаждения частиц грунта на карте намыва с помощью акриламида и электрофореза пока не вышли из стадии экспериментов, и они не могут обеспечить 100% очистки сбросных вод.

Эта проблема может решаться в отдельных случаях устройством изолированного от внешнего водоема или реки карьера, в котором сбросная с карты намыва вода поступает обратно в карьер. Но такие карьеры не везде можно организовать, а при речном карьере сбросные воды неизбежно должны поступать обратно в реку.

В настоящее время проблема полного осветления сбросных вод пока не достижима, НИР и ОКР в этой области необходимо продолжать.

2. Другой проблемой является не полная отработка промышленных запасов песчаных и гравийных карьеров по глубине. На сегодня эта проблема до глубины в 30 м решаема применением на земснарядах погружных грунтовых насосов [3].

3. Третья проблема относиться к исполнению закона о доработки откосов карьера и использованию его для целей благоустройства или промышленному выращиванию рыбы. Организации гидромеханизации обычно являются подрядчиками, и после выполнения работ и её ухода выработанный карьер остается в опасном для жизни людей состоянии. Карьер через несколько лет вообще становится бесхозным, в котором тонут купающиеся.

В России, в том числе в Московской и Санкт-Петербургской области, осталось много не закрытых благоустройством карьеров. Эта проблема, видимо, должна решаться ужесточением законодательных мер и контролем за их исполнением.

2.5. Грунты карьеров, не рекомендуемые для разработки способом гидромеханизации

В зоне последнего оледенения Земли часто встречаются мореные грунты, сложенные пластичной глиной с большим включением мелких и крупных валунов и гальки. Эти включения забивают каналы грунтового насоса, а пластичная глина обволакивает фрезу земснаряда. При гидромониторно-землесосном способе работ глина вымывается, а валуны и галька выстилают зону забоя и размыв грунта прекращается.

При наличии таких грунтов применение гидромеханизации не эффективно и такие грунты, при необходимости, например, при выемки канала или углубления водозабора, должны разрабатываться землечерпалками или плавучими штанговыми экскаваторами.

Применение гидромеханизации на разработке таких грунтов приводит к прекращению работ на объекте. Я был участником применения специально построенных самых крупных в мире земснарядов 1000—80 с фрезерным рыхлителем мощностью 400 кВт для выемки котлована гидростанции Куйбышевской ГЭС. Но даже такие мощные земснаряды не могли разрабатывать мореные грунты. Попытка применения гидромониторной разработки тоже была неудачной. Котлован станции был отрыт мощными экскаваторами с ёмкостью ковша 3 м³ при работе на металлических сланях.

Аналогичная ошибка применения гидромеханизации привела к прекращению работ гидромеханизации на вскрыше Северо-онежского бокситового рудника, пришлось переходить на экскаваторный способ выемки грунтов.