УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ИЛА
SLUDGE REMOVAL DEVICE

Предпосылки изобретения
Настоящее изобретение относится к удалению ила из подводных отложений.
Ил может со временем накапливаться на дне искусственных хранилищ для воды, таких как резервуары или водоемы, или на дне естественных водных объектов, таких как озера и океаны. Удаление ила может быть необходимым для увеличения объема или потока воды, для удаления загрязнителей, содержащихся в иле, для сбора ила в целях его использования в качестве ресурса или по другим причинам.
Источник ила может быть естественным, например, из осадка частиц, суспендированных в воде, или может быть искусственным, например, как результат горных работ или бурения. Он может содержать частицы четко определенного размера или диапазона размеров. Размер или диапазон размеров может существенно варьировать в зависимости от различных отложений. Ил может содержать различные соотношения воды в своей структуре. Как результат характера отложения, ил может быть однородным или слоистым. Как результат физических или химических процессов, следующих за отложением, частицы могут соединяться вместе в единую массу или они могут удерживаться только благодаря силе тяжести. В целях данного раскрытия термин «ил» также следует понимать как обозначающий густые жидкости и полутвердые вещества, такие как воск, которые не находятся в виде частиц в природе, но имеют подобные свойства и, в частности, склонны к ожижению под воздействием воды под давлением.
Одним примером ила, который требует удаления, является скопление на дне водоемов, в которых хранятся ядерные отходы. Водоемы являются искусственно созданными, так что можно предположить, что дно является плоским и ровным, но нельзя исключать и наличие больших предметов, попавших в водоемы. Поскольку такой ил радиоактивен, требуется эффективный сбор и осторожная утилизация, и это должно происходить удаленно, в присутствии человека-оператора. Такой ил имеет тенденцию к медленному накоплению в течение длительного промежутка времени, и поэтому является слоистым и может быть относительно прочно соединенным. Предыдущие попытки удалить ил в такой ситуации имели неудовлетворительный коэффициент сбора, составляющий менее 15%.
Другим примером ила, который необходимо удалить, является скопление на морском дне вокруг нефтяных или газовых скважин, полученное в результате проливания материалов во время процессов бурения и выемки. Ил в этой ситуации имеет тенденцию быть рыхлым, но плохо структурированным, и при этом он может образовывать глубокие отложения. Естественное морское дно, на котором залегает отложение, может быть неровным и его контуры вероятно будут неизвестны.
Сущность настоящего изобретения
В настоящем изобретении предложено устройство для удаления ила из подводных отложений, как обозначено в пункте 1 формулы изобретения.
В настоящем изобретении также предложен способ удаления ила из подводных отложений, как обозначено в пункте 18 формулы изобретения.
Предпочтительные, но не основополагающие, признаки настоящего изобретения обозначены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В настоящем изобретении используется лезвие для предварительного врезания в ил, затем струи воды воздействуют на поверхность лезвия для ожижения ила и его перемещения в направлении задней части сборочной камеры. Поскольку ил не ожижается пока не попадет внутрь камеры, ожиженный ил эффективно удерживается и можно достигнуть очень высокого коэффициента сбора.
Графические материалы
На фиг. 1 представлен вид сверху устройства для удаления ила согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 представлен вид спереди варианта устройства по фиг. 1.
На фиг. 3 представлен продольное сечение по линии A-A устройства по фиг. 2.
На фиг. 4 представлен увеличенный вид части фиг. 3.
На фиг. 5 представлен вид сбоку устройства для удаления ила согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 6 представлен разрез по линии B-B устройства по фиг. 5.
На фиг. 1–4 изображен первый вариант осуществления настоящего изобретения, который представляет собой устройство для удаления слоистого ила с плоского дна искусственного хранилища, такого как водоем для хранения ядерных отходов. Устройство содержит корпус 2, который определяет направление вперед (обозначенное стрелкой 3) и противоположное направление назад. В этом варианте осуществления направления вперед и назад являются горизонтальными, параллельными дну водоема (не показан).
Фиг. 1 отличается от фиг. 2–4 тем, что на ней представлено большое количество режущих дисков 4 и струй 14, 16. Эти отличия не влияют на принцип работы устройства и фиг. 1–4 будут описаны, как один вариант осуществления настоящего изобретения.
Работа этого варианта осуществления устройства сначала будет описана в общих чертах. Поскольку устройство перемещается вперед по поверхности ила, поперечный ряд режущих дисков 4 спереди устройства вертикально врезается в поверхность ила. Поперечное режущее лезвие 5 выступает из нижней части корпуса 2 таким образом, что по мере перемещения устройства вперед, режущая кромка 7 лезвия 5 горизонтально врезается в поверхность ила для отделения слоя ила и направления его во внутреннюю часть корпуса 2.
Впускной патрубок 6 подает воду под высоким давлением от внешнего источника на трубу 8, которая проходит в поперечном направлении вдоль устройства рядом с режущим лезвием 5. Первый набор сопел 10 расположен вдоль трубы для направления первого ряда струй 14 воды под давлением в направлении назад на поверхность лезвия 5. Первые струи 14 ожижают собираемый ил и переносят его в направлении задней части корпуса. Второй набор сопел 12 расположен вдоль трубы для направления второго ряда струй 16 воды под давлением назад в направлении к верхней части корпуса 2. Вторые струи 16 способствуют перемещению ожиженного ила в направлении задней части корпуса 2. Струйный насос 18 извлекает воду и ожиженный ил из задней части корпуса 2 и подает их на выпускной патрубок 20 для последующей обработки за пределами устройства.
Корпус 2 обеспечивает структурную поддержку для всех других компонентов. Передняя стенка 22, верхняя и нижняя стенки 23, 24, а также боковые стенки 25, 26 образуют сборочную камеру 28. Сборочная камера 28 сужается в направлении к порту 30 в задней части корпуса 2. В изображенном варианте осуществления, как верхняя и нижняя стенки 23, 24, так и левая и правая боковые стенки 25, 26 сходятся в направлении порта 30, но не обязательно, чтобы они все так делали. Корпус, как правило, выполнен из металлических листов, но для конкретных применений выбор материалов может зависеть от свойств ила, например, от его pH или его радиоактивности.
Режущее лезвие 5 выступает под небольшим углом (например, 10°) из отверстия в нижней стенке 24 корпуса 2. Предпочтительно режущее лезвие 5 является отдельным компонентом, установленным на корпусе, что позволяет изготавливать его из другого износостойкого материала. При износе лезвия 5 его можно заменить. Альтернативно лезвие 5 может быть образовано из загнутой вниз части нижней стенки 24 корпуса. Режущая кромка 7 лезвия 5 предпочтительно является прямой, но также оно может представлять собой изогнутое лезвие. Треугольная выемка между лезвием 5 и основной плоскостью нижней стенки 24 корпуса может быть закрыта с каждой стороны треугольными боковыми стенками (не показаны) для предотвращения утечки ожиженного ила, прежде чем он попадет в камеру 28.
Ряд режущих дисков 4 расположен вдоль поперечной горизонтальной оси спереди корпуса 2, так что каждый диск 4 по существу находится в вертикальной плоскости. Диски 4 могут быть установлены на общей оси или каждый диск 4 может быть установлен так, чтобы он мог вращаться независимо. Режущие диски 4 могут приводиться во вращение посредством поворота оси или они могут вращаться пассивно в ответ на перемещение устройства вперед по поверхности ила. Режущие диски 4 содержат лезвия на своем внешнем крае, который может быть непрерывным или разделенным на части в виде зубцов. Действие режущих дисков 4 заключается в разрезании верхнего слоя ила на продольные полоски прежде, чем они будут подняты горизонтальным режущим лезвием 5 устройства. Поэтому нижний край режущих дисков 4 должен выступать по меньшей мере на столько же, на сколько выступает режущее лезвие 5 ниже плоскости нижней стенки 24 корпуса 2. Расстояние между дисками 4 частично определяет размер кусков ила, который поднимается лезвием 5 и ожижается струями 14. Следовательно расстояние должно быть меньше в случае более плотных, более твердых отложений ила.
Может быть предоставлена решетка (не показана) с подходящими промежутками для предотвращения попадания объектов больше определенного размера в сборочную камеру 28 через отверстие над лезвием 5, включая твердые предметы, которые могли упасть в водоем и способные противодействовать разрезанию дисками 4.
Труба 8 проходит по ширине корпуса, следуя по линии лезвия 5. Первый набор сопел 10 расположен вдоль трубы 8 для направления струй 14 воды под давлением из трубы через сборочную камеру 28 для воздействия на поверхность 32 лезвия 5, которая обращена во внутреннюю часть корпуса 2. Каждое сопло 10 выполнено в виде щели, так что струя является веерообразной и обладает сечением со значительно большим размером в направлении, параллельном режущей кромке 7 лезвия 5, по сравнению с ее размером в перпендикулярном направлении. Расхождение веерообразной струи 14 от сопла 10, как правило, составляет более 30°, но оно может быть и меньше, если соседние сопла находятся ближе друг к другу. Струи 14 должны покрывать поверхность 32 режущего лезвия 5 по непрерывной линии без промежутков между ними. Как видно на фиг. 4, линия струй 14 предпочтительно попадает на поверхность 32 лезвия 5 ближе к его кончику, например, в пределах 10 мм от края 7.
Струи 14 попадают на поверхность 32 лезвия с таким углом падения, который обеспечивает составляющую движения в направлении назад относительно поверхности. Угол падения может выбран таким образом, чтобы соответствовать характеру ила, который подлежит ожижению и отведению посредством струй. В случае прочно соединенного ила для обеспечения лучшего ожижения может потребоваться более крутой угол падения, приближающийся к перпендикуляру относительно поверхности 32. В случае рыхлого ила, акцент может быть сделан на смывании ила в направлении задней части камеры 28, так что более эффективным может быть более пологий угол падения. На фиг. 4 угол составляет 130°, попадая в типичный диапазон 115°–135°. Любой угол менее 95° вряд ли обеспечивает достаточную движущую силу для перемещения ожиженного ила в заднюю часть камеры, а любой угол более 175° вряд ли обеспечивает достаточное воздействие на поверхность 32. Следует обратить внимание, что эти углы падения измеряются в промежутке между центральной линией струи 14 и поверхностью 32 лезвия, при условии, что угол 0° представляет струю, параллельную поверхности лезвия, направленную к передней части устройства, и 180° представляет струю, параллельную поверхности лезвия, направленную к задней части устройства.
Выбор давления, под которым вода подается к соплам 10, определяется главным образом степенью отвердевания ила, а также конфигурацией сопел 10 и толщиной слоя воды, через который струя 14 должна пройти от сопла до поверхности 32 лезвия. В случае рыхлого ила достаточным может быть давление в 5 бар (0,5 MПа), при этом в случае сильно отвердевшего ила может потребоваться давление, превышающее 1000 бар (100 MПа). Давление может регулироваться во время использования, чтобы приспособиться к обнаруженным условиям, с учетом основных параметров сопел 10.
Для определенных типов ила (например, воск) вода под давлением может нагреваться, чтобы способствовать процессу ожижения. Подобным образом, вода может содержать добавки или вместо воды может использоваться жидкость, такая как растворитель.
Второй набор сопел 12 расположен вдоль трубы 8 для направления струй 16 воды под давлением из трубы через сборочную камеру 28 в направлении верхней стенки 23 корпуса 2. Снова, предпочтительно, чтобы сопла 12 формировали веерообразные струи 16, которые сливаются в одну непрерывную линию. Тем не менее, не обязательно, чтобы струи 16 воздействовали на верхнюю стенку 23, поскольку в этом месте не происходит существенного ожижения ила. Вторые сопла 12 не должны иметь такую же конструкцию, как у первых сопел 10. Вторые сопла 12 могут быть обеспечены на второй трубе (не показана), которая обеспечивает независимый выбор их размещения или давление потока воды к ним. Удобнее, когда первые и вторые сопла могут быть расположены попеременно вдоль трубы 8, как показано на фиг. 2. Вторые струи 16 имеют составляющую движения в направлении назад относительно верхней стенки 23, в результате чего первые и вторые струи вместе создают поток воды и ожиженного ила в направлении порта 30 в задней части сборочной камеры 28. Два ряда веерообразных струй 14, 16 эффективно предотвращают утечку любого ожиженного ила к передней части корпуса или через отверстие в нижней стенке 24 корпуса 2.
Насос 18 присоединен между портом 30 и выпускным патрубком 8 для удаления воды и ожиженного ила из сборочной камеры 28. Насос 18 на фиг. 1 представляет собой струйный насос, приводимый в действие водой под давлением из впускного патрубка 6, которая подается через отвод 34. Альтернативно могут использоваться другие типы насосов, такие как центробежный насос или измельчающий насос. Расход на насосе должен быть регулируемым, чтобы приспосабливаться к изменяющемуся потоку струй 14, 16. Размер порта 30 и производительность насоса должны выбираться так, чтобы соответствовать самым большим кускам, которые могут попадать в сборочную камеру 28 и могут избежать процесса ожижения.
Как правило, устройство опирается нижней стенкой 24 корпуса 2 на поверхность отложений ила. Дистанционно управляемый тягач (не показан) перемещает устройство вперед по поверхности, так что верхний слой ила соскребается лезвием 5, ожижается и собирается в камере 28. Тягач может толкать или тащить устройство; толкание является предпочтительным, поскольку оно помогает врезаться лезвием 5 в ил. Было обнаружено, что эффективнее для тягача перемещать устройство за счет возвратно-поступательного движения, циклично толкая его вперед на несколько сантиметров, а затем обратно на небольшое расстояние.
Когда отложение ила будет почти полностью удалено, необходимо, чтобы режущая кромка 7 лезвия 5 не располагалась на дне водоема. Поэтому устройство снабжено передним и задним опорными колесами 36, 38, которые могут двигаться по дну. Передние колеса 36 не показаны на фиг. 3, но они вращаются вокруг оси 39. Высота оси 39 может регулироваться, чтобы обеспечить правильный зазор 40 между кончиком лезвия 5 и дном.
На фиг. 5 и 6 изображены вторые варианты осуществления настоящего изобретения, которые представляют собой устройство для удаления ила из глубоких отложений, которые могут не быть слоистыми и могут не залегать на уровне дна. Такое устройство особенно подходит для использования с рыхлым, нетвердым илом.
Устройство содержит корпус 52, который определяет направление вперед (обозначенное стрелкой 53) и противоположное направление назад. В этом варианте осуществления направления вперед и назад являются, как правило, вертикальными, устройство опускается с крана под действием собственного веса или активно проталкивается вниз в сыпучее отложение ила, однако, если устройство толкается, оно по сути может использоваться в любом направлении. Как и в случае первого варианта осуществления, для устройства может применяться возвратно-поступательное движение или, чтобы способствовать прохождению лезвий через ил, может использоваться вибрация на частотах, достигающих ультразвуковых частот.
Корпус 52 содержит сборочную камеру 54, окруженную боковыми стенками 55, 56 и концевыми стенками 57, однако открытую в направлении вперед. Сборочная камера 54 сужается к порту 58 в задней части, через которую вода и ожиженный ил могут удаляться насосом (не показан) для дальнейшей обработки за пределами устройства. Может быть предоставлена решетка (не показана) с подходящими промежутками для предотвращения попадания объектов больше определенного размера в сборочную камеру 54 через отверстие.
Центральный выступ 60 проходит через сборочную камеру 54 между концевыми стенками 57. Лезвие 62 выступает спереди от выступа 60 через отверстие сборочной камеры 54. Лезвие 62 может быть выполнено как одно целое с выступом 60 или оно может быть отдельным компонентом, установленным на выступе 60, который может быть необязательно заменен после изнашивания.
Когда устройство перемещается вперед, переднее лезвие 62 врезается в сыпучий ил, смещая его на каждую из сторон лезвия 62 и в отверстие сборочной камеры 54. Передние края боковых стенок 55, 56 служат в качестве режущих лезвий 64, 65, которые также проникают в ил и направляют его части в камеру 54. Если ил достаточно рыхлый, режущие лезвия 64, 65 не должны быть особенно острыми. Как показано на фиг. 6, предпочтительно, чтобы режущие лезвия 64, 65 слегка сходились в направлении вперед, чтобы обеспечить лучшую изоляцию от нетронутого ила. Это поможет предотвратить утечку ожиженного ила, который циркулирует в сборочной камере 54.
Впускной патрубок (не показан) доставляет воду под высоким давлением от внешнего источника к трубе 66, которая проходит вдоль центрального выступа 60. Первый набор сопел 68 расположен вдоль одной стороны трубы 66 для направления первого ряда струй 69 воды под давлением на поверхность одного режущего лезвия 64 (т. е. боковой стенки 55). Второй набор сопел 70 расположен вдоль другой стороны трубы 66, чтобы направлять второй ряд струй 71 воды под давлением на поверхность противоположного режущего лезвия 65 (т. е. другой боковой стенки 56). Таким образом устройство является зеркально симметричным относительно своей центральной линии, хотя можно слегка нарушить симметрию посредством попеременного расположения первого и второго сопел 68, 70 вдоль длины трубы 8.
Как и в первом варианте осуществления, струи 69, 71 предпочтительно разбрызгиваются из сопел 68, 70 для образования непрерывной линии, по которой они воздействуют на боковые стенки 55, 56. Снова, как и в первом варианте осуществления, угол падения струй 69, 71 на боковые стенки 55, 56 может существенно варьировать, при условии, что он имеет составляющую движения в направлении назад относительно поверхности боковых стенок для того, чтобы струи, отражающиеся от боковых стенок, перемещали ожиженный ил в направлении задней части сборочной камеры 54.