ВОДОСБРОСНОЕ СООРУЖЕНИЕ НАКОПИТЕЛЯ ТВЕРДЕЮЩИХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ
SPILLWAY STRUCTURE OF ACCUMULATOR OF HARDENING INDUSTRIAL WASTES

Изобретение относится к гидротехнике и может быть применено при создании шламонакопителей, хвостохранилищ и золоотвалов для складирования отходов, способных твердеть и образовывать трещины деформации.
Известно водосбросное сооружение накопителя промышленных, в том числе твердеющих отходов, содержащее водосбросной колодец, фундаментная часть которого выполнена из бетона и сопряжена с коллектором, выполненным в виде отводящей воду стальной трубы-коллектора, снабженной снаружи защитным покрытием [1, пп.6.1-6.9].
Недостатком известного водосбросного сооружения является его недостаточная надежность в случае намыва в накопитель твердеющих отходов.
Самостоятельно твердеющие отходы, такие как кальцийсодержащие золошлаки, нефелиновые шламы глиноземного производства и другие упрочняются до удельной силы сцепления с=0,5 МПа [1, приложение 9] и образуют над отводящей трубой несущий свод. Этот свод ограничивает давление отходов на отводящую трубу практически постоянной бытовой величиной и тем самым обеспечивает допустимость увеличения высоты намыва отходов над отводящей трубой с относительно невысокой толщиной ее стенки δ. Однако при неравномерных деформациях основания и/или сотрясениях, массив отвердевших отходов может ломаться с раскрытием трещин. При образовании трещины происходит как горизонтальное, так и вертикальное смещение образующихся твердотельных блоков относительно друг друга. Поэтому отводящая труба, имеющая такую толщину стенки δ, защитное покрытие которой, например тонкий слой краски, имеет высокоэнергетическую поверхность, следовательно, и высокую удельную силу сцепления с затвердевшими отходами при пересечении трещиной может быть повреждено.
Задачей изобретения является повышение надежности водосбросного сооружения накопителя промышленных отходов, способных твердеть и образовывать трещины деформации. Технический результат изобретения заключается в уменьшении сил сцепления отводящей трубы с затвердевшими отходами и повышении способности защитного покрытия при деформации отводящей трубы освобождаться от сил сцепления с затвердевшими отходами.
р
Указанный технический результат достигается тем, что в известном водосбросном сооружении накопителя твердеющих отходов, содержащем водосбросной колодец, фундаментная часть которого сопряжена с отводящей трубой, выполненной из металла и снабженной снаружи защитным покрытием, согласно изобретению защитное покрытие отводящей трубы выполнено из полимерного материала, содержащего пластификатор в количестве, обеспечивающем получение гладкой и низкоэнергетической поверхности отводящей трубы, при этом расчетная величина касательных напряжений τ, обусловленная удельными силами сцепления затвердевших отходов с наружной поверхностью отводящей трубы и силами трения между ними, удовлетворяет условию
р
п
p
р
р
2
τ≤2σ ·δ/а·Е,
п
где σ - расчетная (допустимая) величина приращения растягивающих напряжений в стенке отводящей трубы при раскрытии в затвердевших отходах трещины, пересекающей эту трубу;
р
δ - расчетная толщина стенки отводящей трубы;
р
а - расчетная величина раскрытия трещины;
р
Е - расчетный модуль упругости материала стенки отводящей трубы при растяжении.
Дополнительно:
- защитное покрытие отводящей трубы выполнено из полиэтилена, преимущественно заводского нанесения;
- отводящая труба дополнительно покрыта рулонным материалом с консистентной смазкой в своем основании.
Пластификаторы полимеров (мягчители) имеют хорошую совместимость с полимерами, они повышают пластичность и эластичность и придают полимерным материалам различные свойства: негорючесть, свето-, термо-, морозо-, влагостойкость и другие. Одновременно с этим они обеспечивают получение гладкой и низкоэнергетической поверхности, то есть клейкость у нее - низкая. Пластификаторы способны образовывать с полимерами устойчивые композиции при введении достаточно большого их количества, иногда до 100% в расчете на массу полимера, а при получении амортизирующих материалов до 600% и более [2]. Поэтому при использовании настоящего изобретения необходимо конкретизировать для покрытия полимерный материал и наиболее подходящий, обычно сложноэфирный, пластификатор. После этого следует исследованием установить количественное соотношение полимерного материала и пластификатора, необходимого для снижения сил сцепления-трения между затвердевшими отходами и отводящей трубой до величины, ранее указанной в неравенстве.
На фиг.1 изображен накопитель твердеющих промышленных отходов с водосбросным сооружением, выполненным в виде водосбросного колодца и стальной отводящей трубы, план; на фиг.2 - деформация свода отводящей тубы, снабженной полиэтиленовым защитным покрытием при пересечении трубы трещиной, продольный разрез.
Накопитель промышленных отходов 1 создан ограждающими дамбами 2 и содержит два водосбросных сооружения, каждое из которых выполнено в виде водосбросного колодца 3 и коллектора, выполненного в виде отводящей трубы (далее: труба) 4. Фундаментная часть (на чертежах не показана) водосбросного колодца 3 сопряжена с трубой 4, которая выполнена из стали и снабжена снаружи защитным покрытием в виде слоя полиэтилена (далее: полиэтилен) 5. Этот полиэтилен 5 нанесен на наружную поверхность трубы 4 в заводских условиях и содержит в своем составе пластификатор в количестве, обеспечивающем гладкость и низкую энергию поверхности трубы 4, т.е. низкую клейкость поверхности трубы 4.
р
Особенностью отходов 1 является то, что после складирования в накопитель они способны твердеть и при деформации образовывать трещины 6, каждая из которых в затвердевшем массиве образует твердотельные блоки, например блок 1 и блок 2 (фиг.2). Особенностью же трубы 4 является то, что при выполнении ее защитного покрытия в полиэтилене увеличено, против обычного, содержание пластификатора. При этом количество пластификатора обеспечивает на трубе получение «жирной» низкоэнергетической поверхности, на которой расчетная величина касательных напряжений τ, обусловленная удельными силами сцепления затвердевших отходов с поверхностью трубы и силами трения между ними, может удовлетворить условию
р
п
p
р
р
2
τ≤2σ ·δ/а·Е,
п
где σ - расчетная (допустимая) величина приращения растягивающих напряжений в стенке трубы при раскрытии в затвердевших отходах трещины, пересекающих эту трубу;
р
δ - расчетная толщина стенки трубы;
р
а - расчетная величина раскрытия трещины;
р
Е - расчетный модуль упругости материала стенки трубы при растяжении.
На фиг.1 и 2 обозначены и другие элементы и величины, а именно:
7 - магистральный пульповод (фиг.1);
8 - распределительный пульповод;
9 - водовод системы возврата воды;
10 - отстойный пруд;
11 - стенка трубы (фиг.2);
12 - дополнительный рулонный материал;
а - величина раскрытия трещины;
в - величина взаимного смещения блоков по высоте;
δ - толщина стенки трубы;
L - участок трубы, освободившийся от сцепления с отходами.
п
Особенностью работы трубы 4 при раскрытии трещины 6 на величину «а» заключается в том, что полиэтилен 5 ограничивает сцепление отходов 1 с трубой 4 и обеспечивает низкий коэффициент трения отходов 1 по трубе 4. В результате этого труба 4 освобождается от сцепления с отходами 1 и вытягивается из отходов 1 на участке, длина L которого обеспечивает растяжение трубы 4 на величину «а» раскрытия трещины 6 при допустимом (заданном) приращении напряжения растяжения σ в трубе 4, при этом длина L»a. Величина же указанного напряжения проверяется расчетом с использованием ранее приведенной формулы, полученной Ягиным В.П. для случая расположения трубы в однородном массиве затвердевших отходов при их примыкании к ее наружной поверхности [3].
п
р
р
р
р
Пример: σ=80 МПа, δ=1,6 см, а=2 см, Е=210000 МПа. Тогда ранее указанная расчетная величина касательных напряжений τ должна быть не более 2*80*80*1,6/2*210000=0,049 МПа.
Выполнение этого условия при принятых исходных данных и при относительно невысоком, ограниченном своевременно образовавшимся из отходов сводом, бытовом давлении на трубу может быть достигнуто только за счет правильно подобранного количества в полиэтилене пластификатора. Однако при менее благоприятных условиях, например, при высоком бытовом давлении отходов на трубу, большей величине раскрытия трещины «а», меньшей толщине стенки трубы δ и других неблагоприятных факторах, выполнение указанного условия может оказаться не достаточным. В таком случае целесообразно трубу 4 дополнительно покрыть рулонным материалом 12 (на фиг.2 он изображен пунктирной линией) с консистентной смазкой в основании - полиэтиленовая пленка, пергамин, гидроизол, толь и другие подобные материалы.
р
Сам факт образования в отвердевших отходах 1 трещины 6, ее местоположения относительно трубы 4 и величина раскрытия «а» носят труднопрогнозируемый вероятностный характер, а дополнительная нагрузка на трубу, которая может возникнуть в момент раскрытия трещины 6, носит ударный характер. При этом образование освободившегося от сцепления с отходами участка L трубы 4 происходит наиболее продуктивно при работе материала (стали) стенки 11 трубы 4 за пределами упругих деформаций, т.е. в стадии пластической деформации - текучести. При достижении сталью нормальной прочности предела прочности относительное удлинение стали достигает 20% [4, стр.31, табл.1.4]. Поэтому в стадии пластической деформации стенки 11 трубы 4 уже при первых процентах ее относительного удлинения вследствие поперечной деформации происходит уменьшение толщины стенки 11 трубы 4. Это уменьшение толщины стенки 11 в условиях пластического течения происходит практически без уменьшения объема материала стенки 11, что способствует отслоению стенки 11 от отвердевших отходов 1. Это обстоятельство целесообразно учитывать при назначении расчетной величины касательных напряжений τ, например, путем принятия нашей гипотезы нулевых сил трения затвердевших отходов 1 о трубу 4 в окрестностях трещины 6, а точнее на участке L.
c
т
c
т
т
б
б
т
c
р
ср
Действительно, касательные напряжения τ обусловлены удельными силами сцепления c затвердевших отходов 1 с поверхностью трубы 4 и силами их трения c, т.е. τ=c+c и с=р*f, где р - бытовое давление свода отходов 1 на трубу 4, a f - их взаимный коэффициент трения. Принимая c=0, имеем τ=c и τ=с.
При реализации настоящего изобретения следует путем конкретного технического решения в водоводе повысить надежность сварных швов, например, путем покрытия швов слоем ячеистой пластмассы с герметически закрытыми порами. Ширина (по длине трубы) этого слоя должна быть определена расчетом, а сам слой может быть выполнен из пенополистирола, пенополиуритана, пенофенолформольдегида или другой вспененной пластмассы.
Источники информации
1. Рекомендации по проектированию золошлакоотвалов тепловых электрических станций: П 26-85 / ВНИИГ, Л., 1986.
2. В.М.Ульянов, Э.П.Рыбкин, А.Д.Гудкович, Г.А.Пишан. Поливинилхлорид. М., «Химия», 1992.
3. Заявка РФ №2009105924. Накопитель жидких отходов промышленных предприятий. / Ягин В.П., Вайкум В.А., Руднов В.М. Подана 19.02.2009.
4. Металлические конструкции. В 3 т. T.I. Общая часть. (Справочник проектировщика) / Под общ. ред. В.В.Кузнецова - М.: изд-во АСБ, 1998.