НАКОПИТЕЛЬ ЖИДКИХ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
LIQUID INDUSTRIAL WASTE STORAGE UNIT

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть применено при создании шламонакопителей, хвостохранилищ и золоотвалов для складирования отходов, способных твердеть и образовывать трещины деформации.
Известен накопитель жидких отходов промышленных предприятий, включающий земляную емкость, водосбросной колодец и замываемый отходами коллектор, выполненный из сборного или монолитного железобетона, покрытого гидроизоляцией [1]. Недостатком такого накопителя является его высокая стоимость из-за сложности выполнения коллектора из железобетона и его раструбных стыковых соединений.
Госгортехнадзор России в коллекторах, прокладываемых в намывных массивах накопителей, запретил применение труб с раструбными соединениями [2]. Однако бесраструбное стыковое соединение сложно при выполнении и недостаточно надежно при эксплуатации.
Известен накопитель жидких отходов промышленных предприятий, включающий земляную емкость, водосбросной колодец и замываемый твердеющими отходами коллектор, который выполнен из стальных труб [3, стр.55-56, п.6.1-6.7].
Самостоятельно твердеющие отходы, например, золошлаковые обладают цементирующими свойствами - I группа по классификации УралВТИ. К ним относятся золошлаковые материалы горючих сланцев, углей Канско-Ачинского бассейна и торфа. Эти золошлаки отличаются большим содержанием общего и свободного кальция - до 60 и 30% соответственно [3, приложение 1] и упрочняются до удельной силы сцепления c=0,5 МПа и более [3, приложение 9]. Самостоятельным твердением так же обладают, например, нефелиновые шламы глиноземного производства [4] и другие. Такие затвердевшие отходы образуют над коллектором несущий свод, который ограничивает давление воды и отходов на трубу. Однако при дальнейшем складировании отходов, особенно при неравномерных деформациях основания и/или сотрясениях, массив может ломаться с раскрытием трещин. При этом происходит как горизонтальное, так и вертикальное смещение образующихся твердотельных блоков относительно друг друга, что при пересечении трещиной коллектора может повредить его.
Именно такое, по мнению авторов, произошло повреждение коллектора водосбросного колодца №1 на карте №2 шламохранилища Ачинского глиноземного комбината в октябре месяце 2008 года в результате образования трещины и ее раскрытия на поверхности отходов до 4-5 мм, что привело к фонтанированию воды на откосе и выводу колодца из эксплуатации. Ранее на этом шламохранилище аналогичное длительное фонтанирование воды из трещины наблюдалось на карте №1.
Известен накопитель жидких отходов промышленных предприятий, включающий земляную емкость, водосбросной колодец и замываемый твердеющими отходами коллектор, который выполнен из стальных труб и снабжен снаружи защитным покрытием, выполненным из полимерного рулонного материала (полиэтиленовая пленка с консистентной смазкой в основании). При этом выполняется условие, выраженное математической формулой, в которой увязаны соотношения между прочностными и деформативными свойствами стальной трубы, величиной касательных напряжений между затвердевшими отходами и стальной трубой и допускаемой величиной раскрытия трещины [5].
Такое защитное покрытие эффективно предотвращает повреждение стальных труб при раскрытии трещины деформации в затвердевших отходах, когда происходит только горизонтальное смещение относительно друг друга образующихся двух твердотельных блоков. Когда же происходит раскрытие трещины при одновременном вертикальном смещении относительно друг друга твердотельных блоков, это защитное покрытие не защищает стальную трубу от повреждения ее со стороны поперечной (срезающей) силы, что снижает надежность накопителя.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности накопителя. Достигаемый при этом технический результат заключается в том, что предотвращено повреждение стальных труб при образовании трещин деформации в затвердевших отходах за счет уменьшения воздействия до безопасной, т.е. предельно допускаемой, величины дополнительного сжимающего давления на стальные трубы сверху, возникающего при образовании трещины в затвердевших отходах.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в накопителе жидких отходов промышленных предприятий, включающем земляную емкость, водосбросной колодец и замываемый твердеющими отходами коллектор, который выполнен из стальных труб и снабжен снаружи защитным покрытием, согласно изобретению защитное покрытие выполнено в виде слоя ячеистой пластмассы с герметически закрытыми порами. Этот защитный слой покрывает стальные трубы и предотвращает их повреждение при образовании трещины деформации в затвердевших отходах, при этом выполняется условие
д
сл
сж
сж
б
б
d=b(εk-εk),
т.е.
сл
д
сж
сж
б
б
b=d/εk-εk,
д
где d - допускаемая величина вертикального смещения относительно друг друга двух твердотельных блоков в месте пересечения трещиной стальной трубы;
сл
b - толщина защитного слоя над стальной трубой;
сж
сж
ε - относительная величина объемного сжатия материала защитного слоя, соответствующая предельно допускаемому из условия прочности стальной трубы сжимающему сверху давлению p, создаваемому отходами и водой;
б
рб
ε - относительная величина объемного сжатия материала защитного слоя, соответствующая сжимающему расчетному бытовому давлению p, создаваемому отходами и водой на защитный слой в период эксплуатации коллектора;
сж
сж
k - коэффициент, учитывающий деформацию в поперечном сечении стальной трубы от воздействия сжимающего давления p и неравномерность его распределения;
б
рб
k - коэффициент, учитывающий деформацию в поперечном сечении стальной трубы от воздействия сжимающего расчетного бытового давления p и неравномерность его распределения.
Дополнительно:
- защитный слой выполнен из пенополистирола;
- выполняется условие:
сж
п
н
p=2σδ/Д,
п
где σ - допускаемое приращение сжимающего напряжения в стенке стальной трубы в ее поперечном сечении от вертикального смещения относительно друг друга твердотельных блоков,
δ - толщина стенки стальной трубы,
н
Д - наружный диаметр стальной трубы;
- выполняется условие
рб
р
P=γh,
где γ - удельный вес воды;
р
h - расчетная высота превышения уровня воды над стальной трубой в период эксплуатации коллектора;
- защитный слой выполнен из ячеистой пластмассы, обладающей прочностью на сжатие при 10% деформации не более 0,45 МПа;
- защитный слой выполнен из ячеистой пластмассы, обладающей прочностью на сжатие при 10% деформации не менее 0,1 МПа;
- выполняется условие
д
сл
сж
б
d=b(1,1ε-ε);
- выполняется условие
д
сл
сж
б
d=b(ε-ε);
- выполняется условие
д
сл
d≤(0,6-0,9)b.
Именно покрытие стальных труб слоем легкодеформируемой ячеистой пластмассы, толщина которого с запасом превышает величину вертикального смещения относительно друг друга твердотельных блоков, как будет показано ниже, защищает стальные трубы от повреждения как при горизонтальном смещении блоков, сопровождаемом раскрытием трещины, так и при вертикальном смещении блоков.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено следующее:
- на фиг.1 - накопитель отходов на завершающей стадии заполнения рабочей секции, план;
- на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, коллектор расположен в основании затвердевших отходов, пример 1;
- на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2;
- на фиг.4 - узел I на фиг.2;
-на фиг.5 - разрез А-А на фиг.1, коллектор расположен внутри затвердевших отходов, пример 2;
сж
сж
- на фиг.6 - кривая зависимости объемной деформации газа от сжимающего давления и качественные кривые зависимости объемной деформации ячеистых пластмасс (ε, %) от сжимающего давления p.
Пример 1. Рабочая секция 1 накопителя образована ограждающим сооружением 2, выполненным из грунтового материала, и снабжена двумя водосбросными колодцами 3, коллектора 4 которых отводят воду и замываются твердеющими отходами 5. Секция 1 также снабжена пульповодами магистральным 6 и распределительным 7 и водоводом 8 системы возврата на предприятие (не показана) воды, осветленной в отстойном пруде 9. К рабочей секции 1 примыкает резервная секция 10.
Коллектор 4 расположен над полимерным противофильтрационным элементом 11, предотвращающим проникновение сточной воды в основание 12. Нижняя часть коллектора 4 заключена в грунт защитного слоя 13 противофильтрационного элемента 11, а верхняя часть заключена в отходы 5. Коллектор 4 выполнен из стальных труб (далее: труб) 14 и снабжен снаружи защитным слоем 15 (фиг.2 и фиг.3). Этот защитный слой 15 выполнен из ячеистой пластмассы с герметически закрытыми порами, покрывает трубы 13, по меньшей мере, сверху и предотвращает их повреждение при образовании трещины деформации 15 (далее: трещина) в затвердевших отходах 5. При этом выполняется обоснованное ниже условие
т.е.
д
где d - допускаемая величина вертикального смещения относительно друг друга двух твердотельных блоков в месте пересечения трещиной трубы;
сл
b - толщина защитного слоя над трубой;
сж
сж
ε - относительная величина объемного сжатия материала защитного слоя, соответствующая предельно допустимому из условия прочности трубы сжимающему сверху давлению p, создаваемому отходами и водой;
б
рб
ε - относительная величина объемного сжатия материала защитного слоя, соответствующая сжимающему расчетному бытовому давлению p, создаваемому отходами и водой на защитный слой в период эксплуатации коллектора;
сж
сж
k - коэффициент, учитывающий деформацию (податливость) в поперечном сечении трубы от воздействия сжимающего давления p и неравномерность его распределения (в верхней части трубы);
б
рб
k - коэффициент, учитывающий деформацию в поперечном сечении трубы от воздействия сжимающего расчетного бытового давления p и неравномерность его распределения.
Защитный слой 15 может быть выполнен, прежде всего, из пенополистирола пеноплэкс марки 35 или 45 (сегменты C-1, C-2 и C-3), прочность на сжатие при 10% деформации которого, соответственно, не менее 0,25 МПа и 0,45 МПа [6] или теплоизоляционной пенополистирольной скорлупы по ТУ 5768-001-81781752-2007, прочность на сжатие при 10% деформации которого не менее 0,08 МПа.
Защитный слой 15 может быть выполнен из жесткой (по терминологии ГОСТ 20869-75*) пены, представляющей собой вспененную ячеистую пластмассу с герметически закрытыми порами и обладающей заданной проектом прочностью на сжатие, но не менее 0,1 МПа при 10% линейной деформации.
Защитный слой 15 может быть выполнен из пенополиуретана, пенофенолформальдигида или другой вспененной ячеистой пластмассы, широко применяемой для тепловой изоляции наружной поверхности труб по ГОСТ 16381-77.
Трубы 14 целесообразно снабдить противокоррозионным покрытием, например, полиэтиленовым покрытием заводского нанесения 17 (фиг.4).
сж
Вспененные ячеистые пластмассы, по сути, являются композиционными материалами и обычно на 96% и более своего объема состоят из защемленного в порах газа. Поэтому при сжатии защитного слоя 15 по мере уменьшения его толщины резко возрастает сопротивление сжатию со стороны газа. При этом предельно допускаемое сжимающее давление p, которое передается сверху от отходов 5 и воды через защитный слой 15 на трубу 14 (фиг.3), может быть определено из условия прочности трубы по приближенной формуле
п
где σ - допускаемое приращение сжимающего напряжения в стенке трубы в ее поперечном сечении от вертикального смещения относительно друг друга твердотельных блоков;
δ - толщина стенки трубы;
н
Д - наружный диаметр трубы.
рб
Расчетное бытовое давление p, создаваемое на защитный слой 15 в период эксплуатации коллектора, может быть определено по формуле
где γ - удельный вес воды;
р
h - расчетная высота превышения уровня воды над трубой в период эксплуатации коллектора.
б
б
рб
Бытовое давление p на трубу 14 на начальной стадии создания складирования отходов 5 определяется давлением рыхлых отходов 5 и воды и определяется по известным математическим формулам. В дальнейшем, после затвердевания прилегающих к трубе 14 отходов 5, можно считать, что на трубу будет действовать только постоянно возрастающее давление воды, которое сжимает защитный слой 15 до величины b (фиг.2 и фиг.4). Это давление воды чаще всего и определяет расчетное бытовое давление p, которое рассчитывается по формуле (3).
рб
сж
сж
рб
б
сж
Расчетное бытовое давление p обычно многократно ниже допускаемого сжимающего давления p, при котором защитный слой 15 сжимается до величины b. При этом давление p не превышает 0,45 МПа, что обуславливает сжатие защитного слоя не более чем на 10% и не создает высокие напряжения и существенные деформации в трубе 14. Поэтому на предварительной стадии проектирования в формуле 1а коэффициент k может быть принят равным единице, а коэффициент k по оценке заявителя может быть принят равным 1,1 или единице. В этом случае формула 1а будет иметь вид, соответственно,
или
д
сл
Допускаемая величина вертикального смещения d по оценке заявителя находится в пределах (0,5-0,9)b т.е. выполняется условие
сж
б
сж
б
Относительные величины объемного сжатия материала защитного слоя ε и ε зависят от сжимающего давления, соответственно p и p и которые определяются по действительной кривой зависимости объемной деформации материала защитного слоя 15 (ε, %) от сжимающего этот слой давления p. Такая кривая устанавливается эксперементально-механическим испытанием образца материала защитного слоя 15.
сж
б
Коэффициенты k и k применительно конкретным условиям работы трубы 14 также целесообразно определить при помощи испытательной машины, оснащенной специальными измерительными приборами.
На чертежах обозначены и другие элементы накопителя, а именно:
18 - щель;
19 - стенка трубы;
20 - уровень воды в трубе;
21 - полость трубы;
22 - подстилающий слой грунта (противофильтрационного элемента).
Основные особенности работы накопителя при заполнении вышеописанной рабочей секции 1 отходами 5 заключаются в следующем.
б
б
б
1. После набора отходами 5 достаточной прочности давление на защитный слой 15 определяет, прежде всего, постоянно возрастающее гидростатическое давление воды p. Это давление p сжимает защитный слой 15 до бытовой толщины b (фиг.2 и фиг.4). В результате между затвердевшими отходами 5 и защитным слоем 15, следовательно, и коллектором 4 образуется щель 18, которая заполняется водой.
сж
б
сж
д
a
2. После образования трещины 16, пересекающей трубу 14, со стороны блока №1 на трубу 14 сверху действует сжимающее вертикальное давление p, которое включает в себя бытовое давление p и которое сжимает защитный слой 15 над трубой 14 до величины b. Именно за счет этого и предотвращается повреждение трубы 14 при соблюдении условия, согласно которому величина вертикального смещения блоков №1 и №2 относительно друг друга d (фиг.2 и фиг.4) не превышает допускаемую, т.е. безопасную величину d, которая определяется по математической формуле 1а. Одновременно с этим при раскрытии трещины 16 на величину  (фиг.4) наличие заполненной водой щели 18, а так же высокие деформационные свойства материала защитного слоя 15 уменьшают растягивающие трубу 14 силы до ничтожной величины. Дополнительно щель 18 целесообразно с соблюдением безопасности приспособить для вывода из отходов 5 фильтрующей воды - конструктивно решается в проекте.
3. Эффективная работа коллектора может быть определена только после проведения исследования (теоретического, по аналогам) на предмет возможного образования в затвердевших отходах трещины, пересекающей коллектор, и прогнозирования возможной величины вертикального смещения d относительно друг друга образовавшихся двух твердотельных блоков.
д
Ниже приведен пример расчета допускаемой в конкретных условиях величины вертикального смещения d.
н
сл
р
п
Пусть стальная труба 14 имеет наружный диаметр Д=120 см, толщину стенки δ=1,2 см и сверху покрыта защитным слоем жесткой пены толщиной b=20 см. Дополнительно расчетная высота h превышения уровня воды в отстойном пруде 9 над трубой 14 в период эксплуатации коллектора равна 45 м (исключительно высокое), а допускаемое приращение сжимающего напряжения в стенке 19 трубы 14 определено как σ=150 МПа.
сж
По формуле (2) определяем допускаемое сжимающее давление p на трубу сверху
сж
п
н
p=2σδ/Д=2×150×1,2/120=3 МПа.
б
По формуле (3) определяем сжимающее бытовое давление p на трубу сверху
рб
р
3
2
p=γh=1000 кг/м×45 м=45000 кг/м=0,45 МПа.
сж
б
При выполнении защитного слоя 15 из пенополистирола «пеноплэкс» марки 45 (сегменты 1-3 на фиг.3 и фиг.4) по кривой на фиг.6 определяем относительные величины объемного сжатия защитного слоя ε=0,6 и ε=0,1. После чего по приближенной формуле 4 определяем допускаемую величину вертикального смещения относительно друг друга двух твердотельных блоков
д
сл
сж
б
d=b(1,1ε-ε)=20×(1,1×0,6-0,1)=11,2 см.
сж
б
д
При выполнении защитного слоя 15 из пенополистирола марки 35 и при тех же условиях имеем ε=0,82; ε=0,19 и d=14,24 см.
При выполнении защитного слоя из «скорлупы» имеем
сж
б
д
ε=0,93; ε=0,46 и d=11,26 см.
Кривые зависимостей для возможных материалов защитного слоя 15 на фиг.6 построены по трем точкам, а именно:
- первая точка «0» есть начало координат;
- вторая точка соответствует 10%-му сжатию материала по ТУ;
2
- третья точка нанесена при давлении p=3 МПа (30 кг/см) приближенно по аналогии с кривой газа.
Несмотря на приближенность кривых зависимостей, приведенных на фиг.6, оценочные расчеты позволяют сделать вывод о высокой эффективности ячеистых пластмасс для выполнения защитного слоя 15 стальных труб 14 коллекторов 4 в накопителях твердеющих отходов.
Пример 2 (фиг.5). Коллектор 4 отличается от ранее описанного коллектора 4 в примере 1 тем, что он полностью расположен внутри затвердевших отходов 5. Поэтому труба 14 коллектора 4 снабжена защитным покрытием 15, которое выполнено по всему периметру поперечного сечения трубы 14.
Особенность работы такого коллектора 4 при пересечении его трещиной 16 заключается в следующем.
б
1. Под действием постоянно возрастающего гидростатического давления воды p щель 18 между затвердевшими отходами 5 и защитным слоем 15 образуется практически по всему периметру поперечного сечения коллектора 4, следовательно, и трубы 14. Эта труба 14 вместе с защитным покрытием 15 как бы плавает в воде - в зависимости от уровня воды 20, заполняющей полость 21 трубы 14.
раз
2. После быстрого образования трещины 16 под трубой 14 в пределах опустившегося блока №1 может образоваться разряжение, величина которого ограничивается за счет расширения газа, защемленного в порах защитного слоя 15, и эластичности пластмассы этого слоя 15. При этом толщина защитного слоя 15 увеличивается до b. Это ограничение разряжения уменьшает вертикальную нагрузку на трубу 14, величина которой могла бы быть в момент образования трещины 16 при глубоком разряжении, если бы на трубе 14 снизу отсутствовал защитный слой 15.
Источники информации
1. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика / Под, ред. В.П.Недриги. М.: Стройиздат, 1983. С.509-515.
2. Госгортехнадзор России. Правила безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов. М., Российская газета, №103, от 08.06.2002.
3. Рекомендации по проектированию золошлакоотвалов тепловых электрических станций: П 26-85 / ВНИИГ, Л., 1986.
4. ОАО «Ачинский глиноземный комбинат». Паспорт шламохранилища. Карта №2 (таблица 1.1).
5. Патент РФ №2398067, кл. E02B 7/06, 2010. Накопитель жидких отходов промышленных предприятий. Ягин В.П., Вайкум В.А., Руднов В.М.
6. Сегменты и полуцилиндры, теплоизоляционные из экструзионного пенополистирола «Пеноплэкс» для трубопроводов диаметром 57-1420 мм. ТУ 5767-001-01297858-02/Минэнерго РФ. - М.: OA «ВНИИСТ», 2002.