Файл: Лобанов, Д. П. Гидромеханизация геологоразведочных и горных работ учеб. пособие.pdf

увеличение давления по формуле (IV.9). Если TS^>T, то отрица­ тельная волна достигает не полностью закрытого затвора. При этом наибольшее давление в конце трубопровода меньше значения по приведенной формуле, поскольку отрицательная волна уменьшает давление (непрямой удар).

По формуле (IV.9) можно вести расчет неустановившегося дви­ жения и для случая выключения насоса.

§ 5. ГИДРОАБРАЗИВНЫЙ ИЗНОС И ДЕГРАДАЦИЯ ПОРОД

Движение гидросмесей в трубах, желобах и каналах насосов ■(гидроэлеваторов, загрузочных устройств и т. п.) сопровождается воздействием частиц на твердые границы потока, а также кавита­ ционными и коррозионными явлениями. Это воздействие в гидро­ транспортных системах проявляется в виде гидроабразивного износа трубопроводов, насосов и изменения свойств рабочих поверхностей оборудования. Процессами, происходящими в пристеночных обла­ стях, как уже отмечалось, характеризуется структура потока лю­ бого вида гидросмеси.

Для выяснения механизма воздействия в последние годы уда­ лось провести экспериментальные исследования с целью установле­ ния основных характеристик воздействия гидросмесей на твердые границы потока: усилий, энергии, времени единичного воздействия, интенсивности воздействия и т. п.

Оказалось, что основным фактором воздействия гидросмесей на поверхности границ потока является косой удар частичек с очень коротким временем касания (ничтожные доли секунды) и значи­ тельными развивающимися в момент удара (нормальным и танген­ циальным) усилиями, способными создать на поверхности воздей­ ствия концентрацию напряжений, достаточную для пластической деформации материала твердых границ.

Нормальное к поверхности воздействия усилие превосходит вес частичек в тысячи раз. Собственного веса частички крупностью, например, от 0,5 до 15—20 мм оказывается недостаточно для вне­ дрения ее в изнашиваемую поверхность. Поэтому в случае воло­ чения частички но нижней стенке значительная нормальная соста­ вляющая усилия может возникать только в результате макронеров­ ностей поверхности.

Если трубы выполнены из материала, обладающего пластичными ■свойствами, а частички имеют поверхность с режущими гранями достаточной прочности, то вследствие определенной их ориентации в момент удара происходит отделение микростружки путем среза­ ния. При иной ориентации частички и вообще в случае отсутствия режущих граней отделение металла происходит в виде наклепавшегося на поверхность твердой частички (за счет ее шероховатости) некоторого объема металла. Поверхность частички как бы «засали­ вается». Отделение микрообъемов металла повышенной твердости происходит в результате хрупкого разрушения его в месте удара.

.88

тонкостенных вставок из Ст. 10 и меди путем взвешивания их на

•аналитических весах (т. е. определялся также средний по периметру износ) с тем, чтобы иметь возможность сравнить спектры импульсов

•с соответствующими им величинами абсолютного износа.

По результатам измерений получают сначала интегральные, а затем и дифференциальные спектры импульсов для различных режимов движения гидросмесей и точек по окружности горизонталь­ ных и поднимающихся труб. Интегральный спектр представляет собой график, на котором изображено количество импульсов в зави­

симости от их величины. С по­

ближении износ медной вставки пропорционален суммарному количеству импульсов и их средней амплитуде. Для Ст. 10 износ пропорционален средней амплитуде в степени 0,6.

Обработка кривых распределения ударов стеклянных шариков показала, что при скорости транспортирования, близкой к крити­ ческой, зависимость п (иЛт) с известным приближением подчиняется

Соотношение (IV. 10) выполняется для характерного в практике сравнительно небольшого по абсолютным значениям диапазона скоростей.

Критерием оценки суммарного воздействия принимается вели­ чина кинетической энергии нормальных составляющих скоростей частиц, соприкасающихся с единицей площади внутренней поверх­ ности трубы (рис. 29). Эта энергия определяется суммой

Е — ”1“ ^2^2 “1 •••-|-^иР'к)

90

гидросмеси, скорости транспортирования и угла наклона потока могут быть получены для различных конкретных условий.

Для выяснения суммарного воздействия частиц (износа), экви­ валентного определенному спектру, проведены базовые экспери­ менты с дробленой породой класса 1—4 мм. Для этих опытов одно­ временно со снятием дифференциального спектра импульсов изме­ рялся и абсолютный износ тонкостенных вкладышей при помощи взвешивания их до и после эксперимента (вкладыши изготовлялись из Ст. 10 и меди). Суммарный результат воздействия частиц суще­ ственно определяется видом изнашиваемой поверхности. Например, при пропуске 40 т частиц породы при скоростях 5 и 2,5 м/с отноше­

После сравнения спектров импульсов с абсолютными износами вставок оказалось, что для меди износ пропорционален средне­ взвешенному количеству импульсов, а для Ст. 10 единичный объем износа оказался (как отмечалось) пропорциональным амплитуде

При рассмотрении результатов измерений (см. рис. 29) оказалось, что интенсивность воздействия частиц на твердые стенки потока существенно зависит от параметров транспортирования: скорость гидросмеси различно влияет на процесс при изменении плотности гидросмеси; минимальный износ наблюдается в диапазоне крити­ ческой скорости; износ неравномерен по периметру стенки, с уве­ личением скорости и концентрации неравномерность снижается. Сравнение суммарной энергии воздействия с его результатом (изно­ сом) показало, что износ в основном следует зависимостям суммарной энергии воздействия частиц. Однако полной тождественности не наблюдается. В частности, при скорости, равной и ниже критической, энергия воздействия значительно уменьшается, а износ имеет неко­ торую величину, хотя и незначительную. При определении энергии воздействия в зависимости от углов наклона трубопровода обнару­ жилась почти полная тождественность с закономерностью износа.

Некоторое несоответствие энергии воздействия частиц и износа объясняется тем, что износ не является результатом одного меха­ нического воздействия. Большую роль здесь играет химическое взаимодействие воды и материала стенок труб. Кроме того, суммарная величина кинематической энергии не может служить исчерпы­ вающей характеристикой всего воздействия частиц, которое для

91

различных режимов транспортирования также изменяется. Так, при высоких насыщениях отмечается взаимодействие частиц друг с дру­ гом. Имеет место интенсивное перемешивание и соударение частиц гидросмеси.

Хотя механизм воздействия взвеси в проточных каналах насосов имеет общие с трубами элементы, движение твердых частиц под действием дополнительной центробежной силы усложняет характер этого воздействия. Например, относительная скорость частиц уве­ личивается по мере продвижения их к наружному диаметру колеса. ■Этим можно объяснить более интенсивный износ выходных элементов лопастей при работе на мелкозернистых груптах, контакт которых с лопатками осуществляется по всей их рабочей поверхности. На­ личие гидроабразивпого износа существенпо влияет на рабочие характеристики оборудования (см. гл. VIII).

В практических целях в каждом случае абсолютное значение износа определяют взвешиванием вставок (отрезков труб) до и после проведения опытов на аналитических весах I класса. Точность взвешивания вставок составляет шесть знаков, а ошибка измерения износа не превышает 5%. При измерении удельного износа вставок -опыты повторяются по нескольку раз (до десяти); для каждого режима транспортирования вычисляют среднее значение износа. Для получения падежных данных коэффициент вариации не должен превышать 10—12% для медных вставок и 15—18% для стальных.

Поскольку с изменением угла атаки абразивных частиц относи­ тельная износостойкость различных материалов меняется (вплоть

.до инверсии износостойкости), то и соотношение значений износа, например, для меди и стали для различных скоростей непостоянно. Следовательно, выявление влияния параметров транспортирова­ ния на износ труб необходимо вести с применением вставок из тех же материалов, из которых изготовлены трубы.

В настоящее время экспериментальное изучение гидроабразив­ ного износа труб проводится, как правило, на вставках из материалов относительно мягких (медь, свинец алюминий и др.), а затем зна­ чения износа пересчитываются па износ стальных труб с помощью

вольно широких пределах.

При перемещении пород важно учитывать, что их абразивная способность прежде всего определяется шероховатостью поверх­ ности частичек, т. е. их микрогеометрией. Именно различием шеро­ ховатости поверхностей и объясняется обычно различная абразивная

•способность, например, песка.

В связи с рассмотрением зависимости показателя абсолютного

зернистых и мелкогравийных пород удельный износ (отнесенный к единице веса породы) в 2—3 раза ниже, чем при скоростях зна­ чительно выше критических. Слой заиления, закрывающий наи­

3 2