Jet Suction Dredger για εξόρυξη άμμου: Σχεδιασμός του συστήματος γύρω από το έργο

Ένας βυθοκόρος αναρρόφησης πίδακα μπορεί να φαίνεται σχετικά απλός στο κατάστρωμα. Υπάρχει μια πλωτή, μια μηχανή ντίζελ, μια αντλία άμμου, μια αντλία νερού υψηλής πίεσης, μια γραμμή αναρρόφησης και ένας αγωγός εκκένωσης. Στην πράξη, ωστόσο, το να κάνεις το σύστημα να παράγει την αναμενόμενη ποσότητα άμμου δεν είναι απλώς θέμα εγκατάστασης μεγαλύτερης αντλίας.

Η πρώτη ερώτηση που κάνουμε συνήθως είναι ποιο υλικό βρίσκεται στην κοίτη του ποταμού.

Η χαλαρή άμμος του ποταμού είναι πολύ διαφορετική από τη συμπαγή άμμο. Η λεπτή άμμος συμπεριφέρεται διαφορετικά από τη χοντρή άμμο που περιέχει χαλίκι. Ένα απόθεμα που φαίνεται εύκολο να εκσκαφές από την επιφάνεια μπορεί να γίνει πολύ πιο δύσκολο όταν η κεφαλή αναρρόφησης φτάσει στο στρώμα εργασίας. Η κατάσταση του υλικού επηρεάζει το πόση ποσότητα νερού εκτόξευσης απαιτείται, πόσα στερεά μπορούν να εισέλθουν στο σύστημα αναρρόφησης και πώς συμπεριφέρεται ο πολτός μέσα στον αγωγό εκκένωσης.

Εδώ ξεκινά ο σχεδιασμός ενός βυθοκόρου αναρρόφησης πίδακα.

Η βασική αρχή λειτουργίας είναι καλά εδραιωμένη. Μια ξεχωριστή αντλία νερού παρέχει καθαρό νερό υπό πίεση στο σύστημα εκτόξευσης. Ο πίδακας νερού διασπά ή ρευστοποιεί το περιβάλλον ίζημα, ενώ το μείγμα άμμου-νερού που προκύπτει έλκεται στο σύστημα αναρρόφησης και μεταφέρεται μέσω της γραμμής εκκένωσης. Μια μελέτη της Επιτροπής Έρευνας Νερού του 2002 περιγράφει την αντλία πίδακα ως σύστημα ανταλλαγής ορμής: ο υψηλής ταχύτητας πίδακας καθαρού νερού δημιουργεί μια περιοχή χαμηλής πίεσης που έλκει το μείγμα άμμου-νερού στον θάλαμο ανάμειξης και στη συνέχεια στον αγωγό εκκένωσης. Η μελέτη διαπίστωσε επίσης ότι το άκρο αναρρόφησης λειτουργεί ιδιαίτερα αποτελεσματικά όταν είναι θαμμένο σε άμμο που ρέει ελεύθερα.

Αυτή η αρχή είναι χρήσιμη, αλλά δεν δίνει σε έναν μηχανικό τις τελικές προδιαγραφές βυθοκόρησης.

Για ένα πραγματικό έργο, ο στόχος παραγωγής πρέπει να συνδέεται με το βάθος βυθοκόρησης, τα χαρακτηριστικά του υλικού και τις συνθήκες εκκένωσης. Ένας πελάτης μπορεί να πει ότι το έργο απαιτεί 200 m³/h άμμου, αλλά αυτός ο αριθμός από μόνος του δεν είναι αρκετός για την επιλογή της αντλίας.

Σκεφτείτε ένα δημοσιευμένο έργο της Καμπότζης. Ο πελάτης ζήτησε να αντληθεί άμμος από περίπου 15 m υποβρύχια και να μεταφερθεί περίπου 500 m στο σημείο απόρριψης. Η δημοσιευμένη διαμόρφωση εξοπλισμού χρησιμοποιούσε έναν κινητήρα ντίζελ Weichai WP12 275 kW και μια αντλία άμμου υψηλής περιεκτικότητας σε κράμα χρωμίου, με δηλωμένη παραγωγή άμμου περίπου 200 m³/h.

Το ενδιαφέρον μέρος αυτής της υπόθεσης δεν είναι απλώς ο αριθμός των 200 m³/h. Το βάθος βυθοκόρησης 15 m και η απόσταση εκκένωσης 500 m είναι αυτά που κάνουν ουσιαστική την επιλογή της αντλίας και της ισχύος. Εάν απαιτούνταν ο ίδιος στόχος παραγωγής σε πολύ μικρότερη απόσταση εκφόρτισης, οι υδραυλικές απαιτήσεις θα ήταν διαφορετικές. Εάν ο αγωγός έπρεπε να ανέβει σημαντικά ψηλότερα αφού φτάσει στην όχθη του ποταμού, η απαιτούμενη κεφαλή της αντλίας θα άλλαζε ξανά.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο δεν θα συνιστούσα να επιλέξετε έναν βυθοκόρο αναρρόφησης πίδακα εξετάζοντας μόνο τη ροή της αντλίας.

Ο αγωγός εκκένωσης είναι ένα από τα πιο εύκολα μέρη ενός έργου για υποτίμηση. Μόλις ο πολτός φύγει από τη βυθοκόρηση, η αντλία πρέπει να ξεπεράσει την τριβή του σωλήνα, την ανύψωση και τις τοπικές απώλειες από στροφές, βαλβίδες και άλλα εξαρτήματα. Η κατάσταση γίνεται πιο απαιτητική όσο αυξάνεται η συγκέντρωση στερεών.

Υπάρχει επίσης μια ισορροπία που πρέπει να διατηρηθεί. Η υπερβολική ποσότητα νερού μπορεί να κάνει τον πολτό εύκολη στη μεταφορά, αλλά μειώνει την ποσότητα χρήσιμης άμμου που ανακτάται ανά μονάδα αντλούμενου μείγματος. Το πολύ λίγο νερό μπορεί να αυξήσει τη συγκέντρωση του πολτού και να κάνει τη μεταφορά του αγωγού πιο δύσκολη. Το σωστό σημείο λειτουργίας εξαρτάται από το υλικό, τη διάμετρο του σωλήνα, τα χαρακτηριστικά της αντλίας και την απαιτούμενη παραγωγή.

Μια δημοσιευμένη μελέτη μηχανικής από την Επιτροπή Έρευνας Υδάτων απεικονίζει αυτή τη σχέση με ένα πειραματικό σύστημα αντλίας jet. Οι συνθήκες σχεδιασμού του περιελάμβαναν ρυθμό παραγωγής 30 t/h, κεφαλή τροφοδοσίας κινητήριας αντλίας 700 kPa, κινητήριο σωλήνα 100 mm, γραμμή εκκένωσης 100 mm και υψόμετρο κατάθλιψης 5 m πάνω από τη στάθμη του νερού. Ο αναφερόμενος σχεδιασμός χρησιμοποίησε επίσης συγκέντρωση ιζήματος περίπου 31% κατά μάζα.

Οι αριθμοί δεν πρέπει να αντιμετωπίζονται ως καθολική προδιαγραφή για κάθε βυθοκόρο αναρρόφησης πίδακα. Είναι χρήσιμα γιατί δείχνουν πόσο στενά συνδέονται η πίεση του νερού, η διάμετρος του σωλήνα, η παραγωγή, η συγκέντρωση και οι συνθήκες εκκένωσης.

Ένα άλλο δημοσιευμένο έργο από την Κένυα παρέχει ένα πρακτικό παράδειγμα από την εμπορική βυθοκόρηση άμμου. Σύμφωνα με την έκθεση του έργου, ο πελάτης απαιτούσε περίπου 150 τόνους άμμου την ώρα, απόσταση απόρριψης 400 m και βάθος βυθοκόρησης 18 m. Ο προμηθευτής σχεδίασε έναν βυθοκόρο αναρρόφησης 8 ιντσών για αυτές τις απαιτήσεις.

Και πάλι, οι σημαντικές πληροφορίες μηχανικής είναι ο συνδυασμός απαιτήσεων και όχι το ίδιο το μέγεθος του σωλήνα 8 ιντσών. Μια βυθοκόρηση 8 ιντσών που έχει σχεδιαστεί για ένα ποτάμι δεν θα πρέπει αυτόματα να αναμένεται να παράγει το ίδιο αποτέλεσμα σε άλλο ποτάμι. Η πυκνότητα της άμμου, το μέγεθος των κόκκων, οι συνθήκες υποβρύχιας απόθεσης, η διάταξη του αγωγού και οι πραγματικές ώρες λειτουργίας επηρεάζουν την παραγωγή.

Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό στην εξόρυξη άμμου επειδή η λέξη "άμμος" καλύπτει ένα εκπληκτικά μεγάλο φάσμα υλικών.

Η λεπτή, χαλαρή άμμος ποταμού μπορεί να ρευστοποιηθεί σχετικά εύκολα. Η χοντρή άμμος μπορεί να απαιτεί διαφορετική διάταξη πίδακα. Εάν αναμειχθεί άργιλος στην απόθεση, το υλικό μπορεί να γίνει κολλώδες αντί να ρέει ελεύθερα. Χαλίκι ή μεγαλύτερα σωματίδια μπορεί να δημιουργήσουν ένα άλλο σύνολο προβλημάτων στην εισαγωγή αναρρόφησης και στο εσωτερικό της αντλίας.

Η φθορά της αντλίας πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη πριν κατασκευαστεί η βυθοκόρος.

Η άμμος είναι λειαντική. Μια αντλία που χειρίζεται καθαρό νερό και μια αντλία που χειρίζεται συνεχώς πολτό άμμου δεν αντιμετωπίζουν τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας. Για την εμπορική εξόρυξη άμμου, τα ανθεκτικά στη φθορά υλικά και τα αντικαταστάσιμα εξαρτήματα φθοράς μπορούν να έχουν σημαντική επίδραση στα διαστήματα συντήρησης.

Ένα έργο που αναφέρεται δημόσια στον ποταμό Κονγκό είναι ένα χρήσιμο παράδειγμα. Η δημοσιευμένη διαμόρφωση περιελάμβανε τέσσερις βυθοκόρους αναρρόφησης άμμου 14 ιντσών, με αναφερόμενο βάθος βυθοκόρησης περίπου 15 m και παραγωγή στην περιοχή περίπου 300–375 m³/h ανάλογα με τις αναφερόμενες συνθήκες λειτουργίας. Το σύστημα χρησιμοποίησε μια αντλία άμμου υψηλής περιεκτικότητας σε κράμα χρωμίου και σχεδιάστηκε για λειαντική άμμο ποταμού.

Η προδιαγραφή της αντλίας υψηλής περιεκτικότητας σε χρώμιο σε αυτό το έργο δεν είναι περιττή λεπτομέρεια. Όταν το υλικό βυθοκόρησης περιέχει μεγάλη ποσότητα λειαντικής άμμου, το περίβλημα της αντλίας, η πτερωτή και άλλα βρεγμένα εξαρτήματα γίνονται αναλώσιμα μηχανικά μέρη. Μια χαμηλότερη αρχική τιμή εξοπλισμού μπορεί να γίνει ακριβή εάν τα εξαρτήματα που φθορούν χρειάζονται συχνή αντικατάσταση ή εάν η βυθοκόρηση πρέπει να σταματά τακτικά για συντήρηση.

Η ίδια αρχή ισχύει και για το σύστημα jet-water.

Η ίδια η αντλία εκτόξευσης δεν είναι το μόνο εξάρτημα που έχει σημασία. Η αντλία νερού υψηλής πίεσης πρέπει να παρέχει αρκετή ροή και πίεση για να ρευστοποιηθεί αποτελεσματικά το ίζημα. Το μέγεθος και η διάταξη των ακροφυσίων επηρεάζουν τον τρόπο με τον οποίο το νερό φτάνει στην άμμο. Η κεφαλή αναρρόφησης πρέπει να συλλέγει το χαλαρωμένο υλικό χωρίς να επιτρέπει υπερβολική αραίωση ή ασταθείς συνθήκες εισαγωγής.

Σε ορισμένα έργα, η κεφαλή αναρρόφησης λειτουργεί κοντά ή μέσα στο στρώμα άμμου. Η έρευνα της Επιτροπής Έρευνας Υδάτων σημείωσε συγκεκριμένα ότι η βυθοκόρηση με εκτόξευση μπορεί να λειτουργήσει αποτελεσματικά με το άκρο αναρρόφησης θαμμένο στην άμμο και περιέγραψε τον σχηματισμό επικαλυπτόμενων κρατήρων εκσκαφής όταν αφαιρείται η ελεύθερη ρέουσα άμμος.

Αυτή η παρατήρηση είναι χρήσιμη όταν σκεφτόμαστε την αποτελεσματικότητα της βυθοκόρησης. Ο βυθοκόρος δεν κάθεται απλώς σε μια θέση και αφαιρεί απεριόριστη ποσότητα υλικού. Ο χειριστής πρέπει να ελέγχει την κίνηση της κεφαλής αναρρόφησης και τη θέση εργασίας έτσι ώστε η περιοχή εκσκαφής να αναπτύσσεται προοδευτικά αντί να αφήνει μεγάλες ποσότητες υλικού έξω από την ενεργή ζώνη αναρρόφησης.

Επομένως, η γάστρα και το σύστημα τοποθέτησης έχουν επίσης σημασία.

Ένας μικρός βυθοκόρος ποταμού μπορεί να χρησιμοποιήσει μια συμπαγή διάταξη πλωτήρα με βαρούλκα και ράβδους τοποθέτησης. Ένα μεγαλύτερο μηχάνημα μπορεί να απαιτεί μια ευρύτερη πλατφόρμα εργασίας, επειδή ο κινητήρας, η αντλία άμμου, η αντλία νερού, το υδραυλικό σύστημα, οι δεξαμενές καυσίμου και η καμπίνα ελέγχου πρέπει να χωρούν στον διαθέσιμο χώρο του καταστρώματος διατηρώντας παράλληλα επαρκή σταθερότητα.

Οι μεταφορές μπαίνουν επίσης στο σχεδιασμό σε πρώιμο στάδιο, ειδικά για έργα στο εξωτερικό. Μια βυθοκόρηση που έχει καλή απόδοση στο ποτάμι μπορεί να είναι ακόμα δύσκολο να παραδοθεί εάν οι συνολικές διαστάσεις της υπερβαίνουν τα διαθέσιμα όρια μεταφοράς. Για το λόγο αυτό, ορισμένοι βυθοκόροι αναρρόφησης πίδακα έχουν σχεδιαστεί ως αρθρωτοί πλωτήρες που μπορούν να αποσυναρμολογηθούν σε μεταφερόμενα τμήματα και να συναρμολογηθούν ξανά στο χώρο του έργου.

Για ένα διεθνές έργο εξόρυξης άμμου, θα ήθελα κανονικά να μάθω πολλά πράγματα πριν αποφασίσω την τελική διαμόρφωση: την απαιτούμενη παραγωγή, πραγματικό βάθος βυθοκόρησης, χαρακτηριστικά άμμου, απόσταση από την περιοχή βυθοκόρησης έως το σημείο απόρριψης, υψόμετρο στη θέση απόρριψης, αναμενόμενες ώρες εργασίας και τη μέθοδο που χρησιμοποιείται για την επεξεργασία ή την αποθήκευση της άμμου που έχει ανακτηθεί.

Μόνο αφού αυτές οι συνθήκες είναι σαφείς, έχει νόημα να επιλέξετε την αντλία βυθοκόρησης, την αντλία νερού πίδακα, την ισχύ κινητήρα, τη διάμετρο αναρρόφησης και τον αγωγό εκκένωσης.

Αυτή η προσέγγιση εξηγεί επίσης γιατί ένα τυπικό μοντέλο καταλόγου δεν είναι πάντα η καλύτερη λύση. Δύο έργα μπορεί να έχουν παρόμοιους στόχους παραγωγής, αλλά απαιτούν διαφορετικό εξοπλισμό, επειδή τα υλικά της κοίτης του ποταμού και οι συνθήκες του αγωγού είναι διαφορετικά. Ένα έργο μπορεί να χρειάζεται περισσότερη προσοχή στην αντοχή στη φθορά, ενώ ένα άλλο μπορεί να απαιτεί πρόσθετη κεφαλή άντλησης επειδή η άμμος πρέπει να διανύσει μεγάλη απόσταση στο εσωτερικό.

Για τους κατασκευαστές, η προσαρμογή δεν αφορά απλώς την αλλαγή των διαστάσεων της γάστρας ή της μάρκας του κινητήρα. Μπορεί να περιλαμβάνει το πλήρες σύστημα εργασίας: μέγεθος πλωτήρα, χωρητικότητα αντλίας, πίεση νερού πίδακα, διάταξη αναρρόφησης, διάμετρος αγωγού, ισχύς κινητήρα, διαμόρφωση βαρούλκου και σύστημα ελέγχου.

Ένας καλά σχεδιασμένος βυθοκόρος αναρρόφησης πίδακα θα πρέπει να αντιμετωπίζεται ως ένα πλήρες υδραυλικό σύστημα παραγωγής.

Το τελευταίο ερώτημα δεν είναι αν ένας βυθοκόρος έχει μεγάλη αντλία ή ισχυρό κινητήρα. Το πιο χρήσιμο ερώτημα είναι εάν το πλήρες σύστημα μπορεί να διατηρήσει την απαιτούμενη παραγωγή άμμου υπό τις πραγματικές συνθήκες του έργου.

Αυτή είναι η διαφορά μεταξύ της επιλογής μιας βυθοκόρησης από έναν κατάλογο και μιας μηχανικής για μια πραγματική τοποθεσία εξόρυξης άμμου.