POLITECHNIKA ŚLĄSKA

WYDZIAŁ INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ I METALURGII

Kierunek: Zarządzanie i inżynieria produkcji

Rodzaj studiów: Niestacjonarne

Tadeusz WAWRZUSISZYN

Dawid TYBUSZEWSKI

Grzegorz KASPEREK

Budowa rurociągu głównego odwodnienia dla KWK Brzeszcze

Kierujący projektem:

mgr inż. Łukasz Poloczek

Tychy, styczeń 2015
Budowa rurociągu głównego odwodnienia dla KWK Brzeszcze

Dla p. Dr inż. Jacek PIEPRZYCA

Zakres projektu:

- Charakterystyka rurociągu

- Podstawa obliczeń

- Obliczenia podpory

- Wyposażenie dodatkowe

- Wnioski

Kierujący projektem:

………………………………………….

(tytuł/stopień naukowy, imię i nazwisko)

Tychy,………………………………

Spis oznaczeń i symboli

k - naprężenia dopuszczalne

Rm - granica wytrzymałości na rozciąganie

n - współczynnik bezpieczeństwa

G - długość rurociągu · masa rur

Gw - masa kołnierzy , kompensatora, rury wsporczej

g - przyspieszenie ziemskie

p_{s -} ciśnienie statyczne

p_ud - ciśnienie uderzenia fali ≥ 0,25

p_{o -} ciśnienie obliczeniowe

h - różnica wysokości w metrach

γ - gęstość właściwa przepływającego czynnika

B - szerokość szczeliwa m metrach

μ - współczynnik tarcia szczeliwa o rurę bagnetową

Ft - obciążenie wywołane oporem tarcia kompensatora dławikowego

Fr - obciążenie odcinka rurociągu wywołane masą własną

Fpk - obciążenie wywołane ciśnieniem przepływającego czynnika na powierzchnię czołową rury kompensatora

Fp - Obciążenie podpory pośredniej rurociągu

Dz - średnica zewnętrzna

Dw - średnica wewnętrzna

M_g - moment gnący

δ _{g max} - naprężenia dopuszczalne

w_{x -} wskaźnik wytrzymałości przekroju

Wstęp

Nasz projekt jest odpowiedzią na zapotrzebowanie kopalni brzeszcze. KWK Brzeszcze zaplanowała remont rurociągu głównego odwodnienia DN 250 . Remont polegać ma na wymianie pomp i demontażu i montażu nowego rurociągu wraz z podporami w miejsce starego rurociągu w szybie i częściowo na poziomie. Rurociąg ten łączy ze sobą dwie pompownie. Pompownia na poz. 700m pompuje wodę kopalnianą na poz.400m i dalej na powierzchnię. Rurociąg z poz. 700 na poz. 400 jest zabudowany w szybie AVIII, dalej biegnie na poziomie 400 do pompowni , skąd przez szyb A II wychodzi na powierzchnię. Długość rurociągu na poziomie 400 wynosi 370m, co daje nam łączną sumę 1070 m rur. Poziom 400 jest wyłączony z ruchu. Wydobycie na tym poziomie zakończone zostało 9 lat temu. Na chwilę obecną łączna długość wyrobisk na tym poziomie wynosi 5600m. Utrzymywane są tylko ze względu na pompownię. Nasza firma opracowała projekt budowy nowego rurociągu , bezpośrednio z poziomu 700m na powierzchnię, co pozwoli w przyszłości na trwałą likwidację poz. 400.

Założenia projektu

Nasz zakład jest w stanie przeprowadzić wymianę rurociągu wraz z podporami. Biorąc pod uwagę fakt ,że dostęp do szybu jest bardzo ograniczony i są to tylko dwie zmiany robocze weekendowe, rurociąg nie będzie skręcany z rur 6-cio metrowych, jak to wcześniej było wykonywane przez oddział szybowy kopalni lecz będą opuszczane przy pomocy kołowrotu Kuba -10 spawane ze sobą ciągi rur o długości ok. 30m. Przy użyciu tej technologii jesteśmy w stanie budować 6m rurociągu więcej tygodniowo. Pozwoli to również na użycie mniejszej liczby połączeń kołnierzowych. Utrudnieniem będzie zakup ( w tym przypadku dopływ wody wynosi ponad 1 m³)¹ trzech pomp o większej wysokości podnoszenia . Koszty z tym związane będą częściowo pokryte z oszczędności pozyskanych z odstąpienia z demontażu rurociągu na poziomie 400. Odcinek ten zostanie w zlikwidowanych wyrobiskach.

Rys.1 Schemat budowy rurociągu ; nowy rurociąg stary rurociąg

Charakterystyka rurociągu.

Rurociąg będzie zabudowany północnej części szybu, w osi klatki wielkogabarytowej. Wykonany będzie z rur walcowanych bez szwu ø273x12 mm i ø273x22 mm ze stali P235 . Rurociąg będzie podparty za pomocą rur wsporczych na podporach stałych .Podpory pośrednie zlokalizowane będą na głębokościach 87m,174m , 261m, 348m, 435m, 522m, 609m, a podpora główna na 696m. Podpory pośrednie wykonane będą z dwuteowników 400, a podpora główna z blachownicy 1000 (spawanej , wzmacnianej żebrami) . Na dźwigarach pomocniczych stałych( 2x dwuteownik 360) zabudowane będą rury wsporcze. Pod podporami stałymi pośrednimi zabudowane będą kompensatory dławikowe. Konstrukcje prowadzące rurociąg rozmieszczone będą co 12 metrów. Pod zrębem umiejscowiony zostanie przepływomierz elektroniczny oraz zasuwa. Nad wlotem do poziomu 700 m zabudowana będzie zasuwa.

Warunki wykonania

Odcinki rur będą ze sobą spawane o długości 16-30m do których na obu końcach przyspawane będą kołnierze z szyjką na ciśnienie nominalne 1,6-10 MPa. Rurociąg będzie montowany z dołu do góry. W związku z tym dźwigary pomocnicze podpór stałych zostaną zabudowane przed przystąpieniem do montażu kolejnego odcinka rurociągu, natomiast konstrukcje prowadzące będą montowane sukcesywnie w trakcie montażu.

Rury będą cięte z użyciem palnika acetylenowo-tlenowego na długości ok. 6m . Przy pomocy kołowrotu Kuba -10 wstawiane będą na stanowisko formowania ciągów zabudowane 5 m pod zrębem szybu. Opuszczany odcinek zostanie zamocowany w obejmie montażowej , a lina kołowrotu uwolniona. Następny wprowadzany odcinek będzie spawany do poprzedniego. Proces ten będzie powtarzany aż do uzyskania pożądanej długości . Uformowany w ten sposób ciąg rur opuszczony zostanie przy pomocy kołowrotu w miejsce zabudowy. Konstrukcje prowadzące będą kotwione do obudowy szybu kotwami W1/320.

Rys 2. Stanowisko formowania ciągów

Zabezpieczenie antykorozyjne

Elementy rurociągu oraz konstrukcje wsporcze należy zabezpieczyć przez pokrycie ich powłokami malarskimi. Powierzchnie przeznaczone do malowania powinny być oczyszczone do 3 stopnia czystości wg. PN-70/H-97050. Do zastosowania proponowany jest zestaw ftalowy , zgodny z tabelą nr 4 , przy założeniu II (średniego) stopnia agresywności korozyjnej środowiska kopalnianego² .

Zestaw ftalowy:

1. Farba ftalowa modyfikowana do gruntowania przeciwrdzewna chromianowa tiksotropowa symbol SWA 3221-018-XX0 KTM 1313-221-13X-XXX

• jedna warstwa o grubości 60 µm

• czas do malowania kolejnej warstwy 2 -21 dni

1. Emalia ftalowa dla okrętownictwa nadwodna I malowanie ;

symbol: SWA 3262-053-XX0 KTM 1313-262-13X-XXX

• dwie warstwy o grubości 35 µm każda

• czas do malowania kolejnej warstwy 1-10 dni

1. Emalia ftalowa modyfikowana do okrętownictwa nadwodna II malowanie

symbol: SWA 3262-054-XX0 KTM 1313-262-13X-XXX

• dwie warstwy o grubości 35 µm każda

• czas do malowania kolejnej warstwy 1 doba

Wymagana całkowita grubość powłok 200 µm.

Podstawa obliczeń

Obliczenia wykonuje się dla rurociągu głównego odwodnienia prowadzonego od lunety na poziomie 700 m do zrębu szybu. Dźwigar główny każdej podpory wykonany z profili walcowanych jest wmurowany do obudowy szybu, natomiast dźwigary pomocnicze wykonane również z profili walcowanych będą jednym końcem wmurowane a drugim wsparte na dźwigarze głównym. Na dźwigarach pomocniczych będzie zabudowana rura wsporcza. Obliczenia rurociągu oraz podpór przeprowadzono zgodnie z zasadami projektowania³ .

Materiały konstrukcyjne

podpór	stal S355JR	o Rm = 490 MPa
	stal S235	o Rm= 380 MPa
rur	stal P235T	o Re = 235 MPa
śrub	stal	o Rm= 500MPa i Re= 400 MPa
Obudowa szybu	beton kl. B 15^4	o Rc = 11,3 MPa

Współczynniki bezpieczeństwa

• dla konstrukcji podpór

n ≥ 5,o (dla środowiska mokrego korozyjnego)

• dla rur

x₁ = 1,8 (dla rur z zaświadczeniem jakości materiału)

Naprężenia dopuszczalne

$k = \frac{\text{Rm}}{n}$	(3.3.1)

Gdzie:

k - naprężenia dopuszczalne

Rm - granica wytrzymałości na rozciąganie

n - współczynnik bezpieczeństwa

• dla konstrukcji podpór

k₁ = $\frac{380,0}{5}$ = 76,0 MPa

k₂ = $\frac{490,0}{5}$ = 98,0 MPa

• dla rur

k₃ = $\frac{\text{Rc}}{x1}$ = $\frac{235,0}{1,8}$ = 130,6 MPa

Obciążenie odcinka rurociągu wywołane masą własną dla podpory nr 1 zabudowanej na poziomie 87 m. (Fr)

Fr = G + Gw • g • 10^−6	(3.3.2)

Gdzie:

G - długość rurociągu · masa rur

Gw - masa kołnierzy , kompensatora, rury wsporczej

g - przyspieszenie ziemskie

Fr = 86 · 152,9 + (111 + 92 + 78 )· 9,81 ·10^-6 = 0,132 MN

Ciśnienie obliczeniowe w miejscu zabudowy kompensatora (p_o)

po = pspud	(3.3.3)

Gdzie:

p_{s -} ciśnienie statyczne

p_ud - ciśnienie uderzenia fali ≥ 0,25

ps = h • γ • g • 10^−6	(3.3.4)

Gdzie:

h - różnica wysokości w metrach

γ - gęstość właściwa przepływającego czynnika kg/m³

p_s = 88 · 1000 · 9,81 · 10^-6 = 0,86 MPa

p_ud = 0,25 · 0,86 = 0,22 MPa

p_o = 0,86 + 0,22 = 1,08 MPa

Obciążenie wywołane oporem tarcia kompensatora dławikowego podczas wydłużania lub skracania ( Ft)

Ft = π • Dz • b • μ • po	(3.3.5)

Gdzie:

Dz - średnica zewnętrzna

B - szerokość szczeliwa m metrach wg. tab. nr 6.

μ - współczynnik tarcia szczeliwa o rurę bagnetową ( dla sznura bawełnianego łojowanego 0,25)

Ft = 3,14 · 0,273 · 0,120 · 0,25 · 1,08 = 0,028 MN

Obciążenie wywołane ciśnieniem przepływającego czynnika na powierzchnię czołową rury kompensatora (Fpk)

$$Fpk\ = \frac{\pi}{4}\ \text{\ \ }(\text{Dz}^{2} + \text{Dw}^{2}) \ Po$$	(3.3.6)

Gdzie:

Dw - średnica wewnętrzna

Fpk = $\frac{3,14}{4}$ (0,273² + 0,250²) · 1,08 = 0,010 MN

Obciążenie podpory pośredniej rurociągu wynosi (Fp)

Fp  =  Fr  +  Ft  Fpk	(3.3.7)

Fp = 0,132 + 0,028 – 0,010 = 0,15 MN = 1500 daN

Obliczenia podpory P – 1 (dwuteownik 400)

Fp = 1500 daN

a₁ = 4810mm

b₁ = 1580 mm

l = 6390 mm

W_x = 1460 daN/cm³

$$R_{A} = \ \frac{\text{Fp}\ \ b}{l}$$	(4.1)

R_A= $\frac{1500 158}{639}$ = 370,89 [daN]

RB =  Fp  RA	(4.2)

R_B = 1500 – 370,89 = 1129,11 [daN]

$$M_{g}\ = \ \frac{R_{A} b a}{l}\text{\ \ }$$	(4.3)

M_g = 44110,95 [daNcm]

δ g max = $\frac{\text{Mg}}{\text{Wx}}$	(4.4)

δ _{g max} =$\frac{44110,95}{1460}$ = 30,21 [daN/cm²]

n = $\frac{\text{Rm}}{\ \delta\ \text{g\ max}\ }$ = $\frac{3800\ \frac{\text{daN}}{\text{cm}^{2}}}{30,21\ \frac{\text{daN}}{\text{cm}^{2}}}\ \ \ = \ 125,8\ > 5\ $

Zastosowany dwuteownik spełnia założony współczynnik bezpieczeństwa.

Wyposażenie dodatkowe

Na poziomie 700 m do istniejącego układu kolektorów zostanie zabudowana zasuwa średniociśnieniowa z zaworem obiegowym Pn 100. Do zasuwy zostanie wpięty nasz rurociąg. Posłuży ona do odcięcia rurociągu w szybie w przypadku wymiany pompy lub remontu kolektorów. Dzięki zaworowi obiegowemu będzie można wyrównać Ciśnienie przed i za zasuwą lub też spuścić wodę z odcinka zabudowanego w szybie. Na zrębie szybu zostanie zabudowana zasuwa bez zaworu na ciśnienie 1,6 Mpa.

Pod każdą rurą wsporczą zabudowany zostanie kompensator dławikowy. Kompensatory tego typu służą do kompensacji dużych wydłużeń osiowych , niwelują naprężenia w rurociągach powstałe w skutek oddziaływania czynnika (np. ciepłownicze). Około 10 metrów pod zrębem szybu zostanie zabudowany przepływomierz elektromagnetyczny. Pozwoli on na stałą kontrolę przepływu wody a co za tym idzie pracy pompy.

Wnioski

Wybierając nasze rozwiązanie w przyszłości zakład będzie przystosowany do likwidacji nieużywanego poziomu. Co za tym idzie obniży to zaangażowanie w jego utrzymywanie, a mianowicie : trzy zmianowy charakter obsługi pompowni, dobowe kontrole składu atmosfery, okresowe kontrole rurociągów ppoż. , obudowy itp. Utrzymywanie starych wyrobisk będzie wiązało się ze zwiększonymi nakładami finansowymi związanymi z przebudową niszczejących chodników. Jest to rozwiązanie nie chwilowe, doraźne lecz pozwala myśleć przyszłościowo.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych

2. BN-74/1071-04 Mikroklimat kopalniany – Oznaczanie szybkości korozji i klasyfikacja agresywności korozyjnej względem stali węglowej zwykłej jakości.

3. PN-G-05011:1997 Rurociągi szybowe. Zasady projektowania.

4. Zygmunt Kawecki, Zasady projektowania kopalń, Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice 1993

---

1. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych↩

2. BN-74/1071-04 Mikroklimat kopalniany – Oznaczanie szybkości korozji i klasyfikacja agresywności korozyjnej względem stali węglowej zwykłej jakości.↩

3. PN-G-05011:1997 Rurociągi szybowe. Zasady projektowania .↩

4. Zygmunt Kawecki, Zasady projektowania kopalń, Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice 1993↩