Коэффициент инфильтрации

Миграция различных природных вод, представляющих собой растворы веществ, сквозь горные породы сопровождается различными явлениями, имеющими большое значение для геохимии.

На своем пути состав такого раствора значительно меняется. Углекислота, кислород, а также щелочи, щелочноземельные элементы, галоиды являются главными компонентами, которые, будучи в избытке, вступают в реакцию с вмещающими породами, или в свою очередь могут быть выщелочены из пород, если воды окажутся недосыщенными.

Механизм воздействия вод на породы еще мало изучен. Тем не менее следует остановиться на имеющихся данных. Р. Маккей предложил так называемый коэффициент инфильтрации, представляющий отношение скорости просачивания растворенного вещества (ν в) к скорости просачивания растворителя(ν р):

Нетрудно представить себе, что этот коэффициент варьирует весьма сильно для различных пород и просачивающихся сквозь них веществ. Однако во всех случаях этот коэффициент был меньше единицы, т. е. растворитель проникал сквозь породы с большей скоростью. Выравнивание скоростей растворенного вещества и растворителя наступает лишь при наличии разломов либо иного пути, при котором никакой фильтрации не происходит. Во всех остальных случаях плотные малопроницаемые породы играют роль фильтра - мембраны, которая затормаживала прохождение рудоносной части растворов, вызывая ее задержку, подпруживание, быстро приводившее к пересыщению раствора и началу минерализации.

Так, например, в Средней Азии в районах, сложенных переслаивающимися карбонатными породами и эффузивами, было обнаружено неоднократно повторяющееся в разрезе полиметаллическое оруденение, располагавшееся на нижней границе эффузивных пластов, игравших роль экрана для поступавших снизу рудоносных растворов.

В. А. Жариков поставил эксперименты с целью воспроизведения эффекта инфильтрации, в ходе которых обнаружил, что кислотный остаток солей, находившихся в растворе, мигрировал особенно ин- тенсивно, явно опережая продвижение оставшихся катионов. Это в свою очередь позволило Д. С. Коржинскому утверждать, что первая волна всякого метасоматического воздействия на породы отличается кислотностью. Косвенным подтверждением этого явились известные ореолы фтора вокруг касситеритовых залежей, мышьяка вокруг золотых месторождений и т. д.

Другим примером более сложного взаимодействия растворов и пород могут служить метасоматические залежи двух типов: апограниты и региональные метасоматиты.

В качестве примера метасоматитов первого рода рассмотрим апограниты северо-западного Тарбагатая. Они представляют собой несколько выходов биотитовых гранитов, подвергшихся воздействию щелочных растворов, в результате чего возникла вертикальная зональность. Массив Ак-Джайляо представляет собой глубинную часть гранита, из которого были вынесены рудные компоненты, два других массива - Ийсор и Большой - верхние зоны, характеризовавшиеся привносом натрия, фтора и редких элементов: лития, бериллия, редких земель, циркония, ниобия, тантала.

Зоны метасоматоза возникали на месторождениях Тарбагатая в следующей последовательности (по вертикали): жильные метасоматиты с рибекитом, эгирином (в экзоконтакте интрузии), рибекит-эгирин астрофиллит-биотит-полевой шпат (метасоматиты эндоконтакта интрузии), рибекит-альбитовые апограниты, кварц- микроклин-альбит-биотитовые породы (исходные граниты, подвергшиеся микроклинизации).

Эта зональность представляет собой инфильтрационную фациальную метасоматическую зональность Д. С. Коржинского.

Если рассматривать метасоматический процесс в последовательности его прохождения снизу вверх, то первая зона его будет характеризоваться площадной микроклинизацией. Эта часть разре-

за гранитов в результате подобного замещения явилась главной зоной выноса натрия, фтора и редких элементов. Следующая зона стала зоной альбитизации, что указывает на понижение щелочности и температуры (с ней связан привнос натрия, железа, фтора и редких земель и вынос калия, кремнезема, алюминия).

Повышение активности натрия, кальция, фтора и редких элементов в апикальной зоне гранитов ведет к появлению новых минералов к замещению эвксенита пирохлором и гагаринитом:

TR 2 Nb 2 O 8 + CaF 2 + NaF→(Са, TR, Na) Nb 2 0 6 F + Na (Са, TR) 2 F 6 .

Следовательно, и в данном, весьма ярко проявленном процессе метасоматоза снова улавливаются главные его черты: развитие в тыловой части метасоматической колонки мощного процесса К-метасоматоза, выше Na-метасоматоза и редкометального оруденения, сопровождаемого интенсивной минерализацией фтора.

Второй тип метасоматитов, носящих региональный характер, рассмотрим на примере Криворожского месторождения. Толща, состоящая из пластов железистых кварцитов и слюдистых сланцев, подверглась интенсивному метасоматозу, связанному с процессом гранитизации гнейсов, подстилающих Криворожскую толщу. В результате в породы поступали растворы, содержавшие значительное количество натрия и углекислоты. При воздействии этого раствора на железистые кварциты возникали эгириниты, слюдяные сланцы замещались альбититами. Углекислота привела к появлению карбонатных метасоматитов (доломита, кальцита, пистомезита, сидерита и др.), распространенных в зависимости от того, находились ли во вмещающих породах компоненты, способные дать соединение с углекислотой (медь, магний, железо и др.). Карбонатные метасоматиты обычно выходили за пределы щелочных метасоматитов.

Пробное давление. Давление, при котором испытывается аппарат, называется пробным. Величина пробного давления при гидравлическом испытании цилиндрических, конических, шаровых и других сосудов и аппаратов определяется по ОСТ 26-291-71 (табл. 9.3.5). В таблице  доп20 и  доп t - допускаемые напряжения для материала сосуда и его элементов при соответственно t = 20 °С и при рабочей температуре. Отношение  доп20 /  доп t принимается по тому из примененных в аппарате материалов, для которого это отношение наименьшее (обечайки, днища, аппаратные фланцы, патрубки и др.).

Таблица 9.3.5. Пробное давление при гидравлических испытаниях [ 2 ]

Величина пробного гидравлического давления для сосудов и аппаратов, работающих при минусовых температурах, принимается такой же, как при t = 20 °С. Сосуды и аппараты, работающие под давлением ниже 0,07 МПа, должны испытываться при р пр = 0,2 МПа. При испытании вертикальных аппаратов в горизонтальном положении к пробному давлению прибавляется гидростатическое давление.

Многослойные рулонированные сосуды высокого давления подвергаются на заводе-изготовителе гидравлической опрессовке технологическим давлением, равным 1,5 от расчетного давления, в целях увеличения плотности многослойной стенки и проверки прочности и герметичности соединений.

Сосуды и аппараты, на которые имеются специальные ГОСТы, испытываются при давлениях, указанных в этих ГОСТах.

Гидравлическое испытание. Сосуды и аппараты с защитным покрытием или изоляцией испытываются гидравлически, до наложения покрытия или изоляции.

Гидравлические испытания водой, температура которой не должна быть ниже 5 и выше 40 °С, проводят следующим образом. Аппарат в течение определенного времени (в зависимости от толщины стенки аппарата) находится при пробном давлении, после чего давление снижается до рабочего, при котором производят осмотр аппарата и обстукивание сварных швов молотком массой 0,5 - 1,5 кг (в зависимости от толщины стенки). Повышать давление до пробного и снижать до рабочего необходимо плавно и медленно.

При испытании многослойных рулонированных сосудов высокого давления снижение давления производят со скоростью 10 МПа/мин. При этом давление, равное рабочему, поддерживается в течение всего времени, необходимого для осмотра. Для литых и многослойных сосудов независимо от толщины стенки время выдержки принимают 60 мин.

Аппараты, работающие при атмосферном давлении, должны испытываться наливом воды. Залитый водой до верхней кромки сосуд выдерживается в течение четырех часов до начала осмотра с обстукиванием сварных швов молотком. В отдельных случаях допускается производить испытание смачиванием керосином сварного шва. При испытании керосином на поверхности, покрытой мелом, не должно быть масляных пятен.

Пневматическое испытание. Контроль плотности приварки укрепляющих колец и патрубков штуцеров осуществляется пневматическим испытанием при давлении 0,4-0,6 МПа с обмыливанием швов внутри и снаружи аппарата. Кроме того, в тех случаях, когда проведение гидравлического испытания невозможно (недопустимы большие напряжения от массы воды в аппарате; трудность удаления воды; наличие внутри аппарата футеровки, препятствующей заполнению аппарата водой), разрешается, согласно ОСТ 26-291-71, заменять его пневматическим испытанием посредством воздуха или другого нейтрального газа.

Пневматическое испытание производят, принимая особые меры предосторожности, так как этот вид испытания значительно опаснее гидравлического. Поэтому пневматическое испытание допускается только при условии положительных результатов, полученных после тщательного внутреннего осмотра и проверки прочности сосуда. Обстукивание аппарата под давлением при пневматическом испытании запрещается; для проверки аппарата производят обмыливание сварных швов.

Аппараты признаются выдержавшими гидравлическое и пневматическое испытания, если в процессе испытания не замечается падения давления по манометру в течение установленного времени, течи или потения через сварные швы и фланцевые соединения и если после испытания не возникает остаточных деформаций.

Техническое освидетельствование. Каждый аппарат, подведомственный Госгортехнадзору, подвергают внутренним осмотрам и гидравлическим испытаниям не только до пуска в работу, но и периодически - в процессе эксплуатации и досрочно после ремонта. Досрочным, или внеочередным, освидетельствованиям (внутреннему осмотру и гидравлическому испытанию) аппараты подвергаются: 1) после реконструкции или ремонта, например при применении сварки или пайки частей аппарата, работающих под давлением; 2) после демонтажа аппарата и установки на новом месте; 3) перед наложением на стенки аппарата защитного покрытия (если это производит предприятие-владелец аппарата).

При ремонте (или вскрытии) аппарата, связанном с удалением из него рабочей среды, предприятия, на которых эксплуатируется аппаратура, должны производить внутренний осмотр всех аппаратов не реже чем через 12 месяцев. Исключение составляют аппараты, работающие со средой, не вызывающей коррозии металла; такие аппараты подвергаются внутреннему осмотру не реже чем через 2 года. В процессе эксплуатации в соответствии с «Правилами устройства и эксплуатации сосудов, работающих под давлением» внутренний осмотр аппаратов проводится не реже чем через четыре года. Этим осмотром выявляется состояние внутренних и наружных поверхностей аппарата и влияние среды на его стенки. Гидравлическое испытание проводится не реже чем через восемь лет с предварительным внутренним осмотром.

Гидравлическое испытание при периодическом техническом освидетельствовании производится пробным давлением (см. табл. 9.3.5). При этом для аппаратов, работающих при температуре 200-400° С, величина пробного давления не должна превышать рабочее давление более чем в 1,5 раза, а при температуре стенки свыше 400° С-более чем в 2 раза. Гидравлическое испытание многослойных сосудов высокого давления проводится на пробное давление, равное 1,25 от рабочего давления.

Основной характеристикой трубопровода является диаметр и толщина стенки труб, из которых он изготовлен. Каждая труба имеет два диаметра: внутренний D вн и наружный D н. Между внутренними и наружными диаметрами труб имеется следующая зависимость:
,
где S – толщина стенки трубы.

При изменении толщины стенки трубы изменяется внутренний диаметр трубы, при этом наружный диаметр трубы остаётся постоянным, так как его изменение неизбежно вызывает изменение размеров присоединяемых арматуры и фитингов.

Чтобы сохранить для всех элементов трубопровода (труб, арматуры и соединительных частей) значение проходного сечения, обеспечивающее расчётные условия для прохода жидкости, пара или газа, введено понятие условного прохода . Под условным проходом труб, арматуры и соединительных деталей понимают средний внутренний диаметр труб (в свету), который соответствует одному или нескольким наружным диаметрам труб. Условный проход обозначают буквами DN с добавлением величины условного прохода в миллиметрах: например, условный проход диаметром 150 мм обозначают DN 150 . Истинный внутренний диаметр труб обычно не равен и не соответствует (за редким исключением) диаметру условного прохода. Так, например, у труб с наружным диаметром 159 мм при толщине стенки 8 мм истинный внутренний диаметр составляет 143 мм, а при толщине стенки 5 мм – 149 мм, однако в обоих случаях условный проход принимается равным 150 мм.

Величины условных проходов арматуры, соединительных частей, а также всех деталей технологического оборудования приборов, к которым присоединяют трубы или арматуру, установлены ГОСТом 28338-89 «Соединения трубопроводов и арматура. Проходы условные (размеры номинальные). Ряды». Эти величины имеют следующий ряд значений:

Толщину стенки труб и деталей трубопроводов выбирают в зависимости от наибольшего давления среды (газа или жидкости), транспортируемой по трубопроводу, от её температуры и механических свойств металла труб.

Как известно, механическая прочность металла труб, соединительных частей и арматуры с повышением температуры изменяется. Для увязки давления и температуры среды, протекающей по трубопроводу, введено понятие «условное давление», которое обозначается буквами P у.

Согласно ГОСТ 356-80 «Давления условные пробные и рабочие. Ряды». Под условным давлением (P у) следует понимать наибольшее избыточное давление при температуре среды 293 К (20 °С), при котором допустима длительная работа арматуры и деталей трубопровода, имеющих заданные размеры, обоснованные расчетом на прочность при выбранных материалах и характеристиках их прочности, соответствующих температуре 293 К (20°С).

Под пробным давлением (Р пр) следует понимать избыточное давление, при котором должно проводиться гидравлическое испытание арматуры и деталей трубопровода на прочность и плотность водой при температуре не менее 278 К (5°С) и не более 343 К (70°С), если в нормативно-технической документации не указано конкретное значение этой температуры. Предельное отклонение значения пробного давления не должно превышать ±5%.

Под рабочим давлением (Р р) следует понимать наибольшее избыточное давление, при котором обеспечивается заданный режим эксплуатации арматуры и деталей трубопровода.

Значения условных давлений арматуры и деталей трубопровода должны соответствовать следующему ряду: 0,10 (1,0); 0,16 (1,6); 0,25 (2,5); 0,40 (4,0); 0,63 (6,3); 1,00 (10); 1,60 (16); 2,50 (25); 4,00 (40); 6,30 (63); 10,00 (100); 12,50 (125); 16,00 (160); 20,00 (200); 25,00 (250); 32,00 (320); 40,00 (400); 50,00 (500); 63,00 (630); 80,00 (800); 100,00 (1000); 160,00 (1600); 250,00 (2500) МПа (кгс/см 2).

Для арматуры и деталей трубопровода, производство которых освоено до введения в действие ГОСТ 356-80, допускаются условные давления 0,6 (6); 6,4 (64) и 8,0 (80) МПа (кгс/см 2).

Производство гидравлических испытаний пробным давлением необходимо для проверки надёжности работы трубопровода в условиях эксплуатации, поэтому пробное давление всегда больше рабочего и условного давления в 1,25-1,5 раза, если нормативная документация не устанавливает ещё большие значения пробного давления.