Introducción

Una tubería de drenaje de mina no opera bajo presión constante.

La presión dentro de una tubería minera de HDPE puede cambiar cada vez que una bomba de drenaje arranca, se detiene o cambia su condición de funcionamiento. La operación de la válvula puede crear otro cambio rápido de presión. En una línea de drenaje subterránea o superficial larga, estos eventos pueden generar ondas de presión que viajan a través de la tubería.

Este fenómeno se conoce comúnmente como golpe de ariete o aumento de presión.

Para un sistema de drenaje minero, la pregunta importante no es simplemente si una tubería minera de HDPE puede soportar su presión de trabajo normal. La tubería también debe tolerar las condiciones de presión que se producen durante el funcionamiento de la bomba y la válvula.

Esto es particularmente importante para el drenaje de minas de larga-distancia, donde una perturbación de presión generada en un extremo de la tubería puede atravesar una gran sección del sistema.

La guía PE100 reconoce el aumento repentino como un-aumento de presión a corto plazo por encima de la presión operativa máxima normal causado por cambios rápidos en la velocidad del fluido. Las operaciones repetidas de bombas y válvulas también pueden crear cargas de presión cíclicas durante la vida útil de una tubería.

Para las tuberías de minería de HDPE, el material en sí juega un papel importante porque el polietileno es significativamente más flexible que las tuberías metálicas rígidas. Esa flexibilidad cambia la forma en que la tubería responde a la presión transitoria.

¿Qué sucede dentro de una tubería minera de HDPE durante el apagado de la bomba?

Considere una tubería de drenaje típica de una mina.

Una bomba empuja agua a través de una larga tubería de HDPE desde un punto de recolección subterráneo hacia un punto de descarga superficial. Mientras la bomba está funcionando, el agua tiene una cierta velocidad. La pared de la tubería está sujeta a la presión interna asociada con el sistema de bombeo.

Cuando la bomba se detiene repentinamente, el agua no deja de moverse inmediatamente.

El agua tiene inercia. El agua en movimiento continúa avanzando mientras la bomba ya no proporciona la misma fuerza motriz. Esto crea un cambio rápido en la velocidad y ese cambio produce una onda de presión.

La onda viaja a lo largo del oleoducto.

Si la tubería de drenaje tiene varios cientos de metros o varios kilómetros de largo, la perturbación de presión puede moverse a través de una longitud sustancial de tubería minera de HDPE antes de que el sistema vuelva a su condición operativa normal.

Esta es la razón por la que la presión que se muestra en el manómetro de descarga de una bomba durante el funcionamiento normal no es necesariamente la presión más alta que experimenta la tubería.

La tubería tiene que soportar tanto la presión de funcionamiento normal como la presión transitoria.

Por qué las tuberías de HDPE para minería responden de manera diferente al aumento de presión

La pared de una tubería minera de HDPE no es rígida de la misma manera que una tubería de acero.

PE100 tiene un módulo de elasticidad a largo plazo- de aproximadamente 200 MPa, un índice de Poisson de aproximadamente 0,45 y un alargamiento de rotura superior al 600 % según los datos de referencia de PE100+.

Estas propiedades son relevantes para el aumento de presión porque la pared de la tubería puede deformarse ligeramente a medida que cambia la presión interna.

Cuando la presión aumenta, el diámetro de la tubería puede aumentar ligeramente y la pared desarrolla una tensión circunferencial adicional. Esa deformación absorbe parte de la respuesta transitoria en lugar de forzar todo el cambio de presión en una pared de tubería extremadamente rígida.

Esto no significa que las tuberías de minería de HDPE puedan simplemente ignorar el golpe de ariete.

Significa que se debe considerar su respuesta material al evaluar el historial de presión del sistema de drenaje.

Por lo tanto, una tubería con frecuentes arranques y paradas de bombas debe evaluarse de acuerdo con su ciclo operativo real y no solo con su presión estática.

La clasificación de presión no es la misma que la sobrepresión

Esta distinción es importante para la adquisición de drenaje minero.

Supongamos que se especifica una tubería de minería de HDPE para una determinada clase de presión PN. Esa clasificación de presión describe la presión operativa permitida de la tubería en condiciones de diseño definidas.

Una parada de la bomba puede crear un aumento temporal de la presión por encima de la presión de funcionamiento normal.

Por lo tanto, la pregunta de ingeniería es:

¿Cuál es la presión máxima dentro de la tubería minera de HDPE durante el ciclo operativo completo?

La respuesta depende de la bomba, la velocidad del flujo, la longitud de la tubería, el funcionamiento de la válvula, el perfil de elevación y el tiempo de parada.

La guía PE100 recomienda específicamente el análisis de sobretensiones para tuberías expuestas a sobretensiones y cargas de fatiga.

Para los sistemas de drenaje de minas, esto es particularmente relevante cuando la tubería tiene una sección larga ascendente desde una estación de bombeo subterránea hasta la superficie.

Las tuberías mineras largas de HDPE necesitan más atención a los transitorios de presión

La longitud de la tubería cambia la importancia del aumento de presión.

Una conexión de drenaje corta cerca de una bomba puede experimentar una perturbación de presión que se estabiliza con relativa rapidez.

Una tubería larga de drenaje de mina se comporta de manera diferente.

La onda de presión puede viajar a lo largo de la tubería, reflejarse en cambios en la geometría de la tubería, válvulas, tanques, curvas o extremos de la tubería e interactuar con otras ondas de presión.

El resultado puede ser un historial de presión considerablemente más complicado que simplemente "presión normal más un aumento repentino".

Esta es la razón por la que los sistemas de tuberías largas de HDPE para minería no deben seleccionarse únicamente en función de un valor de presión estática.

El diámetro de la tubería es importante porque la velocidad del flujo cambia con el diámetro. Para el mismo caudal, un diámetro interno más pequeño produce una mayor velocidad del agua. Un cambio rápido en esa velocidad puede generar un evento de presión transitoria más significativo.

El espesor de la pared y el SDR también son importantes porque la geometría de la tubería minera de HDPE influye en su respuesta a la presión.

El arranque-de la bomba también puede generar cambios de presión

El golpe de ariete no se limita a paradas de emergencia.

Una bomba que arranca contra una tubería llena también puede crear un transitorio de presión.

Esto resulta importante en minas donde las bombas de drenaje funcionan automáticamente según el nivel del agua.

Una bomba puede arrancar cuando el sumidero alcanza un cierto nivel, funcionar durante un período y luego detenerse. Durante un día normal, la tubería minera de HDPE puede experimentar muchos de estos ciclos de presión.

Es posible que los cambios de presión individuales no sean lo suficientemente grandes como para causar una falla inmediata.

La cuestión más importante es la repetición.

La variación repetida de la presión es una carga de fatiga. La guía PE100 distingue esta carga cíclica de un solo evento de sobretensión y señala que la frecuencia y amplitud de los ciclos de presión son factores importantes.

Por lo tanto, el patrón de operación de la mina es tan importante como la presión nominal de la bomba.

Parámetros de tuberías de minería de HDPE relevantes para el aumento repentino

Los valores de PE100 anteriores son valores de referencia materiales en lugar de un reemplazo de los datos del producto certificado por el fabricante.

Para un proyecto minero real, la clase PN seleccionada y el espesor de pared deben coincidir con la presión operativa máxima, la temperatura, la presión transitoria y las condiciones de instalación.

¿Dónde está más expuesta la tubería minera de HDPE?

El aumento de presión no necesariamente crea la misma condición mecánica en todas partes de la tubería.

La sección de descarga de la bomba puede experimentar cambios rápidos de presión. Las ubicaciones de las válvulas pueden generar condiciones transitorias localizadas. Los cambios de elevación pueden afectar la presión estática. Las secciones verticales largas también pueden producir una presión hidráulica sustancial debido a las diferencias de elevación.

Las conexiones merecen especial atención.

Una conexión de brida, válvula o bomba introduce un cambio local en rigidez y geometría. La tubería minera recta de HDPE puede deformarse de manera diferente al conjunto de conexión.

Por lo tanto, el análisis del aumento de presión debe considerarse junto con el diseño de la conexión en lugar de tratar la tubería como un componente aislado.

¿Cómo deberían los compradores evaluar las tuberías de HDPE para minería para drenaje?

Es posible que una especificación de adquisición basada únicamente en "tubería de HDPE, PN10" no describa la condición operativa completa.

Para una tubería de drenaje de mina, el proveedor debe comprender el DN requerido, la presión de operación normal, la presión máxima, el caudal de la bomba, la frecuencia de arranque/parada de la bomba, la longitud de la tubería y el perfil de elevación.

La diferencia entre la presión de funcionamiento normal y la presión transitoria máxima es particularmente importante.

Por ejemplo, una bomba normalmente puede funcionar a una presión muy por debajo de la clase de presión nominal, pero una parada rápida puede aumentar temporalmente la presión. Por lo tanto, la selección de la tubería debe considerar la envolvente de presión completa.

La guía de diseño de PE100+ relaciona la presión operativa máxima con la resistencia del material, el SDR y el coeficiente de servicio aplicable, lo que demuestra por qué la geometría de la tubería y las condiciones operativas no se pueden separar de la clasificación de presión.

Conclusión

El golpe de ariete no es un problema hidráulico abstracto para una tubería minera de HDPE.

Es una condición operativa real creada por las bombas y válvulas que controlan el drenaje de la mina.

Cuando una bomba se detiene, una válvula se cierra o la velocidad del agua cambia rápidamente, la presión dentro de la tubería puede aumentar temporalmente por encima de su presión de funcionamiento normal. En una tubería de drenaje de mina larga, la onda de presión resultante puede viajar a través de una gran sección de la tubería de HDPE.

La flexibilidad del PE100 cambia la forma en que la tubería responde a esta carga transitoria, mientras que el DN, el espesor de la pared, el SDR y la clase de presión de la tubería determinan su capacidad estructural.

Por esta razón, la selección de tuberías de HDPE para drenaje de minas debe basarse no sólo en la presión estática. También se deben considerar el ciclo de bombeo real y las condiciones de presión transitoria, especialmente para sistemas de drenaje de larga-distancia con funcionamiento frecuente de la bomba.

Para los compradores de minería, la especificación clave no es simplemente la presión impresa en la tubería. Se trata de si el sistema completo de tuberías de minería de HDPE puede soportar el historial de presión creado por la operación de drenaje real de la mina.

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