Introduzione

Una condotta di drenaggio minerario non funziona a pressione costante.

La pressione all'interno di un tubo minerario in HDPE può cambiare ogni volta che una pompa di drenaggio si avvia, si arresta o cambia le sue condizioni operative. Il funzionamento della valvola può creare un altro rapido cambiamento di pressione. In una lunga linea di drenaggio sotterranea o superficiale, questi eventi possono generare onde di pressione che viaggiano attraverso il tubo.

Questo fenomeno è comunemente noto come colpo d'ariete o colpo di pressione.

Per un sistema di drenaggio minerario, la questione importante non è semplicemente se un tubo minerario in HDPE possa sopportare la sua normale pressione di esercizio. Il tubo deve inoltre tollerare le condizioni di pressione che si verificano durante il funzionamento della pompa e della valvola.

Ciò è particolarmente importante per il drenaggio minerario a lunga-distanza, dove un disturbo di pressione generato a un'estremità della tubazione può attraversare un'ampia sezione del sistema.

La guida PE100 riconosce il picco come un aumento di pressione a breve-termine superiore alla normale pressione operativa massima causato da rapidi cambiamenti nella velocità del fluido. Il funzionamento ripetuto della pompa e della valvola può anche creare un carico di pressione ciclico durante la vita utile di una tubazione.

Per i tubi da miniera in HDPE, il materiale stesso gioca un ruolo importante perché il polietilene è significativamente più flessibile dei tubi metallici rigidi. Questa flessibilità modifica il modo in cui il tubo risponde alla pressione transitoria.

Cosa succede all'interno di un tubo minerario in HDPE durante l'arresto della pompa?

Consideriamo una tipica conduttura di drenaggio di una miniera.

Una pompa spinge l'acqua attraverso un lungo tubo in HDPE da un punto di raccolta sotterraneo verso un punto di scarico superficiale. Mentre la pompa è in funzione, l'acqua ha una certa velocità. La parete del tubo è soggetta alla pressione interna associata al sistema di pompaggio.

Quando la pompa si ferma improvvisamente, l'acqua non smette immediatamente di muoversi.

L'acqua ha inerzia. L'acqua in movimento continua ad avanzare mentre la pompa non fornisce più la stessa forza motrice. Ciò crea un rapido cambiamento di velocità e tale cambiamento produce un'onda di pressione.

L'onda viaggia lungo il gasdotto.

Se la tubazione di drenaggio è lunga diverse centinaia di metri o diversi chilometri, il disturbo della pressione può spostarsi attraverso una lunghezza considerevole del tubo minerario in HDPE prima che il sistema ritorni alla sua normale condizione operativa.

Questo è il motivo per cui la pressione indicata sul manometro di scarico della pompa durante il normale funzionamento non è necessariamente la pressione più alta sperimentata dal tubo.

Il tubo deve far fronte sia alla normale pressione operativa che alla pressione transitoria.

Perché i tubi per miniere in HDPE rispondono diversamente ai picchi di pressione

La parete di un tubo da miniera in HDPE non è rigida allo stesso modo di un tubo in acciaio.

PE100 ha un modulo di elasticità a lungo-termine di circa 200 MPa, un rapporto di Poisson di circa 0,45 e un allungamento a rottura superiore al 600% secondo i dati di riferimento PE100+.

Queste proprietà sono rilevanti per i picchi di pressione perché la parete del tubo può deformarsi leggermente al variare della pressione interna.

Quando la pressione aumenta, il diametro del tubo può aumentare leggermente e la parete sviluppa un'ulteriore deformazione circonferenziale. Questa deformazione assorbe parte della risposta transitoria invece di forzare l'intera variazione di pressione in una parete del tubo estremamente rigida.

Ciò non significa che i tubi minerari in HDPE possano semplicemente ignorare il colpo d'ariete.

Ciò significa che la sua risposta materiale deve essere considerata quando si valuta la storia della pressione del sistema di drenaggio.

Una tubazione con frequenti avvii e arresti della pompa dovrebbe quindi essere valutata in base al suo ciclo operativo effettivo piuttosto che solo alla sua pressione statica.

La valutazione della pressione non è la stessa della pressione di picco

Questa distinzione è importante per gli appalti per il drenaggio delle miniere.

Supponiamo che un tubo minerario in HDPE sia specificato per una determinata classe di pressione PN. Tale valore nominale di pressione descrive la pressione operativa consentita del tubo in condizioni di progettazione definite.

L'arresto della pompa può creare un aumento temporaneo della pressione al di sopra della normale pressione operativa.

Pertanto la questione ingegneristica diventa:

Qual è la pressione massima all'interno del tubo minerario in HDPE durante il ciclo operativo completo?

La risposta dipende dalla pompa, dalla velocità del flusso, dalla lunghezza della tubazione, dal funzionamento della valvola, dal profilo altimetrico e dal tempo di arresto.

La guida PE100 raccomanda specificamente l'analisi delle sovratensioni per le tubazioni esposte a sovratensioni e carichi di fatica.

Per i sistemi di drenaggio delle miniere, ciò è particolarmente rilevante quando la tubazione ha un lungo tratto ascendente da una stazione di pompaggio sotterranea alla superficie.

I tubi lunghi in HDPE per miniere richiedono maggiore attenzione ai transitori di pressione

La lunghezza della tubazione cambia l'importanza del picco di pressione.

Un breve collegamento di drenaggio vicino a una pompa può presentare un disturbo di pressione che si risolve in tempi relativamente brevi.

Una lunga tubazione di drenaggio minerario si comporta diversamente.

L'onda di pressione può viaggiare lungo la tubazione, riflettersi sui cambiamenti nella geometria della tubazione, nelle valvole, nei serbatoi, nelle curve o nelle estremità della tubazione e interagire con altre onde di pressione.

Il risultato può essere una cronologia della pressione notevolmente più complicata della semplice "pressione normale più un aumento".

Questo è il motivo per cui i sistemi di tubazioni minerarie lunghe in HDPE non dovrebbero essere selezionati solo in base a un valore di pressione statica.

Il diametro del tubo è importante perché la velocità del flusso cambia con il diametro. A parità di portata, un diametro interno più piccolo produce una velocità dell’acqua più elevata. Un rapido cambiamento di tale velocità può generare un evento di pressione transitoria più significativo.

Anche lo spessore delle pareti e l'SDR sono importanti perché la geometria del tubo minerario in HDPE ne influenza la risposta alla pressione.

L'avvio della pompa-può anche creare variazioni di pressione

Il colpo d'ariete non si limita agli arresti di emergenza.

Anche una pompa che si avvia con una tubazione piena può creare un transitorio di pressione.

Ciò diventa importante nelle miniere dove le pompe di drenaggio funzionano automaticamente in base al livello dell'acqua.

Una pompa può avviarsi quando la coppa raggiunge un certo livello, funzionare per un certo periodo e quindi arrestarsi. Nel corso di una giornata normale, il tubo minerario in HDPE può subire molti di questi cicli di pressione.

Le variazioni di pressione individuali potrebbero non essere abbastanza grandi da causare un guasto immediato.

La questione più importante è la ripetizione.

La variazione ripetuta della pressione costituisce un carico di fatica. La guida PE100 distingue questo carico ciclico da un singolo evento di sovratensione e rileva che la frequenza e l’ampiezza dei cicli di pressione sono fattori importanti.

Pertanto, il modello operativo della miniera è importante tanto quanto la pressione nominale della pompa.

Parametri dei tubi per miniere in HDPE rilevanti per le sovratensioni

I valori PE100 sopra indicati sono valori di riferimento del materiale e non sostituiscono i dati di prodotto certificati dal produttore.

Per un vero progetto minerario, la classe PN selezionata e lo spessore della parete devono corrispondere alla pressione operativa massima, alla temperatura, alla pressione transitoria e alle condizioni di installazione.

Dove sono più esposti i tubi minerari in HDPE?

Il colpo di pressione non crea necessariamente la stessa condizione meccanica ovunque nella tubazione.

La sezione di scarico della pompa può subire rapidi cambiamenti di pressione. Le posizioni delle valvole possono generare condizioni transitorie localizzate. I cambiamenti di altitudine possono influenzare la pressione statica. Anche i lunghi tratti verticali possono produrre una notevole pressione idraulica a causa delle differenze di elevazione.

Le connessioni meritano un'attenzione particolare.

Una flangia, una valvola o una connessione di pompa introduce un cambiamento locale nella rigidità e nella geometria. Il tubo da miniera dritto in HDPE può deformarsi in modo diverso dal gruppo di connessione.

Pertanto, l'analisi dei picchi di pressione dovrebbe essere considerata insieme alla progettazione della connessione anziché trattare il tubo come un componente isolato.

In che modo gli acquirenti dovrebbero valutare i tubi di drenaggio in HDPE per miniere?

Una specifica di approvvigionamento basata solo su "tubo in HDPE, PN10" potrebbe non descrivere la condizione operativa completa.

Per una tubazione di drenaggio minerario, il fornitore deve comprendere il DN richiesto, la pressione operativa normale, la pressione massima, la portata della pompa, la frequenza di avvio/arresto della pompa, la lunghezza della tubazione e il profilo altimetrico.

La differenza tra la normale pressione operativa e la massima pressione transitoria è particolarmente importante.

Ad esempio, una pompa può normalmente funzionare a una pressione ben inferiore alla classe di pressione nominale, ma un arresto rapido può aumentare temporaneamente la pressione. La scelta del tubo deve quindi considerare l'intero inviluppo di pressione.

Le linee guida per la progettazione PE100+ mettono in relazione la pressione operativa massima con la resistenza del materiale, l'SDR e il coefficiente di servizio applicabile, dimostrando perché la geometria del tubo e le condizioni operative non possono essere separate dalla pressione nominale.

Conclusione

Il colpo d'ariete non è un problema idraulico astratto per un tubo minerario in HDPE.

Si tratta di una vera e propria condizione operativa creata dalle pompe e dalle valvole che controllano il drenaggio della miniera.

Quando una pompa si ferma, una valvola si chiude o la velocità dell'acqua cambia rapidamente, la pressione all'interno della tubazione può temporaneamente aumentare al di sopra della normale pressione operativa. In una lunga tubazione di drenaggio minerario, l'onda di pressione risultante può attraversare un'ampia sezione del tubo in HDPE.

La flessibilità del PE100 cambia il modo in cui il tubo risponde a questo carico transitorio, mentre il DN del tubo, lo spessore della parete, l'SDR e la classe di pressione ne determinano la capacità strutturale.

Per questo motivo, la scelta dei tubi minerari in HDPE per il drenaggio delle miniere dovrebbe basarsi non solo sulla pressione statica. Dovrebbero essere considerati anche il ciclo di pompaggio effettivo e le condizioni di pressione transitoria, soprattutto per i sistemi di drenaggio a lunga-distanza con un funzionamento frequente della pompa.

Per gli acquirenti del settore minerario, la specifica chiave non è semplicemente la pressione stampata sul tubo. La questione è se l'intero sistema di tubazioni minerarie in HDPE è in grado di gestire la storia della pressione creata dall'effettiva operazione di drenaggio della miniera.

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