Introdução

Uma tubulação de drenagem de mina não opera sob pressão constante.

A pressão dentro de um tubo de mineração HDPE pode mudar toda vez que uma bomba de drenagem inicia, para ou altera sua condição operacional. A operação da válvula pode criar outra mudança rápida de pressão. Em uma longa linha de drenagem subterrânea ou superficial, esses eventos podem gerar ondas de pressão que viajam através da tubulação.

Este fenômeno é comumente conhecido como golpe de aríete ou surto de pressão.

Para um sistema de drenagem de mineração, a questão importante não é simplesmente se um tubo de mineração HDPE pode suportar a pressão normal de trabalho. A tubulação também precisa tolerar as condições de pressão que ocorrem durante a operação da bomba e da válvula.

Isso é particularmente importante para drenagem de minas de longa-distância, onde uma perturbação de pressão gerada em uma extremidade da tubulação pode percorrer uma grande seção do sistema.

A orientação PE100 reconhece o surto como um aumento de pressão-de curto prazo acima da pressão operacional máxima normal causado por mudanças rápidas na velocidade do fluido. Operações repetidas de bombas e válvulas também podem criar cargas de pressão cíclicas ao longo da vida útil de uma tubulação.

Para tubos de mineração HDPE, o próprio material desempenha um papel importante porque o polietileno é significativamente mais flexível que o tubo metálico rígido. Essa flexibilidade muda a forma como o tubo responde à pressão transitória.

O que acontece dentro de uma tubulação de mineração HDPE durante o desligamento da bomba?

Considere uma típica tubulação de drenagem de mina.

Uma bomba empurra a água através de um longo tubo de HDPE de um ponto de coleta subterrâneo em direção a um ponto de descarga superficial. Enquanto a bomba está funcionando, a água tem uma certa velocidade. A parede do tubo está sujeita à pressão interna associada ao sistema de bombeamento.

Quando a bomba para repentinamente, a água não para imediatamente de se mover.

A água tem inércia. A água em movimento continua avançando enquanto a bomba não fornece mais a mesma força motriz. Isso cria uma rápida mudança na velocidade e essa mudança produz uma onda de pressão.

A onda viaja ao longo do gasoduto.

Se a tubulação de drenagem tiver várias centenas de metros ou vários quilômetros de comprimento, a perturbação de pressão poderá se mover através de uma extensão substancial da tubulação de mineração de HDPE antes que o sistema retorne à sua condição normal de operação.

É por isso que a pressão mostrada no medidor de descarga da bomba durante a operação normal não é necessariamente a pressão mais alta experimentada pela tubulação.

O tubo tem que lidar tanto com a pressão normal de operação quanto com a pressão transitória.

Por que o tubo de mineração HDPE responde de maneira diferente ao aumento de pressão

A parede de um tubo de mineração HDPE não é rígida da mesma forma que um tubo de aço.

O PE100 tem um módulo de elasticidade-de longo prazo de aproximadamente 200 MPa, um índice de Poisson de cerca de 0,45 e um alongamento na ruptura superior a 600% de acordo com os dados de referência do PE100+.

Estas propriedades são relevantes para surtos de pressão porque a parede do tubo pode deformar-se ligeiramente à medida que a pressão interna muda.

Quando a pressão aumenta, o diâmetro do tubo pode aumentar ligeiramente e a parede desenvolve deformação circunferencial adicional. Essa deformação absorve parte da resposta transitória em vez de forçar toda a mudança de pressão em uma parede extremamente rígida do tubo.

Isso não significa que o tubo de mineração HDPE possa simplesmente ignorar o golpe de aríete.

Isso significa que sua resposta material precisa ser considerada ao avaliar o histórico de pressão do sistema de drenagem.

Uma tubulação com partidas e paradas frequentes da bomba deve, portanto, ser avaliada de acordo com seu ciclo operacional real e não apenas com sua pressão estática.

A classificação de pressão não é igual à pressão de surto

Esta distinção é importante para a aquisição de drenagem de minas.

Suponha que um tubo de mineração HDPE seja especificado para uma determinada classe de pressão PN. Essa classificação de pressão descreve a pressão operacional permitida do tubo sob condições de projeto definidas.

O desligamento da bomba pode criar um aumento temporário de pressão acima da pressão normal de operação.

Portanto, a questão da engenharia passa a ser:

Qual é a pressão máxima dentro do tubo de mineração HDPE durante o ciclo operacional completo?

A resposta depende da bomba, da velocidade do fluxo, do comprimento da tubulação, da operação da válvula, do perfil de elevação e do tempo de desligamento.

A orientação PE100 recomenda especificamente a análise de surtos para tubulações expostas a sobrecargas e cargas de fadiga.

Para sistemas de drenagem de minas, isto é particularmente relevante quando a conduta tem uma longa secção ascendente desde uma estação de bombagem subterrânea até à superfície.

Tubos longos de mineração HDPE precisam de mais atenção aos transientes de pressão

O comprimento da tubulação altera a importância do aumento de pressão.

Uma conexão de drenagem curta perto de uma bomba pode sofrer uma perturbação de pressão que se estabiliza de forma relativamente rápida.

Uma longa tubulação de drenagem de mina se comporta de maneira diferente.

A onda de pressão pode viajar ao longo da tubulação, refletir em mudanças na geometria da tubulação, válvulas, tanques, curvas ou extremidades da tubulação e interagir com outras ondas de pressão.

O resultado pode ser um histórico de pressão consideravelmente mais complicado do que simplesmente “pressão normal mais um surto”.

É por isso que os sistemas longos de tubos de mineração HDPE não devem ser selecionados apenas a partir de um valor de pressão estática.

O diâmetro do tubo é importante porque a velocidade do fluxo muda com o diâmetro. Para a mesma vazão, um diâmetro interno menor produz uma velocidade de água mais alta. Uma mudança rápida nessa velocidade pode gerar um evento de pressão transitório mais significativo.

A espessura da parede e o SDR também são importantes porque a geometria do tubo de mineração HDPE influencia sua resposta à pressão.

A inicialização-da bomba também pode criar alterações de pressão

O golpe de aríete não se limita a paradas de emergência.

Uma bomba partindo contra uma tubulação cheia também pode criar um transiente de pressão.

Isto se torna importante em minas onde as bombas de drenagem operam automaticamente de acordo com o nível da água.

Uma bomba pode iniciar quando o reservatório atinge um determinado nível, funcionar por um período e depois parar. Durante um dia normal, o tubo de mineração HDPE pode passar por muitos desses ciclos de pressão.

As alterações individuais de pressão podem não ser grandes o suficiente para causar falha imediata.

A questão mais importante é a repetição.

A variação repetida da pressão é uma carga de fadiga. A orientação PE100 distingue esta carga cíclica de um único evento de surto e observa que a frequência e amplitude dos ciclos de pressão são fatores importantes.

Portanto, o padrão operacional da mina é tão importante quanto a pressão nominal da bomba.

Parâmetros do tubo de mineração HDPE relevantes para surto

Os valores PE100 acima são valores de referência de material e não uma substituição dos dados de produtos certificados do fabricante.

Para um projeto de mineração real, a classe PN selecionada e a espessura da parede precisam corresponder à pressão máxima de operação, temperatura, pressão transitória e condições de instalação.

Onde o tubo de mineração HDPE está mais exposto?

O surto de pressão não cria necessariamente a mesma condição mecânica em toda a tubulação.

A seção de descarga da bomba pode sofrer mudanças rápidas de pressão. A localização das válvulas pode gerar condições transitórias localizadas. Mudanças na elevação podem afetar a pressão estática. Longas seções verticais também podem produzir pressão hidráulica substancial devido às diferenças de elevação.

As conexões merecem atenção especial.

Uma conexão de flange, válvula ou bomba introduz uma mudança local na rigidez e na geometria. O tubo reto de mineração HDPE pode deformar-se de maneira diferente do conjunto de conexão.

Portanto, a análise de picos de pressão deve ser considerada em conjunto com o projeto da conexão, em vez de tratar o tubo como um componente isolado.

Como os compradores devem avaliar o tubo de mineração HDPE para drenagem?

Uma especificação de aquisição baseada apenas em "tubo HDPE, PN10" pode não descrever a condição operacional completa.

Para uma tubulação de drenagem de mina, o fornecedor deve compreender o DN necessário, a pressão normal de operação, a pressão máxima, a vazão da bomba, a frequência de partida/parada da bomba, o comprimento da tubulação e o perfil de elevação.

A diferença entre a pressão operacional normal e a pressão transitória máxima é particularmente importante.

Por exemplo, uma bomba pode normalmente funcionar a uma pressão bem abaixo da classe de pressão nominal, mas um desligamento rápido pode aumentar temporariamente a pressão. A seleção do tubo, portanto, precisa considerar o envelope de pressão completo.

A orientação de projeto PE100+ relaciona a pressão operacional máxima à resistência do material, ao SDR e ao coeficiente de serviço aplicável, demonstrando por que a geometria do tubo e as condições operacionais não podem ser separadas da classificação de pressão.

Conclusão

O golpe de aríete não é um problema hidráulico abstrato para uma tubulação de mineração de HDPE.

É uma condição real de funcionamento criada pelas bombas e válvulas que controlam a drenagem da mina.

Quando uma bomba para, uma válvula fecha ou a velocidade da água muda rapidamente, a pressão dentro da tubulação pode subir temporariamente acima da pressão normal de operação. Em uma longa tubulação de drenagem de mina, a onda de pressão resultante pode viajar através de uma grande seção do tubo HDPE.

A flexibilidade do PE100 altera a forma como o tubo responde a essa carga transitória, enquanto o DN, a espessura da parede, o SDR e a classe de pressão do tubo determinam sua capacidade estrutural.

Por esta razão, a seleção de tubos de mineração HDPE para drenagem de minas não deve ser baseada apenas na pressão estática. O ciclo de bombeamento real e as condições de pressão transitória também devem ser considerados, especialmente para sistemas de drenagem de longa-distância com operação frequente da bomba.

Para os compradores de mineração, a especificação principal não é simplesmente a pressão impressa no tubo. É se o sistema completo de tubulação de mineração HDPE pode lidar com o histórico de pressão criado pela operação real de drenagem da mina.

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