jueves, febrero 2, 2023

Dimensionamiento de la Caja de Válvulas – Bomba Mars L 180 a través de la modificación del diseño original mediante la inclusión de un Tanque de Alivio, Tanque de Contra presión

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Este trabajo fue elaborado en la Compañía Minera Santa Luisa S.A. que cuenta con información sobre toda acción implementada al diseño inicial de una Caja de Válvulas para una Bomba Mars L – 180. Se muestra datos iniciales y posteriores (parámetros de funcionalidad) del proceso de este equipo.

1. RESUMEN

La modificación en el diseño inicial y adecuación del transporte de relave se hizo con propósito principal de reducir el ingreso y formación de aire y obtener un caudal constante durante la operación del equipo. Así como, una reducción de costo relacionado al número de cambios de tuberías, elementos de desgaste y disminuir en gran proporción la posibilidad de un accidente ambiental por fuga de relave al medio ambiente.

2. INTRODUCCIÓN

La Compañía Minera Santa Luisa S.A. tiene una producción promedio de 1800 toneladas de cabeza (material de ingreso a chancado primario) y con una recuperación de 400 toneladas de concentrado de mineral entre cobre, plomo y zinc, para la cantidad mencionada de producción se requiere el uso de agua debido al proceso metalúrgico, además libera gran cantidad de pulpa con baja ley (llamado relave).

El relave es un conjunto de materiales finales contaminados que junto al agua se desechan. También se extrae lodo de interior mina hacia unos tanques con cuatro bombas de tornillo marca NOVA, una cierta cantidad de agua se reutiliza y el resto de agua con relave se envía a relavera (200 metros por encima del nivel de referencia de las bombas) mediante tres bombas de pistón marca Mitsubishi tipo MARS (sistema mecánico) y una bomba Putzmeister (sistema hidráulico).

Las bombas Mars, pertenecen a la línea crítica del proceso de operación de toda la minera, debido a que, si éstas dejan de funcionar se paraliza la operación de toda la mina. De interior mina sale aguas acidas con ph menores a 5, los límites permisibles según el Ministerio de Energía y Minas es un ph mayor a 6.5 y menor a 8.5, pasado estas medidas se considera contaminación ambiental de alto grado.

Dimensionamiento de la Caja de Válvulas - Bomba Mars L 180 a traves de la Modificación del diseño original mediante la inclusión de un Tanque de Alivio, Tanque de Contra presión  - Grafico 01

El relave a bombear tiene características como: 38% de sólidos en peso y una densidad de 1469 gr/lt. Este llega a un recipiente de acumulación denominado calacon (abierto a la atmosfera), para después suministrar una cantidad continua de flujo a los tanques de alimentación (abierto a la atmosfera) de las tres bombas Mars y bomba Putzmeister. Figura 1: Primera recepción, calacón. Figura 2: Tanque de alimentación a la bomba (material de concreto.

3. PROBLEMA GENERAL

El diseño original de la bomba Mars permitía un alto ingreso de aire, los cuales implosionaban en todo el recorrido del flujo, provocando; desgaste prematuro en los componentes de transporte de la bomba y en las paredes internas de las tuberías de transporte de relave, lo que significaba, una reducción de la vida útil y elevación de costos para los presupuestos anuales y una alta probabilidad de suceder un accidente ambiental.

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ¿Cómo aumentar la vida útil de las tuberías de relave evitando más accidentes ambientales, y obtener un caudal de salida constante de flujo, generando un menor gasto en el transporte de relave?

BOMBA MARS

La bomba Mars es de fabricación japonesa, modelo antiguo, con un sistema de operación mecánico – hidráulico, como se muestra en la figura N° 3. Esta bomba es accionada por un motor eléctrico, generando una acción en las bielas que transforman el movimiento circular en movimiento de traslación, los pistones al realizar un movimiento alternativo succionan el fluido hacia el interior del cilindro a través de la válvula de aspiración o succión, comprimiéndolo posteriormente en su recorrido inverso, obligándolo a salir a través de la válvula de impulsión o descarga hacia el conducto de salida.

Dimensionamiento de la Caja de Válvulas - Bomba Mars L 180 a traves de la Modificación del diseño original mediante la inclusión de un Tanque de Alivio, Tanque de Contra presión  - Grafico 02
Figura 3: Bomba Mars L 180
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Esta bomba es compacta reciprocante de alta presión y de simple efecto, pero de doble pistón y se diferencia de las bombas convencionales en poseer una cámara de aceite entre la caja de válvula y el cilindro, las cámaras de aceite están llenas de aceite en la parte alta y de emulsión de la parte inferior, el aceite y la emulsión están separados por la diferencia en su gravedad especifica respectiva, evitando la entrada de emulsión en el cilindro cuando la bomba está en operación.

4.- MODIFICACIÓN EN EL DISEÑO ORIGINAL Y MEJORAMIENTO DEL PROCESO DE TRANSPORTE DE RELAVE

Dimensionamiento de la Caja de Válvulas - Bomba Mars L 180 a traves de la Modificación del diseño original mediante la inclusión de un Tanque de Alivio, Tanque de Contra presión  - Grafico 04

De las tres bombas Mars (1, 2 y 4) que posee Compañía minera Santa Luisa, la bomba Mars N° 4, fue seleccionada en enero del 2019 para realizar las modificaciones en su diseño (basándose en los principios de la mecánica de fluidos). Ya que esta bomba trabaja más en relación a las otras, con un tiempo promedio de 14 horas al día.

I) Agrandamiento en la geometría de la caja de válvulas

Para un mayor volumen de aspiración y descarga del fluido, generando un mayor caudal.

II) Instalación del taque de alivio CAUSAS DE LA PRESENCIA DE AIRE EN LA TUBERÍA DE BOMBEO 

a) Por liberación del aire disuelto en el agua:

Un fluido contiene aire disuelto en cantidades variables, dependiendo de la presión y la temperatura. Así, a la temperatura de 20ºC y presión atmosférica, el contenido de aire disuelto en el agua es de 20 litros por cada m3 de agua. En el caso de la bomba Mars, el caudal de ingreso es de 1.7 m3/min lo que significa que por cada minuto ingresa 17 litros de aire que permanecerá atrapado en la tubería.

b) Por entrada de aire desde el exterior de las tuberías:

Al crear el bombeo una acción de traslación de pistones en puntos de la aspiración. Al pasar el agua de una sección parcialmente llena a una sección totalmente llena.

c) Por evacuación incompleta del aire durante el llenado de las tuberías.

La presencia de aire trae consecuencias como:

Reducción de la sección efectiva de la tubería:

El aire se va concentrando en las tuberías y accesorios, en forma de bolsas. Estas bolsas se localizan generalmente en los puntos altos de la conducción, reduciendo la sección de paso y produciendo los siguientes efectos: reducción de la capacidad de trasporte en la tubería, incremento de las pérdidas de carga, y posibilidad de producirse cavitación. Si el sistema está alimentado por bombeo (impulsiones), se requerirá una mayor presión con una menor eficiencia de las bombas y, en determinados casos, el bombeo no será capaz de suministrar la mayor presión requerida para vencer las bolsas de aire, con lo que el flujo del sistema se detendrá totalmente.

Errores en los elementos de medición.

Los contadores no distinguen el volumen de aire o del agua por lo que, en los instrumentos que miden volúmenes, se registran tanto el de aire como el de agua proporcionando, en consecuencia, medidas inexactas. A igualdad de presión y temperatura, la velocidad del aire es 29 veces superior a la del agua por lo que, en los instrumentos que miden velocidades, la presencia de aire dará lecturas erróneas y producirá desgastes anormales en los elementos giratorios de los contadores, pudiendo llegar a inutilizarlos para su función medidora. – Rotura de tuberías por sobrepresión: La existencia de aire puede producir aumentos drásticos de presión que produzcan la rotura de las tuberías. – Colapso de tuberías por succión: El vaciado rápido de una tubería, intencionada o accidental (rotura, etc.), crea succión y vacío dentro de la misma, pudiendo dañar la estructura física de la tubería y, en casos externos, provocar su rotura por aplastamiento.

Cavitación:

Al pasar el agua a través de los accesorios de las tuberías, la velocidad de circulación aumenta debido a la reducción de la sección, lo que provoca una caída de presión local y la formación de burbujas de vapor. Cuando las condiciones de flujo vuelven a normalizarse, las burbujas se colapsan, liberando grandes cantidades de energía y provocando erosiones importantes en los elementos de su entorno.

ACCION IMPLEMENTADA

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La implementación de un tanque de alivio en cada caja de válvulas (02 unidades), permite en primera instancia la recolección del 90% de aire que ingresa con el flujo. Su accionar del tanque de alivio tiene como principio la diferencia de densidades que existe entre el aire y el fluido. El flujo una vez ingresado a la caja de válvulas tiene comunicación con el tanque de alivio, donde el aire se desplaza hacia el tanque de alivio, ascendiendo hasta la parte superior para que después sea liberado mediante una válvula.

PROBLEMAS RESUELTOS

  • a) Disminución de la frecuencia de cambio de repuestos de algunos elementos del equipo, tales como la caja de válvulas, tuberías de alimento a la botella.
  • b) En el sistema de transporte (tubos de acero 6”x 6m ASTM A53, GR B, Schedule (SCH) 80, a lo largo de más de 1800 metros y una diferencia de altura de bombeo de hasta 200 metros).

Son tres bombas Mars la que bombean relave, cada una con una línea independiente de bombeo. Para comprobar la eliminación de aire se realizó, el corte de forma longitudinal y simétrico, mediante proceso oxicorte en un ambiente seguro.

ESQUEMA DE CORTE DE TUBERÍA.

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Un tubo de acero ø6” ASTM A53, GR B, Schedule (SCH) 80 de longitud 6 metros, es dividido longitudinalmente en 09 partes, 08 puntos identificados con la letra “P”, así mismo, en la sección transversal es identificada mediante 08 puntos con denominación “A”.

Para realizar el corte, se eligió tuberías con un similar tiempo de operación y localización geográfica, con y sin tanque de alivio en la caja de válvulas, donde se hace una comparación de los espesores, principalmente en los puntos A1(parte superior) y A5 (parte inferior).

• Tubería 81 – Línea 2(08 meses de vida operacional): La caja de válvula de esta bomba cuenta con tanque de alivio.

• Tubería 69 – Línea 3 (07 meses de vida operacional): La caja de válvula de esta bomba no cuenta con tanque de alivio.

NOTA: – Los puntos de color rojo son valores desde 0 a 4.99mm de espesor en las tuberías. – Los puntos amarillos son valores desde 5.0 a 5.99mm de espesor en las tuberías.

  • La cavitación ocurre en la parte superior del tubo (puntos A1).
  • Se aprecia que la tubería #69 (línea 3) tiene menor espesor en más del 87.5% en puntos medidos a lo largo de la tubería.
  • En algunos puntos medidos a causa de la sedimentación de relave en la pared de la tubería puede proporcionar una lectura errónea.

De acuerdo a parámetros de presión, temperatura y densidad del fluido, el desgaste debe ser uniforme a lo largo de la tubería de relave (parte inferior) y dependiendo de la implementación del tanque de alivio en la caja de válvulas, se produce la eliminación de aire, por ende, la formación de cráteres de erosión producido por la cavitación (parte superior).

Dimensionamiento de la Caja de Válvulas - Bomba Mars L 180 a traves de la Modificación del diseño original mediante la inclusión de un Tanque de Alivio, Tanque de Contra presión  - Grafico 10
Figura 11: Desgaste uniforme en las paredes internas de una tubería, bomba con tanque de alivio. Figura 12: Estado interno con cráteres de cavitación en bomba sin tanque de alivio

El incremento de tiempo en la frecuencia de cambio de las tuberías de relave, por el alargamiento de su vida útil. Disminuye la cantidad de recambios de tuberías en la programación mensual.

A principios del 2019 un promedio de números de cambios programados era de 60 tuberías, cuyo costo era de alrededor de 48 948.6 soles, progresivamente esa cantidad fue disminuyendo al 25% con un perfecto control y seguimiento de los estados de cada uno, logrando por primera vez “cero accidentes ambientales durante todo el 2019 hasta la actualidad”, y el ahorro para la compañía de 36 711.45 soles por mes.

Dimensionamiento de la Caja de Válvulas - Bomba Mars L 180 a traves de la Modificación del diseño original mediante la inclusión de un Tanque de Alivio, Tanque de Contra presión  - Grafico 11
Gráfica N°1: Descenso de cantidad de tuberías programadas para cambios

Implementación del tanque de contra presión en el circuito

Ante los picos de presión, el flujo turbulento y el aire en las tuberías, el caudal no es constante, este tanque amortigua la presión del flujo dentro de la tubería de descarga, Así mismo amortigua la cavitación y golpes de ariete que se produjera en la tubería.

Con el tiempo de operación los espesores de las tuberías se van reduciendo, ante una sobrepresión puede causar Rotura de tuberías y convertirse en accidente ambiental, lo que significa perdidas económicas para la empresa y la reputación de minería responsable. Mas mejoras operativas:

  • a. Mejora en la presión de sistema de impulsión, alcanzando mayores cotas de bombeo y alturas de cabeza.
  • b. El flujo de descarga será más constante evitando de esta manera la eliminación de elementos de cavitación de la línea de impulsión.
  • c. Se reducirá en proporción el desgaste prematuro del sistema de impulsión y componentes relacionados a las operaciones.
  • d. Se eliminará la resistencia y pérdidas de caudal, así mismo se pretende reducir la turbulencia que generaba la configuración anterior del tanque.
Dimensionamiento de la Caja de Válvulas - Bomba Mars L 180 a traves de la Modificación del diseño original mediante la inclusión de un Tanque de Alivio, Tanque de Contra presión  - Grafico 12

5.- CONCLUSIONES

  • La implementación de este sistema da como resultado la reducción de bolsas de aire a lo largo del recorrido del flujo.
  • El agrandamiento en la geometría de la caja de válvulas proporciona un mayor caudal.
  • De acuerdo a parámetros de presión, temperatura y densidad del relave, el desgaste debe de ser uniforme a lo largo de la tubería (donde la parte inferior del tubo tiene que presentar el mayor desgaste) y dependiendo de la implementación del tanque de alivio en la caja de válvulas la eliminación de bolsas de aire (parte superior del tubo).
  • La instalación de caja de válvulas con tanque de alivio se relaciona de forma directa a la vida útil de cada tubería (tiempo de vida promedio dependiendo de factores externos) y a una reducción de costo relacionado al número de cambio de tuberías.
  • Al mantener un control correcto del estado de las tuberías de relave se evita un impacto ambiental negativo.
  • Al comprobar los efectos positivos logrados en la bomba Mars N°4, se inició el proyecto de realizar las mismas modificaciones en las bombas Mars N°1 y Nº2.

Por: Jonathan Sosa Soto
Ing. Asist. de Mantto Planta Compañía Minera Santa Luisa, Perú


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