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SERVICIOS AUXILIARES MINEROS Ing. Benjamín Manual Ramos Aranda

Agosto del 2015

UNIDAD I - INFRAESTRUCTURA PARA EL MANEJO DE MATERIALES TEMA Nº 4 –MINERO DUCTO. (TRANSPORTE POR DUCTOS)

TRANSPORTE POR DUCTOS PROPOSITO DEL TEMA:  Analiza la aplicación del transporte de mineral por ductos (Mineroductos).

Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

INTRODUCCIÓN

El transporte de materiales peligrosos, incluidos los hidrocarburos y concentrados de mineral, por tubería, es practicado desde hace varias décadas, por ofrecer seguridad en el traslado y manipulación de estas sustancias representa una posible respuesta a preocupaciones actuales para mejorar la eficiencia energética.

Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

INTRODUCCIÓN

Sin embargo sus métodos de implementación son aún poco conocidos, ya que además de hidrocarburos y concentrados de mineral, los ductos son un medio de transporte que puede ser utilizado para el transporte de alimentos generando un impacto positivo no solo en materia económica sino ambiental, realizando esta tarea de un modo más eficiente y rápido que los actualmente utilizados.

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PRODUCTOS TRANSPORTADOS

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DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO Para que el transporte de mezclas sólido-líquido a través de cañerías sea técnicamente factible, se deben cumplir las siguientes condiciones: • El sólido debe poder mezclarse y separarse fácilmente. • No deben existir riesgos, como por ejemplo taponamiento de la cañería debido a interacciones entre las partículas, trayendo como consecuencia aglomeración de ellas. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO • El sólido a transportar no debe reaccionar ni con el fluido transportante ni con la tubería. • El desgaste y ruptura que sufren las partículas durante el transporte no deben tener efectos adversos para el proceso posterior de ellas. • La cantidad de fluido transportante debe ser adecuada.

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DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO

Dependiendo de la topografía, y específicamente al desnivel entre el punto de alimentación y el de descarga de la tubería, se pueden utilizar dos tipos de fuerza impulsora para mover la mezcla, con lo cual el transporte hidráulico de sólidos por cañerías sr clasifica en transporte gravitacional y transporte por bombeo. Estos dos tipos se muestran en la figura 1 y 2 Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO

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DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO

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VARIABLES DEL SISTEMA El flujo de mezclas sólido-líquido por cañerías depende de una gran cantidad de variables y parámetros, no estando aún evaluada con exactitud la influencia de algunas de ellas estas variables se pueden sintetizar de la siguiente manera: Dependiente del sólido a transportar ─ granulometría ─ densidad ─ forma ─ dureza Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

VARIABLES DEL SISTEMA Dependiente del fluido transportante ─ Densidad ─ Viscosidad Dependiente de la instalación ─ diámetro interno de la cañería ─ longitud ─ desnivel ─ rugosidad interna ─ ángulos de inclinación de la tubería ─ singularidades (estrechamiento, codos, etc.) Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

VARIABLES DEL SISTEMA Dependientes de la mezcla ─ concentración de sólidos en volumen y en peso ─ densidad de la mezcla

Dependientes del sistema ─ tonelaje de sólidos a transportar ─ velocidad de flujo ─ perdida de carga

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REGÍMENES DE FLUJO La turbulencia es uno de los factores más importantes que permiten la suspensión de los sólidos. Sin embargo, en algunos casos particulares puede presentarse el régimen de flujo laminar si la concentración de partículas sólidas es muy grande (sobre un 70% - 80% en peso) y por lo tanto la viscosidad de la pulpa es alta.

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REGÍMENES DE FLUJO Por otra parte, es necesario clasificar los flujos de mezclas bifásicas de acuerdo a la forma que son arrastradas las partículas sólidas, presentándose cuatro formas de transporte claramente diferenciables: 1) Flujo de sólidos en suspensión homogénea. 2) Flujo de sólidos en suspensión heterogénea. 3) Flujo de sólidos con arrastre de fondo 4) Flujo de sólidos con depósitos de fondo. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

REGÍMENES DE FLUJO 1) Flujo de sólidos en suspensión homogénea. Como su nombre lo indica, las partículas sólidas de la mezcla son transportadas en suspensión, sin presentar gradientes, ni de concentración ni de granulometría, en un plano perpendicular al flujo y vertical. Además las partículas sólidas no presentan ningún deslizamiento con respecto al fluido, es decir, tanto el sólido como el líquido tienen la misma velocidad de flujo con lo cual el comportamiento hidráulico de la mezcla es muy similar a la de un fluido puro, como ser, perfil turbulento de velocidades de flujo con simetría de revolución en el caso de tubería o canal y curvas de velocidad clásica en el caso de canales. (Ver Figura. .3) Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

REGÍMENES DE FLUJO 1) Flujo de sólidos en suspensión homogénea.

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REGÍMENES DE FLUJO 1) Flujo de sólidos en suspensión homogénea. Donde: y = Altura relativa sobre el fondo de la tubería o canal. D =Diámetro interno de la tubería. Y = Altura de escurrimiento del canal. Cp1 = Concentración local en peso de sólidos en la mezcla. Cp = Concentración media en peso de sólidos en la mezcla. d501 = Tamaño medio local de partículas sólidas d 50 = Tamaño medio de los sólidos en la mezcla Vml = Velocidad puntual de la mezcla. Vm = Velocidad media de la mezcla. Para que este régimen de flujo exista es necesario que las partículas sólidas sean muy pequeñas de densidad relativa baja y, la velocidad de flujo sea alta. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

REGÍMENES DE FLUJO 2) Flujo de sólidos en suspensión heterogénea. En este caso los sólidos aun se mantienen en suspensión pero las partículas más pesadas tienden a caer formando un gradiente vertical de concentraciones y granulometrías pero sin chocar en forma notoria contra el fondo de la tubería. Sin embargo a los sólidos aun puede asignárseles la velocidad del fluido pero con un pequeño grado de deslizamiento en las cercanías de las paredes. (Ver figura 4) Este régimen de flujo es bastante usual en el transporte hidráulico de relaves con alto grado de molienda. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

REGÍMENES DE FLUJO 2) Flujo de sólidos en suspensión heterogénea.

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REGÍMENES DE FLUJO 3) Flujo de sólidos con arrastre de fondo. Cuando la capacidad del fluido es relativamente baja comparada con el peso relativo de las partículas sólidas gruesas estas caen y son arrastradas por el fondo de la tubería o canal ya sea asaltos deslizándose o rodando, mientras que las partículas más finas del espectro granulométrico aún mantienen su suspensión. En este caso el gradiente de concentraciones y tamaños de partículas se hace mas pronunciado y se puede observar una nube de partículas desplazándose a una velocidad menor que la del fluido por el fondo de la tubería y otra nube de partículas mas finas suspendidas y a igual velocidad que el fluido por encima de ella. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

REGÍMENES DE FLUJO 3) Flujo de sólidos con arrastre de fondo. Este régimen de flujo se presenta en una gran cantidad de las instalaciones de transporte de relaves, diseñados con velocidades bajas para lograr una mínima abrasión, y tiene como inconvenientes que el arrastre de fondo de las partículas gruesas provoca un desgaste muy pronunciado en la parte de la tubería.

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REGÍMENES DE FLUJO 3) Flujo de sólidos con arrastre de fondo.

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REGÍMENES DE FLUJO 4) Flujo de sólidos con depósitos de fondo. Si el flujo es débil, las partículas más pesadas de la fase sólida se depositan sobre el fondo de la tubería o canal, ya sea en forma intermitente o definitiva, presentándose un lecho fijo de sólidos o un tren de dunas a baja velocidad ambas situaciones a la vez por la parte inferior del ducto y una nube de partículas arrastradas y/o suspendidas por encima de estas. (Ver figura .6).

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REGÍMENES DE FLUJO 4) Flujo de sólidos con depósitos de fondo. El flujo con depósito estable de fondo se presenta generalmente en condiciones de concentración y tamaño de sólidos relativamente bajas, en cambio, las dunas móviles son usuales en espectros granulométricos anchos y concentraciones importantes. El movimiento de las dunas en tuberías ocurre en el mismo sentido que el flujo de la mezcla (cabe hacer notar que en el flujo de mezclas por canaletas el sentido puede ser inverso) y su velocidad es muy baja comparada con la velocidad media de flujo. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

REGÍMENES DE FLUJO 4) Flujo de sólidos con depósitos de fondo.

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REGÍMENES DE FLUJO 4) Flujo de sólidos con depósitos de fondo. Aunque la formación de un lecho fijo estable en el fondo de una tubería, con el espesor más pequeño posible, es deseable bajo el punto de vista de proteger de la erosión el fondo de la tubería, el riesgo de obstrucción de la misma, junto con la imposibilidad de refluidizar el deposito por medios hidráulicos, hace muy poco aconsejable trabajar en este régimen de flujo.

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MINERODUCTO En general un mineroducto es un sistema compuesto principalmente por las estaciones de bombeo, las estaciones reductoras, los depósitos de almacenamiento y la tubería de la línea. Los equipos fundamentales que constituyen un mineroducto son:  Bombas.

 Tuberías.  Equipos auxiliares.

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ESTACIONES Son las instalaciones que forman parte de un ducto y estas pueden clasificarse en: 1. Estaciones de bombeo 2. Estaciones reductoras de presión y;

3. Estaciones de recepción.

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ESTACIONES Estaciones de bombeo. Son instalaciones que impulsan el producto a través de la tubería con ayuda de los grupos motobombas, entregándole energía hidráulica a las estaciones anterior y posterior a ella.

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ESTACIONES Estaciones de bombeo. Las bombas habitualmente utilizadas en el transporte de hidromezclas corresponde a los tipos siguientes: • Centrífugas. • De pistones • Especiales

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ESTACIONES Estaciones reductoras de presión. Son las instalaciones de un ducto que tienen como finalidad disminuir la presión del producto por medio de válvulas reductoras de presión.

Por condiciones operativas del sistema, se procede a realizar esta operación, especialmente en los casos en que el producto, por su energía potencial de altura cambia su posición a una de energía de presión alta.

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ESTACIONES Estaciones de recepción. Son las instalaciones que sirven para recibir y almacenar el fluido que se transporta por el ducto. Está conformada por una tubería principal y un manifold, el cual distribuye el producto a los respectivos tanques.

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ESTACIONES Estación reductora y de recepción. Son las instalaciones que funcionan como una reductora de presión y de recepción, disminuyendo la presión de llegada del producto y procediéndose a la recepción de los mismos en los tanques de almacenamiento. Estaciones de bombeo y de recepción. Son las instalaciones que pueden funcionar como estaciones de bombeo y de recepción, impulsando o recibiendo el producto en la forma que se estime conveniente, e inclusive funcionando esta instalación como una estación inicial o de cabecera. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

DEPÓSITOS Son las instalaciones formadas por los tanques de almacenamiento, que sirven para almacenar el concentrado de mineral. Estos sistemas se encuentran instalados en las áreas de industrialización y en los centros de embarque final.

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TUBERÍA DE LÍNEA Está formado por una serie de tuberías soldadas entre si cuya unión da la respectiva línea que une las estaciones de bombeo, de recepción y los depósitos. A través de esta circula el producto que es transportado.

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TUBERÍA DE LÍNEA El diseño de las tuberías para mineroductos es de la máxima importancia, ya que la selección inadecuada de las mismas puede condicionar la viabilidad de todo el sistema. Los parámetros a considerar en el diseño de una tubería son: o Presiones de operación. o Características mecánicas del material. o Sismicidad del área. o Características geomecánicas del itinerario. o Fenómenos de desgaste, abrasión y corrosión. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

EQUIPOS AUXILIARES El diseño de un mineroducto debe disponer de una serie de accesorios y equipos auxiliares necesarios para una adecuada operación, como son: 1. Válvulas.- Con la calidad necesaria para soportar las presiones de operación, y actuar cuando sea necesario en presencia de partículas sólidas de granulometría diversa. Las válvulas de control de flujo deben presentar la mínima restricción al movimiento, especialmente de los sólidos, por lo que su actuación se realiza con dos posiciones, cerrada o abierta totalmente.

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EQUIPOS AUXILIARES 2. Bombas auxiliares.- Utilizadas como elementos de carga que disminuyen la presión de aspiración en las bombas de pistones, o como suministradores de agua clara en las bombas de vástago.

3. Instrumentación y control.- Compuesto por una serie de dispositivos instalados, por duplicado, en puntos clave del sistema que registran una serie de datos (velocidad de flujo, densidad de la mezcla, presión de operación, etc.), los comparan con los diseñados como estándar de operación, y presentan los datos para una actuación manual o automática. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

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DISEÑO DE UN MINERODUCTO El diseño de un mineroducto encuentra, en sus etapas iniciales, una acusada carencia de datos, por lo que se realiza de forma básica y conceptual con la idea de establecer estimaciones preliminares de inversión y costos de operación. Es importante dispones de información de mineroductos en operación que utilicen materiales similares para fijar, de forma preliminar, parámetros como caída de presión, diámetro de tubería, velocidad de flujo, etc.

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DISEÑO DE UN MINERODUCTO El diseño de detalle, necesita numerosos trabajos de laboratorio que permitan establecer con exactitud las características de la hidromezcla en estudio. La secuencia de parámetros que son necesarios para el diseño de un mineroducto se reflejan en el esquema siguiente:

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SECUENCIA EN EL DISEÑO DE UN MINERODUCTO

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VENTAJAS DEL EMPLEO DE MINERODUCTOS Las ventajas mas significativas que presenta el transporte por ductos son: 1. Simplicidad de la instalación 2. Facilidad para vencer obstáculos naturales o artificiales. No hay impedimentos, el transporte puede ser en dirección horizontal, vertical o inclinada

3. No requiere de gran despliegue de maniobras de instalación ni de operación. El factor operacional es ventajoso, por cuanto es bajo el número de operarios requeridos para hacer funcionar el sistema. Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

VENTAJAS DEL EMPLEO DE MINERODUCTOS

4. Proporciona un flujo continuo de sólidos y fácil implementación de control automático 5. Bajo consumo de energía 6. Posibilidad de transportar varios productos

7. No se produce daño ni se altera el medio ambiente.

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VENTAJAS DEL EMPLEO DE MINERODUCTOS 8. Permitir la elección de la vía más corta entre dos puntos al atacar cualquier tipo de pendientes, para las tuberías en presión, y evitar la construcción de las complejas obras civiles necesarias para implementar un camino o una vía férrea. 9. Eliminar la influencia de factores climáticos como temporales, rodados de nieve, neblina, etc.

10. Poder alcanzar ritmos de transportes imposibles de realizar con otro tipo de sistema.

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APLICACIONES DE MINERODUCTOS

El transporte de hidromezclas a cortas distancias es el único sistema para el transporte de relaves a las presas o relaveras de las plantas de flotación. Otras aplicaciones de transporte hidráulico en distancias cortas tienen lugar en minas de carbón para llevarlo desde el frente de explotación al lavadero. Este sistema se emplea para el transporte de mineral en suspensión en liquido. Como por ejemplo el empleado en la mina de Cerro de Pasco, se transporta del interior mina a planta, sulfato de cobre suspendida en agua.

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APLICACIONES DE MINERODUCTOS

Planta Excelsior en Cerro de Pasco Docente: Ing. Benjamín M. Ramos Aranda

APLICACIONES DE MINERODUCTOS

El transporte de hidromezclas a distancias largas y de gran capacidad se empezaron a construir en la década de los 50 del siglo pasado, como el de Cadiz – Cleveland (Ohio – USA), para transporte de carbón, de 175 Km de longitud y diámetro de 250 mm. En el norte de nuestro país, tenemos el mineroducto de la empresa minera Antamina , que detallaremos a continuación.

Ver video de mineroducto de Antamina

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Ubicación de Antamina • Energía eléctrica desde Huallanca • Mina/Concen tradora en San Marcos • Mineroducto de 302km y carretera de penetración de 120km • Puerto cerca a Huarmey

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Mineroducto de Antamina Para el transporte de los concentrados de cobre y zinc de Antamina, se optó por la construcción de un mineroducto que uniera la mina con el puerto “Punta Lobitos”, desde donde se exportan hacia el mundo. Se trata de una tubería reforzada que corre bajo el suelo y que es monitoreada en toda su trayectoria. El mineroducto ha sido diseñado con el uso de la tecnología más avanzada, que incluye una red de fibra óptica entre la mina y Huarmey.

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Mineroducto de Antamina En su construcción se utilizó por primera vez en el Perú el Mechanized Ultrasonic Testing (ensayo mecanizado ultrasónico), método de comprobación de la calidad de los empalmes y las tuberías. Este Mineroducto consta de una estación de cuatro bombas de alta presión y cuatro estaciones de válvulas con estranguladores de agua y pulpa, para reducir la excesiva presión producida en la caída de gradiente hacia la estación terminal del puerto “Punta Lobitos”.

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Mineroducto de Antamina Características del mineroducto:  Longitud total: 302 Km.

 Longitud de cada tubería: 12 m.  Diámetro de cada tubería: 8 a 10 pulgadas (21 a 25 cm.)  Espesor de cada tubería: 1cm.

 Espesor de la cubierta de polipropileno: 7mm  Material de la tubería: acero revestido interna y externamente.

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Mineroducto de Antamina Características del mineroducto:  Resistencia de la tubería: recibe una presión de 70 Bar, pero puede soportar 200 Bar.

 Tiempo de vida de la tubería: 30 años  Tipo de unión entre tuberías: soldadura eléctrica.  Profundidad promedio de las zanjas: 1,30 a 1,50m.

 Resistencia a sismos: hasta grado VIII en la escala de Mercalli modificada.

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Mineroducto de Antamina El mineroducto incluye un tendido paralelo de fibra óptica que envía información sobre el recorrido del mineral a través de la tubería y que está interconectado digitalmente con todas las sedes de la compañía. La fibra óptica de Antamina, gracias a un convenio efectuado con Telefónica del Perú, ha sido extendida a Huaraz y pronto llevará sus beneficios a otros pueblos del callejón de Huaylas y del callejón de Conchucos.

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MINERODUCTOS EN EL MUNDO

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