tubería – El blog de Víctor Yepes

Cálculo del transporte hidráulico de pulpas

Figura 1. Bomba horizontal de pulpas (Bouso y Martínez-Pagán, 2023)

Una pulpa es una mezcla líquida que contiene partículas sólidas en suspensión. Las características de la pulpa dependen de la naturaleza, tamaño, forma, densidad y cantidad de las partículas sólidas, así como de la naturaleza, densidad y viscosidad del líquido. El flujo de las pulpas es diferente al de los líquidos homogéneos, donde su naturaleza (laminar, transitorio o turbulento) se determina a partir de las propiedades físicas del líquido y su conductividad. Para calcular un sistema de transporte hidráulico de pulpa, compuesto por una bomba y una tubería, es esencial conocer previamente parámetros como la densidad de sólido y líquido, viscosidad, concentración de sólidos, tipo de tubería y topografía del terreno.

La caracterización de una pulpa es más compleja que la de un líquido debido a la presencia de partículas sólidas y su influencia en la mezcla. Es importante tener en cuenta que una pulpa no es una disolución, sino una suspensión de sólidos en líquidos donde cada componente está claramente definido. Debemos considerar el fenómeno de sedimentación de los sólidos en el líquido, especialmente cuando las turbulencias son bajas o no existen. Este fenómeno puede causar acumulaciones de sólidos y dificultar las operaciones de transporte o almacenamiento. En términos generales, las pulpas se pueden clasificar en dos grupos: pulpas sin sedimentación y pulpas con sedimentación.

Figura 2. Bomba de pulpas. https://www.mogroup.com/es/informacion/e-books/manual-de-bombas–para-pulpa/

Las pulpas sin sedimentación, también conocidas como pulpas homogéneas, están compuestas por partículas finas (menores de 50 mm) y forma una mezcla homogénea y estable. No causan desgaste significativo, pero requieren una atención especial en la selección y funcionamiento de las bombas debido a su aumento de viscosidad. Cuando el contenido de partículas es alto, su reología se asemeja a la de líquidos No-Newtonianos. Ejemplos de este tipo de pulpa incluyen lodos espesados de la extracción de áridos, lechadas de cemento y lodos de perforación.

Las pulpas con sedimentación están formadas por partículas gruesas que tienden a crear una mezcla inestable y se comportan como líquidos Newtonianos. Generalmente, causan un elevado desgaste y requieren una selección cuidadosa de las tuberías, debido a su tendencia a sedimentar y causar obstrucciones. Este tipo de pulpa es común en el transporte de pulpas y se conoce como pulpa heterogénea, ya que los sólidos no se distribuyen uniformemente en conducciones horizontales a lo largo de su eje vertical a altas velocidades. Las fases sólida y líquida mantienen su propia identidad y el aumento de viscosidad es generalmente de poca importancia. Las pulpas heterogéneas suelen ser de menor concentración de sólidos y con partículas de mayor diámetro que las pulpas homogéneas. Ejemplos incluyen pulpas en plantas de tratamiento de áridos y minerales, equipos de dragado, etc.

En el transporte de pulpas minerales por tubería, la naturaleza de las partículas y las velocidades de flujo determinan los regímenes de flujo, que pueden ser tanto turbulentos como laminares. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones, el régimen turbulento, que se produce cuando las partículas son gruesas y tienden a sedimentar, es el más común. Este tipo de fluido se conoce como fluido newtoniano. En cambio, las pulpas con partículas finas y uniformes suelen producir regímenes de flujo laminar.

Os dejo a continuación un artículo, elaborado por Juan Luis Bouso y Pedro Martínez-Pagán, donde se presenta un ejemplo de cálculo para una operación de bombeo de pulpas. Se exploran las diferentes alternativas de cálculo, que pueden variar debido a las preferencias personales de los técnicos o a la adaptabilidad de un procedimiento específico a las características de la operación de bombeo. Al final del trabajo, se incluye un anexo con gráficos y cálculos, que pueden ser muy útiles. Espero que os sea de interés.

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Referencias:

ANDREA, E. (2014). Tecnología metalúrgica. Universidad de Cantabria. https://ocw.unican.es/course/view.php?id=261

BOUSO, J.L.; MARTÍNEZ-PAGÁN, P. (2023). Bombeo de pulpas minerales. Diferentes procedimientos de cálculo. Rocas y Minerales, 605:56-73.

LÓPEZ JIMENO, C. (ed.) (1998). Manual de áridos. Prospección, explotación y aplicaciones. 3ª edición, E.T.S. de Ingenieros de Minas de Madrid, 607 pp.

LÓPEZ JIMENO, C.; LUACES, C. (eds.) (2020). Manual de Áridos para el Siglo XXI. Asociación Nacional de Empresarios Fabricantes de Áridos— ANEFA, Madrid, 1328 pp.

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2005). Temas de procedimientos de construcción. Extracción y tratamiento de áridos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2005.165. Valencia, 74 pp.

MARTÍNEZ-PAGÁN, P.; PERALES, A. (2020). Tecnología metalúrgica, 2ª edición. Universidad Politécnica de Cartagena. https://ocw.bib.upct.es/course/view.php?id=178

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Pipe Express: Instalación de tuberías semi-trenchless

Figura 1. Vista frontal del sistema Pipe Express® desarrollado por Herrenknecht.

En algunos artículos anteriores hemos hablado con cierto detalle de tecnologías sin zanja para la instalación de tuberías. Son las denominadas, en inglés, tecnologías “trenchless”. Sin embargo, la tecnología no se detiene y, en esta entrada, quiero describir brevemente una técnica constructiva que se podría llamar “semi-trenchless”. Se trata del Pipe Express®, tecnología desarrollada por la empresa Herrenknecht para la instalación de tuberías.

Con el desarrollo de esta tecnología, Herrenknecht ha establecido un nuevo procedimiento constructivo para la instalación de tuberías a grandes distancias. El método sin zanjas no requiere la bajada de agua subterránea y en comparación con la construcción a cielo abierto, la zona afectada puede ser considerablemente más estrecha. Ello redunda, como no puede ser de otra forma, en mejores rendimientos y menores costes, además de ser un procedimiento respetuoso con el medio ambiente. Dependiendo de las condiciones del proyecto, con esta nueva técnica se puede instalar de forma segura hasta 1.000 m de tubería por día.

Tal y como se puede observar en la Figura 1, se trata de una tuneladora que trabaja bajo tierra y una unidad de excavación como conexión vertical entre la tuneladora y la superficie del terreno. El útil de corte de la tuneladora es el que realiza la excavación del terreno. Un transportador de tornillo interno y una unidad de corte vertical llevan el material excavado a la cinta transportadora pivotante en la superficie.

Figura 2. El sistema Pipe Express® desarrollado por Herrenknecht.

Esta tecnología puede ser de gran interés en zonas con suelos inestables, nivel freático elevado y requisitos de instalación profundos. Tal y como indica la empresa, con Pipe Express®, la zona afectada y los correspondientes movimientos de tierra pueden reducirse hasta en un 70% en comparación con el método de corte abierto. Esto supone una menor interferencia con la población, los usuarios o los propietarios del terreno, pues se reduce el despliegue de grandes equipos y se acorta el plazo de ejecución. Además, la rápida instalación de tuberías de una sola pasada y la menor necesidad de maquinaria de construcción convencional significan una reducción significativa de las emisiones de gases de los motores de combustión y de ruido.

A continuación os dejo varios vídeos explicativos sobre esta nueva tecnología.

También os dejo información adicional del propio fabricante.

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Antecedentes de las conducciones de fundición dúctil

Figura 1. Tubería de fundición. Palacio de Versalles (1748). https://www.pamline.es/tuberia-fundicion-traves-historia

No se puede entender una civilización sin estudiar el desarrollo tecnológico de las tuberías para el transporte del agua, pues esta infraestructura define fuertemente la calidad de vida de sus habitantes. Si ya se utilizaban tuberías de arcilla cruda 4000 años A.C. en Babilonia, se han utilizado otros materiales desde la antigua Roma como la cerámica, la madera y el plomo. Sin embargo, tuvo que ser la fundición gris la que trajo un material seguro que tuviese una vida útil suficientemente larga bajo tierra. La fundición gris era conocida ya en la prehistoria. El arte de la fundición en arena llegó a Europa desde China, donde el acero se fundía en moldes de arena hacía más de 2500 años.

La fundición es una aleación hierro-carbono en la que el contenido de carbono en forma de grafito varía entre un 3,4 y un 4,5% en peso. Con un porcentaje de carbono inferior al 1,7%, tendríamos un acero. Si el grafito se presenta en forma laminar se obtiene una fundición gris y si es esferoidal, se tiene una función nodular o fundición dúctil (Figura 2). La fundición gris presenta buena moldeabilidad y resistencia a la abrasión, pero es frágil. La fundición dúctil es un material con buena moldeabilidad y que resulta muy dúctil, es decir, se puede deformar plásticamente con grandes deformaciones bajo la acción de una fuerza.

Figura 2. Fundición gris (izquierda) y función dúctil (derecha). https://www.construtec.com/que-es-la-fundicion-ductil-que-quiere-decir-ductil/

Se ha documentado que la primera tubería de fundición gris se instaló en Alemania en 1455, para conducir agua al castillo Dillenberg. Aunque este mismo tipo de canalizaciones se utilizaron en las fuentes del palacio de Versalles (Francia), ordenadas construir entre 1664 por Luis XIV (Figura 1); o en España en el Palacio de la Granja de San Ildefonso en 1720, por orden de Felipe V. Los 35 km de tuberías de fundición de Versalles se sellaban entre sí con juntas de plomo o cuero, permitiendo el funcionamiento, a una presión máxima de 15 bar, de las instalaciones del palacio por casi trescientos años. En Londres, hacia el año 1746, se instaló la primera tubería de fundición de Inglaterra, y en Estados Unidos se usó por vez primera en Filadelfia en 1817, usando tubos importados de Inglaterra.

Sin embargo, los tubos de fundición dúctil, tal y como se conocen actualmente, se instalaron por primera vez en 1948 en Europa, y se usaron ya de forma habitual a partir de 1955. Tuvieron tal éxito que en la década de los años setenta del siglo XX sustituyeron prácticamente a la antigua fundición gris, de menor resistencia y susceptibles de rotura frágil. La fundición debe ser dulce, tenaz y dura, sin embargo debe poder ser cortada y taladrada. En general, los tubos de fundición pueden obtenerse en foso de colada o por centrifugación, siendo estos últimos de calidad superior. Además de centrifugados, para obtener características mecánicas de mayor nivel, los tubos se someten a un tratamiento térmico de grafitización y ferritización. En la actualidad, las excelentes propiedades mecánicas de la fundición dúctil hace que su uso se extienda a las canalizaciones de agua potable, regadío y saneamiento en una gran parte del mundo.

Figura 3. Tubería de fundición dúctil. https://www.pamline.es

Entre las ventajas de la conducción de fundición dúctil destacan la elevada resistencia al choque y a los asentamientos del terreno, capacidad para aguantar altas presiones (tanto interiores como exteriores), amortiguan los golpes de ariete, se ven poco afectadas por la corrosión del suelo (incluso en terrenos húmedos), la mayoría de los terrenos no los atacan químicamente, no se oxidan por las acciones del agua o la atmósfera, y como consecuencia de todo lo anterior, estas tuberías tienen una larga vida útil. Por contra, son caras respecto a otras tuberías no metálicas para diámetros inferiores a 140 mm, su peso es comparativamente mayor, presentan incrustaciones interiores (especialmente con aguas duras). Además, en conducciones de gran longitud, que atraviesan terrenos de diversa naturaleza, pueden producirse fenómenos electro químicos (que se pueden evitar con juntas aislantes). Para evitar estos problemas, los tubos de conducción dúctil presentan un revestimiento exterior de zinc metálico con una capa de acabado de producto bituminoso o resina sintética y un revestimiento interior de mortero de cemento.

En el vídeo que sigue se puede ver la fabricación de los tubos de fundición dúctil de la empresa Saint-Gobain PAM. Espero que os sea de interés.

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