Introduction

La boue de minerai de fer n'use pas uniformément un pipeline. De graves dommages peuvent se produire au niveau d'un coude, d'un point bas, d'une transition entre des sections de canalisation ou à un endroit où le coulis change de direction de manière répétée. Au moment où une fuite devient visible, la paroi du tuyau peut déjà avoir perdu une quantité considérable de matériau.

Pour les opérations de minerai de fer en Afrique du Sud, l’usure des pipelines est bien plus qu’un problème de maintenance. Des réparations inattendues peuvent interrompre le transfert des boues, retarder le traitement en aval, augmenter le travail de maintenance et créer des travaux supplémentaires autour des pompes et des supports de canalisations.

Les tuyaux UHMWPE (polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé) sont une option pour le transport de boues abrasives en raison de leur résistance à l'usure, de leur surface à faible frottement, de leur résistance à la corrosion et de leur poids relativement faible. Cependant, le choix du matériau des tuyaux ne constitue qu’une partie de la solution. Les propriétés du lisier, la vitesse de fonctionnement, la pression, la géométrie du pipeline et la qualité de l'installation influencent toutes les performances d'un système.

Cet article examine les domaines dans lesquels les tuyaux UHMWPE peuvent être utiles dans les opérations de minerai de fer en Afrique du Sud, ce que les ingénieurs doivent évaluer avant de les spécifier et quels détails doivent être vérifiés avant de passer une commande.

1. Pourquoi les boues de minerai de fer peuvent s'user dans un pipeline

Le traitement du minerai de fer peut impliquer le concassage, le broyage, la classification, la concentration et la manipulation des résidus. Selon l'étape du processus, le matériau transporté peut contenir des particules grossières, de fines matières solides minérales, de l'eau de traitement ou un mélange de différentes tailles de particules.

L'hématite et la magnétite sont des minéraux ferreux courants. Leur dureté ainsi que la taille, la forme et la concentration des particules dans la boue influencent le degré d'abrasion. Le comportement du coulis complet, plutôt que le seul nom du minéral, détermine l'usure subie par un pipeline.

Trois conditions opératoires méritent une attention particulière.

Impact de particules et abrasion par glissement

Les particules solides se déplaçant dans un tuyau peuvent glisser le long de la paroi intérieure ou la heurter en biais. Des particules plus grosses ou plus angulaires peuvent causer des dommages locaux plus graves, en particulier là où le flux change de direction. Le taux d'usure réel dépend des caractéristiques des particules, de leur concentration, de leur vitesse et des propriétés mécaniques du matériau du tuyau.

Un pipeline transportant des particules fines à une concentration modérée peut subir un schéma d'usure différent de celui transportant des particules grossières à une concentration plus élevée. Le nom du minéral à lui seul ne suffit pas à prédire la durée de vie d’un tuyau.

Changements dans la direction du flux

Les sections de tuyaux droites ne subissent pas toujours la même usure que les coudes ou autres transitions géométriques. Dans un virage, les particules peuvent continuer leur trajectoire initiale tandis que le liquide change de direction. Cela peut concentrer les impacts des particules sur des zones particulières de la paroi du tuyau.

Une inspection de pipeline qui enregistre uniquement l'état général des sections droites peut donc manquer les endroits les plus susceptibles de nécessiter une attention particulière. Lorsque des réparations répétées ont lieu dans la même zone, l'inspection doit inclure la géométrie locale, les conditions d'écoulement et la disposition des supports plutôt que de se concentrer uniquement sur le matériau endommagé.

Modifications des conditions d'écoulement

Un pipeline à lisier fonctionne dans une plage de vitesses pratique. Si la vitesse est trop faible pour les solides transportés, les particules peuvent se déposer et s'accumuler. Si la vitesse est inutilement élevée, les impacts de particules et les pertes par frottement peuvent augmenter.

Il n’existe pas de vitesse unique adaptée à chaque boue de minerai de fer. La plage de fonctionnement appropriée dépend de la distribution granulométrique, de la concentration en solides, de la densité de la boue, du diamètre du tuyau, de l'inclinaison et des caractéristiques du système de pompage.

Pour cette raison, remplacer un tuyau usé par un matériau plus résistant à l’usure sans examiner les conditions de fonctionnement d’origine peut laisser le problème sous-jacent non résolu.

2. Où les tuyaux UHMWPE s'intègrent dans le transport de boues de minerai de fer

L'UHMWPE est un matériau en polyéthylène doté d'un poids moléculaire exceptionnellement élevé. Ses propriétés le rendent utile dans les applications où l'abrasion, la corrosion et la manipulation des matériaux sont des considérations importantes.

Pour les mines de minerai de fer, ses avantages potentiels sont particulièrement pertinents lorsque le pipeline transporte des solides abrasifs et lorsque la pression nominale, les limites de température, les dimensions et la conception des connexions du tuyau sont adaptées à la tâche réelle.

Résistance à l'usure sous service abrasif

Les tuyaux UHMWPE sont sélectionnés pour les applications dans lesquelles un contact répété avec des particules solides peut réduire progressivement l'épaisseur de la paroi interne des matériaux de tuyaux conventionnels. Sa surface résistante à l'usure peut contribuer à réduire la fréquence de maintenance liée à l'usure dans des conditions de fonctionnement appropriées.

Cependant, la résistance à l’usure ne doit pas être considérée comme un chiffre universel. Les résultats des tests dépendent de la méthode de test, du matériau abrasif, de la taille des particules, de la charge et des conditions de fonctionnement. Une comparaison entre l'UHMWPE et l'acier n'a de sens que lorsque les conditions d'essai sont comparables.

Pour une mine évaluant des matériaux de remplacement, les preuves les plus utiles comprennent la méthode d'essai, le milieu abrasif, le résultat rapporté et la pertinence de l'essai par rapport à la boue réelle.

Une surface interne lisse

La surface interne du tuyau UHMWPE peut offrir une faible résistance à l'écoulement. Cela peut être bénéfique dans le transport de boues, où les pertes de pression affectent les besoins de pompage et les coûts d'exploitation.

Les performances hydrauliques finales dépendent toujours du diamètre interne du pipeline, de sa longueur, des raccords, des changements d'élévation, des caractéristiques du coulis et de la vitesse de fonctionnement. Une surface de tuyau lisse ne suffit pas à établir la consommation énergétique totale du système.

Les ingénieurs devraient comparer la canalisation proposée avec l'installation existante à l'aide d'un calcul hydraulique plutôt que de supposer qu'un changement de matériau réduira automatiquement les coûts de pompage.

Résistance à la corrosion

Les opérations de minerai de fer peuvent utiliser de l’eau de traitement contenant des sels dissous ou d’autres produits chimiques. Selon le processus, le pipeline peut également rencontrer des agents de nettoyage ou des produits chimiques de traitement.

L'UHMWPE offre généralement une bonne résistance à de nombreux environnements corrosifs aqueux. Néanmoins, la compatibilité chimique doit être vérifiée par rapport au fluide, à la concentration et à la température réels. En cas de présence de produits chimiques oxydants ou de conditions de traitement inhabituelles, un examen spécifique de compatibilité est conseillé.

La résistance à la corrosion peut être particulièrement utile lorsque l’abrasion et l’exposition chimique se produisent simultanément. Cela ne supprime pas la nécessité d’évaluer la charge mécanique, la pression ou la température.

Poids de manutention réduit

Comparés à de nombreux systèmes de canalisations métalliques de dimensions externes équivalentes, les canalisations UHMWPE peuvent être plus légères, ce qui peut simplifier le transport et la manipulation sur le site d'installation.

Cela peut être utile dans les sites miniers éloignés où l'accès aux équipements, les dispositions de levage et la logistique de maintenance affectent les travaux d'installation. L’avantage en termes de poids ne signifie pas que les supports, les ancrages ou les charges articulaires peuvent être ignorés. La disposition du support doit tenir compte de l'état de fonctionnement, du contenu, de la portée et de la disposition de l'installation du tuyau.

3. La première question n’est pas « Quel tuyau est le plus résistant à l’usure ? »

Une question plus utile est :Où le pipeline actuel échoue-t-il et pourquoi ?

Considérez deux situations de maintenance courantes.

Dans le premier cas, une section droite perd progressivement de l’épaisseur de paroi sur une large zone. Ce motif peut indiquer une abrasion soutenue le long du trajet d'écoulement. L'examen de la distribution des particules de la boue, de la concentration en solides et de la vitesse de fonctionnement peut aider à identifier les principaux contributeurs.

Dans le second cas, les dégâts se concentrent à proximité d’un virage ou d’une transition. L'impact localisé de particules, la séparation des flux, les turbulences ou les modifications de la géométrie interne peuvent contribuer au problème. Dans ce cas, modifier le matériau sans revoir la disposition du pipeline peut ne pas apporter l’amélioration escomptée.

Avant de sélectionner un tuyau UHMWPE, les équipes de maintenance et d'ingénierie doivent examiner les informations suivantes.

Ces détails fournissent une base plus solide pour la sélection des matériaux qu'une comparaison générale des matériaux des tuyaux.

4. La pression nominale doit correspondre au service réel

Une canalisation destinée au transport de boues abrasives doit également résister à la pression imposée par le système. La résistance à l’usure ne peut pas compenser une pression nominale inappropriée.

L'examen de la conception doit faire la distinction entre la pression de fonctionnement normale et la pression maximale que le système peut subir. Les démarrages et arrêts de la pompe, le fonctionnement des vannes, les changements de débit et d'autres événements de fonctionnement peuvent créer des conditions de pression transitoires.

Les ingénieurs doivent également prendre en compte l'effet de la température sur la pression admissible du matériau, les dimensions du tuyau, le système de connexion et la norme de conception applicable.

Une valeur de pression nominale ne doit pas être sélectionnée isolément. Les conditions de fonctionnement admissibles doivent être confirmées à partir de la documentation technique du fabricant et des exigences de conception du projet.

Pour un pipeline en acier existant dont le remplacement est envisagé, l'examen technique doit inclure la pression actuelle du système, les caractéristiques de la pompe, les différences d'élévation et toute surpression survenue. Le nouveau système de canalisations doit être adapté à ces conditions, et pas simplement à la pression moyenne indiquée sur un manomètre de fonctionnement.

5. Les connexions et l'installation des tuyaux peuvent déterminer le résultat

Même un matériau de tuyau approprié peut avoir des performances médiocres si les connexions sont mal assemblées ou si le pipeline n'est pas suffisamment soutenu.

Les systèmes de canalisations minières UHMWPE peuvent utiliser des raccords à brides, en fonction de la conception du produit et des exigences du projet. Avant l'installation, l'entrepreneur doit confirmer les dimensions de la bride, la disposition des joints, les exigences en matière de boulons, les tolérances d'alignement et la procédure d'assemblage du fabricant.

La connexion ne doit pas être forcée à s’aligner en serrant les boulons. Un désalignement excessif peut introduire des charges pour lesquelles le joint n’a pas été conçu.

Les dispositifs de soutien et d’ancrage méritent également qu’on s’y intéresse. Les supports de tuyaux doivent tenir compte du poids du tuyau et du coulis, de la géométrie de l'installation et des charges générées pendant le fonctionnement. Les changements de direction, les interfaces d'équipement et les transitions entre les différents matériaux de canalisation doivent faire l'objet d'une attention particulière lors de la planification de l'installation.

Pour les pipelines enterrés, l'équipe d'installation doit vérifier l'état de la tranchée, l'assise, le matériau de remblai, le compactage et la protection contre les charges externes concentrées. Pour les systèmes hors sol, l'espacement des supports et la gestion des charges au niveau des connexions doivent suivre les directives du fabricant de tuyaux et la conception technique.

Avant la mise en service, l'entrepreneur doit inspecter le pipeline terminé et effectuer les tests de pression ou autres tests d'acceptation requis conformément à la procédure de projet approuvée. La pression d'essai, la durée et les critères d'acceptation doivent provenir des exigences de conception et d'essai applicables plutôt que d'une recommandation générique.

6. Le tuyau UHMWPE n'est pas la bonne réponse pour chaque pipeline

Les tuyaux UHMWPE peuvent être de bons candidats pour les tâches liées aux boues abrasives, mais la sélection des matériaux doit refléter l'environnement d'exploitation réel.

Pour le drainage de l'eau propre, les conduites sous pression conventionnelles en PEHD peuvent constituer une option plus économique et plus appropriée lorsque leur pression nominale et leurs exigences d'installation répondent aux besoins du projet.

Pour le drainage minier à haute pression ou l'eau de traitement, un tuyau en polyéthylène renforcé de fils d'acier SRTP peut valoir la peine d'être évalué lorsque sa construction, sa capacité de pression, son système de connexion et ses certifications pertinentes conviennent à cette tâche.

Pour les boues de minerai de fer hautement abrasives, l'UHMWPE peut offrir des avantages, mais les ingénieurs doivent néanmoins vérifier la taille maximale des particules, la concentration en solides, les conditions d'écoulement, la pression de fonctionnement, la température et les limites documentées par le fabricant.

Un pipeline peut également contenir différentes sections de service. Le transport des boues, l’approvisionnement en eau propre, le drainage et la manutention des résidus ne nécessitent pas nécessairement le même matériau de canalisation. Traiter l’ensemble du site comme une seule application uniforme peut entraîner des coûts inutiles ou des spécifications inappropriées.

L’objectif n’est pas de choisir pour chaque canalisation le tube le plus cher ou le plus résistant à l’usure. Il s'agit de sélectionner un système capable de gérer le fluide réel, les conditions de fonctionnement et les exigences de maintenance.

Tuyau minier UHMWPE : informations techniques à confirmer

Pour le transport des boues de minerai de fer, les dimensions des tuyaux et les propriétés des matériaux doivent être prises en compte parallèlement à la résistance à l'abrasion. Le tableau suivant présente les spécifications techniques publiées pour les tuyaux à lisier minier Zhengju UHMWPE.

Conclusion : choisissez le tuyau UHMWPE en fonction des conditions minières réelles

Dans les opérations de minerai de fer sud-africaines, l’usure des pipelines de lisier n’est pas simplement un problème matériel. Les caractéristiques des particules, la concentration des boues, la vitesse d'écoulement, la pression de fonctionnement et la disposition des canalisations influencent toutes la rapidité avec laquelle l'usure se développe et les endroits où les pannes sont susceptibles de se produire.

Les tuyaux UHMWPE offrent une option pratique pour le transport de boues abrasives, combinant résistance à l'usure, surface interne lisse et résistance à la corrosion. Son adéquation dépend toutefois des conditions de travail réelles et des exigences techniques du système de canalisations.

Avant de remplacer un pipeline existant, les exploitants miniers et les entrepreneurs EPC doivent identifier les principaux emplacements d'usure, examiner les données d'exploitation et confirmer les dimensions requises du tuyau, la pression nominale et la méthode de connexion. Cette approche permet d’éviter de remplacer un problème par un autre.

FAQ

1. Les tuyaux UHMWPE conviennent-ils aux boues de minerai de fer ?

Il peut convenir aux boues abrasives de minerai de fer lorsque le matériau, les dimensions, la pression nominale, les limites de température et les connexions correspondent aux conditions de fonctionnement. La décision finale doit être basée sur le lisier réel et sur la documentation technique du fabricant.

2. Les tuyaux UHMWPE peuvent-ils éliminer l’usure des canalisations à lisier ?

Aucun matériau de tuyau n’élimine l’usure dans toutes les conditions. L'UHMWPE peut aider à réduire les dommages liés à l'abrasion dans des applications appropriées, mais les caractéristiques des particules, la vitesse d'écoulement, la géométrie des pipelines et les conditions de fonctionnement continuent d'influencer l'usure.

3. Les tuyaux UHMWPE sont-ils toujours meilleurs que les tuyaux en acier ?

Non. Le choix approprié dépend du service, de la pression, de la température, des conditions d’installation, des exigences de maintenance et du coût du cycle de vie. L'acier et l'UHMWPE ont des caractéristiques mécaniques et de fonctionnement différentes, la comparaison doit donc être basée sur le projet réel.

4. Quelles sont les causes de l'usure localisée dans les virages ?

Les particules peuvent heurter la paroi du tuyau lorsque la boue change de direction. L'étendue et l'emplacement de l'usure dépendent de la géométrie du coude, des conditions d'écoulement, des caractéristiques des particules et de la disposition du pipeline. Les résultats de l’inspection peuvent aider à déterminer si un changement de matériau, une révision de la géométrie ou un ajustement opérationnel est approprié.

5. Quelles informations sont nécessaires pour sélectionner un tuyau à lisier UHMWPE ?

Au minimum, le fournisseur doit connaître le diamètre requis, la pression de fonctionnement et maximale, la composition de la boue, la concentration en solides, la distribution granulométrique, la température, la méthode d'installation et les exigences de connexion. Des informations plus détaillées peuvent être nécessaires pour l’approbation technique finale.

6. Les tuyaux UHMWPE peuvent-ils être utilisés pour le transport des résidus miniers ?

Il peut convenir à certaines applications de résidus, en fonction de la teneur en solides, des caractéristiques des particules, de la chimie, de la pression et de la disposition du pipeline. Les propriétés des résidus varient selon les opérations, de sorte que le tuyau doit être sélectionné en fonction des conditions de transport réelles plutôt que du seul terme « résidus ».

7. Que faut-il vérifier avant de remplacer une canalisation à lisier existante ?

Examinez les emplacements de défaillance actuels, l'épaisseur de paroi restante, la pression de fonctionnement, le débit, les caractéristiques de la boue, l'état de la pompe et la disposition de l'installation. Ces résultats aident à déterminer si le remplacement doit traiter uniquement de l'usure des matériaux ou si la conception du système nécessite également une attention particulière.

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