Draga de succión a chorro para minería de arena: diseño del sistema en torno al proyecto

Una draga de succión a chorro puede parecer relativamente simple en cubierta. Hay un pontón, un motor diesel, una bomba de arena, una bomba de agua a alta presión, una línea de succión y una tubería de descarga. Sin embargo, en la práctica, conseguir que el sistema produzca la cantidad esperada de arena no es simplemente cuestión de instalar una bomba más grande.

La primera pregunta que normalmente nos hacemos es qué material se encuentra realmente en el lecho del río.

La arena de río suelta es muy diferente a la arena compactada. La arena fina se comporta de manera diferente a la arena gruesa que contiene grava. Un depósito que parece fácil de excavar desde la superficie puede volverse mucho más difícil una vez que el cabezal de succión alcanza la capa de trabajo. La condición del material afecta la cantidad de agua a chorro que se requiere, la cantidad de sólidos que pueden ingresar al sistema de succión y cómo se comporta la lechada dentro de la tubería de descarga.

Aquí es donde comienza el diseño de una draga de succión a chorro.

El principio operativo básico está bien establecido. Una bomba de agua separada suministra agua limpia a presión al sistema de chorro. El chorro de agua rompe o fluidifica el sedimento circundante, mientras que la mezcla resultante de arena y agua se introduce en el sistema de succión y se transporta a través de la línea de descarga. Un estudio de la Comisión de Investigación del Agua de 2002 describe la bomba de chorro como un sistema de intercambio de impulso: el chorro de agua limpia de alta velocidad crea una región de baja presión que atrae la mezcla de arena y agua hacia la cámara de mezcla y luego hacia la tubería de descarga. El estudio también encontró que el extremo de succión funciona particularmente eficazmente cuando está enterrado en arena que fluye libremente.

Ese principio es útil, pero no le da al ingeniero la especificación final de la draga.

Para un proyecto real, el objetivo de producción debe estar relacionado con la profundidad del dragado, las características del material y las condiciones de descarga. Un cliente puede decir que el proyecto requiere 200 m³/h de arena, pero esa cifra por sí sola no es suficiente para seleccionar la bomba.

Consideremos un proyecto de Camboya publicado públicamente. El cliente necesitaba bombear arena desde aproximadamente 15 m bajo el agua y transportarla a unos 500 m hasta el punto de descarga. La configuración del equipo publicada utilizó un motor diésel Weichai WP12 de 275 kW y una bomba de arena de aleación con alto contenido de cromo, con una producción de arena declarada de aproximadamente 200 m³/h.

Lo interesante de este caso no es simplemente la cifra de 200 m³/h. La profundidad de dragado de 15 m y la distancia de descarga de 500 m son los que hacen que la selección de la bomba y la potencia sea significativa. Si se requiriera el mismo objetivo de producción a una distancia de descarga mucho más corta, los requisitos hidráulicos serían diferentes. Si la tubería tuviera que subir mucho más después de llegar a la orilla del río, la altura de bombeo requerida volvería a cambiar.

Es por eso que no recomendaría seleccionar una draga de succión a chorro considerando únicamente el flujo de la bomba.

La tubería de descarga es una de las partes de un proyecto más fáciles de subestimar. Una vez que el lodo sale de la draga, la bomba tiene que superar la fricción de la tubería, la elevación y las pérdidas locales por curvas, válvulas y otros accesorios. La situación se vuelve más exigente a medida que aumenta la concentración de sólidos.

También hay un equilibrio que mantener. Demasiada agua puede hacer que la lechada sea fácil de transportar, pero reduce la cantidad de arena útil que se recupera por unidad de mezcla bombeada. Muy poca agua puede aumentar la concentración de lodos y dificultar el transporte por tuberías. El punto de funcionamiento correcto depende del material, diámetro de la tubería, características de la bomba y producción requerida.

Un estudio de ingeniería publicado por la Comisión de Investigación del Agua ilustra esta relación con un sistema experimental de bomba de chorro. Sus condiciones de diseño incluían una tasa de producción de 30 t/h, una altura de suministro de bomba motriz de 700 kPa, una tubería motriz de 100 mm, una línea de descarga de 100 mm y una elevación de descarga de 5 m sobre el nivel del agua. El diseño informado también utilizó una concentración de sedimento de aproximadamente el 31% en masa.

Las cifras no deben tratarse como una especificación universal para cada draga de succión a chorro. Son útiles porque muestran cuán estrechamente están conectados la presión del agua, el diámetro de la tubería, la producción, la concentración y las condiciones de descarga.

Otro proyecto publicado en Kenia proporciona un ejemplo práctico de dragado comercial de arena. Según el informe del proyecto, el cliente necesitaba aproximadamente 150 toneladas de arena por hora, una distancia de descarga de 400 m y una profundidad de dragado de 18 m. El proveedor diseñó una draga de succión a chorro de 8 pulgadas para esos requisitos.

Nuevamente, la información de ingeniería importante es la combinación de requisitos y no el tamaño de la tubería de 8 pulgadas en sí. No se debe esperar que una draga de 8 pulgadas diseñada para un río produzca automáticamente el mismo resultado en otro río. La densidad de la arena, el tamaño del grano, las condiciones del depósito submarino, el diseño de la tubería y las horas de operación reales influyen en la producción.

Esto es particularmente importante en la extracción de arena porque la palabra "arena" cubre una gama sorprendentemente amplia de materiales.

La arena de río fina y suelta se puede fluidificar con relativa facilidad. La arena más gruesa puede requerir una disposición de chorro diferente. Si se mezcla arcilla con el depósito, el material puede volverse pegajoso en lugar de fluir libremente. La grava o partículas más grandes pueden crear otro conjunto de problemas en la entrada de succión y dentro de la bomba.

También es necesario considerar el desgaste de la bomba antes de construir la draga.

La arena es abrasiva. Una bomba que maneja agua limpia y una bomba que maneja continuamente lodo de arena no enfrentan las mismas condiciones de operación. Para la extracción comercial de arena, los materiales resistentes al desgaste y los componentes de desgaste reemplazables pueden tener un efecto importante en los intervalos de mantenimiento.

Un proyecto publicado públicamente en el río Congo es un ejemplo útil. La configuración publicada involucró cuatro dragas de succión de arena a chorro de 14 pulgadas, con una profundidad de dragado reportada de alrededor de 15 m y una producción en el rango de aproximadamente 300 a 375 m³/h, dependiendo de las condiciones operativas indicadas. El sistema utilizaba una bomba de arena de aleación con alto contenido de cromo y fue diseñado para arena de río abrasiva.

La especificación de la bomba con alto contenido de cromo en ese proyecto no es un detalle innecesario. Cuando el material dragado contiene una gran cantidad de arena abrasiva, la carcasa de la bomba, el impulsor y otros componentes húmedos se convierten en piezas de ingeniería consumibles. Un precio inicial más bajo del equipo puede resultar costoso si las piezas de desgaste necesitan reemplazo frecuente o si la draga tiene que detenerse periódicamente para realizar mantenimiento.

El mismo principio se aplica al sistema de chorro de agua.

La bomba de chorro en sí no es el único componente importante. La bomba de agua de alta presión debe proporcionar suficiente flujo y presión para fluidificar el sedimento de manera efectiva. El tamaño y la disposición de las boquillas influyen en cómo llega el agua a la arena. El cabezal de succión debe recoger el material desprendido sin permitir una dilución excesiva ni condiciones de admisión inestables.

En algunos proyectos, el cabezal de succión trabaja cerca o dentro de la capa de arena. La investigación de la Comisión de Investigación del Agua señaló específicamente que el dragado por chorro puede funcionar eficazmente con el extremo de succión enterrado en arena y describió la formación de cráteres de excavación superpuestos cuando se elimina la arena que fluye libremente.

Esa observación es útil cuando se piensa en la eficiencia del dragado. La draga no se queda simplemente en una posición y retira una cantidad ilimitada de material. El operador tiene que controlar el movimiento del cabezal de aspiración y la posición de trabajo para que la zona de excavación se desarrolle progresivamente y no dejar grandes cantidades de material fuera de la zona de aspiración efectiva.

Por tanto, el casco y el sistema de posicionamiento también son importantes.

Una draga de río pequeña puede utilizar una disposición de pontón compacto con cabrestantes y puntas de posicionamiento. Una máquina más grande puede requerir una plataforma de trabajo más amplia porque el motor, la bomba de arena, la bomba de agua, el sistema hidráulico, los tanques de combustible y la cabina de control deben caber dentro del espacio disponible en la cubierta manteniendo al mismo tiempo una estabilidad adecuada.

El transporte también entra en el diseño en una fase temprana, especialmente para proyectos en el extranjero. Una draga que funciona bien en el río aún puede resultar difícil de entregar si sus dimensiones totales exceden los límites de transporte disponibles. Por esta razón, algunas dragas de succión a chorro están diseñadas como pontones modulares que pueden desmantelarse en secciones transportables y ensamblarse nuevamente en el sitio del proyecto.

Para un proyecto internacional de extracción de arena, normalmente querría saber varias cosas antes de decidir la configuración final: la producción requerida, la profundidad real de dragado, las características de la arena, la distancia desde el área de dragado hasta el punto de descarga, la elevación en el lugar de descarga, las horas de trabajo esperadas y el método utilizado para procesar o almacenar la arena recuperada.

Sólo después de que estas condiciones estén claras tiene sentido seleccionar la bomba de dragado, la bomba de chorro de agua, la potencia del motor, el diámetro de succión y la tubería de descarga.

Este enfoque también explica por qué un modelo de catálogo estándar no siempre es la mejor solución. Dos proyectos pueden tener objetivos de producción similares pero requerir equipos diferentes porque el material del lecho del río y las condiciones de la tubería son diferentes. Un proyecto puede necesitar más atención a la resistencia al desgaste, mientras que otro puede requerir una altura de bombeo adicional porque la arena tiene que viajar una larga distancia tierra adentro.

Por lo tanto, para los fabricantes, la personalización no consiste simplemente en cambiar las dimensiones del casco o la marca del motor. Puede involucrar el sistema de trabajo completo: tamaño del pontón, capacidad de la bomba, presión del chorro de agua, disposición de succión, diámetro de la tubería, potencia del motor, configuración del cabrestante y sistema de control.

Una draga de succión por chorro bien diseñada debe tratarse como un sistema de producción hidráulico completo.

La última pregunta no es si una draga tiene una bomba grande o un motor potente. La pregunta más útil es si el sistema completo puede mantener la producción de arena requerida en las condiciones reales del proyecto.

Ésa es la diferencia entre seleccionar una draga de un catálogo y diseñar una para un sitio de extracción de arena real.