Ensablement de lignes de tuyauterie de boues minérales : approche de BBA sur les critères de calcul des cas de charge dans des projets d’installations existantes

L’exploitant d’un concentrateur de traitement de minerais existant a exprimé ses inquiétudes quant à la stabilité mécanique d’une ligne de tuyauterie faisant partie d’un circuit de broyage dans le but de prévenir les défaillances des supports et des joints. L’équipe d’opération a observé un phénomène d’ensablement récurrent. Dans un tel cas, les lignes portent un poids supplémentaire. On a demandé à BBA d’évaluer la gravité spécifique moyenne (SG) des solides dans une ligne ensablée à utiliser dans un examen de stabilité des lignes et des supports.

Les solides transportés (minerais broyés) ont une SG égale à 3,6. Au départ, il a été suggéré de supposer que la gravité spécifique moyenne des solides pendant l’ensablement serait égale à celle des solides dont les dépôts stationnaires occuperaient toute la section transversale du tuyau.

BBA a analysé les opérations pertinentes et a proposé d’utiliser une autre valeur. Le principal facteur déterminant de cette valeur était que les dépôts de solides du lit stationnaire présenteraient des vides, alors que ces derniers seraient remplis avec un liquide porteur. Le vide peut être estimé soit au moyen de tests en laboratoire, ou par analyse (valeur approximative).

Pour obtenir une estimation réaliste, il a d’abord fallu établir la fraction volumique maximale du lit stationnaire (C_max), et dériver la gravité spécifique en conséquence.

Nous nous sommes également penchés sur un autre facteur susceptible d’avoir une incidence sur la SG moyenne, à savoir la partie de la section transversale du tuyau pouvant être remplie de dépôts solides :

• quand le débit continue,
• lorsque le drainage de la ligne est terminé.

Le phénomène d’ensablement se produit en cas de transport des boues minérales hétérogènes dans des lignes sous pression lorsque la vitesse de la ligne chute sous la valeur de la vitesse de sédimentation (V_D) tout en restant au-dessus de la vitesse à laquelle (ou au-dessus de laquelle) le dépôt dans la moitié inférieure du tuyau est stationnaire. Pour plus d’information, reportez-vous aux pages 198 à 199 et à la figure 7-5 dans le livre Slurry Systems Handbook, 2^e édition, B. Abulnaga, McGraw Hill, 2021.

La poursuite de l’opération de la ligne à une vitesse inférieure à V_D entraînerait la formation progressive du lit stationnaire jusqu’à l’arrêt de la pompe et, par la suite, le drainage de la ligne. À la fin du cycle de drainage, en raison de la configuration du tuyau et du nombre et de l’emplacement des drains, les opérateurs peuvent observer un ensablement encore plus important dans les sections spécifiques de la ligne.

Les solides dans ces conditions peuvent se déposer jusqu’à former une fraction volumique maximale du lit stationnaire (C_max) qui donnerait une gravité spécifique (maximale) de la sédimentation calculée par rapport à la SG des solides, comme suit.

SG des solides stationnaires du lit = SG_s x C_max +(1-C_max) x SG_l,

où SG_s – SG des solides (=3,6 dans le circuit en question)

SG_l – SG du liquide porteur, eau avec SG approximatif =1,0

Reportez-vous à la figure 1 et à la note de bas de page pour la définition de C_max (reproduite avec l’autorisation du SRC Pipe Flow Technology Center).

C_max est une fonction de la forme des particules (plus elle est angulaire, plus la valeur est faible; plus elle est ronde, plus la valeur est élevée) et de leur répartition granulométrique (pas la granulométrie absolue des particules; plus la répartition est large, plus la valeur de C_max est élevée, car les particules plus petites comprises peuvent s’insérer dans les espaces vides entre les particules plus grosses, ce qui donne un compactage plus serré).

Veuillez vous reporter au croquis isométrique de la tuyauterie (fig. 2) pour la configuration qui a été analysée.

Compte tenu de la description ci-dessus, et après examen du cheminement de tuyauterie, BBA a présumé qu’il y avait probablement deux types d’accumulation de solides résultant du mode d’exploitation et de l’emplacement de la section du tuyau lorsque l’ensablement se produit.

Cas 1 : Le débit continue. Le tuyau peut être rempli jusqu’à 35 % de sa hauteur (diamètre). Ce critère semble raisonnable, puisque le dépôt plus lourd arrêterait la pompe par suite de l’élévation de la pression de refoulement au-dessus du seuil de déclenchement de la boucle de contrôle.

Cas 2 : Drainage déclenché. Les solides ont tendance à s’écouler et à rouler vers la section horizontale inférieure, ce qui contribue à augmenter davantage son ensablement. À ce stade, il peut être nécessaire de procéder à un rinçage à l’eau ou à une purge mécanique des solides pour nettoyer le tuyau en vue de la prochaine séquence d’opération. On a présumé qu’un dépôt stationnaire dans la section inférieure atteignait jusqu’à 65 % de la hauteur (diamètre) du tuyau.

Suivant la méthode décrite dans les documents techniques, nous avons basé les calculs de la C_max sur la courbe PSD (répartition granulométrique, non présentée ici comme référence), ce qui a donné une fraction maximale C_max du lit stationnaire égale à 0,71. Un tel compactage élevé semble concorder avec la notion de valeurs plus élevées de C_max pour une large PSD. Le SG du lit stationnaire a été calculé comme étant égal à 2,85.

Un schéma simplifié de la section transversale d’un tuyau ensablé avec un dépôt stationnaire est illustré dans la figure 3 ci-dessous.

Reportez-vous au tableau 1 ci-dessous pour le résumé des résultats de calcul de la gravité spécifique des boues minérales dans le tuyau examiné dans des conditions d’ensablement.

Ainsi, la gravité spécifique moyenne des boues minérales dans le cas 1 est de 2,15. BBA a proposé d’utiliser SG=2,15 pour toutes les sections du circuit subissant de l’ensablement, à l’exception de la section horizontale inférieure.

La gravité spécifique moyenne des boues minérales dans le cas 2 est de 2,55. BBA a proposé d’utiliser SG=2,55 pour la section horizontale inférieure subissant de l’ensablement.

Une autre observation est que l’augmentation de la chargedans ledit tuyau sera de l’ordre de 12 à 30 %. Il est improbable qu’une telle augmentation présente un risque pour le circuit de tuyauterie d’origine.

BBA estime que des valeurs moyennes de gravité spécifique de l’ordre de 2,15 et 2,55 fourniront des données fiables pour les calculs d’analyse des contraintes exercées sur la tuyauterie. Ces valeurs sont sensiblement inférieures à la SG=3,6 suggérée au départ. Et, tout en assurant la sécurité de l’exploitation, l’utilisation de ces SG permettrait d’éviter une surconception.

Lors du calcul de la contrainte exercée sur la tuyauterie, les concepteurs doivent choisir avec soin les critères de conception pour la gravité spécifique moyenne des boues minérales dans des conditions d’ensablement. Les facteurs suivants doivent être pris en compte lors de l’établissement de ce paramètre :

1. Fraction maximale du lit stationnaire (C_max) calculée à partir d’essais de laboratoire ou d’analyse.

2. Gravité spécifique des solides.

3. Répartition granulométrique (PSD), s’il faut procéder à des calculs analytiques de la C_max.

4. Partie de la section transversale d’un tuyau présumément remplie d’un dépôt stationnaire.

Pour déceler la source fondamentale de l’ensablement récurrent, une étude sur l’application propre doit être menée avant de renforcer la tuyauterie. Dans certaines circonstances, une nouvelle conception du système de pompage peut être conseillée pour éviter la récurrence de l’ensablement.

BBA applique une approche différente pour traiter l’ensablement des tuyaux à boues minérales quand on conçoit un tout nouveau système dans un projet de nouvelles installations. Toutefois, il s’agit là d’un sujet pour un autre article de blogue.