Draga a getto aspirante per l'estrazione della sabbia: progettazione del sistema attorno al progetto

Una draga aspirante può sembrare relativamente semplice sul ponte. C'è un pontone, un motore diesel, una pompa per la sabbia, una pompa dell'acqua ad alta pressione, una linea di aspirazione e una conduttura di scarico. In pratica, tuttavia, per far sì che il sistema produca la quantità di sabbia prevista non è semplicemente questione di installare una pompa più grande.

La prima domanda che normalmente ci poniamo è quale materiale si trova effettivamente sul letto del fiume.

La sabbia fluviale sciolta è molto diversa dalla sabbia compattata. La sabbia fine si comporta diversamente dalla sabbia grossolana contenente ghiaia. Un deposito che sembra facile da scavare in superficie può diventare molto più difficile una volta che la testa aspirante raggiunge lo strato di lavoro. Le condizioni del materiale influiscono sulla quantità di acqua di getto necessaria, sulla quantità di solidi che possono entrare nel sistema di aspirazione e sul comportamento del liquame all'interno della tubazione di scarico.

È qui che inizia la progettazione di una draga a getto aspirante.

Il principio di funzionamento di base è ben consolidato. Una pompa dell'acqua separata fornisce acqua pulita sotto pressione al sistema a getto. Il getto d'acqua frantuma o fluidifica il sedimento circostante, mentre la miscela risultante di sabbia e acqua viene aspirata nel sistema di aspirazione e trasportata attraverso la linea di scarico. Uno studio del 2002 della Water Research Commission descrive la pompa a getto come un sistema di scambio di momento: il getto di acqua pulita ad alta velocità crea una regione a bassa pressione che attira la miscela sabbia-acqua nella camera di miscelazione e quindi nella tubazione di scarico. Lo studio ha inoltre scoperto che l'estremità di aspirazione funziona in modo particolarmente efficace se sepolta nella sabbia a flusso libero.

Questo principio è utile, ma non fornisce a un ingegnere le specifiche finali della draga.

Per un progetto reale, l'obiettivo di produzione deve essere collegato alla profondità di dragaggio, alle caratteristiche del materiale e alle condizioni di scarico. Un cliente può dire che il progetto richiede 200 m³/h di sabbia, ma questo numero da solo non è sufficiente per selezionare la pompa.

Consideriamo un progetto della Cambogia pubblicato pubblicamente. Il cliente richiedeva che la sabbia venisse pompata da una profondità di circa 15 m sott'acqua e trasportata per circa 500 m fino al punto di scarico. La configurazione dell'attrezzatura pubblicata utilizzava un motore diesel Weichai WP12 da 275 kW e una pompa per sabbia in lega ad alto contenuto di cromo, con una produzione di sabbia dichiarata di circa 200 m³/h.

La parte interessante di questo caso non è semplicemente la cifra di 200 m³/h. La profondità di dragaggio di 15 m e la distanza di scarico di 500 m sono ciò che rende significativa la scelta della pompa e della potenza. Se lo stesso obiettivo di produzione fosse richiesto a una distanza di scarico molto più breve, i requisiti idraulici sarebbero diversi. Se la tubazione dovesse salire molto più in alto dopo aver raggiunto la riva del fiume, la prevalenza della pompa richiesta cambierebbe nuovamente.

Questo è il motivo per cui non consiglierei di selezionare una draga aspirante a getto osservando solo il flusso della pompa.

La tubazione di scarico è una delle parti più facili da sottovalutare di un progetto. Una volta che il liquame lascia la draga, la pompa deve superare l'attrito del tubo, l'elevazione e le perdite locali dovute a curve, valvole e altri raccordi. La situazione diventa più impegnativa all’aumentare della concentrazione di solidi.

C’è anche un equilibrio da mantenere. Troppa acqua può rendere il liquame facile da trasportare ma ridurre la quantità di sabbia utile recuperata per unità di miscela pompata. Troppa poca acqua può aumentare la concentrazione dei liquami e rendere più difficile il trasporto nelle condotte. Il punto di funzionamento corretto dipende dal materiale, dal diametro del tubo, dalle caratteristiche della pompa e dalla produzione richiesta.

Uno studio ingegneristico pubblicato dalla Water Research Commission illustra questa relazione con un sistema sperimentale di pompa a getto. Le condizioni di progettazione prevedevano una velocità di produzione di 30 t/h, una prevalenza di alimentazione della pompa motrice di 700 kPa, un tubo motore di 100 mm, una linea di scarico di 100 mm e un'altezza di scarico di 5 m sopra il livello dell'acqua. Il progetto riportato utilizzava anche una concentrazione di sedimenti pari a circa il 31% in massa.

I numeri non devono essere trattati come specifiche universali per ogni draga aspirante. Sono utili perché mostrano quanto strettamente sono collegati la pressione dell'acqua, il diametro del tubo, la produzione, la concentrazione e le condizioni di scarico.

Un altro progetto pubblicato dal Kenya fornisce un esempio pratico di dragaggio commerciale della sabbia. Secondo il rapporto di progetto, il cliente necessitava di circa 150 tonnellate di sabbia all'ora, una distanza di scarico di 400 me una profondità di dragaggio di 18 m. Il fornitore ha progettato una draga aspirante a getto da 8 pollici per tali requisiti.

Ancora una volta, l'informazione tecnica importante è la combinazione dei requisiti piuttosto che la dimensione stessa del tubo da 8 pollici. Non ci si dovrebbe aspettare che una draga da 8 pollici progettata per un fiume produca automaticamente lo stesso risultato in un altro fiume. La densità della sabbia, la dimensione dei grani, le condizioni dei depositi sottomarini, la disposizione delle tubazioni e le effettive ore di funzionamento sono tutti fattori che influenzano la produzione.

Ciò è particolarmente importante nell'estrazione della sabbia perché la parola "sabbia" copre una gamma sorprendentemente ampia di materiali.

La sabbia fine e sciolta del fiume può essere fluidificata con relativa facilità. La sabbia più grossa potrebbe richiedere una diversa disposizione dei getti. Se l'argilla viene mescolata al deposito, il materiale potrebbe diventare appiccicoso anziché scorrere liberamente. Ghiaia o particelle più grandi possono creare un'altra serie di problemi all'aspirazione e all'interno della pompa.

Anche l'usura della pompa deve essere presa in considerazione prima di costruire la draga.

La sabbia è abrasiva. Una pompa che gestisce acqua pulita e una pompa che gestisce continuamente liquami di sabbia non si trovano ad affrontare le stesse condizioni operative. Per l'estrazione commerciale della sabbia, i materiali resistenti all'usura e i componenti soggetti a usura sostituibili possono avere un effetto importante sugli intervalli di manutenzione.

Un utile esempio è il progetto reso pubblico sul fiume Congo. La configurazione pubblicata prevedeva quattro draghe aspiranti a getto di sabbia da 14 pollici, con una profondità di dragaggio dichiarata di circa 15 me una produzione compresa tra circa 300 e 375 m³/h a seconda delle condizioni operative indicate. Il sistema utilizzava una pompa per sabbia in lega ad alto contenuto di cromo ed era progettato per sabbia fluviale abrasiva.

Le specifiche della pompa ad alto contenuto di cromo in quel progetto non sono un dettaglio superfluo. Quando il materiale dragato contiene una grande quantità di sabbia abrasiva, il corpo della pompa, la girante e altri componenti bagnati diventano parti meccaniche consumabili. Un prezzo inferiore per l'attrezzatura iniziale può diventare costoso se le parti soggette ad usura richiedono una sostituzione frequente o se la draga deve fermarsi regolarmente per la manutenzione.

Lo stesso principio si applica al sistema a getto d'acqua.

La pompa a getto in sé non è l’unico componente che conta. La pompa dell'acqua ad alta pressione deve fornire flusso e pressione sufficienti per fluidificare efficacemente il sedimento. La dimensione e la disposizione degli ugelli influenzano il modo in cui l'acqua raggiunge la sabbia. La testa di aspirazione deve raccogliere il materiale sciolto senza consentire eccessive diluizioni o condizioni di aspirazione instabili.

In alcuni progetti, la testa di aspirazione funziona vicino o all'interno dello strato di sabbia. La ricerca della Water Research Commission ha notato specificamente che il dragaggio a getto può funzionare efficacemente con l'estremità di aspirazione sepolta nella sabbia e ha descritto la formazione di crateri di scavo sovrapposti quando viene rimossa la sabbia che scorre liberamente.

Questa osservazione è utile quando si pensa all’efficienza del dragaggio. La draga non si limita a restare in una posizione e a rimuovere una quantità illimitata di materiale. L'operatore deve controllare il movimento della testa aspirante e la posizione di lavoro in modo che l'area di scavo si sviluppi progressivamente anziché lasciare grandi quantità di materiale al di fuori della zona effettiva di aspirazione.

Anche lo scafo e il sistema di posizionamento contano quindi.

Una piccola draga fluviale può utilizzare una disposizione compatta del pontone con argani e spud di posizionamento. Una macchina più grande può richiedere una piattaforma di lavoro più ampia perché il motore, la pompa per la sabbia, la pompa dell'acqua, l'impianto idraulico, i serbatoi del carburante e la cabina di controllo devono tutti adattarsi allo spazio disponibile sul ponte mantenendo un'adeguata stabilità.

Anche i trasporti entrano nella progettazione in una fase iniziale, soprattutto per i progetti all’estero. Una draga che funziona bene sul fiume può essere ancora difficile da consegnare se le sue dimensioni complessive superano i limiti di trasporto disponibili. Per questo motivo, alcune draghe a getto aspirante sono progettate come pontoni modulari che possono essere smontati in sezioni trasportabili e rimontati sul sito del progetto.

Per un progetto internazionale di estrazione della sabbia, normalmente vorrei sapere diverse cose prima di decidere la configurazione finale: la produzione richiesta, l'effettiva profondità di dragaggio, le caratteristiche della sabbia, la distanza dall'area di dragaggio al punto di scarico, l'altitudine nel luogo di scarico, le ore di lavoro previste e il metodo utilizzato per trattare o immagazzinare la sabbia recuperata.

Solo dopo aver chiarito queste condizioni ha senso selezionare la pompa di dragaggio, la pompa dell'acqua a getto, la potenza del motore, il diametro di aspirazione e la tubazione di scarico.

Questo approccio spiega anche perché un modello di catalogo standard non è sempre la soluzione migliore. Due progetti possono avere obiettivi di produzione simili ma richiedere attrezzature diverse perché il materiale del letto del fiume e le condizioni della conduttura sono diversi. Un progetto potrebbe richiedere maggiore attenzione alla resistenza all’usura, mentre un altro potrebbe richiedere una prevalenza di pompaggio aggiuntiva perché la sabbia deve percorrere una lunga distanza nell’entroterra.

Per i costruttori, quindi, la personalizzazione non significa semplicemente cambiare le dimensioni dello scafo o la marca del motore. Può coinvolgere l'intero sistema di lavoro: dimensioni del pontone, capacità della pompa, pressione del getto d'acqua, disposizione dell'aspirazione, diametro della tubazione, potenza del motore, configurazione del verricello e sistema di controllo.

Una draga aspirante a getto ben progettata dovrebbe essere trattata come un sistema di produzione idraulica completo.

La domanda finale non è se una draga abbia una pompa grande o un motore potente. La domanda più utile è se il sistema completo sia in grado di mantenere la produzione di sabbia richiesta nelle condizioni effettive del progetto.

Questa è la differenza tra scegliere una draga da un catalogo e ingegnerizzarne una per un vero sito di estrazione della sabbia.