La tecnología detrás de uno de los transportadores de tuberías más largos del mundo

Los transportadores de larga distancia son un método fiable y energéticamente eficiente para el transporte de material a granel. Los transportadores de tuberías (sistemas de manejo de materiales completamente cerrados) ofrecen protección ambiental adicional y más flexibilidad al pasar por terrenos difíciles al permitir radios de curvatura horizontales y verticales más pequeños.

En 2017 se puso en funcionamiento con éxito un transportador de tuberías de 15 kilómetros de largo cerca de Hebi, China. El transportador transporta 1.000 toneladas métricas por hora (T/h) de carbón desde la base de carbón de Yubei hasta dos calderas de carbón de 660 MW en la Central eléctrica de Hebi Heqi. El sistema es el transportador de tubos de un solo tramo más largo del mundo y supera con creces el récord anterior de 8,2 kilómetros (km).

Este artículo revisa algunas de las características técnicas únicas de este sistema transportador, incluida su correa de baja resistencia a la rodadura, su estructura elevada liviana, su carro de mantenimiento autoalimentado y su diseño de accionamiento de refuerzo intermedio.

Los transportadores de tubos son un tipo especial de cinta transportadora. La correa se pliega en forma tubular y se superpone mediante seis rodillos tensores que forman un hexágono. Los principales beneficios de los transportadores de tuberías son su capacidad para adaptarse a curvas pronunciadas y sellar el material transportado. La cinta de tubos encierra y separa el material del entorno. La correa de tubería también tiene un momento de inercia de área más pequeña en comparación con una correa de canal con el mismo ancho, lo que facilita la flexión de la correa de tubería sobre curvas horizontales y verticales. En los últimos 15 años, los transportadores de tuberías no solo tienen más instalaciones, longitudes de transportador más largas y mayores capacidades, sino que también han ganado un mayor reconocimiento entre los usuarios finales en diferentes industrias como un sistema factible de manejo de materiales.

La base logística y de almacenamiento de carbón de Yubei está ubicada en la parte norte de la provincia china de Henan, cerca de Hebi. La base de carbón está diseñada para manejar 20.000.000 de toneladas métricas de carbón por año y puede almacenar 800.000 toneladas métricas de carbón en un momento dado. Recibe carbón de minas cercanas por ferrocarril y camión, almacena y mezcla carbón de diferentes calidades y lo envía a los consumidores locales. Alrededor de 7.000.000 de toneladas se transportan a dos centrales eléctricas mediante un sistema de transporte de 30 kilómetros de longitud.

El primer transportador de 15 kilómetros, la Sección A de Yubei, comienza en la base de carbón de Yubei y termina en la central eléctrica Fenghe Tongli, que tiene dos unidades de 300 MW y dos de 600 MW. La Sección A de Yubei tiene una capacidad de diseño de 1.850 T/h. Parte del carbón es consumido por la central eléctrica de Fenghe Tongli y otra parte es transportado por un segundo transportador de 15 km (Sección B de Yubei) desde la central eléctrica de Fenghe Tongli hasta la central eléctrica de Hebi Heqi.

La Sección B de Yubei tiene una capacidad de diseño de 1.000 T/h. Hay dos silos de 4.000 toneladas métricas entre los transportadores de la Sección A y la Sección B. La Figura 1 muestra el transportador de tubos de la Sección B que llega al patio de almacenamiento de carbón de la central eléctrica de Hebi Heqi. La Sección B de Yubei se puso en servicio en 2017.

Las consideraciones ambientales son un factor importante al elegir el tipo de sistema que se utilizará en aplicaciones de manejo de carbón. Los transportadores de las secciones A y B de Yubei cruzan algunas áreas ambientalmente sensibles, incluidos humedales protegidos, parques naturales y ríos que proporcionan agua potable. En el estudio de viabilidad del proyecto se evaluaron varias opciones para el sistema de manipulación de materiales de Yubei.

Una percepción que se ha vuelto más común entre los usuarios finales y las agencias reguladoras es que el material debe separarse físicamente del medio ambiente, por ejemplo mediante el uso de un sistema de manipulación de materiales totalmente cerrado para garantizar un transporte de material limpio. Según esta premisa, una cinta transportadora debe colocarse en una estructura totalmente cerrada, mientras que una cinta tubular puede colocarse en una estructura abierta porque la cinta tubular en sí misma es un transporte de material cerrado.

Normalmente, un transportador de tubería es más caro en capital y costo operativo en comparación con un transportador de artesa; sin embargo, una estructura transportadora totalmente cerrada es cara. Además, el transportador de tuberías reduce los costes civiles y de adquisición de terrenos al permitir radios de curvatura más pequeños y una ruta de transporte más flexible. Combinando estos factores, se demostró que un transportador de tubos tenía costos totales más bajos para el proyecto Yubei en comparación con un transportador de artesa y, por lo tanto, se eligió como el tipo de transportador a utilizar.

La Figura 2 muestra el perfil del transportador de la Sección B en la vista en alzado (figura superior) y la ruta del transportador en la vista en planta (figura inferior). En la Figura 2, los segmentos de línea roja son las secciones rectas; los segmentos de línea verde son las secciones curvas con radios de curva horizontal de 400 metros y 500 metros. La longitud total de las curvas horizontales es de 2,11 km, 14,1% de la longitud del transportador de 15 km. El ángulo total de la curva horizontal es de 283 grados. Si se hubiera utilizado un transportador de artesa, la longitud total de la curva horizontal habría requerido 8,4 km para lograr el mismo ángulo de curva.

Inicialmente, cada uno de los transportadores de tubos de 15 km se dividió en dos transportadores individuales con una longitud de aproximadamente 7 km a 8 km, basándose, entre otras cosas, en longitudes de transportador, capacidades de correa y tamaños de transmisión previamente probados. Sin embargo, Conveyor Dynamics Inc. (CDI) propuso un transportador de un solo tramo de 15 km con un impulsor intermedio para los transportadores de la Sección A y la Sección B.

La Figura 3 muestra el esquema de la disposición de accionamiento del transportador de la Sección B. Hay cuatro puntos de impulso: cabeza, medio, cola y retorno-medio. Tanto la estación de accionamiento central como la de cabezal tienen dos poleas motrices, cada una equipada con un motor de 1250 kW impulsado por variadores de frecuencia. La transmisión central de retorno tiene un motor de 1250 kW y la transmisión de polea trasera tiene un motor de 1800 kW. La estación intermedia está a 8,41 km del punto de carga de cola.

Los accionamientos en las diferentes ubicaciones tienen diferentes métodos de control. Las transmisiones en el extremo superior están bajo control de velocidad para mantener la velocidad designada de la correa. Se instalan células de carga en las estaciones de transmisión central y trasera para medir la tensión de la correa, desde donde el programa de control regula la salida del par de transmisión.

En dos proyectos anteriores de CDI se ha implementado con éxito el diseño de transportadores de largo recorrido con sistemas de accionamiento central. Uno era el transportador de artesa Curragh North de 20,3 km en Australia, que transportaba 2.500 T/h de carbón y se puso en marcha en 2007. El otro era el transportador de artesa Sasol Impumelelo de 27 km en Sudáfrica que transportaba 2.000 T/h de carbón y se puso en marcha en 2015. Ambos transportadores se convirtieron en el transportador de artesa de un solo tramo más largo del mundo en el momento de su puesta en servicio. En comparación con dividir un transportador en dos, el diseño de un solo tramo con accionamiento central tiene los siguientes beneficios:

De hecho, la ingeniería de control de disposiciones de accionamiento multipunto es más complicada. Pero esto se puede solucionar con una buena ingeniería y un pequeño aumento de costes. El transportador de tubos Yubei Sección B comenzó el proceso de puesta en servicio en junio de 2017 y pasó la prueba de rendimiento a carga completa en septiembre de 2017. CDI proporcionó el transportador básico y el diseño estructural y de control durante la etapa de licitación y la etapa de ejecución del proyecto para la ingeniería primaria. contratista de adquisiciones y construcción Huadian Heavy Industries Co. Ltd.

CDI trabajó con el fabricante de correas Zhejiang Double Arrow Rubber Co. Ltd. para desarrollar una solución de correa personalizada para el sistema transportador de tuberías Yubei. La correa de la Sección B tiene 1.500 milímetros (mm) de ancho con una resistencia a la tracción de 2.500 Newtons por milímetro (N/mm) y una cubierta superior de 8 mm y una cubierta inferior de 6 mm. La correa ST2500 tiene 95 cordones de acero de 6,7 mm de diámetro. Se utiliza una velocidad de correa más rápida (4,5 m/seg) para reducir el ancho de la correa de 1.600 mm a 1.500 mm para formar una tubería más pequeña de 427 mm de diámetro para transportar 1.000 T/h de carbón, lo que reduce los costos de la correa y la estructura.

La rigidez de la sección transversal y la construcción de una correa de tubos son fundamentales para lograr el rendimiento óptimo del transportador. La correa de tubería plegada ejerce una presión de contacto sobre los rodillos locos, lo que se ve fuertemente afectado por la rigidez a la flexión de la sección transversal de la correa. La presión de contacto, combinada con la cubierta inferior de la correa, se traduce en la resistencia a la rodadura por indentación (IRR).

La TIR es la pérdida de energía por histéresis debido a la deformación viscoelástica en la cubierta inferior de la correa durante el contacto de rodadura con los rodillos locos. Si la rigidez es demasiado alta, la correa de tubería tiene una TIR muy alta. Incluso puede provocar que una correa vacía no pueda arrancar. Si la rigidez es demasiado baja, la cinta tubular colapsa y no es capaz de mantener la sección transversal circular. Una correa de tubería colapsada tiende a tener una gran rotación y torsión en curvas horizontales y verticales.

CDI ha desarrollado un programa de análisis de elementos finitos (FEA) de correas de tuberías para analizar el comportamiento de las correas de tuberías. La Figura 4 muestra el modelo FEA tridimensional completo de la correa de tuberías de la Sección B de Yubei. La deformación de la correa en curvas horizontales y verticales se simula para optimizar la construcción de la correa seleccionada y reducir la rotación excesiva y el colapso de la tubería. La abertura de superposición de la tubería entre los paneles tensores se modela para ajustar la construcción de la correa y reducir la abertura de superposición.

La Figura 5 muestra tres muestras de correas de tubos plegados en una máquina de prueba que mide las fuerzas de contacto de seis puntos. Hay una capa de tela en la cubierta superior y una capa de tela en la cubierta inferior. Las dos capas de tela tienen diferentes anchos para proporcionar suficiente rigidez en sección transversal manteniendo al mismo tiempo un sello de superposición flexible y ajustado. Las tres muestras tienen diferente tipo de tejido, ancho y rigidez de sección transversal, lo que dio como resultado diferentes formas de tubería.

La rigidez de la sección transversal de la tubería se caracteriza mediante una prueba de flexión en tres puntos. El tamaño de la muestra de prueba es de 312 mm de ancho y 51 mm de largo cortado desde el centro y el área del borde. La rigidez de la correa medida a partir de la prueba de flexión de tres puntos es mucho más sensible a los cambios en la construcción de la correa que la prueba de canalización ISO 703.

Por cada cambio del 5% en el valor de canalización, hay aproximadamente un cambio del 25% en el valor de rigidez a la flexión de tres puntos. La prueba de flexión de tres puntos, más sensible, proporciona mayor precisión y mejor control de la rigidez de la correa. Además, también se realiza una prueba de fatiga por flexión en la muestra de la correa de tubería de ancho completo para verificar la disminución de la rigidez después de 350.000 ciclos de apertura y cierre de la tubería.

El consumo de energía de una correa de tubería es un aspecto importante del diseño de la correa. Se ha demostrado que la TIR del contacto entre la correa y el rodillo loco puede representar aproximadamente el 60% de la pérdida de energía en un transportador terrestre. Una correa de baja resistencia a la rodadura (LRR) tiene una cubierta inferior de caucho modificada con menos pérdida de energía por histéresis y menos IRR, lo que reduce el consumo de energía y la tensión de la correa, especialmente para transportadores terrestres de larga distancia. Esto significa que se pueden utilizar tamaños de transmisión más pequeños y una clasificación de correa reducida, lo que reduce tanto los costos de capital como los de operación. Una menor tensión de la correa también mejora la dinámica de arranque y parada del transportador, aumenta la vida útil del empalme, aumenta la vida útil de la rueda guía y de la polea y reduce la deformación y rotación de la correa de tubería.

Existen múltiples métodos para probar y cuantificar la TIR. CDI utiliza un analizador mecánico dinámico (DMA) para medir la propiedad viscoelástica del caucho y luego utiliza un programa interno patentado para calcular la TIR asociada. La presión de contacto de la correa de tubería sobre seis rodillos locos se exporta desde el modelo de elementos finitos y se importa al software de diseño de transportadores Beltstat, junto con los datos de prueba de caucho DMA, para realizar análisis estáticos y dinámicos. Los usuarios finales generalmente requieren una correa resistente al fuego para el manejo de carbón. Como tal, CDI especificó una correa LRR resistente al fuego en el diseño del transportador para mejorar el rendimiento del transportador. Se han llevado a cabo extensas pruebas y esfuerzos de combinación para desarrollar un compuesto de caucho que cumpla con el LRR, la resistencia al fuego y otros requisitos como resistencia, abrasión y resistencia al ozono para la correa de tubería.

El usuario final requirió que el sistema transportador de tuberías Yubei se elevara seis metros sobre el suelo mediante una estructura de armadura. Un transportador elevado reduce la interferencia con los residentes locales y mejora la seguridad. En tales casos, generalmente se requiere una pasarela al costado de la armadura para brindar acceso para el mantenimiento e inspección del transportador. Pero en este proyecto, la pasarela fue reemplazada por un tranvía móvil.

Este enfoque tiene múltiples beneficios. En primer lugar, se reduce el peso estructural y los costes de capital. Las pasarelas típicas de doble cara pesan unos 100 kg/m. Los estándares de diseño estructural normalmente exigen una carga viva de 2000 a 3000 N/m2 en la pasarela. Rara vez la pasarela transportadora está sujeta a cargas tan pesadas, pero la estructura de celosía debe cumplir con la norma estructural vigente. Los requisitos de peso y carga de la pasarela añaden peso adicional a la armadura. En segundo lugar, la luz de la armadura se puede aumentar debido al menor peso. El aumento de la luz de la armadura reduce el número total de columnas de soporte y los costos civiles asociados. En tercer lugar, el mantenimiento y la inspección de transportadores de larga distancia son mucho más eficientes y convenientes utilizando el carro móvil.

El primer proyecto de este tipo de CDI fue el transportador de piedra caliza Dangote Obajana de 6,9 ​​km en Nigeria, puesto en marcha en 2007. El transportador de artesa de 2.500 T/h se elevó seis metros sobre el suelo mediante una armadura triangular sin pasarela. La luz de la cercha entre los codos de apoyo fue de 36 m. Un carro autopropulsado y diseñado a medida se desplaza sobre la estructura triangular para inspección y mantenimiento. En 2015, el carro móvil diseñado por CDI se había implementado con éxito en cinco proyectos diferentes (la Línea 2 Obajana de 6,9 ​​km, la Línea 3 Obajana de 7,7 km, la Línea 4 Obajana de 10 km, la India Dahej de 3 km y el Nigeria Ibese de 5 km). En el transportador de tubos de la Sección B de Yubei, el ahorro en acero estructural al eliminar la pasarela fue de aproximadamente 150 T/km. Para todo el transportador de 15 kilómetros de longitud, el ahorro total fue de 2.400 toneladas de acero.

La armadura tipo caja está hecha de perfiles de acero en ángulo y de canal laminados en caliente, mientras que la armadura triangular está hecha de tubos de acero sin costura. Los tubos de acero tienen una capacidad de carga superior en comparación con las secciones de acero en ángulo y canal, pero son más caros. La armadura de cajón tiene luces de 30 m en las secciones curvas cóncavas rectas y verticales, como se muestra en la Figura 6, mientras que una armadura de caja convencional con pasarela generalmente tiene luces de 25 m.

Se modificó un pequeño camión con tracción en las cuatro ruedas para incluir plataformas de trabajo en ambos lados y estructuras especiales para que el vehículo se desplazara sobre la estructura de la caja. La armadura de caja es más adecuada para el uso de carros en vehículos, mientras que la forma de la armadura triangular requiere una estructura de carro diseñada a medida. La Figura 7 muestra el vehículo de mantenimiento en la estructura transportadora de Yubei. El vehículo proporciona una unidad motriz capaz y un marco liviano, en comparación con un carro diseñado a medida. Otra innovación del vehículo de mantenimiento Yubei es que está equipado con un transmisor de radio para enviar señales de parada de emergencia al sistema de control del transportador, que reemplaza el cordón de tracción a lo largo de toda la cinta transportadora.

El proceso de puesta en servicio del transportador de la Sección B de Yubei comenzó en junio de 2017 y concluyó con la finalización de las pruebas de rendimiento a carga completa en septiembre. El tiempo de puesta en servicio fue corto teniendo en cuenta la longitud del transportador. Se realizó un entrenamiento menor del cinturón, pero no se necesitó un gran esfuerzo para corregir una rotación importante.

La correa de tubería mantiene un contacto total sobre seis rodillos locos en secciones rectas y tiene una pequeña deformación en secciones curvas. La correa para tuberías LRR logra los ahorros previstos en el consumo de energía. De hecho, el consumo de energía está cerca de la condición de baja fricción calculada en el análisis del transportador, menor que la condición normal o de alta fricción que se esperaba que ocurriera durante la operación inicial del transportador de tubos. La Figura 8 muestra el consumo de energía del transportador en condiciones de vacío y carga completa.

La figura también muestra la comparación entre el cálculo y la medición de campo. Las líneas continuas negra y roja son las curvas de potencia-temperatura calculadas para la cinta vacía y completamente cargada, respectivamente, funcionando a máxima velocidad. Ambas líneas continuas se calculan a partir de la rigidez medida de la correa de tubería y las propiedades viscoelásticas del caucho. Los círculos negros son el consumo de energía medido de la cinta vacía. Los triángulos rojos son el consumo de energía medido de la correa completamente cargada.

De hecho, el cinturón LRR redujo el consumo de energía como se esperaba. A 20 °C, la correa LRR reduce el consumo de energía en un 25 % en comparación con una correa de caucho normal; a 30°C, el ahorro de energía del cinturón LRR aumentó al 30%. Si se utiliza una correa de tubería normal que no sea LRR, el consumo de energía de la correa de tubería vacía y completamente cargada se calculó para seguir la línea discontinua negra y roja, respectivamente.

La diferencia se hace mayor a temperaturas más cálidas. Suponiendo una reducción del 25% en el consumo de energía, el ahorro total anual de energía para el transporte de 4.000.000 de toneladas de carbón es de más de 5,1 GWh. Este ahorro de energía no sólo reduce el costo operativo sino que también reduce las emisiones anuales de gases de efecto invernadero en aproximadamente 3.800 toneladas métricas de CO2, según los modelos de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. ■

—Yijun Zhang PhD, PE es director técnico de Conveyor Dynamics Inc.

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