الحفارة ذات الشفط النفاث لتعدين الرمال: تصميم النظام حول المشروع

يمكن أن تبدو الحفارة ذات الشفط النفاث بسيطة نسبيًا على سطح السفينة. يوجد عائم ومحرك ديزل ومضخة رمل ومضخة مياه عالية الضغط وخط شفط وخط تفريغ. ومع ذلك، من الناحية العملية، فإن جعل النظام ينتج الكمية المتوقعة من الرمال لا يعني مجرد تركيب مضخة أكبر.

السؤال الأول الذي نطرحه عادةً هو ما هي المادة الموجودة فعليًا على قاع النهر.

تختلف رمال النهر الفضفاضة كثيرًا عن الرمال المضغوطة. يتصرف الرمل الناعم بشكل مختلف عن الرمل الخشن الذي يحتوي على الحصى. قد تصبح الرواسب التي تبدو سهلة التنقيب من السطح أكثر صعوبة بمجرد وصول رأس الشفط إلى طبقة العمل. تؤثر حالة المادة على كمية المياه النفثية المطلوبة، وكمية المواد الصلبة التي يمكن أن تدخل إلى نظام الشفط وكيفية تصرف الملاط داخل خط أنابيب التفريغ.

هذا هو المكان الذي يبدأ فيه تصميم الحفارة ذات الشفط النفاث.

مبدأ التشغيل الأساسي راسخ. توفر مضخة المياه المنفصلة المياه النظيفة عند الضغط للنظام النفاث. يقوم نفاث الماء بتكسير أو تمييع الرواسب المحيطة، بينما يتم سحب خليط الماء الرملي الناتج إلى نظام الشفط ونقله عبر خط التفريغ. تصف دراسة أجرتها لجنة أبحاث المياه عام 2002 المضخة النفاثة بأنها نظام لتبادل الزخم: حيث تخلق نفاثة المياه النظيفة عالية السرعة منطقة منخفضة الضغط تسحب خليط الماء الرملي إلى غرفة الخلط ثم إلى خط أنابيب التفريغ. ووجدت الدراسة أيضًا أن نهاية الشفط تعمل بشكل فعال بشكل خاص عند دفنها في الرمال المتدفقة بحرية.

وهذا المبدأ مفيد، لكنه لا يعطي المهندس المواصفات النهائية للكراكة.

بالنسبة لمشروع حقيقي، يجب أن يكون هدف الإنتاج مرتبطًا بعمق التجريف وخصائص المواد وظروف التفريغ. قد يقول العميل أن المشروع يتطلب 200 متر مكعب/ساعة من الرمال، ولكن هذا العدد وحده لا يكفي لاختيار المضخة.

خذ بعين الاعتبار مشروع كمبوديا المنشور للعامة. طلب العميل ضخ الرمال من عمق 15 مترًا تقريبًا تحت الماء ونقلها لمسافة حوالي 500 متر إلى نقطة التفريغ. يستخدم تكوين المعدات المنشور محرك ديزل Weichai WP12 بقدرة 275 كيلووات ومضخة رمل من سبائك الكروم العالية، مع إنتاج رمل محدد يبلغ حوالي 200 متر مكعب/ساعة.

الجزء المثير للاهتمام في هذه الحالة ليس مجرد رقم 200 متر مكعب/ساعة. إن عمق التجريف الذي يبلغ 15 مترًا ومسافة التفريغ البالغة 500 مترًا هو ما يجعل اختيار المضخة والطاقة ذا معنى. إذا كان نفس هدف الإنتاج مطلوبًا على مسافة تفريغ أقصر بكثير، فستختلف المتطلبات الهيدروليكية. إذا اضطر خط الأنابيب إلى الارتفاع بشكل كبير بعد الوصول إلى ضفة النهر، فإن رأس المضخة المطلوب سيتغير مرة أخرى.

ولهذا السبب لا أوصي باختيار الحفارة ذات الشفط النفاث من خلال النظر إلى تدفق المضخة وحده.

يعد خط أنابيب التفريغ أحد أسهل أجزاء المشروع التي يجب الاستهانة بها. بمجرد أن يغادر الملاط الحفارة، يجب على المضخة التغلب على احتكاك الأنابيب والارتفاع والخسائر المحلية الناتجة عن الانحناءات والصمامات والتجهيزات الأخرى. يصبح الوضع أكثر صعوبة مع زيادة تركيز المواد الصلبة.

هناك أيضًا توازن يجب الحفاظ عليه. قد يؤدي وجود كمية كبيرة من الماء إلى تسهيل نقل الملاط ولكنه يقلل من كمية الرمل المفيد الذي يتم استخلاصه لكل وحدة من الخليط الذي يتم ضخه. يمكن أن يؤدي القليل من الماء إلى زيادة تركيز الملاط ويجعل النقل عبر خطوط الأنابيب أكثر صعوبة. تعتمد نقطة التشغيل الصحيحة على المادة وقطر الأنبوب وخصائص المضخة والإنتاج المطلوب.

توضح دراسة هندسية منشورة أجرتها لجنة أبحاث المياه هذه العلاقة مع نظام المضخة النفاثة التجريبي. تضمنت شروط تصميمها معدل إنتاج 30 طنًا في الساعة، ورأس إمداد مضخة دافعة بقدرة 700 كيلو باسكال، وأنبوب دافع 100 مم، وخط تفريغ 100 مم، وارتفاع تفريغ 5 أمتار فوق مستوى الماء. استخدم التصميم المُبلغ عنه أيضًا تركيزًا للرواسب يبلغ حوالي 31٪ من الكتلة.

لا ينبغي التعامل مع الأرقام باعتبارها مواصفات عالمية لكل كراكة شفط نفاث. إنها مفيدة لأنها توضح مدى الارتباط الوثيق بين ضغط الماء وقطر الأنبوب والإنتاج والتركيز وظروف التفريغ.

ويقدم مشروع منشور آخر من كينيا مثالاً عمليًا عن تجريف الرمال تجاريًا. وفقًا لتقرير المشروع، احتاج العميل إلى ما يقرب من 150 طنًا من الرمال في الساعة، ومسافة تفريغ تبلغ 400 مترًا، وعمق تجريف يبلغ 18 مترًا. قام المورد بتصميم كراكة شفط نفاثة مقاس 8 بوصات لتلبية تلك المتطلبات.

مرة أخرى، المعلومات الهندسية المهمة هي مزيج المتطلبات وليس حجم الأنبوب 8 بوصة نفسه. لا ينبغي أن يُتوقع من الحفارة مقاس 8 بوصات المصممة لنهر واحد أن تنتج تلقائيًا نفس النتيجة في نهر آخر. تؤثر كثافة الرمال وحجم الحبوب وظروف الرواسب تحت الماء وتصميم خطوط الأنابيب وساعات التشغيل الفعلية على الإنتاج.

وهذا مهم بشكل خاص في استخراج الرمال لأن كلمة "الرمل" تغطي مجموعة واسعة من المواد بشكل مدهش.

يمكن تسييل رمال الأنهار الناعمة والفضفاضة بسهولة نسبية. قد تتطلب الرمال الخشنة ترتيبًا نفاثًا مختلفًا. إذا تم خلط الطين في الرواسب، فقد تصبح المادة لزجة بدلاً من التدفق الحر. يمكن للحصى أو الجزيئات الأكبر حجمًا أن تخلق مجموعة أخرى من المشكلات عند مدخل الشفط وداخل المضخة.

يجب أيضًا مراعاة تآكل المضخة قبل بناء الحفارة.

الرمال كاشطة. المضخة التي تتعامل مع المياه النظيفة والمضخة التي تتعامل بشكل مستمر مع ملاط ​​الرمل لا تواجهان نفس ظروف التشغيل. بالنسبة للتعدين التجاري للرمال، يمكن أن يكون للمواد المقاومة للتآكل ومكونات التآكل القابلة للاستبدال تأثير كبير على فترات الصيانة.

يعد المشروع الذي تم الإعلان عنه علنًا بشأن نهر الكونغو مثالًا مفيدًا. يتضمن التكوين المنشور أربع كراكات شفط الرمال النفاثة مقاس 14 بوصة، مع عمق تجريف يبلغ حوالي 15 مترًا وإنتاجًا يتراوح بين 300-375 مترًا مكعبًا تقريبًا في الساعة اعتمادًا على ظروف التشغيل المذكورة. يستخدم النظام مضخة رمل مصنوعة من سبائك الكروم العالية وقد تم تصميمه لرمل الأنهار الكاشطة.

مواصفات المضخة ذات الكروم العالي في هذا المشروع ليست تفاصيل غير ضرورية. عندما تحتوي المادة المجروفة على كمية كبيرة من الرمل الكاشطة، يصبح غلاف المضخة والمكره والمكونات المبللة الأخرى أجزاء هندسية مستهلكة. يمكن أن يصبح السعر الأولي المنخفض للمعدات مكلفًا إذا كانت الأجزاء المتآكلة تحتاج إلى استبدال متكرر أو إذا كان على الحفارة أن تتوقف بانتظام للصيانة.

وينطبق نفس المبدأ على نظام المياه النفاثة.

المضخة النفاثة نفسها ليست العنصر الوحيد المهم. يجب أن توفر مضخة المياه ذات الضغط العالي تدفقًا وضغطًا كافيين لتسييل الرواسب بشكل فعال. يؤثر حجم الفوهة وترتيبها على كيفية وصول الماء إلى الرمال. يجب على رأس الشفط جمع المواد المفككة دون السماح بالتخفيف المفرط أو ظروف السحب غير المستقرة.

في بعض المشاريع، يعمل رأس الشفط بالقرب من طبقة الرمل أو داخلها. أشارت أبحاث لجنة أبحاث المياه على وجه التحديد إلى أن التجريف النفاث يمكن أن يعمل بفعالية مع نهاية الشفط المدفونة في الرمال، ووصف تكوين حفر الحفر المتداخلة عند إزالة الرمال المتدفقة بحرية.

هذه الملاحظة مفيدة عند التفكير في كفاءة التجريف. لا تجلس الحفارة ببساطة في موضع واحد وتزيل كمية غير محدودة من المواد. يتعين على المشغل التحكم في حركة رأس الشفط وموضع العمل بحيث تتطور منطقة الحفر تدريجيًا بدلاً من ترك كميات كبيرة من المواد خارج منطقة الشفط الفعالة.

وبالتالي فإن الهيكل ونظام تحديد المواقع مهمان أيضًا.

قد تستخدم الحفارة النهرية الصغيرة ترتيبًا عائمًا مدمجًا مع الروافع وبقع تحديد المواقع. قد تتطلب الماكينة الأكبر حجمًا منصة عمل أوسع لأن المحرك ومضخة الرمل ومضخة المياه والنظام الهيدروليكي وخزانات الوقود وكابينة التحكم كلها تحتاج إلى أن تتناسب مع مساحة السطح المتاحة مع الحفاظ على الاستقرار المناسب.

تدخل وسائل النقل أيضًا في التصميم في مرحلة مبكرة، خاصة بالنسبة للمشاريع الخارجية. قد يظل من الصعب تسليم الحفارة التي تعمل بشكل جيد على النهر إذا تجاوزت أبعادها الإجمالية حدود النقل المتاحة. ولهذا السبب، تم تصميم بعض جرافات الشفط النفاثة على شكل طوافات معيارية يمكن تفكيكها إلى أقسام قابلة للنقل وتجميعها مرة أخرى في موقع المشروع.

بالنسبة لمشروع دولي لتعدين الرمال، أرغب عادةً في معرفة عدة أشياء قبل تحديد التكوين النهائي: الإنتاج المطلوب، وعمق التجريف الفعلي، وخصائص الرمال، والمسافة من منطقة التجريف إلى نقطة التفريغ، والارتفاع في موقع التفريغ، وساعات العمل المتوقعة والطريقة المستخدمة لمعالجة أو تخزين الرمال المستردة.

فقط بعد أن تكون هذه الشروط واضحة، يكون من المنطقي تحديد مضخة التجريف ومضخة المياه النفاثة وقوة المحرك وقطر الشفط وخط أنابيب التفريغ.

يشرح هذا الأسلوب أيضًا سبب عدم كون نموذج الكتالوج القياسي هو الحل الأفضل دائمًا. يمكن لمشروعين أن يكون لهما أهداف إنتاجية مماثلة ولكنهما يتطلبان معدات مختلفة لأن ظروف مواد قاع النهر وخطوط الأنابيب مختلفة. قد يحتاج أحد المشاريع إلى مزيد من الاهتمام لمقاومة التآكل، بينما قد يتطلب مشروع آخر رأس ضخ إضافي لأن الرمال يجب أن تنتقل لمسافة طويلة إلى الداخل.

بالنسبة للمصنعين، فإن التخصيص لا يقتصر فقط على تغيير أبعاد الهيكل أو العلامة التجارية للمحرك. يمكن أن يشمل نظام العمل الكامل: حجم العائم، سعة المضخة، ضغط الماء النفاث، ترتيب الشفط، قطر خط الأنابيب، قوة المحرك، تكوين الونش ونظام التحكم.

ينبغي التعامل مع الحفارة ذات الشفط النفاث جيدة التصميم كنظام إنتاج هيدروليكي كامل.

السؤال الأخير ليس ما إذا كانت الحفارة تحتوي على مضخة كبيرة أو محرك قوي. والسؤال الأكثر فائدة هو ما إذا كان النظام الكامل يمكنه الحفاظ على إنتاج الرمال المطلوب في ظل الظروف الفعلية للمشروع.

هذا هو الفرق بين اختيار كراكة من الكتالوج وهندسة واحدة لموقع حقيقي لاستخراج الرمال.