Verstoppingen in slurry-transportleidingen ontrafeld

Verstoppingen in lange leidingen

Door middel van computersimulaties werd onderzocht hoe slurry zich in lange leidingen gedraagt en hoe verstoppingen ontstaan. De verstorende en remmende verstoppingen kunnen wel vijfhonderd meter lang zijn en treden op bij zowel de zandslurry uit de hopperzuiger, als bij het veel grovere sediment uit de snijkopzuiger, en bij (natte) mijnbouwslurry waar grove mineralen verpompt worden. De Hoog: “In alle gevallen neemt het risico op verstoppingen toe naarmate de pijpleiding langer wordt.”  

Verstoppingseffecten

Tijdens zijn promotieonderzoek richtte De Hoog zich op twee verschillende verstoppingseffecten. “Het eerste, al bekend in de baggerindustrie, is het eroderen van een stilstaande zandlaag in een horizontale buis. Het verzandt bij een te lage snelheid. Dit proces is nooit volledig doorgrond, maar veroorzaakt instabiliteiten in de stroming.”

Het tweede verstoppingseffect werd onderzocht tijdens een experiment in een 130 meter diepe oude mijnschacht in Oost-Duitsland. “Daar hebben we een verticaal pijpleidingcircuit ingehangen. Hier bleek dat, ondanks een constante beweging van de slurry (van maximaal 20% procent zand), zich een steeds dikker wordende ophoping vormde. Dat was een fundamenteel ander symptoom dan bij horizontaal slurrytransport. We hadden zoiets nog nooit gezien, en veel academische experts op een congres kort daarna ook niet.” 

“Met deze twee uitkomsten – dankzij diverse experimenten van de twee andere afstudeerders – kon ik modellen maken voor de vele verschillende aspecten van een simulatie, en die dus steeds realistischer krijgen.”

Oplossingen in zicht

Het onderzoek van De Hoog heeft genoeg nieuwe kennis en perspectieven opgeleverd om realistisch toe te werken naar praktijkoplossingen die afrekenen met de verstopping in de pijpleiding. Die zijn in de vaste overtuiging van De Hoog niet alleen goed haalbaar, maar leveren de baggerij ook veel winst op. “Hoe meer sediment in de pijpleiding, hoe hoger de productie en hoe efficiënter het proces, maar met een hoger risico op verstoppingen.”

Monitoring en regelbare pompen

“Uit mijn onderzoek blijkt dat de verstoppingen tijdens het verpompen sterk gerelateerd zijn aan de ingeburgerde steady state pijpleidingontwerpmethode, waarbij de ontwerpers ervan uitgaan dat het transportproces altijd stabiel is. Echter, wil men meer sediment transporteren bij een lager watergehalte, dan loert instabiliteit om de hoek. De oplossingen schuilen vooral in regelbare pompen en het slim monitoren van de slurry.”

Intelligent verpompen 

“Langere pijpleidingen hebben vooral veel boosters nodig, met name naarmate de deeltjes groter worden. Daarnaast moeten de pompen een regelaar krijgen om het vermogen real time aan te passen. Die geeft zo nodig gas om te voorkomen dat de snelheid zakt. Zo houd je de snelheid van de slurry constant, wat het pompproces en de doorstroming stabiliseert. Je hebt hiervoor slechts één sensor nodig, meestal bij de eerste pomp, voor de hele pijpleiding, hoe lang die ook is.” 

Minder water, meer sediment

“Om de waterconcentratie omlaag te krijgen en dus de concentratie sediment omhoog, moet de snijkopzuiger wel meer kunnen graven. Reservesnijvermogen kan zo worden ingezet om meer sediment in de pijpleiding te krijgen. Anderzijds biedt een hopper de grote luxe dat je in de beun kunt werken door minder te fluïdiseren met jet water. Dit bespaart kosten.” 

Veel concrete winst

Betere monitoring van de slurry en regelbare pompen leiden tot lagere kosten per kuub getransporteerde slurry zónder productieverlies, of anders gezegd: meer productie met dezelfde kosten: 

• Er is minder water nodig om het sediment te jetten en te fluïdiseren in de hopper. 
• Er kan soms zelfs een kleinere maat leiding worden gebruikt en met een lagere snelheid toch evenveel materiaal worden getransporteerd (want hogere concentratie). 
• Dan kunnen er kleinere pompen worden gebruikt. Een nieuw pompontwerp is niet nodig.
• Lagere snelheid = minder energie en minder slijtage.
• Kleinere leidingen en pompen, en minder jetpompvermogen, betekent lagere kosten en minder gewicht aan boord. Dit maakt het baggerschip goedkoper om te bouwen én goedkoper in het gebruik. 

Pomp-testcircuit

Zowel ‘buiten’ in het veld, als in het laboratorium is er volop fysiek getest, zoals in het relatief nieuwe pomp-testcircuit in Kinderdijk. “Ik heb in ons laboratorium een experiment gebouwd om de ophopende effecten te meten met heel snelle sensoren. Dit levert waardevolle data op om de nieuwe ontwerpmethodes te valideren. Nu ben ik een nieuwe versie van het simulatiemodel aan het maken waarmee je het gedrag van de pompen en de regelaar verder kunt modelleren.” 

De volgende stap: praktijktesten

“Ik ben ervan overtuigd dat de tot dusverre geproduceerde simulatie-uitkomsten de fysieke praktijksituaties waarheidsgetrouw weergeven, maar de markt vraagt om tastbare resultaten.” Om zijn onderzoeksresultaten te kunnen hardmaken met de broodnodige praktijktests, zijn dus zowel een snijkopzuiger als een hopper bijzonder welkom. “Er komen kansen aan binnen Royal IHC voor praktijktesten. Mochten er nog meer baggeraars zijn die mee willen werken aan veldtesten, dan hoor ik het graag.” 

Conclusie

Het promotieonderzoek van Edwin de Hoog laat zien dat verstoppingen in slurry-transportleidingen geen gegeven hoeven te zijn. Met betere monitoring en regelbare pompen kunnen verstoppingen worden voorkomen, wat leidt tot efficiënter en kosteneffectiever transport van slurry. De eerste laboratoriumresultaten zijn veelbelovend. De uitdaging ligt nu in de praktijkvalidatie, waarbij samenwerking met de industrie cruciaal is. “De technologie is er, nu is het tijd om deze in de praktijk te brengen.”


De afbeelding bovenaan dit artikel is gegenereerd met behulp van AI.

Voorspellen van dichtheidsgolven

Edwin de Hoog heeft de modelleringstechniek 1D-Driftflux-CFD als basis gebruikt. Deze techniek maakt het mogelijk om vastere stoffen en deeltjes als vloeistof te modelleren en de snelheidsverschillen te berekenen. Zo kun je de versterking van dichtheidsgolven voorspellen. Dankzij de experimenten van Oscar van der Ven, nu werkzaam bij Boskalis, en Tjalie van de Voort, werkzaam bij Van Oord, kon dit model ontwikkeld worden. In tegenstelling tot traditionele 2D- of 3D- CFD simulaties, die uren of zelfs dagen kunnen duren, levert deze 1D-methode binnen enkele minuten resultaten op. Dit biedt grote voordelen voor het snel analyseren van verschillende scenario’s en optimaliseren van ontwerpkeuzes.