El golpe de ariete es una onda de choque que se transmite a través del fluido contenido en un sistema de tuberías. La explicación más básica es que el golpe de ariete se produce cuando un fluido en movimiento se ve repentinamente obligado a dejar de moverse. El impulso del fluido que se detiene abruptamente crea una onda de presión que viaja a través del medio dentro del sistema de tuberías, sometiendo todo en ese sistema cerrado a fuerzas significativas.
Normalmente, la onda de presión se amortigua o se disipa en muy poco tiempo. cantidad de tiempo, pero los picos de presión pueden causar un daño enorme durante ese breve período.
El golpe de ariete se evidencia mediante un golpe o golpe que, en casos extremos, puede indicar que se está produciendo un daño extenso y costoso en juntas de expansión, sensores de presión, medidores de flujo y paredes de tuberías.
El golpe de ariete también puede ocurrir en un fluido multifásico, que es un medio líquido que también ha arrastrado sólidos. Un ejemplo sería la lechada de arena o la pulpa líquida (que es básicamente agua que transporta las fibras de la pulpa). El factor clave es que el agua es el principal medio de transporte en el sistema de tuberías, y el agua puede transmitir ondas de choque de manera muy eficaz.
INTERMITENTE VS. MARTILLO DE AGUA
El parpadeo es un tipo diferente de evento de pico de presión. El parpadeo ocurre en los sistemas de vapor donde se ha acumulado vapor condensado (agua líquida) dentro del sistema de tuberías. Esta agua líquida puede convertirse repentinamente de líquido a vapor con un factor de expansión volumétrica posterior de 400 a 600 veces. El parpadeo debe tratarse de formas totalmente diferentes. Si bien es igualmente importante controlar, para los propósitos de este artículo, limitamos nuestras discusiones a los medios líquidos y los ruidos de golpe de ariete solamente.
CAUSAS DEL MARTILLO DE AGUA
El golpe de ariete puede resultar de un selección de válvulas, ubicación incorrecta de las válvulas y, a veces, prácticas de mantenimiento deficientes. Ciertas válvulas, como las válvulas de retención oscilantes, las válvulas de retención de disco basculante y las válvulas de retención de doble puerta también pueden contribuir a problemas de golpe de ariete. Estas válvulas de retención son propensas a cerrarse de golpe porque se basan en invertir el flujo y la contrapresión para empujar el disco hacia el asiento de modo que la válvula se cierre. Si el flujo inverso es contundente, como en el caso de una línea vertical con flujo normal hacia arriba, es probable que el disco golpee con mucha fuerza. El impacto resultante puede dañar la alineación del disco de modo que ya no haga un contacto completo de 360 grados con el asiento. Esto conduce a fugas que, en el mejor de los casos, socavan la eficiencia del sistema. En el peor de los casos, esto podría causar serios daños a otros componentes del sistema de tuberías.
Las caídas de presión abruptas y localizadas son una molestia como mínimo y un problema grave como máximo. Ciertos pasos pueden prevenir o mitigar el golpe de ariete. La primera es estudiar causas, consecuencias y soluciones.
CHOQUE HIDRÁULICO
La causa más común de golpe de ariete es una válvula que se cierra demasiado rápido o una bomba que se apaga repentinamente. El choque hidráulico es, de hecho, el aumento momentáneo de la presión del fluido en un sistema de tuberías cuando el fluido se detiene repentinamente. Como observó Sir Isaac Newton, un objeto en movimiento tiende a permanecer en movimiento a menos que otra fuerza actúe sobre él. El impulso del fluido que viaja en su dirección de avance funcionará para mantener el fluido moviéndose en esa dirección. Cuando una válvula se cierra repentinamente o una bomba se detiene repentinamente, el fluido en el sistema de tuberías aguas abajo de la válvula o bomba se estirará elásticamente hasta que se detenga el impulso del fluido.
El fluido luego quiere regresar a su condición normal, sin estrés, como un resorte extendido que se ha soltado. Esto hace que el líquido regrese por la tubería. El fluido que fluye hacia atrás encuentra la válvula cerrada, potencialmente con una fuerza destructiva significativa. El reflejo de esta onda de presión del fluido es el fuerte golpe (y podría haber más de un pulso de presión) (Figura 1).
El cierre repentino de la válvula se asocia con mayor frecuencia con los tipos de válvulas de cuarto de vuelta y más específicamente, válvulas automáticas de cuarto de vuelta. Una solución simple es cerrar esas válvulas automáticas de cuarto de vuelta más lentamente. Esto funciona en muchos casos, pero no en todos. Por ejemplo, las válvulas de cierre de emergencia deben cerrarse rápidamente, por lo que pueden ser necesarias otras soluciones para este tipo de aplicaciones. Más adelante en este artículo se incluye más información sobre los cálculos del tiempo de cierre de la válvula.
La otra causa más común de golpe de ariete es el apagado repentino de la bomba. Varias bombas que se alimentan en un cabezal común, como en aplicaciones de torres de enfriamiento o deshidratación de minas, deben apagarse lentamente o deben tener válvulas de retención silenciosas en línea instaladas inmediatamente después de la bomba. Las válvulas de retención silenciosas pueden ser extremadamente efectivas para reducir y, a veces, eliminar el golpe de ariete.
PREDECIENDO LOS PICOS DE PRESIÓN DEL MARTILLO DE AGUA
Es posible calcular la magnitud de los picos de presión del golpe de ariete basándose en un conocimiento detallado del sistema de tuberías y del medio transportado. La fuerza real del golpe de ariete depende de la velocidad de flujo del fluido cuando se detiene y del período de tiempo durante el cual se detiene ese flujo. Por ejemplo, considere 100 galones de agua que fluyen en una tubería de 2 pulgadas a una velocidad de 10 pies por segundo. Cuando el flujo se detiene rápidamente mediante una válvula de cierre rápido, el efecto es equivalente al de un martillo de 835 libras que golpea una barrera. Si el flujo se detiene en menos de medio segundo (que podría ser la velocidad de cierre de la válvula), entonces se puede generar un pico de presión de más de 100 psi mayor que la presión de operación del sistema.
La ecuación para el cálculo de la magnitud potencial del pico es el siguiente:
∆H = a / g * ∆V
∆H es el cambio en la presión del cabezal
∆ V es el cambio en la velocidad del flujo del fluido
a = velocidad acústica en los medios
g = constante gravitacional
Un ejemplo es:
a = 4864 pies por segundo
g = 32.2 pies por segundo2
∆V = 5 pies por segundo
∆H sería 756 pies (328 psi )
Este valor supone que existe un cierre instantáneo de la válvula.
CÁLCULOS DEL TIEMPO DE CIERRE DE LA VÁLVULA
El golpe de ariete es obviamente un problema grave en entornos industriales, como en Planta de aguas residuales o sistema de agua municipal. En contraste con el ejemplo anterior, el grifo de baño promedio generalmente se basa en un tamaño de línea nominal de media pulgada y tiene una presión de agua que varía entre 60 y 80 psi y entrega alrededor de 8 a 10 galones por minuto. Una línea de 6 pulgadas en una planta de tratamiento de agua entregaría 900 galones por minuto con una velocidad de 10 pies por segundo. Una tubería principal de agua de 24 pulgadas podría entregar más de 12,000 galones de agua por minuto, suficiente para llenar la piscina promedio de un patio trasero en menos de dos minutos.
La fórmula básica para el tiempo de cierre de la válvula es: T = 2L / a
T = tiempo mínimo en segundos
L = longitud de tubería recta entre la válvula de cierre y el siguiente codo, te u otro cambio
Para agua a 70 ° F (21 ° C) donde tiene 100 pies de tubería recta:
T = 41 milisegundos de tiempo mínimo de cierre
CONSECUENCIAS DEL MARTILLO DE AGUA
Las consecuencias del golpe de ariete pueden variar de leves a graves. Una señal común es un fuerte golpeteo o martilleo que emana de las tuberías, especialmente después de que una fuente de presión de agua se apaga rápidamente. Este es el sonido de la onda de choque de presión golpeando una válvula cerrada, articulación u otro bloqueo con mucha fuerza. Este ruido a veces ensordecedor puede ser una fuente de gran angustia y preocupación, especialmente si hay personas trabajando cerca.
Sin embargo, los golpes de ariete repetidos no son solo una molestia. El golpe de ariete también daña seriamente las tuberías, las juntas de las tuberías, las juntas y todos los demás componentes del sistema (medidores de flujo, manómetros, etc.). Los picos de presión pueden exceder fácilmente de 5 a 10 veces la presión de trabajo del sistema en el momento del impacto, lo que ejerce una gran presión sobre el sistema. El golpe de ariete provoca fugas en las juntas del sistema. También provoca grietas en la pared de la tubería y deformación de los sistemas de soporte de la tubería. Reparar o reemplazar componentes y equipos de tuberías dañados puede implicar costos elevados. Si el derrame resulta en un problema ambiental, los costos pueden ser asombrosos.
En la mayoría de las situaciones, el golpe de ariete se considera un peligro para la seguridad. La presión extrema del golpe de ariete puede reventar las juntas y hacer que las tuberías se rompan repentinamente. Las personas que se encuentren cerca de un evento de este tipo pueden resultar gravemente heridas.
SOLUCIONES PARA EL MARTILLO DE AGUA
Hay muchas formas de mitigar los efectos del golpe de ariete, dependiendo de su causa. Uno de los métodos más simples para minimizar el golpe de ariete causado por el choque hidráulico es capacitar y educar a los operadores. Los operadores que aprenden la importancia de abrir y cerrar válvulas manuales o accionadas correctamente pueden tomar precauciones para minimizar los efectos. Esto es particularmente cierto para válvulas de cuarto de vuelta como válvulas de bola, válvulas de mariposa y válvulas de tapón.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE TUBERÍAS
Los supresores de golpes de ariete brindan un punto de alivio para picos de presión causados por golpe de ariete. Estos componentes del sistema de tuberías reducen el ruido característico y la tensión resultante en el sistema de tuberías actuando como un amortiguador. Cuando se dimensionan e instalan correctamente, los supresores de golpes de ariete pueden ser una solución eficaz.
Por otro lado, se deben evitar las bombas que salen a una tubería vertical larga. La pata vertical debe minimizarse o deben usarse válvulas de retención silenciosas instaladas lo más cerca posible de la bomba.
Otra área a tener en cuenta para minimizar el golpe de ariete es la instalación de válvulas de retención en tuberías verticales. Se pueden hacer controles de giro, discos basculantes y válvulas de doble puerta para que funcionen en línea vertical. Sin embargo, no evitarán invertir el flujo en esta orientación.Solo una válvula de retención silenciosa puede funcionar en esta orientación.
El choque hidráulico resultante del cierre repentino de las válvulas de retención de giro, disco basculante y retención de doble puerta se puede remediar intercambiando estas válvulas con silencioso o sin golpe revisar válvulas. Las válvulas de retención silenciosas se cierran al disminuir la presión diferencial a través del miembro de cierre de la válvula, en lugar de cerrarse debido al flujo inverso. Por lo tanto, es mucho menos probable que se cierren de golpe, lo que induce un golpe de ariete. Cuando la presión diferencial a través del disco se acerca a la presión de apertura de la válvula, la válvula se ha cerrado completamente. Esto permite que el flujo de fluido se desacelere, lo que permite que el impulso del fluido disminuya antes de que la válvula se cierre completamente mientras se asegura que el flujo de fluido no invierta la dirección.
Los diseñadores de sistemas deben estar familiarizados con los mejores prácticas y estándares de la industria para minimizar el golpe de ariete, como el uso de válvulas de cierre lento cuando sea apropiado, conocer las ubicaciones óptimas de las válvulas dentro de un sistema de tuberías y brindar consideraciones especiales de diseño de tuberías para sistemas de alta presión de funcionamiento.
Cuando los sistemas de tuberías están diseñados correctamente, la probabilidad de que se produzcan golpes de ariete se reduce en gran medida o incluso se elimina. En los sistemas que ya están instalados, los efectos dañinos del golpe de ariete pueden limitarse de varias maneras importantes, como instalar supresores de golpes de ariete, reubicar las válvulas de retención fuera de las líneas verticales, instalar válvulas de retención silenciosas como línea principal de defensa y asegurar que los procedimientos operativos para las válvulas de cuarto de vuelta tengan una velocidad de cierre lenta. Tenga en cuenta que el tiempo de cierre en los sistemas automatizados debe ser al este 10 veces superior al calculado en la fórmula T = 2L / a.
CONCLUSIÓN
El golpe de ariete se ha estudiado durante muchos años. Algunas de las investigaciones fundacionales se remontan a finales del siglo XIX. La investigación continúa hoy. Muchas universidades importantes de los Estados Unidos, el Reino Unido y los Países Bajos, así como empresas de válvulas muy respetadas, han escrito artículos sobre la comparación de varios estilos de válvulas de retención y sus características dinámicas instaladas.
Este artículo solo rasca el superficie del tema de los fluidos transitorios explorando algunas de las causas y soluciones de lo que comúnmente llamamos golpe de ariete. Las soluciones para lidiar con los problemas del golpe de ariete pueden ser bastante costosas y, como siempre, una onza de prevención vale una libra de cura. Las bombas que se alimentan en líneas verticales o cabezales comunes y cierres rápidos de válvulas pueden diseñarse a partir de un proceso al principio. Una vez que la tubería está en su lugar y los procesos de la planta están en marcha, el desafío es encontrar soluciones dadas las limitaciones específicas.
La mayoría de los fabricantes de válvulas de retención silenciosas en línea entienden muy bien el golpe de ariete y cuentan con ingenieros en el personal eso puede ayudar. Pueden ser la mejor fuente de conocimiento cuando se trata de la solución adecuada.
ARIE BREGMAN es vicepresidente y gerente general de DFT Valves. Comuníquese con él en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita tener JavaScript habilitado para verlo ..