O martelo de água é uma onda de choque transmitida através do fluido contido em um sistema de tubulação. A explicação mais básica é que o golpe de aríete ocorre quando um fluido em movimento é repentinamente forçado a parar de se mover. O momento do fluido parando abruptamente cria uma onda de pressão que viaja através da mídia dentro do sistema de tubulação, submetendo tudo nesse sistema fechado a forças significativas.
Normalmente a onda de pressão é amortecida ou dissipada em um curto período quantidade de tempo, mas os picos de pressão podem causar enormes danos durante esse breve período.
O golpe de aríete é evidenciado por um som de pancada ou pancada que, em casos extremos, pode indicar que danos extensos e caros estão ocorrendo juntas de expansão, sensores de pressão, medidores de fluxo e paredes de tubos.
O golpe de aríete também pode ocorrer em um fluido multifásico, que é um meio líquido que também contém sólidos em suspensão. Um exemplo seria a pasta de areia ou a polpa líquida (que é basicamente água transportando as fibras da polpa). O fator principal é que a água é o principal meio de transporte no sistema de tubulação e pode transmitir ondas de choque de maneira muito eficaz.
PISCANDO VS. WATER HAMMER
Piscando é um tipo diferente de evento de pico de pressão. Flashing ocorre em sistemas de vapor onde condensado de vapor (água líquida) se acumulou dentro do sistema de tubulação. Esta água líquida pode repentinamente converter-se de líquido em vapor com um fator de expansão volumétrica subsequente de 400-600 vezes. O flashing precisa ser tratado de maneiras totalmente diferentes. Embora seja igualmente importante controlar, para os fins deste artigo, limitamos nossas discussões a meios líquidos e ruídos de golpe de aríete apenas.
CAUSAS DO MARTELO DE ÁGUA
Golpe de aríete pode resultar de uso impróprio seleção da válvula, localização inadequada da válvula e, às vezes, práticas de manutenção inadequadas. Certas válvulas, como válvulas de retenção de giro, retenção de disco de inclinação e válvulas de retenção de porta dupla também podem contribuir para problemas de golpe de aríete. Essas válvulas de retenção são propensas a bater porque dependem da reversão do fluxo e da contrapressão para empurrar o disco de volta para a sede de modo que a válvula feche. Se o fluxo reverso for forte, como no caso de uma linha vertical com fluxo normal para cima, o disco provavelmente baterá com muita força. O choque resultante pode danificar o alinhamento do disco de forma que ele não tenha mais contato total de 360 graus com a sede. Isso leva a vazamentos que, na melhor das hipóteses, prejudicam a eficiência do sistema. Na pior das hipóteses, isso poderia causar sérios danos a outros componentes do sistema de tubulação.
Quedas de pressão abruptas e localizadas são no mínimo um aborrecimento e um problema sério no máximo. Certos passos podem prevenir ou mitigar o golpe de aríete. O primeiro é estudar as causas, consequências e soluções.
CHOQUE HIDRÁULICO
A causa mais comum do golpe de aríete é o fechamento rápido da válvula ou o fechamento repentino da bomba. O choque hidráulico é, na verdade, o aumento momentâneo da pressão do fluido em um sistema de tubulação quando o fluido é interrompido repentinamente. Como observou Sir Isaac Newton, um objeto em movimento tende a permanecer em movimento, a menos que haja ação de outra força. O momento do fluido viajando em sua direção para frente funcionará para manter o fluido se movendo nessa direção. Quando uma válvula fecha repentinamente ou uma bomba para repentinamente, o fluido no sistema de tubulação a jusante da válvula ou bomba será elasticamente esticado até que o impulso do fluido seja interrompido.
O fluido então quer voltar à sua condição normal, sem tensão, muito parecido com uma mola estendida que foi liberada. Isso faz com que o líquido volte pelo tubo. O fluido de refluxo então encontra a válvula fechada, potencialmente com força destrutiva significativa. O reflexo dessa onda de pressão do fluido é o alto estrondo (e pode haver mais de um pulso de pressão) (Figura 1).
O fechamento repentino da válvula é mais frequentemente associado a válvulas de um quarto de volta e mais especificamente, válvulas de um quarto de volta automatizadas. Uma solução simples é fechar essas válvulas de um quarto de volta automatizadas mais lentamente. Isso funciona em muitos casos, mas não em todos. Por exemplo, as válvulas de desligamento de emergência precisam fechar rapidamente, portanto, outras soluções podem ser necessárias para esses tipos de aplicações. Mais sobre os cálculos do tempo de fechamento da válvula estão incluídos posteriormente neste artigo.
A outra causa mais comum de golpe de aríete é o desligamento repentino da bomba. Várias bombas alimentando um coletor comum, como em aplicações de torre de resfriamento ou desaguamento de minas, precisam ser desligadas lentamente ou precisam ter válvulas de retenção silenciosas em linha instaladas imediatamente após a bomba. As válvulas de retenção silenciosas podem ser extremamente eficazes na redução e, às vezes, na eliminação do golpe de aríete.
PREVISÃO DE PICOS DE PRESSÃO DO MARTELO DE ÁGUA
É possível calcular a magnitude dos picos de pressão do golpe de aríete com base no conhecimento detalhado do sistema de tubulação e do meio transportado. A força real do golpe de aríete depende da taxa de fluxo do fluido quando ele é interrompido e do período de tempo durante o qual esse fluxo é interrompido. Por exemplo, considere 100 galões de água fluindo em um tubo de 2 polegadas a uma velocidade de 10 pés por segundo. Quando o fluxo é rapidamente interrompido por uma válvula de fechamento rápido, o efeito é equivalente ao de um martelo de 835 libras batendo em uma barreira. Se o fluxo for interrompido em menos de meio segundo (que pode ser a velocidade de fechamento da válvula), um pico de pressão acima de 100 psi maior do que a pressão de operação do sistema pode ser gerado.
A equação para o cálculo da magnitude potencial do pico é o seguinte:
∆H = a / g * ∆V
∆H é a mudança na pressão da cabeça
∆ V é a mudança na velocidade do fluxo do fluido
a = velocidade acústica na mídia
g = constante gravitacional
Um exemplo é:
a = 4864 pés por segundo
g = 32,2 pés por segundo2
∆V = 5 pés por segundo
∆H seria 756 pés (328 psi )
Este valor pressupõe a existência de fechamento instantâneo da válvula.
CÁLCULOS DO TEMPO DE FECHAMENTO DA VÁLVULA
O golpe de aríete é obviamente um problema sério em ambientes industriais, como em um estação de águas residuais ou sistema de água municipal. Em contraste com o exemplo acima, a torneira média do banheiro é geralmente baseada em um tamanho de linha nominal de meia polegada e tem uma pressão de água que varia entre 60-80 psi e fornece cerca de 8-10 galões por minuto. Uma linha de 6 polegadas em uma estação de tratamento de água forneceria 900 galões por minuto com uma velocidade de 10 pés por segundo. Uma tubulação de água de 24 polegadas pode fornecer mais de 12.000 galões de água por minuto, o suficiente para encher uma piscina média de quintal em menos de dois minutos.
A fórmula básica para o tempo de fechamento da válvula é: T = 2L / a
T = tempo mínimo em segundos
L = comprimento do tubo reto entre a válvula de fechamento e o próximo cotovelo, T ou outra mudança
Para água a 70 ° F (21 ° C) onde você tem 100 pés de tubo reto:
T = 41 milissegundos tempo mínimo de fechamento
CONSEQUÊNCIAS DO MARTELO DE ÁGUA
As consequências do golpe de aríete podem variar de leves a graves. Um sinal comum é um som alto de batida ou martelada que emana dos canos, especialmente depois que uma fonte de pressão de água é desligada rapidamente. Este é o som da onda de choque de pressão atingindo uma válvula fechada, junta ou outro bloqueio com alta força. Este ruído às vezes ensurdecedor pode ser uma fonte de grande angústia e preocupação, especialmente se houver pessoas trabalhando por perto.
Ocorrências repetidas de martelo de água não são apenas um incômodo, no entanto. O golpe de aríete também danifica seriamente as tubulações, juntas de tubos, gaxetas e todos os outros componentes do sistema (medidores de vazão, medidores de pressão, etc.). Os picos de pressão podem facilmente exceder 5 a 10 vezes a pressão de trabalho do sistema no momento do impacto, colocando assim um grande estresse no sistema. O golpe de aríete causa vazamentos nas juntas do sistema. Também causa rachaduras na parede do tubo e deformação dos sistemas de suporte da tubulação. Reparar ou substituir componentes e equipamentos danificados da tubulação pode envolver custos elevados. Se o derramamento resultar em um problema ambiental, os custos podem ser enormes.
Na maioria das situações, o golpe de aríete é considerado um risco à segurança. A extrema pressão do golpe de aríete pode estourar as juntas e causar a ruptura repentina dos tubos. Pessoas nas proximidades de tal evento podem ficar gravemente feridas.
SOLUÇÕES PARA O MARTELO DE ÁGUA
Existem muitas maneiras de mitigar os efeitos do golpe de aríete, dependendo de sua causa. Um dos métodos mais simples de minimizar o golpe de aríete causado por choque hidráulico é treinar e educar os operadores. Os operadores que aprenderem a importância de abrir e fechar válvulas manuais ou acionadas corretamente podem tomar precauções para minimizar os efeitos. Isso é particularmente verdadeiro para válvulas de um quarto de volta, como válvulas de esfera, válvulas borboleta e válvulas macho.
CONSIDERAÇÕES DE DESIGN DE TUBULAÇÃO
Os supressores de golpe de aríete fornecem um ponto de alívio para picos de pressão causados por martelo hidráulico. Esses componentes do sistema de tubulação reduzem o ruído característico e o estresse resultante no sistema de tubulação, agindo como um amortecedor. Quando dimensionados e instalados corretamente, os supressores de golpe de aríete podem ser uma solução eficaz.
Por outro lado, as bombas que produzem em um longo trecho de tubo vertical devem ser evitadas. A perna vertical deve ser minimizada ou devem ser usadas válvulas de retenção silenciosas instaladas o mais próximo possível da bomba.
Outra área a ser examinada para minimizar o golpe de aríete é a instalação de válvulas de retenção em tubulações verticais. Os controles de giro, os discos de inclinação e as válvulas de porta dupla podem ser feitos para operar em uma linha vertical. No entanto, eles não impedirão a reversão do fluxo nesta orientação.Somente uma válvula de retenção silenciosa pode funcionar nesta orientação.
Choque hidráulico resultante do fechamento repentino da retenção de giro, disco de inclinação e válvulas de retenção de porta dupla podem ser remediadas trocando essas válvulas por silenciosas ou não slam válvulas de retenção. As válvulas de retenção silenciosas fecham com a diminuição da pressão diferencial através do membro de fechamento da válvula, em vez de fechar com fluxo reverso. Assim, eles têm muito menos probabilidade de se fecharem, o que induz o golpe de aríete. Quando a pressão diferencial através do disco se aproxima da pressão de rachadura da válvula, a válvula está totalmente fechada. Isso permite que o fluxo de fluido desacelere, o que permite que o momento do fluido diminua antes que a válvula seja totalmente fechada, ao mesmo tempo que garante que o fluxo de fluido não inverta a direção.
Os projetistas do sistema devem estar familiarizados com os melhores práticas e padrões da indústria para minimizar o golpe de aríete, como usar válvulas de fechamento lento quando apropriado, conhecer os locais ideais das válvulas dentro de um sistema de tubulação e fornecer considerações especiais de projeto de tubulação para sistemas de alta pressão operacional. são adequadamente projetados, a probabilidade de ocorrência de golpe de aríete é bastante reduzida ou mesmo eliminada. Em sistemas que já estão em vigor, os efeitos prejudiciais do golpe de aríete podem ser limitados de várias maneiras significativas, como a instalação de supressores de golpe de aríete, realocação de válvulas de retenção fora das linhas verticais, instalação de válvulas de retenção silenciosas como linha primária de defesa garantindo que os procedimentos operacionais para válvulas de um quarto de volta tenham uma taxa de fechamento lenta. Observe que o tempo de fechamento em sistemas automatizados deve ser pelo menos 10 vezes o que é calculado na fórmula T = 2L / a.
CONCLUSÃO
O golpe de aríete tem sido estudado há muitos anos. Algumas das pesquisas fundadoras datam do final do século XIX. A pesquisa continua hoje. Muitas universidades importantes nos Estados Unidos, Reino Unido e Holanda, bem como empresas de válvulas respeitadas, escreveram artigos sobre a comparação de vários estilos de válvulas de retenção e suas características dinâmicas instaladas.
Este artigo apenas aborda o superfície do assunto de transientes de fluido, explorando algumas das causas e soluções do que comumente chamamos de golpe de aríete. Soluções para lidar com problemas de golpe de aríete podem ser bastante caras e, como sempre, um grama de prevenção vale um quilo de cura. Bombas alimentando linhas verticais ou coletores comuns e fechamentos rápidos de válvula podem ser projetados fora de um processo no início. Uma vez que a tubulação está instalada e os processos da planta estão em andamento, o desafio é encontrar soluções dadas as restrições específicas.
A maioria dos fabricantes de válvulas de retenção silenciosas em linha entende muito bem o martelo de água e tem engenheiros na equipe isso pode ajudar. Eles podem ser a melhor fonte de conhecimento quando se trata da solução certa.
ARIE BREGMAN é vice-presidente e gerente geral da DFT Valves. Fale com ele em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você deve habilitar o JavaScript para visualizá-lo.