Il colpo dariete è unonda durto trasmessa attraverso il fluido contenuto in un sistema di tubazioni. La spiegazione più semplice è che il colpo dariete si verifica quando un fluido in movimento viene improvvisamente costretto a smettere di muoversi. La quantità di moto del fluido che si interrompe bruscamente crea unonda di pressione che viaggia attraverso il mezzo allinterno del sistema di tubazioni, sottoponendo tutto in quel sistema chiuso a forze significative.
Normalmente londa di pressione viene smorzata o dissipata in un brevissimo quantità di tempo, ma i picchi di pressione possono causare enormi danni durante quel breve periodo.
Il colpo dariete è evidenziato da un suono martellante o sbattente che, in casi estremi, può indicare che si stanno verificando danni estesi e costosi giunti di dilatazione, sensori di pressione, misuratori di portata e pareti del tubo.
Il colpo dariete può anche verificarsi in un fluido multifase, che è un mezzo liquido che ha anche solidi trascinati. Un esempio potrebbe essere il liquame di sabbia o la pasta liquida (che è fondamentalmente lacqua che trasporta le fibre della polpa). Il fattore chiave è che lacqua è il principale mezzo di trasporto nel sistema di tubazioni e lacqua può trasmettere onde durto in modo molto efficace.
FLASHING VS. MARTELLO DACQUA
Il lampeggiamento è un tipo diverso di evento di picco di pressione. Il lampeggiamento si verifica nei sistemi a vapore in cui si è accumulata condensa di vapore (acqua liquida) allinterno del sistema di tubazioni. Questacqua liquida può trasformarsi improvvisamente da un liquido a un vapore con un successivo fattore di espansione volumetrica di 400-600 volte. Il lampeggiamento deve essere gestito in modi completamente diversi. Sebbene sia altrettanto importante il controllo, per gli scopi di questo articolo limitiamo le nostre discussioni solo ai mezzi liquidi e ai rumori del colpo dariete.
CAUSE DEL MARTELLO DACQUA
Il colpo dariete può derivare da un selezione della valvola, posizione impropria della valvola e talvolta cattive pratiche di manutenzione. Alcune valvole, come le valvole di ritegno a battente, le valvole di ritegno a disco inclinabile e le valvole di ritegno a doppia porta possono anche contribuire a problemi di colpo dariete. Queste valvole di ritegno tendono a sbattere perché si basano sullinversione del flusso e della contropressione per spingere il disco indietro sulla sede in modo che la valvola si chiuda. Se il flusso inverso è forte, come nel caso di una linea verticale con flusso normale verso lalto, è probabile che il disco sbatta con molta forza. Lo shock risultante può danneggiare lallineamento del disco in modo che non sia più a contatto completo a 360 gradi con il sedile. Questo porta a perdite che, nel migliore dei casi, minano lefficienza del sistema. Nel peggiore dei casi, questo potrebbe causare seri danni ad altri componenti del sistema di tubazioni.
Le cadute di pressione localizzate e improvvise sono un fastidio per lo meno e un problema serio al massimo. Alcuni passaggi possono prevenire o mitigare il colpo dariete. Il primo è studiare cause, conseguenze e soluzioni.
SHOCK IDRAULICO
La causa più comune del colpo dariete è una valvola che si chiude troppo rapidamente o una pompa che si spegne improvvisamente. Lo shock idraulico è, infatti, laumento momentaneo della pressione del fluido in un sistema di tubazioni quando il fluido viene arrestato improvvisamente. Come ha osservato Sir Isaac Newton, un oggetto in movimento tende a rimanere in movimento a meno che non venga agito da unaltra forza. La quantità di moto del fluido che viaggia nella sua direzione in avanti lavorerà per mantenere il fluido in movimento in quella direzione. Quando una valvola si chiude improvvisamente o una pompa si arresta improvvisamente, il fluido nel sistema di tubazioni a valle della valvola o della pompa verrà allungato elasticamente fino a quando la quantità di moto del fluido non viene arrestata.
Il fluido quindi vuole tornare alla sua condizione normale e non sollecitata, proprio come una molla estesa che è stata rilasciata. Ciò fa sì che il liquido ritorni attraverso il tubo. Il fluido di riflusso incontra quindi la valvola chiusa, potenzialmente con una forza distruttiva significativa. Il riflesso di questa onda di pressione del fluido è il forte scoppio (e potrebbe esserci più di un impulso di pressione) (Figura 1).
La chiusura improvvisa della valvola è più spesso associata a tipi di valvole a quarto di giro e altro in particolare, valvole automatiche a quarto di giro. Una soluzione semplice è chiudere più lentamente le valvole automatiche a quarto di giro. Questo funziona in molti casi ma non in tutti. Ad esempio, le valvole di arresto di emergenza devono chiudersi rapidamente, quindi potrebbero essere necessarie altre soluzioni per questi tipi di applicazioni. Ulteriori informazioni sui calcoli del tempo di chiusura della valvola sono incluse più avanti in questo articolo.
Laltra causa più comune di colpo dariete è larresto improvviso della pompa. Le pompe multiple che alimentano un collettore comune, come nelle applicazioni delle torri di raffreddamento o nella disidratazione delle miniere, devono essere spente lentamente oppure devono avere valvole di ritegno silenziose in linea installate immediatamente dopo la pompa. Le valvole di ritegno silenziose possono essere estremamente efficaci nel ridurre e talvolta eliminare i colpi dariete.
PREVISIONE DEI PICCHI DI PRESSIONE DEL MARTELLO DACQUA
È possibile calcolare lentità dei picchi di pressione del colpo dariete sulla base di una conoscenza dettagliata del sistema di tubazioni e del mezzo trasportato. La forza effettiva del colpo dariete dipende dalla portata del fluido quando viene arrestato e dal periodo di tempo durante il quale tale flusso viene interrotto. Ad esempio, considera 100 galloni di acqua che scorre in un tubo da 2 pollici a una velocità di 10 piedi al secondo. Quando il flusso viene rapidamente arrestato da una valvola a chiusura rapida, leffetto è equivalente a quello di un martello da 835 libbre che sbatte contro una barriera. Se il flusso viene interrotto in meno di mezzo secondo (che potrebbe essere la velocità di chiusura della valvola), è possibile generare un picco di pressione superiore a 100 psi maggiore della pressione di esercizio del sistema.
Lequazione per calcolare lampiezza potenziale del picco è il seguente:
∆H = a / g * ∆V
∆H è la variazione della pressione della testa
∆ V è la variazione della velocità del flusso del fluido
a = velocità acustica nel mezzo
g = costante gravitazionale
Un esempio è:
a = 4864 piedi al secondo
g = 32,2 piedi al secondo2
∆V = 5 piedi al secondo
∆H sarebbe 756 piedi (328 psi )
Questo valore presuppone lesistenza della chiusura istantanea della valvola.
CALCOLO DEL TEMPO DI CHIUSURA DELLA VALVOLA
Il colpo dariete è ovviamente un problema serio negli ambienti industriali, come ad esempio impianto di acque reflue o sistema idrico comunale. In contrasto con lesempio sopra, il rubinetto del bagno medio si basa solitamente su una dimensione nominale della linea di mezzo pollice e ha una pressione dellacqua che varia tra 60-80 psi e fornisce circa 8-10 galloni al minuto. Una linea da 6 pollici in un impianto di trattamento dellacqua fornirebbe 900 galloni al minuto con una velocità di 10 piedi al secondo. Una rete idrica da 24 pollici potrebbe erogare oltre 12.000 litri di acqua al minuto, sufficienti per riempire la piscina media del cortile in meno di due minuti.
La formula di base per il tempo di chiusura della valvola è: T = 2L / a
T = tempo minimo in secondi
L = lunghezza del tubo rettilineo tra la valvola di chiusura e il successivo gomito, tee o altro cambio
Per acqua a 21 ° C (70 ° F) dove si hanno 100 piedi di tubo diritto:
T = tempo di chiusura minimo di 41 millisecondi
CONSEGUENZE DEL MARTELLO DACQUA
Le conseguenze del colpo dariete possono variare da lievi a gravi. Un segno comune è un forte rumore di colpi o colpi di martello proveniente dai tubi, specialmente dopo che una fonte di pressione dellacqua è stata spenta rapidamente. Questo è il suono dellonda durto della pressione che colpisce una valvola chiusa, un giunto o un altro blocco ad alta forza. Questo rumore a volte assordante può essere fonte di grande angoscia e preoccupazione, soprattutto se le persone lavorano nelle vicinanze.
I ripetuti colpi dariete, tuttavia, non sono solo un fastidio. Il colpo dariete inoltre danneggia gravemente le tubazioni, i giunti dei tubi, le guarnizioni e tutti gli altri componenti dellimpianto (flussimetri, manometri, ecc.) I picchi di pressione possono facilmente superare da 5 a 10 volte la pressione di esercizio del sistema al momento dellimpatto, ponendo così una grande sollecitazione sul sistema. I colpi dariete provocano perdite alle articolazioni del sistema. Inoltre provoca crepe nelle pareti dei tubi e deformazione dei sistemi di supporto delle tubazioni. La riparazione o la sostituzione di componenti e apparecchiature di tubazioni danneggiate può comportare costi elevati. Se la fuoriuscita si traduce in un problema ambientale, i costi possono essere sbalorditivi.
Nella maggior parte delle situazioni, il colpo dariete è considerato un pericolo per la sicurezza. La pressione estrema del colpo dariete può far saltare le guarnizioni e causare la rottura improvvisa dei tubi. Le persone nelle vicinanze di un evento del genere possono essere gravemente ferite.
SOLUZIONI AL MARTELLO DACQUA
Esistono molti modi per mitigare gli effetti del colpo dariete, a seconda della sua causa. Uno dei metodi più semplici per ridurre al minimo il colpo dariete causato dallo shock idraulico è addestrare ed istruire gli operatori. Gli operatori che apprendono limportanza di aprire e chiudere correttamente le valvole manuali o azionate possono prendere precauzioni per minimizzare gli effetti. Ciò è particolarmente vero per le valvole a un quarto di giro come le valvole a sfera, a farfalla e a maschio.
CONSIDERAZIONI SULLA PROGETTAZIONE DEI TUBI
Gli ammortizzatori del colpo dariete forniscono un punto di sfogo per i picchi di pressione causati da colpo dariete. Questi componenti del sistema di tubazioni riducono il rumore caratteristico e lo stress risultante sul sistema di tubazioni agendo come un ammortizzatore. Se dimensionati e installati correttamente, gli ammortizzatori del colpo dariete possono essere una soluzione efficace.
Daltra parte, dovrebbero essere evitate le pompe che generano un lungo tratto di tubo verticale. La gamba verticale dovrebbe essere ridotta al minimo oppure dovrebbero essere utilizzate valvole di ritegno silenziose installate il più vicino possibile alla pompa.
Unaltra area da considerare per ridurre al minimo i colpi dariete è linstallazione di valvole di ritegno nelle tubazioni verticali. Possono essere fatti funzionare in linea verticale i controlli di rotazione, i dischi basculanti e le valvole a doppia porta. Tuttavia, non impediranno linversione del flusso in questo orientamento.Solo una valvola di ritegno silenziosa può funzionare in questo orientamento.
Lo shock idraulico derivante dalla chiusura improvvisa di valvole di ritegno a battente, disco ribaltabile e valvole di ritegno a doppia porta può essere risolto sostituendo queste valvole con valvole silenziose o antischiacciamento controlla le valvole. Le valvole di ritegno silenziose si chiudono alla diminuzione della pressione differenziale attraverso lelemento di chiusura della valvola, piuttosto che chiudersi dal flusso inverso. Pertanto, è molto meno probabile che si chiudano sbattendo, il che induce il colpo dariete. Quando la pressione differenziale attraverso il disco si avvicina alla pressione di apertura della valvola, la valvola si è completamente chiusa. Ciò consente al flusso del fluido di decelerare, il che consente alla quantità di moto del fluido di diminuire prima che la valvola sia completamente chiusa, garantendo comunque che il flusso del fluido non inverta la direzione.
I progettisti di sistemi devono avere familiarità con i migliori pratiche e standard di settore per ridurre al minimo i colpi dariete, come lutilizzo di valvole a chiusura lenta quando appropriato, conoscere le posizioni ottimali delle valvole allinterno di un sistema di tubazioni e fornire considerazioni speciali sulla progettazione delle tubazioni per i sistemi ad alta pressione operativa.
Quando si collegano i sistemi sono adeguatamente progettati, la probabilità che si verifichi un colpo dariete è notevolmente ridotta o addirittura eliminata. Nei sistemi già esistenti, gli effetti dannosi del colpo dariete possono essere limitati in molti modi significativi, come linstallazione di ammortizzatori del colpo dariete, il trasferimento di valvole di ritegno fuori dalle linee verticali, linstallazione di valvole di ritegno silenziose come linea di difesa primaria e garantire che le procedure operative per le valvole a quarto di giro abbiano una velocità di chiusura lenta. Si noti che il tempo di chiusura nei sistemi automatizzati dovrebbe essere pari a 10 volte quello calcolato nella formula T = 2L / a.
CONCLUSIONE
Il colpo dariete è stato studiato per molti anni. Alcune delle ricerche fondanti risalgono alla fine del XIX secolo. La ricerca continua ancora oggi. Molte delle principali università negli Stati Uniti, nel Regno Unito e nei Paesi Bassi, nonché rinomate società di valvole, hanno scritto articoli sul confronto di vari stili di valvole di ritegno e sulle loro caratteristiche dinamiche installate.
Questo articolo graffia solo il superficie del soggetto dei fluidi transitori esplorando alcune delle cause e delle soluzioni di ciò che comunemente chiamiamo colpo dariete. Le soluzioni per affrontare i problemi del colpo dariete possono essere piuttosto costose e, come sempre, un grammo di prevenzione vale una libbra di cura. Le pompe che alimentano le linee verticali o le testate comuni e le chiusure rapide delle valvole possono essere progettate allinizio da un processo. Una volta che le tubazioni sono in posizione e i processi dellimpianto sono in corso, la sfida è trovare soluzioni dati i vincoli specifici.
La maggior parte dei produttori di valvole di ritegno silenziose in linea comprende molto bene il colpo dariete e dispone di ingegneri nel personale che può aiutare. Possono essere la migliore fonte di conoscenza quando si tratta della soluzione giusta.
ARIE BREGMAN è vicepresidente e direttore generale di DFT Valves. Raggiungilo a Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo ..