L'acqua sotto controllo

El golpe de ariete

El término “golpe de ariete”, que sugiere la idea de ruido y repentinas variaciones de presión, es usado comúnmente como sinónimo de transitorio hidráulico, a veces causa de devastadores efectos en el sistema.
Las redes de aguas potables y residuales son de vital importancia en el mundo moderno: su protección debería ser, en consecuencia, una prioridad. Gracias a simulaciones numéricas es posible verificar el comportamiento de las tuberías en presencia de fenómenos transitorios y evaluar los potenciales daños.
Las causas principales de los fenómenos transitorios son:
- variaciones bruscas de caudal,
- arranque de las bombas,
- parada de las bombas,
- cierre y apertura rápida de las válvulas de corte,
- llenado rápido de la tubería o circuitos contra-incendios,
- apertura y cierre de hidrantes,
- obras de lavado y drenaje de las tuberías,
- vaciado de los depósitos.
El golpe de ariete puede ser descrito también como una propagación de energía, análoga, por ejemplo, a la transmisión del sonido. En un movimiento ondulatorio, la energía está asociada a la deformación elástica del medio.

La velocidad de las ondas sonoras en los líquidos puede ser expresada por la fórmula: a=[K/ρ/(1+K*D/E*e)]1/2

Donde E es el módulo de elasticidad;
D es el diámetro del tubo;
e es el grosor de la pared;
K es el módulo de masa;
ρ es la densidad del medio líquido.

Parada de las bombas
Uno de los eventos más críticos para los sistemas de tuberías de aguas limpias y residuales es la parada de las bombas: el apagado completo de la bomba provoca una desaceleración y, como consecuencia, una depresión que se propaga con una velocidad que depende de las características del líquido y de las tuberías. La presión negativa puede provocar graves daños: la deformación y la rotura de las tuberías, el desplazamiento de las juntas y el ingreso de sustancias contaminantes a través de los puntos de fuga. Además, si la línea piezométrica se coloca por debajo del valor negativo correspondiente a la presión de vapor existe también el riesgo de “separación de columna líquida”, fenómeno debido a la formación y sucesivo colapso de burbujas de vapor que producen fuertes aumentos de presión a alta frecuencia, a veces destructivo.

perfil tubería - parada bombas

El esquema describe el perfil de una tubería, con bombas y depósito aguas-abajo. La línea punteada azul oscuro representa la HGL y la línea punteada azul claro la estática. Se observa la onda de presión negativa que se propaga aguas-abajo por efecto del apagado de la bomba; el segmento rojo corresponde al tramo afectado por la depresión durante la fase inicial del evento.

perfil tubería - parada bombas - 2

La segunda imagen muestra la propagación de la onda de presión negativa a lo largo de la tubería aguas-abajo. La parte expuesta a una fuerte presión negativa está resaltada en rojo. El cambio de pendiente constituye un punto en el cual se puede verificar la separación de columna líquida, cuando se forman bolsas de vapor y, por lo tanto, colapsan generando golpes de ariete peligrosos, como está ilustrado en los 4 recuadros.

perfil tubería - parada bombas - 3

Los efectos del apagado de la bomba se resumen en la representación de la curva envolvente con los valores de presión máximos y mínimos obtenidos en la simulación (representados en rojo y en verde, respectivamente): el sistema alcanza el “vacío absoluto” a lo largo de buena parte del perfil, y un golpe de ariete es provocado por el desprendimiento de vena en correspondencia con el cambio de pendiente.