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.
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.
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.
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.
Prevención del golpe de ariete
Para evitar los fenómenos transitorios y daños indeseables en las tuberías es fundamental reducir las variaciones de velocidad del líquido y, cuando éstas sucedan, hacerlas los más graduales posibles.
Para conseguir este objetivo es necesario:
- operar lentamente durante el cierre de la válvula, sobretodo en el último 20% de la carrera. Las mismas precauciones deben ser observadas en el momento de la apertura, en particular al inicio;
- asegurarse, a través de simulaciones, que no se forme depresión o usar ventosas multifunción anti-golpe de ariete, como por ejemplo los modelos CSA RFP o AS;
- introducir aire o agua en la tubería, en los puntos en los que es probable que se verifiquen condiciones de presión negativa.
- implementación de procedimientos de control de arranque de bomba para evitar cambios bruscos de caudal.
- análisis computacional por simulación para evaluar los riesgos en el sistema por fenómenos transitorios.
Una de las mejores soluciones al problema es el depósito anti-golpe de ariete con ventosa integrada A.V.A.S.T., ofrecida por CSA; puede funcionar solo o en combinación con otros dispositivos, como ventosas anti-golpe de ariete y válvula de alivio de presión.
El depósito está instalado en la derivación o directamente sobre la tubería principal, provisto simplemente por una válvula de compuerta para permitir el mantenimiento; no se requieren by-pases, válvulas de retención o reducción. Respecto a otros productos, A.V.A.S.T. no prevé ningún tipo de compresor, membrana o fuente externa de energía; eso conlleva a un mantenimiento reducido, mayor fiabilidad y, lo que es más importante, un menor volumen a igual protección respecto a calderines con membrana y compresor de aire.
La figura muestra las consecuencias del transitorio, provocado por el apagado de las bombas, sobre una tubería protegida por el depósito A.V.A.S.T.. La curva roja y la verde describen los valores de presión máximos y mínimos obtenidos en la simulación; se observa claramente el efecto de eliminación de las presiones negativas y la reducción del golpe de ariete.
En los casos en los que A.V.A.S.T. sea instalado en combinación con ventosas anti-golpe de ariete (CSA serie AS), el efecto de la ventosa permitirá la utilización de un depósito de dimensiones más reducidas, disminuyendo los costes de instalación. En rojo y en verde están representados los valores máximos y mínimos de presión. A.V.A.S.T. puede instalarse junto a la estación de bombeo o a lo largo de la conducción, y calcularse para trabajar en asociación con ventosas o válvulas de alivio de presión como las CSA VRCA si así se requiere.
Análisis del golpe de ariete
Simulación – tubería 1 – perfil de presión sin protecciones
Ejemplo de transitorio generado por paro de bomba, al principio se da una caída de presión seguida de un aumento cuando el agua retrocede hacia las válvulas de retención de la estación de bombeo.
Simulación – tubería 1 – perfil de presión con dispositivos anti-ariete de CSA
Ejemplo de transitorio generado por paro de bomba, con válvula anticipadora de golpe de ariete CSA XLC 321/421 y ventosas anti-ariete FOX 3F AS. El efecto de apertura anticipada de la válvula es evidente en la prevención del incremento de presión no deseado con posibles daños en el sistema.
Simulación – tubería 2 – perfil de presión sin protecciones
Ejemplo de transitorio generado por paro de bomba, que provoca la separación en columna de burbujas de vapor y su colapso. Este fenómeno se asocia a cambios de presión bruscos e intensos de alta frecuencia.
Simulación – tubería 2 – perfil de presión con dispositivos anti-ariete de CSA
Ejemplo de transitorio generado por paro de bomba, con tanque anti-ariete CSA AVAST (patente pendiente) y ventosas anti-ariete FOX 3F AS. El efecto del AVAST aportando agua al sistema, como respuesta a un paro de bomba, es evidente en la contención de la caída de la línea de presión y prevención de condiciones de presiones negativas.