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Analisi e prevenzione del colpo d'ariete

Il colpo d'ariete

Il termine “colpo d'ariete”, che suggerisce l’idea di rumore e repentine variazioni di pressione, è comunemente usato come sinonimo di moto vario, a volte causa di devastanti effetti sul sistema.
Le reti acquedottistiche e fognarie sono di vitale importanza nel mondo moderno: la loro protezione dovrebbe essere, di conseguenza, una priorità. Grazie a simulazioni numeriche è possibile appurare il comportamento delle condotte in presenza di fenomeni di moto vario e valutare i potenziali danni.
Le principali cause dei colpi d’ariete sono:
- improvvise variazioni del prelievo,
- avvio delle pompe,
- spegnimento delle pompe,
- chiusura e apertura rapida degli organi di sezionamento,
- rapido riempimento di impianti antincendio,
- apertura e chiusura di idranti antincendio,
- operazioni di lavaggio e svuotamento delle condotte,
- svuotamento di serbatoi d’alimentazione.
Il colpo d'ariete può anche essere descritto come una propagazione di energia, analoga, ad esempio, alla trasmissione del suono. In un movimento ondulatorio, l'energia è associata alla deformazione elastica del mezzo.

La velocità delle onde sonore nei fluidi può essere espressa dalla seguente formula: a=[K/ρ/(1+K*D/E*e)]1/2

Dove E è il modulo d’elasticità;
D è il diametro del tubo;
e è lo spessore della parete;
K è il modulo di massa;
ρ è la densità del mezzo fluido.

Arresto delle pompe
Uno degli eventi più critici per i sistemi acquedottistici e fognari è l’arresto della pompa: lo spegnimento completo della pompa provoca una decelerazione e, di conseguenza, una depressione che si propaga con una velocità che dipende dalle caratteristiche del fluido e delle tubature. La pressione negativa può provocare gravi danni: la deformazione e la rottura dei tubi, lo spostamento delle guarnizioni e l’ingresso di sostanze contaminanti attraverso i punti di perdita. Inoltre, se la linea piezometrica scende al di sotto del valore negativo corrispondente alla pressione di vapore c'è anche il rischio di “distacco di vena”, fenomeno dovuto alla formazione e successivo collasso di sacche di vapore che producono forti aumenti di pressione ad alta frequenza, talvolta distruttivi.

profilo condotta - arresto pompe

Lo schema riporta il profilo di una condotta, con pompe e serbatoio di valle come condizioni al contorno.  La linea tratteggiata blu scuro rappresenta la HGL e la linea tratteggiata azzurro chiaro la statica. È evidenziata l'onda di pressione negativa che si propaga a valle per effetto dell’arresto della pompa; il segmento rosso corrisponde al tratto interessato dalla depressione durante la fase iniziale dell'evento.

profilo condotta - arresto pompe - 2

La seconda immagine mostra la propagazione dell'onda di pressione negativa lungo la condotta verso valle. La parte del tracciato esposta ad una forte pressione negativa è campita in rosso. Il cambio di pendenza costituisce un punto in cui può verificarsi il distacco di vena, quando sacche di vapore si formano e quindi collassano generando pericolosi colpi d'ariete, come illustrato nei 4 riquadri.

profilo condotta - arresto pompe - 3

Gli effetti dell’arresto della pompa si possono visualizzare per mezzo degli inviluppi dei valori di pressione massimi e minimi ottenuti nel corso della simulazione (nell’illustrazione rappresentati, rispettivamente, in rosso e in verde). Si nota come il sistema raggiunga il “vuoto assoluto” lungo buona parte del profilo, e il colpo d’ariete provocato dal distacco di vena in corrispondenza del cambio di pendenza.

Prevenzione del colpo d'ariete

Per evitare fenomeni di moto vario e danni indesiderati alle condotte è fondamentale ridurre le variazioni di velocità del fluido e, quando queste avvengono, renderle più graduali possibile.
A tale scopo è necessario:
- operare lentamente durante la chiusura della valvola, soprattutto nell'ultimo 20% della corsa. Le stesse precauzioni devono essere osservate in fase d’apertura, in particolare all’inizio di questa.
- assicurarsi, tramite simulazione, che non si origini depressione o usare sfiati multifunzione anti-colpo d’ariete, ad esempio i modelli CSA RFP o AS.
- introdurre aria o acqua nella tubazione, nei punti in cui è probabile si verifichino condizioni di pressione negativa.
- adottare sistemi di avvio graduale delle pompe.
- eseguire approfondite analisi numeriche al calcolatore per valutare il rischio di fenomeni di moto vario associati al sistema.
Una delle migliori soluzioni al problema è il serbatoio anti-colpo d’ariete con sfiato integrato A.V.A.S.T., offerto dalla CSA; può funzionare da solo o in combinazione con altri dispositivi, come sfiati anti-colpo d’ariete e valvole di sfioro della pressione.
Il serbatoio è installato in derivazione o direttamente sulla condotta principale, provvisto esclusivamente di una semplice saracinesca per consentire la manutenzione; non sono richiesti bypass, valvole di ritegno o riduzioni. Rispetto ad altri prodotti, A.V.A.S.T. non prevede di alcun tipo di compressore, membrana, o fonte esterna di energia; ciò comporta una ridotta manutenzione, maggiore affidabilità e, quel che è più importante, un minor volume a parità di protezione rispetto a serbatoi a membrana e casse d’aria.

serbatoio AVAST - collegamento alla condotta

 

profilo condotta - con protezione - 1

La figura illustra le conseguenze del moto vario, provocato dall’arresto della pompa, su una condotta protetta dal serbatoio A.V.A.S.T.. La curva rossa e quella verde riportano i valori di pressione massimi e minimi ottenuti nella simulazione; è ben visibile il beneficio sulle pressioni negative, che ha l’effetto di ridurre anche il rischio di colpi d'ariete.

profilo condotta - con protezione - 2

Nel caso in cui A.V.A.S.T. sia installato in combinazione con sfiati anti-colpo d’ariete (CSA serie AS), l'effetto dello sfiato consentirà l’utilizzo di un serbatoio di dimensioni più contenute, riducendo i costi. In rosso e in verde sono rappresentati i valori di pressione massimi e minimi. A.V.A.S.T. può essere collocato presso un gruppo di sollevamento o lungo la linea, e anche associato a valvole di sfioro pressione.

Analisi del colpo d'ariete

Simulazione - condotta 1 - profilo idraulico in assenza di protezioni

Esempio di un fenomeno di moto vario causato da arresto delle pompe; all’inizio si nota una caduta della pressione, seguita da un innalzamento quando la colonna d’acqua torna verso le valvole di ritegno della stazione di pompaggio.

 

Simulazione - condotta 1 - profilo idraulico con dispositivi anti-colpo d'ariete CSA installati

Il moto vario successivo all’arresto delle pompe, nella stessa condotta, in presenza di una valvola anticipatrice del colpo d’ariete XLC 321/421 e sfiati anti-shock CSA FOX 3F AS. È evidente l’azione della valvola con apertura anticipata, che previene l’aumento incontrollato della pressione e i possibili conseguenti danni sul sistema.

 

Simulazione - condotta 2 - profilo idraulico in assenza di protezioni

Esempio di un fenomeno di moto vario causato da arresto delle pompe che provoca una separazione della colonna d’acqua con formazione e successivo collasso di sacche di vapore. Questo evento è associato a forti sbalzi di pressione ad alta frequenza.

 

Simulazione - condotta 2 - profilo idraulico con dispositivi anti-colpo d'ariete CSA installati

Il moto vario successivo all’arresto delle pompe, nella stessa condotta, in presenza di un serbatoio anti-colpo d’ariete AVAST (brevettato) e sfiati anti-shock CSA FOX 3F AS. È evidente l’azione dell’AVAST che, immettendo acqua nella condotta dopo lo spegnimento delle pompe, limita l’abbassamento della linea dei carichi ed evita che siano raggiunti valori di pressione negativi.