GOLPE DE ARIETE

Descripción El golpe de ariete o pulso de Zhukowski (llamado así por el ingeniero ruso Nikolái Zhukovski) es, junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.El   golpe  de  ariete   se  origina  debido  a  que  el  fluido  es   ligeramente elástico (aunque  en  diversas situaciones se puede considerar como un fluido no compresible). En consecuencia, cuando se cierra bruscamente una válvula o  un grifo  instalado en el  extremo de una tubería de cierta   longitud,   las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que   siguen   aún   en  movimiento.   Esto  origina   una sobrepresión que   se   desplaza  por   la   tubería   a una velocidad que puede superar  la velocidad del  sonido en el  fluido.  Esta sobrepresión tiene dos efectos:  comprime  ligeramente el  fluido,  reduciendo su  volumen,  y  dilata   ligeramente  la   tubería. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende   a   retomar   su   dimensión   normal.   Conjuntamente,   estos   efectos   provocan   otra onda   de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado  gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del fluido y la dilatación de la tubería.

Teoría generalLa fuerza de inercia del líquido en estado dinámico en la conducción, origina tras el cierre de válvulas, unas depresiones y presiones debidas al movimiento ondulatorio de la columna líquida, hasta que se produzca el paro de toda la masa líquida. Las depresiones o sobre presiones empiezan en un máximo al   cierre   de   válvulas   o   parada   del  motor,   disminuyendo   hasta   el   final,   en   que   desaparecerán, quedando la conducción en régimen estático.En el valor del golpe de ariete influirán varios factores, tales como la velocidad del tiempo de parada, que a su vez que a su vez puede ser el cierre de la válvula de compuerta o el paro del motor. Otros factores serían: la velocidad del agua dentro de la conducción, el diámetro de la tubería, etc. etc.Para evitar este incremento del golpe de ariete o sobrepresión creada, se instalarán varios elementos como: Válvulas de retención, calderines de aire, chimeneas de equilibrio, válvulas antiariete, etc.

Este fenómeno es muy peligroso, ya que la sobrepresión generada puede llegar a entre 60 y 100 veces la presión normal de la tubería, ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos (grifos, válvulas, etc).La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del conducto, ya que las ondas de sobrepresión se cargarán de más energía, e inversamente proporcional al tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el cierre, más fuerte será el golpe.El golpe de ariete estropea el sistema de abastecimiento de fluido, a veces hace reventar tuberías de hierro colado, ensancha las deplomo, arranca codos instalados.

Alexander Reyes Rodríguez

Ecuación de AllieviSe llama longitud crítica (Lc) al resultado de la ecuación siguiente:

Siendo:a = celeridadTp = el tiempo de parada.Si la instalación está formada por trozos de tuberías de características variables, como naturaleza del material, diámetro, espesor o timbraje, se hace un cálculo aproximado utilizando valores medios.

Este valor lo comparamos con la longitud real de la conducción (L) y según sea, igual, mayor o menor, se aplicarán las fórmulas siguientes: Fórmula de Allievi (la inmediata inferior)

Cuando L   Lc (conducción larga o cierre rápido) Fórmula de Michaud (la inmediata superior)

Cuando L   Lc (conducción corta o cierre lento)Siendo:a = celeridad (m/s)v = Velocidad (m/s)L = Longitud real (m)g = aceleración de la gravedad (9,8 m/s2)Tp = tiempo de parada (s).

 = Incremento del golpe de ariete o sobrepresión (m). Este valor se sumará o restará a la presión estática, para calcular el golpe de ariete, positivo o negativo.Cuando Lc = L , en este caso se podrá solucionar con cualquiera de las fórmulas: Allievi o Michaud.Conocido el incremento del golpe de ariete y sumando o restando a la presión estática, se puede calcular el timbraje de los diferentes tramos de tubería, sabiendo la máxima presión al producirse el golpe de ariete, o instalar válvulas que eviten sobre presiones sobre los timbrajes dados.

Leyes Iniciales de apertura y cierre

Leyes de maniobras de cierre y aperturaPara poder obtener los valores de la carga piezométrica y la velocidad en el órgano de control cuando éste se somete a una maniobra de cierre o apertura, es necesario conocer la ley con la cual se efectúa dicha maniobra. Con este fin, a continuación se indican las ecuaciones que pueden utilizarse para los casos más comunes que corresponden a condiciones iníciales de apertura o cierre total.

Alexander Reyes Rodríguez

Ley para una maniobra de cierre uniforme o lineal (Ecuación de continuidad)El órgano de control, se somete a una maniobra de cierre o apertura siguiendo una determinada ley, la ecuación de continuidad aplicada en una sección transversal ubicada aguas arriba del mismo que conduce a lo siguiente: Área efectiva: Cd Av

Leyes para maniobras de Cierre y Apertura. Ahora bien, al inicio de la maniobra cuando el flujo es permanente en el conducto, según la ecuación, ya que ηo = 1 y en forma análoga, la velocidad al término de la misma cuando el flujo es nuevamente permanente es Vf= Voηf. .

Ley para maniobrar de cierre y apertura no uniformes. Cuando hay una ley de cierre o apertura no uniforme, se tendrá una variación η con respecto al tiempo. En este caso resulta conveniente hacer una gráfica semejante a las que se indican de acuerdo a las características de la maniobra e interpolar de este el valor deseado de η, o bien, si se dispone de la computadora para simular la maniobra mediante líneas rectas como las que se muestran.

Protección contra el golpe de ariete Para   evitar   los   golpes   de   ariete   causados   por   el   cierre   de   válvulas,   hay   que   estrangular 

gradualmente la corriente de fluido, es decir,  cortándola con lentitud utilizando para ello, por ejemplo, válvulas de asiento. Cuanto más larga es la tubería, tanto más tiempo deberá durar el cierre.

Sin embargo, cuando la interrupción del flujo se debe a causas incontrolables como, por ejemplo, la  parada  brusca  de  una bomba  eléctrica,   se  utilizan   tanques  neumáticos  con  cámara  de aire comprimido, torres piezométricas o válvulas de muelle que puedan absorber la onda de presión, mediante un dispositivo elástico.

Otro método es  la  colocación de ventosas de aireación,  preferiblemente  trifuncionales   (estos dispositivos son para disminuir otro efecto que se producen en las redes de agua o de algún otro fluido parecido al desalojarlo del sistema mas no es propio del fenómeno del golpe de ariete).

1. función:   introducir  aire  cuando en  la   tubería  se  extraiga  el  fluido,  para  evitar  que  se generen vacíos;

2. función:   extracción   de   grandes   bolsas   de   aire   que   se   generen,   para   evitar   que   una columna de aire empujada por el fluido acabe reventando codos o, como es más habitual en las crestas de las redes donde acostumbran a acumularse las bolsas de aire;

3. función: extracción de pequeñas bolsas de aire, debido a que el sistema de las mismas ventosas por lado tienen un sistema que permite la extracción de grandes cantidades y otra vía para las pequeñas bolsas que se puedan alojar en la misma ventosa.

Otro caso común de variación brusca de la velocidad del flujo en la tubería se da en las centrales hidroeléctricas,   cuando   se  produce  una  caída  parcial   o   total  de   la  demanda.   En  estos   casos tratándose  de   volúmenes   importantes  de  fluido  que  deben   ser   absorbidos,   se  utilizan  en   la mayoría  de  los  casos torres  piezométricas,  o  chimeneas de equilibrio  que se conectan con  la presión atmosférica, o válvulas de seguridad.

En una instalación en la que exista el riesgo de que se produzca el golpe de ariete, es necesario definir las   protecciones   que   se   van   a   introducir   al   sistema   para  minimizar   sus   efectos   hasta   niveles razonables.  El dimensionado estructural de las tuberías debe resistir sobrepresiones y depresiones transitorias.

Alexander Reyes Rodríguez

Volante de inerciaEl aumento de la inercia en el grupo de presión permite aumentar el tiempo de parada y con ello disminuir los efectos del golpe de ariete. Sin embargo su utilización es limitada al tamaño del volante.

Cámaras o chimeneas de equilibrioSon recipientes de gran altura abiertos que protegen el tramo aguas abajo y reducen la intensidad del golpe   de   ariete   aguas   arriba.  Son   comunes   en   conducciones   de   alimentación   a   centrales hidroeléctricas o en impulsiones de abastecimiento, no en entornos industriales. Su utilización está muy limitada por la topografía de la zona.

Calderines, pulmones y acumuladores o cámaras de aireSon depósitos cerrados cuya parte superior tiene aire o un gas inerte (generalmente nitrógeno) bajo presión y cuya parte inferior tiene un cierto volumen de agua. Después de la parada de las bombas, el depósito suministra agua a  la tubería descomprimiéndose,  reduciendo así  el  descenso de presión debido al  golpe de ariete.  Posteriormente,  se  invierte el  sentido del  flujo y el  agua es de nuevo almacenada en el depósito, comprimiendo el gas.

Tanques de alimentaciónDifiere de una cámara de equilibrio por  el  hecho de que durante el   funcionamiento normal  está aislado de la tubería por una válvula de retención. Cuando ocurre una depresión en la tubería por debajo del nivel de agua del tanque, la válvula abre y alimentando el flujo se evita que la depresión aumente.  El   tanque   se  alimenta  por  un   "bypass",   servido  de  un  flotador.  Están  particularmente indicados para proteger puntos altos de la instalación. Como es evidente, el tanque solamente puede operar cuando la línea de depresión, tras la parada de los grupos, descienda por debajo del nivel de agua en el tanque.

Anticipadora de ondaVálvulas antiretornoIntercalar este tipo de válvulas permite seccionar la conducción en tramos más cortos lo que conlleva tiempos característicos menores que los del tubo completo. Por otra parte la instalación de este tipo de válvulas como protección de la propia bomba (para evitar flujo inverso) es fuente de transitorios violentos si ocurre una parada brusca.

Válvulas de seguridad o alivioSon dispositivos que derivan un cierto caudal fuera del conducto principal cuando la presión en este sobrepasa el valor de  la tara. De esta forma se alivia la presión del interior de la tubería o equipo.Presentan el inconveniente que sólo actúan con sobrepresiones, y que salvo montajes excepcionales el caudal derivado sale fuera de la instalación.

VenteosLos venteos se utilizan para evitar depresiones en los conductos, ya que cuando éstas se producen se abren admitiendo aire  del  exterior.  El  aire  entrante queda dentro  de  la   instalación pero evita  el colapso de la tubería. En la mayoría de los casos son de doble efecto y funcionan como purgadores automáticos, cuando les llega una burbuja de gas abren para expulsarla al exterior.

Alexander Reyes Rodríguez