Estudio de golpe de ariete, esencial para el buen diseño de sistemas de transporte de fluidos y redes de tuberías (parte 1)

Estudio de golpe de ariete, esencial para el buen diseño de sistemas de transporte de fluidos y redes de tuberías (parte 1)

INTRODUCCIÓN

Para la mayoría de los sistemas de transporte de fluidos las presiones máximas y mínimas ocurren durante los transitorios hidráulicos.

Los transitorios hidráulicos son estados de cambio entre dos situaciones de equilibro y son causados por perturbaciones que modifican la presión y el caudal del sistema. Estas perturbaciones incluyen parada de bombas por corte inesperado de energía, arranque de bombas, apertura o cierre de válvulas, cambios en la demanda, cambios de nivel en tanques y reservorios, vaciado de tuberías, etc. Los cambios de velocidad en la tubería generados por alguno de los eventos recién mencionados se traducen en cambios de presión que se desplazan por todo el sistema de tuberías en forma de ondas y a la velocidad del sonido. Estas ondas de presión, si no son controladas, producen daños en la tubería y en el resto de los componentes del sistema.

El estudio de los transitorios hidráulicos, o estudio de golpe de ariete, no recibe en general la atención que se merece a pesar de que resulta mucho más relevante que el estudio en régimen permanente. Las presiones positivas y negativas que ocurren durante los transitorios hidráulicos se sobre imponen a las presiones de operación en régimen permanente, pudiendo superar la máxima presión admisible de la tubería, o alcanzar el valor de la presión de vapor del líquido (cavitación).

Los transitorios hidráulicos son inevitables, todos los sistemas inician y detienen su operación de forma programada o por fallo de energía, y en la mayoría tenemos válvulas en operación, cambios de demanda, etc. El estudio de transitorios hidráulicos  o estudio de golpe de ariete es esencial para el buen diseño y operación de sistemas de tuberías y de transporte de fluidos.

ESTUDIO DEL GOLPE DE ARIETE

El objetivo del estudio de golpe de ariete es conocer las presiones máximas y mínimas en todos los puntos del sistema a lo largo de un determinado periodo de tiempo, ya que estas ondas de presión que ocurren durante los transitorios hidráulicos se van disipando en el tiempo por acción de la fricción de la tubería.

El desplazamiento y superposición de ondas transitorias de presión en sistemas de tuberías causadas por eventos como parada de bombas o cierre de válvulas se estudia mediante modelación matemática. Existen dos métodos para modelar transitorios hidráulicos en sistemas de distribución de fluidos, uno de base Euleriana y el otro Lagrangiano.

El enfoque Euleriano resuelve las ecuaciones diferenciales en derivadas parciales de continuidad y momento y actualiza el estado hidráulico del sistema en puntos fijos a medida que el tiempo avanza en incrementos uniformes.

El enfoque Lagrangiano rastrea el movimiento y la transformación de las ondas de presión y actualiza el estado hidráulico del sistema en intervalos fijos o variables ante la ocurrencia de un cambio.

Si bien desde el punto de vista matemático es un problema complejo, existen en el mercado programas computacionales de modelación hidráulica en régimen no permanente o golpe de ariete que utilizan uno u otro método. Ambos métodos tienen un nivel de precisión similar, aunque el método Lagrangiano es computacionalmente más eficiente cuando se estudian redes extensas de distribución de agua.

El profesional que trabaja en proyectos u obras de tuberías presurizadas no necesita necesariamente saber resolver un transitorio hidráulico o estudio de golpe de ariete, pero si necesita poder interpretar los resultados del mismo y conocer las fortalezas y debilidades de los distintos tipos de dispositivos de protección anti ariete.

 JOUKOWSKI

El ingeniero ruso Nikolái Zhukovski pudo establecer a principio del siglo pasado la siguiente relación o ecuación: ΔH = C . ΔV / g. Donde ΔH es el cambio de presión ocurrido como consecuencia de un determinado cambio de velocidad ΔV del fluido, y C es la celeridad de la onda de presión, o la velocidad con la que se desplaza el cambio de presión al resto del sistema. “g” es la aceleración de la gravedad.

C es muy importante ya que multiplica los cambios de presión, su valor es función de la densidad del agua, del espesor y diámetro de la tubería, y de los módulos de elasticidad del agua y del material de la tubería. También del tipo de anclaje de la tubería (enterrada o aérea). Para materiales rígidos como el acero o el hierro dúctil el valor de C ronda los 1.000 m/s, para materiales plásticos como el PVC o el polietileno, alrededor de 300 m/s. La ecuación de Joukowski forma parte del método de resolución Lagrangiano.

SEPARACIÓN DE LA COLUMNA DE AGUA Y CAVITACIÓN

Durante los transitorios hidráulicos las presiones no solo pueden ser muy elevadas sino que también muy bajas. Cuando por ejemplo ocurre una parada de bomba por corte de energía, dependiendo del tipo de perfil o planimetría y altimetría de la tubería, la presión puede caer por debajo del valor atmosférico alcanzando la presión de vapor. Cuando en un punto del sistema se alcanza la presión de vapor, se produce la separación de la columna de agua. Esta cavidad de vapor puede crecer o decrecer dependiendo de la evolución de las presiones transitorias. Cuando el volumen de la cavidad de vapor se torna cero, se dice que la cavidad de vapor colapsa generando sobre presiones extremadamente elevadas. Por este motivo es de vital importancia evitar la separación de la columna de agua y la generación de cavidades de vapor durante los transitorios. Existen diferentes técnicas y dispositivos para lograr esto, los veremos más adelante en este artículo.

Previo a la aparición de una cavidad de vapor el flujo tiene una sola fase, cuando se genera una cavidad de vapor el flujo pasa a tener dos fases. El estudio de golpe de ariete solo puede ser confiable cuando el cálculo incorpora el análisis de separación de columna de agua y formación y colapso de la cavidad de vapor. Algunos programas de modelación matemática de transitorios hidráulicos no simulan los efectos no lineales de separación de columna de agua, obteniendo resultados erróneos lejanos a la realidad.

Colapso de tubería por acción de las presiones negativas

RESULTADOS DEL TRANSITORIO HIDRÁULICO – GRÁFICOS ENVOLVENTES DE PRESIONES

Para realizar el estudio del transitorio hidráulico es indispensable contar con todos los datos del sistema: perfil y características de la tubería, de las bombas, del fluido, válvulas de aire, niveles en la estación de bombeo y reservorio final, etc. Cuanta más información tengamos, más confiables serán los resultados. Inicialmente resolvemos (modelamos) sin incorporar ningún tipo de dispositivo de protección anti ariete. Los resultados de la modelación los podremos visualizar nodo por nodo de forma numérica o gráfica, y también en un formato conocido como gráfica envolvente de presiones (positivas y negativas).

A continuación se muestra un ejemplo de envolventes de presiones para un transitorio hidráulico generado por una parada de bomba por corte de energía:

En rojo vemos la Línea de Gradiente Hidráulico (LGH), son las presiones del sistema durante su operación continua o en régimen permanente. En negro el LGH final, escenario de presión estática que encontrará el sistema después de disipar por fricción las presiones transitorias (la diferencia entre LGH FINAL y LGH en el eje Y representan las pérdidas de carga de la operación del sistema en régimen permanente). Observamos que el perfil de la tubería se eleva en su parte central, esta zona elevada es la que se ve afectada por la separación de columna de agua y la cavitación.

A continuación se muestra otro ejemplo de envolventes de presiones para un transitorio hidráulico generado por la operación de una válvula:

Ante una apertura abrupta de válvula, la caída de presión aguas arriba de la válvula se propaga hacia el reservorio, si la caída de presión alcanza la presión de vapor del líquido, se formará una cavidad de vapor. En el caso de un cierre repentino de válvula, la caída de presión se produce aguas abajo de la válvula y la onda negativa de presión se propaga aguas abajo al resto del sistema.

GOLPE DE ARIETE Y CALIDAD DEL AGUA

Los transitorios hidráulicos tienen efectos muy negativos sobre la calidad del agua –y por ende sobre la salud de la población- en impulsiones y redes de agua potable. Los cambios de presión que ocurren durante los transitorios ponen en suspensión partículas previamente sedimentadas y pueden desprender la bio-película (colonias bacterianas) que se forma sobre la pared interna de la tubería.

Asimismo, si las presiones negativas no son adecuadamente controladas, pueden ingresar contaminantes externos como productos químicos, fertilizantes, partículas del suelo, bacterias, etc. a través de las uniones de la tubería ya que éstas solo están diseñadas para soportar presiones positivas (unión con aro de goma). También pueden ingresar contaminantes por acción de las presiones negativas en todos los sectores donde hay fugas o pérdidas de agua.

Las presiones negativas y la separación de la columna de agua durante los transitorios deben evitarse, existen distintos tipos de dispositivos de protección anti ariete con capacidad específica de prevenir presiones negativas, los veremos en la segunda parte de este artículo.

EFECTOS NEGATIVOS DEL GOLPE DE ARIETE EN TUBERÍAS

Si el golpe de ariete no es estudiado y controlado mediante la apropiada selección e instalación de dispositivos de protección anti ariete, los principales efectos negativos son:

-Rotura de tuberías por presiones positivas elevadas.

-Fatiga de tuberías por acción de ciclos de presiones positivas.

-Colapso de tuberías por acción de presiones negativas.

-Daños y pérdida de estanqueidad en uniones o ring por acción de presiones negativas, ya que las uniones con aro de goma no están diseñadas para soportar presiones negativas.

-Intrusión de contaminantes en las uniones por acción de las presiones negativas y contaminación del agua.

-Desprendimiento de la bio-película adherida a las paredes internas de la tubería y contaminación del agua.

-Daños a otros componentes del sistema como válvulas, dispositivos de control, accesorios, anclajes, etc.

-Daños estructurales por vibraciones y golpes.

En la parte 2 de este artículo veremos los distintos tipos de dispositivos de protección anti ariete disponibles hoy en el mercado, sus ventajas y desventajas comparativas, y como se incorporan al modelo matemático de análisis y al sistema.

Luis A. Conti es ingeniero consultor, especialista en modelación de transitorios hidráulicos y diseño de protecciones anti ariete en sistemas de transporte de fluidos para los mercados de agua, saneamiento, industria, irrigación, minería y desalación. Con una década de experiencia en protección anti ariete y control de fluidos, ha trabajado en diversos proyectos en Argentina, Brasil, Uruguay, Chile, Perú, Paraguay, Ecuador, Colombia, México, y Panamá. Más información en www.ingenieriadefluidos.com