Golpe de ariete (parte 1)

La mayoría de los ingenieros involucrados en la planificación de sistemas de bombeo están familiarizados con los términos “transitorio hidráulico”, “golpe de presión” o, en aplicaciones de agua, “golpe de ariete”. La pregunta de si es necesario un análisis de flujo transitorio o de sobretensión durante la fase de planificación o no es menos fácil de responder. En circunstancias desfavorables, pueden producirse daños por golpe de ariete en tuberías de más de cien metros y que transporten sólo varias décimas de litro por segundo. Pero incluso las tuberías muy cortas y sin soporte en las estaciones de bombeo pueden dañarse por las vibraciones resonantes si no están debidamente ancladas. Por el contrario, el fenómeno no es muy común en los sistemas de servicios de los edificios, por ejemplo, en las tuberías de suministro de agua potable y calefacción, que normalmente son de longitud corta y tienen una sección transversal pequeña.

Los propietarios u operadores de los sistemas afectados por golpes de ariete suelen ser reacios a transmitir información sobre los daños sufridos por las sobretensiones. Pero estudiando las fotos tomadas de algunos “accidentes” (Figs. 1-a, 1-b, 1-c) una cosa está clara: el daño causado por el golpe de ariete supera con creces el costo de los análisis preventivos y las medidas de control de sobretensiones.

La capacidad de proporcionar equipos de control de sobretensiones diseñados de forma fiable, como un recipiente de aire o un acumulador, un volante de inercia y una válvula de aire, ha sido de última generación durante mucho tiempo. El folleto de instrucciones técnicas W 303 "Cambios de presión dinámicos en sistemas de suministro de agua" publicado por la Asociación Alemana del Sector de Gas y Agua establece claramente que los transitorios de presión deben tenerse en cuenta al diseñar y operar los sistemas de suministro de agua, ya que pueden causar daños importantes. Esto significa que se debe realizar un análisis de sobretensiones según los estándares de la industria para cada sistema de tuberías hidráulicas en riesgo de golpe de ariete. El software dedicado está disponible para este propósito, una herramienta importante para el uso del analista especialista en sobretensiones. Los consultores y diseñadores de sistemas se enfrentan a las siguientes preguntas.

• ¿Cómo podemos saber si existe riesgo de golpe de ariete o no?
• ¿Qué importancia tienen las fórmulas de aproximación para calcular el golpe de ariete?
• ¿Se puede usar el análisis de sobretensiones de un sistema de tuberías como base para sacar conclusiones para sistemas similares?
• ¿Qué parámetros se requieren para un análisis de sobretensiones?
• ¿Cuánto cuesta un análisis de sobretensiones?
• ¿Qué tan confiable es el equipo de control de sobretensiones disponible y cuánto cuesta operarlo?
• ¿Qué tan confiable es un análisis computarizado?

El diseñador de sistemas y el analista de sobretensiones tienen que trabajar en estrecha colaboración para ahorrar tiempo y dinero. El golpe de ariete es un fenómeno complejo; el propósito de este folleto es impartir un conocimiento básico de sus muchos aspectos sin simplificarlos demasiado.

Flujo estacionario e inestable en una tubería

Cuando se habla de la presión de un fluido, se debe hacer una distinción entre presión superior a la atmosférica [p bar], presión absoluta [p bar(a)] y altura de presión h [m]. La cabeza de presión h denota la altura de una columna de líquido homogéneo que genera una cierta presión p. Los valores de "h" siempre se refieren a un dato (p. ej., nivel medio del mar, línea central axial de la tubería y corona de la tubería, etc.).

Como regla general, los diseñadores de sistemas comienzan determinando las presiones operativas de estado estacionario y las tasas de flujo de volumen. En este contexto, el término constante2 significa que las tasas de volumen de flujo, las presiones y las velocidades de la bomba no cambian con el tiempo. La Fig. 2.1-a muestra un perfil de flujo constante típico:

Con un diámetro de tubería constante y una rugosidad superficial constante de las paredes internas de la tubería, la curva de carga de presión será una línea recta. En casos simples, el punto de operación de estado estable de una bomba se puede determinar gráficamente. Esto se hace determinando el punto donde la curva de la bomba se cruza con la característica de la tubería.

Un sistema de bombeo nunca puede funcionar en condiciones de estado estable todo el tiempo, ya que solo encender y apagar la bomba cambiará las condiciones de trabajo. En términos generales, cada cambio en las condiciones de operación y cada perturbación causan variaciones de presión y flujo o, dicho de otra manera, hacen que las condiciones de flujo cambien con el tiempo. Las condiciones de flujo de este tipo se conocen comúnmente como inestables o transitorias. Refiriéndose específicamente a las presiones, a veces se denominan cambios de presión dinámica o transitorios de presión. Las principales causas de las condiciones de flujo transitorio son:

• Disparo de la bomba como consecuencia de un corte de suministro eléctrico o de un corte de corriente.
• Puesta en marcha o parada de una o más bombas mientras otras bombas están en funcionamiento.
• Cierre o apertura de válvulas de corte en el sistema de tuberías.
• Excitación de vibraciones resonantes por bombas con curva H/Q inestable.
• Variaciones del nivel del agua de entrada.

La Fig. 2.1-b puede servir como un ejemplo representativo que muestra la envolvente de presión3 con y sin un recipiente de aire después del disparo de la bomba.

h_estable en la Fig. 2.1-b se muestra la curva de carga de presión en estado estacionario. Sobres de cabeza de presión h_minWK yh_maxWK se obtuvieron de una instalación con, hmin y hmax de una instalación sin vaso de aire. Considerando que h_minWK yh_maxWK están dentro del rango de presión permisible, hmin da evidencia de presión de vapor (macrocavitación) sobre una distancia de tubería de 0 m a aproximadamente 800 m. Casi en toda la longitud de la tubería, el valor de h_max supera la presión nominal máxima admisible de la tubería PN 16 (curva marcada como "tubería PN") y, por lo tanto, es inadmisiblemente alta. Por regla general, la presión de vapor es un fenómeno muy indeseable. Puede tener los siguientes efectos nocivos:

• Abolladuras o pandeo de tuberías de acero de paredes delgadas y tubos de plástico.
• Desintegración del revestimiento de cemento de la tubería.
• El agua sucia se introduce en las tuberías de agua potable a través de tomas de conexión con fugas.

Continuaremos con estas publicaciones técnicas y también volveremos al tema de la macrocavitación, es decir, la separación de la columna de líquido, en las siguientes partes.

REF: KSB Know-how, Volumen 1