Colpo d'ariete (parte 1)

La maggior parte degli ingegneri coinvolti nella progettazione dei sistemi di pompaggio ha familiarità con i termini "transitorio idraulico", "pressione di picco" o, nelle applicazioni idrauliche, "colpo d'ariete". La domanda se durante la fase di pianificazione sia necessaria o meno un'analisi del flusso transitorio o delle sovratensioni ha una risposta meno immediata. In circostanze sfavorevoli, possono verificarsi danni dovuti a colpi d'ariete in condotte che misurano più di cento metri e trasportano solo alcuni decimi di litro al secondo. Ma anche tubazioni molto corte e non supportate nelle stazioni di pompaggio possono essere danneggiate da vibrazioni risonanti se non sono adeguatamente ancorate. Al contrario, il fenomeno non è molto comune nei sistemi di servizi degli edifici, ad esempio nelle condutture di riscaldamento e di approvvigionamento di acqua potabile, che tipicamente sono di lunghezza ridotta e hanno una piccola sezione trasversale.

I proprietari o gli operatori di sistemi colpiti da colpi d'ariete sono generalmente riluttanti a trasmettere informazioni su eventuali danni da sovracorrente subiti. Ma studiando le foto scattate ad alcuni “incidenti” (Figg. 1-a, 1-b, 1-c) una cosa è chiara: i danni causati dal colpo d'ariete superano di gran lunga il costo delle analisi preventive e delle misure di controllo delle sovratensioni.

La capacità di fornire un'apparecchiatura di controllo dei picchi progettata in modo affidabile, come un recipiente ad aria o un accumulatore, un volano e una valvola dell'aria, è stata a lungo lo stato dell'arte. L'opuscolo di istruzioni tecniche W 303 "Variazioni dinamiche di pressione nei sistemi di approvvigionamento idrico" pubblicato dall'Associazione tedesca del settore del gas e dell'acqua afferma chiaramente che i transitori di pressione devono essere considerati durante la progettazione e il funzionamento dei sistemi di approvvigionamento idrico, poiché possono causare danni estesi. Ciò significa che è necessario eseguire un'analisi dei picchi secondo gli standard del settore per ogni sistema di tubazioni idrauliche a rischio di colpo d'ariete. A tale scopo è disponibile un software dedicato, uno strumento importante da utilizzare per l'analista specializzato in picchi. Consulenti e progettisti di sistemi si trovano di fronte alle seguenti domande.

• Come possiamo sapere se esiste o meno un rischio di colpo d'ariete?
• Quanto sono significative le formule di approssimazione per il calcolo del colpo d'ariete?
• L'analisi dei picchi di un sistema di tubazioni può essere utilizzata come base per trarre conclusioni per sistemi simili?
• Quali parametri sono richiesti per un'analisi dei picchi?
• Quanto costa un'analisi delle sovratensioni?
• Quanto è affidabile l'apparecchiatura di controllo delle sovratensioni disponibile e quanto costa farla funzionare?
• Quanto è affidabile un'analisi computerizzata?

Il progettista di sistema e l'analista di picchi devono lavorare insieme a stretto contatto per risparmiare tempo e denaro. Il colpo d'ariete è un fenomeno complesso; lo scopo di questo opuscolo è quello di impartire una conoscenza di base dei suoi molteplici aspetti senza semplificarli eccessivamente.

Flusso costante e instabile in una pipeline

Quando si discute della pressione di un fluido, bisogna fare una distinzione tra pressione al di sopra dell'atmosfera [p bar], pressione assoluta [p bar(a)] e prevalenza h [m]. Il carico di pressione h indica l'altezza di una colonna liquida omogenea che genera una certa pressione p. I valori per “h” sono sempre riferiti a un dato, (ad es. livello medio del mare, mezzeria assiale del tubo e corona del tubo ecc.).

Di norma, i progettisti di sistemi iniziano determinando le pressioni di esercizio in regime stazionario e le portate volumetriche. In questo contesto, il termine costante2 significa che le portate volumetriche, le pressioni e le velocità della pompa non cambiano nel tempo. La Fig. 2.1-a mostra un tipico profilo di flusso stazionario:

Con un diametro del tubo costante e una rugosità superficiale costante delle pareti interne del tubo, la curva della prevalenza sarà una linea retta. In casi semplici, il punto di funzionamento stazionario di una pompa può essere determinato graficamente. Questo viene fatto determinando il punto in cui la curva della pompa interseca la caratteristica della tubazione.

Un sistema di pompaggio non può mai funzionare in condizioni stazionarie per tutto il tempo, poiché l'avvio e l'arresto della pompa da soli cambieranno le condizioni di lavoro. In generale, ogni cambiamento delle condizioni di funzionamento e ogni disturbo provocano variazioni di pressione e di portata o, in altri termini, fanno variare le condizioni di portata nel tempo. Condizioni di flusso di questo tipo sono comunemente denominate instabili o transitorie. Riferendosi specificamente alle pressioni, a volte vengono chiamate variazioni di pressione dinamica o transitori di pressione. Le principali cause delle condizioni transitorie di flusso sono:

• Interruzione della pompa a causa di un'interruzione dell'alimentazione o di un'interruzione di corrente.
• Avviare o arrestare una o più pompe mentre altre pompe sono in funzione.
• Chiusura o apertura delle valvole di intercettazione nel sistema di tubazioni.
• Eccitazione di vibrazioni risonanti mediante pompe con curva H/Q instabile.
• Variazioni del livello dell'acqua in ingresso.

La Fig. 2.1-b può servire come esempio rappresentativo che mostra l'inviluppo di pressione3 con e senza un serbatoio d'aria dopo lo scatto della pompa.

h_costante in Fig. 2.1-b è la curva del carico di pressione SteadyState. Buste in testa a pressione h_minWK e h_maxWK sono stati ottenuti da un impianto con, hmin e hmax da un impianto senza serbatoio d'aria. Considerando che h_minWK e h_maxWK rientrano nell'intervallo di pressione consentito, hmin fornisce la prova della tensione di vapore (macrocavitazione) su una distanza del tubo da 0 m a circa 800 m. Quasi per tutta la lunghezza del tubo, il valore di h_max supera la pressione nominale massima consentita del tubo PN 16 (curva contrassegnata con “PN pipe“) ed è, quindi, inammissibilmente elevata. Di norma, la tensione di vapore è un fenomeno estremamente indesiderabile. Può avere i seguenti effetti dannosi:

• Ammaccature o deformazioni di tubi in acciaio a parete sottile e tubi in plastica.
• Disintegrazione del rivestimento in cemento del tubo.
• L'acqua sporca viene aspirata nelle condutture dell'acqua potabile attraverso le prese di collegamento che perdono.

Continueremo questi post tecnici e torneremo anche sull'argomento della macro-cavitazione, cioè la separazione della colonna liquida, nelle parti seguenti.

RIF: Know-how KSB, Volume 1