GOLPE DE ARIETE

QUE ES EL GOLPE DE ARIETE ?

Se denomina Golpe de Ariete al fenómeno hidráulico transitorio producido por variaciones de velocidad en el fluido transportado. Este fenómeno consiste en la propagación de ondas de presión y depresión a lo largo de las conducciones, debido a la transformación de energía cinética en energía de presión y elástica. Si el Golpe de Ariete no es efectivamente controlado puede producir la rotura de la tubería por sobrepresión o por depresión, así como generar serios problemas de operación.

 

Los transitorios hidráulicos son eventos causados por un cambio en la operación del sistema que produce una variación de velocidad del fluido, este cambio de velocidad genera cambios de presión que se propagaran a todo el sistema de tuberías a la velocidad del sonido, y su celeridad depende de la elasticidad del agua, de las paredes de la tubería y del suelo.

CONSECUENCIAS DEL GOLPE DE ARIETE

Las principales consecuencias de los transitorios hidráulicos son: altas presiones, presiones negativas, separación de la columna de agua llegando inclusive a valores de cavitación,  riesgo sanitario asociado a la intrusión de contaminantes como consecuencia de las  presiones negativas, y como consecuencia de lo anterior rotura de la tubería o fatiga de la misma a lo largo del tiempo.

 

 

IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DEL GOLPE DE ARIETE

El análisis de los transitorios hidráulicos es más crítico que el análisis del sistema en régimen permanente. Las presiones durante el transitorio serán mayores cuando los cambios de velocidad son más bruscos o repentinos, como por ejemplo durante el cierre de una válvula o una parada de bombas.

 

Estas perturbaciones pueden ser causadas por la operación del sistema –por ejemplo cierre de válvula- o por accidentes –por ejemplo parada de bombas por corte de energía-, y en ambos casos generan ondas de presión de gran magnitud que se suman a las condiciones de presión ya existentes como consecuencia de la operación del sistema en régimen permanente; y pueden fácilmente exceder la resistencia de la tubería.

EL GOLPE DE ARIETE Y LA CALIDAD DEL AGUA

El efecto del golpe de ariete sobre la calidad del agua se manifiesta de dos maneras diferentes, ambas con consecuencias para la salud:

Con el paso del tiempo en las paredes internas de las tuberías se forma una película muy delgada de micro organismos. Durante los transitorios hidráulicos, cuando los cambios de presión son importantes, esta fina película se desprende de la pared de la tubería y permanece en suspensión afectando la calidad del agua.

Las uniones de tuberías con aro de goma (anillo o ‘ring) han sido diseñadas para soportar únicamente presiones positivas, cuando aparecen presiones negativas durante los transitorios hidráulicos la unión pierde estanqueidad y elementos que están fuera de la tubería -como el suelo- ingresan dentro de la tubería. Y si además el nivel de la napa freática está por encima del nivel de la tubería, ésta ingresa a la tubería cuando la presión es negativa. En ambos casos contaminando el agua de consumo.

 

 

CATEGORÍAS DE ESTADOS DE OPERACIÓN IMPERMANENTES

El análisis de los transitorios hidráulicos requiere calcular las presiones y caudales durante un estado impermanente de operación del sistema. Este análisis se puede dividir en tres categorías principales:

 

1-Periodos de Simulación Extendida o EPS (del inglés Extended Period Simulation). Comprende transitorios muy lentos, también se la conoce como teoría casi-permanente (quasi-steady theory), resuelve una secuencia de soluciones de régimen permanente vinculadas por un esquema de integración. Los efectos inerciales y elásticos no son tenidos en cuenta. Este enfoque puede ser aplicado en situaciones donde las fuerzas de aceleración no son significativas.

 

2-Teoría de la Columna de Agua Rígida (Rigid Water Column Theory). Esta segunda categoría abarca Transientes más rápidos pero todavía lentos, considera que el agua actúa de forma rígida y no tiene en cuenta las propiedades elásticas de las paredes de la tubería.

 

3-Teoría del Golpe de Ariete (Waterhammer Theory). Esta última categoría corresponde a los Transientes rápidos y toma en consideración la elasticidad de la pared de la tubería y la del fluido. Aplicable a situaciones donde el cambio de velocidad del flujo es rápido o repentino, por ejemplo cierre brusco de válvulas o parada de bombas, en estos casos es necesario considerar la compresibilidad del líquido y la elasticidad de las paredes de la tubería. Para este tipo de flujo impermanente, el fenómeno transitorio se desarrolla en forma de ondas de presión que viajan a la velocidad del sonido. Las ondas de presión son generadas por los cambios de velocidad y su intensidad depende de las propiedades elásticas antes mencionadas. Las ondas de presión se propagan a lo largo de todo el sistema de tuberías y son parcialmente transmitidas y reflejadas en todas las discontinuidades del sistema.

CAUSAS DEL GOLPE DE ARIETE

En acueductos, redes, y demás sistemas de transporte de fluidos, las principales causas de los transitorios hidráulicos son:

 

-Parada o arranque de bombas

-Apertura o cierre de válvulas

-Cambios de nivel en tanques y reservorios

-Cambios bruscos de demanda

-Rotura de tuberías

-Llenado y vaciado de tuberías

 

MODELACIÓN HIDRÁULICA PARA EL ESTUDIO DEL GOLPE DE ARIETE

A lo largo del tiempo se han desarrollado distintos métodos gráficos y numéricos para resolver transitorios hidráulicos. Actualmente los dos métodos de cálculo más relevantes son el Método de las Características (resolución de ecuaciones diferenciales) y el Método de la Onda Característica (cálculo y seguimiento de ondas de presión en el sistema).

Ambos métodos obtienen los mismos resultados, el segundo necesita menos pasos para llegar a la solución y por lo tanto es más rápido. Debido a la alta capacidad de procesamiento de las computadoras personales actuales, esta diferencia en el tiempo de resolución se hace evidente en sistemas con gran cantidad de nodos y dispositivos incorporados (por ejemplo válvulas de aire).

 

DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN ANTI ARIETE

Se recomienda que la protección anti ariete dependa de dispositivos confiables que eviten las presiones negativas y las sobrepresiones, y que sean de larga vida útil y escasa necesidad de mantenimiento. La selección y dimensionado de cualquier tipo de dispositivo de protección anti ariete se realiza mediante modelación matemática del transitorio hidráulico.

 

Las ventosas o válvulas de aire prestan un necesario servicio durante el vaciado, llenado y purga de la tubería cuando ésta trabaja en régimen permanente. Pero como son un dispositivo susceptible de falla y necesitan mantenimiento, se utilizan como elemento de protección auxiliar o secundario. Las ventosas o válvulas de aire que mejor respuesta brindan como dispositivos de protección anti ariete son las de tipo anti golpe con áreas de orificio de entrada y salida disimétricos. Existen también ventosas con disco anti golpe de ariete que si bien brindan una mejor respuesta que las válvulas de aire tradicionales, son inferiores a las disimétricas.

 

La válvula anticipadora de ondas -SAV del inglés Surge Anticipating Valve- es un dispositivo útil en sistemas donde el perfil es netamente ascendente ya que solo pueden disipar presiones positivas, pero no tienen ningún efecto sobre las peligrosas presiones negativas presentes en la mayoría de los sistemas, por lo que su campo de utilización es  limitado.

Los tanques hidroneumáticos pueden ser con compresor, con membrana, o híbridos (ARAA). Los  dos primeros cumplen la misma función hidráulica, son dispositivos con capacidad de almacenar energía por lo tanto pueden eliminar tanto presiones negativas como positivas. Respecto a la membrana o vejiga, su función es simplificar el método de regulación; la diferencia esencial radica en el hecho de que el agua y el aire comprimido están separados y no se produce disolución como ocurre en los tanques convencionales, que deben estar vinculados a compresores para compensar la pérdida por disolución del aire comprimido. El tanque hidroneumático híbrido, o de tubo de inmersión, o ARAA por sus siglas del Francés, tiene una conexión a la atmosfera y su funcionamiento específico le permite operar sin necesidad de membrana ni de compresor. Solo puede ser utilizado en sistemas donde se producen paradas programadas de bombas al menos una vez al día.

 

Otros dispositivos disponibles son las chimeneas de equilibrio y los tanques unidireccionales, ambos son abiertos a la atmosfera, tienen una limitada capacidad de almacenar energía, y en algunos sistemas pueden ser utilizados como dispositivo de protección principal o auxiliar en combinación con alguno de los dispositivos mencionados. También se puede en algunos casos utilizar un by-pass como dispositivo de protección. Es la modelación matemática del impermanente la que permite seleccionar el  dispositivo más adecuado.

 

Existen otros dispositivos menos comunes como los volantes de inercia, discos de ruptura, etc. Tienen limitaciones operativas y económicas.

Ingeniería de Fluidos. Todos los derechos reservados. © 2016.

  • Facebook - Grey Circle
  • LinkedIn - Grey Circle