El golpe de ariete también puede ocurrir en fluidos multifásicos, que son medios líquidos que también arrastran sólidos. Los ejemplos incluyen mortero o pulpa líquida (esencialmente fibras de pulpa que transportan agua). El factor clave es que el agua es el principal medio de transporte en las tuberías y puede transportar ondas de choque de forma muy eficaz.

Intermitente y golpe de ariete

La evaporación repentina es un tipo diferente de evento de pico de presión. La evaporación instantánea ocurre cuando el condensado de vapor (agua líquida) de un sistema de vapor se acumula en el sistema de tuberías. Esta agua líquida puede convertirse repentinamente de líquido a vapor con un factor de expansión de volumen posterior de 400 a 600 veces. El vapor flash debe manejarse de una manera completamente diferente. Si bien el control es igualmente importante, para los fines de este artículo limitaremos nuestra discusión a los medios líquidos y al ruido del golpe de ariete.

Causas del golpe de ariete

El golpe de ariete puede ser causado por una selección inadecuada de la válvula, una ubicación inadecuada de la válvula y, a veces, un mantenimiento inadecuado. Ciertas válvulas, como las válvulas de retención oscilantes, las válvulas de retención de aleta basculante y las válvulas de retención de doble puerta, también pueden causar problemas de golpe de ariete. Estas válvulas de retención son susceptibles a golpes porque dependen del flujo inverso y la contrapresión para empujar la aleta de la válvula hacia el asiento, lo que cierra la válvula. Si el flujo inverso es fuerte, como cuando una línea vertical fluye normalmente hacia arriba, es probable que la aleta de la válvula esté sujeta a una gran fuerza de impacto. El impacto resultante dañará la alineación de la tapa de la válvula de modo que ya no esté en contacto total de 360 ​​grados con el asiento. Esto puede provocar fugas y, en el mejor de los casos, destruir la eficiencia del sistema. En el peor de los casos, esto puede provocar graves daños a otros componentes de la tubería.

Una caída de presión repentina y localizada es al menos una molestia y puede causar problemas graves. Ciertos pasos pueden prevenir o mitigar el golpe de ariete. La primera prioridad es examinar las causas, consecuencias y soluciones.

Choque hidráulico
La causa más común de golpe de ariete es que las válvulas se cierran demasiado rápido o las bombas se apagan repentinamente. De hecho, el choque hidráulico es un aumento transitorio de la presión del fluido en un sistema de tuberías cuando el fluido se detiene repentinamente. Como observó Sir Isaac Newton, los objetos en movimiento tienden a permanecer en movimiento a menos que otra fuerza actúe sobre ellos. El impulso del fluido que avanza mantendrá el fluido moviéndose en esa dirección. Cuando una válvula se cierra repentinamente o una bomba se detiene repentinamente, el fluido en las tuberías aguas abajo de la válvula o bomba se estirará elásticamente hasta que se detenga el impulso del fluido.

El cierre repentino de la válvula suele estar asociado a válvulas de tipo cuarto de vuelta, más concretamente a válvulas automáticas de cuarto de vuelta. Una solución sencilla es cerrar estas válvulas automáticas de un cuarto de vuelta más lentamente. Esto funciona en muchas situaciones, pero no en todas. Por ejemplo, las válvulas de cierre de emergencia deben cerrarse rápidamente, por lo que es posible que se necesiten otras soluciones para este tipo de aplicaciones. Más adelante en este artículo se cubrirá más información sobre los cálculos del tiempo de cierre de la válvula.

Otra de las causas más comunes del golpe de ariete es el apagado repentino de la bomba. En aplicaciones de torres de enfriamiento o desagüe de minas, donde varias bombas alimentan un colector común, se requiere un apagado lento o se debe instalar una válvula de retención silenciosa en línea inmediatamente después de la bomba. Las válvulas de retención silenciosas pueden ser muy efectivas para reducir o incluso eliminar el golpe de ariete.

Predecir los picos de presión del golpe de ariete
La magnitud del pico de presión del golpe de ariete se puede calcular basándose en un conocimiento detallado de las tuberías y del medio transportado. La presión real del golpe de ariete depende del caudal del fluido cuando se detiene y del tiempo que tarda en dejar de fluir. Por ejemplo, supongamos que 100 galones de agua fluyen a través de una tubería de 2 pulgadas a una velocidad de 10 pies por segundo. Cuando el flujo se detiene rápidamente mediante una válvula que se cierra rápidamente, el efecto es equivalente a un martillo de 835 libras golpeando un obstáculo. Si el flujo se detiene en medio segundo (que puede ser la velocidad de cierre de la válvula), se genera un pico de presión superior a 100 psi de presión operativa del sistema.

La ecuación para calcular la amplitud del potencial de pico es la siguiente:

∆H=a/g*∆V

∆H es el cambio en la presión de cabeza

∆V es el cambio en el caudal del fluido

a = velocidad del sonido en el medio

g = fuerza gravitacional constante

Ejemplo:

a = 4864 pies por segundo

g = 32,2 pies por segundo2

∆V = 5 pies por segundo

∆H es 756 pies (328 psi)

Este valor supone la presencia de cierre instantáneo de la válvula.

Cálculos del tiempo de cierre de válvulas
El golpe de ariete es obviamente un problema grave en entornos industriales, como plantas de tratamiento de aguas residuales o sistemas de agua municipales. Al contrario del ejemplo anterior, el diámetro nominal promedio de la tubería de un grifo de baño suele ser de ½ pulgada, con presiones de agua que oscilan entre 60 y 80 psi, lo que entrega alrededor de 8 a 10 galones por minuto. Una línea de 6 pulgadas de una planta de tratamiento de agua puede entregar 900 galones de agua por minuto a una velocidad de 10 pies por segundo. Una tubería principal de 24 pulgadas puede suministrar más de 12.000 galones de agua por minuto, suficiente para llenar una piscina en un patio trasero en menos de dos minutos.

La fórmula básica para el tiempo de cierre de la válvula es: T = 2L/a

T = tiempo mínimo en segundos

L = longitud de tubería recta entre la válvula de cierre y el siguiente codo, T u otra pieza de cambio

Para 70°F (21°C) agua con 100 pies de tubería recta:

T = tiempo mínimo de cierre de 41 milisegundos

Consecuencias del golpe de ariete
Las consecuencias del golpe de ariete pueden variar de leves a graves. Una señal común es un fuerte golpe o martillazo procedente de la tubería, especialmente después de un cierre rápido de la fuente de presión de agua. Este es el sonido que se produce cuando una onda de choque de presión golpea con gran fuerza una válvula cerrada, un accesorio u otro bloqueo. Este ruido, a veces fuerte, puede causar gran angustia y preocupación, especialmente si hay gente trabajando cerca.

Sin embargo, la aparición recurrente de golpes de ariete no es sólo una molestia. El golpe de ariete también puede dañar gravemente las tuberías, las uniones de las tuberías, las juntas y todos los demás componentes del sistema (caudalímetros, manómetros, etc.). Durante un choque, los picos de presión pueden exceder fácilmente de 5 a 10 veces la presión de trabajo del sistema, lo que ejerce mucha presión sobre el sistema. El golpe de ariete provoca fugas en las juntas del sistema. También provoca grietas en las paredes de las tuberías y deformación de los sistemas de soporte de las tuberías. Reparar o reemplazar componentes y equipos de tuberías dañados puede resultar costoso. Si la fuga causa problemas ambientales, los costos pueden ser asombrosos.

En la mayoría de los casos, el golpe de ariete se considera un peligro para la seguridad. La presión extrema del golpe de ariete puede hacer que las juntas exploten, lo que provoca la ruptura repentina de una tubería. Las personas que se encuentren en las proximidades de un suceso de este tipo pueden resultar gravemente heridas.

Soluciones de golpe de ariete
Dependiendo de la causa del golpe de ariete, existen varias formas de mitigar los efectos del golpe de ariete. Una de las formas más sencillas de reducir el golpe de ariete causado por un choque hidráulico es capacitar y educar a los operadores. Los operadores que comprenden la importancia de abrir y cerrar correctamente las válvulas manuales o accionadas pueden tomar precauciones para minimizar los efectos. Esto es especialmente cierto para las válvulas de un cuarto de vuelta, como las válvulas de bola, de mariposa y de macho.

Consideraciones de diseño de tuberías
Los eliminadores de golpes de ariete proporcionan un punto de alivio para los picos de presión causados ​​por golpes de ariete. Estos componentes del sistema de tuberías reducen el ruido característico y las tensiones sintéticas de los sistemas de tuberías al actuar como amortiguadores. Cuando se dimensionan e instalan correctamente, los eliminadores de golpes de ariete pueden ser una solución eficaz.

Por otro lado, se debe evitar bombear medios de salida a tramos largos de tuberías verticales. Se deben minimizar las secciones de tubería verticales o se deben instalar válvulas de retención silenciosas lo más cerca posible de la bomba.

Otro aspecto para reducir el golpe de ariete es instalar válvulas de retención en tuberías verticales. Las válvulas de retención oscilantes, las trampillas basculantes y las válvulas de compuerta doble pueden funcionar verticalmente. Sin embargo, no detendrán el flujo inverso en dirección vertical. Sólo las válvulas de retención silenciosas funcionarán en esta dirección.

Los choques hidráulicos causados ​​por el cierre repentino de las válvulas de retención de giro, de aleta basculante y de doble compuerta se pueden resolver reemplazando las válvulas de retención de giro, de aleta basculante y de doble compuerta por válvulas de retención silenciosas o no silenciosas. Las válvulas de retención silenciosas se cierran cuando la presión diferencial a través del cierre de la válvula disminuye, en lugar de hacerlo en contraflujo. Como resultado, es menos probable que se cierren repentinamente y provoquen golpes de ariete. La válvula está completamente cerrada cuando la presión diferencial a través de la trampilla de la válvula se aproxima a la presión de ruptura de la válvula. Esto desacelera el flujo de fluido de modo que el impulso del fluido se reduce antes de que la válvula se cierre por completo, al tiempo que garantiza que el flujo de fluido no se invierta.

Los diseñadores de sistemas deben estar familiarizados con las mejores prácticas y los estándares de la industria para minimizar el golpe de ariete, como el uso de válvulas de cierre lento cuando corresponda, la comprensión de las ubicaciones óptimas de las válvulas en los sistemas de tuberías y las consideraciones especiales de diseño de tuberías para sistemas de alta presión operativa.

Si el sistema de tuberías está diseñado adecuadamente, la probabilidad de que se produzcan golpes de ariete se reducirá considerablemente, si no se elimina. En los sistemas que ya existen, los efectos dañinos del golpe de ariete se pueden limitar de varias maneras importantes, como instalando eliminadores de golpe de ariete, sacando válvulas de retención de la tubería vertical, instalando válvulas de retención silenciosas como línea principal de defensa y garantizando que las válvulas de cuarto de vuelta se operen en un procedimiento que tiene una velocidad de cierre lenta. Tenga en cuenta que la hora de cierre en un sistema automatizado debe ser al menos 10 veces el valor calculado en la fórmula T=2L/a.

Conclusión
El golpe de ariete se ha estudiado durante muchos años. Algunas de las investigaciones fundacionales se remontan a finales del siglo XIX. La investigación aún continúa. Muchas universidades importantes de Estados Unidos, Reino Unido y Países Bajos, así como empresas de válvulas muy respetadas, han escrito artículos que comparan las características dinámicas de varios tipos de válvulas de retención y sus instalaciones.

Este artículo solo toca la superficie del tema de los fluidos transitorios al explorar algunas de las causas y soluciones a lo que comúnmente llamamos golpe de ariete. Las soluciones para hacer frente al golpe de ariete pueden ser bastante costosas y, como siempre, más vale prevenir que curar. Las bombas y los cierres rápidos de válvulas para el suministro a líneas verticales o colectores comunes se pueden diseñar desde el principio. Una vez instaladas las tuberías y el proceso de la planta en marcha, el desafío es encontrar una solución dentro de las limitaciones específicas.

La mayoría de los fabricantes de válvulas de retención silenciosas para tuberías son muy conscientes del fenómeno del golpe de ariete y cuentan con ingenieros en su personal que pueden ayudar. Pueden ser la mejor fuente de conocimiento cuando se trata de la solución adecuada.