Un fenómeno presente en muchos sistemas de bombeo, las secuelas pueden ir de muy leves a muy graves, incluso llegar dañar la instalación y hasta poner en peligro a las personas expuestas. Aquí brindamos la información justa y necesaria para poder comprender, prevenir y solucionar esta falla.
Recomendamos la lectura de la primera parte: https://guiadebombas.com/golpe-de-ariete-primera-parte/
Qué, Por qué, Cómo
En la edición anterior detallábamos de qué se trata este efecto, por qué se produce y cuáles son las consecuencias básicas e inmediatas. Por lo que aconsejo su lectura para la mayor comprensión de esta segunda entrega.
Cuándo
Este fenómeno sucede mientras el equipo está en operación, principalmente en el arranque y la detención. Por lo que muchas de las soluciones se enfocan en los modos o cuidados que debemos tener en la operación, pero hay muchas prevenciones para poner en práctica en etapas previas como el dimensionamiento, cálculo, selección de elementos del sistema y todo lo que influirá en la manera de operarlo.
Dimensionamiento y Velocidad.
Uno de los factores que influyen para que se produzca el golpe de ariete, es la alta velocidad de circulación del fluido dentro de las tuberías. Magnitud que está relacionada a dos valores: el caudal (l/h) y la sección (Ø). Ambos valores se definen en la etapa de dimensionamiento y diseño del sistema. Por ello al momento de dimensionarlo, uno de los puntos que se debe analizar, además de que cumpla con las condiciones requeridas para la aplicación, es que el traslado del fluido no genere efectos adversos.
El caudal (litros/hora) surge concretamente de la necesidad, cuánto (litros) y qué tiempo dispongamos (hora) para abastecerla. Valores que se obtienen del análisis profundo de la aplicación. No son valores con los que podamos “jugar” ya que si se sub-dimensiona no cumpliremos con las necesidades y si se sobre-dimensiona la bomba sufrirá otros inconvenientes.
Una vez definido el caudal se dimensiona la sección ( Ø ) de la tubería por la que se transportará dicho flujo. Aquí en la relación Caudal / Sección, es donde se define la velocidad de circulación.
En esta etapa habitualmente el foco está en analizar y tratar de que no sean excesivas las pérdidas de carga por rozamiento, es decir que sean leves o “posibles” de vencer. Esas pérdidas son las que a la larga nos incidirán en el tamaño del equipo y en la energía que éste requiera para cumplir su función.
Ahora una vez definida la sección y por ende las pérdidas de carga por rozamiento, debemos siempre verificar la velocidad de circulación, ya que una alta velocidad de circulación del fluido, sumará posibilidades de que sucedan fallas, aguas abajo de la bomba puede devenir en cavitación y aguas arriba en que se produzcan golpes de ariete, entre otras situaciones.
¿Cuándo hablamos de alta velocidad? Esto está cruzado por otros factores, pero básicamente debemos tratar de no superar 2,5 m/seg, o 1,5 m/seg en altos caudales (mayores a 100 m3/h).
Diseño del sistema.
Aparte de dimensionar las secciones, tener en cuenta los materiales y las pérdidas de carga por rozamiento, un paso fundamental es el correcto diseño de los tendidos de las cañerías y los accesorios que participaran de la conducción y manejo del flujo.
Depende del tipo de aplicación, la envergadura de la obra y del presupuesto, esto puede estar centrado en quien defina el “piping”. Es decir quien concentre, analice y defina el diseño de todo el sistema, a veces una persona (o equipo de trabajo) con un criterio, otras veces serán diferentes actores que dan forma a la instalación, trabajo de postas que si no se realiza con el conocimiento y criterio adecuado de lo que implica cada detalle, puede que el sistema de bombeo sea un “Frankenstein” por la combinación o la falta de criterios.
Fig 1: Ángulos de giro: cuanto mayor sea el cambio de dirección del flujo mayores posibilidades de que se genere un golpe de ariete.
¿Qué tener en cuenta?
· Cambios de dirección: comparábamos el flujo de líquido con un tren, y las cañerías con las vías por las que transita ese tren. Por ello debemos tener en cuenta de que todos los cambios de dirección del flujo deben ser graduales, curvas muy abiertas, sobre todo cuando la velocidad de circulación es alta. El ángulo de giro será menor a medida que la velocidad se incremente. Más velocidad menor ángulo de giro.
· Válvulas de cierre: deben ser de cierre gradual, un cierre abrupto asegura que se genere el golpe de ariete, aun en instalaciones pequeñas. Por ello es importante analizar quienes y como operarán el sistema. No es lo mismo manipular una válvula esférica o mariposa, con las cuales en un cuarto de giro se cierra o abre el 100% del pasaje, que manipular una válvula esclusa, la cual hay que realizar varios giros de la manivela para el mismo trabajo.
Si por las características del uso fuera necesario un corte rápido, se debe utilizar un tanque hidroneumático o una válvula de alivio, como posibles modos de absorber el “martillazo de agua”.
· Válvulas de retención (check o anti-retorno): estos mecanismos se utilizan en puntos elementales de la instalación, en la punta del caño de succión (también llamada válvula de pie) para evitar el descebado de la bomba. A la salida de la bomba en equipos elevadores, para evitar el retorno de la columna y que este movimiento de líquido haga girar en sentido contrario al impulsor o dañe el sello mecánico. En instalaciones presurizadas, justamente para mantener alojada la presión dentro del sistema y que no retroceda.
Ahora en casos donde las alturas de elevación, o la suma de altura y tendidos, o las presiones de trabajo, hacen que el retorno del líquido genere una fuerza excesiva para una sola válvula, es donde habrá que tener la previsión utilizar elementos que atenúen esta presión excesiva. Una posibilidad, cuando las alturas o tendidos son largos-altos, es la de colocar varías válvulas de retención, de manera de dividir ese pico de presión entre varias válvulas y donde éstos ya no sean dañinos. Siempre previendo que las válvulas estén dimensionadas de manera que no generen una pérdida de carga adicional al sistema.
· Presiones máximas: cuando por las características propias del uso o de la geografía del sistema, sea propenso a este tipo de sobrepresiones, es recomendable seleccionar una tubería que soporte ampliamente la presión de operación, sobre todo en las partes más sensibles del sistema.
· Soportes de la cañería. los efectos mínimos de golpes de ariete se vuelven graves por no estar correctamente afirmada la tubería. No sólo por estos movimientos, también por su propio peso y variaciones (ej. Dilataciones) las tuberías deben ser un elemento único, que no descanse” o afecte a otros componentes.
En la operación
| Q según velocidad y Ø | Ø pulg. | 1/2″ | 3/4″ | 1″ | 1 1/4″ | 1 1/2″ | 2″ | 2 1/2″ | 3″ | 4″ | 5″ | 6″ | 8″ | 10″ | 12″ | |
| Ø mm. | 12 | 19 | 25 | 32 | 38 | 50 | 65 | 75 | 100 | 125 | 150 | 200 | 250 | 300 | ||
| sección (m2) | 0,00011 | 0,00028 | 0,00049 | 0,0008 | 0,00113 | 0,00196 | 0,00332 | 0,00442 | 0,00785 | 0,01227 | 0,01767 | 0,03142 | 0,04909 | 0,07069 | ||
| VELOCIDAD | CAUDAL MAXIMO (Q = S . V) según velocidad y sección cañeria | |||||||||||||||
| 1 | m/seg | m3/seg | 0,00011 | 0,00028 | 0,00049 | 0,00080 | 0,00113 | 0,00196 | 0,00332 | 0,00442 | 0,00785 | 0,01227 | 0,01767 | 0,03142 | 0,04909 | 0,07069 |
| m3/h | 0,4 | 1,0 | 1,8 | 2,9 | 4,1 | 7,1 | 12,0 | 15,9 | 28,3 | 44,2 | 63,6 | 113,1 | 176,7 | 254,5 | ||
| l/seg | 0,11 | 0,28 | 0,49 | 0,8 | 1,13 | 1,96 | 3,32 | 4,42 | 7,85 | 12,27 | 17,67 | 31,42 | 49,09 | 70,69 | ||
| 1,5 | m/seg | m3/seg | 0,00017 | 0,00042 | 0,00074 | 0,00120 | 0,00170 | 0,00294 | 0,00498 | 0,00663 | 0,01178 | 0,01841 | 0,02651 | 0,04713 | 0,07364 | 0,10604 |
| m3/h | 0,6 | 1,5 | 2,6 | 4,3 | 6,1 | 10,6 | 17,9 | 23,9 | 42,4 | 66,3 | 95,4 | 169,7 | 265,1 | 381,7 | ||
| l/seg | 0,165 | 0,42 | 0,735 | 1,2 | 1,695 | 2,94 | 4,98 | 6,63 | 11,775 | 18,405 | 26,505 | 47,13 | 73,635 | 106,035 | ||
| 2 | m/seg | m3/seg | 0,00022 | 0,00056 | 0,00098 | 0,00160 | 0,00226 | 0,00392 | 0,00664 | 0,00884 | 0,01570 | 0,02454 | 0,03534 | 0,06284 | 0,09818 | 0,14138 |
| m3/h | 0,8 | 2,0 | 3,5 | 5,8 | 8,1 | 14,1 | 23,9 | 31,8 | 56,5 | 88,3 | 127,2 | 226,2 | 353,4 | 509,0 | ||
| l/seg | 0,22 | 0,56 | 0,98 | 1,6 | 2,26 | 3,92 | 6,64 | 8,84 | 15,7 | 24,54 | 35,34 | 62,84 | 98,18 | 141,38 | ||
| 2,5 | m/seg | m3/seg | 0,00028 | 0,00070 | 0,00123 | 0,00200 | 0,00283 | 0,00490 | 0,00830 | 0,01105 | 0,01963 | 0,03068 | 0,04418 | 0,07855 | 0,12273 | 0,17673 |
| m3/h | 1,0 | 2,5 | 4,4 | 7,2 | 10,2 | 17,6 | 29,9 | 39,8 | 70,7 | 110,4 | 159,0 | 282,8 | 441,8 | 636,2 | ||
| l/seg | 0,275 | 0,7 | 1,225 | 2 | 2,825 | 4,9 | 8,3 | 11,05 | 19,625 | 30,675 | 44,175 | 78,55 | 122,725 | 176,725 | ||
| En consonancia con lo que veníamos señalando, los modos de operación son factores, que, de no ser los adecuados suman altas probabilidades de generar un “choque hidráulico”. | Fig 2 – Tabla Velocidad-Sección-Caudal: Para poder bajar a valores concretos esta tabla nos permite tener noción de qué caudal podemos movilizar en una determinada sección sin superar una determinada velocidad de circulación. Por |
Aquí hay dos aspectos, uno como manipulamos el flujo, principalmente relacionado con los puntos anteriores en referencia a cómo se manipulen las válvulas, los tiempos de cierre y apertura, etc. El otro aspecto es como generamos el flujo, especialmente grandes caudales. Debemos llegar a ese alto caudal gradualmente y no de un modo repentino. Si son varias las bombas que suman sus rendimientos, los arranques deben ser escalonados, para ello simplemente se deben regular los automatismos (automáticos de nivel, presóstatos, etc.) para que arranquen una a una, en cascada.
Ahora cuando es un solo equipo aquí lo aconsejable es la aplicación de un arrancador suave (soft starter) el cual permite regular una rampa de aceleración en el arranque y desaceleración en la detención del motor eléctrico y esto se refleja de igual modo en el incremento y/o disminución del flujo.
Otras soluciones
Para aminorar los efectos del golpe de ariete, podemos aplicar una o varias de las previsiones detalladas o sumar soluciones. La diferencia entre previsión y solución, a veces es solo una cuestión cronológica. Algunas de las previsiones detalladas, de no ser aplicadas con antelación, pueden ser una solución cuando detectamos este fenómeno, una vez que el sistema está en uso. Otras serán solo previsiones ya que luego serán muy difíciles o imposibles de implementar, por ejemplo, cambiar o reemplazar todo un tendido de cañerías.
Más información
Por ejemplo en una instalación propensa a los golpes de ariete, bajaremos las posibilidades que suceda circulando a 1 m/seg, si su sección es de 3” lo ideal es no superar 15.9 m3/h para asegurar esa velocidad. Esto no es una solución directa, pero si sucede será de una magnitud inferior.
Recalcamos algunas y profundizamos otras. Algunas de las soluciones posibles pueden ser cambios de tipo de válvulas, con cierre lento; reemplazar el tablero de arranque por un arrancador suave.
Otra fácil de implementar es incorporar un tanque hidroneumático, el cual utiliza la compresión de su cámara de aire para amortiguar el pico de presión, absorbiendo esa energía haciendo las veces de un resorte.
Una válvula de alivio o de retorno, son válvulas las cuales se abren y derivan el flujo cuando la presión excede un valor determinado, pudiendo así liberar o reencausar el fluido.
Estas dos soluciones no requieren un gran cambio de la instalación, ni varían el rendimiento ya que se aplican en una derivación de la cañería principal.
Lo importante
Este efecto principalmente originado en la incompresibilidad de los líquidos y en las repentinas aceleraciones y desaceleraciones, puede generar desde ruidos y vibraciones leves a grandes daños materiales. Lo importante es que se puede solucionar, espero que estos comentarios y soluciones les sean de utilidad.
Para profundizar sobre muchos de estos temas expuestos pueden consultar ediciones anteriores de M3h disponibles en nuestra web o saciar dudas en el CONSULTORIO TÉCNICO gratuito enviando un correo electrónico a consultorio@guiadebombas.com.
Autor: Sr. Hernán Levy
Publicado en Versión papel Edición Nº 87 Año 15 – Junio / Julio 2018.
Registro de propiedad intelectual realizado y vigente.
La reproducción parcial o total está penada por ley Nº11.723.
Capacitaciones m3h
Vemos como desde el diseño, la operación, modificaciones del sistema influyen en que este efecto suceda o no. Por ello es vital que todas las personas que intervienen en la implementación y uso de un sistema de bombeo, desde el diseño, compras de materiales e insumos, instalación y uso, tengan el conocimiento de cómo sus decisiones y acciones afectan la funcionalidad y vida útil del sistema y equipos.
Este es un tema central en las capacitaciones que brinda M3h, que, como tantos otros temas técnicos, son desarrollados manteniendo un lenguaje claro y sencillo.
Consulte por grupos cerrados (In Company) capacitacion@guiadebombas.com o al (+54 11 – 4776-0940).
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