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.
Volando bajo
El Golpe de Ariete es un efecto consecuente de las variaciones de velocidad que sufre el movimiento de un líquido. Cuanto más fino hilemos en el estudio del mismo, puede tornarse probablemente más complejo y no para todos entendible. Por ello el planteo de la nota no busca llegar a la comprensión o explicación de las variables matemáticas que intervienen. Sino comprender básicamente de qué se trata y poder brindar herramientas concretas para poder comprender, prever y solucionar.
¿Qué es?
“Golpe de Ariete”, “Choque hidráulico”, “Waterhammer” (martillo de agua) o “pulso de Joukowsky”, llamado así por el ingeniero ruso Nikolái Joukovsky, son los diferentes nombres con los que se denomina a las abruptas diferencias de presión que se suceden en una línea donde se traslada un fluido.
Los arranques o paradas de las bombas, apertura o cierre de válvulas son algunas de las razones para que esto suceda y a veces puede llegar a desarrollar una gran fuerza destructiva.
¿Por qué se produce?
Hay dos factores esenciales, el agua es un fluido incompresible (o casi), es decir que en el traslado el fluido no sufre variaciones de densidad (como puede suceder en gases). Esto hace que estemos movilizando una masa constante y sobre todo contundente.
El segundo factor son las variaciones de velocidad, la aceleración y desaceleración del flujo y por sobre todo cuando éstas se producen en un muy corto lapso de tiempo.
Martillo de agua
Para poder comprender es importante centrarnos en dos nociones básicas: qué movilizamos y cómo. Qué movilizamos Decíamos que los fluidos en fase líquida, el agua (el fluido más bombeado) como ejemplo más claro, tienen la particularidad de trasladarse sin sufrir variaciones en su densidad, básicamente no se comprimen. Esto hace que lo que movamos sea un líquido con una masa constante.
Para poder tener una noción bien clara en la Tabla 1, veremos el volumen de líquido contenido por cada metro lineal de cañería.
Tabla 1 Volumen de líquido que contiene cada metro lineal de cañería, tomando el valor de Ø como interno.
| Ø pulg. | 1/2″ | 3/4″ | 1″ | 1
1/4″ |
1
1/2″ |
2″ | 2
1/2″ |
| Volumen por metro
(litros) |
0,11 | 0,28 | 0,49 | 0,80 | 1,13 | 1,96 | 3,32 |
| Ø pulg. | 3″ | 4″ | 5″ | 6″ | 8″ | 10″ | 12″ |
| Volumen por metro
(litros) |
4,42 | 7,85 | 12,27 | 17,67 | 31,42 | 49,09 | 70,69 |
Por ejemplo, dentro de cada metro lineal de cañería de Ø3” hay casi 4,50 litros de agua cuya densidad es de 1 kg/litro, eso implica que dentro de cada metro de cañería de Ø 3” se moviliza una masa de casi 4.5 kg (para los que prefieren ser exactos 4.41 kg, agua limpia a 20ºC).
Obviamente aquí hacemos foco en un metro lineal de cañería, en cualquier sistema tenemos decenas y hasta cientos de metros de líquido en movimiento. Es muy común, y práctica, la comparación entre el flujo de líquido y un tren, este metro de caño es un vagón más de un largo tren.
Cómo lo movilizamos Este “tren” se moviliza a una velocidad. Lo ideal es que, en el trayecto de impulsión, es decir aguas arriba de la bomba, esa velocidad de circulación no supere los 3 m/seg (para agua limpia), que son aproximadamente 10 km/h (Tabla 2).
| m/s eg | 1,8 | 2,8 | 3 | 3,5 | 4 | 5 | 7 |
| km/ h | 6,4 8 | 10, 1 | 10, 8 | 12, 6 | 14, 4 | 18 | 25, 2 |
Tabla 2 Equivalencias entre metros por segundo y kilómetros por hora, unidad de uso cotidiano que nos facilita comprender este fenómeno.
Recordemos que la velocidad de circulación está relacionada con el caudal (litros/hora) y la sección (diámetro interno) de la cañería. Por ello ante variaciones debemos tener presente que: · A caudal constante, cañería más pequeña implica mayor velocidad.
· A diámetro constante mayor caudal implica mayor velocidad.
Teniendo en mente los valores de las Tablas 1 y 2 podemos visualizar claramente qué movilizamos y cómo. De manera de comprender básicamente con nociones concretas y cotidianas como se produce este fenómeno pensándolo como un martillo de agua, traducción literal del nombre que se utiliza en idioma inglés o alemán, para hacer referencia a este fenómeno como “waterhammer” o “wasserhammer” respectivamente. Para bajarlo a un ejemplo claro pensemos que sucede ante una detención repentina del flujo.
Parada abrupta si en esa tubería Ø 3” con agua circulando a 3 m/seg, hay instalada una válvula esférica, que, en solo un cuarto de giro, se cierra de 0 al 100% en menos de medio segundo. Lo que sucederá es que esa válvula recibirá un golpe de una masa de 4.4 kg (por cada metro de cañería) a una velocidad de 10 km/h.
Así toda la energía del fluido en movimiento se concentra en un punto concreto del sistema, generando un pico de presión muy alto, el cual provoca mínimamente ruido y vibraciones considerables. Cuando la magnitud es alta o sucede en repetidas ocasiones, es cuando en el punto más débil del sistema hay un daño concreto. Habitualmente las averías más comunes son: que se corte un caño en la rosca; que se descuelle un manómetro; se suelte un soporte de la cañería; rotura de una junta; etc.
También hay otros efectos colaterales como la abrupta baja de presión aguas arriba de la válvula o en otros puntos del sistema, dependiendo las condiciones operativas y diseño de cañerías, lo que puede también sumar otros problemas.
Mala onda
Luego de una parada abrupta del flujo, lo que sucede es que toda esa energía retrocede, en forma de una onda, similar a una onda sonora. Del mismo modo que cuando una botella medio llena, la hacemos oscilar levemente hacia un lado y otro en posición horizontal, veremos que el fluido llega a una punta y tenemos una “ola” que vuelve en sentido contrario. Lo mismo sucede dentro de las cañerías. Siendo esta onda la que produzca daños a veces lejos de donde se produce el primer pico de presión.
Arranque abrupto la detención repentina del flujo no es la única causa, también puede suceder que, con toda la tubería llena, el ingreso de un gran caudal originado por el arranque de una bomba, o varias en el mismo momento, origine que el flujo circule a gran velocidad. Atravesando todo el sistema, esta onda irá avanzando y generando un pico de presión en movimiento, el cual hará impacto en el punto del sistema que lo confronte o no lo encause correctamente, podrá llegar a generar graves daños siempre acorde a la robustez estructural y a los cambios de dirección del flujo.
En concreto
Hay dos condiciones indispensables para que se produzca el golpe de ariete:
- Movilizar un líquido
- Acelerar o desacelerar repentinamente la velocidad de circulación.
Pero a éstos se le sumaran diferentes agravantes, que podemos agrupar en dos conjuntos, los referidos al diseño y a la operación.
Diseño y selección de componentes. un factor que será determinante y básicamente sea un escenario ideal (o no) para que se produzca el golpe de ariete es el diseño del tendido de tuberías. Primeramente, tener en cuenta que el dimensionamiento del diámetro de las cañerías influye en las pérdidas de carga, pero también en la velocidad de circulación sobre la cual debemos centrarnos. Cañerías angostas implican mayor velocidad de circulación, subiendo las posibilidades de que suceda esta falla.
Todos elementos que se utilizan para conducir, derivar y desviar el flujo, principalmente las válvulas, son los que más allá que para su función primaria, deben ser pensados en cómo afectan al flujo en ese sistema y en cada condición operativa, es decir no afectarán del mismo modo en un sistema que pueda tener una bomba funcionando (bajo caudal-baja velocidad) que varias bombas en simultaneo (alto caudal-alta velocidad).
Otro punto importante es en cuanto a los cambios de dirección que sufra el flujo, si estos son en ángulos muy cerrados facilitará se produzca el golpe de ariete. Por ejemplo volviendo a la comparación del flujo de líquido con un tren, observaremos que nunca las vías del tren doblan en un ángulo de 90º, el tren descarrilaría. El ángulo de giro será menor a medida que la velocidad se incremente. Más velocidad menor ángulo de giro. En concreto, los cambios de dirección del flujo deben ser graduales, curvas muy abiertas, sobre todo cuando la velocidad de circulación es alta.
Los materiales de las cañerías, también influyen y pueden mitigar o acentuar en parte este choque hidráulico. Por ejemplo, cuando esta onda se traslada en mangueras o tuberías plásticas, las mismas pueden absorber gran parte de la energía en el traslado, haciendo que los efectos sean mínimos o nulos. Ahora cuando las cañerías son rígidas toda esa energía se traslada sin variaciones facilitando que se produzca en algún punto un alto pico de presión. De esto también se desprende la importancia de los soportes de las cañerías, que puedan absorber y soportar estos sacudones. El diseño del sistema y los elementos con que actuaremos sobre él, deben ser seleccionados teniendo en cuenta la geografía del lugar, pero por sobre todo haciendo foco en la velocidad vs. redireccionamiento del flujo y en cómo se utilizará el sistema de manera de facilitar y condicionar la correcta operación. Siempre será de suma utilidad y beneficio analizar detalladamente cómo se utilizará el sistema, cual es la proyección a futuro, estudiar quienes y cómo lo operarían. Todo esto redundará en el correcto dimensionamiento y selección de materiales.
Operación. Un sistema puede estar bien diseñado y sus componentes bien seleccionados, pero existe un segundo factor que son los modos de operación. Por ejemplo, si la válvula es correcta, pero su operación no es la adecuada, tal como veíamos en la primera situación que analizamos donde nos enfocamos en cómo se cierra una válvula esférica de Ø3”.
También es importante cómo arranque el equipo de bombeo, los arranques de las electrobombas se piensan y dimensionan en base al manejo y control de pico de consumo eléctrico. Pero también debemos tener en cuenta de que cuando arranca el motor eléctrico acciona a la bomba y ésta puede producir un pico de presión en el sistema hidráulico. Dentro de las cañerías serán diferentes los comportamientos del fluido si la bomba arranca a máxima velocidad (arranque directo) o tiene una rampa gradual de aceleración (por ej. arrancador suave). Del mismo modo cuando hay varias bombas arrancando o deteniéndose en simultaneo.
Vemos entonces que desde la operación son varios los factores que influyen y puedan hacer que el flujo sufra una aceleración o desaceleración repentina.
¿Cuándo prever el golpe de ariete?
La recomendación básica es siempre, pero especialmente:
- Si la velocidad de circulación será alta, por sobre los 2.5 m/seg. (1.5 m/seg en grandes caudales)
- Si quienes operan el sistema necesitan maniobrar con rápidez.
- Si la altura de elevación es mucha (edificio de más de 10-15 pisos)
- Si el desarrollo de la tubería suma altura y largos tendidos, lo que al detenerse la bomba le permite al fluido retroceder y allí desarrollar velocidad.
- Cuando los caudales son muy altos.
- Si el sistema de bombeo tiene un diseño con giros cerrados.
Especialmente en grandes sistemas de bombeo, donde los costos y consecuencias son muy elevados se utiliza software para la modelación hidráulica y el estudio matemático del comportamiento del sistema en diferentes situaciones.
Autor: Sr. Hernán Levy
Publicado en Versión papel Edición Nº 86 Año 15 – Abril / Mayo 2018.
Registro de propiedad intelectual realizado y vigente.
La reproducción parcial o total está penada por ley Nº11.723.
Próxima edición
En la próxima entrega analizaremos las diferentes soluciones y previsiones que disponemos para que el golpe de ariete sea atenuado o nulo.
Más información
Para profundizar sobre muchos de estos temas expuestos pueden consultar ediciones anteriores de M3h disponibles en nuestra web. Saciar dudas en el CONSULTORIO TÉCNICO gratuito enviando un correo electrónico a consultorio@guiadebombas.com .
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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