Con el objetivo de entregar seguridad, previendo dispositivos de protección necesarios, es muy importante que durante la concepción de una red los golpes de ariete se estudien y enumeren, principalmente en los casos donde las tuberías funcionen a través de bombeo (impulsión).

El estudio del golpe de ariete es importante, ya que en el momento en que la velocidad de un fluido cambia, sucede un violento cambio en la presión. Este fenómeno transitorio generalmente aparece en el momento de una intervención en un aparato de la red, como por ejemplo, bombas, válvulas, etc. Durante esta situación, ondas de sobrepresión se propagan a lo largo de la tubería a una velocidad “a”, llamada celeridad de onda.

Los golpes de ariete pueden ocurrir también en las tuberías por gravedad, siendo sus principales causas la partida y la parada de bombas, el cierre de válvulas, los sistemas contra incendio o el lavado brusco, la presencia de aire y el mal uso de los aparatos de protección.

En casos críticos, las sobrepresiones pueden llevar a la ruptura de ciertas tuberías que no presenten coeficientes de seguridad suficientes, como por ejemplo, tuberías en plástico.  Ya las depresiones pueden originar cavitaciones peligrosas para las tuberías, los aparatos y para las válvulas, como también el colapso (tuberías en acero o plástico).

EVALUACIÓN SIMPLIFICADA

Donde:

a: velocidad de la propagación (m/s)

r: masa específica del agua (1000kg/m³)

e: módulo de elasticidad del agua (2,05 x 10⁹N/m²)

E: módulo de elasticidad del material de la tubería (hierro fundido dúctil: 1,7 x 10¹¹/m²) = 170.000 MPa (ISO 2531/NBR 7675)

D: diámetro interno (m)

e: espesor de la tubería (m)

ΔV: valor absoluto de la variación de las velocidades en régimen permanente antes y después del golpe de ariete (m/s)

ΔH: valor absoluto de la variación de la presión máxima en torno de la presión estática normal (m.c.a.)

L: longitud de la tubería (m)

t: tiempo de cierre efectivo (s)

g: aceleración de la gravedad (9,81m/s²).

En la práctica, la velocidad de la ola de agua en los tubos de hierro dúctil es de 1200m/s. La fórmula 1 lleva en consideración una variación rápida de la velocidad del desagüe:

Ya la fórmula 2 lleva en consideración una variación lineal de la velocidad del desagüe en función del tiempo (como por ejemplo, en función de una ley de cierre de una válvula):

La presión varía de ± ΔH alrededor de la presión estática normal. Este es el valor máximo para el cierre instantáneo de una válvula, por ejemplo.

Estas fórmulas simplificadas dan una evaluación máxima del golpe de ariete y deben usarse con prudencia. Ellas suponen que la tubería no está equipada con un dispositivo de protección y que las pérdidas de carga son insignificantes. Por otro lado, no consideran factores limitantes, como el funcionamiento de las bombas como turbinas o la presión del vapor saturado en la depresión.

Ejemplo:

Tubería DN 200, K9,

Longitud 1000m,

Destacando a 1,5m/s: a = 1200m/s

• Caso n°1: Parada brusca de una bomba (pérdidas insignificantes de carga, ninguna protección anti golpe de ariete):

ΔH = ±  = 183m (o poco más de 18 bar)

• Caso n°2: Cierre brusco de una válvula (tiempo eficaz de tres segundos):

ΔH = ±  = 102m (o sea, poco más de 1 bar)

Para tener una evaluación completa, el método gráfico de BERGERON permite determinar con precisión las presiones y los flujos en función del tiempo y en todos los puntos de una tubería sometida a un golpe de ariete.

Las protecciones necesarias a la tubería para limitar un golpe de ariete a un valor admisible son distintas y adaptables dependiendo del caso. Actúan tanto mitigando el cambio en la velocidad del fluido, como limitando la sobrepresión con relación a la depresión. Para eso, el diseñador debe determinar la amplitud de la sobrepresión y de la depresión creadas por el golpe de ariete y juzgar, a partir del perfil de la tubería, el tipo de protección que se debe adoptar: volante de inercia en la bomba, válvula de alivio, válvula anticipadora de onda, válvula controladora de bomba, chimenea de equilibrio, tanque de alimentación unidireccional (TAU) o tanque hidroneumático (RHO).

IMPORTANTE:

Las tuberías en hierro dúctil tienen una reserva de seguridad significativa tanto en la sobrepresión como en la depresión:

• Sobrepresión: la reserva de seguridad de los tubos permite un aumento de 20% de la presión de servicio admisible para las sobrepresiones transitorias;

• Depresión: la junta garantiza la estanqueidad de la parte externa, aún en caso de vacío parcial en la tubería.

En los casos en que los dispositivos de protección no se prevean, las tuberías en hierro dúctil también presentan una reserva de seguridad suficiente para soportar las sobrepresiones accidentales.