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Cómo se Amortigua el Golpe de Ariete en el Flujo de Fluidos

El golpe de ariete es un fenómeno que se genera por los cambios repentinos en el flujo de fluidos y puede generar problemas de gran envergadura en los procesos que implican líquidos en movimiento.

Cuando el flujo de fluidos es constante, el funcionamiento de los procesos es seguro, eficiente, rentable y los efectos son predecibles. Sin embargo, cuando el flujo de fluidos cambia, se produce una amplia gama de consecuencias que a menudo son difíciles de comprender y predecir.

mitigación del golpe de ariete
El golpe de ariete es un fenómeno que se presenta en el flujo de fluidos.

Los efectos del cambio del flujo de fluidos son comúnmente conocidos como golpe de ariete y por lo general, representan un tema muy serio a escala industrial ya que pueden ocasionar daños en bombas, tuberías, entre otros equipos utilizados en procesos industriales involucrados con el flujo de fluidos.

En este artículo describiremos al golpe de ariete, los efectos que produce y las principales consideraciones para mitigar estos efectos.

Definición de Golpe de Ariete

Definición de golpe de ariete
Aparición del golpe de ariete al cerrar una válvula. Imagen de csidesings

El golpe de ariete es la propagación de ondas de presión que sigue un cambio en el flujo de fluidos y usualmente, se presenta por un cambio repentino en la presión del fluido que fluye. Estos cambios repentinos generalmente se asocian al cierre de algún tipo de válvula.

En otras palabras, podemos definir al golpe de ariete de la siguiente manera:

Es un fenómeno de naturaleza hidráulica que se presenta debido a las variaciones de velocidad del fluido que es transportado, siendo la propagación de ondas de presión y depresión a lo largo del trayecto del fluido debido al cambio de la energía cinética.

Efectos del golpe de ariete

golpe de ariete daños en tuberias
Daños ocasionados por golpe de ariete. Imagen de giw

Los sistemas líquidos en estado estacionario tienen grandes cantidades de impulso. En una situación en la cual el impulso del líquido que fluye se detiene repentinamente, la energía cinética de avance se transforma en energía potencial en forma de presión. Controlar este aumento de presión es una preocupación grande en los procesos industriales.

Cuando el líquido que fluye se detiene a lo largo de la tubería, las ondas de presión que se producen se propagan rápidamente dentro de la tubería, produciéndose una línea lógica de consecuencias:

  1. El flujo en movimiento se detiene
  2. Se produce un aumento de la presión del fluido
  3. Las ondas de presión se propagan

La propagación de estas ondas de presión son muy peligrosas, ya que pueden dañar bombas, componentes de la tubería y la tubería misma. Entre otros efectos que se presentan con el golpe de ariete, podemos destacar:

  • Aparición de presiones negativas
  •  Separación de la columna de líquido
  •  Cavitación
  •  Contaminación asociada a presiones negativas

Es por esta razón, que existen normas y códigos que ayudan a los ingenieros a realizar diseños mucho más seguros evitando el golpe de ariete.

Consideraciones para minimizar el golpe de ariete

A continuación, describiremos las principales consideraciones a tomar en cuenta para mitigar los efectos del golpe de ariete:

Consideraciones para alta presión provocada por golpe de ariete

golpe de ariete alta presion en tuberias
Cambio de presión en una tubería causado por golpe de ariete.

La norma ASME B31.4 establece que debe existir un equipo de protección que garantice que cualquier aumento de presión no exceda el 10% de la presión interna de diseño en estado estacionario, siendo esta la base principal para un diseño de sistema eficiente. La tarea del ingeniero químico o ingeniero de procesos consistirá en analizar las situaciones y los lugares del proceso en donde el flujo puede cambiar, por ejemplo: Bombas y válvulas. Luego, debe asegurarse que el equipo de mitigación esté adecuadamente dimensionado para posibles escenarios de cambio de flujo del fluido.

Si en los cálculos asociados al cambio de flujo de fluido se asume que las válvulas tienen un cierre instantáneo, los resultados podrán dar un aumento de presión previsiblemente conservador y los ingenieros podrán entonces diseñar equipos de protección, como vejigas o válvulas de alivio para poder controlar el aumento de presión y cumplir con los requerimientos del código de diseño.

La fórmula estándar para calcular el aumento máximo de la presión es la ecuación de Joukowsky:

fórmula de presión

Donde:

  • ΔP: Cambio instantáneo de presión
  •  ρ: Densidad del fluido
  •  Δv: Cambio instantáneo de la velocidad

Esta ecuación es válida, siempre que se entiendan bien las implicaciones y las suposiciones descritas en la norma.

Consideraciones para baja presión provocada por golpe de ariete

golpe de ariete tuberias industriales
El golpe de ariete también puede provocar ondas de baja presión.

Uno de los efectos principales e imprevistos del golpe de ariete es la baja presión que puede generar, ya que no es fácil de predecir.

Actualmente, no existe ningún código específico para mitigar bajas presiones, de modo, que no existe mucha orientación al respecto.

Existen muchos sucesos diferentes que pueden causar ondas de baja presión, como por ejemplo, la parada de una bomba. Al apagarse la bomba, deja de suministrar presión al fluido, pero este sigue avanzando. Esta situación deja una zona de baja presión que eventualmente alcanzará al resto de la línea a medida que alcanza el equilibrio mecánico.

Una onda de baja presión siempre seguirá a una onda de alta presión. La gravedad de la onda de baja presión depende de la amortiguación por fricción y de los esfuerzos de mitigación.

Otra preocupación por la baja presión en el golpe de ariete es la zona inmediatamente posterior a una válvula cerrada, ya que no existe transferencia de impulso al fluido, pero este sigue avanzando hasta que el sistema llega nuevamente al equilibrio. Esto crea una zona de baja presión que perturba el equilibrio de presión del sistema.

Sea cual sea el caso, las ondas de baja presión por lo general, no son tomadas en cuenta en un análisis transitorio y aunque suele pensarse que sus efectos no son tan malos como los de las ondas de alta presión, deben ser consideradas para análisis.

Formación de vapor por golpe de ariete

formación de vapor diagramas
Formación de vapor por golpe de ariete.

Si la aparición de ondas negativas hace que la presión de la línea sea menor a la presión de vapor del fluido, aparecerán bolsas de vapor de corta duración en el fluido.

Cuando las bolsas son suficientemente grandes para formar una frontera clara entre el líquido aguas arriba y aguas abajo de la línea, se presenta una separación de columna de líquido.

La aparición de estas bolsas de vapor puede generar consecuencias peores, que las de las ondas de alta presión, ya que las tuberías tienden a resistir mejor la alta presión interna que la baja presión interna.

Las bolsas de vapor tienden a generar presiones de vacío dentro de la tubería que son realmente agotadoras para la estructura de la tubería. La diferencia de presión de estas condiciones de vacío puede generar rotura de las tuberías.

Incluso, si la tubería no colapsa, la bolsa de vapor lo hará, creando la irrupción de otra ola de alta presión, siendo este un efecto similar al de la cavitación. La gran presión derivada del colapso de las bolsas de vapor no se predice en los cálculos convencionales.

La principal preocupación en condiciones de vacío son las uniones de las tuberías, ya que los sellos y las juntas son zonas por donde pueden pasar contaminantes si existiera una condición de vacío dentro de la tubería.

Mitigación de eventos transitorios creados por el golpe de ariete

A partir de un sólo evento transitorio puede surgir una amplia gama de eventos perjudiciales para los procesos industriales, es por ello, que mitigar los efectos de golpe de ariete es fundamental para la ingeniería química o la ingeniería de procesos.

El ingeniero deberá diseñar medidas para disminuir los efectos del golpe de ariete y mantener el cumplimiento del código ASME.

Prevenir evento iniciador del golpe de ariete

equipos para disminuir efectos de golpe de ariete
Equipos para prevenir el golpe de ariete en tuberías

La forma más común de amortiguar o mitigar el golpe de ariete, es prevenir el evento transitorio (evento iniciador) de ser posible. Una forma de hacerlo es cerrar las válvulas durante un período de tiempo más largo.

Si el cambio en el flujo del fluido se extiende en un tiempo más largo, la onda de presión resultante es menos extrema. Mientras más largo sea el intervalo de tiempo para el cambio de velocidad del fluido, menor será la magnitud de la aceleración y menores las fuerzas y las presiones resultantes.

La sugerencia para el cierre de la válvula se basa principalmente en cómo cambia el Cv (coeficiente de flujo) con la posición de la válvula, y luego, cómo cambia esa posición con el tiempo.

Si el Cv cambia drásticamente cerca del final del cierre de la válvula, es importante cerrarla lentamente durante ese período. Puede aplicarse la regla “80/20”. Tomar el 20% del tiempo total de cierre de la válvula para cerrar el primer 80% de la válvula y luego tomar el tiempo restante para cerrar el 20% final de la válvula.

Si el cambio de posición de una válvula afecta significativamente el caudal del sistema, la válvula debe cerrarse muy lentamente durante todo el cierre, porque cada cambio es significativo. Entender las válvulas y su interacción con el sistema es importante.

Equipos de supresión de oleaje

supresor de golpe de ariete
Vista transversal de un supresor de oleaje.

No solamente un cierre inadecuado de válvulas puede generar golpe de ariete, también las fallas eléctricas (paro de bombas), cierres de válvulas súbitos y no programados, pueden generar el golpe de ariete. En estos casos, se requiere de un equipo en línea para mitigar sus efectos. Para ello, se suelen utilizar válvulas de alivio o discos de ruptura, ya que ayudan a disminuir la presión de línea, amortiguando la carga.

Estos dispositivos se abren cuando la presión es elevada, aliviando los efectos en otras partes del proceso. Lamentablemente, no son soluciones completas ya que están dimensionadas para determinadas situaciones de presión que no siempre son fáciles de predecir.

Las válvulas de rompimiento de vacío son otra estrategia de mitigación a tomar en cuenta, estas son útiles para situaciones de baja presión. Estas válvulas rompen el vacío que puede acompañar a las ondas de baja presión, permitiendo la entrada de aire en el sistema para aliviar la baja presión.

Asimismo, dichas válvulas suelen tener una vía de escape para cuando la presión rebota, poseen varias etapas y es muy importante controlar la velocidad de salida de las válvulas para evitar sobrecargas.

Otra opción para mitigar efectos de golpe de ariete en línea son los recipientes de sobre tensión, los cuales, alivian tanto presiones altas como bajas. Actúan como válvulas de alivio y de vacío, pero son mucho más versátiles.

Análisis de software de golpe de ariete

software de prediccion
Software para predecir efectos de golpe de ariete. Imagen de bentley

Predecir la colocación de componentes para mitigar el golpe de ariete y diseñar elementos de mitigación es una tarea difícil.

La colocación incorrecta puede empeorar la situación. Tradicionalmente, se colocaban válvulas de alivio y recipientes de sobre tensión para evitar el golpe de ariete, muchas veces, sin un análisis completo de la situación. Para mejorar esta situación que se presenta con regularidad, suelen utilizarse software de análisis de golpe de ariete.

El uso de estos software permite predecir de manera eficaz y rápida donde ocurrirá la incidencia y evitar el golpe de ariete, controlando selectivamente la presión de línea y mitigando los efectos del golpe de ariete. Para ello, realizan un análisis simulado del comportamiento del fluido en diversas condiciones, para poder evaluar eficientemente los métodos de supresión de oleaje.

El análisis de golpe de ariete no siempre forma parte del proceso de diseño de una planta industrial. Por lo general, su análisis comienza cuando se está frente al peor escenario posible.

Es por esta razón, que el análisis de golpe de ariete debe incluirse en el diseño estándar de la planta industrial para considerar todas las complejas consecuencias que puede generar el cambio de caudal en una planta industrial.

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