See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/262043773
El Fenómeno del Golpe de Ariete: Causas, Efectos y Prevención
Data · May 2014
CITATIONS
READS
0
25,001
1 author:
Angel Piñero
University of Puerto Rico at Mayagüez
4 PUBLICATIONS 0 CITATIONS
SEE PROFILE
All content following this page was uploaded by Angel Piñero on 05 May 2014.
The user has requested enhancement of the downloaded file.
Universidad de Puerto Rico
Recinto de Mayagüez
Departamento de Ingeniería Civil y Agrimensura
El Fenómeno del Golpe de Ariete: Causas, Efectos y Prevención
Presentado a: Prof. Hiram González
Sometido por:
---------------------------Ángel Piñero Lugo
INCI 4019
# Est. – 802-08-6204
9/abril/2014
1
Tabla de Contenidos
1
Introducción………………………………………………………3
1.1
Problema Mayor…………………………………………...3
1.2
Problema Específico……………………………………….3
2
Objetivos…………………………………………………………..3
3.
Resultados del Estudio…………………………………………….4
3.1
Definición………………………………………………….4-5
3.2
Teoría……………………………………………………....5-9
3.3
Resultados………………………………………………….9-15
4.
Conclusiones……………………………………………………….15-16
5.
Recomendaciones…………………………………………………..16
6.
Referencias………………………………………………………….16-17
7.
Apendice 1…………………………………………………………..17-19
8.
Apendice 2…………………………………………………………..19-20
2
1.
Introducción
1.1
Problema Mayor
En varias ocasiones el fenómeno del golpe de ariete ha causado daños costosos a tuberías,
turbinas, bombas y en general a la infraestructura del sistema. Esto a su vez provoca una
cesación de las operaciones del sistema lo cual lleva a un paro temporal en los servicios a la
sociedad tales como el suplido de agua. El golpe de ariete no solo a causa daños a la
infraestructura del sistema, si no que en ciertas ocasiones a causa de accidentes se han perdido
vidas.
1.2
Problema Específico
El efecto del golpe de ariete causa daños como una reacción en cadena, es decir que
puede causar daños a componentes de la estructura que no están necesariamente en contacto con
el sistema de tubería. Es importante entender bien este fenómeno para así evitar costos extensos
en reparaciones, paros a las operaciones y fatalidades humanas. Se desea indicar métodos y
criterios de diseño para prevenir el efecto del golpe de ariete que sean económicas, durables y
seguras para la sociedad. Esto es importante para la sociedad ya que prevendría gastos
innecesarios si se emplean las practicas correctas y a su vez crea un ambiente más seguro en el
trabajo y para el público en general.
2.
Objetivos
2.1
Definir e ilustrar en detalle el efecto del golpe de ariete.
2.2
Describir brevemente la teoría utilizada para analizar el golpe de ariete.
2.3
Identificar causas comunes que provocan el efecto del golpe de ariete en tuberías.
2.4
Demonstrar y explicar los efectos producidos por el golpe de ariete en tuberías y
estructuras utilizando ejemplos de la vida real.
2.5
Presentar casos de accidentes catastróficos a causa del golpe de ariete.
2.6
Indicar posibles medidas de prevención para este efecto, tales como materiales
preferidos para tuberías, válvulas especiales, y posibles métodos de anclaje de tuberías
para mayor resistencia.
3
3.
Resultados del Estudio
3.1
Definición del Golpe de Ariete
El Golpe de Ariete se define como un cambio en la velocidad del fluido la cual produce
sobrepresiones o sub-presiones. Estas presiones se propagan en forma de una onda la cual viaja a
velocidades mayores a la velocidad del sonido a través del fluido. Las presiones generadas son
de una magnitud equivalente a varias veces la presión estática en la línea.
Figura 1. Propagación de ondas del Golpe de Ariete
Una explicación más en detalle se depicta en la figura 1. En el momento que la válvula
cierra se produce un alza en presión a causa del cambio en velocidad del fluido, esta alza en
presión provoca una compresión ligera del fluido y a su vez una expansión de la tubería. Este
efecto se propaga a través de la tubería desde la válvula hasta el tanque como se ve en la figura
1(a). Esta onda se propaga hasta el tanque, en el momento que llega al tanque la presión en la
tubería es mucho mayor que la presión en el tanque entonces esta condición no se puede
mantener hidráulicamente y el sistema busca balancearse. Este desbalance se debe a la diferencia
en energía entre el tanque y la tubería, esto a su vez provoca un movimiento de fluido de la
tubería hacia el tanque para balancear las presiones. Esto se propaga en forma de una onda hacia
la válvula reduciendo las sobrepresiones en la tubería, figura 1(b).
4
Al momento que la onda llega a la válvula la inercia generada por la columna de agua
moviéndose hacia el tanque no tiene de donde seguir sacando fluido ya que está cerrada la
válvula, entonces este movimiento súbito de fluido hacia el tanque crea detrás de sí una onda de
subpresiones en la tubería causando una contracción a lo largo de la tubería en dirección hacia el
tanque, figura 1(c). Una vez esta onda llegue al tanque el desbalance de presiones vuelve a
suceder entre el tanque y la tubería pero esta vez en un sentido opuesto ya que la presión en el
tanque sería la mayor que en la tubería. El sistema trata de balancearse nuevamente enviando
agua hacia la tubería para compensar las subpresiones, figura 1(d).
Si ignoráramos la fricción en la tubería este ciclo se repetiría indefinidamente. Debido a
la fricción y la elasticidad de la tubería estos ciclos de sobrepresiones y subpresiones se disipan a
través de la tubería hasta que el sistema se normaliza hidráulicamente. La mitad de un ciclo se
define como T=2L/a , “L” siendo el largo de la tubería y “a” la velocidad de propagación de la
onda. Para un tiempo de cierre mayor que la mitad de un ciclo se considera una maniobra lenta, y
para cierres con un tiempo menor al de la mitad de un ciclo se define como una maniobra rápida.
3.2
Teoría
3.2.1 Modelos Analíticos Existentes
Existen varias teorías para analizar las presiones generadas por el golpe de ariete en una
tubería. La diferencia entre las teorías existentes se basa principalmente en que aplican a
distintos tipos de situaciones o hacen asunciones específicas. En general existen dos teorías para
analizar este efecto, la teoría de columna rígida para casos de cierres lentos y la teoría elástica
para casos de cierres rápidos. Por ultimo existe en el caso de un cierre o apertura instantánea hay
una manera de calcular los cambios en presión generados por medio de la ecuación de Jukowski.
3.2.2 Teoría de Columna Rígida
La teoría de columna rígida aplica cuando los cambios en velocidad en la tubería son lo
suficientemente lentos para que la onda tenga tiempo para propagarse en el sistema muchas
veces durante el periodo de cambio. Para esta teoría existen tres ecuaciones con diferentes
consideraciones entre sí.
La primera de las ecuaciones de la teoría rígida es la de Michaud-Vensano (3.1). Esta
ecuación asume que es para maniobras lentas donde el tiempo de cierre de la válvula es mayor al
tiempo donde se puede producir la sobrepresión o supresión máxima en el sistema. Además
considera que la velocidad depende del tiempo de forma lineal. Usos prácticos de esta ecuación
son para determinar el tiempo de cierre requerido para que las presiones generadas no excedan
un límite establecido. Esta ecuación generalmente predice valores mayores a los que se obtienen
experimentalmente esto lo hace seguro para utilizar en instalaciones pequeñas. No se debe
utilizar en proyectos de gran magnitud. Las otras dos ecuaciones de la teoría de columna rígida
5
que podrían ser utilizadas para predecir presiones generadas más cercanas a los valores
experimentales son las de De Sparre (3.2) y Johnson et al (3.3).
(3.1)
Donde:
ΔH =cambio en la carga de presión debido al golpe de ariete
a = celeridad o velocidad de propagación de la onda
V = velocidad promedio en la tubería
T = tiempo de fase (2L/a)
t = tiempo de cierre
[
[
]
√
(3.2)
]
(
)
Donde:
ΔH =cambio en la carga de presión debido al golpe de ariete
a = celeridad o velocidad de propagación de la onda
V = velocidad promedio en la tubería
T = tiempo de fase (2L/a)
t = tiempo de cierre
H= carga de presión antes de la maniobra
6
3.2.3 Teoría Elástica
Este método es utilizado cuando la velocidad en el sistema cambia rápidamente y las
propiedades elásticas de la tubería y el fluido son importantes. Esta teoría asume dos
condiciones, primero que el área de cierre decrece linealmente con el tiempo y segundo que la
velocidad en el orificio de la válvula a cualquier tiempo es proporcional a la raíz cuadrada de la
suma de las cargas de presión en estado permanente más las presiones generadas por el golpe de
ariete. Para esta teoría existe el método de Allievi. Este método funciona solo para válvulas ya
que en las bombas y turbinas las relaciones de velocidad con el cierre no son lineales y dependen
de la curva de funcionamiento de la maquinaria. Este método provee un estimado rápido y
bastante preciso de las presiones generadas por el golpe de ariete ahorrando tiempo ya que es un
método rápido de computar. Se utilizan las ecuaciones 3.4 y 3.5 para calcular los parámetros
utilizados en la gráfica de Alievi (Figura 2.). Con los parámetros calculados se procede a buscar
un
en la gráfica y el cual luego se sustituye en la ecuación 3.6 para despejar por ΔH que sería
la única desconocida y la variable que representa los cambios en presión producidos por un golpe
de ariete. A continuación se presentan las ecuaciones utilizadas en el método de Allievi.
(3.4)
(
)
(3.6)
Donde:
ΔH = cambio en la carga de presión debido al golpe de ariete
a = celeridad o velocidad de propagación de la onda
V = velocidad promedio en la tubería
t = tiempo de cierre
H= carga de presión antes de la maniobra
, ϴ,
= factores utilizados en las gráficas de Allievi para determinar ΔH
En la gráfica se puede observar el eje vertical definido por el factor ϴ y el eje horizontal
está definido por el factor
Del origen de la gráfica emergen unas líneas diagonales que
representan los diferentes valores de
. Si el punto determinado no cae sobre una de las líneas
7
se puede hacer una interpolación grafica entre líneas para obtener un valor más preciso. En el
Apéndice 1 se pueden observar más gráficas para distintas situaciones
Figura 2. Grafica de Allievi para determinar
3.2.4 Ecuación de Jukowski
La ecuación de Jukowski (3.7) se utiliza para estimar la magnitud de un posible cambio
en carga de presión hidráulica en una tubería rígida debido a un cierre instantáneo. Debido a que
esta ecuación presume estas condiciones los resultados obtenidos comúnmente son de gran
magnitud en comparación a las otras ecuaciones y métodos utilizados mencionados previamente
en las secciones 3.2.2 y 3.2.3. A continuación se muestra la ecuación (3.8) y como se determina
la velocidad de la onda “a” para esta ecuación ya que es diferente a la otra teoría mencionada.
(3.7)
√
[
( ) ]
(3.8)
Donde:
= cambio en presión generado por el golpe de ariete
a = velocidad de la onda a través del fluido
8
K = Modulo de elasticidad volumétrica del agua (2.19 GPa)
ρ= Densidad del agua
E = Modulo de elasticidad de la tubería
φ= Factor que depende de las condiciones de anclaje
Al momento de realizar estos cálculos el valor del factor de anclaje φ depende del tipo de
anclaje, para tuberías rígidas el valor es igual a 0. En el caso de tuberías elásticas con paredes
finas φ es equivalente de D/e. Donde “D” es el diámetro de la tubería y “e” es el espesor de las
paredes de la tubería.
3.3
Resultados
3.3.1 Causas
El golpe de ariete es causado por cierres o aperturas de válvulas en sistemas de tuberías.
El arranque o parada de una bomba en la línea puede causar presiones de ariete debido a la
inercia generada por el agua. Por último el arranque o parada de las operaciones de una turbina si
no se regula bien el flujo podría causar accidentes.
3.3.2 Efectos
El golpe de ariete produce daños y rompimiento de tuberías a causa de las presiones
generadas. Las tuberías son sometidas a una contracción y expansión continua debido a que la
onda viaja varias veces dentro de la tubería. Estas expansiones y contracciones son disipadas de
acuerdo a la capacidad elástica de la tubería. Además causa daños a mecanismos de control como
válvulas, turbinas, bombas, etc.
Puede generar daños fuera del sistema de tubería como por ejemplo si se inunda un cuarto
de turbinas por un rompimiento todo el equipo eléctrico se vería afectado y hasta el personal de
operaciones podrían perder la vida. A continuación se presentan imágenes demostrando varios de
estos casos mencionados. La figura 3 muestra una turbina que fue destruida a causa de un golpe
de ariete en una planta hidroeléctrica. La figura 4 muestra una tubería que estallo hacia afuera en
la junta a causa de sobrepresiones generadas por un golpe de ariete. En la figura 5 se puede
observar como una válvula de hierro fundido se fracturo totalmente debido a un cierre muy
rápido. Finalmente en la figura 6 se muestra una tubería de acero que fue comprimida a causa de
subpresiones generadas en la tubería.
9
Figura 3. Turbina destruida por golpe de ariete
Figura 4. Tubería rota a causa de las presiones del golpe de ariete
10
Figura 5. Válvula de hierro fundido rota a causa del golpe de ariete
Figura 6. Tubería de acero comprimida por sub-presiones de golpe de ariete
3.3.3 Ejemplos de Accidentes Catastróficos a cause del Golpe de Ariete
3.3.3.4 Planta hidroeléctrica de Sayano-Shushenskaya, Rusia
Esta planta hidroeléctrica es la más grande de Rusia tiene una caída hidráulica de 245
metros y una represa de un kilómetro de ancho. La planta tiene 10 turbinas que producen 650
11
Mega watts cada una y funcionan con un flujo de 359 metros cúbicos por segundo cada una. En
agosto del 2009 ocurrió un accidente provocado por un golpe de ariete en una de las turbinas.
Ocurrió un cierre rápido el cual causo sobrepresiones que ocasionaron que una de las
turbinas explotara y saliera de su base. Se cree que este cierre rápido se debía a un tronco que
estaba en la tubería y al llegar a una de las turbinas la tapo causando el accidente. Esto a su vez
causo que se inundara el cuarto de las turbinas ocasionando que los sistemas eléctricos y todas
las otras turbinas fallarán. Todas las turbinas se dañaron a causa de esto, solo una turbina recibió
daños menores a las demás ya que estaba desconectada del sistema porque le estaban dando
mantenimiento.
En el accidente murieron 75 personas, la planta fue completamente destruida y ocurrió
una descarga de aceite hacia el río Yenisei, ocasionando un desastre ambiental de gran magnitud.
La reparación total de la planta se estima en más de trescientos millones de dólares. En la figura
7 se muestra una imagen de la planta hidroeléctrica como lucia antes del accidente. Luego del
accidente la planta quedo totalmente destruida como se puede observar en la figura 8 donde se ve
una turbina que al estallar y salir disparada de su base rompió la losa y a su vez la gran parte de
los alrededores.
Figura 7. Planta de Sayano-Shushenskaya antes del accidente
12
Figura 8. Planta de Sayano-Shushenskaya después del accidente
3.3.3.5
Superacueducto de Puerto Rico
Los días 11 y 12 de setiembre de 1999, ocurrieron dos roturas en las tuberías de 1.83
metros de hormigón pretensado que forma la conducción del Superacueducto de la Costa Norte
de Puerto Rico. Éste es el proyecto más grande de tratamiento, conducción y distribución
hidráulica que se haya construido en Puerto Rico. Este accidente ocurrió antes de la inauguración
del proyecto. La primera rotura ocurrió en manatí a causa de que las válvulas de diseño eran
vulnerables a sobrepresiones de golpe de ariete que excedían la presión máxima de diseño. Las
tuberías fueron debilitándose con el pasar del tiempo hasta que en dos ocasiones causaron
rupturas en las tuberías. Esto se debe a varios factores.
`
El primero sería que algunas de las tuberías tenían un pretensado menor del especificado
cause de error por parte del manufacturero. Otro factor importante sería que colocaron una
tubería de una clase más baja de lo especificado para una elevación causando alzas en presión de
hasta una máximo de 60% más de lo esperado en el diseño. El operador de las válvulas hizo
muchas pruebas de cierres parciales a tiempos no adecuados para mantener presiones seguras en
la tubería esto ocasiono la fatiga de las tuberías con el pasar del tiempo reduciendo su capacidad
para resistir más esfuerzos. Por ultimo otro elemento que afecta sería la incertidumbre que hay
en los valores de los coeficientes de descarga para cierres con un área menor de 10% de la
tubería en las válvulas. Este último es importante ya que en cierres parciales pueden suceder
sobrepresiones mayores a las calculadas para un cierre total.
13
3.3.4 Medidas de Prevención y Mitigación
Como medidas de prevención se encontró que hay varios factores que pueden tener peso.
Tal como el material de la tubería y su capacidad de disipar la energía generada por el golpe de
ariete que depende de su elasticidad.
Además un diseño con cautela y precisión es importante para prevenir daños o accidentes
en los sistemas hidráulicos. El uso de expansiones frecuentes en las tuberías juega un papel
importante ya que ayuda a disipar la energía a través de la tubería así disminuyendo las presiones
generadas por el efecto del golpe de ariete.
El de suma importancia entender bien cómo se comportan las válvulas. Ya que casi nunca
la proporción del porciento de cierre es proporcional al porciento de flujo pasando. Entonces
debemos tomar en cuenta que muchas válvulas causan diferentes reducciones de flujo a
diferentes niveles de apertura. Estos datos se encuentran en la curva característica de la válvula la
cual es provista por el manufacturero.
En el caso de las bombas se recomienda utilizar por lo menos un “check valve” entre la
bomba y el destino de bombeo. Esta válvula inserta aire a la tubería cuando hay presiones subatmosféricas a causa de una parada de la bomba para asir estabilizar la presión en la tubería a
una atmosférica. Cuando el fluido vuelve y comprime la masa de aire en la tubería esta misma
válvula tiene un mecanismo de salida donde permite la salida del aire para así restaurar la presión
deseada en la línea para presiones con la bomba en operación.
El método de anclaje también es importante ya que si no se anclan las tuberías en
posiciones críticas podrían romperse fácilmente. Por ejemplo si hay una tubería en donde en
algún punto existen dos codos de 90 grados a cierta distancia x entre si es imperativo anclar el
tubo en ambos codos. Esto se debe a que la tubería se mueve abruptamente durante el golpe de
ariete y esto podría producir un momento de fuerza alrededor de unos de los codos causando una
ruptura en la tubería. En el Apéndice 2 hay imágenes mostrando ejemplos de la vida real para
métodos de anclaje.
Figura 9. Junta de Expansión
En la figura 9 se muestra un ejemplo de una junta de expansión. A continuación se muestra una
gráfica (Figura 10.) que demuestra los resultados para la razón del diámetro al módulo de
14
elasticidad (D/e) vs. La velocidad de propagación de la onda (a). Se presentan 2 tuberías una de
Acero y una de Hierro Fundido ambas con juntas de expansión frecuentes.
D/e vs. a
1600
1400
1200
a (m/s)
1000
800
Cast Iron Pipe
600
Steel Pipe
400
200
0
0
50
100
150
200
250
300
350
D/e
Figura 10. Grafica D/e vs. a
Para estos cálculos se utilizó como módulo de elasticidad un valor de 207GPa y 110 GPa
para acero y hierro fundido respectivamente. Se utilizó un módulo de elasticidad volumétrico
para el agua de 219GPa y una densidad de 1000 kilogramos por metro cubico. En este cómputo
lo único que varía entre las dos tuberías es el módulo de elasticidad de cada una. Entonces nos
concentramos en el comportamiento de la tubería específicamente. De la gráfica se puede
observar que la tubería de hierro fundido reduce el efecto de propagación de la onda mejor que la
tubería de acero.
Utilizar una tubería con una buena elasticidad junto con juntas de expansión frecuentes y
anclaje en cada junta es una práctica común y segura para lidiar con presiones excesivas.
4.
Conclusiones
El golpe de ariete es un efecto que puede producir grandes daños a sistemas hidráulicos y
estructuras relacionadas. Esto no se puede evitar siempre va a ocurrir solo podemos tratar de
alivianar el efecto. Es importante ser meticuloso a la hora de analizar y diseñar en contra de este
efecto para así prevenir accidentes severos. Se debe utilizar las ecuaciones debidas para el tipo de
análisis que se desea ya que dependen y toman en consideración diferentes factores como el
tiempo de cierre, el material de la tubería, si es una instalación pequeña o grande, etc.
15
Se demostró que el cálculo del tiempo de cierre de la válvula es sumamente importante a
la hora de diseñar en contra de este efecto. Ya que si se obtiene un cierre no adecuado o
demasiado rápido se pueden producir presiones sumamente diferentes a las que se calcularon
para diseño debido a la variación de las curvas características por válvula.
El método de anclaje es importante ya que si no lo tomamos en cuenta podría producir
roturas en las tuberías debido a momentos excesivos generados por la propagación de las ondas
de presión. Además el uso de juntas de expansión frecuentes amortigua considerablemente la
energía transmitida por la onda en la tubería. Esto también podría causar una fatiga en las
tuberías excesiva que con el tiempo pudiera causar una rotura.
Por último la elasticidad de la tubería afecta la velocidad de propagación de la onda se
demostró de la figura 8 que a mayor elasticidad más se disipa la onda. Esto se debe a que
mientras menor sea el módulo de elasticidad mayor es su capacidad para deformarse antes de
fallar. Mientras mayor sea su capacidad para deformarse mejor disipa la energía de la onda a
través de la tubería amortiguando el efecto de la onda generada.
En general este efecto llamado del Golpe de Ariete es algo que no se comprende muy
bien y aún falta mucho por estudiar sobre el debido a su complejidad.
5.
Recomendaciones
Se recomienda que se utilicen los métodos antes mencionados para amortiguar el efecto
del golpe de ariete como método de anclaje, material de la tubería, un buen análisis de tiempo de
cierre vs. Presiones y utilizar las válvulas adecuadas dependiendo de la magnitud de la
instalación o la complejidad de la misma. Además se recomienda utilizar las debidas ecuaciones
para el cálculo de presiones ya que varían entre si tomando en cuenta diferentes factores. Se debe
analizar bien que tipos de tuberías pueden ser aceptables para la magnitud del proyecto para así
poder utilizar la más elástica posible dentro de los parámetros requeridos de diseño. Un buen
análisis de las curvas características de las válvulas es imperativo para poder hacer cálculos de
alta precisión en el sistema.
6.
Referencias
A.
Silva-Araya, W.,(2010) Water Hammer for Analysis and Design of Water Distribution
Systems., Revista Dimensión del Colegio de Ingenieros y Agrimensores de Puerto Rico, Año 24,
Vol 2
B.
Silva-Araya, W., (2010) Casos Históricos de accidentes provocados por golpes de ariete
en sistemas hidráulicos., Revista Dimensión del Colegio de Ingenieros y Agrimensores de Puerto
Rico, Año 24, Vol 3
16
C.
Paul F. Boulos, Bryan W. Karney, Don J. Wood, Srinivasa Lingireddy. (2005). Hydraulic
Transient Guidelines for Protecting Water Distribution Systems; American Water Works
Association.
D.
A. Houghtalen, R., Osman, A., and. Hwang, N., Fundamentals of Hydraulic Engineering
Systems, (4th Ed), Pearson, 2009
E.
Streeter V., Bedford K., Fluid Mechanics, (9th Ed), McGraw-Hill, 1997
APENDICE 1
17
18
Apendice 2
19
20
View publication stats