Cómo accionar las válvulas para reducir o evitar el golpe de ariete

El golpe de ariete es un fenómeno que tiene su origen en los principios de incompresibilidad. Se produce cuando se produce un cambio repentino en la dirección de un gran volumen de fluido que circula por una tubería. Debido a la inercia del fluido, determinada por su masa, éste se detiene bruscamente, lo que provoca un rápido aumento de la presión. Como consecuencia de la naturaleza no elástica del fluido, el exceso de energía no puede disiparse ni absorberse, lo que da lugar a la generación de ondas de presión que viajan a través de la tubería hasta que encuentran una forma de disipar la energía.

La presión máxima asociada al golpe de ariete es proporcional al volumen, de forma similar a lo que ocurre cuando un objeto no conforme choca contra una pared a gran velocidad. Por ejemplo, una tubería de 24 pulgadas de diámetro y 50 kilómetros de longitud, llena de agua, tiene una masa aproximada de 16.000 toneladas. Cualquier alteración del momento de una sustancia de este tipo requiere una cantidad significativa de energía.

Por lo tanto, en las grandes tuberías, este fenómeno puede provocar daños catastróficos, desde vibraciones y ruido hasta el colapso total de la tubería.

Existen varios métodos para prevenir o mitigar el golpe de ariete, todos ellos en función de evitar cambios bruscos en el movimiento del fluido o disipar de forma segura la energía de las olas sin dañar el sistema. Las válvulas desempeñan un papel crucial en este fenómeno, ya que su diseño permite cambios en la dirección del fluido. Garantizar el correcto funcionamiento de las válvulas del sistema es fundamental para diseñar un sistema de tuberías eficaz.

¿Cómo accionar las válvulas para reducir o evitar el golpe de ariete?

1. Ampliar el tiempo de cierre

Un método eficaz consiste en prolongar el tiempo en que el movimiento del fluido experimenta un cambio. En las tuberías, esto se consigue a menudo prolongando el tiempo de cierre de las válvulas, lo que permite disipar la energía debida a la pérdida de presión. Cuando una válvula está cerrada, su capacidad de flujo disminuye, determinada por la relación entre la diferencia de presión en los extremos de la válvula y el caudal que la atraviesa. A un caudal dado, cuanto mayor sea la velocidad de cierre, menor será el caudal y mayor será la diferencia de presión para un caudal dado. El pico de presión generado por el cierre de la válvula está relacionado con el tiempo que se tarda en cerrar la válvula. El cierre instantáneo de la válvula produce el pico de presión máximo. Aunque puede parecer que el cierre extremadamente lento de la válvula elimina por completo el golpe de ariete, no es una solución viable en todas las situaciones ni para determinadas aplicaciones.

En muchas aplicaciones de válvulas de aislamiento o de cierre, las válvulas deben funcionar lo más rápidamente posible, especialmente cuando se trata de válvulas de cierre de emergencia. Esto no es sólo para detener el fluido con prontitud, sino también porque las válvulas abiertas/cerradas no deben mantenerse parcialmente abiertas durante periodos prolongados, ya que pueden dañar las membranas de cierre, los asientos de las válvulas y otros componentes debido a la corrosión. Este reto puede resolverse utilizando un sistema de dos velocidades o de velocidad variable para accionar las válvulas. Estos sistemas permiten a los operarios cerrar la válvula a gran velocidad, por ejemplo, cerrando inicialmente el 80% de la válvula y luego cerrando gradualmente el 20% restante, para disipar la energía al máximo en el menor tiempo posible. Este enfoque puede reducir significativamente el caudal de la válvula en poco tiempo, logrando un bloqueo eficaz del caudal al tiempo que se tiene en cuenta la pérdida de presión necesaria para mitigar o evitar el golpe de ariete.

El dispositivo de control de funcionamiento del actuador depende de la realimentación de la posición de la válvula y del sistema de suministro de energía para gestionar el sistema. En los sistemas de actuadores hidráulicos sencillos o que utilizan fluidos no compresibles, la sincronización del punto de consigna de la posición deseada se consigue normalmente mediante interruptores de fin de carrera o sensores de posición. Una vez que la válvula alcanza la posición deseada, el sistema reduce el caudal para ralentizar el tiempo de carrera del actuador. Se pueden diseñar configuraciones de funcionamiento similares para sistemas neumáticos o sistemas que utilicen fluidos compresibles. El cálculo del tiempo necesario para cambiar el fluido en la tubería se determina mediante un análisis de transmisión del sistema de tuberías.

2. Reducir la velocidad del flujo

Otra técnica habitual para mitigar los efectos potencialmente destructivos del golpe de ariete consiste en reducir intencionadamente la velocidad a la que el fluido circula por el interior de la tubería. A su vez, esta velocidad está relacionada con el diámetro nominal de la tubería. La clave del problema radica en comprender esta relación: a medida que aumenta el diámetro de la tubería, esencialmente proporciona un área de sección transversal más amplia a través de la cual puede fluir el fluido. Por lo tanto, para mantener un caudal constante, el fluido debe fluir a menor velocidad en una tubería de mayor diámetro. A la inversa, cuando se utiliza una tubería de menor diámetro, el fluido debe fluir a mayor velocidad para mantener el mismo volumen de caudal. Cuanto más rápido se mueva el fluido, mayor será su energía cinética y, por tanto, más pronunciadas serán las fluctuaciones de presión provocadas por los cambios bruscos.

Por ello, la elección del diámetro de la tubería se convierte en un aspecto crítico del diseño. Aunque puede resultar tentador optar por tuberías más pequeñas para cumplir los requisitos teóricos de caudal mínimo, en la práctica este planteamiento suele provocar un aumento de la velocidad del caudal. Estas mayores velocidades, a su vez, agravan la vulnerabilidad a los golpes de ariete durante el accionamiento de válvulas u otras interrupciones del flujo.

Por lo tanto, una estrategia prudente y proactiva incluye la selección de un diámetro de tubería mayor que el diámetro mínimo especificado por los cálculos de caudal. Al elegir tuberías más grandes, la velocidad del caudal se atenúa de forma natural con el mismo caudal. Esta reducción de la velocidad actúa como amortiguador, contribuyendo a unos ajustes más graduales del caudal y la presión. Esto, a su vez, reduce la probabilidad de picos de presión y los riesgos potenciales asociados de daños al sistema.

Conclusión:

El diseño adecuado de los sistemas de accionamiento de válvulas de tuberías es crucial para prevenir o mitigar el impacto de los golpes de ariete en los sistemas de tuberías. Las válvulas intervienen en el cambio de dirección del flujo, afectando al impulso del fluido dentro de la tubería. Dependiendo de la aplicación, puede ser necesario que las válvulas realicen estos cambios con rapidez, pero los cambios rápidos pueden provocar un aumento de los picos de presión y una amplificación de la onda de presión. La introducción de un sistema de velocidad variable para el funcionamiento de las válvulas en el diseño del sistema de tuberías, junto con un análisis detallado de la transmisión del fluido y la consideración de futuros incrementos de caudal, puede proporcionar una solución viable a los problemas de golpes de ariete en el funcionamiento de las válvulas de las tuberías.