Como operar as válvulas para reduzir ou evitar o golpe de aríete?

O golpe de aríete é um fenômeno que se origina dos princípios da incompressibilidade. Ele ocorre quando há uma mudança repentina na direção de um grande volume de fluido que flui por uma tubulação. Devido à inércia do fluido, que é determinada por sua massa, ele sofre uma parada repentina, levando a um rápido aumento de pressão. Como resultado da natureza não elástica do fluido, o excesso de energia não pode se dissipar ou ser absorvido, resultando na geração de ondas de pressão que percorrem a tubulação até encontrarem uma maneira de dissipar a energia.

O pico de pressão associado ao golpe de aríete é proporcional ao volume, semelhante ao que acontece quando um objeto não compatível colide com uma parede em alta velocidade. Por exemplo, uma tubulação de 24 polegadas de diâmetro e 50 quilômetros de comprimento, cheia de água, tem uma massa de aproximadamente 16.000 toneladas. Qualquer interrupção no momento de tal substância requer uma quantidade significativa de energia.

Portanto, em grandes tubulações, esse fenômeno pode levar a danos catastróficos, que vão desde vibrações e ruídos até o colapso total da tubulação.

Há vários métodos para evitar ou atenuar o golpe de aríete, todos dependendo de evitar mudanças repentinas no movimento do fluido ou dissipar com segurança a energia das ondas sem danificar o sistema. As válvulas desempenham um papel crucial nesse fenômeno, pois seu projeto permite mudanças na direção do fluido. Garantir o funcionamento adequado das válvulas no sistema é fundamental para projetar um sistema de tubulação eficaz.

Como operar as válvulas para reduzir ou evitar o golpe de aríete?

1. Estender o tempo de fechamento

Um método eficaz é estender o tempo em que o movimento do fluido sofre uma alteração. Em tubulações, isso geralmente é conseguido prolongando o tempo de fechamento das válvulas, permitindo a dissipação de energia devido à perda de pressão. Quando uma válvula é fechada, sua capacidade de fluxo diminui, determinada pela relação entre a diferença de pressão nas extremidades da válvula e o fluxo através da válvula. Em uma determinada taxa de fluxo, quanto maior a taxa de fechamento, menor o fluxo e maior a diferença de pressão para um determinado fluxo. O pico de pressão gerado pelo fechamento da válvula está relacionado ao tempo que leva para fechar a válvula. O fechamento instantâneo da válvula produz o pico máximo de pressão. Embora o fechamento extremamente lento da válvula possa parecer eliminar totalmente o golpe de aríete, essa não é uma solução viável em todas as situações ou para determinadas aplicações.

Em muitas aplicações de válvulas de isolamento ou de fechamento, as válvulas devem operar o mais rápido possível, especialmente quando se trata de válvulas de fechamento de emergência. Isso não é apenas para interromper o fluido imediatamente, mas também porque as válvulas abertas/fechadas não devem ser mantidas parcialmente abertas por períodos prolongados, pois isso pode causar danos às membranas de fechamento, às sedes das válvulas e a outros componentes devido à corrosão. Esse desafio pode ser resolvido com o uso de um sistema de duas velocidades ou de velocidade variável para operar as válvulas. Esses sistemas permitem que os operadores fechem a válvula em alta velocidade, por exemplo, fechando inicialmente 80% da válvula e depois fechando gradualmente os 20% restantes, para dissipar a energia ao máximo no menor tempo possível. Essa abordagem pode reduzir significativamente o fluxo da válvula em um curto espaço de tempo, obtendo um bloqueio de fluxo eficaz e, ao mesmo tempo, considerando a perda de pressão necessária para atenuar ou evitar golpes de aríete.

O dispositivo de controle de operação do atuador depende do feedback da posição da válvula e do sistema de fornecimento de energia para gerenciar o sistema. Para sistemas de atuadores hidráulicos simples ou sistemas que usam fluidos não compressíveis, a sincronização do ponto de ajuste da posição alvo é normalmente obtida usando chaves de limite ou sensores de posição. Quando a válvula atinge a posição desejada, o sistema reduz o fluxo para diminuir o tempo de curso do atuador. Configurações de operação semelhantes podem ser projetadas para sistemas pneumáticos ou sistemas que usam fluidos compressíveis. O cálculo do tempo necessário para trocar o fluido na tubulação é determinado por meio de uma análise de transmissão do sistema de tubulação.

2. Reduzir a velocidade do fluxo

Outra técnica comum para atenuar os efeitos potencialmente destrutivos do golpe de aríete é reduzir intencionalmente a velocidade com que o fluido flui dentro da tubulação. Por sua vez, essa velocidade está relacionada ao diâmetro nominal da tubulação. O segredo da questão está na compreensão dessa relação: à medida que o diâmetro da tubulação aumenta, ele essencialmente fornece uma área de seção transversal mais ampla pela qual o fluido pode fluir. Portanto, para manter uma taxa de fluxo constante, o fluido deve fluir a uma velocidade menor em uma tubulação de diâmetro maior. Por outro lado, ao usar uma tubulação de diâmetro menor, o fluido deve fluir em uma velocidade maior para manter o mesmo volume de fluxo. Quanto mais rápido o fluido se mover, maior será sua energia cinética e, portanto, mais acentuadas serão as flutuações de pressão causadas por mudanças repentinas.

Diante disso, a escolha do diâmetro da tubulação torna-se uma consideração crítica do projeto. Embora a opção por tubulações menores para atender aos requisitos teóricos de vazão mínima possa ser tentadora, na prática, essa abordagem geralmente leva a um aumento na velocidade do fluxo. Essas velocidades aumentadas, por sua vez, exacerbam a vulnerabilidade ao golpe de aríete durante a operação da válvula ou outras interrupções de fluxo.

Portanto, uma estratégia prudente e proativa inclui a seleção de um diâmetro de tubulação maior do que o diâmetro mínimo especificado pelos cálculos de fluxo. Ao escolher tubulações maiores, a velocidade do fluxo se atenua naturalmente com a mesma taxa de fluxo. Essa redução na velocidade atua como um amortecedor, auxiliando em ajustes mais graduais no fluxo e na pressão. Isso, por sua vez, reduz a probabilidade de picos de pressão e os possíveis riscos associados de danos ao sistema.

Conclusão:

Projetar adequadamente os sistemas de acionamento de válvulas de tubulação é fundamental para evitar ou atenuar o impacto do golpe de aríete nos sistemas de tubulação. As válvulas desempenham um papel importante na mudança da direção do fluxo, afetando o momento do fluido dentro da tubulação. Dependendo da aplicação, as válvulas podem precisar realizar essas mudanças rapidamente, mas mudanças rápidas podem levar a picos de pressão maiores e à amplificação da onda de pressão. A introdução de um sistema de velocidade variável para a operação da válvula no projeto do sistema de tubulação, juntamente com a análise detalhada da transmissão do fluido e a consideração de futuros incrementos de fluxo, pode fornecer uma solução viável para os problemas de golpe de aríete nas operações da válvula da tubulação.