GOLPE DE ARIETE

El golpe de ariete es una serie de pulsos de presión, de diferente magnitud, sobre y por debajo de la presión normal del líquido en la tubería. La amplitud y periodicidad depende de la velocidad de detención del líquido, al igual que del tamaño, largo y material de la tubería. El golpe se origina debido a estos pulsos cuando un líquido, que fluye a cierta velocidad, se detiene un corto periodo de
tiempo. El aumento de presión cuando el caudal se detiene depende de la presión de trabajo del sistema. El pico de presión ocurre cuando en una tubería el flujo se detiene en un tiempo igual o menor al tiempo necesario para que la onda de presión creada llegue desde el punto de cierre de la válvula hasta la entrada de la tubería y vuelva. Es cuando:

Donde:

t = Tiempo para que la onda de presión recorra el largo de la tubería y regreses (s)
L = Largo de la tubería (m)
a = Velocidad de la onda de presión (m/s)

Cuando el líquido que contiene la tubería es agua, la velocidad de la onda de presión «a» se calcula mediante la siguiente ecuación:

Donde:

velocidad de la onda de presión (m/s).
Kbulk = Kbulk = módulo de volumen de fluido (ejemplo: 2070 MPa para agua a 20 °C)
d = diámetro interior de la tubería (mm)
e = grosor de la pared de la tubería (mm)
E = módulo de elasticidad (MPa) del material de la tubería
(obtenido de ensayos de tracción) a corto plazo

La presión pico causada por el golpe de ariete se determina mediante la siguiente ecuación:

Where:

P = Pico de presión (bar)
ρ = Densidad del fluido (ejemplo: 1 gr/cm³ para agua a 20 °C)
a = Velocidad de la onda de presión (m/s)
V = Velocidad del agua detenida = velocidad lineal (m/s)
g = Aceleración causada por gravedad (9,81 m/s²)

La presión causada por el golpe de ariete puede ser minimizada al aumentar el tiempo de cierre de las válvulas a un valor mayor de 2L/a.

Por ejemplo, si el tiempo de cierre es 10 veces 2L/a, el pico de presión puede ser del 10 % al 20 % del pico ocasionado por el cierre en un tiempo igual o menor que 2L/a.

El valor a corto plazo del módulo de E de elasticidad de las tuberías Pexgol es mucho menor que el valor E de las tuberías acero, concreto o HDPE. Como la velocidad a de la onda de presión está relacionada con el módulo a corto plazo de elasticidad E, la velocidad disminuye cuando el valor de E es menor.

Para determinar la resistencia del material de la tubería al fenómeno del golpe de ariete, la presión total que ocurre (presión pico + presión de trabajo) se debe calcular y comparar con la presión total máxima permitida que ocurre en cada material de tubería. La resistencia de las tuberías de HDPE depende de la naturaleza del golpe de ariete. En caso de ondas de golpe de ariete recurrentes, las tuberías de HDPE están limitadas a una presión total máxima ocasional de tan solo 1,5 veces la presión de trabajo. Debido a la flexibilidad y resiliencia de las tuberías Pexgol, las presiones pico ocasionadas por el golpe de ariete se reducen sustancialmente. Además, debido a la estructura reticulada, las tuberías Pexgol pueden soportar una presión transitoria total (presión pico recurrente u ocasional + presión de trabajo) por lo menos 2,5 veces la presión de diseño a la temperatura correspondiente.

Los siguientes ejemplos comparativos muestran los picos de presión ocasionados por el golpe de ariete en varias tuberías, que se consideran para la misma aplicación. En todos los siguientes ejemplos:

• La línea es horizontal; la longitud de la línea es 2200 m.
• El caudal es 150 metros cúbicos por hora, las pérdidas de carga son 5 %.
• La línea está diseñada para una presión de bombeo de 11 bar.
• La temperatura del fluido: 20 °C

La temperatura del fluido: 20 °C

1. Tubería de acero 6″ Schedule 40, instalada bajo tierra o en superficie.
2. PE 3408 6″ DR 11, tubería enterrada.
3. PEX 160 mm SDR 13,6 Clase 12, tubería enterrada.
4. PE 4710 6″ DR 13,5, tubería enterrada.
5. 5. PEX 180 mm SDR 11 Clase 15, tubería instalada en superficie, temperatura ambiente de 20 °C, temperatura de diseño 30 °C.
6. PEX 180 mm SDR 9 Clase 19, tubería instalada en superficie, temperatura ambiente de 40 °C, temperatura de diseño 40 °C.

Tubería instalada bajo tierra o en superficie.

DT:  6,625” (168,3 mm) |  w.t. 7,11 mm | d = 154 mm | V = 2,2 m/sec | E = 210.000 MPa

P = pico de presión (bar) 29 bar.
Presión transitoria total: Presión pico (29 bar) + presión de la bomba en la línea (11 bar) es 40 bar.

Tubería enterrada. La máxima presión de trabajo permitida de la tubería es de 11 bar (160 psi) a 20 °C.

Máxima presión transitoria total permitida: 16,5 bar (240 psi).

DT: 6,625” (168,3 mm) | w.t.: 0,602” (15,3 mm) | d: 137,7 mm | V = 2,8 m/sec, E = 827 MPa at 20°C

P = pico de presión (bar) 8,5 bar, presión transitoria total: 11 + 8,5 = 19,5 bar.

Presión transitoria total: Excede la máxima presión transitoria total permitida para el material de esta tubería.

Tubería enterrada: La máxima presión de trabajo permitida de la tubería es de 12 bar a 20 °C. Máxima presión transito-ria total permitida: 30 bar.

DT: 160 mm | w.t.: 11,8 mm | d:  136,4 mm | V = 3 m/sec, E = 465 MPa at 20°C

P = pico de presión (bar) 6 bar, presión transitoria total: 12 + 6 = 18 bar

Presión transitoria total: Es mucho menor que la máxima presión transitoria total permitida (30 bar).

Tubería enterrada: La máxima presión de trabajo permitida de la tubería es de 11 bar (160 psi) a 20 °C.

La presión total permitida durante un pico recurrente es 16,5 bar.

DT: 6,625” (168,3 mm) | w.t.:  0,491” (12,5 mm) | d: 143,4 mm | V = 2.6 m/sec | E = 827 MPa at 20°C

P = pico de presión (bar) 7 bar, presión transitoria total: 11 + 7 = 18 bar.

Presión transitoria total: Excede la máxima presión transitoria total permitida para el material de esta tubería.

Instalación en superficie: temperatura ambiente de 20 °C, temperatura de diseño de 30 °C. La máxima presión de trabajo permitida de la tubería es de 13 bar (193 Psi) a 30 °C. Máxima presión transitoria total permitida: 30 bar.

DT: 180 mm w.t.: 16,4 mm d: 147,2 mm | V = 2,5 m/sec | E = 350 MPa at 30°C

P = pico de presión (bar) 5 bar, presión transitoria total: 13,3 +5 = 18,3 bar

Presión transitoria total: Es mucho menor que la máxima presión transitoria total permitida (30 bar).

Instalación en superficie: temperatura ambiente de 40 °C, temperatura de diseño de 40 °C. La máxima presión de trabajo permitida de la tubería es de 11 bar a 40 °C. Máxima presión transitoria total permitida: 30 bar.

DT: 180 mm | w.t.: 20 mm | d: 140 mm | V = 2,7 m/sec | E = 228 MPa at 40°C

P = pico de presión (bar) 5 bar, presión transitoria total: 11 + 4 = 15 bar

Presión transitoria total: Es mucho menor que la máxima presión transitoria total permitida (30 bar).

1. La presión pico causada por el golpe de ariete en las tuberías de acero es por lo menos tres veces mayor que la presión pico en las tuberías Pexgol.
2. La presión pico ocasionada por el golpe de ariete en las tuberías HDPE en ocasiones podría ser demasiado alta.
3. Las tuberías Pexgol tienen un alto margen para presiones pico en toda la gama de temperaturas y clases de tuberías.

La expresión para a = la velocidad de la onda de presión es una función del módulo E a corto plazo y la relación de dimensión d/e, que son iguales para cada clase de tubería:

d/e = (D-2xe)/e = (D/e) – 2 = SDR-2

Es posible calcular los valores de a para cada tipo de tubería.

En la siguiente tabla (48.1), se calcularon los valores de la velocidad de presión a fueron calculados para las siguientes temperaturas de diseño:

• 20°C : para tuberías enterradas
• 30°C : para tuberías en superficie a una temperatura ambiente de 20 °C
• 40°C : para tuberías en superficie a una temperatura ambiente de 40 °C

Los valores de P fueron calculados para una velocidad lineal de 1 m/s.

La tabla 48.1 muestra las presiones pico bajas esperadas en las tuberías Pexgol.

El valor de a = velocidad de la onda de presión fue calculado usando el módulo de elasticidad instantáneo. Tenga en cuenta que la presión pico P tiene relación lineal directa con el valor de la velocidad lineal V.
Por lo tanto, los valores para las diferentes presiones pico para el mismo tipo de tubería se pueden calcular cambiando los valores de la velocidad lineal V.

Ejemplo: Calcular la presión pico en el párrafo 4. Pexgol 180 mm SDR 9 Clase 19.

• Instalación en superficie y temperatura ambiente de 40 °C.
• Temperatura del fluido de 20 °C.
• Temperatura de diseño de 40 °C.
• La presión de diseño de la tubería es de 14,9 bar a 40 °C.
• La máxima presión transitoria total permitida es de 37 bar.

DT 180 mm | w.t. 20,1 mm | d = 139,8 mm | V = 2,7m/sec

De la tabla: «Presiones pico bajas en las tuberías Pexgol», la presión pico para la clase 19, velocidad de 1 m/s y temperatura de diseño de 40 °C es de 1,8 bar.
Para la Pexgol 180 mm clase 19 que tiene una velocidad de 2,7 m/s, la presión pico será: 1,8 x 2,7/1 = 4,9 bar

Para densidad de agua superior a 1, divida el valor de la velocidad de la onda de presión a (tomado de la Tabla 48.1: «Presiones pico bajas en las tuberías Pexgol», por la raíz cuadrada de la densidad del agua real.

Para los accesorios de la línea, comuníquese con el equipo Pexgol.