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GOLPE DE ARIETE FEBRERO DEL 2015UNMSM

1Por: ABDIAS ARAUJO AMES

1OBJETIVOS2UNMSM

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3INTRODUCCIN

INTRODUCCIN4UNMSM

Este fenmeno se produce en los conductos al cerrar o abrir una vlvula y al poner en marcha o parar una mquina hidrulica, o tambin al disminuir bruscamente el caudal. Un caso muy comn es el que ocurre en las centrales hidrulicas, donde se ha de reducir bruscamente el caudal suministrado a las turbinas hidrulicas acopladas a los alternadores, cuando se anula la carga de dicho alternador.

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5CONCEPTOS GENERALES

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CONCEPTOS TERICOS CONCEPTOS TERICOS 7UNMSM

Con el objetivo de analizar el fenmeno fsicamente, estudiaremos el caso del cierre instantneo del obturador, el que, a pesar de ser una abstraccin terica, posibilita una ms fcil comprensin del problema. Decimos que el cierre instantneo es una abstraccin, porque los rganos de cierre, por rpido que acten siempre demandaran un tiempo para completar la obturacin del caudal.

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CONCEPTOS TERICOS

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CONCEPTOS TERICOS

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CONCEPTOS TERICOS

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CONCEPTOS TERICOS

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CONCEPTOS TERICOS

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CONCEPTOS TERICOS SIMILITUD A UN SISTEMAS MECNICO

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CONCEPTOS TERICOS

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CONCEPTOS TERICOS CASOS EN LOS QUE SE PUEDE PRODUCIR EL FENMENO Adems del caso ejemplificado anteriormente, existen diversas maniobras donde se induce el fenmeno: Cierre y Apertura de Vlvulas. Arranque de Bombas. Detencin de Bombas. Funcionamiento inestable de bombas. Llenado inicial de tuberas. Sistemas de Proteccin contra Incendios. En general, el fenmeno aparecer cuando, por cualquier causa, en una tubera se produzcan variaciones de velocidad y, por consiguiente, en la presin.

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DESCRIPCIN DEL FENMENO DESCRIPCIN DEL FENMENO EN ABASTECIMIENTOS POR GRAVEDADSi el agua se mueve por una tubera con una velocidad determinada y mediante una vlvula se le corta el paso totalmente, el agua ms prxima a la vlvula se detendr bruscamente y ser empujada por la que viene detrs. Como el agua es algo compresible, empezar a comprimirse en las proximidades de la vlvula, y el resto del lquido comprimir al que le precede hasta que se anule su velocidad.

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DESCRIPCIN DEL FENMENO DESCRIPCIN DEL FENMENO POR IMPULSIONES

En una impulsin, la parada brusca de motores produce el mismo fenmeno, pero al contrario, es decir, se inicia una depresin aguas arriba de la bomba, que se traslada hacia el final para transformarse en compresin que retrocede a la bomba.

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CELERIDADVALOR DE LA CELERIDADLa celeridad (a) es la velocidad de propagacin de la onda de presin a travs del agua contenida en la tubera

K: Coeficiente funcin del mdulo de elasticidad (e) del material

D: Dimetro interior de la tubera e: Espesor de la tuberaCLCULO PRCTICO19UNMSM

FORMA PRACTICA DEL CALCULO DEL GOLPE DE ARIETE

FRMULAS DE MICHAUD Y ALLIEVI20UNMSM

Cierre Lento:A finales del siglo XIX, Michaud propuso la primera frmula para valorar el golpe de ariete:

Siendo: : Sobrepresin debida al golpe de ariete (mca) L: Longitud de la tubera (m) V: Velocidad de rgimen del agua (m/s) T: Tiempo de parada o de cierre, segn el caso (s) g: Aceleracin de la gravedad, 9.81 m/s2

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Para deducir esta ecuacin, Michaud no tuvo en cuenta ni la compresibilidad del agua ni la elasticidad de la tubera.

El lmite mnimo de se produce cuando L es muy pequeo frente a T, y entonces:

FRMULAS DE MICHAUD Y ALLIEVI22UNMSM

FRMULAS DE MICHAUD Y ALLIEVISin embargo, Michaud, partiendo de distintos supuestos, comprob que la sobrepresin alcanzaba valores del doble de la establecida por Jouguet. En realidad, Jouguet se aproxima ms al principio de la sobrepresin y Michaud al final, ya que las disminuciones de la velocidad no son lineales con el tiempo, decreciendo ms suavemente al principio del transitorio que al final, pero puesto que siempre se alcanzar en algn punto de la tubera un golpe de ariete igual al dado por Michaud, es sta la frmula que habr que aplicar en el clculo de la sobrepresin con un tiempo de cierre lento.

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FRMULAS DE MICHAUD Y ALLIEVICierre Rpido

La expresin que dedujo Allievi en 1904, con la que se calcula el valor mximo del golpe de ariete que puede producirse en una conduccin. Puede observarse cmo el valor de la sobrepresin es independiente de la longitud de la tubera.

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FRMULAS DE MICHAUD Y ALLIEVIBasndonos en el concepto de longitud crtica, se tiene que: Si LLc, entonces la impulsin (conduccin) es larga y el cierre rpido, siendo el valor del golpe de ariete el dado por Allievi desde la vlvula hasta el punto crtico y por Michaud en el resto.

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CAUSAS Y CONSECUENCIASCAUSAS Y CONSECUENCIAS

CausasEl golpe de ariete es causado por cierres o aperturas de vlvulas en sistemas de tuberas.El arranque o parada de una bomba en la lnea puede causar presiones de ariete debido a la inercia generada por el agua. Por ltimo el arranque o parada de las operaciones de una turbina si no se regula bien el flujo podra causar accidentes.

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ConsecuenciasEl golpe de ariete produce daos y rompimiento de tuberas a causa de las presiones generadas. Las tuberas son sometidas a una contraccin y expansin continua debido a que la onda viaja varias veces dentro de la tubera. Estas expansiones y contracciones son disipadas de acuerdo a la capacidad elstica de la tubera. Adems causa daos a mecanismos de control como vlvulas, turbinas, bombas, etc.

CAUSAS Y CONSECUENCIAS27UNMSM

CAUSAS Y CONSECUENCIASEJEMPLO DE ACCIDENTE CATASTRFICO A CAUSA DEL GOLPE DE ARIETEPLANTA HIDROELCTRICA DE SAYANO-SHUSHENSKAYA, RUSIA

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MTODOS PARA REDUCIR EL GOLPE DE ARIETE29UNMSM

MTODOS PARA REDUCIR EL GOLPE DE ARIETEVolante de inercia Consiste en incorporar a la parte rotatoria del grupo de impulsin un volante cuya inercia retarde la prdida de revoluciones del motor, y en consecuencia, aumente el tiempo de parada de la bomba, con la consiguiente minoracin de las sobrepresiones. Este sistema crea una serie de problemas mecnicos, mayores cuanto sea el peso del volante.

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MTODOS PARA REDUCIR EL GOLPE DE ARIETEChimeneas de equilibrio Las chimeneas de equilibrio son tneles verticales abiertos que se sitan cerca del elemento que provoca el golpe de ariete. De esta forma, la condicin de contorno se transforma en la de un depsito (no ideal), convirtiendo la pulsacin de alta intensidad y frecuencia del golpe de ariete en una pulsacin de baja intensidad y frecuencia, correspondiente a una oscilacin en masa.

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MTODOS PARA REDUCIR EL GOLPE DE ARIETECmaras de aire La Cmara de aire consiste en un recipiente metlico parcialmente lleno de aire que se encuentra comprimido a la presin manomtrica. Existen modelos en donde el aire se encuentra aislado del fluido mediante una vejiga, con lo que se evita su disolucin en el agua.

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MTODOS PARA REDUCIR EL GOLPE DE ARIETEVlvulas de alivio rpido Son de dispositivas que permiten de forma automtica y casi instantnea la salida de la cantidad necesaria de agua para que la presin mxima en el interior de la tubera no exceda un valor lmite prefijado.

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TIPOS DE CIERRE Y APERTURA (MECANISMOS)MECANISMO DE CIERRE POR VLVULAS

Existen diversos diseos para el asiento y el sello de una vlvula mariposa siendo los ms utilizados en la industria los siguientes:

Vlvulas con el asiento de PTFE flexibleVlvulas con el asiento de material polimricoVlvulas con elastmero incorporadoVlvulas con asiento metlico flexibleVlvulas con asiento metlico y disco metlicoVlvulas con asiento inflable

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TIPOS DE CIERRE Y APERTURA (MECANISMOS)Una vlvula mariposa necesita realizar dos maniobras: la apertura y el cierre de la misma por lo que es necesario contar con mecanismos que permitan abrir y cerrar la vlvula. En la actualidad existen muchos mecanismos por lo que slo se analizaron los ms importantes:

Accionamiento manual por palancaAccionamiento manual por volante y caja de engranajesAccionamiento elctrico por actuador caja de engranajesAccionamiento hidrulico por actuadorAccionamiento neumtico por actuadorAccionamiento por contrapeso

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CONCLUSIONES CONCLUSIONES

El fenmeno de golpe de Ariete aparecer cuando, por cualquier causa, en una tubera se produzcan variaciones de velocidad y, por consiguiente, en la presin.

Todos estos fenmenos se producen en maniobras necesarias para el adecuado manejo y operacin del recurso, por lo que debemos tener presente que su frecuencia es importante y no un fenmeno eventual.

En las conducciones por gravedad, el cierre de la vlvula se puede efectuar a diferente ritmo, y por tanto, el tiempo T es una variable sobre la que se puede actuar, pero en las impulsiones el tiempo de parada viene impuesto y no es posible actuar sobre l, salvo adicionando un volante al grupo motobomba o un sistema similar.

Como a mayor tiempo T menor sobrepresin, si podemos controlar T limitaremos en gran medida los problemas en tuberas, siendo ste el caso de los abastecimientos por gravedad.

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CONCLUSIONESAlgunas de las consecuencias del golpe de ariete, es que el sistema de abastecimiento de fluido, se puede maltratar o daarse, algunas veces se revientan tuberas de hierro colado, las tuberas de plomo son ensanchadas y se arrancan los codos instalados.

Para la reduccin del golpe de ariete se tienen, bsicamente, dos posibilidades: bien actuar sobre la fuente que produce la perturbacin, o bien reducirla una vez que sta se ha producido. El primer sistema es el ms aconsejable, pero no siempre es posible su aplicacin.

Se demostr que el clculo del tiempo de cierre de la vlvula es sumamente importante a la hora de disear en contra de este efecto. Ya que si se obtiene un cierre no adecuado o demasiado rpido se pueden producir presiones sumamente diferentes a las que se calcularon para diseo debido a la variacin de las curvas caractersticas por vlvula.

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RECOMENDACIONESRECOMENDACIONESSe recomienda que se utilicen los mtodos antes mencionados para amortiguar el efecto del golpe de ariete como mtodo de anclaje, material de la tubera, un buen anlisis de tiempo de cierre vs. Presiones y utilizar las vlvulas adecuadas dependiendo de la magnitud de la instalacin o la complejidad de la misma. Adems se recomienda utilizar las debidas ecuaciones para el clculo de presiones ya que varan entre si tomando en cuenta diferentes factores. Se debe analizar bien que tipos de tuberas pueden ser aceptables para la magnitud del proyecto para as poder utilizar la ms elstica posible dentro de los parmetros requeridos de diseo. Un buen anlisis de las curvas caractersticas de las vlvulas es imperativo para poder hacer clculos de alta precisin en el sistema.

Una alternativa para reducir el golpe de ariete seria instalar ms vlvulas de alivio con esto reduciramos sus efectos.Otra forma de disminuir los efectos producidos por el golpe de ariete seria reforzando las zonas donde puede producirse: codos, reducciones o ensanchamientos, y en especial vlvulas.

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RECOMENDACIONESInstalar una vlvula de retencin o anti retorno estas vlvulas funcionan de manera que slo permiten el flujo de agua en un sentido.Utilizar actuadores programables. Con ellos ser posible adoptar por lo menos dos velocidades de cierre de manera tal que la ms lenta corresponda a la zona de vlvula cerrada 20%, tal como se indica en el diagrama de la Figura.

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39FIN