¿Qué es el Golpe de ariete?

El golpe de ariete (choque hidráulico) es elincremento momentáneo en presión, el cualocurre en un sistema de agua cuando hay uncambio repentino de dirección o velocidad delagua. Cuando una válvula de rápido cierrecierra repentinamente, detiene el paso delagua que está fluyendo en las tuberías, y laenergía de presión es transferida a la válvula ya la pared de la tubería. Las ondas expansivasse activan dentro del sistema. Las ondas depresión viajan hacia atrás hasta que encuen-tran el siguiente obstáculo sólido, luego con-tinúan hacia adelante, luego regresan otravez. La velocidad de las ondas de presión esigual a la velocidad del sonido; por lo tanto,su “explosión” a medida que viaja hacia ade-lante y hacia atrás, hasta que se disipa por la pérdida de fricción. Cualquiera que hayavivido en una casa antigua está familiarizadocon la “explosión” que resuena a través de lastuberías cuando una llave de agua es cerradarepentinamente. Esto es un efecto del golpe de ariete.

Una forma menos severa del golpe de ariete esllamada oscilación, que es un movimientolento en forma de ola de una masa de agua

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Golpe de Ariete

ResumenEl golpe de ariete se refiere a las fluctuaciones causadas por un repentino incremento o dismi-nución de la velocidad del flujo. Estas fluctuaciones de presión pueden ser lo suficientemente se-veras como para romper la tubería de agua. Los problemas potenciales del golpe de ariete puedenser considerados al evaluarse el diseño de las tuberías y cuando se realiza un análisis detalladode las oscilaciones de presión, en muchos casos para evitar malos funcionamientos costosos enel sistema de distribución. Cualquier cambio mayor en el diseño del sistema principal o cambioen la operación—tales como aumento en la demanda de los niveles de flujo—deben incluir laconsideración de los problemas potenciales de golpe de ariete. Este fenómeno y su significadotanto para el diseño como para la operación de los sistemas de agua, no es ampliamente enten-dido, como demuestra por el número y la frecuencia de fallos causados por el golpe de ariete.

Por Z. Michael Lahlou, Ph.D., Consultor en Asistencia Técnica

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causado por fluctuaciones internas de presiónen el sistema. Esto puede ser visto como una“onda” de presión que se forma lentamentedentro del sistema. Ambos, golpe de ariete yoscilación, se refieren a presiones transitorias.Si no se controlan, ambas darán los mismosresultados: daños a las tuberías, accesorios yválvulas, causando fugas y reduciendo la vidaútil del sistema. Ni la tubería ni el agua secomprimirán para absorber el choque del agua.

Investigando las Causas del Golpe de Ariete

Las condiciones de operación de un sistema de transporte de agua casi nunca están en unestado constante. Las presiones y los flujoscambian continuamente a medida que labomba se enciende y se apaga, la demandafluctúa y los niveles del tanque cambian.Adicionalmente a estos eventos normales exis-ten acontecimientos imprevistos tales comointerrupciones de energía y el mal fun-cionamiento de los equipos, lo que puede cam-biar rápidamente las condiciones de operaciónde un sistema. Cualquier cambio en el nivel develocidad del flujo del líquido, sin importar elnivel o magnitud del cambio, requiere que ellíquido sea acelerado o desacelerado de su

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velocidad inicial de flujo. Los cambios rápidosen el nivel del flujo requieren grandes fuerzasque son vistas como presiones altas, lascuales causan golpe de ariete.

El aire atrapado o los cambios de temperaturadel agua también pueden causar excesiva pre-sión en las líneas de agua. El aire atrapado enla línea se comprimirá y ejercerá una presiónextra en el agua. Los cambios de temperaturacausan que el agua se expanda o se con-traiga, afectando también la presión. Las pre-siones máximas experimentadas en unsistema de tuberías son frecuentemente elresultado de la separación de una columna devapor, la cuál es causada por la formación depaquetes vacíos de vapor cuando la presióncae tan bajo que el líquido ebulle o se vapori-za. Las presiones dañinas pueden ocurrircuando estas cavidades se colapsan.

Las causas del golpe de ariete son muy vari-adas. Sin embargo existen cuatro eventoscomunes que típicamente inducen grandescambios de presión:

1. El arranque de la bomba puede inducirun colapso rápido del espacio vacío queexiste aguas abajo de la bomba.

2. Un fallo de potencia en la bomba puedecrear un cambio rápido en la energía desuministro del flujo, lo que causa unaumento de la presión en el lado de suc-

ción y una disminución de presión en ellado de la descarga. La disminución esusualmente el mayor problema. La pre-sión en el lado de descarga de la bombaalcanza la presión de vapor, resultandoen la separación de la columna de vapor.

3. La abertura y cierre de la válvula es fun-damental para una operación segura dela tubería. Al cerrarse una válvula, laparte final aguas debajo de una tuberíacrea una onda de presión que se muevehacia el tanque de almacenamiento. Elcerrar una válvula en menos tiempo delque toma las oscilaciones de presión enviajar hasta el final de la tubería y enregresar se llama “cierre repentino de laválvula”. El cierre repentino de laválvula cambiará rápidamente la veloci-dad y puede resultar en una oscilaciónde presión. La oscilación de presiónresultante de una abertura repentina dela válvula usualmente no es tan excesiva.

4. Las operaciones inapropiadas o la incor-poración de dispositivos de protección delas oscilaciones de presión pueden hacermás daño que beneficio. Un ejemplo es elexceder el tamaño de la válvula de aliviopor sobre-presión o la selección inapropia-da de la válvula liberadora de aire/vacío.Otro ejemplo es el tratar de incorporaralgunos medios de prevención del golpede ariete cuando este no es un problema.

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Una columna de agua actúa como un tren decarga parando repentinamente cuando unaválvula de salida es cerrada repentinamente.

Figura 1 – Ilustración del Golpe de arieteFuente: Pickford, John. 1969. Analysis of Water Surge.Gordon and Breach Science Publishers.

Tecnología en Breve • Golpe de Ariete

Encontrando Soluciones Prácticas

La oscilación de presión debe ser incorporadajunto con la presión de operación durante eldiseño de la tubería. Las recomendaciones yrequerimientos con respecto a presiones de lasoscilaciones permisibles están dados en losestándares y manuales para la práctica deabastecimiento de agua de los TrabajosAmericanos de Agua (AWWA, siglas en inglés) yvarían dependiendo del tipo de tubería uti-lizada. Las siguientes son algunas herramien-tas para reducir los efectos del golpe de ariete:

Válvulas El golpe de ariete usualmente daña a lasbombas centrífugas cuando la energía eléctricafalla. En esta situación, la mejor forma de pre-vención es tener válvulas controladasautomáticamente, las cuáles cierran lenta-mente. (Estas válvulas hacen el trabajo sinelectricidad o baterías. La dirección del flujolos controla). Al cerrarse la válvula lentamentese puede moderar el aumento en la presión

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cuando las ondas de sobre-presión del aguade abajo—resultando del cierre de la válvula—regresan del tanque de almacenamiento.

El aire arrastrado o los cambios de tempera-tura del agua pueden ser controlados por laválvula de descarga de la presión, los cualesestán fijados para abrir con presión excesivaen la línea y luego se cierran cuando la pre-sión cae. Las válvulas de descarga son común-mente usadas en estaciones de bombeo paracontrolar la oleada de presión y proteger laestación de bombeo. Estas válvulas puedenser un método efectivo de control transitorio.Sin embargo, deben ser propiamente clasifi-cadas y seleccionadas para realizar la tareapara la que están previstas sin producir efec-tos secundarios.

Si la presión pudiera bajar en los puntos ele-vados, una válvula liberadora de aire y devacío debe ser usada. Todos los descensosdonde las presiones pudieran bajar muchodeben ser protegidas con válvulas liberadoras

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(a) Válvula en posición abierta.

(b) La válvula está cerrada. Una onda depresión se mueve agua arriba con veloci-dad “a”. Al mismo tiempo el agua aúnentra a la tubería con velocidad Vo .

(c) El frente de la onda continúa agua arribahasta que alcanza el final tomando untiempo L/a para alcanzarlo. El tiempo2L/a es conocido como el “periodo” dela tubería µ.

(d) Si la cantidad total del agua que entra ala tubería durante este tiempo 1/2 µ es ∆Ventonces debido a que se está moviendocon velocidad Vo , ∆V = 1/2 Vo Aµ. Este volu-men total extra de agua está ocupandoel espacio (AxL) donde A es la seccióntransversal de la tubería. El incremento depresión resultante o la presión del “golpede ariete” es P = K x (∆V/∆L).

Figura 2- Cierre Repentino de la VálvulaFuente: Pickford, John. 1969. Analysis of Water Surge.Gordon and Breach Science Publishers.

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de aire. Las válvulas liberadoras de aire siestán apropiadamente clasificadas y dimen-sionadas, pueden ser el medio menos costosopara proteger el sistema de tuberías. Unaválvula liberadora de aire deberá ser lo sufi-cientemente larga para admitir suficientescantidades de aire durante las oscilaciones depresión aguas abajo y para que la presión enlas tuberías no baje mucho. Sin embargo, nodeberá ser tan larga que contenga un gran volu-men de aire innecesario, porque este airetendrá que ser ventilado lentamente, incre-mentando el tiempo muerto del sistema. Eltamaño de la válvula de descarga de aire es,como se ha mencionado, crítico.

BombaLos problemas de operación en el arranque dela bomba pueden usualmente ser evitadosincrementando el flujo en la tubería lenta-mente hasta colapsar o desalojar los espaciosde aire suavemente. Incluso, un simple mediopara reducir las oscilaciones hidráulicas depresión es el mantener bajas velocidades enla tubería. Esto no solo resultará en oscila-ciones bajas de presión, sino también resul-tará en bajos niveles de caballos de fuerzadurante la operación, y así, conseguir unamáxima economía de operación.

Tanque de OscilaciónEn tuberías muy largas, las oscilacionespueden ser liberadas con un tanque de aguadirectamente conectado a la tubería llamado“tanque de oscilación”. Cuando la oscilación esencontrada, el tanque actuará para liberar lapresión, y poder almacenar el líquido excesivo,dando al flujo un almacenamiento alternativomejor que el proporcionado por la expansiónde la pared de la tubería y compresión delfluido. Los tanques de oscilación pueden servirpara ambos, fluctuaciones positivas y negati-vas. Estos tanques de oscilación tambiénpueden ser diseñados para proporcionar flujoal sistema durante una oscilación agua abajo,de esta manera previene o minimiza la sepa-ración de la columna de vapor. Sin embargo,los tanques de oscilación pueden ser un dis-positivo de control costoso.

Cámara de AireLas cámaras de aire son instaladas en áreasdonde se puede encontrar el golpe de arietefrecuentemente, y típicamente pueden ser

vistos detrás de accesorios de los lavabos y latina de baño. De forma fina como botellas vol-teadas al revés y con un pequeño orificioconectado a la tubería, están llenos de aire. Elaire se comprime para absorber el choque,protegiendo a los accesorios y a la tubería.

Conclusión

El golpe de ariete continuará desafiando aingenieros, operadores, y directores de sis-temas de agua porque está asociado con sis-temas que no pueden ser definidosexactamente debido al tamaño y largo del sis-tema de distribución de agua con un perfilondulante o por la falta de definición de loscomponentes del sistema tales como las válvu-las o las bombas. Existe una necesidad de unacercamiento más práctico mientras que lainvestigación continúa proporcionandomejores descripciones de la física del golpe deariete y mientras que las soluciones computa-cionales proporcionen herramientas más útilesque incluyan esos principios.

¿Dónde puedo encontrar mayor informa-ción?

Kroon, J. R., M. A. Stoner, and W. A. Hunt.1984. “Water Hammer: Causes and Effects.”Journal of the American Water WorksAssociation. 76: 39–45.

National Drinking Water Clearinghouse. 2001.“Ask the Experts.” On Tap. Vol. 1, Issue 3:10–11.

Parmakian, J. 1963. Waterhammer Analysis.Dover Publications.

Sharp, B.B. and D. B. Sharp. 1996. WaterHammer: Practical Solutions. New York:Halsted Press.

Weis, F. 1996. “Dispelling CommonMisconceptions about Water Hammer.”Water Engineering and Management. 143:24–30.

Wood, D. J. 2002. SURGE2000 Software.(Modeling water hammer in pipes and awide range of hydraulic and surge protec-tion devices are addressed). CivilEngineering Software Center, University ofKentucky Lexington, KY.

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