Water hammer in piping system ( Part 1)

1. Che cos’è il colpo d’ariete?

Colpo d’ariete è un aumento di pressione o onda risultante quando un fluido in movimento è costretto a fermarsi o modificare la velocità.,

Un colpo d’ariete si verifica comunemente quando una valvola si chiude improvvisamente all’estremità di un sistema di tubazioni e un’onda di pressione si propaga nel tubo. È anche chiamato shock idraulico.

Un’onda d’urto di pressione significativa, quasi istantanea, può essere generata quando una valvola si apre o si chiude troppo rapidamente, o quando una pompa inizia con una linea di scarico vuota o si spegne improvvisamente. Questo fenomeno è il risultato dell’improvviso cambiamento di velocità del flusso del fluido in combinazione con le caratteristiche della tubazione., Questa onda d’urto si manifesta con una serie di suoni simili a colpi di martello, chiamati colpi d’ariete, che possono avere una magnitudine suffciente per causare guasti catastrofici all’interno del sistema di tubazioni.

Più capire:

• Considerare un AB tubo lungo come mostrato in seguito Fig. collegato ad un’estremità ad un serbatoio contenente acqua ad un’altezza di H dal centro del tubo.
• All’altra estremità del tubo, viene fornita una valvola per regolare il flusso dell’acqua. Quando la valvola è completamente aperta, l’acqua scorre con una velocità – V nel tubo., Se ora la valvola viene improvvisamente chiusa, la quantità di moto dell’acqua che scorre verrà distrutta e di conseguenza verrà impostata un’onda di alta pressione.
• Questa onda di alta pressione sarà trasmessa lungo il tubo con una velocità pari alla velocità dell’onda sonora e può creare rumore chiamato knock-ing. Anche questa ondata di alta pressione ha l’effetto di martellare l’azione sulle pareti del tubo e quindi è anche conosciuta come colpo d’ariete.

2. Quando si verifica il colpo d’ariete & Causa?,

– Colpo d’ariete comunemente si verifica quando una valvola è chiusa improvvisamente ad una fine di un sistema di tubazioni, mancanza di corrente, interruzioni principali, pompa start-up e le operazioni di spegnimento, valvola di ritegno slam, rapida variazione della domanda, apertura e chiusura di idranti e un’onda di pressione si propaga nel tubo ecc.

– Altre cause di colpo d’ariete sono il guasto della pompa e lo slam della valvola di ritegno (a causa di una decelerazione improvvisa, una valvola di ritegno può chiudersi rapidamente, a seconda della caratteristica dinamica della valvola di ritegno e della massa d’acqua tra una valvola di ritegno e il serbatoio).,

– Se il tubo viene improvvisamente chiuso o aperto all’uscita (a valle), la massa d’acqua prima della chiusura si muove ancora in avanti con una certa velocità, accumulando un’alta pressione e onde d’urto e rumore di martellamento. Il colpo d’ariete può causare la rottura delle tubazioni se la pressione è abbastanza alta. – > per evitare questo, trappole d’aria o tubi di supporto (aperti in alto) vengono talvolta aggiunti come ammortizzatori ai sistemi idrici per fornire un cuscino per assorbire la forza dell’acqua in movimento al fine di evitare danni al sistema., (In alcune centrali idroelettriche quello che sembra essere una torre d’acqua è in realtà uno di questi dispositivi, noto come un tamburo di sovratensione).

– D’altra parte, quando una valvola in un tubo è chiuso, l’acqua a valle della valvola tenterà di continuare a scorrere, creando un vuoto che può causare il tubo di collassare o implodere. Questo problema può essere particolarmente acuto se il tubo si trova su un pendio in discesa., – > Per evitare ciò, le valvole di sfiato dell’aria e del vuoto, o prese d’aria, sono installate appena a valle della valvola per consentire all’aria di entrare nella linea e impedire che questo vuoto si verifichi.

– Apertura o chiusura improvvisa di valvole in una tubazione.

– Avvio o arresto delle pompe in un sistema di pompaggio.

– Errori di funzionamento o malfunzionamento delle apparecchiature. Elettricità spenta.

– Orifizio limitatore:

– Il funzionamento improprio dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni può fare più male che bene., Un esempio è il sovradimensionamento della valvola di sfiato o la selezione impropria dell’interruttore a vuoto-valvola di sfiato dell’aria.

3. Effetto:

4. Prevenire / evitare:

a) Le velocità del fluido superiori al valore piedi al secondo (è calcolato in base alla progettazione ) nei sistemi di tubazioni in plastica aumentano l’effetto di shock idraulico risultante dall’avviamento e dall’arresto delle pompe e dalla rapida apertura e chiusura delle valvole. Velocità del fluido non superiore a piedi valore al secondo (è calcolato in base alla progettazione ) è considerato sicuro, e ridurrà al minimo gli effetti del colpo d’ariete.,

b) Installare le valvole limitatrici di pressione per smorzare gli effetti del colpo d’ariete e alleviare la pressione e il flusso in eccesso.

c) Le valvole azionate a chiusura lenta devono essere installate per controllare la velocità alla quale le valvole si aprono e si chiudono. Possono essere controllati elettricamente o pneumaticamente, eliminando le possibilità di errore umano.

BUONE PRESTAZIONI DELLA VALVOLA:
Funzionamento lento: rallentare il funzionamento della valvola aumentando il tempo di corsa è un buon modo per prevenire colpi d’ariete., L’unico modo preciso per calcolare il tempo minimo di corsa è fare un modello transitorio del sistema, comprese le caratteristiche corrette della valvola (Cv contro angolo di chiusura) e quindi modellare tempi di corsa diversi fino a trovare un limite. Gli attuatori possono essere rallentati per ottenere il tempo di chiusura sicuro calcolato. Le valvole manuali possono essere dotate di riduttori in modo che non sia possibile per un operatore chiuderle improvvisamente. Questo dovrebbe sempre essere fatto in situazioni vulnerabili piuttosto che fare affidamento su “buone pratiche operative”.,
Buone caratteristiche: Le valvole possono essere realizzate con diverse curve caratteristiche. Molte valvole hanno curve scarse dal punto di vista dell’impennata e rallentano poco il liquido durante la maggior parte del loro viaggio, ma poi causano un rapido cambiamento nel flusso mentre si avvicinano alla chiusura, ad esempio il tipo “apertura rapida”. La protezione contro le sovratensioni richiede cambiamenti regolari nella velocità, e quindi tali valvole non sono benvenute nei sistemi suscettibili di problemi di sovratensione. La curva ideale di Cv rispetto alla posizione della valvola dipende dalla proporzione della caduta di pressione che si verifica attraverso la valvola quando il flusso è normale., Questo è mostrato in Figura 6. Per una progettazione tipica, dove la caduta di pressione della valvola è circa 10% – 20% della caduta di pressione di attrito totale, una caratteristica curva (la curva più bassa) dà il flusso desiderato contro il modello di posizione della valvola. Il rivestimento della valvola noto come tipo “percentuale uguale” corrisponde al meglio a questo. Ciò dà quindi una diminuzione abbastanza lineare della portata man mano che la valvola si chiude, e quindi il rallentamento del liquido viene condiviso in modo più uniforme attraverso la corsa della valvola. Questo è l’ideale per la prevenzione delle sovratensioni e il tempo di corsa della valvola può essere ridotto al minimo utilizzando una tale caratteristica della valvola.,

INERZIA DELLA POMPA
Arresto improvviso di una pompa, a causa di un guasto della pompa o un guasto della fornitura di energia elettrica, non è possibile evitare assolutamente. A seconda delle conseguenze di un viaggio, potrebbe essere auspicabile aumentare l’inerzia della pompa in modo che il suo tasso di rallentamento sia ridotto. Questo a volte può essere fatto montando un motore sovradimensionato, ma se questo non è possibile è necessario montare un volano tra il motore e la pompa. Questo potrebbe sembrare un arrangiamento insolito, ma è stato usato in molte occasioni.,

MATERIALE COMPRIMIBILE NEL TUBO
Un ulteriore modo per prevenire colpi d’ariete è quello di aumentare la comprimibilità del liquido iniettando un gas nel flusso. Le bolle di gas aumentano efficacemente la compressibilità, quindi diminuiscono la velocità dell’onda e diminuiscono le dimensioni di eventuali problemi di sovratensione. L’onda
celeric può essere ridotta fino al 90% aggiungendo appena l ‘ 1% in volume di aria in un tubo. Tuttavia, può essere costoso organizzare in modo affidabile e non è una soluzione usuale., Va ricordato che ogni volta che la velocità d’onda è diminuita, il beneficio della testa Joukowski ridotta (equazione 1) deve essere compensato con la lunghezza ridotta del tubo che è consentita senza incorrere in problemi di sovratensione (ri-organizzare equazione 2).

d) Dispositivi per la protezione dal colpo d’ariete:

Vedere la parte successiva per saperne di più su:

5. COME SI POSSONO EVITARE LE CONSEGUENZE DEL COLPO D’ARIETE?

6. COME ANALIZZARE UN SISTEMA DI TUBAZIONI PER IL RISCHIO DI COLPO D’ARIETE?

7., Sommario su Water hammer:

Pls vedere la prossima parte: Water hammer in piping system (Parte 1)