Golpe de ariete: Datos Clave y Estrategias de Prevención

¿Cómo afecta el golpe de ariete, también conocido como choque hidráulico, a las bombas y válvulas? Este fenómeno puede tener consecuencias importantes para los sistemas industriales, afectando a su rendimiento general y longevidad.

Las paradas imprevistas, las reparaciones costosas y la ineficacia del sistema son repercusiones habituales de los problemas relacionados con los golpes de ariete. Sin embargo, comprender sus causas y aplicar medidas preventivas puede garantizar un funcionamiento más fluido.

¿Cuál es la causa principal de un golpe de ariete?

La causa principal de un golpe de ariete es un cambio brusco en la velocidad del fluido dentro de un sistema de tuberías. Este cambio brusco puede desencadenarse por sucesos como el cierre o la apertura rápida de válvulas, el arranque o la parada de bombas o la liberación repentina de aire atrapado. Estas acciones crean ondas de presión que viajan a través del fluido, causando aumentos de presión significativos y potencialmente dañinos.

Golpes de ariete en bombas y componentes del sistema

El golpe de ariete es un fenómeno crítico que afecta a las bombas y a diversos componentes del sistema, pudiendo causar grandes daños e ineficiencias operativas.

Para bombas rotodinámicas (centrífugas), la predicción de los efectos de los arranques de la bomba es relativamente sencilla, facilitada por la comprensión de la inercia rotacional (ωr2) y la aplicación de la segunda ley del movimiento de Newton. Sin embargo, predecir el comportamiento transitorio durante el arranque de la bomba puede ser más complejo debido a la implicación de la dinámica del motor/conductor. En estos cálculos es esencial disponer de datos precisos sobre el rendimiento de la bomba, incluidos los datos de la bomba de cuatro cuadrantes, para garantizar un análisis correcto y medidas preventivas adecuadas.

Las bombas de desplazamiento positivo (PD) introducen otro nivel de complejidad, ya que los datos disponibles para predecir los golpes de ariete transitorios son limitados. Los ingenieros suelen suponer un caudal en estado estacionario y consideran el cambio lineal del caudal con el tiempo. Es práctica común basarse en los tiempos anecdóticos de disparo o arranque de los fabricantes para calibrar la respuesta del sistema, reconociendo que las suposiciones pueden oscilar entre 1 y 5 segundos.

El funcionamiento de las válvulas, especialmente las de estrangulamiento, contribuye en gran medida a los golpes de ariete. Comprender el perfil de la válvula a lo largo del tiempo es fundamental para predecir las sobrepresiones. Seleccionando cuidadosamente los tipos de válvulas y mecanismos de accionamiento que favorezcan pendientes de cierre suaves, puede reducirse drásticamente el riesgo de que se produzcan golpes de ariete perjudiciales. Además, los diseños innovadores de válvulas, como el uso de dos válvulas en paralelo, pueden mitigar aún más las sobrepresiones y mejorar la resistencia general del sistema.

¿Cuándo debo preocuparme por el golpe de ariete?

Hay que preocuparse por el golpe de ariete cuando se perciben ruidos fuertes en las tuberías, fallos frecuentes de válvulas o bombas, o movimientos visibles de las tuberías. Estos síntomas indican que se están produciendo golpes de ariete, que pueden provocar daños importantes en el sistema de tuberías, como la rotura de tuberías, fugas y el deterioro de la integridad estructural. Los golpes de ariete son especialmente preocupantes en los sistemas que manipulan fluidos peligrosos, donde las fugas podrían suponer riesgos para la seguridad. La supervisión y el mantenimiento periódicos, junto con la aplicación de estrategias de supresión de sobrepresiones, como la instalación de un supresor de golpes de ariete, pueden ayudar a mitigar estos riesgos.

Disparos y arranques de la bomba rotatoria

Las bombas rotodinámicas, en particular las centrífugas, presentan comportamientos únicos durante los arranques y paradas que influyen significativamente en la aparición de golpes de ariete. Comprender estos comportamientos es crucial para mitigar los posibles problemas.

Los disparos de las bombas son más fáciles de predecir que sus arranques, en los que a menudo influyen factores como la dinámica del flujo de agua. Esta previsibilidad se deriva del cierre de las válvulas antirretorno en la descarga.

Durante un disparo de la bomba, la unidad empieza a girar hacia abajo, lo que requiere conocer o estimar la inercia rotacional para predecir la velocidad de la bomba a lo largo del tiempo. Esta ralentización puede provocar problemas importantes si se produce flujo inverso.

En escenarios sin válvulas antirretorno, como tuberías ascendentes u operaciones de bombeo en paralelo, el flujo inverso o la rotación pueden producirse después del disparo. 

Predicción de la parada de la bomba

Predecir el giro hacia abajo de la bomba implica comprender la energía cinética de la bomba, detallada en su inercia rotacional.

Para modelar con precisión este proceso de giro hacia abajo, debe cuantificarse o estimarse la inercia rotacional, comúnmente denotada como ωr². La recopilación de estos datos permite realizar cálculos precisos de la velocidad a la que se ralentiza la bomba con el paso del tiempo.

Tanto los modelos teóricos como los datos empíricos son esenciales para crear predicciones fiables.

Inercia rotativa y equilibrio del par

Comprender la inercia rotacional y el equilibrio del par es crucial para predecir la dinámica de las bombas durante los transitorios. Unos cálculos precisos garantizan la estabilidad y longevidad del sistema de bombeo.

En los viajes de la bomba, la inercia rotacional (ωr²) dicta la velocidad de desaceleración. Junto con el equilibrio de par, los ingenieros pueden modelar con precisión el comportamiento de giro hacia abajo de la bomba.

La inercia rotacional influye en el rendimiento de una bomba durante eventos transitorios, evitando fallos en el sistema.

Los modelos teóricos combinados con datos empíricos permiten realizar predicciones fiables. La medición precisa de la inercia rotacional es necesaria para minimizar los problemas de flujo inverso durante las paradas de la bomba. El control óptimo del par garantiza una respuesta suave.

Flujo inverso y rotación en bombas

El flujo inverso y la rotación en las bombas surgen como preocupaciones significativas durante eventos transitorios como disparos de bombas u operaciones de bombas en paralelo. Estos fenómenos pueden provocar graves complicaciones operativas y daños en los equipos.

Es esencial prever y gestionar adecuadamente el flujo inverso.

Los ingenieros adquieren datos de cuatro cuadrantes de la bomba, una métrica de rendimiento exhaustiva en condiciones variables de caudal y velocidad de rotación, para abordar eficazmente las condiciones de flujo inverso. Analizan estos datos para garantizar que los componentes de la bomba puedan soportar estas presiones.

La aplicación de medidas preventivas, como la instalación de válvulas antirretorno u otras modificaciones de diseño, puede mitigar el riesgo de flujo inverso perjudicial. Al abordar estos posibles problemas de forma proactiva, los ingenieros garantizan la resistencia y fiabilidad de los sistemas de bombeo, manteniendo así un rendimiento óptimo a pesar de las fluctuaciones en la presión del agua.

Transitorios de bombas de desplazamiento positivo

Las bombas de desplazamiento positivo se comportan de forma diferente a las bombas centrífugas durante los eventos transitorios.

En 2016, Arun Blanding y su equipo llevaron a cabo una importante investigación sobre el impacto de las pulsaciones de las bombas de desplazamiento positivo. Sus hallazgos pusieron de relieve que la respuesta de cada bomba a los transitorios varía en función de su diseño mecánico.

La predicción de los golpes de ariete transitorios de estas bombas puede resultar compleja, sobre todo por la falta de datos detallados sobre su rendimiento. A diferencia de las bombas centrífugas, las bombas de desplazamiento positivo se ven menos afectadas por la inercia del caudal, pero sus rápidos arranques y paradas siguen induciendo transitorios significativos.

Los ingenieros deben tener en cuenta la inercia mecánica de los componentes móviles de la bomba para predecir con exactitud el comportamiento transitorio. Los fabricantes suelen proporcionar tiempos de arranque y disparo anecdóticos, pero siempre es aconsejable un análisis detallado.

Comprender estos factores permite realizar cálculos de sobrepresión más precisos y mejorar el diseño de los sistemas.

Válvulas de golpe de ariete y estrangulamiento

Las válvulas de estrangulamiento, a menudo accionadas por motor o neumáticamente, son una causa importante de los golpes de ariete en muchos sistemas.

En 2018, varios estudios exhaustivos confirmaron que la naturaleza inherente de estas válvulas puede inducir importantes eventos transitorios. El rápido cambio en los caudales debido a la estrangulación crea ondas de presión que reverberan por el sistema, provocando golpes de ariete.

Por lo tanto, es esencial comprender las características de la válvula para mitigar su impacto. Comprender el perfil de la válvula a lo largo del tiempo ayuda a los ingenieros a predecir y gestionar eficazmente las posibles sobrepresiones.

La evaluación de diferentes tipos de válvulas, como se muestra en la Fig. 3, revela distintos perfiles de Cv que pueden influir de forma diferente en los eventos de sobrepresión. Adaptar el perfil de cierre de la válvula puede reducir significativamente las presiones de sobrepresión.

Unas características de control y una programación adecuadas de los actuadores de las válvulas también pueden reducir los efectos del golpe de ariete.

Análisis del perfil Cv de la válvula

El análisis del perfil Cv de la válvula implica comprender cómo cambia el coeficiente de caudal con la posición de la válvula. Este análisis es crucial porque los distintos diseños de válvula presentan características de Cv únicas, lo que influye en el comportamiento de sobrepresión del sistema.

Además, al evaluar la influencia del actuador en la posición de la válvula, los ingenieros pueden predecir y controlar eficazmente las sobrepresiones. Para ello es necesario examinar detenidamente la dinámica de desplazamiento del actuador e integrarla en el análisis global.

Impacto de los tipos de válvulas

Los distintos tipos de válvulas presentan características únicas que pueden influir significativamente en la dinámica del golpe de ariete.

1. Válvulas de bola: Proporcionan un perfil Cv lineal pero pueden provocar cambios bruscos de presión si se cierran rápidamente.
2. Válvulas de globo: Ofrecen un perfil Cv más gradual, lo que conduce a transiciones de presión más suaves.
3. Válvulas de mariposa: Tienen un perfil Cv no lineal que puede inducir presiones de sobrepresión variables durante el funcionamiento.
4. Válvulas de compuerta: A menudo producen fuertes caídas de presión debido a su cierre lineal, aumentando potencialmente los efectos del golpe de ariete.

Comprender estas características ayuda a los ingenieros a seleccionar y programar las válvulas para minimizar los efectos adversos.

Utilizar el tipo de válvula y el actuador adecuados puede optimizar el rendimiento y la seguridad del sistema al mitigar los golpes de ariete.

Tipos de actuadores y efectos

Los actuadores que controlan las posiciones de las válvulas influyen significativamente en la gestión de los fenómenos de golpe de ariete. Sus tipos y perfiles de movimiento dictan los perfiles Cv a lo largo del tiempo.

• Actuadores eléctricos: Ofrecen un control preciso y programable que permite optimizar el funcionamiento de las válvulas.
• Actuadores neumáticos: Utilizan aire comprimido para una respuesta rápida, pero pueden requerir sistemas de amortiguación adicionales.
• Actuadores hidráulicos: Proporcionan un accionamiento potente y suave, ideal para sistemas grandes o críticos que requieren un control preciso.
• Actuadores manuales: Fiables y sencillos, pero carecen de precisión y control de velocidad.

La elección del tipo de actuador influye en la eficacia operativa de la válvula y en la capacidad general del sistema para soportar picos de presión.

Al comprender y seleccionar el actuador adecuado, los ingenieros pueden mitigar eficazmente los riesgos del golpe de ariete y mejorar la fiabilidad del sistema.

Perfil Cv al cierre de la válvula

Comprender el perfil Cv al cierre de la válvula es crucial para gestionar eficazmente las presiones del golpe de ariete. Las características de este perfil influyen significativamente en las presiones de sobrepresión.

• Tipos de perfil: Las distintas válvulas presentan perfiles de cierre únicos.
• Impacto en la presión: los perfiles empinados cerca del cierre suelen provocar presiones de sobrepresión más elevadas.
• Estrategias de mitigación: El ajuste de la velocidad del actuador y el uso de sistemas de doble válvula pueden optimizar los perfiles Cv.

El conocimiento técnico de estos perfiles ayuda a reducir los posibles daños causados por los golpes de ariete. Un modelado preciso puede predecir y prevenir presiones excesivas.

Golpe de ariete y válvulas antirretorno

Las válvulas antirretorno son fundamentales en los sistemas de fluidos.

Cuando se produce un golpe de ariete, las válvulas antirretorno pueden contribuir significativamente a las sobrepresiones. El cierre brusco de estas válvulas puede provocar golpes de ariete graves que dañen o averíen el sistema debido a la presión excesiva del agua. Las válvulas antirretorno oscilantes son especialmente conocidas por su tendencia a generar picos de presión elevados, lo que las convierte en opciones menos favorables en sistemas propensos a los golpes de ariete.

Los ingenieros deben evaluar cuidadosamente el comportamiento de las válvulas de retención.

Existen dos enfoques para predecir las respuestas de las válvulas de retención. Un método consiste en estimar las velocidades de cierre basándose en datos empíricos. El otro método aplica principios fundamentales para calcular el movimiento, lo que garantiza la precisión.

Los avances en la tecnología de válvulas han permitido desarrollar válvulas antirretorno más fiables. Los diseños modernos pretenden reducir el impacto del golpe de ariete proporcionando cierres más suaves y datos de rendimiento mejorados para un análisis preciso. Al utilizar estas innovaciones, los sistemas pueden lograr una mejor protección contra los daños inducidos por los golpes de ariete.

Predicción del comportamiento de las válvulas de retención

Comprender cómo responden las válvulas de retención a los golpes de ariete es crucial para mantener la integridad del sistema. Existen dos métodos principales para predecir el comportamiento de las válvulas de retención: la estimación empírica y el cálculo del movimiento fundamental, cada uno con sus ventajas específicas en cuanto a precisión.

Los avances tecnológicos han mejorado considerablemente el diseño de las válvulas de retención. Estas innovaciones reducen los efectos adversos de los golpes de ariete, proporcionando cierres más suaves y mejorando la fiabilidad en sistemas propensos a sobrepresiones.

Estimación de la velocidad de cierre de la válvula de retención

La estimación de la velocidad de cierre de las válvulas de retención es fundamental para predecir las características del golpe de ariete y garantizar la eficacia del sistema. En particular, una estimación precisa ayuda a mitigar los daños potenciales causados por cierres bruscos.

Los ingenieros utilizan principalmente datos empíricos o métodos analíticos. Utilizar datos de válvulas similares es un enfoque muy extendido.

En los métodos analíticos se aplican principios fundamentales como los cálculos de par y equilibrio de fuerzas. Estos principios proporcionan una proyección precisa del movimiento de la válvula durante el cierre, mejorando la fiabilidad y seguridad del sistema.

La elección del método adecuado depende de los datos disponibles y de los requisitos del sistema. Los métodos empíricos son más rápidos y dependen de conjuntos de datos preexistentes, mientras que los métodos analíticos ofrecen una comprensión detallada y específica del sistema, crucial para aplicaciones personalizadas. Ambos enfoques desempeñan un papel integral en la optimización de las estrategias de prevención de golpes de ariete, teniendo en cuenta la presión del agua.

Cálculos fundamentales del movimiento de las válvulas

Los cálculos fundamentales del movimiento de las válvulas se basan en gran medida en la aplicación de principios dinámicos como los balances de par y los análisis de equilibrio de fuerzas para predecir con precisión los movimientos de las válvulas. Estos cálculos, aunque complejos, constituyen un componente crítico para mitigar los posibles efectos de sobrepresión inducidos por el golpe de ariete.

La predicción precisa del movimiento de las válvulas es esencial para diseñar sistemas de tuberías fiables. Unos cálculos de movimiento adecuados garantizan que las válvulas funcionen sin problemas durante los transitorios.

Los ingenieros suelen emplear la mecánica newtoniana para estos cálculos. Esto implica evaluar las fuerzas que actúan sobre los componentes de la válvula y sus movimientos resultantes durante el funcionamiento.

Se pueden generar perfiles de movimiento detallados mediante sofisticados modelos computacionales. Estos perfiles ayudan a comprender el impacto de los movimientos de las válvulas en la estabilidad general del sistema.

El examen de los efectos de las distintas velocidades y posiciones de los actuadores forma parte de este proceso. Este enfoque orientado al detalle permite optimizar el rendimiento de las válvulas y reducir los golpes de ariete.

En general, el objetivo es garantizar que las válvulas no introduzcan cambios bruscos de presión. Estos meticulosos cálculos de movimiento constituyen la espina dorsal de una gestión eficaz de las sobrepresiones en entornos de tuberías complejos.

Causas de los golpes de ariete

Los golpes de ariete se producen principalmente por cambios bruscos en la velocidad del flujo de agua dentro de un sistema de tuberías. Estos cambios bruscos pueden deberse a varios factores:

1. Cierre o apertura rápida de válvulas: Cuando una válvula se cierra o se abre rápidamente, puede provocar una parada o un arranque brusco del flujo de fluido, creando una onda de presión que se desplaza por el sistema. La velocidad a la que funciona la válvula y su perfil Cv influyen significativamente en la magnitud de la sobrepresión
2. Arranques y paradas de la bomba: El inicio o cese del funcionamiento de la bomba puede provocar cambios rápidos en la velocidad del fluido. Durante el arranque de la bomba, el motor añade par, lo que complica la predicción del aumento de velocidad con el tiempo. Por el contrario, durante las paradas de la bomba, la inercia de la bomba y la presencia o ausencia de válvulas de retención desempeñan un papel crucial en el aumento de presión resultante.
3. Cierre brusco de válvulas antirretorno: Las válvulas antirretorno, especialmente las válvulas antirretorno de vaivén, pueden provocar importantes picos de presión cuando se cierran de golpe debido al flujo inverso. La velocidad a la que se cierra la válvula y las características del tipo de válvula son factores críticos.
4. Válvulas de estrangulamiento: Las válvulas de estrangulamiento, ya sean de accionamiento manual o automático, pueden inducir picos de presión en función de su perfil Cv a lo largo del tiempo. La interacción entre la posición de la válvula y el movimiento del actuador es esencial para determinar los picos de presión resultantes.
5. Cavitación transitoria: Cuando la presión del fluido desciende hasta la presión del vapor, se forman cavidades de vapor que posteriormente se colapsan, provocando picos de presión. Este fenómeno, conocido como cavitación transitoria, puede exacerbar los efectos del golpe de ariete.
6. Aire atrapado y liberado: El aire atrapado en el sistema puede provocar picos de presión cuando se libera repentinamente. La presencia de aire puede alterar la velocidad de las ondas del fluido, afectando al momento y la magnitud de las ondas de presión.

Comprender estas causas es crucial para diseñar estrategias eficaces de supresión de sobrepresiones y garantizar la integridad y seguridad del sistema de tuberías.

Opciones de supresión de sobrepresiones

Durante la fase de diseño, los ingenieros tienen a su disposición una serie de opciones de supresión de sobrepresiones, cada una de las cuales mejora la resistencia del sistema frente al golpe de ariete. Utilizar tuberías de mayor diámetro, optar por tuberías con velocidades de onda más bajas y gestionar cuidadosamente el comportamiento de las bombas y válvulas a lo largo del tiempo, así como instalar un supresor de golpes de ariete, pueden reducir significativamente las presiones de sobrepresión. Incorporando estas opciones con buen criterio, los ingenieros pueden crear sistemas de tuberías más robustos, capaces de gestionar los cambios transitorios de presión con facilidad y fiabilidad.

Mitigación de las sobrepresiones

Mitigar los picos de alta presión en los sistemas de tuberías es crucial, ya que los picos no controlados pueden provocar fallos catastróficos, paradas operativas y mayores costes de mantenimiento.

La gestión eficaz de los picos de alta presión garantiza la longevidad del sistema.

Uno de los principales métodos consiste en incorporar recipientes de compensación, que absorben y disipan las ondas de presión.

Además, las válvulas de alivio de sobrepresión desempeñan un papel vital en la prevención de la acumulación excesiva de presión.

Estas válvulas deben ser cuidadosamente dimensionadas y colocadas estratégicamente para adaptarse a diversos escenarios de funcionamiento, minimizando el riesgo de "vibraciones" y picos de presión involuntarios.

Por último, la selección de tuberías más elásticas, como las de PVC, puede reducir significativamente la velocidad de las olas, mejorando la capacidad del sistema para gestionar eficazmente los picos de presión.

Mitigación de los golpes de ariete

Mitigar eficazmente los picos de baja presión en los sistemas de tuberías es esencial para mantener la estabilidad operativa y evitar posibles daños.

Unas válvulas de vacío neumáticas correctamente diseñadas pueden ayudar significativamente a gestionar las condiciones de baja presión.

Estas válvulas controlan la tasa de reentrada de aire, minimizando el riesgo de separaciones de la columna de fluido y los subsiguientes eventos de sobrepresión.

Además, la incorporación de recipientes de sobrepresión estratégicamente dentro del sistema puede proporcionar la energía necesaria para evitar transitorios de baja presión, garantizando una red de tuberías equilibrada y con un funcionamiento óptimo. Mediante una planificación cuidadosa y la aplicación de estos métodos, los ingenieros pueden salvaguardar sus sistemas frente a los retos que plantean los picos de baja presión.

Fuerzas desequilibradas en las tuberías causadas por el golpe de ariete

Cuando se producen golpes de ariete transitorios, se generan fuerzas de desequilibrio temporales que afectan a la estabilidad de los sistemas de tuberías.

Estas fuerzas pueden hacer que las tuberías se muevan si no están bien sujetas, lo que provoca tensiones y momentos secundarios que pueden dañar las tuberías.

En 2016, Wilcox y Walters propusieron un enfoque integral que combina el análisis de sobrepresiones y el análisis de tensiones de tuberías, ofreciendo a los ingenieros metodologías sólidas para diseñar soportes de tuberías capaces de soportar eventos de golpes de ariete.

Esta metodología es esencial para cualquier sistema de tuberías, especialmente en industrias sensibles desde el punto de vista de la seguridad, donde las fugas pueden tener consecuencias catastróficas.

La consideración adecuada de estas fuerzas desequilibradas garantiza la integridad a largo plazo del sistema de tuberías.

¿Cómo evitar un golpe de ariete?

La prevención de los golpes de ariete implica la aplicación de varias estrategias para gestionar y mitigar los cambios bruscos de velocidad del fluido que provocan picos de presión. A continuación se indican pasos explícitos para prevenir el golpe de ariete:

1. Funcionamiento gradual de las válvulas: Asegúrese de que las válvulas se cierran y abren lentamente para evitar cambios bruscos en el caudal de fluido. El uso de válvulas con perfiles de cierre controlados, como las que tienen actuadores programables, puede ayudar a gestionar la velocidad de cierre.
2. Instalación de equipos de supresión de sobrepresiones: Depósitos de compensación: Utilice tanques de sobrepresión abiertos o cerrados para absorber y amortiguar las ondas de presión. Los tanques cerrados, a menudo precargados con gas, pueden comprimir y mitigar la energía de la sobrepresión.
3.  Acumuladores de gas: Estos dispositivos almacenan energía en forma de gas comprimido y la liberan lentamente, ayudando a suavizar las fluctuaciones de presión.
4. Válvulas de vacío de aire: Estas válvulas permiten la entrada de aire en el sistema durante los eventos de baja presión y lo liberan lentamente para evitar la separación de la columna de fluido y las sobrepresiones secundarias.
5. Utilice tubos de mayor diámetro: Las tuberías más grandes reducen la velocidad del fluido para un caudal determinado, minimizando así la posibilidad de que se produzcan picos de presión.
6. Seleccione tuberías con velocidades de onda más bajas: Los materiales como el PVC y el HDPE tienen velocidades de onda más bajas que las tuberías metálicas, lo que puede reducir la magnitud de los picos de presión.
7. Añadir volantes de inercia a las bombas: Los volantes de inercia pueden ralentizar la respuesta transitoria de las bombas, reduciendo la tasa de cambio en la velocidad del fluido durante los arranques y paradas de la bomba.
8. Implementar sistemas de alivio: Válvulas de alivio de sobrepresión: Estas válvulas se abren rápidamente para liberar el exceso de presión y se cierran lentamente para evitar nuevas sobrecargas.

Sistemas de contención de sobrecargas: En el caso de fluidos peligrosos, asegúrese de que los sistemas de alivio están diseñados para contener y manejar con seguridad el fluido liberado.

1. Mantenimiento y supervisión periódicos: Lleve a cabo una supervisión de transitorios de alta frecuencia y un mantenimiento periódico para identificar y abordar posibles problemas antes de que provoquen aumentos de presión significativos.
2. Consideraciones sobre el diseño: Durante la fase de diseño, utilice modelos informáticos de oleaje para predecir y mitigar posibles escenarios de oleaje. Asegúrese de que los soportes y las sujeciones de las tuberías están diseñados para soportar las fuerzas generadas por los golpes de ariete.

Aplicando estas estrategias, se puede prevenir eficazmente el golpe de ariete y proteger la integridad del sistema de tuberías.

¿Cómo se arregla un golpe de ariete?

Reparar un golpe de ariete implica abordar las causas subyacentes de los picos de presión del agua y aplicar medidas correctoras, como la instalación de un amortiguador de golpes de ariete, para mitigar sus efectos. Estos son los pasos explícitos para reparar un golpe de ariete:

1. Instale amortiguadores de golpes de ariete: Estos dispositivos absorben la onda de choque hidráulica creada por los cambios bruscos de velocidad del fluido. Suelen instalarse cerca de la fuente del golpe de ariete, como cerca de válvulas o bombas.
2. Ajustar el funcionamiento de la válvula:Ralentizar el cierre de la válvula: Modifique los actuadores de la válvula para garantizar un cierre más lento y controlado. Esto puede conseguirse utilizando válvulas con actuadores programables o ajustando manualmente la velocidad de cierre. 
3. Instale válvulas de estrangulación: Utilice válvulas estranguladoras con un perfil Cv suave para reducir el impacto de los cambios bruscos de caudal.
4. Añadir equipo de supresión de sobrepresiones: Depósitos de compensación: Instale tanques de sobrepresión abiertos o cerrados para absorber y amortiguar las ondas de presión. Los tanques de sobrepresión cerrados, precargados con gas, pueden comprimir y mitigar la energía de la sobrepresión. 
5. Acumuladores de gas: Estos dispositivos almacenan energía en forma de gas comprimido y la liberan lentamente, ayudando a suavizar las fluctuaciones de presión. Válvulas de vacío de aire: Instale válvulas de vacío de aire para permitir que el aire entre en el sistema durante los eventos de baja presión y lo libere lentamente para evitar la separación de la columna de fluido y las sobrepresiones secundarias.
6. Instale válvulas antirretorno con características de amortiguación: Sustituya las válvulas antirretorno estándar por otras diseñadas para cerrarse más lentamente o con características de amortiguación para evitar el golpe de ariete y los consiguientes picos de presión.
7. Utilice tuberías de mayor diámetro: Si es factible, sustituya las tuberías más pequeñas por otras de mayor diámetro para reducir la velocidad del fluido y minimizar la posibilidad de que se produzcan picos de presión.
8. Elija tuberías con menor velocidad de onda: Considere el uso de materiales como el PVC y el HDPE, que tienen velocidades de onda más bajas en comparación con las tuberías metálicas, para reducir la magnitud de los picos de presión.
9. Añadir volantes de inercia a las bombas: Instale volantes de inercia en las bombas para ralentizar su respuesta transitoria, reduciendo la tasa de cambio en la velocidad del fluido durante los arranques y paradas de la bomba.
10. Implementación de sistemas de alivio: Válvulas de alivio de sobrepresión: Instale válvulas de alivio de sobrepresión que se abran rápidamente para liberar el exceso de presión y se cierren lentamente para evitar nuevas sobrepresiones. 
11. Sistemas de contención de sobrepresión: En el caso de fluidos peligrosos, asegúrese de que los sistemas de alivio están diseñados para contener y manejar con seguridad el fluido liberado.
12. Mantenimiento y supervisión periódicos: Lleve a cabo una supervisión de transitorios de alta frecuencia y un mantenimiento periódico para identificar y abordar posibles problemas antes de que provoquen aumentos de presión significativos.
13. Refuerce los soportes de tuberías: Asegúrese de que los soportes y las sujeciones de las tuberías están adecuadamente diseñados para soportar las fuerzas generadas por los golpes de ariete. Esto puede implicar añadir o mejorar los soportes para evitar el movimiento y los daños de las tuberías.

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Siguiendo estos pasos, se puede reparar eficazmente un golpe de ariete y proteger la integridad del sistema de tuberías.

Casos reales y lecciones aprendidas

Estudio de un caso real: Sistema de desagüe de una empresa minera

Situación

Una empresa minera que explotaba una gran mina a cielo abierto se enfrentaba a graves problemas de golpes de ariete en su sistema de desagüe. El sistema se encargaba de eliminar las aguas subterráneas para mantener la zona minera seca y operativa.

Problemas

1. Frecuentes golpes de ariete: Las bombas de desagüe, que funcionaban de forma intermitente, provocaban importantes golpes de ariete durante los arranques y paradas debido a la elevada presión del agua. Estos golpes de ariete eran especialmente problemáticos en las largas tuberías utilizadas para transportar el agua fuera de la mina.
2. Fallos en los equipos: Los picos de presión provocaron frecuentes averías en bombas, válvulas y juntas de tuberías, lo que dio lugar a costosas reparaciones y sustituciones.
3. Tiempos de inactividad: La necesidad de mantenimiento frecuente provocó importantes tiempos de inactividad, lo que afectó a la productividad y eficiencia de la mina.
4. Preocupación por la seguridad: El riesgo de rotura de tuberías y fugas suponía un peligro para la seguridad de los trabajadores y podía provocar inundaciones en la zona minera.

Mantenimiento e implicaciones financieras

• Elevados costes de mantenimiento: La empresa incurrió en importantes gastos debido a la constante necesidad de reparaciones y sustituciones de equipos dañados.
• Tiempos de inactividad: El mantenimiento y las reparaciones frecuentes provocaban pérdidas de productividad y retrasos en las operaciones mineras.
• Riesgos para la seguridad: La posibilidad de que se produjeran roturas de tuberías y fugas suponía un grave riesgo para la seguridad, que podía acarrear multas reglamentarias y un aumento de las primas de los seguros.

Solución

La empresa minera aplicó un planteamiento polifacético para resolver los problemas del golpe de ariete, recurriendo a las mejores prácticas y a soluciones de ingeniería avanzadas.

1. Modificaciones en el control de bombas: La empresa instaló variadores de frecuencia (VFD) en las bombas de achique para controlar la velocidad de arranque y parada de las bombas. Esto permitió aumentar y disminuir gradualmente la velocidad de las bombas, reduciendo los cambios bruscos en la velocidad del fluido que provocaban picos de presión.
2. Instalación de tanques de compensación: A lo largo de la tubería se colocaron estratégicamente tanques cerrados precargados con nitrógeno para absorber y amortiguar las ondas de presión. Estos depósitos se diseñaron utilizando modelos informáticos de sobrepresión para garantizar que pudieran hacer frente a las situaciones de sobrepresión específicas del sistema de desagüe.
3. Válvulas de vacío de aire: Se instalaron válvulas de vacío de aire en los puntos altos de la tubería para permitir la entrada de aire durante los eventos de baja presión y liberarlo lentamente, evitando la separación de la columna de fluido y las sobrepresiones secundarias.
4. Mejora del material de las tuberías: La empresa sustituyó tramos de la tubería por tuberías de polietileno de alta densidad (HDPE), cuya velocidad de onda es menor que la de las tuberías metálicas. Este cambio de material ayudó a reducir la magnitud de los picos de presión.
5. Control de alta frecuencia: Se implantó un sistema de supervisión de transitorios de alta frecuencia para realizar un seguimiento continuo de los cambios de presión e identificar posibles sobrepresiones en tiempo real. Esto permitió realizar un mantenimiento proactivo y ajustes para evitar futuros incidentes de golpes de ariete.

Resultados

• Reducción de los golpes de ariete: La aplicación de la estrategia de supresión de golpes de ariete dio lugar a una reducción significativa de los golpes de ariete, eliminando prácticamente los picos de presión durante el funcionamiento de las bombas.
• Disminución de las averías de los equipos: La frecuencia de averías en bombas, válvulas y juntas de tuberías disminuyó drásticamente, lo que se tradujo en menores costes de mantenimiento y menos interrupciones operativas.
• Mayor seguridad: Se minimizó el riesgo de rotura de tuberías y fugas, lo que mejoró la seguridad general de la explotación minera y redujo los posibles costes normativos y de seguros.
• Mayor eficacia operativa: Con menos interrupciones y tiempos de inactividad, la eficiencia operativa y la productividad de la mina mejoraron, lo que se tradujo en un aumento de la producción y los ingresos.

Este estudio de caso ilustra la eficacia de una estrategia integral de supresión de sobrepresiones para mitigar los golpes de ariete, proteger los equipos y mejorar la seguridad y la eficiencia de un sistema crítico de desagüe en una explotación minera.

Estudio de un caso real: Fábrica de pasta y papel

Situación

Una fábrica de pasta y papel experimentó graves problemas de golpes de ariete en su sistema de agua de proceso, que suministraba agua para varias etapas de la producción de papel. El sistema incluía una red de bombas, válvulas y tuberías que funcionaban en condiciones de caudal variables.

Problemas

1. Frecuentes golpes de ariete: El molino se enfrentaba a importantes picos de presión durante los arranques y paradas de las bombas, así como durante las operaciones rápidas de las válvulas, que afectaban al flujo de agua a través del sistema. Estos golpes de ariete provocaban ruidos fuertes y vibraciones en todo el sistema.
2. Daños en los equipos: Los picos de presión provocaron frecuentes averías en bombas, válvulas y juntas de tuberías, lo que dio lugar a costosas reparaciones y sustituciones. La planta también sufrió daños en los soportes de las tuberías y en el aislamiento.
3. Tiempos de inactividad: La necesidad de mantenimiento frecuente provocaba importantes tiempos de inactividad, lo que afectaba a la productividad y eficiencia del molino.
4. Preocupación por la seguridad: El riesgo de rotura de tuberías y fugas suponía un peligro para la seguridad de los trabajadores y podía provocar daños por agua en zonas críticas de la fábrica.

Mantenimiento e implicaciones financieras

• Elevados costes de mantenimiento: El molino incurrió en gastos significativos debido a la constante necesidad de reparaciones y sustituciones de equipos dañados.
• Tiempos de inactividad: El mantenimiento y las reparaciones frecuentes provocaban pérdidas de productividad y retrasos en la producción de papel.
• Riesgos para la seguridad: La posibilidad de que se produjeran reventones y fugas en las tuberías suponía un grave riesgo para la seguridad, que podía acarrear multas reglamentarias y un aumento de las primas de los seguros.

Solución

La fábrica de pasta y papel aplicó una estrategia integral de supresión de sobrepresiones para resolver los problemas de golpes de ariete, basándose en las mejores prácticas del sector y en soluciones de ingeniería avanzadas.

1. Modificaciones en el control de bombas: La fábrica instaló variadores de frecuencia (VFD) en las bombas de agua de proceso para controlar la velocidad de arranque y parada de las bombas. Esto permitía aumentar y disminuir gradualmente la velocidad de las bombas, reduciendo los cambios bruscos en la velocidad del fluido que provocaban picos de presión.
2. Instalación de tanques de compensación: A lo largo de la tubería se colocaron estratégicamente tanques cerrados de sobrepresión  precargados con nitrógeno para absorber y amortiguar las ondas de presión. Estos tanques se diseñaron utilizando modelos informáticos de sobrepresión para garantizar que pudieran hacer frente a las situaciones específicas de sobrepresión del sistema de agua de proceso.
3. Ajustes de las válvulas de estrangulación: La planta modificó el accionamiento de las válvulas de estrangulamiento críticas para que siguieran un perfil de cierre "80/20". Esto implicaba cerrar las válvulas un 80% del recorrido en el primer 20% del tiempo y luego cerrar el 20% restante en el 80% final del tiempo. Este ajuste redujo significativamente los picos de presión provocados por los cierres rápidos de las válvulas.
4. Válvulas de vacío de aire: Se instalaron válvulas de vacío de aire en los puntos altos de la tubería para permitir la entrada de aire durante los eventos de baja presión y liberarlo lentamente, evitando la separación de la columna de fluido y las sobrepresiones secundarias.
5. Mejora del material de las tuberías: La fábrica sustituyó secciones de las tuberías por otras de polietileno de alta densidad (HDPE), que tienen velocidades de onda más bajas que las tuberías metálicas. Este cambio de material ayudó a reducir la magnitud de los picos de presión.
6. Control de alta frecuencia: Se implantó un sistema de supervisión de transitorios de alta frecuencia para realizar un seguimiento continuo de los cambios de presión e identificar posibles sobrepresiones en tiempo real. Esto permitió realizar un mantenimiento proactivo y ajustes para evitar futuros incidentes de golpes de ariete.

Resultados

• Reducción de los golpes de ariete: La aplicación de la estrategia de supresión de golpes de ariete dio lugar a una reducción significativa de los golpes de ariete, eliminando prácticamente los picos de presión durante el funcionamiento de bombas y válvulas.
• Disminución de los daños en los equipos: La frecuencia de averías en bombas, válvulas y juntas de tuberías disminuyó drásticamente, lo que se tradujo en menores costes de mantenimiento y menos interrupciones operativas.
• Mayor seguridad: El riesgo de rotura de tuberías y fugas se redujo al mínimo, lo que mejoró la seguridad general de la fábrica y redujo los posibles costes normativos y de seguros.
• Mayor eficacia operativa: Con menos interrupciones y tiempos de inactividad, la eficiencia operativa y la productividad de la planta mejoraron, lo que se tradujo en un aumento de la producción y los ingresos.

Este caso práctico demuestra la eficacia de una estrategia de supresión de sobrepresiones bien planificada para mitigar los golpes de ariete, proteger los equipos y mejorar la seguridad y eficacia de un sistema de agua de proceso crítico en una fábrica de pasta y papel.

Estudio de un caso real: Instalación marina de fuel oil

Situación

Una gran instalación marítima de fuel oil experimentaba frecuentes y graves golpes de ariete, especialmente durante el funcionamiento de sus bombas de transferencia de combustible. Estos sucesos provocaban importantes interrupciones operativas y suponían un riesgo para la integridad del sistema de tuberías.

Problemas

1. Golpes de ariete frecuentes: La instalación experimentaba fuertes ruidos de golpeteo y golpes de ariete durante los arranques y paradas de las bombas, así como durante el funcionamiento de las válvulas.
2. Daños en los equipos: Los picos de presión provocaron fallos repetidos en válvulas y bombas, lo que dio lugar a costosas reparaciones y sustituciones.
3. Problemas de seguridad: El riesgo de fugas debido a tuberías y bridas dañadas era elevado, lo que suponía un peligro potencial para la seguridad dada la naturaleza inflamable del fuelóleo.
4. Tiempos de inactividad: El mantenimiento y las reparaciones frecuentes provocaban importantes tiempos de inactividad, lo que afectaba a la eficiencia y fiabilidad operativas de las instalaciones.

Mantenimiento e implicaciones financieras

• Elevados costes de mantenimiento: La instalación incurrió en costes sustanciales debido a la frecuente necesidad de reparaciones y sustituciones de equipos dañados.
• Tiempos de inactividad: El tiempo de inactividad necesario para el mantenimiento y las reparaciones supuso una pérdida de productividad e ingresos.
• Riesgos de seguridad: La posibilidad de que se produjeran fugas y vertidos suponía un importante riesgo para la seguridad y el medio ambiente, que podía dar lugar a multas reglamentarias y a un aumento de las primas de seguros.

Solución

La instalación implementó una estrategia integral de supresión de oleadas basada en los principios discutidos por Swaffield y Boldy (1993) y aplicados con éxito por Witte, Jackson y Walters (2018).

1. Ajuste del accionamiento de las válvulas: La instalación modificó el accionamiento de las válvulas críticas para que siguieran un perfil de cierre "80/20". Esto implicaba cerrar las válvulas un 80% del recorrido en el primer 20% del tiempo y luego cerrar el 20% restante en el último 80% del tiempo. Este ajuste redujo significativamente los picos de presión provocados por los cierres rápidos de las válvulas.
2. Instalación de válvulas en paralelo: Para mitigar aún más los golpes de ariete,se instalaron dos válvulas en paralelo en puntos críticos del sistema. Una válvula grande se ajustó para que se cerrara rápidamente, mientras que una válvula más pequeña se ajustó para que se cerrara lentamente. De este modo, la válvula grande frenaba rápidamente la mayor parte del fluido, mientras que la pequeña reducía gradualmente la velocidad del fluido restante, imitando el principio "80/20".
3. Tanques de compensación: En lugares estratégicos se instalaron tanques cerrados precargados con nitrógeno para absorber y amortiguar las ondas de presión. Estos tanques se diseñaron utilizando modelos informáticos de sobrepresión para garantizar que pudieran hacer frente a los escenarios de sobrepresión específicos de la instalación.
4. Control de alta frecuencia: La instalación implementó una monitorización transitoria de alta frecuencia para realizar un seguimiento continuo de los cambios de presión e identificar posibles sobrepresiones en tiempo real. Esto permitió realizar un mantenimiento y unos ajustes proactivos para evitar futuros golpes de ariete.

Resultados

• Reducción de los golpes de ariete: La aplicación de la estrategia de supresión de golpes de ariete dio lugar a una reducción significativa de los golpes de ariete, eliminando prácticamente los ruidos fuertes y los golpes de ariete.
• Disminución de los daños en los equipos: La frecuencia de averías de válvulas y bombas disminuyó drásticamente, lo que se tradujo en menores costes de mantenimiento y menos interrupciones operativas.
• Mayor seguridad: El riesgo de fugas y vertidos se redujo al mínimo, mejorando la seguridad general de las instalaciones y reduciendo los posibles costes normativos y de seguros.
• Mayor eficiencia operativa: Con menos interrupciones y tiempos de inactividad, la eficiencia y fiabilidad operativas de las instalaciones mejoraron, lo que se tradujo en un aumento de la productividad y los ingresos.

Este caso práctico demuestra la eficacia de una estrategia de supresión de sobrepresiones bien planificada para mitigar los golpes de ariete, proteger los equipos y mejorar la seguridad y eficiencia de una instalación industrial crítica.