Propósito del análisis de golpe de ariete
Uno de los principales propósitos del análisis de golpe de ariete es determinar la presión de sobrepresión o la presión máxima esperada durante condiciones transitorias. Esto es particularmente importante para evaluar escenarios operativos: cuando una bomba se detiene repentinamente, una válvula se cierra o cualquier otro escenario que implique un cambio relevante en el caudal y, por lo tanto, en la velocidad dentro de la tubería.
En los escenarios mencionados anteriormente, la energía cinética se convierte en presión, y el aumento de presión puede estimarse en disposiciones simples con la siguiente ecuación:
(operaciones instantáneas)
Esta es la fórmula de Allievi–Joukowsky, donde:
- c = celeridad de la onda
- V₀ = velocidad inicial
- ρ = densidad del fluido
¿Siempre se debe realizar un análisis de golpe de ariete?
Siempre surge la misma pregunta: ¿deberíamos ejecutar este análisis en todo momento? La respuesta no es tan sencilla. Dejando de lado la longitud de la tubería, normalmente lo que se evalúa es la velocidad del fluido. Si esta velocidad sigue las recomendaciones de diseño típicas (por ejemplo, 3 m/s), no debería haber problemas con las sobrepresiones. Recordar por favor, que esto se aplica a fluidos incompresibles y a configuraciones simples de tuberías.
En la sección anterior se mencionó que el aumento de presión depende de la velocidad, pero no siempre es obvio cuál será la velocidad resultante después de un cambio en el sistema. Por ejemplo, cuando se tiene una sección elevada y el flujo se detiene repentinamente debido a un paro de la bomba, el sistema puede experimentar una condición de flujo inverso:
En estas situaciones, la literatura ofrece diversas suposiciones de ingeniería (por ejemplo, ver los documentos técnicos recomendados por AWWA). Sin embargo, a menudo será necesario recurrir a simulaciones dinámicas.
Altas velocidades y prácticas de diseño
Las altas velocidades pueden estar presentes en sistemas como:
- Sistemas de enfriamiento por agua
- Sistemas de exportación de crudo
- Sistemas de suministro de agua contra incendios
Siguiendo las recomendaciones de diseño, se puede garantizar una mayor seguridad en estas situaciones (como el tiempo recomendado para el cierre de válvulas o la velocidad máxima permitida). Las prácticas de diseño establecidas por cada empresa, así como los manuales de AWWA, suelen cubrir estos casos en plantas de energía. No obstante, pueden existir condiciones especiales, y como diseñador será necesario identificar los escenarios que requieren un análisis más profundo.
Esto, a menudo, es el resultado de la experiencia, pero también puede identificarse mediante un análisis preliminar o una práctica común establecida dentro de la comunidad o empresa donde trabajas (sí, ¡el conocimiento compartido es importante!).
Conclusiones sobre el golpe de ariete y la simulación transitoria
Podemos extraer las siguientes conclusiones:
- Verifica y valida siempre tus suposiciones.
- Consulta cualquier práctica de diseño disponible sobre el tema.
- Si tienes dudas, verifica por ti mismo.
Este último punto no siempre es sencillo, ya que los cálculos manuales están limitados a configuraciones simples. Cuando se tiene una red compleja con muchas ramificaciones y componentes, será necesario el uso de software especializado o herramientas como hojas de cálculo para facilitar el proceso iterativo.
Existen referencias sobre estos procedimientos, como los trabajos de:
- S. Manbretti (2014)
- Laredo Robinson (2022)
- Bryan W. Karney (1990)
Algunas empresas incluso han desarrollado sus propios paquetes de software, pero hay muchas opciones en el mercado para llevar a cabo este tipo de análisis.
Recomendaciones finales para el análisis de estrés en tuberías
Siempre ten en cuenta el código de diseño que estás utilizando. Por ejemplo, el código ASME permite ciertas tolerancias en la presión máxima de operación, siempre que la frecuencia de ocurrencia sea inferior a 100 horas/año (ASME B.31.3, subsección 302.2.4).
En el caso de AWWA, existe un documento titulado «Committee Report: Getting Started in Transient Analysis», el cual puede ayudarte a comprender los fundamentos del análisis transitorio en sistemas de agua.
Estas son nuestras recomendaciones, ya sea que estés enfrentando este tipo de dudas por primera vez o que seas un profesional en formación en este campo.
