Martello d'acqua: Cause, conseguenze e come prevenirlo

Nessun guasto alle condutture arriva più all'improvviso di un'impennata di pressione. Il botto - a volte udibile a livello del suolo - segna il momento in cui un'onda di pressione itinerante ha trovato un punto debole: un giunto, un raccordo, una sezione di tubo che opera vicino alla sua pressione nominale. Capire perché accade è il primo passo per progettarlo.

Che cos'è il colpo d'ariete?

Quando il flusso in una conduttura pressurizzata viene improvvisamente interrotto o invertito, l'energia cinetica della colonna d'acqua in movimento non ha dove andare. Si converte in pressione: un'onda che torna indietro lungo il tubo alla velocità acustica dell'acqua - in genere da 900 a 1.200 m/s nelle condutture in acciaio e in ferro duttile. In una conduttura che corre a 2 m/s, una chiusura istantanea può generare un aumento di pressione di diversi bar in millisecondi, ben al di sopra della pressione di esercizio per cui il sistema è stato progettato.

L'onda si riflette sulle estremità chiuse e sulle valvole parzialmente aperte, rimbalzando avanti e indietro finché non si dissipa per attrito. Ogni riflessione rappresenta un'opportunità di danno. Le giunture dei tubi, i raccordi deboli e le sacche d'aria sotto pressione diventano punti di rottura in presenza di ripetuti carichi di sovratensione.

Le cause più comuni

L'intervento della pompa è la causa principale dei danni da sovratensione. Quando una pompa si guasta o si spegne inaspettatamente su una conduttura principale in salita, la colonna d'acqua decelera rapidamente. Senza una protezione all'uscita della pompa, la colonna si inverte, sbatte indietro attraverso la valvola di ritegno e genera un picco di pressione che può rompere i giunti delle tubature o spaccare i raccordi entro pochi secondi dall'intervento.

Il funzionamento rapido della valvola è la seconda causa più comune. Una valvola a saracinesca chiusa in pochi giri, anziché in modo progressivo, porta la colonna ad un arresto brusco. Quanto più rapida è la chiusura rispetto alla lunghezza del tubo divisa per la velocità acustica, tanto più alta è la sovrapressione generata. La maggior parte delle procedure operative specifica un numero minimo di giri per questo motivo, ma il vincolo è difficile da applicare sul campo.

La separazione delle colonne è meno comune, ma più distruttiva. Nelle condotte in forte ascesa, la decelerazione dopo l'intervento della pompa può ridurre la pressione locale al di sotto della pressione del vapore, formando una sacca di vapore. Quando la pressione riprende, le due colonne d'acqua si ricongiungono ad alta velocità. Il carico d'urto risultante - a volte chiamato "slam di ricongiunzione" - può superare di molto la spinta di chiusura della pompa originale.

Il ruolo delle valvole di rilascio dell'aria

Le valvole di rilascio dell'aria sono spesso trascurate nell'analisi delle sovratensioni, ma una valvola d'aria mal scelta o mal dimensionata può amplificare il colpo d'ariete anziché ridurlo. Quando una condotta si riempie, l'aria viene espulsa attraverso l'orifizio cinetico della valvola. Quando arriva il fronte dell'acqua, il galleggiante sale e chiude l'orifizio. Se la chiusura è istantanea, lo slancio della colonna d'acqua in arrivo genera un forte picco di pressione nella posizione della valvola.

Le valvole di rilascio dell'aria anti-shock affrontano questo problema con un meccanismo a spillo regolabile che controlla la velocità con cui l'acqua rientra nel corpo della valvola, rallentando la chiusura effettiva e limitando l'aumento di pressione a livelli gestibili. Nelle reti di risalita delle pompe con punti alti intermedi, la scelta corretta della valvola dell'aria è importante quanto la valvola di non ritorno all'uscita della pompa. Una valvola d'aria sotto-smorzata in un punto alto può innescare una separazione della colonna che la valvola di ritegno deve poi gestire.

Valvole di non ritorno

Le valvole di ritegno a battente standard si chiudono per gravità e inerzia quando il flusso si inverte. Quando il flusso inverso accelera, il disco accelera con esso, quindi sbatte sulla sede in velocità e genera un transitorio di pressione secondario. La gravità dipende dalla velocità del flusso inverso al momento della chiusura, che a sua volta dipende dalla lunghezza della tubazione, dalla differenza di prevalenza e dalla costante di tempo della pompa.

Una valvola di non ritorno assistita da una molla si chiude prima che si sviluppi un flusso inverso significativo. La molla mantiene il disco in posizione quasi chiusa durante la decelerazione della pompa, in modo che il disco si posiziona delicatamente anziché sbattere. Per le condutture fino a DN350, i modelli a molla assiale sono abbastanza compatti da poter essere inseriti in una bobina di tubo standard. Per le condotte da DN400 a DN1200, le valvole di ritegno con ugello a flusso assiale offrono la stessa chiusura senza sbattimento con la perdita di carico più bassa di qualsiasi altra geometria di valvola di ritegno - una considerazione importante sulle condotte lunghe, dove i costi dell'energia di pompaggio si accumulano per decenni.

Valvole di controllo della pompa a chiusura lenta

Per le stazioni di pompaggio ad alta prevalenza e le condotte di risalita lunghe, una valvola di controllo della pompa idraulica sul lato di mandata offre la protezione più robusta dalle sovratensioni. La valvola si chiude in due fasi: velocemente per il primo 80-90 percento della corsa, poi lentamente per la parte finale, per portare la colonna a un arresto controllato. La velocità di chiusura lenta viene impostata durante la messa in servizio, regolando una valvola a spillo nel circuito pilota, e può essere regolata nuovamente al variare delle condizioni operative.

Le valvole di controllo della pompa a doppia camera estendono ulteriormente questo concetto. Sia all'avvio che all'arresto della pompa, la valvola si apre in una sequenza controllata, per prevenire le sovratensioni all'avvio nelle reti in cui la differenza di pressione attraverso la valvola chiusa è elevata. Questo è particolarmente importante nelle stazioni di rilancio, dove la rete principale a valle è pressurizzata e la pompa si avvia contro una contropressione significativa.

Approccio al design

La protezione dalle sovratensioni non è un esercizio di selezione del prodotto, ma una questione di progettazione del sistema. Un'analisi idraulica transitoria della specifica conduttura identificherà i picchi di pressione positiva e negativa in ogni punto del profilo e indicherà quale combinazione di misure porterà queste pressioni entro limiti accettabili. Le valvole di non ritorno, le valvole di rilascio dell'aria anti-shock e le valvole di controllo della pompa sono spesso utilizzate in combinazione; affidarsi a una singola misura per sopportare tutti i rischi non è generalmente una buona tecnica.

Adattare la protezione dalle sovratensioni dopo un guasto è sempre più costoso che progettarla fin dall'inizio. Quando si commissiona una nuova condotta di pompaggio, il costo di un'analisi transitoria e dei dispositivi di protezione appropriati è piccolo rispetto al costo di un guasto alla tubatura e alla conseguente interruzione della fornitura.