Golpe de aríete: Causas, consequências e como evitá-lo

Não há falha de tubagem mais repentina do que um pico de pressão. O estrondo - por vezes audível ao nível do solo - marca o momento em que uma onda de pressão em movimento encontrou um ponto fraco: uma junta, um encaixe, uma secção de tubo a funcionar perto da sua pressão nominal. Compreender porque é que isto acontece é o primeiro passo para o conceber.

O que é o golpe de aríete?

Quando o fluxo numa conduta pressurizada é subitamente interrompido ou invertido, a energia cinética da coluna de água em movimento não tem para onde ir. Converte-se em pressão: uma onda que viaja de volta ao longo da tubagem à velocidade acústica da água - tipicamente 900 a 1.200 m/s em condutas de aço e ferro dúctil. Numa conduta a 2 m/s, um corte instantâneo pode gerar um aumento de pressão de vários bar em milissegundos, muito acima da pressão de funcionamento para a qual o sistema foi concebido.

A onda reflecte-se nas extremidades fechadas e nas válvulas parcialmente abertas, saltando para trás e para a frente até se dissipar por fricção. Cada reflexão é uma oportunidade para causar danos. Juntas de tubagens, acessórios fracos e bolsas de ar sob pressão tornam-se pontos de falha sob cargas repetidas de sobretensão.

As causas mais comuns

O desarme da bomba é a principal causa de danos causados por surtos. Quando uma bomba falha ou se desliga inesperadamente numa conduta ascendente, a coluna de água desacelera rapidamente. Sem proteção na saída da bomba, a coluna inverte, volta a passar pela válvula de retenção e gera um pico de pressão que pode fraturar as juntas da tubagem ou partir os acessórios em segundos após o disparo.

O funcionamento rápido da válvula é a segunda causa mais comum. Uma válvula de gaveta fechada em poucas voltas, em vez de progressivamente, leva a coluna a uma paragem abrupta. Quanto mais rápido for o fecho em relação ao comprimento da tubagem dividido pela velocidade acústica, maior será a sobrepressão gerada. A maioria dos procedimentos operacionais especifica um número mínimo de voltas por esta razão, mas a restrição é difícil de aplicar no terreno.

A separação em coluna é menos comum, mas mais destrutiva. Em condutas de subida acentuada, a desaceleração após o disparo da bomba pode reduzir a pressão local abaixo da pressão de vapor, formando uma bolsa de vapor. Quando a pressão recupera, as duas colunas de água voltam a juntar-se a alta velocidade. A carga de impacto resultante - por vezes designada por "rejoining slam" - pode exceder significativamente o pico original de corte da bomba.

O papel das válvulas de libertação de ar

As válvulas de libertação de ar são frequentemente ignoradas na análise de sobretensões, mas uma válvula de ar mal escolhida ou mal dimensionada pode amplificar os golpes de aríete em vez de os reduzir. À medida que uma tubagem enche, o ar é expelido através do orifício cinético da válvula. Quando a frente de água chega, o flutuador sobe e fecha o orifício. Se o fecho for instantâneo, o impulso da coluna de água que entra gera um pico de pressão acentuado no local da válvula.

As válvulas de libertação de ar anti-choque resolvem este problema com um mecanismo de agulha ajustável que controla a taxa a que a água volta a entrar no corpo da válvula, abrandando o fecho efetivo e limitando o aumento de pressão a níveis controláveis. Em condutas ascendentes de bombas com pontos altos intermédios, a seleção adequada da válvula de ar é tão importante como a válvula de retenção na saída da bomba. Uma válvula de ar com amortecimento insuficiente num ponto alto pode iniciar a separação da coluna, com a qual a válvula de retenção tem de lidar.

Válvulas de retenção anti-bloqueio

As válvulas de retenção de balanço padrão fecham por gravidade e inércia quando o fluxo inverte. À medida que o fluxo inverso acelera, o disco acelera com ele, depois bate na sede a uma velocidade que gera um transiente de pressão secundário. A gravidade depende da velocidade do fluxo inverso no momento do fecho - que, por sua vez, depende do comprimento da tubagem, da diferença de altura manométrica e da constante de tempo da bomba.

Uma válvula de retenção anti-bloqueio assistida por mola fecha-se antes de se ter desenvolvido um fluxo inverso significativo. A mola mantém o disco na posição quase fechada durante a desaceleração da bomba, pelo que o disco assenta suavemente em vez de bater. Para condutas até DN350, os modelos com mola axial são suficientemente compactos para caberem numa bobina de tubo normal. Para DN400 a DN1200, as válvulas de retenção de bocal de fluxo axial proporcionam o mesmo fecho sem colisão com a menor perda de carga de qualquer geometria de válvula de retenção - uma consideração importante em condutas longas onde os custos de energia de bombagem se acumulam ao longo de décadas.

Válvulas de controlo da bomba de fecho lento

Para estações de bombagem de cabeça alta e condutas ascendentes longas, uma válvula de controlo da bomba hidráulica no lado da descarga proporciona a proteção mais robusta contra sobretensões. A válvula fecha em duas fases: rapidamente durante os primeiros 80 a 90 por cento do curso, e depois lentamente na parte final para levar a coluna a uma paragem controlada. A velocidade de fecho lento é definida durante a colocação em funcionamento, ajustando uma válvula de agulha no circuito piloto, e pode ser reajustada à medida que as condições de funcionamento se alteram.

As válvulas de controlo de bombas de câmara dupla vão mais longe. No arranque da bomba, bem como na paragem da bomba, a válvula abre numa sequência controlada para evitar picos de arranque em redes onde a diferença de pressão através da válvula fechada é elevada. Isto é particularmente relevante em estações elevatórias onde a rede a jusante está pressurizada e a bomba está a arrancar contra uma contrapressão significativa.

Abordagem de conceção

A proteção contra sobretensões não é um exercício de seleção de produtos - é uma questão de conceção do sistema. Uma análise hidráulica transitória da tubagem específica identificará o pico de pressões positivas e negativas em cada ponto ao longo do perfil e indicará qual a combinação de medidas que colocará essas pressões dentro de limites aceitáveis. As válvulas de retenção anti-bloqueio, as válvulas de libertação de ar anti-choque e as válvulas de controlo da bomba são frequentemente utilizadas em combinação; confiar numa única medida para suportar todos os riscos não é, geralmente, uma boa técnica.

A instalação posterior de proteção contra sobretensões após uma falha é sempre mais dispendiosa do que a sua conceção desde o início. Quando uma nova conduta de bombagem está a ser colocada em funcionamento, o custo de uma análise transitória e dos dispositivos de proteção apropriados é pequeno em relação ao custo de uma falha na tubagem e à interrupção do fornecimento que se segue.