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WATER HAMMER TOP TEN

Diez casos de estudio típicos (Parte 2)

Por: Mariby Figuera

CREAMOS SOLUCIONES…

…SU PROYECTO ES NUESTRO COMPROMISO

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A continuación presentamos 5 nuevos Casos de Estudio Típicos de Evaluaciones de Golpe de Ariete

Recuerde...¿Qué queremos lograr?Sensibilizar a los ingenieros encargados del diseño de instalaciones industriales sobre losriesgos y daños que puede ocasionar el golpe de ariete. Hacerlos conscientes de la presenciageneralizada de este fenómeno y no esperar a que se convierta en un problema agudo paraabordarlo...

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❑ CASO 1Bloqueo en sistemas de transporte de fluidos – Cierre de válvula

❑ CASO 2Parada de Bombas – Pump Trip

WATER HAMMER TOP TENDiez casos de estudio típicos

❑ CASO 3Steam Hammer – Inducido por Condensación rápida del vapor

❑ CASO 4Steam Hammer – Sistemas de recuperación de condensado

❑ CASO 5Golpe de ariete – En equipos

❑ CASO 6Arranque de Bombas – Cierre de columna

❑ CASO 7Water Induction en Turbinas de Vapor

❑ CASO 8Sobrepresiones y separación de columna en sistemas contra incendio (Sistemas de rociadores)

❑ CASO 9Steam Hammer – Detención de flujo de vapor

❑ CASO 10Ondas de choque por orificios de restricción

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CASO 6Arranque de Bombas – Cierre de columna

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CASO 6: Arranque de Bombas – Cierre de columna

LOCACIONES TÍPICAS:

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❑ Sistemas de producción de hidrocarburos y derivados:▪ Líneas de crudo y/o derivados desde pozos de producción hasta centros de procesamiento▪ Muelles de carga - Líneas de carga desde buques a tanques de almacenamiento o viceversa

❑ Sistemas Hidrónicos (distribución de energía térmica y/o frigorífica para la calefacción y/o el acondicionamiento de espacios mediante tubos hídricos).

❑ Sistemas de recuperación de condensados.❑ Redes de distribución de agua doméstica o Acueductos.❑ Centrales hidroeléctricas.

CAUSAS DEL FENÓMENO:

❑ Por cierre de columna de líquido, también llamado separación-reunificación de la columna de líquido (separation andrejoining).

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DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO:El golpe de ariete asociado al cierre decolumna o separación/reunificación de lacolumna de líquido, puede ilustrarsefácilmente con el ejemplo de arranque deuna Bomba de pozo.

En un sistema de bombeo de agua desdepozo por ejemplo, la altura geométrica deimpulsión fácilmente puede alcanzarvalores significativamente altos si no setoman las previsiones del caso. Convalores significativamente altos estamosrefiriéndonos a centenas o decenas depies de altura de elevación (o su presiónequivalente).

Cabe recordar que la altura geométricaes la suma de la profundidad del agua enel pozo más (+) la diferencia de cotasentre el depósito de impulsión y la bocade pozo.

Normalmente el motor de accionamiento

es sumergido (se dispone en la parteinferior de la bomba). El eje deaccionamiento de la bomba se acopladirectamente al rotor del motor, y elgrupo motor-bomba cuelga del tramo detubería de impulsión en el interior delpozo, sumergido a suficiente profundidadpara que los descensos del agua en elpozo siempre garanticen unasumergencia mínima en la boca deaspiración de la bomba.

Regularmente la válvula de retención porrazones de operación y mantenimiento seinstala en la tubería de impulsión a lasalida del pozo. Allí la válvula esdirectamente accesible en caso dereparación o mantenimiento y cuandohaya que elevar la columna vertical paraacceder al grupo motor-bomba estacolumna estará vacía, lo que garantizamenor peso y mejor maniobra deoperación.


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1. Electrobomba sumergible2. Tablero eléctrico3. Válvula de seccionamiento4. Manómetro5. Válvula check antirretorno6. Sensor de nivel7. Filtro de pozo8. Fondo de pozo9. Cable de alimentación10. Collar de fijación del cable11. Cabeza de pozo

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Nivel dinámico

Nivel estático

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Imagen base de www.motoresczerweny.com.ar

http://www.motoresczerweny.com.ar/

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¿Pero dónde ocurre golpe de ariete en este caso?Cuando la bomba se detiene y después decerrarse la válvula antirretorno, la columnade agua entre esta válvula y la bomba serompe cuando la profundidad del agua esmayor a unos 33 pies (10 m). El tramo detubería dentro del pozo tiene el extremosuperior cerrado por la acción de la válvulaantirretorno y el extremo inferior abiertoen el interior del agua en cuya superficieactúa la presión atmosférica. Se dice eneste caso que la tubería dentro del pozoactúa como un barómetro de agua.

El agua dentro de este tramo de tuberíadesciende hasta una altura que equilibrela presión atmosférica (que está por elorden de 33 pies o 10 m sobre el nivel delagua en el pozo). Por encima y hasta laválvula antirretorno se genera vapor deagua con presión igual a la tensión devapor a la temperatura correspondiente.

Luego, cuando el sistema arranca..

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Cuando la bomba se vuelve a poner enmarcha, empieza a impulsar agua a unatubería que tiene una columna de aguarelativamente corta y con una presiónabsoluta en su parte superior muy baja, demanera que en el momento inicial delarranque el caudal impulsado y lavelocidad en la tubería serán altos.

La columna de agua sobre la bomba crecerápidamente de tamaño condensando a suvez el vapor de agua que hay por encima.Esta columna se encuentra con la válvulaantirretorno cerrada!¡

En este momento el agua choca contra laválvula y se genera una oscilación depresión por golpe de ariete que puedealcanzar una magnitud significativa.

...¿Qué se debe hacer?..En este tipo de instalaciones una válvulaventosa si está clasificada y dimensionadaapropiadamente, instalada aguas arriba dela válvula antirretorno, resulta elmecanismo menos costoso para protegerel sistema (tubería y equipo).

...¿cómo funciona esto?

Ventosa

V. antirretorno

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¿Cómo funciona la ventosa?Cuando la bomba se detiene y ocurre elcierre de la válvula antirretorno, la ventosase abrirá justo cuando la presión en elpunto donde está instalada cae por debajode la presión atmosférica. Al abrirse yentrar aire, la columna de agua cae yvaciará el tramo de tubería hasta el nivelde agua en el pozo. La tubería queda conaire a presión atmosférica.

Cuando el equipo vuelve a arrancar, elagua impulsada hace salir el aire a travésde la ventosa hasta que se cierra el orificiode salida por flotación del obturador alfinal de la expulsión de aire. En estemomento la columna de agua enmovimiento abre la válvula de retención yse restablece el punto de operacióncorrespondiente.

Ahora bien, en todo este proceso eltamaño de la ventosa es un parámetrocrítico!¡

La ventosa debe ser suficientementegrande para lograr admitir suficientecantidad de aire durante el cambio uoscilación de presión. Pero a la vez nopuede ser tan grande que admita unvolumen innecesario de aire porque estoconlleva al incremento de tiempo muertodel sistema, dado que el aire tiene que serexpulsado lentamente para que este cierreno origine precisamente una sobrepresiónelevada.

Tamaño de la ventosa ¿un parámetro crítico?

Se puede usar un aductor de grandiámetro combinado con una ventosabifuncional de diámetro reducido. En estecaso, la admisión se realiza conjuntamenteentre aductor y ventosa, mientras que laexpulsión se realiza únicamente por laventosa de diámetro reducido.

También funciona para este objetivo unaventosa de cierre controlado. La admisiónde aire se realiza con toda la sección depaso abierto. Durante la expulsión cuandola velocidad del aire alcanza undeterminado valor, el flujo de aire arrastraun obturador que cierra la sección de pasoy deja abierto un orificio de diámetroreducido que disminuye el caudal deexpulsión y al mismo tiempo la velocidad ala que se mueve la columna de agua quesube por la tubería de impulsión.

¿Qué tipo de dispositivo usar?

Algunas referencias comerciales

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Estos son los sistemas de distribución de energía térmica y/ofrigorífica mediante tubería hídrica por la que circula agua calienteo fría procedente de una unidad de producción termo-frigoríficaexterna (enfriadora o bomba de calor).

Un ingeniero de HVAC puede simplemente desconocer lamagnitud del problema de golpe de ariete dentro de sus sistemas,porque generalmente las consecuencias del fenómeno noalcanzan las mismas dimensiones de una situación similar en unaplanta de procesos, sin embargo, que no sea un problemacatastrófico no significa que debemos ignorarlo. Y el golpe deariete definitivamente existe en estos sistemas...veamos cómo.

Sea que se trate de un sistema de enfriamiento (o calefacción)simple como el acondicionamiento de aire doméstico, o unsistema de acondicionamiento más complejo como un chiller porabsorción, existen sistemas de bombeo implícitos como parte delproceso. Veamos el ejemplo de una bomba de retorno de agua a85°F y cómo puede ocurrir un golpe de ariete en su arranque.

Suponga que esta bomba de retorno eleva el agua a una alturasuperior a los 33 pies (10 m) por encima del nivel del tanque

Nota complementaria – Golpe de ariete en SistemasHidrónicos

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atmosférico desde el cual se extrae elagua.

Antes del evento la bomba habíapermanecido apagada y una válvula ala entrada del tanque superiorcerrada, para evitar que el tanque sevacíe porque la válvula antirretornoen la bomba tenga una potencialfuga, por ejemplo.

El problema se presenta cuando laválvula antirretorno a la salida de labomba efectivamente tenga fugas, lapresión atmosférica no puedesostener una columna de agua demás de 33 pies de altura.

Como el agua drena a través de laválvula que fuga, se crea un vacíoentre la parte superior de la columnay la cara de la válvula cerrada a laentrada del tanque destino. Enrealidad este es un vacío parcialporque el espacio está lleno de vapora la presión de vapor del agua a 85°F.

El arranque de la bomba induce uncolapso rápido del espacio vacío antesdescrito.

Imagen de www.indisect.com Imagen de www.coowor.com

http://www.indisect.com/

http://www.coowor.com/

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La columna de agua se acelera enfunción del tamaño del vacío creado.

Cuando el fluido colisiona contra laválvula sucede el fenómeno descritoen el Caso 1. La energía cinética delmovimiento se convierte en energíapotencial cuando se comprime elfluido. La onda de compresión viaja deregreso hacia la bomba a la velocidaddel sonido en el fluido.

Dado que el fluido es “sustancialmenterígido”, una pequeña compresiónpuede generar un gran aumento depresión.

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Sin embargo, no sucede lo mismo si vemos el sistemade condensado caliente a 200°F por ejemplo. En estecaso el fluido tendrá una presión de vapor deaproximadamente 10-12 psia. La diferencia entre lapresión atmosférica en el lado bajo de la columna,menos la presión de vapor en el vacío arriba de lacolumna, hará que el vacío crezca significativamente.Luego al momento del re-arranque de la bomba, lacolumna de fluido se acelerará aún más, dado eltamaño del vacío en el cual puede acelerar. Demanera que es más crítico el fenómeno en el ladocaliente de los sistemas hidrónicos.

¿la sobrepresión generada por el fenómeno essuficientemente grande como para dañar algúnelemento mecánico del sistema hidrónico?

Normalmente NO porque son sistemas de tuberíasdiseñados a alta presión, sin embargo, no debeperderse de vista la potencial ocurrencia delfenómeno y prestar especial atención a la resistenciamecánica de elementos más vulnerables como juntasde unión y juntas de expansión por ejemplo. La claveestá en no obviar la ocurrencia del fenómeno!¡

El vapor atrapado en el vacío secomprime y ejerce una presión extrasobre el fluido, y es función de lapresión de vapor del fluido.

Cuando se trata de agua a 85°F, porejemplo, la presión de vapor es deapenas ½” psia. Si la válvula deretención NO falla, efectivamente lapresión atmosférica puede soportaruna columna de aproximadamente 33pies de alto porque la presión de vacíocreada por encima de la columna escasi insignificante (sólo ½” psia).

Bomba de retorno con válvula check a la salida

Tanque destino, con válvula de corte a la entrada

Vacío parcial que potencialmente secrea con la ruptura de columna.

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CASO 7Water Induction en Turbinas de Vapor

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CASO 7: Water Induction en Turbinas de Vapor


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❑ Centrales de generación eléctrica:▪ Plantas convencionales de ciclo de vapor (Rankine).▪ Ciclos combinados.▪ Cogeneración.


La inducción de agua en turbinas de vapor puedeocurrir en cualquier momento conforme segenere cualquiera de las causas descritas acontinuación, sin embargo, es más común duranteprocesos operacionales “transitorios” como losque ocurren durante el arranque, parada ocambios repentinos de carga.

El enfoque en este caso es particularmente unanálisis retrospectivo, donde iremos desde elefecto (water induction) a la causa que lo originó.

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Grietas en la carcaza

Rotura en la entrada del rotor de IP

Erosión por gotas de agua

Daño en álabes

ALGUNOS EFECTOS:

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DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO:La entrada de agua en una turbina de vapor puede resultar en unevento realmente catastrófico. La sola presencia de pequeñascantidades de agua puede generar grandes daños al equipoincluyendo:

❑ Daño a los álabes.

❑ Fallas en el cojinete de empuje.

❑ Craqueo térmico (en carcaza, cilindros o álabes).

❑ Erosión de componentes.

❑ Distorsión permanente.

❑ Efectos secundarios como daño en la Instrumentación &Control, daños en el anillo del empaque de sello, daños ensoportes internos.

Si bien es cierto, es común ver este efecto con mayor impactodurante procesos operacionales transitorios como arranque, paradao cambios repentinos de carga, el disparo (trip) de la turbinainiciado manualmente puede considerarse una de las situacionesoperacionales más críticas porque la disminución de presión alvacío, puede generar flujo inverso.

Cuando la turbina está en funcionamiento sus componentes estáncalientes y la entrada de agua, aún en pequeñas gotas o en formade vapor instantáneo (flash steam) puede causar un enfriamientosevero con distorsión o grietas.

Aunque históricamente la inducción de agua en turbinas de altapresión (HP) y de presión intermedia (IP) son las catalogadas comomás dañinas, la experiencia ha demostrado que la inducción deagua en las turbinas de baja presión (LP) también pueden causardaños significativos y debe tomarse seriamente en consideración.

Ahora bien, ¿por qué puede ingresar agua a una turbina?

Hay varias condiciones operacionales que pueden resultar enentrada de agua a la turbina de vapor, a continuación un resumende las más destacadas...

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1.- Disparo de la unidad o reducciónrepentina de carga. Durante la parada, lapresión de la turbina de alta presión (HP)disminuye rápidamente, y la presión en elrecalentamiento intermedio (IP) y laturbina de baja presión (LP) cae casi deforma inmediata al vacío del condensador.En contraste, la presión en el sistema dealimentación cambia lentamente. Se creaasí un gran diferencial de presión queestimula el flujo hacia la turbina desde elsistema de alimentación. Esto se conoceoperacionalmente como inversión depresión.

2.- Alto nivel de agua en el desaireador. Sibien es cierto la principal función deldesaireador es minimizar el oxígenoretenido en el agua de alimentación,también cumple 2 funciones adicionalesfundamentales, como suministrar caloradicional al agua de alimentación que llegaa la caldera y reservar una cantidadadecuada de esa agua para garantizar

suficiente altura manométrica deaspiración a la bomba de alimentación.

Para poder cumplir todas estas funcionescorrectamente, el desaireador debemantener un nivel constante, de modoque si hay una falla en la válvula de controlde nivel del desaireador éste puedeinundarse y el agua puede fluir a través delos puntos de purga de las líneas de vapor– contra el flujo de vapor – hacia laturbina.

3.- Puntos sin drenar en la línea de vapor.El vapor húmedo puede depositar agua enlas paredes de la tubería y puede ademásproducirse acumulación de condensadosen los codos del sistema y en las válvulas.La condensación también es un problemalatente durante el arranque cuando secalientan las líneas de vapor.

4.- Alto nivel de agua en el calentador delagua de alimentación de alta y bajapresión. Usualmente esto es causado por

fugas en los tubos o fallas en los arreglosde drenaje.

5.- Flujo inverso de vapor en las líneas depurga. Bajo este contexto puedepotencialmente transportar agua desdelos calentadores o los puntos bajos sindrenaje, hacia la turbina.

6.- Otras causas incluyen fallas en: elsistema de atemperamiento, el reguladordel sello de vapor, el regulador de agua derocío para bypass de la turbina de HP, IP,LP, o fallas en los sistemas de drenaje delos calentadores.

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TDP-1 es una práctica que aborda los dañoscausados por el agua, vapor húmedo y elflujo de retorno de vapor hacia la turbina, yes aplicable a plantas convencionales, deciclo combinado y de cogeneración.

Cubre el diseño, operación, inspección,prueba y mantenimiento de aquellossistemas y equipos de centrales eléctricasrelacionados con la prevención de lainducción de agua en las turbinas de vapor.

Su filosofía parte de que cualquier conexióna la turbina es una fuente potencial de aguaya sea por inducción desde el equipoexterno o por acumulación de vapor que secondensa.

En este contexto plantea que “ninguna fallade equipo, dispositivo, señal o pérdida deenergía eléctrica debería provocar que entreagua o vapor frío en la turbina.”

La clave para abordar este caso entonces esseguir estrictamente en el diseño yoperación de las instalaciones, lasrecomendaciones de TDP-1 en cuanto a:

❑ Configuración del ciclo combinado:Sistema de recuperación de calor HRSG,Sistema de bypass de la turbina, Líneasde vapor de procesos (cogeneración).

❑ Diseño de los drenajes de líneas devapor.

❑ Sistemas de control automático dedrenajes.

❑ Configuración del sistema de extracciónde la turbina.

❑ Sistema de control integrado.

Nuevas tecnologías aplicadas en el diseño delos dispositivos de control de los sistemas delas centrales eléctricas, sin duda hanmarcado una diferencia significativa en lafrecuencia de daño por este fenómeno.

...y entonces qué se ha hecho al respecto...

La Recomendación Práctica de ASME TDP-1Prevention of Water Damage to SteamTurbines Used for Electric Power Generation:Fosil- Fuel Plants, se desarrolló inicialmenteen respuesta a una cantidad de incidentesseveros por inducción de agua en la décadade los 60 conforme las plantas de energía seampliaron por encima de 150 MW.

TDP-1 se publicó originalmente en 1972 y sehicieron revisiones en 1979, 1985, 1998,2006 y 2013. A partir de la revisión de 2006se incluyeron el ciclo convencional de vapor(Rankine) y las centrales eléctricas de ciclocombinado.

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CASO 8Sobrepresiones y separación de columna en sistemas contra incendio (Sistemas de rociadores)

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CASO 8:


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❑ Sistema de rociadores automáticos de extinción de incendios en general (con suministro de agua, agua-espuma, soluciónde espuma, concentrado de espuma, agua de mar, entre otros fluidos que se utilizan en los sistemas de protección contraincendios).

❑ Sistemas de rociadores con anticongelantes.


❑ Arranque y Parada de bombas contra incendio.❑ Expansión térmica de anticongelantes aplicados a sistemas de rociadores.

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Sobrepresiones y separación de columna en sistemas contra incendio

IMPACTO:

Sistemas de protección contra incendio que requieren la activaciónextremadamente rápida de las bombas, grandes velocidades en elsuministro de altas presiones y caudales elevados para combatir el foco deun incendio, pueden llegar a ser sistemas muy agresivos donde lageneración de ondas de sobrepresión puede convertirse en un problemacorriente.

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DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO:

Ilustraremos el fenómeno utilizando comoejemplo un sistema de diluvio, el cual es máscomplejo que los de tubería húmeda y secaporque tiene mayor número de equipos ycomponentes (1).

En este punto es importante recordar que se tratade un sistema fijo de protección contra incendioen el cual las tuberías están vacías hasta elinstante en que se abre la válvula de diluvio paradistribuir el agua presurizada y descargarla por lasboquillas abiertas o rociadores simultáneamente.

Los sistemas de diluvio se usan regularmentecuando se requiere la aplicación rápida de grandescantidades de agua. Se usan para crear una zonade seguridad en áreas de alto riesgo o áreasdonde el fuego puede extenderse rápidamente.También cuando hay que enfriar superficies paraevitar deformaciones o colapsos estructurales, obien para evitar explosiones.

¿cuál es la premisa en todo este proceso?

Precisamente se caracterizan por la operación desistemas con muy altos caudales y la activaciónextremadamente rápida de los dispositivos quemarcan el performance hidráulico (la válvula dediluvio y/o la bomba para sostener presión). Ahíradica la clave para generarse un flujo transitorio ogolpe de ariete que pueden generar daños o fallascompletas del sistema.

La secuencia de imágenes a continuación ilustranun sistema donde las tuberías principales estánpresurizadas hasta la válvula de diluvio (2).Cuando se produce el incendio el dispositivo dedetección se activa, se abre (rápidamente!) laválvula de diluvio y el agua fluye por el sistemahasta salir por todos los rociadoressimultáneamente (3). La apertura repentina(extremadamente rápida!) de la válvula de diluviopuede crear un trasiente de presión que generefalla de un accesorio o incluso rociador del sistema(4).

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CASO 8: Sobrepresiones y separación de columna en sistemas contra incendio

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(imágenes de Young Engineering & Manufacturing Inc.)

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SOBRE EL FENÓMENO CONSIDERE QUE:

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(imágenes de Young Engineering &Manufacturing Inc.)

Supongamos que no ocurre ninguna falla por la rápida activación de la válvula de diluvio. Si el sistema de rociadoresmantiene la presión de la válvula de diluvio, todos los ramales suministran agua a la instalación (5). Sin embargo, si elcabezal principal no puede suplir suficiente presión, la bomba detecta la caída y automáticamente se enciende parasostener la presión requerida (6). El arranque del equipo en estas condiciones induce otra condición transitoria deflujo que también puede crear fallas e incluso rupturas en puntos sobre-estresados del sistema (7).

También se puede usar un tanque decompensación (Bladder surge tank)instalado aguas abajo de la bomba.Cuando la válvula de diluvio abre, eltanque proporcionará agua a latubería y evitará la separación decolumna (8). Cuando la bombaarranque, ingresará agua al tanquepara evitar una condición desobrepresión (9).

¿algunas sugerencias específicas?

Se pueden usar en estos sistemas críticos dispositivosque admiten una función integrada de reducción/control de presión junto con su acción de diluvio. Existenreferencias comerciales específicas para este fin(válvulas de diluvio con control de presión).

La idea es definir la criticidadreal del sistema en términosdel caudal requerido, lascaracterísticas de los equipos,tamaño de la red, e identificarlos posibles mecanismos quepermitan atenuar las altaspresiones que potencialmentese puedan generar y estabilizarla presión en el sistema demanera integral.

Una simulación hidráulicadinámica de la instalación seráde gran ayuda! Téngalo encuenta.

...¿Qué se debe hacer?..

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En primer lugar vamos hacer algunas referencias sobre el uso deanticongelantes en sistemas de rociadores contra incendio.Históricamente estas soluciones se agregaron durante el clima fríoa los sistemas cada vez que estos se congelaban. Las solucionesgeneralmente consistían en propilenglicol o glicerina, líquidoscombustibles que se mezclaron con agua para compensar suspropiedades incendiarias.

Tras un fatídico accidente en California en Agosto de 2009, lafundación de investigación de la Asociación Nacional deProtección contra Incendios (NFPA) junto con UL, trabajaron enuna investigación sobre las concentraciones de anticongelantes enlos sistemas de rociadores. En una actuación rápida, la NFPApromulgó cambios de emergencia a sus estándares de instalación(3 enmiendas provisionales conocidas como TIA), e impusieronrestricciones estrictas sobre los tipos de anticongelantes quepodían usarse y al mismo tiempo limitaron los nuevos sistemas aluso de soluciones anticongelantes enumeradas.

Además, la NFPA estableció para Septiembre de 2022 la fecha decaducidad para las soluciones anticongelantes existentes en esemomento en los sistemas de rociadores contra incendio. Estas

Nota complementaria – Expansión térmica deanticongelantes aplicados a sistemas de rociadores

soluciones deben reemplazarse antesde esta fecha por medios alternativosde protección contra la congelación.

Una buena noticia fue que elanticongelante TYCO® LFP® seanunció a finales de 2018 como laprimera solución anticongelante de lalista de UL para sistemas rociadorescontra incendio. Posteriormente eluso de otras marcas comerciales hasido aprobado también.

Dentro de este contexto, losanticongelantes se seguirán usandoen los sistemas de rociadores contraincendio, entonces la pregunta es¿qué tipo de condición transitoria deflujo se genera en ellos?

La secuencia de eventos se explica acontinuación...


Anticongelante

Agua

Overall sprinkler riser

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3(imágenes de Young Engineering &Manufacturing Inc.)

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Para el ejemplo consideremos un sistema derociadores contra incendio en un edificio industrial (1).Como hemos referido el anticongelante se agrega alsistema para evitar que el agua y las propias tuberíasdel sistema de rociadores se congelen (2).

En estos sistemas el overall sprinkler riser (elcomponente principal que sirve como puente entre elsuministro de agua y las tuberías de rociadores en eledificio), utiliza un dispositivo de prevención de reflujo(backflow preventer), que no es más que una válvulacheck, para proteger el agua de suministro y no“contaminarla” de anticongelante (3).

Cuando la temperatura exterior aumenta durante eldía, el anticongelante dentro de la tubería estarásujeto a expansión térmica, lo que genera una“acumulación” de presión que choca contra eldispositivo de prevención de reflujo (4).

En definitiva se genera una sobrepresión que puedepotencialmente causar fallas en áreas vulnerables delsistema de tuberías (5).


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La recomendación en este caso es usar untanque de expansión (Bladder Expansiontank) en el sistema. Este se instalará aguasabajo de la válvula de retención, de talmanera que el volumen expandido deanticongelante fluye hacia la vejiga de estetanque de expansión (6). De esta forma sereduce la probabilidad de fallas o rupturasque degeneren en fugas por sobrepresión.

...¿Qué se debe hacer?...

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(imágenes de Young Engineering &Manufacturing Inc.)

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CASO 9Steam Hammer – Detención de flujo de vapor

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CASO 9: Steam Hammer – Detención de flujo de vapor

Este caso normalmente ocurre cuando en un sistema de flujo de vapor, una o más válvulas se cierran o abren repentinamente.

...Se está preguntando ¿qué es una gran respuesta dinámica en la tubería?

Básicamente se traduce en altas vibraciones, altos desplazamientos de la tubería sobre los soportes, lo cual puede degenerar en cargassignificativas, deformaciones permanentes de accesorios, fugas en juntas de unión, entre otras consecuencias.

La respuesta dinámica en la tubería depende de la amplitud y frecuencia de las ondas de presión, así como de la frecuencia natural ycaracterísticas dinámicas de la tubería en sí.

La flexibilidad o rigidez de la tubería determinan cómo responderá el sistema a estas ondas y definirá la magnitud de las cargas en lossoportes. Sin embargo, estos son temas de otro Boletín técnico donde en particular analizaremos la respuesta de un sistema de tuberías bajocargas dinámicas.

En una Planta de energía, el Steam Hammer podría ser un fenómeno inevitable durante unevento de disparo o trip de la turbina de generación principal, ya que en estos equipos lasválvulas principales del sistema de vapor, conocidas como main steam valves, deben cerrarsemuy rápidamente para proteger la turbina de daños mayores.

Cuando la válvula se cierra repentinamente en un tiempo muy corto, la presión del flujo seacumula frente a la válvula comenzando a crear ondas de presión a lo largo de los tramos detubería aguas arriba. Estas ondas de presión pueden generar una gran respuesta dinámica enla tubería, que se traduce en altas cargas en las restricciones (soportes) del sistema.

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Main stop valves

Steam Turbine


Para ilustrar el caso que nos ocupa de Steam Hammer por detención de flujo,un buen ejemplo es el sistema de recalentamiento en una central térmicaconvencional que distribuye vapor recalentado a alta temperatura y presión(normalmente cerca de 1000°F y más de 550 psi) desde un recalentador deuna caldera de vapor a una turbina de presión intermedia.

Normalmente hay un cabezal principal de vapor que alimenta a 2 o másdistribuidores/tuberías de admisión en la turbina. Cada tubería de admisióntiene una válvula automática de aislamiento de la turbina que se cierra“rápidamente” durante el disparo (trip).

Cierre rápido 0.15s – 0.25s

Cierre lento > 0.25s

En el arreglo típico se disponen líneas de by-pass desde la turbinahasta la línea de recalentamiento que permiten en caso de undisparo pasar vapor hasta el condensador de la turbina.

En el evento, el cierre de las válvulas de aislamiento en un cortotiempo y la apertura de las válvulas de by-pass en un tiemporelativamente largo, genera una “intensa” propagación de ondasde presión que causan altas fuerzas dinámicas en el sistema detuberías.

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❑ Los cambios en el patrón de flujo debido al cierre repentino de lasválvulas provocan perturbaciones en el movimiento molecular y hay unaacumulación repentina de masa de vapor en la cara de la válvula que secierra.

❑ La acumulación de esa masa de vapor produce un aumento repentino dela presión y la densidad del vapor en la cara de la válvula. El flujo devapor que se trasladaba hacia la turbina es interrumpido por la masa devapor acumulada que a su vez trata de fluir hacia a atrás (aguas arriba dela válvula cerrada), y este fenómeno de choque sucede repetidas veces.

Más detalles sobre la descripción del fenómeno...

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Es importante recordar que...

...Cuando la válvula se cierra y detiene el flujo de vapor, lapresión aguas arriba de la válvula aumenta y la presiónaguas abajo disminuye. Cualquier cambio en el estado delfluido se propagará a través de la tubería con velocidadsónica (movimiento de onda).

Si el sistema no está diseñado para manejar estas fuerzasdesequilibradas pueden generarse fallas en los soportes,sobrecargas en las boquillas de los equipos y en generalsobre-esfuerzos que degeneran en roturas de tuberías yaccesorios.

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...¿Qué hacer?

Es necesario en el diseño del sistema de tuberías y sussoportes, la evaluación detallada del efecto decompresión del flujo de vapor y la propagación de lasondas de presión durante el transitorio, para determinarde forma precisa las fuerzas dinámicas del fluido, perosobre todo para diseñar las restricciones del sistema quepermitan amortiguar el efecto dinámico y mantener losesfuerzos de la tubería dentro de un rango aceptable.

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Recomendación final...

✓ El efecto del Steam Hammer en las líneas de vapor nose puede ignora o sobreestimar. Es necesarioconsiderar esta condición cuando se diseña el sistemade tuberías y en especial sus soportes para garantizarun funcionamiento seguro.

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CASO 10Ondas de choque por orificios de restricción

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CASO 10: Ondas de choque por orificios de restricción

LOCACIONES TÍPICAS Y CAUSAS DEL FENÓMENO:

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El ejemplo representativo de los problemas de ondas de choque por orificios de restricción, es un sistema de transferencia de fluido porbombeo (crudo, productos derivados, agua, etc.) de longitud significativa (mayor a 300 m) donde en el extremo final del sistema se ha instaladobajo cierto esquema de operación, un orificio de restricción justo antes del tanque de recibo o punto final del circuito.

Imaginemos un sistema con estas características, donde debido a un esquema de control operacional de flujo, se ha instalado al final delsistema una válvula de control con un orificio de restricción aguas abajo. En condiciones normales de operación, el orificio proporciona lacontrapresión en la válvula de control para evitar cavitación a través de la válvula. Sin embargo, la situación crítica se genera al momento delarranque del sistema, el cual se ilustra a continuación:

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Líquido fluyendo rápidamente

Válvula de control

Orificio de restricción

Espacio lleno de aire

Condición en la tubería previa al arranque del sistema

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DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO:

Los líquidos no son incompresibles. Es cierto que encomparación con los gases su compresibilidad esmuy pequeña pero, efectivamente tienen unacompresibilidad!¡...Como resultado de ello, en elmomento del arranque del sistema descritoanteriormente, la columna de líquido que seaproxima a la placa orificio no se desacelerainstantáneamente, el líquido en realidad secomprime.

Cuando el pulso de presión y su pulso de flujoconcurrente golpeen al restrictor de flujo, el pulso sereflejará aguas arriba contra el flujo a menos que elrestrictor pase exactamente el mismo ΔQ para laonda ΔP que llega. [ΔQ es el cambio en la tasa deflujo volumétricos y ΔP es el cambio de presión].

En casos severos y según el factor decompresibilidad del fluido, el pulso que se reflejapuede duplicarse en magnitud. La reflexión de ondapuede causar cavitación local en la tubería.


Líquido fluyendo rápidamente

Válvula de control

Orificio de restricción

Condición en la tubería al arranque del sistema

Espacio lleno de aireLíquido fluyendo a menor velocidad

On

da

de

ch

oq

ue

Si se produce la reflexión del pulso de presión, una onda viajará a una velocidadcercana a la velocidad del sonido en el fluido, transportando este cambio de presiónaguas arriba contra el flujo. La compresión del fluido degenera en presionessignificativas, que pueden dañar a la tubería, la válvula de control supuesta y engeneral al conjunto en los puntos de discontinuidad del sistema (codos, tee dederivación, reducciones, etc).

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DIMENSIONAMIENTO DEL ORIFICIO DE RESTRICCIÓN

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El dimensionamiento del restrictor de flujo debeser “tan perfecto” que el pulso de presión quellegue al limitador no se debe reflejar en latubería, sino que este pulso de presión “debesalir” de la línea a través del restrictor. Silogramos que la columna de líquido que se acercaal orificio de restricción se desacelere más omenos uniformemente, el golpe de ariete seríaimperceptible.

Para lograr esto el dimensionamiento delrestrictor requiere la aplicación de métodos decorrespondencia o igualación de impedancia, eninglés matched impedance.

Este dimensionamiento depende estrictamentede las propiedades del fluido y las característicasfísicas del sistema de flujo.

En el caso de orificios de restricción ellos puedenabsorber o amortiguar sólo un nivel de pulso depresión específico, lo que limita su practicidad deuso.

En el caso de tubos capilares (al fin y al cabo también limitadores de flujo en línea),ellos pueden ser dimensionados para una característica de flujo y de tuberíaespecíficas, y son independientes del nivel de presión o el flujo.

Así, los restrictores capilares pueden resultar de mayor utilidad en esta aplicación.

Por otra parte, las reducciones de paso múltiples significan utilizar varios orificios derestricción, válvulas de control o combinación de ambos. Se pueden utilizar también eneste tipo de situaciones orificios de restricción en serie.

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Hemos llegado al final de estos 5 nuevos Casos de Estudio Típicos de Evaluaciones de Golpe de Ariete

Recuerde...El golpe de ariete es un fenómeno REAL, que no debe quedar sólo en lo teórico. Sus consecuencias pueden sercríticas e incluso catastróficas.

La razón por la cual quisimos detallar estos 10 Casos emblemáticos es para crear conciencia de la presenciageneralizada que tiene el fenómeno y los problemas en que puede degenerar.

La clave está en la identificación temprana del evento (o potencial evento), la toma de conciencia de los riesgosimplícitos y el uso adecuado de las técnicas y metodologías hidrodinámicas para abordar adecuadamente el tema.

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