Prevención del golpe de ariete con actuadores de velocidad variable

El golpe de ariete puede ser una preocupación importante en los sistemas de bombeo y debe ser una consideración para los diseñadores por varias razones. Si no se aborda, puede causar una serie de problemas, desde tuberías y soportes dañados hasta componentes de tuberías agrietados y rotos. En el peor de los casos, puede incluso causar lesiones al personal de la planta.

El golpe de ariete ocurre cuando hay un aumento en la presión y el caudal de fluido en un sistema de tuberías, lo que provoca cambios rápidos en la presión o la fuerza. Las altas presiones pueden provocar fallas en el sistema de tuberías, como juntas con fugas o tuberías rotas. Los componentes de soporte también pueden experimentar fuertes fuerzas debido a sobretensiones o incluso una inversión repentina del flujo. El golpe de ariete puede ocurrir con cualquier fluido dentro de cualquier tubería, pero su gravedad varía según las condiciones tanto del fluido como de la tubería. Por lo general, esto ocurre en líquidos, pero también puede ocurrir con gases.

El aumento de la presión ocurre cada vez que un fluido es acelerado o impedido por la condición de la bomba o cuando cambia la posición de una válvula. Normalmente, esta presión es pequeña y la tasa de cambio es gradual, lo que hace que el golpe de ariete sea prácticamente indetectable. En algunas circunstancias, se pueden crear muchas libras de presión y las fuerzas sobre los soportes pueden ser lo suficientemente grandes como para exceder las especificaciones de diseño. Abrir o cerrar rápidamente una válvula provoca transitorios de presión en las tuberías que pueden generar presiones muy por encima de los valores de estado estable, lo que provoca un aumento de agua que puede dañar gravemente las tuberías y los equipos de control de procesos. La importancia de controlar los golpes de ariete en las estaciones de bombeo es ampliamente reconocida por las empresas de servicios públicos y las estaciones de bombeo.

Los factores desencadenantes típicos del golpe de ariete incluyen el encendido/apagado de la bomba, fallas de energía y apertura/cierre repentino de las válvulas de línea. Un modelo simplificado de la columna de fluido cilíndrico que fluye se parecería a un cilindro de metal que de repente es detenido por una pared de concreto. Resolver estos desafíos del golpe de ariete en los sistemas de bombeo requiere reducir sus efectos o evitar que ocurra. Hay muchas soluciones que los diseñadores de sistemas deben tener en cuenta al desarrollar un sistema de bombeo. Se pueden utilizar tanques de presión, cámaras de compensación o acumuladores similares para absorber los golpes de ariete, que son todas herramientas útiles en la lucha contra el golpe de ariete. Sin embargo, evitar que ocurran los picos de presión en primer lugar suele ser una mejor estrategia. Esto se puede lograr mediante el uso de un actuador de velocidad variable multivuelta para controlar la velocidad de cierre de la válvula en la salida de la bomba.

El avance de los actuadores y sus controles brinda oportunidades para usarlos para la prevención del golpe de ariete. Aquí hay tres casos en los que abordar el golpe de ariete fue un requisito clave. En todos los casos, una característica lineal era esencial para el control de flujo de una bomba de alto volumen. Si esto no se hubiera logrado, se habría producido un efecto martillo que podría dañar el sistema de agua de la estación.

Desafío de diseño

La estación de bombeo de refuerzo del sur de East Cherry Creek Valley (ECCV) en Colorado se equipó con bombas de alto volumen y se usaron válvulas de retención de bomba para el control de flujo. Para evitar golpes de ariete y daños potencialmente graves al sistema, la aplicación requería una característica de flujo lineal. El desafío del diseño era obtener un flujo lineal de una válvula de bola, que normalmente exhibe características de flujo no lineales cuando se cierra/abre.

Solución

Mediante el uso de un actuador de velocidad variable, la posición de la válvula se estableció para lograr diferentes posiciones de carrera en intervalos de tiempo. Con esto, la válvula de bola podría cerrarse/abrirse a varias velocidades para lograr un cambio de flujo de fluido más lineal. Además, en caso de un corte de energía, el actuador ahora se puede configurar para cerrar la válvula y drenar el sistema en una curva de emergencia predeterminada.

El actuador de velocidad variable elegido tenía la capacidad de controlar la posición de la válvula según tiempos preestablecidos. El actuador se puede programar para hasta 10 puntos de ajuste de tiempo, con las posiciones de válvula correspondientes. Entonces se podría controlar la velocidad de apertura o cierre de la válvula para garantizar que se consiguiera la posición de ajuste deseada en el momento correcto. Esta flexibilidad avanzada produce la linealización de las características de la válvula, lo que permite la selección de la válvula de puerto completo y/o un golpe de ariete significativamente reducido al cerrar las válvulas. Los controles integrados de los actuadores se programaron para crear una aceleración y desaceleración lineal del agua durante el funcionamiento normal de la bomba. Además, en caso de pérdida de energía eléctrica, los actuadores aseguraron un cierre rápido mediante el respaldo de una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS). También se proporcionó un cambio de tasa de flujo lineal, y esto aseguró transitorios mínimos del sistema y fácil calibración/ajuste de la curva de velocidad-tiempo.

Debido a su capacidad de velocidad variable, el actuador de velocidad variable superó los desafíos de esta instalación. Un tiempo de posicionamiento ajustable y dependiente del recorrido proporcionado por los actuadores de velocidad variable generó un flujo lineal a través de la válvula de bola. Esto permitió un ajuste fino de las velocidades de operación a través de diez posiciones diferentes para evitar el golpe de ariete.

Desafío de diseño

En el área de Oura, Australia, el agua se bombea desde múltiples pozos a un tanque de recolección, que luego se bombea a un tanque de retención. Cada una de las tres bombas está equipada con válvulas de mariposa de 12 pulgadas para controlar el flujo de agua.

Para proteger los asientos de las válvulas de los daños causados ​​por la cavitación del agua o de que las bombas funcionen en seco en caso de pérdida de agua, las válvulas de mariposa deben poder cerrarse rápidamente. Tal operación crea enormes fuerzas hidráulicas, conocidas como golpe de ariete. Estas fuerzas son suficientes para causar daños en las tuberías y deben evitarse.

Solución

Equipar las válvulas con actuadores de velocidad variable de giro parcial permite ajustar diferentes velocidades de cierre durante el funcionamiento de la válvula. Cuando se cierra desde completamente abierto hasta un 30 % de abierto, se establece una tasa de cierre rápido. Para evitar el golpe de ariete, durante la fase abierta del 30 % al 5 %, el actuador se ralentiza a una octava parte de su velocidad anterior. Finalmente, durante el 5% final para completar el cierre, el actuador vuelve a acelerar para reducir la cavitación y el consiguiente daño del asiento de la válvula. El tiempo total de funcionamiento de la válvula desde que se abre hasta que se cierra es de unos tres minutos y medio.

El actuador de velocidad variable elegido tenía la capacidad de cambiar la velocidad de salida en función de su posición de recorrido. Esta flexibilidad avanzada produjo la linealización de las características de la válvula, lo que permitió una selección más sencilla de la válvula y redujo el golpe de ariete. La velocidad de la válvula está definida por un máximo de 10 puntos de interpolación que pueden ajustarse con precisión en incrementos del 1 % de la posición abierta. Las velocidades se pueden configurar para hasta siete valores (n1-n7) según el tipo de actuador.

Desafío de diseño

En Mid Cheshire, Reino Unido, una empresa química utilizó varios cientos de pozos de salmuera, cada uno de los cuales usaba bombas para transferir la salmuera del pozo a las unidades de saturador. El flujo se controla mediante válvulas de mariposa de reciclaje de suministro de bomba accionadas por actuadores.

Bajo operación normal, cuando se detecta un flujo reducido, el actuador que controla la válvula se abre durante un período de 80 segundos. Sin embargo, si se detecta un flujo inverso, la válvula debe cerrarse en 10 segundos para proteger la bomba. Se requieren diferentes velocidades de actuación para la apertura, el cierre y el cierre de emergencia para garantizar la protección de la bomba.

Solución

El actuador de velocidad variable puede proporcionar hasta siete velocidades diferentes de apertura/cierre. Estos se pueden programar de forma independiente para abrir, cerrar, abrir de emergencia y cerrar de emergencia.

Mejorar la modulación de la válvula es una solución a considerar cuando se abordan problemas de golpes de ariete en un sistema de bombeo. Los actuadores y controles de velocidad variable brindan a los diseñadores de sistemas de bombas la flexibilidad para controlar continuamente la velocidad de operación de la válvula y la precisión para alcanzar los puntos de ajuste, otra tarea además del control de circuito cerrado.

Además, se puede proporcionar un apagado seguro de emergencia mediante la activación de velocidad variable. Con la capacidad de continuar la operación utilizando un generador de emergencia de la estación de bombeo, la tecnología de actuación puede ofrecer una opción a prueba de fallas.

En otras palabras, si ocurre una falla de energía, el actuador se cerrará en modo de emergencia en varias velocidades usando energía de un sistema UPS, permitiendo que el sistema se drene. Las curvas de tiempo de posicionamiento se pueden programar individualmente para la dirección de cierre/apertura y para el modo de emergencia.

Los actuadores multivueltas de velocidad variable también son una solución para situaciones de servicio abierto-cerrado. Este diseño puede proporcionar un arranque suave desde la posición inicial y una parada suave al llegar a la posición final. Este nivel de control evita picos de presión mecánica (es decir, golpes de ariete) que pueden contribuir a la degradación prematura de los componentes. La capacidad del actuador de velocidad variable para proporcionar este control tiene un impacto positivo en los intervalos de mantenimiento y prolonga la vida útil de los componentes del sistema.

Craig Mizer es el gerente de ingeniería de AUMA Actuators, Inc. ubicada en Canonsburg, Pensilvania. Mizer supervisa las actividades de ingeniería que respaldan las ventas y la fabricación de AUMA en América del Norte. Para obtener más información, visite auma.com.