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De bombeos, válvulas y presiones: los problemas y sus soluciones

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  • bombeos, válvulas y presiones: problemas y soluciones

Sobre el blog

Miguel Angel Monge Redondo
Ingeniero Técnico Agrícola por la UPM. Autor del libro: Diseño agronómico e hidráulico de riegos agrícolas a presión. Nominado mejor post premios iagua 2017
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Las estaciones de bombeo, en especial aquéllas que operan con elevadas alturas manométricas, representan la parte más delicada, desde el punto de vista hidráulico, de una instalación de agua a presión, ya sea para riego, abastecimiento u otros usos. Debido a las grandes masas de agua que tienen que mover y a las altas presiones de operación que en ocasiones deben alcanzar, cualquier cambio brusco en las condiciones de trabajo puede provocar graves o muy graves consecuencias. La peor situación se daría tras la parada repentina, por fallo de suministro eléctrico, del grupo de bombeo y la consiguiente aparición de ondas de sobrepresión y subpresión en la conducción.

Un transitorio hidráulico es una alteración de la presión en la columna líquida que circula por el interior de una tubería debida a maniobras bruscas o inesperadas de los mecanismos de regulación (válvulas) o de las bombas. Estas alteraciones en la masa de agua son oscilaciones de energía, y se transmiten a través del líquido formando ondas de presión que, según su intensidad, pueden llegar a provocar serios desperfectos en la instalación, graves inconvenientes a personas, importantes perjuicios económicos y medioambientales, etc.

En el video siguiente se muestra la rotura de una tubería de agua potable por golpe de presión en Los Ángeles, California (USA) suceso que ocurrió en julio de 2014. La rotura se produjo bajo la calzada de una avenida y originó un gran socavón, perdiéndose miles de litros de agua.

En el siguiente video vemos la rotura de una tubería de agua potable en Benalmádena, Málaga (España), hecho que ocurrió en octubre de 2016. La rotura tuvo lugar a primera hora de la mañana quedando afectadas la planta baja interior de un hotel así como la zona de jardines y entretenimiento. El suceso fue conocido popularmente como el “tsunami de Benalmádena” por la aparatosidad del chorro.

Son las ondas positivas generadas en una perturbación hidráulica las que provocan los problemas, ya que, con mucha diferencia, contienen más energía que las ondas de succión o de vacío. El máximo vacío que puede conseguirse equivale a una presión negativa de 10 metros de columna de agua. Una sobrepresión puede suponer esta cifra multiplicada por n; lo explicaba en el post “Sobre las presiones negativas en tuberías”.

Muchas tuberías, en general, suelen estar bien preparadas para resistir depresiones próximas a 1 kg/cm2 (10 mca). Sin embargo, debo advertir, que no deben de descuidarse las juntas de las uniones elásticas, ya que aquí sí podrían aparecer problemas y pérdidas de estanqueidad debido a situaciones puntuales de vacío.

Existen no obstante casos de tuberías metálicas fabricadas con paredes muy delgadas, de escasa rigidez, que se han visto afectadas por el colapso durante su funcionamiento, como se aprecia en la llamativa fotografía.

Veamos a continuación algunas válvulas utilizadas para limitar el golpe de presión en impulsiones o en tramos de la conducción.

a) Válvulas de alivio rápido

Son dispositivos que permiten de forma automática y casi instantánea la salida de la cantidad necesaria de agua para que la presión máxima positiva en el interior de la tubería no exceda de un valor límite prefijado. Se instalan en una derivación (TE) en los bombeos y también en redes hidráulicas.

Los fabricantes suelen suministrar las curvas de funcionamiento de estas válvulas, hecho que facilita su elección según las características de la conducción.

En el gráfico anterior se muestra la capacidad de descarga de la gama de válvulas de alivio modelo 50 RWR de la casa Mistral Ross. Para seleccionar el tamaño de válvula, se entraría en el eje de ordenadas (eje vertical) con la presión máxima o bien con la presión diferencial –descontando de la presión máxima la presión de salida si la válvula no descargase a la atmósfera- Se entraría a continuación en el eje de abscisas (horizontal) con el caudal máximo. En el punto de cruce de ambas líneas se elegiría la válvula cuya recta se encuentre situada a la derecha del punto de intersección.

Supongamos un bombeo a una balsa con una altura manométrica de 10 bar y un caudal de 368 l/s.

Para elegir el tamaño adecuado de válvula iríamos al gráfico y trazaríamos las líneas de presión y caudal según hemos indicado, resultando una válvula de 8 pulgadas.

El esquema de instalación en un bombeo, dependiendo si la válvula de alivio descarga o no a la atmósfera, sería éste:

Vista general de una estación de bombeo con válvula de alivio Ross de cuerpo en ángulo en la tubería de impulsión.

Las válvulas de alivio se instalan además de en los bombeos, en aquéllos otros puntos de la conducción en los que se prevea subidas de presión, como en estaciones de filtrado o en las redes de suministro junto a válvulas reductoras de presión según podemos observar en el siguiente esquema.

Vamos a comentar la imagen anterior. En los puntos donde existan válvulas de control, se deben de instalar válvulas de corte, antes y después, para aislar el tramo cuando se necesiten realizar trabajos de mantenimiento o reparación. A la izquierda vemos un filtro de malla para evitar que los residuos que pueda transportar el agua alteren el funcionamiento de la válvula. Después la válvula reductora de presión. Seguidamente, en forma de ángulo, encontramos la válvula de alivio, que proporcionará protección contra picos puntuales de presión. En el by-pass vemos una válvula reductora de presión más pequeña. La válvula más grande (de mantenimiento más costoso) funciona en los períodos de mayor demanda. La válvula en derivación, más pequeña, reduce las horas de funcionamiento de la válvula grande, proporcionando un mejor rendimiento de la instalación.

Recordemos la expresión del coeficiente de caudal de una válvula:

El coeficiente de caudal (Kv) se define como el caudal (Q) en m3/h que provoca una caída de presión de 1 bar (∆P) cuando la válvula se encuentra totalmente abierta.

En la anterior fórmula, conocido Kv, podemos obtener la presión diferencial (∆P) para una válvula completamente abierta y un caudal de descarga (Q) haciendo:

b) Válvula de apertura anticipada

Estas válvulas están diseñadas para que se abran en el momento de parada de la bomba, cuando se produce la depresión inicial, de tal forma que cuando regresa la onda de sobrepresión, la válvula se encuentre totalmente abierta, minimizando al máximo las sobrepresiones que el transitorio puede originar. Se instalan exclusivamente en los bombeos. Las encontrarán en catálogos y libros con el nombre de “válvula anticipadora de onda”, término un tanto confuso y que no expresa realmente su función, por lo que es preferible denominarlas válvulas de apertura anticipada que es lo que realmente hacen.

Válvula de apertura anticipada (catálogo Bermad)

Una vez que actúan, el cierre de la válvula se produce lentamente para evitar la aparición de nuevas ondas de presión. Las válvulas de apertura anticipada van equipadas con dos pilotos, uno de alta presión y otro de baja presión. El funcionamiento es como sigue:

El piloto de baja presión [1] percibe la caída de presión inicial, debida a la parada de bombas, y abre la válvula principal. La válvula se encuentra abierta cuando retorna la columna de agua y la libera minimizando así la subida de presión en la línea. Si el grado de alivio fuera insuficiente, y la presión superase el ajuste del piloto de alta presión, el piloto de alta [2] actuaría inmediatamente para abrir aún más la válvula principal. Cuando la presión en el sistema se estabiliza en el nivel de presión estática, los dos pilotos se cierran y la válvula principal empieza a cerrarse. Si la presión en la línea sube durante el cierre de la válvula principal, el piloto de alta presión detiene brevemente el proceso de cierre para evitar que la presión siga elevándose.

En las imágenes siguientes podemos apreciar cómo actúa una válvula de apertura anticipada modelo 735-M de la casa Bermad sobre las ondas de sobrepresión en el caso de una parada brusca de la estación de bombeo.

Con los datos de la impulsión, las casas fabricantes de válvulas seleccionan mediante programas informáticos el tamaño y la ubicación de estas válvulas.

En determinadas situaciones se podría llegar a valores de vacío causados por las ondas de subpresión que pueden poner en riesgo la integridad de la tubería, de las piezas así como de las juntas de unión, aspectos que hay que considerar en el estudio.

En el video siguiente podemos ver cómo actúa una válvula de apertura anticipada. Se trata de una válvula Dorot comercializada por Regaber. Fíjense primero en el manómetro asociado a la válvula. Al principio desciende la presión (la aguja del manómetro cae), el piloto de la válvula detecta la onda negativa y desaloja el agua de la cámara de control de la válvula para permitir su rápida apertura. Cuando llega la onda de sobrepresión, se aprecia como sube la aguja del manómetro y la válvula, ya abierta, desaloja la masa de agua sin que la presión sobrepase la consigna de 6 bar. Durante unos segundos la válvula opera hasta que se normaliza la presión y finalmente cierra despacio.

Quizá alguno de ustedes ya se haya preguntado qué válvula instalar en un bombeo, si una de apertura anticipada (VAA) o una de alivio rápido (VAR). La respuesta, sin pretender eludir el razonamiento técnico que viene a continuación, sería depende. Si bien el fin de ambas válvulas es liberar un exceso de presión puntual en la instalación, el medio que utilizan para conseguirlo es muy diferente. Así una VAA abre antes de que llegue la onda positiva de presión pues el piloto de baja detecta la onda negativa y se produce el vaciado de la cámara de control de la válvula. Cuando regresa la masa de agua no encuentra resistencia en la válvula y desaloja el caudal con rapidez por lo que no se presentan en ningún momento picos de sobrepresión por encima de la presión de consigna. La VAR abre cuando detecta la sobrepresión. El desalojo del agua de la cámara de control de la válvula a través del piloto no se produce inmediatamente, por lo que antes de que comience la válvula a vaciar agua de la red, pueden presentarse picos de sobrepresión, por encima de la presión de consigna.

Por tanto, los bombeos con alturas manométricas elevadas reúnen las mejores condiciones para el funcionamiento de las VAA. Por el otro lado los bombeos con bajas alturas manométricas y con conducciones largas y lineales, presentan los mejores requisitos para el funcionamiento de las VAR.

c) Ventosas

Dependiendo de su función, permiten la eliminación del aire acumulado en el interior de la tubería cuando ésta se llena de agua, la admisión de aire cuando la presión en el interior de la tubería es menor que la atmosférica y la eliminación del aire que circula en suspensión en el agua bajo presión.

Los diferentes tipos y funciones de las ventosas los pueden consultar en el post que escribí: “El aire en las tuberías: un problema que a veces es parte de la solución

El cálculo para seleccionar el tamaño de la ventosa a instalar en una conducción lo tienen en el post: “Cálculo y dimensionado de ventosas

d) Válvulas de retención (check valve)

Estas válvulas funcionan de manera que sólo permiten la circulación del flujo de agua en un sentido, por lo que también se conocen como válvulas anti-retorno.

Se emplean en impulsiones, a la salida de la bomba, para impedir que ésta gire en sentido contrario debido al retroceso de la columna de agua cuando se para el equipo de bombeo. Asimismo protege la bomba contra las sobrepresiones y evita que la tubería de impulsión se vacíe.

Las válvulas de retención tipo clapeta simple o clapeta doble tradicionales no atenúan el golpe de ariete ya que no actúan inmediatamente para evitar el reflujo del agua. El cierre de la clapeta debido al retroceso del agua provoca una onda de choque y una sobrepresión en la conducción. Hace pocas décadas este tipo de válvulas se instalaban en tramos intermedios de la impulsión para intentar mitigar los efectos de las sobrepresiones en caso de parada brusca de las bombas. Se trataba de una operación delicada de diseño ya que los picos de sobrepresiones generados cuando tenían que entrar en funcionamiento las válvulas de retención introducían perturbaciones en la instalación que a veces no eran compatibles ni con la resistencia mecánica de la tubería ni con las resistencia de la propia válvula.

En la actualidad, en las estaciones de bombeo en las que se trasiegan grandes caudales, se emplean otros mecanismos para atenuar los transitorios como los mostrados más abajo.

Funcionamiento de la válvula de retención tipo clapeta simple

Válvula de retención de anillos concéntricos Retenar de la casa Mistral Ross para la protección de las estaciones de bombeo contra el golpe de ariete: cuando actúa, su cierre es instantáneo debido al obturador elástico lo que evita el reflujo del agua y la formación de la onda de choque.

Válvula de retención de discos múltiples de la casa Ibapol Polanco para la protección de las estaciones de bombeo contra el golpe de ariete. Cuando actúa, los discos múltiples se cierran evitando el reflujo del agua y la formación de la onda de choque.

Y ya para finalizar este artículo acabaremos con estos dos impactantes videos en los que se muestra lo que la fuerza del agua es capaz de hacer.

El primer video muestra el efecto de un golpe de ariete en tubería bajo una autopista sucedido en Rusia. Primero se produce una explosión de agua y, transcurrido unos instantes, llega una segunda explosión debida al efecto del regreso de la onda de sobrepresión. En el centro de la calzada puede verse la tapa de registro metálica de la conducción, de considerable tamaño, desplazada a causa de la presión del agua.

En este segundo video vemos un espectacular golpe de ariete ocurrido en una tubería bajo un aparcamiento de superficie en Ucrania. Afortunadamente no hubo daños personales pero resulta impresionante el movimiento de tierras que produjo la explosión…

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Muchas gracias por tu atención y hasta la próxima.

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