Pics de pressiò en sistemes tancats
- 13/02/2025
El perill subestimat dels sistemes pressuritzats i com evitar-lo
Els pics de pressió en sistemes tancats poden causar danys importants i són més complexos del que semblen a primera vista. Però, què són exactament els pics de pressió? Com es produeixen i com podem protegir els sistemes contra ells? És hora que donem un cop d'ull a aquest tema i expliquem com els mesuraments precisos juguen un paper a garantir la seguretat i l'eficiència en els sistemes de pressió.
Què són els pics de pressió?
Els pics de pressió són augments abruptes, breus i intensos de la pressió en un sistema tancat. Es produeixen amb major freqüència sota càrregues de pressió dinàmiques, quan la velocitat del flux canvia sobtadament. Aquest tipus de pics de pressió són comunes en les canonades de subministrament de líquids i gasos, però també poden ocórrer en altres aplicacions, com a sistemes hidràulics o pneumàtics. Un augment sobtat de la pressió pot tenir un gran impacte en la seguretat i la durabilitat d'un sistema, a més de causar danys com a fugides i components trencats, o fins i tot provocar que falli tot el sistema.
En particular, en els sistemes que transporten líquids, com les canonades d'aigua, es generen grans forces perquè els líquids tenen una major densitat i, per tant, més massa per volum que els mitjans gasosos. El resultat és que s'introdueixen quantitats relativament grans de força en el sistema. A més, els líquids tenen molt poca compressibilitat, cosa que significa que les forces transmeses es transmeten directament sense esmorteir-se en un grau apreciable.
Com es produeixen els pics de pressió
Els pics de pressió es produeixen quan el moviment del fluid en un sistema es deté o canvia de manera abrupta. Això pot ocórrer, per exemple, quan s'obre o es tanca una vàlvula ràpidament. Es genera una ona de pressió que es propaga pel sistema.
La física darrera del fenòmen
Per a ajudar-te a entendre el que està succeint, donem un cop d'ull ràpid a alguns dels principis físics subjacents.
Les tres lleis del moviment de Newton
Llei d'inèrcia: Un cos (en aquest cas el fluid) roman en repòs o en constant moviment tret que una força externa actuï sobre ell.
Principi d'acció: La força és igual a la massa per l'acceleració.
Principi d'interacció: Tota acció té una reacció igual; tota força que actua quan dues masses interactuen genera una força oposada d'igual magnitud.
O, dit d'una altra manera: si el cos A exerceix una força sobre el cos B, llavors el cos B exerceix una força igual i oposada sobre el cos A. La força i la *contrafuerza tenen la mateixa magnitud però són directament oposades.
Principi de Bernoulli
L'equació de Bernoulli descriu la conservació de l'energia en un fluid en moviment. En termes simplificats, estableix que en un mitjà en moviment, la pressió total (composta per la pressió estàtica, dinàmica i hidroestàtica) roman constant.
Això significa que si la velocitat del flux augmenta i la pressió hidroestàtica roman igual, la pressió estàtica ha de disminuir perquè l'energia cinètica del fluid augmenta.
Aquest principi també juga un paper en el funcionament de les ales dels avions. El perfil asimètric de l'ala i l'angle d'inclinació garanteixen que l'aire flueixi més ràpid sobre la superfície superior que sobre la inferior, la qual cosa crea una diferència de pressió. Es forma una pressió negativa sobre l'ala, mentre que existeix una pressió més alta sota ella. A més, el flux d'aire es desvia cap avall, la qual cosa genera una força de sustentació ascendent d'acord amb la tercera llei de Newton. La combinació de l'efecte Bernoulli i la conservació del moment permet el vol.
Tornant al nostre cas específic, aquest principi entra en joc en particular quan es formen bombolles de gas en el mitjà, i això ocorre en combinació amb un altre fenomen que expliquem a continuació.
Cops d'ariet
Els cops d'ariet són l'exemple clàssic de pics de pressió, també anomenats “cops d'ariet”. Aquest fenomen es produeix quan un líquid es veu obligat a detenir el seu flux de sobte o quan la velocitat del flux canvia dràsticament, la qual cosa provoca un augment sobtat de la pressió.
Si el mitjà està en moviment i es deté per una resistència, l'energia cinètica es converteix en pressió. Aquesta força continua cap enrere en el mitjà des de l'obstacle i es propaga en el sistema com una ona de pressió que es mou a la velocitat del so.
Si l'energia del sistema no es pot dissipar comprimint el gas present, l'única opció és que les canonades i els accessoris es deformin. En el pitjor dels casos, pot produir-se una fallada total del material i que els components o les connexions explotin. Però tampoc s'han de subestimar les deformacions purament elàstiques, és a dir, les oscil·lacions i les vibracions, ja que sovint provoquen microtrencaments en el material en forma de petites esquerdes. Això crea noves vies per a danys a causa de posteriors pics de pressió o corrosió. Amb el temps, el risc augmenta.
L'augment de pressió és com si “sondegés” el sistema a la recerca d'un punt feble pel qual travessar. D'aquesta manera, pot recórrer distàncies de diversos quilòmetres sense problemes i reflectir-se diverses vegades d'un costat a un altre al llarg de la canonada abans que s'esgoti la seva energia. Això significa que en sistemes sota pressió, fins i tot els components que no estan en els voltants de la causa de l'augment de pressió poden veure's afectats.
Un exemple conegut de la vida quotidiana és el soroll d'impacte, sovint audible, que es produeix quan es tanca ràpidament una aixeta a casa. Aquest fenomen també es produeix en canonades i accessoris industrials, però en aquest cas les dimensions i les forces solen ser molt majors. Un cas de risc típic és la parada sobtada d'una bomba. Si bé això canvia directament la velocitat de flux i la pressió, sovint també és responsable el reflux del mitjà en les línies de subministrament i retorn. Si hi ha vàlvules de retenció o vàlvules antiretorn en la línia, protegeixen la bomba del reflux del mitjà. No obstant això, elles mateixes poden causar una ona de pressió en la resta del sistema perquè detenen bruscament el flux.
Cavitació
Un altre problema menys conegut en els sistemes que transporten líquids és la cavitació. Es produeix quan la pressió d'un líquid cau tan dràsticament que es formen bombolles de vapor. Quan la pressió torna a pujar, aquestes bombolles col·lapsen sobtadament en una implosió que provoca pics de pressió massius. El líquid flueix a gran velocitat cap a l'espai buit creat per la sobtada absència del gas. El líquid que flueix es deté abruptament pel líquid que flueix des de l'altre costat i la seva energia cinètica es converteix en una ona de pressió que es propaga a través del sistema.
Aquest gràfic il·lustra el principi de cavitació. A mesura que un líquid flueix a través d'una constricció, la seva velocitat augmenta, la qual cosa fa que la pressió caigui segons l'equació de Bernoulli. Quan la pressió cau per sota de la pressió de vapor del líquid, es formen bombolles de vapor. Una vegada que passa la constricció, la pressió augmenta de nou, la qual cosa fa que les bombolles col·lapsin abruptament. Les bombolles de vapor poden ser causades per grans fluctuacions de pressió, *subpresión o buit. Sovint es produeixen al voltant de components que es mouen ràpidament, com a turbines, hèlixs de vaixells o impulsors de bombes de flux. Això es deu al fet que el fluid s'allunya del component i, per tant, se sotmet a una forta acceleració local. Segons l'equació de Bernoulli, la pressió estàtica disminueix a mesura que augmenta la velocitat, i això és el que causa la formació de bombolles de vapor.
Quan penses en vapor, és possible que automàticament pensis en vapor a altes temperatures. No obstant això, és important recordar que el punt d'ebullició també és més baix a pressions reduïdes. Encara que la cavitació pot produir-se amb major facilitat i els seus efectes poden veure's amplificats a altes temperatures, en realitat les fluctuacions de pressió són l'aspecte més crític. La cavitació pot produir-se en líquids a qualsevol temperatura. Per contra, augmentar la pressió pot evitar que es formin bombolles de vapor, fins i tot a altes temperatures.
Per tant, una regulació estable de la pressió és vital per a evitar la cavitació i augmentar la vida útil dels components. Fins i tot les petites bombolles de vapor poden provocar pics de pressió increïblement alts quan col·lapsen, així com altes temperatures en el seu entorn immediat.
Separació de la columna d'aigua: cop d'ariet amb efecte de cavitació
Un dels majors desastres per a qualsevol sistema de canonades és la separació de la columna d'aigua, que es produeix quan es produeix un cop d'ariet que provoca un greu efecte de cavitació en una gran superfície. Aquest fenomen és responsable de molts trencaments catastròfics de canonades en grans centrals elèctriques i oleoductes.
A més de l'augment de pressió pròpiament dit, aquest tipus de cop d'ariet també genera un efecte de tracció en l'altre costat del sistema. A mesura que augmenta la pressió en la direcció del moviment del mitjà, ja que aquesta és la direcció de l'energia cinètica del mitjà, la pressió disminueix corresponentment en l'altre extrem degut a aquest efecte de “tracció” de la força.
En casos extrems que involucren volums relativament grans, la pressió pot caure per sota de la pressió de vapor del líquid. Això no sols provoca la formació de petites bombolles de vapor en el mitjà, sinó que també fa que seccions senceres de la canonada s'omplin de vapor. Aquesta separació de la columna d'aigua és extremadament perillosa. Quan el vapor col·lapsa i els corrents de líquid es tornen a trobar, el resultat és una implosió extremadament fort que pràcticament cap sistema està dissenyat per a suportar. Els danys solen ser catastròfics.
En la pràctica, els sistemes de canonades solen ser molt més complexos que una simple canonada recta amb dos extrems. Per tant, la separació de la columna d'aigua també pot ocórrer en altres punts del sistema, com en corbes, ramificacions, extrems de canonada tancats o posicions elevades. Aquesta complexitat fa que sigui molt més difícil predir la ubicació precisa i els impactes de tals efectes.
Mesures preventives
Simulacions
Els pics de pressió es poden calcular i predir, però això es torna ràpidament complex si es necessita una anàlisi precisa, ja que hi ha nombrosos paràmetres i interaccions que han de tenir-se en compte. Aquí és on entren en joc les simulacions informàtiques modernes com MATLAB (https://ch.mathworks.com/products/matlab.html).
En aquest cas, el sistema es reprodueix virtualment i es realitzen simulacions en diverses condicions, com el tancament sobtat d'una vàlvula o la parada d'una bomba. MATLAB treballa amb petits intervals de temps i calcula com canvien la pressió, la velocitat del flux i altres paràmetres al llarg del temps durant el funcionament d'un sistema. Això permet predir on i quan poden produir-se pics de pressió.
Els resultats de la simulació es poden utilitzar per a realitzar optimitzacions específiques en el sistema. Amb la informació dels perfils de pressió simulats, es poden planificar contramesures adequades i es poden equipar les seccions afectades amb dispositius de seguretat. Això significa que els pics de pressió es poden reduir des del principi o es poden mitigar els impactes més greus.
Les anàlisis informàtiques poden proporcionar resultats precisos sempre que estiguin configurats correctament. El model ha de comptar amb informació correcta sobre el sistema, el mitjà utilitzat i les possibles influències externes. Només així es pot garantir que els resultats reflecteixin la realitat de manera fiable.
Components de protecció
Encara que en la pràctica és pràcticament impossible evitar per complet els pics de pressió, els seus efectes es poden reduir significativament mitjançant mesures específiques. Alguns dels mètodes provats per a absorbir i mitigar els pics de pressió inclouen l'ús d'amortidors de pressió, reductors de pressió, vàlvules de tancament lent i molts altres components de protecció:
- Els reductors de pressió redueixen la pressió del sistema a un nivell segur per a reduir la intensitat dels pics de pressió. Sovint s'utilitzen en sistemes de canonades i instal·lacions industrials per a evitar augments de pressió incontrolats.
- Els amortidors de pressió atenuen els pics de pressió absorbint i alliberant l'excés d'energia. Sovint consisteixen en diafragmes elàstics o cambres que contenen gas comprimible. Són especialment eficaços en sistemes que transporten líquids on la massa i la incompressibilitat del líquid poden amplificar els efectes de les ones de pressió.
- Les vàlvules de tancament lent redueixen els pics de pressió causats quan una vàlvula es tanca bruscament ("cop d'ariet"). Utilitzen sistemes d'amortiment per a ajudar al fet que es tanquin de forma més suau i constant.
- Les vàlvules de seguretat s'obren quan s'aconsegueix una sobrepressió específica i dissipen l'excés de pressió de manera controlada. Protegeixen els components del sistema, com a canonades, bombes i recipients, contra danys deguts a la sobrepressió.
- Les vàlvules de retenció eviten que el líquid o el gas generin becs de pressió no desitjats a causa del reflux. Sovint actuen en conjunt amb els sistemes de bombament quan el flux es deté abruptament.
- Els acumuladors emmagatzemen l'excés de líquid o gas en un sistema i l'alliberen novament quan és necessari per a compensar els pics de pressió. Són particularment útils quan s'utilitzen bombes *pulsantes o sistemes altament dinàmics.
- Els colzes de canonada o les connexions flexibles canvien intencionalment el camí del flux o redueixen la rigidesa de les canonades per a absorbir els pics de pressió.
Suport de sistemes de sensors intel·ligents
Els sensors com a transmissors de pressió o manòmetres digitals són essencials per a protegir un sistema contra pics de pressió. Permeten validar hipòtesi i resultats de simulació i comprovar si els components de protecció instal·lats estan tenint l'efecte desitjat. Quan sorgeixen problemes, solen ser fonamentals per a localitzar les causes.
El monitoratge continu de sensors en punts crítics durant el funcionament ofereix nombrosos avantatges. D'aquesta manera, es poden registrar pics de pressió en temps real i es poden activar respostes automàtiques, com obrir o tancar vàlvules. Les fallades dels components del sistema i dels components de protecció no sols es detecten directament, sinó que també es poden prevenir en casos ideals. Els canvis en les dades a llarg termini poden indicar desgast i assenyalar petits defectes que es poden reparar abans que sigui massa tarda.
Un monitoratge eficaç requereix un sistema intel·ligent que avisi automàticament al personal responsable si alguna cosa sembla anormal, per exemple a través de la xarxa mòbil, el correu electrònic o mitjançant una interfície *IoT i una aplicació en el núvol. Això garanteix un temps de resposta ràpid per a minimitzar els possibles danys.
Manteniment i servei tècnic
La selecció i col·locació acurada dels components de protecció, així com el manteniment i calibratge regulars de tots els sistemes, també exerceixen un paper fonamental per a minimitzar els pics de pressió i evitar danys.
Dispositius de mesurament com a eines per a registrar i analitzar pics de pressió
Amb els nostres transmissors de pressió *piezorresistivos, manòmetres digitals i registradors i solucions de programari, oferim les eines adequades per a mesuraments de pressió precises en sistemes tancats i per a registrar i analitzar pics de pressió.
Els sensors KELLER proporcionen dades precises i tenen estabilitat a llarg termini, la qual cosa els fa perfectes per a la supervisió fiable del sistema i la detecció de pics de pressió. Les solucions de programari com l'anàlisi de dades també són importants per a planificar mesures preventives i optimitzar el sistema.
Registre de pressió
Un transmissor de pressió *piezorresistivo mesura la tendència de la pressió, inclosos els pics de pressió. Amb una freqüència límit d'1 > kHz, els transmissors de pressió estàndard de *KELLER proporcionen la base per a detectar pics de pressió ràpids. La línia I ve amb 1 kHz de sèrie, la línia X per a la sortida de tensió de 3 fils amb > 1 kHz. Per a mesuraments encara més ràpides, el 21PHB està disponible amb 20 kHz.
Visualització de dades
Els mesuradors digitals mostren els valors en temps real i guarden el valor màxim mostrat.
Anàlisi i optimització
El programari analitza les dades per a comprendre els pics de pressió i prendre mesures correctives.
Resum
Els pics de pressió suposen un gran repte en moltes aplicacions industrials. No obstant això, poden controlar-se mitjançant una combinació de bona planificació, mesures preventives i tecnologia de mesurament d'última generació. La supervisió i l'anàlisis específiques ajuden a prevenir danys i a millorar significativament la seguretat operativa.
«Els sensors són essencials per a protegir un sistema contra pics de pressió.»
Manuel Boller-Berger
Technical Product Manager
