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No momento da concepção de uma rede, os riscos eventuais de golpes de ariete devem ser estudados e quantificados, com a finalidade de prever os dispositivos de proteção (segurança) necessários, principalmente nos casos de canalizações que operam por bombeamento (recalque). Nos casos em que os dispositivos de proteção não estão previstos, as canalizações em ferro dúctil apresentam uma reserva de segurança suficiente para suportar as sobrepressões acidentais.
O FENÔMENO
No momento em que se modifica brutalmente a velocidade de um fluido em movimento numa canalização, acontece uma violenta variação de pressão. Este fenômeno, transitório, é chamado de golpe de ariete e aparece geralmente no momento de uma intervenção em um aparelho da rede (bombas, válvulas... ). Ondas de sobrepressão e de subpressão se propagam ao longo da canalização a uma velocidade a, chamada velocidade de onda.
Os golpes de ariete podem acontecer também nas canalizações por gravidade. Podemos destacar as quatros principais causas do golpe de ariete:
- a partida e a parada de bombas;
- o fechamento de válvulas, aparelhos de incêndio ou de lavagem;
- a presença de ar;
- a má utilização dos aparelhos de proteção.
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CONSEQUÊNCIAS
As sobrepressões podem acarretar, nos casos críticos, a ruptura de certas canalizações que não apresentam coeficientes de segurança suficientes (canalizações em plástico). As subpressões podem originar cavitações perigosas para as canalizações, aparelhos e válvulas, como também o colapso (canalizações em aço ou plástico). |
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| AVALIAÇÃO SIMPLIFICADA |
| Velocidade da onda: |
a =  |
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| 1 |
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( |
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1 |
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+ |
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D |
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) |
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Ee |
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| Sobrepressão-subpressão: |
 H = ± a |
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V |
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(Allievi) (1) |
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| g |
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| H = ± |
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2 L V |
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(Michaud) (2) |
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| gt |
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| onde: |
| a: |
velocidade da propagação (m/s) |
| : |
massa específica da água (1 000 kg/m3) |
| : |
módulo de elasticidade da água (2,05 × 109 N/m2) |
| E: |
modulo de elasticidade do material da canalização (ferro fundido dúctil: 1,7 × 1011 N/m2) |
| D: |
diâmetro interno (m) |
| e: |
espessura da canalização (m) |
| V: |
valor absoluto da variação das velocidades em regime permanente antes e depois do golpe de ariete (m/s) |
| H: |
valor absoluto da variação da pressão máxima em torno da pressão estática normal (m.c.a.) |
| L: |
comprimento da canalização (m) |
| t: |
tempo de fechamento eficaz (s) |
| g: |
aceleração da gravidade (9,81 m/s2) |
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Na prática, a velocidade da onda da água nos tubos em ferro dúctil é da ordem de 1200 m/s. A fórmula (1) leva em consideração uma variação rápida da velocidade de escoamento:
( t < 2L ÷ a )
A fórmula (2) leva em consideração uma variação linear da velocidade de escoamento em função do tempo (função de uma lei de fechamento de uma válvula, por exemplo):
( t > 2L ÷ a )
A pressão varia de ± H em torno da pressão estática normal. Este valor é máximo para o fechamento instantâneo de uma válvula, por exemplo.
Estas fórmulas simplificadas dão uma avaliação máxima do golpe de ariete e devem ser utilizadas com prudência. Elas supõem que a canalização não está equipada com dispositivo de proteção e que as perdas de carga são desprezíveis. Por outro lado, não consideram fatores limitantes, como o funcionamento das bombas como turbinas ou a pressão do vapor saturado na subpressão.
Exemplos
Canalização DN 200, K9, comprimento 1 000 m, recalcando a 1,5 m/s: a = 1200 m/s
| caso nº 1: parada brusca de uma bomba (perdas de carga desprezíveis, nenhuma proteção anti-golpe de ariete): |
H = ± [(1200 × 1,5) ÷ 9,81] = 183m (ou pouco mais de 1,8 MPa)
| caso nº 2: fechamento brusco de uma válvula (tempo eficaz de três segundos): |
- H = ± [(2 × 1000 × 1,5) ÷ (9,81 × 3)] = 102m (ou seja pouco mais de 1,0 MPa)
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AVALIAÇÃO COMPLETA
O método gráfico de Bergeron permite determinar com precisão as pressões e vazões em função do tempo, em todos os pontos de uma canalização submetida a um golpe de ariete.
Existem hoje programas de informática adaptados à resolução desses problemas complexos. |
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PREVENÇÃO
As proteções, necessárias à canalização para limitar um golpe de ariete a um valor admissível, são diferentes e adaptáveis a cada caso. Elas agem seja amenizando a modificação da velocidade do fluido, seja limitando a sobrepressão em relação à depressão.
O projetista deve determinar a amplitude da sobrepressão e da subpressão criada pelo golpe de ariete, e julgar, a partir do perfil da canalização, o tipo de proteção a adotar:
- volante de inércia na bomba;
- válvula de alívio*;
- válvula antecipadora de onda*;
- válvula controladora de bomba*;
- chaminé de equilíbrio;
- tanque de alimentação unidirecional -TAU;
- tanque hidropneumático - RHO.
Considerações
Nota-se, por outro lado, que as canalizações em ferro dúctil têm uma reserva de segurança significativa:
| na sobrepressão: a reserva de segurança dos tubos permite um aumento de 20% da pressão de serviço admissível para as sobrepressões transitórias; |
| na subpressão: a junta garante a estanqueidade face ao exterior, mesmo em caso de vácuo parcial na canalização. |
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