Golpe de aríete designa as variações de pressão decorrentes de variações da vazão, causadas por alguma perturbação, voluntária ou involuntária, que se imponha ao fluxo de líquidos em condutos, tais como operações de abertura ou fechamento de válvulas, falhas mecânicas de dispositivos de proteção e controle, parada de turbinas hidráulicas e ainda de bombas causadas por queda de energia no motor, havendo, no entanto, outros tipos de causas.
O golpe de aríete em sistemas hidráulicos Em hidráulica, a análise dos vários aspectos que a compreende, se defronta com um tema dos mais complexos e que nos últimos tempos tem tido notáveis progressos, que é o que se refere aos fenômenos transitórios. O desenvolvimento deste tema tem se verificado não só devido à sua grande importância em projetos de sistemas hidráulicos, mas também devido às contribuições dos incessantes avanços da informática. Dentre esses fenômenos, o mais comum, que ocorre com muita frequência, e um dos mais interessantes, é o que se conhece como golpe de aríete.
Por golpe de aríete se denominam as variações de pressão decorrentes de variações da vazão, causadas por alguma perturbação, voluntária ou involuntária, que se imponha ao fluxo de líquidos em condutos, tais como operações de abertura ou fechamento de válvulas, falhas mecânicas de dispositivos de proteção e controle, parada de turbinas hidráulicas e ainda de bombas causadas por queda de energia no motor, havendo, no entanto, outros tipos de causas.
É o caso típico de condutos de recalque providos de válvulas de retenção logo após a bomba, e sem dispositivos de proteção. Neste caso a situação de ocorrência do golpe de forma mais desfavorável e com mais frequência, é aquela decorrente da interrupção brusca da energia elétrica fornecida ao motor da bomba que alimenta o conduto. É nesta situação onde corriqueiramente se verificam valores extremos para o golpe de aríete.
Durante o fenômeno do golpe de aríete, a pressão poderá atingir níveis indesejáveis, que poderão causar sérios danos ao conduto ou avarias nos dispositivos nele instalados. Danos como ruptura de tubulações por sobrepressão, avarias em bombas e válvulas, colapso de tubos devido a vácuo, etc.
A análise Assim é que torna-se necessária, na engenharia hidráulica, a análise do golpe, para que se possa quantificá-lo numericamente e, com isto, tornar possível a adoção de medidas preventivas cabíveis, que venham anular ou minimizar seus efeitos indesejáveis. Efetivamente, esta análise se faz necessária, porque o desconhecimento dos efeitos do golpe de aríete pode ocasionar o super ou o subdimensionamento, isto é, projetos de sistemas de tubulações com espessuras de parede desnecessariamente elevadas ou perigosamente reduzidas.
Contudo o golpe de aríete é um fenômeno não muito fácil de se compreender intuitivamente, de modo que com os métodos tradicionais de cálculo, o profissional encontra, em geral, dificuldades para interpretá-lo corretamente. Somente com o aparecimento dos computadores é que o cálculo pôde ser automatizado, o que possibilitou a análise pormenorizada do golpe de aríete, mesmo nas condições de maior complexidade, tal como ocorre nos sistemas ramificados e malhados.
Com os recursos de processamento por computador atualmente existentes, o método considerado como o mais potente e versátil para a análise e resolução de problemas de golpe de aríete, é o método das características. No Brasil este método é recomendado para esta finalidade pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), por meio da NBR-12215/1992, na elaboração de projetos de sistemas de adução de água. Consiste num procedimento computacional de cálculo, para resolução das equações diferenciais do movimento e da continuidade, sob a forma numérica e de modo sistematizado, suficientemente preciso para representar e predizer o fenômeno.
A experiência de muitos anos de engenheiros, universidades e empresas, em hidráulica de tubulações, sendo que grande parte deste tempo com pesquisa e investigação sobre o golpe de aríete, com um universo incontável de trabalhos já realizados e publicados sobre este tema, habilita e credencia estes profissionais e entidades a oferecerem suporte técnico, para análise e estudos sobre este fenômeno, em projetos de sistemas hidráulicos que estejam em estudos, em desenvolvimento ou já executados, especialmente em adutoras de recalque.
Utilizando os recursos computacionais citados, os profissionais, especializados em hidráulica, estão capacitados a realizar estudos sobre o golpe de aríete, e a apresentar relatórios técnicos com os resultados de cálculos representando numericamente a evolução da vazão e da pressão, durante a ocorrência do fenômeno, ao longo de toda uma tubulação, de acordo com a variação do tempo, bem como a indicação das pressões máximas e mínimas previsíveis, levando em conta os componentes presentes no sistema, de modo a se determinar corretamente as classes de pressão necessárias para a tubulação, e/ou os tipos de dispositivos de proteção contra o golpe, mais adequados para toda a adutora.
Considerações sobre a análise do golpe de aríete em sistemas hidráulicos. Condutos por bombeamento e por gravidade Por golpe de aríete se denominam as variações de pressão decorrentes de variações da vazão, motivadas por alguma perturbação, voluntária ou não, que se cause ao fluxo de líquidos no interior de condutos, sendo a intensidade do golpe proporcional à variação da vazão. Os casos mais frequentes ocorrem nas manobras de válvulas e nas paradas de bombas e turbinas hidráulicas.
No caso de condutos por gravidade, a manobra de válvulas (abertura ou fechamento) poderá ser determinada pela ação direta do operador, resultando, portanto, que a variação da vazão considerada, é uma variável sobre a qual se pode atuar.
Já em condutos por bombeamento, a parada de bombas motivada por interrupção da energia elétrica fornecida ao motor, salvo alterações do sistema, consiste de uma manobra não determinada diretamente pela ação do operador, mas pela própria natureza do sistema, resultando, portanto, que a variação da vazão neste caso, é uma variável sobre a qual não se pode atuar.
Comentários sobre a ocorrência de golpe de aríete em sistemas hidráulicos Por golpe de aríete se denominam as variações de pressão decorrentes de variações da vazão, causadas por alguma alteração, voluntária ou involuntária, imposta ao fluxo de líquidos no interior de condutos. Isto quer dizer que o golpe de aríete ocorre quando se aumenta ou diminui a vazão, porém de uma maneira suficientemente rápida para que as forças elásticas do líquido e do conduto sejam mobilizadas, dando origem a ondas de pressão que se propagam ao longo do conduto.
Em condutos de recalque providos de válvulas de retenção logo após a bomba, e sem dispositivos de proteção contra o golpe, a situação de ocorrência do golpe de aríete de forma mais desfavorável, e que se verifica com mais frequência, é aquela decorrente da interrupção brusca do fornecimento de energia elétrica ao motor da bomba que alimenta o conduto. É nesta situação onde corriqueiramente se verificam valores extremos para o golpe.
No instante em que ocorre a interrupção, se inicia, devido à diminuição da rotação do motor, uma variação da pressão na coluna líquida, imediatamente à jusante da bomba, que se propaga na forma de onda até o final do conduto, onde se reflete e retrocede até a bomba. Encontrando a válvula de retenção fechada a pressão se eleva e reflete-se novamente para o final do conduto, e assim sucessivamente, ao mesmo tempo em que a amplitude destas ondas de pressão vão sendo gradativamente amortecidas devido ao atrito interno.
A celeridade é o parâmetro utilizado para caracterizar as propriedades de deformabilidade do conduto e compressibilidade do líquido que escoa no seu interior, durante as variações de pressão que ocorrem no golpe de aríete.
A inércia das massas girantes tem significativa influência na magnitude do golpe de aríete decorrente da interrupção do fornecimento de energia ao grupo motobomba. O valor deste parâmetro, tanto para motores quanto para bombas, é fornecido pelos fabricantes destes equipamentos, em seus manuais.
A condição de operação da bomba é expressa por uma curva altura versus vazão, do tipo parábola, cujos coeficientes são obtidos por regressão a partir de dados fornecidos, também, pelos fabricantes dos equipamentos.
Já em condutos por gravidade sem dispositivos de proteção contra o fenômeno do golpe de aríete, a situação de ocorrência de forma mais desfavorável, é aquela decorrente da manobra de fechamento total rápido de válvula de seccionamento instalada no conduto.
Dispositivos de proteção contra o golpe de aríete Um projeto cuidadoso de tubulação de recalque, deve incluir uma adequada investigação e especificação de equipamentos e dispositivos, com vistas a se evitar transientes indesejáveis.
Em alguns casos são especificadas tubulações com classes de pressão capazes de suportar as sobrepressões e depressões previstas. Porém estas variações de pressão na tubulação, submetem o material constitutivo do tubo a variações de tensões, que podem levá-lo à fadiga, o que não é recomendável para sua boa conservação. Portanto, um bom procedimento seria valer-se de algum tipo de proteção capaz de minimizar estas variações de pressão
Assim, uma vez calculado o golpe de aríete, causado pela parada do grupo eletrobomba, já se pode analisar a conveniência e os meios de minimizá-lo.
A seleção de um ou vários dispositivos de proteção deverá resultar da análise de um número conveniente de alternativas que possibilitem eleger aquela de melhor resposta, considerando a eficiência, a economia, a natureza, a frequência de manutenção, etc.
Os dispositivos de proteção contra o golpe de aríete devem, portanto, ter por efeito limitar os valores da sobrepressão e da depressão. Alguns dispositivos utilizados para este fim são descritos nos tópicos que se seguem.
Volantes de inércia Os volantes de inércia são dispositivos que atuam na proteção contra as depressões, devido à influência do tempo de parada no golpe de aríete. Ao se incorporar um volante ao grupo motobomba, sua inércia retardará a perda de rotações, aumentando o tempo de parada do conjunto e, consequentemente, diminuirá a intensidade do golpe. Devido à diminuição da depressão máxima, somente de forma indireta as sobrepressões serão atenuadas com estes dispositivos.
Assim, com a incorporação adequada de volantes, qualquer instalação poderá resultar em manobra lenta.
Quanto à utilização deste dispositivo de proteção, é importante ressaltar que o acoplamento de volantes a grupos motobomba, apesar da aparente simplicidade, introduz uma questão de ordem eletromecânica, pois quanto mais seu peso aumenta, mais potente deverá ser o motor para vencer a inércia do volante na partida e maior será a intensidade de corrente elétrica, elevando os custos de investimento e operação. Portanto, este tipo de proteção fica bastante limitado na prática, podendo, eventualmente, o uso de ventosas, por exemplo, eliminar o vácuo com um custo significativamente inferior.
Ventosas As ventosas são, também, dispositivos que atuam na proteção contra as depressões, uma vez que permitem a entrada de ar na tubulação através de um orifício localizado na parte superior da ventosa, limitando o valor da depressão ao da pressão atmosférica. Entre os vários modelos existentes, um tipo comum é a ventosa com flutuador esférico.