Il colpo d’ariete nei sistemi di tubi chiusi: cause, effetti e soluzioni

Cos’è il colpo d’ariete?

Il colpo d’ariete è un incremento improvviso della pressione in un tubo rigido che si origina per le rapide modifiche della velocità di flusso. Il fenomeno compare quando un liquido in movimento in un sistema chiuso è costretto ad arrestarsi improvvisamente o a modificare la propria direzione. Il colpo d’ariete si estende a tutto il sistema e si moltiplica subito, portando a un aumento della pressione in un intervallo limite non più ammesso per i componenti. Inoltre aumenta nettamente la velocità di flusso, che in condizioni sfavorevoli può raggiungere i 1.200 m/s. 

Il colpo d’ariete si verifica non solo in presenza di acqua, ma anche con altri liquidi incomprimibili (la cui densità non è in gran parte modificabile neanche sotto pressione) o gas. Il colpo d’ariete è spesso accompagnato da vibrazioni o da un rumore simile a un battito che si ripete prima del cedimento della pressione. Per questo a volte si parla di onda d’urto di pressione.

Sebbene sia possibile udire chiaramente i colpi d’ariete, è però difficile misurarli, poiché in un intervallo di tempo estremamente breve di millisecondi i colpi d’ariete si generano e si eliminano. Spesso gli strumenti di misura elettronici non sono adatti a tali misurazioni, ossia il colpo d’ariete supera il valore finale del campo di misura.

Causa del colpo d’ariete

Esistono varie cause del colpo d’ariete, ad esempio un’apertura o chiusura rapida delle valvole, una partenza o una disattivazione rapida delle pompe, valvole di non ritorno che si chiudono troppo velocemente e l’interruzione improvvisa dell’alimentazione elettrica. Anche la separazione delle colonne d’acqua o del tampone di pressione ne favoriscono l’insorgenza.

Inoltre, il design costruttivo incide sulla comparsa del colpo d’ariete. Nei sistemi che presentano dislivelli di altezza considerevoli, il rischio è particolarmente alto poiché sono necessarie pressioni elevate per superare la differenza di altezza.

Anche le costruzioni di sistemi che interrompono un flusso omogeneo comportano un rischio maggiore. Pertanto, laddove possibile, si consiglia di evitare curvature e fluttuazioni di pressione elevate.

Effetti diretti del colpo d’ariete

Il colpo d’ariete può causare gravi danni:

• Perdite nei componenti.
• Deformazione o distruzione della sede della valvola.
• Deformazione delle rondelle della valvola di non ritorno.
• Rottura o deformazione del corpo della pompa.
• Appiattimento precoce di guarnizioni e O-ring.
• Rottura dei rotori.
• Perdite o rotture dei tubi rigidi.

Possibili conseguenze a lungo termine per i sistemi di tubazioni

Oltre ai danni ai singoli strumenti e componenti, i colpi d’ariete hanno anche un impatto negativo sulla durata di vita dell’intero sistema. Il pericolo aumenta in maniera direttamente proporzionale alla potenza del colpo d’ariete. Spesso si verificano anche perdite dei tubi rigidi a causa delle quali il sistema non funziona in maniera efficiente per lunghi periodi, con un conseguente dispendio di flusso e prodotto.

Evitare il colpo d’ariete

Scelta della valvola corretta nella fase di pianificazione

La situazione ottimale è quella in cui già in fase di pianificazione del sistema si cerca di ridurre al minimo il pericolo di colpi d’ariete sin dall’inizio. In questo, la scelta di una valvola idonea riveste un ruolo cruciale. Durante la fase di pianificazione, gli utenti devono prestare attenzione alla scelta di valvole di alta qualità che dispongano della funzionalità corrispondente per evitare la comparsa di colpi d’ariete fin dal principio. Le valvole pneumatiche o pilotate elettricamente sono disponibili nelle varianti adeguate. Possono essere impiegate anche valvole azionate manualmente. Ecco una breve panoramica sui requisiti che le valvole devono soddisfare.

Valvole di processo azionate pneumaticamente con tempi di apertura e chiusura regolabili

Tra le valvole di processo azionate pneumaticamente sono disponibili valvole oblique (chiamate anche valvole a Y) e valvole a due vie (chiamate anche valvole dritte). È fondamentale che le valvole siano configurate in modo tale da chiudere la direzione del flusso del liquido. In questo modo la funzione di chiusura viene sincronizzata con l’inerzia del fluido e i colpi d’ariete vengono evitati in maniera naturale. Sia le valvole con ripristino a molla che quelle a doppio effetto possono essere configurate in questa maniera.

Valvole elettromotorizzate

Sono disponibili anche le valvole elettromotorizzate, nonché le valvole di processo azionate pneumaticamente con varianti di corpo idonee come le valvole oblique e quelle a sede retta. Le valvole motorizzate di Bürkert si contraddistinguono per le seguenti caratteristiche che si ripercuotono in modo positivo sulla tematica del colpo d’ariete:

• trasmissione rigida non reattiva, ma indipendente dalla pressione del fluido. In questo modo, oscillazioni o colpi d’ariete nel fluido non si ripercuotono sulla posizione della valvola. Si raccomandano ad esempio le valvole compatte (tipo 3280/3281/3285). 
• La struttura meccanica specifica della valvola rispetto alle valvole di processo azionate pneumaticamente non presenta molle e offre un’elevata resistenza a urti e vibrazioni.
• La velocità di attuazione delle valvole motorizzate di Bürkert può essere impostata con precisione attraverso una funzione del software. In questo modo è possibile aprire e chiudere lentamente le valvole in maniera consapevole, al fine di evitare di aumentare inutilmente la pressione nel sistema e ridurre al minimo gli effetti associati.

Valvola a membrana a 2/2 vie elettromotorizzata (on/off)

Tipo 3323

• Posizione di sicurezza tramite accumulatore di energia
• Forza di azionamento regolabile
• Funzioni diagnostiche e connessione al bus di campo
• Superfici a contatto con il prodotto di Ra ≤ 0,38 µm ... 1,6 µm (elettrolucidato come opzione)
• Disponibile con ampiezze nominali DN 06…DN 100

Valvole a membrana

Inoltre, specialmente nei settori farmaceutico e biotecnologico, è possibile impiegare valvole a membrana azionate pneumaticamente o elettromotorizzate. A differenza delle valvole a sede, questo tipo di valvola può essere impiegata indipendentemente dalla direzione del flusso, ma è soggetta agli stessi criteri (valore Kv, pressione massima...) delle valvole a sede. Per le valvole a membrana è necessario considerare che, in caso di colpo d’ariete, si possono verificare perdite a breve termine verso l’esterno (non solo attraverso il fermo), che all’inizio compaiono durante il breve momento del colpo d’ariete. Qualora la membrana non fosse danneggiata, nel migliore dei casi la valvola può continuare a svolgere la sua funzione normale.

Valvola a membrana a 2/2 vie ad azionamento pneumatico in acciaio (tipo ELEMENT) per automazione decentralizzata

Tipo 2103

• Corpo valvola e membrana disponibili in diversi materiali e le versioni
• Superfici a contatto con il prodotto di Ra ≤ 0,38 µm - 1,6 µm (elettrolucidato come opzione)
• Disponibile con tutti i raccordi e varianti più comuni

Possibilità di ottimizzazione nei sistemi esistenti

Nei sistemi esistenti sono presenti vari punti di approccio per contenere successivamente il pericolo del colpo d’ariete. Questo tipo di adeguamento a livello di sistema deve essere preso in considerazione esclusivamente da un tecnico di processo che dispone di una conoscenza globale dell’intero processo.

Tra le misure possibili vi sono:

• Scambio di valvole singole con valvole con tempi di apertura e chiusura regolabili.
• Installazione di farfalle e livelli di tubature per ridurre la portata del fluido attraverso la valvola e chiudere la valvola più lentamente. 
• Riduzione della velocità di chiusura delle valvole di processo pneumatiche attraverso il contenimento del carico e scarico pneumatico dell’azionamento pneumatico. 
• Utilizzo di attuatori elettromotorizzati con configurazione dei tempi di apertura e chiusura.
• Limitazione della variazione di velocità nel sistema.
• Impiego di attuatori a doppio effetto, compreso il relativo controllo.

Conclusione

Il colpo d’ariete è un problema serio nei sistemi di tubi chiusi. Può danneggiare gli strumenti del sistema e i tubi rigidi. La scelta delle valvole giuste, l’adeguamento della velocità di chiusura, l’installazione di farfalle o sportelli di non ritorno nonché ulteriori adeguamenti al sistema eseguiti da professionisti esperti possono evitare i colpi d’ariete nella maggior parte dei casi.

Avete problemi con i colpi d’ariete o volete evitarli?

Gli esperti di fluidica di Bürkert offrono consulenza nella fase di pianificazione e sono a vostra disposizione nella scelta dei componenti idonei.

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