Es una cuestión de seguridad y mantenimiento, y se puede prevenir.
El golpe de ariete nunca es normal en el sistema de vapor y condensado y debe considerarse siempre extremadamente anormal y totalmente inaceptable en el funcionamiento actual de la planta. El golpe de ariete no es sólo una cuestión de sistema, es principalmente una cuestión de seguridad. Comprender la naturaleza y la gravedad del golpe de ariete en un sistema de vapor y condensado permitirá a las plantas evitar el problema de seguridad y las fuerzas destructivas.
Una mayor comprensión del sistema de vapor a golpe de ariete ayudará a la planta a aplicar los cambios necesarios en el diseño, la puesta en marcha, el mantenimiento, el funcionamiento y la instalación del sistema de vapor para eliminar el golpe de ariete. Esto ayudará además a proporcionar la máxima seguridad al personal de la planta, a reducir los costes de mantenimiento y a disminuir el tiempo de inactividad del sistema.
En su forma más grave, el golpe de ariete puede herir o incluso causar muertes al personal de la planta.
Desafortunadamente, el 82% de los sistemas de vapor en América del Norte están experimentando algún tipo de golpe de ariete. Muchos creen erróneamente que el golpe de ariete es inevitable y una parte natural de los sistemas de vapor y condensado, pero esta afirmación es totalmente falsa. Si el sistema está diseñado y operado correctamente, no se producirá ningún tipo de golpe de ariete. Es posible tener sistemas de vapor de alta presión que funcionen sin el golpe de ariete y disfrutar de una larga vida operativa de los componentes del vapor.
En la figura 1, los círculos rojos muestran una conexión inadecuada al cabezal de condensado, lo que genera un golpe de ariete de tipo choque térmico. En lugar de conectarse en el lateral del colector de condensados, los retornos deben entrar en la parte superior del colector (colector de condensados).
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Donde se produce el golpe de ariete
El golpe de ariete puede ocurrir en cualquier línea de vapor o condensado. El sistema de vapor corre un gran riesgo de sufrir golpes de ariete durante la puesta en marcha del sistema de vapor cuando se genera el nivel más alto de condensado durante el calentamiento de la línea de vapor. Si la línea de vapor se activa demasiado rápido sin el tiempo de calentamiento adecuado, y si el condensado creado durante el arranque no se elimina adecuadamente, se producirá un golpe de ariete.
El otro riesgo de golpe de ariete en el sistema de vapor es cuando el condensado no se retira adecuadamente de la línea de vapor durante el funcionamiento.
Sus efectos pueden ser aún más pronunciados en sistemas heterogéneos o bifásicos de condensado (vapor de flasheo y condensado líquido). Los sistemas bifásicos de condensado contienen dos estados: el líquido (condensado) y un vapor (vapor flash o generado). La condición bifásica existe en un sistema de vapor en el que el condensado coexiste con el vapor de flasheo generado.
Los ejemplos típicos incluyen intercambiadores de calor , líneas trazadoras, tuberías de vapor, líneas de retorno de condensados y, a veces, líneas de descarga de bombas.
Resultados del golpe de ariete
El efecto del golpe de ariete no puede ser subestimado, ya que se ha documentado que sus fuerzas son capaces de los siguientes resultados:
Cuando el golpe de ariete es grave, puede provocar no sólo daños en el equipo sino también lesiones importantes al personal de la planta.
El golpe de ariete puede estar ocurriendo y sin embargo estar en silencio ante el personal.Esto significa que el golpe de ariete no siempre va acompañado de un ruido audible que el oído humano pueda oír. Por ejemplo, una burbuja de vapor de un flash de vapor que se entrega en una línea de condensado bajo el nivel de condensado en el sistema de tuberías puede ser pequeña, pero el colapso de la burbuja crea un choque térmico que está más allá del rango de audición humana. Sin embargo, el daño al sistema de vapor y condensado sigue ocurriendo.
El golpeteo continuo o el sonido audible que acompaña al golpe de ariete debe interpretarse como la forma en que el sistema de vapor trata de comunicarse con el personal de la planta. Este ruido audible debe ser una alarma que signifique «por favor, corrija los errores del sistema para eliminar el problema del golpe de ariete, o se producirá un daño». Este sonido de golpe de ariete significa que algo en el sistema está mal y necesita ser corregido.
Las pruebas reunidas mientras se realizaba el análisis de la causa raíz de la falla del componente de vapor sugirieron que el golpe de ariete causa el 67% de las fallas prematuras de los componentes.
Golpe de ariete: cuatro causas
Se han identificado cuatro condiciones típicas como causas de las reacciones violentas conocidas como golpe de ariete. Estas condiciones son:
Aquí hay una mirada a cada uno.
Choque hidráulico
Un pequeño porcentaje de los problemas de golpes de ariete que se encuentran en un sistema de vapor son causados por choques hidráulicos. Este tipo puede describirse fácilmente utilizando el ejemplo de un grifo casero. Cuando el grifo de una casa se abre, un eje sólido de agua se mueve a través de las tuberías desde el punto en que entra en la casa hasta la salida del grifo. Esto podría ser 200 lb de agua moviéndose a 10 pies/s o alrededor de 7 mph. Cuando el grifo se cierra de repente, podría compararse con un martillo de 200 libras que se detiene. Se escucha un notable «bang» en el sistema cuando el grifo se cierra. Este sonido de onda de choque es similar al de un martillo golpeando una pieza de acero. La onda de presión de choque de aproximadamente 300 psi se refleja de un extremo a otro hasta que la energía se disipa en el sistema de tuberías.
Esta es la misma acción que puede tener lugar en la tubería de descarga de un sistema de bombas de condensado cuando se utilizan bombas (eléctricas o de vapor) en una operación de encendido/apagado con grandes capacidades de bombeo de condensado. El sistema de bombeo normalmente tiene válvulas de retención instaladas en la salida de la bomba. Cuando la bomba arranca y se detiene, puede producirse una descarga hidráulica ya que el flujo de condensado se detiene rápidamente y las válvulas de retención restringen el flujo en una dirección.
Soluciones:
1. Las capacidades de condensado superiores a 12.000 lb/h utilizan un sistema de bombeo de flujo continuo que incorpora un motor de accionamiento de velocidad variable o una válvula de control de nivel en la línea de descarga de la bomba de condensado (la bomba funciona de forma continua).
2. Usar válvulas de retención de tipo disco en la descarga de la bomba en lugar del tipo común de giro.
Choque térmico
Una libra de vapor a 0 psig ocupa 1.600 veces el volumen de una libra de agua en condiciones atmosféricas. Esta proporción disminuye proporcionalmente a medida que aumenta la presión de la línea de condensado. Cuando el vapor colapsa, el agua es acelerada en el vacío resultante desde todas las direcciones a gran velocidad.
En los sistemas de condensado bifásicos, pueden introducirse burbujas de vapor por debajo del nivel de condensado en una línea de condensado. Por ejemplo, una línea de derivación de una estación de trampas de vapor puede ser conducida al fondo de un colector principal de condensado, como se muestra en la Figura 2.
Por ejemplo: El vapor se introduce en el intercambiador de calor (P2) a 100 psig o 338 F y el condensado en P3 será de 338 F. Cuando el condensado pasa por la estación de trampas de vapor en P4, que a una presión menor un porcentaje del líquido se transformará en vapor debido a la relación presión/temperatura baja. Cuando la burbuja de vapor de flasheo fluye hacia P5 y se introduce por debajo del nivel de condensado en la tubería de condensado, las diferencias térmicas harán que la burbuja de vapor de flasheo se colapse. Durante el colapso, el agua se acelera a una velocidad extremadamente alta debido al vacío que se produce cuando la burbuja se colapsa. El resultado es un sonido de pinging o cuando hay una gran cantidad de vapor de flasheo (la burbuja es grande) un sonido de golpeteo muy agudo.
Soluciones: Conectar en el cabezal de condensados Todas las líneas de derivación del sistema de condensados deben conectarse en la parte superior del cabezal principal de condensados: no hay ninguna excepción. La conexión de condensado está en la parte superior del colector principal de condensados horizontal y nunca en un colector de condensados vertical.
Choque de flujo
El choque de flujo es causado más comúnmente por la falta de un drenaje adecuado delante de una válvula de aislamiento de la línea de vapor o una válvula de control de vapor. Por ejemplo, considere una válvula de aislamiento de la línea de vapor (típicamente usada con tubería de 3 pulgadas o más) abierta sin el uso de un calentamiento. Cuando la válvula grande se abre, el vapor se precipita por una tubería fría, produciendo una gran cantidad de condensado a alta velocidad. Este condensado continuará acumulándose en masa a medida que viaja a lo largo de la tubería, y se crea una gran ola de condensado. La onda viajará a alta velocidad hasta que haya un cambio repentino de dirección, posiblemente un codo o una válvula en la línea. Cuando el condensado cambie de dirección, la parada repentina generará un golpe de ariete.
Cuando una válvula de control de vapor se abre, una bala de condensado entra en el equipo a alta velocidad. El golpe de ariete se produce cuando el condensado impacta en los tubos o paredes del intercambiador de calor.
Soluciones:
1. Instalación y uso de una válvula de calentamiento que se muestra en la figura 3.
2. Instalación de un bolsillo de la pierna de goteo de la línea de vapor con una estación de trampas de vapor delante de la válvula de aislamiento. Estas recomendaciones evitarán el golpe de ariete durante el arranque, pero también promoverán una larga vida útil de la válvula.
Choque diferencial
Al igual que el choque de flujo, el choque diferencial se produce en sistemas bifásicos o en el sistema de condensado. Ocurre siempre que el vapor y el condensado fluyen en la línea de condensados pero a diferentes velocidades. En los sistemas bifásicos, la velocidad del vapor es a menudo 10 veces la velocidad del líquido. Si las ondas de condensado se elevan y llenan una tubería, se forma temporalmente un sello entre el lado corriente arriba y corriente abajo de la onda de condensado. Como el vapor no puede fluir a través del sello de condensado, la presión cae en el lado corriente abajo. El diferencial de presión ahora impulsa el sello de condensado a una alta velocidad corriente abajo, acelerándolo como un pistón. A medida que es impulsado corriente abajo, recoge más líquido, lo que se suma a la masa existente de la babosa, y la velocidad aumenta.
Al igual que en el ejemplo anterior, la bala de condensado gana un gran impulso y se verá obligada a cambiar de dirección debido a un codo o una válvula en la línea. El resultado suele ser un gran daño cuando la babosa de condensado golpea la pared de una válvula o accesorio al cambiar de dirección.
Dado que es posible tener una mezcla bifásica en la mayoría de las líneas de retorno de condensado, es esencial dimensionar correctamente las líneas de retorno de condensado. El condensado normalmente fluye en el fondo de una línea de retorno con la ayuda de la gravedad. El condensado fluye naturalmente debido al paso en la tubería y también porque el vapor flash de alta velocidad que está por encima lo arrastra. El vapor de flasheo se mueve a mayor velocidad porque se mueve por la presión diferencial.
El vapor de flasheo se produce en las líneas de retorno de condensado cuando el condensado se descarga en estas líneas que están operando a una presión menor. La menor presión hace que un porcentaje del condensado regrese al vapor a la presión de saturación dada. Si las líneas también están subdimensionadas, se crea una presión adicional en la línea. Esta presión empuja el vapor de relámpago a velocidades relativamente más altas hacia el depósito de condensado, donde se ventila a la atmósfera.
La pérdida de calor del vapor de flashes mientras se mueve en la línea hace que parte del vapor de flashes se condense, lo que contribuye a esta diferencia de presión y amplifica la velocidad. Debido a que el vapor de flasheo se mueve más rápido que el condensado, hace olas. Mientras estas ondas no sean lo suficientemente altas como para tocar la parte superior de la tubería y no cierren el pasaje del vapor de flasheo, no hay ningún problema. Por eso se prefieren las líneas de retorno de condensado más grandes. Para controlar el choque diferencial, se debe evitar que se forme el sello de condensado en un sistema bifásico.
Las velocidades de las líneas de condensado (flujo de dos fases) nunca deben exceder los 4.500 fpm. Si la línea de condensado tiene el tamaño adecuado para el líquido y el vapor de flasheo, pero la planta no tiene un programa adecuado de gestión de trampas de vapor y las trampas de vapor fallan y el vapor de flasheo se introduce en la línea de condensado, esto contribuirá a aumentar las velocidades por encima de 4.500 fpm y se producirá un golpe de ariete en el sistema.
Soluciones:
1. Líneas de condensado con un tamaño de 4.500 fpm o menos
2. Programa de gestión de la estación de trampas de vapor para eliminar el vapor innecesario que se introduce en la línea de condensado.
– Kelly Paffel es gerente técnico de Inveno Engineering, Inc. Es una autoridad reconocida en sistemas de vapor y condensado y es un frecuente conferenciante e instructor sobre los aspectos técnicos de los sistemas de vapor. Además, Paffel ha publicado muchos artículos sobre los temas de diseño y funcionamiento de sistemas de vapor.
