Good afternoon StemSocial Community and other Hivers:
We are nearly finishing the pipeline section of the project.
Today we will present the analysis of hydraulic transients, also known as the calculation of the water hammer phenomenon.
What are hydraulic transients in pressurized pipelines?
To explain it in the most accessible way possible, let us imagine a body colliding with a spring that is anchored to a wall. When this happens, the spring compresses abruptly until it reaches its maximum possible deformation, but then, due to its elasticity, it will try to return to its initial state, pushing the block in the opposite direction.
Transients are phenomena associated with sudden changes in the water regime, caused by the abrupt closure of a valve, the sudden shutdown of pumping equipment, a pipe burst, or any other phenomenon capable of disrupting the normal flow of water inside the pipe. Studying this phenomenon and understanding its effect is of vital importance to ensure the proper operation of the pipeline.
In our case, since the profile is ascending and relies on pumping, the calculations correspond to a pumping equipment shutdown scenario. Here, when the equipment stops, the column of water inside the conduit recedes, colliding against the check valve—which is always placed at the pump outlet to prevent reverse rotation of the pump impeller. The water compresses at this point, generating a wave that uses the water itself as its medium of transport in the initial direction of flow; it reaches the end of the conduit, bounces back, and so on.
It might seem very simple, but within hydraulics, it is one of the most devastating phenomena. For instance, in metallic pipes, this wave can reach speeds of 750 to over 1000 m/s—it is practically a projectile moving and transferring additional pressure to the conduit that can far exceed the maximum pressure or sub-pressure capacity it can support, causing an explosion and destroying the pipeline.
However, in our case, since the pipeline is made of HDPE (PEAD), its high elasticity significantly cushions this phenomenon, making the wave speed much lower—between 200 and 400 m/s depending on the case.
Calculation Premises
The pipeline was initially designed with average velocity values according to the NC 969/13 standard, with the highest being 1.17 m/s.
For the transient flow analysis, Hammer v 9.04 software was used, renowned internationally for its analytical power, versatility, and reliability. For this purpose, the following initial parameters were previously determined:
where:
a=1421/(SQR(1+(Kd/e))
a: wave speed / celerity (m/s)
E: Elastic modulus of the material (3500 kg/cm² for HDPE)
(1753911.5 kg/cm² for Cast Iron / HoFo)
K: Bulk modulus of water (2.06 x 10⁴ kg/cm²)
d: Inner diameter of the conduit (cm)
e: Wall thickness (cm)
a = 170 m/s, which is a low celerity value due to the low elasticity modulus of the material.
Image # 1. Resulting graph without the effect of air release valves.
Image # 2. Tabulated pressure values resulting from the calculation without air release valves.
The red line corresponds to the maximum pressure values of the hydraulic grade line (piezometric line), while the dashed blue line corresponds to the minimum pressure position of the hydraulic grade line.
It is worth noting here that visually, negative pressure occurs within the first 620 m, which could lead to pipe collapse. Meanwhile, there are no significant overpressure values.
Image # 3. Resulting graph with the effect of air release valves.
Image # 4. Tabulated pressure values resulting from the calculation with air release valves.
As shown in the graph in Figure # 3 and the table in Image # 4, the placement and sizing of the air valves (ventosas) carried out previously is correct, considering that negative pressure at the critical point (Point 2) is reduced from -10.7 m H₂O down to -0.2 m H₂O (located between points 47 and 3), rendering this value negligible.
The value of -4.9 m H₂O corresponds to the discharge point, taking into account that it was simulated with an intake capacity through the discharge pipe set to half of its real capacity to stay on the safe side—a value that is not excessive either.
The images and text are of my own authorship. Translated with the help of Google Translate.
See you soon. Thanks to all readers showing interest in this work.
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Buenas tardes Comunidad StemSocial y demás Hivers:
Casi finalizamos ya el proyecto en la parte de la conductora.
Hoy presentaremos el análisis de los transitorios hidráulicos o cálculo del golpe de ariete, como también se le conoce.
¿Qué son los transitorios hidráulicos en conducciones forzadas?
Para explicarlo de una forma lo más amena posible, supongamos un cuerpo que choca contra un resorte que a su vez está empotrado en una pared; cuando esto sucede, el resorte se comprime bruscamente hasta alcanzar su deformación máxima posible, pero luego, debido a su elasticidad, tratará de recuperar su estado inicial empujando en sentido contrario al bloque.
Los transitorios son fenómenos asociados al cambio brusco del régimen del agua, ocasionados por el cierre brusco de una válvula, la parada repentina de un equipo de bombeo, una rotura y cualquier otro fenómeno que pueda alterar el flujo normal del agua dentro de la tubería. Estudiar este fenómeno y conocer su efecto es de vital importancia para preservar el buen funcionamiento de la tubería.
En nuestro caso, como el perfil es ascendente y es por bombeo, corresponde hacer los cálculos para el caso de parada del equipo de bombeo. Aquí, cuando el equipo se detiene, la columna de agua dentro del conducto retrocede chocando contra la válvula check que se coloca siempre a la salida de la bomba para evitar el giro inverso en el impelente de la misma. Aquí el agua se comprime y se genera una onda que usa el agua como su medio de transporte en el propio sentido del flujo inicial, llega al final del conducto, retorna y así sucesivamente.
Pareciera algo muy simple, pero dentro de la hidráulica es uno de los fenómenos más devastadores: ejemplificando, en tuberías metálicas esa onda puede alcanzar 750 y hasta más de 1000 m/s; es prácticamente un proyectil moviéndose y transmitiendo presión adicional al conducto que puede sobrepasar muchas veces la capacidad máxima de presión o subpresión que este soporta, generando así una explosión y devastando la tubería.
No obstante, en nuestro caso, como la tubería es de PEAD, al tener una alta elasticidad amortigua considerablemente ese fenómeno y la velocidad de la onda es muchísimo menor, entre unos 200 y 400 m/s según el caso.
Premisas para el cálculo
La conductora a priori se diseñó con valores de velocidad media según la norma NC 969/13, siendo la más elevada de 1.17 m/s.
Para el análisis del flujo transitorio se utilizó el software Hammer v 9.04, de gran prestigio y uso internacional por su poder de análisis, versatilidad y confiabilidad. Para ello, como datos iniciales, se partió de determinar de forma previa:
donde:
a=1421/(SQR(1+(Kd/e))
a: velocidad de onda (m/s)
E: Módulo de elasticidad del material (3500 kg/cm² para el PEAD)
(1753911.5 kg/cm² para el HoFo)
K: Módulo de compresión del agua (2.06 x 10⁴ kg/cm²)
d: Diámetro interior del conducto (cm)
e: Espesor de pared (cm)
a = 170 m/s, que es un valor de celeridad bajo debido al bajo valor de elasticidad del material.
Imagen # 1. Gráfico resultante sin el efecto de las válvulas de aire.
Imagen # 2. Valores tabulados de presión, resultantes del cálculo sin válvulas de aire.
La línea roja corresponde a los valores de presión máxima de la línea piezométrica, mientras que la azul discontinua corresponde a la posición mínima de presión de la piezométrica.
Destacar aquí que visualmente se observa que en los primeros 620 m existe presión negativa, lo que puede derivar en aplastamiento de la tubería; mientras tanto, no existen valores de sobrepresión considerables.
Imagen # 3. Gráfico resultante con el efecto de las válvulas de aire.
Imagen # 4. Valores tabulados de presión, resultantes del cálculo con válvulas de aire.
Como se muestra en el gráfico de la figura # 3 y en la tabla de la imagen # 4, la posición y dimensionamiento de las ventosas que se hizo anteriormente es la correcta, teniendo en cuenta que se logra reducir la presión negativa en el punto crítico (punto 2) desde -10.7 m H₂O hasta -0.2 m H₂O, ubicado entre los puntos 47 y 3, siendo este valor despreciable.
El valor de -4.9 m H₂O corresponde al punto de descarga, teniendo en cuenta que se simuló con una capacidad de admisión por el tubo de descarga correspondiente a la mitad de su capacidad real para estar del lado de la seguridad; valor que además tampoco es excesivo.
Las imágenes son de mi autoría, al igual que la exposición. Traducido con ayuda del traductor de Google.
Hasta pronto. Gracias a los lectores que muestran interés en este trabajo.
