Il colpo d’ariete nasce a causa di improvvisi cambiamenti nel flusso del fluido e può portare problemi significativi.

La maggior parte dei processi su larga scala nelle industrie di processo chimico (CPI) sono progettati per funzionare in presenza di flussi di fluido costanti; in questa condizione il funzionamento del processo è efficiente, economico e sicuro e gli effetti sono prevedibili; quando i flussi di fluido cambiano, si può verificare il “colpo d’ariete”, che può causare numerose conseguenze, non sempre del tutto prevedibili.

Come si verifica il colpo d’ariete

Il colpo d’ariete è il fenomeno della propagazione delle onde di pressione che segue un cambiamento nel flusso del fluido, di solito nel contesto di un cambiamento improvviso. Quando il flusso del liquido viene interrotto improvvisamente, l’energia cinetica in avanti viene convertita in energia potenziale, sotto forma di pressione. La propagazione delle onde di pressione può causare danni alle pompe, ai componenti dei tubi e al tubo stesso. Controllare questo aumento di pressione è indispensabile nei processi industriali.
Esistono standard e codici per guidare gli ingegneri verso una progettazione più sicura.

Considerazioni su innalzamento e riduzione della pressione

La prevenzione dei colpi d’ariete comincia in fase di progettazione, quando vengono analizzate le situazioni all’interno del processo in cui il flusso può potenzialmente cambiare, come pompe e valvole, e ci si assicura che le apparecchiature di mitigazione siano dimensionate correttamente, in base ai possibili scenari di variazione del flusso. Tendenzialmente, gli ingegneri ipotizzeranno lo scenario peggiore, che corrisponde alla situazione nella quale si verifica la chiusura immediata di una valvola, e inseriranno nell’impianto dei dispositivi di sicurezza come le valvole di sovrapressione.

L’innalzamento della pressione è molto temuto per le sollecitazioni alle quali sottopone i tubi, ma va considerato anche il suo abbassamento.
Quando una pompa si spegne, per esempio, il fluido continua a spingersi in avanti e questo crea una zona di bassa pressione. Anche quando si verifica la chiusura improvvisa di una valvola, l’onda di alta pressione che ne deriva viaggia nel tubo fino a incontrare un punto di riflessione. L’onda torna poi indietro verso la valvola d’origine e si riflette di nuovo generando un’onda di bassa pressione. Questa è la seconda metà del “ciclo delle onde”.

Se l’onda di pressione negativa fa scendere la pressione di linea al di sotto della pressione di vapore del fluido, il fluido evaporerà parzialmente e si formerà una sacca di vapore. Quando questa è abbastanza grande da formare un confine tra il liquido a monte e il liquido a valle, si parla di “separazione della colonna del liquido”.
La formazione di sacche di vapore all’interno di un tubo può creare una situazione peggiore dell’alta pressione iniziale perché le sacche di vapore creano condizioni di vuoto in cui la pressione ambiente è molto più alta della pressione interna e i tubi tendono a resistere all’alta pressione interna molto meglio di quanto resistano alla bassa pressione interna.
Il tubo, in effetti, può sopportare peggio la situazione nella quale la pressione è più bassa all’interno del tubo che all’esterno rispetto alla situazione opposta: una pressione diminuita all’interno, infatti, può causare il collasso del tubo, danneggiandone le pareti.

Di sicuro, la sacca di vapore è destinata a collassare e questo provoca un’altra ondata di alta pressione. Queste pressioni possono essere anche maggiori dell’onda di pressione originale derivata dalla chiusura della valvola. La sacca di vapore collassa con tanta potenza che spesso esplode nei giunti dei tubi vicini.
Il concetto è molto simile alla cavitazione della pompa: il collasso delle piccole bolle di vapore avviene con una forza sufficiente a causare vaiolatura e danni alle giranti.
La stessa cosa accade con la separazione della colonna liquida, ma su scala più ampia.
Lo stress su un tubo e sui suoi componenti a causa delle condizioni di vuoto e del collasso del vapore potrebbe non essere la questione più critica. In molte situazioni, come il trattamento delle acque reflue o la lavorazione degli alimenti, la preoccupazione maggiore può venire dal processo stesso, dato che anche condizioni di vuoto non estreme possono attirare nei tubi dei contaminanti esterni.

Per evitare le conseguenze del colpo d’ariete si possono installare delle valvole di sfioro.

(fonte: Chemical Engineering)

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