COLPO D’ARIETE NEGLI IMPIANTI IDRAULICI, COS’È E COME MONITORARLO CON GLI ENDOSCOPI

Le variazioni di pressione all’interno degli impianti idraulici industriali possono dare origine ad incidenti potenzialmente molto pericolosi. Uno dei fenomeni da tenere sotto controllo è il cosiddetto “colpo d’ariete”. Di che cosa si tratta?

Nella pratica, si genera quando il flusso del liquido all’interno di una tubazione viene interrotto in maniera brusca. Lo “stop” improvviso genera una variazione di pressione che può portare a conseguenze per nulla piacevoli. Nelle prossime righe osserveremo come si sviluppa un colpo d’ariete e quali sono nella fattispecie i possibili danni. Ci soffermeremo poi sulle buone pratiche finalizzate a contenerlo ed infine indagheremo sulla correlazione con gli endoscopi industriali in termini di manutenzione predittiva.

Come nasce un colpo d’ariete?

I grandi impianti industriali sono quelli maggiormente soggetti ai colpi d’ariete. I sistemi di tubature sono molto vasti e i liquidi circolano ad alte velocità provocando continue variazioni di pressione. Ma come si origina nella pratica il fenomeno?

Le tubazioni dei sistemi industriali sono regolate da valvole. Quando il fluido incontra ad esempio un otturatore che si frappone istantaneamente al tragitto del liquido si produce un’onda d’urto violenta e variazioni di pressione repentine che si scaricano sulle pareti delle stesse tubazioni.

Facciamo un esempio per rendere il tutto più chiaro. Immagina un treno merci lunghissimo in corsa. Improvvisamente il capotreno aziona il freno d’emergenza. Il primo vagone si scontra contro la motrice e si ferma istantaneamente. Ma tutti i vagoni dietro stanno ancora viaggiando alla massima velocità. Il secondo vagone sbatte contro il primo, il terzo contro il secondo, e così via.

Dentro il tubo succede la stessa cosa: l’acqua vicina alla valvola si ferma di colpo, ma quella dietro spinge ancora con tutta la sua forza. Questa compressione improvvisa genera l’onda d’urto iniziale, ovvero la sovrapressione, che viaggia a ritroso nel tubo alla velocità del suono. 

L’acqua e l’acciaio dei tubi industriali non sono completamente rigidi, ma presentano una minima elasticità. Quando l’onda d’urto raggiunge la fine della tubazione, ad esempio un grande serbatoio a monte, si sviluppa una specie di effetto elastico. Il tubo si è “gonfiato” leggermente per sopportare la pressione e l’acqua si è compressa. Non potendo più spingere in avanti, tutta questa energia accumulata si comporta come una molla che viene rilasciata: l’acqua rimbalza e torna indietro verso il serbatoio, invertendo la sua direzione.

Il “ping-pong” tra serbatoio e valvola continua per qualche secondo. Tuttavia, ogni volta che l’acqua sfrega contro le pareti del tubo, perde un po’ della sua forza a causa dell’attrito. Le oscillazioni diventano via via più deboli fino a quando l’energia si esaurisce del tutto e l’acqua si ferma definitivamente.

Quali danni può causare il colpo d’ariete?

L’impatto ripetuto delle onde provocate dal colpo d’ariete può dar luogo a veri e propri danni strutturali con effetti catastrofici oppure può logorare l’impianto sul lungo periodo.

Danni catastrofici

Quando il picco di pressione supera il limite di resistenza dei materiali, il collasso dell’impianto è istantaneo con conseguenze molto pericolose. Il colpo d’ariete può causare:

• esplosione dei tubi rigidi. Le condotte in acciaio o in leghe metalliche possono letteralmente squarciarsi lungo le linee di saldatura;
• distruzione del corpo pompa. Le pompe di circolazione sono progettate per spingere il fluido, non per ricevere un impatto contrario. L’onda d’urto può spaccare la voluta, ovvero il corpo esterno della pompa, o spezzare di netto i rotori e gli alberi di trasmissione;
• sradicamento dei supporti. Le vibrazioni violente e improvvise causate dal “rimbalzo” del fluido possono strappare i punti di ancoraggio e i supporti che fissano le tubazioni alle pareti o alle strutture portanti dello stabilimento.

Danni sul lungo il periodo

Molto spesso il colpo d’ariete non rompe l’impianto al primo colpo, ma ne decreta l’usura lenta attraverso micro-sollecitazioni continue. Nella fattispecie, giorno dopo giorno, i seguenti componenti possono deteriorarsi:

• • O-ring e le guarnizioni di tenuta. Subiscono uno schiacciamento precoce, perdono elasticità e generano trafilamenti, ovvero fuoriuscite dei liquidi;
  • valvole. Gli otturatori vengono spinti con forza innaturale contro la loro sede di chiusura deformando la loro geometria. Con il passare del tempo, non si potranno più chiudere ermeticamente e non assolveranno più alla loro funzione di regolazione del flusso;

• componenti di non ritorno. Le rondelle e i meccanismi interni delle valvole di non ritorno vengono deformati dal flusso inverso fino a perdere la capacità di bloccare il riflusso.

Come neutralizzare il colpo d’ariete?

Nel corso degli anni gli ingegneri hanno sviluppato tutta una serie di strategie per attenuare gli effetti del colpo d’ariete. Quali sono le più diffuse ed efficaci?

Dissipatori

I dissipatori anti-colpo d’ariete sono delle piccole camere o polmoni metallici installati vicino alle valvole. Al loro interno c’è una sacca d’aria o di gas separata dal liquido. Quando la valvola si chiude e l’acqua rimbalza violentemente all’indietro, incontra il dissipatore. Poiché l’aria si comprime molto più facilmente dell’acqua, il “cuscinetto” si schiaccia, assorbendo l’energia dell’impatto e salvando le tubazioni rigide. Il loro funzionamento può essere paragonato a quello di un airbag o di un ammortizzatore.

Regolatori di pressione

Più il fluido si muove velocemente e maggiore sarà la possibilità che il colpo d’ariete abbia effetti devastanti.  La funzione dei regolatori, un po’ come se fossero dei dossi stradali, è quella di diminuire la velocità del flusso. Nella pratica, riducono e stabilizzano la pressione del fluido prima che questo entri nelle parti più delicate o vulnerabili del circuito. Meno pressione significa meno energia accumulata, e quindi un impatto decisamente più leggero in caso di blocco improvviso del fluido.

Valvole a chiusura lenta e controcorrente

Queste particolari valvole sono progettate per chiudersi in maniera graduale e mai istantanea. Inoltre, vengono installate in modo da chiudersi contro la direzione del flusso. L’acqua stessa, spingendo in direzione opposta, aiuta la valvola a rallentare la sua corsa in chiusura, rendendo l’arresto del fluido dolce e progressivo.

Valvole di non ritorno e valvole dinamiche

Le valvole di non ritorno sono pensate per bloccare il “rimbalzo” del colpo d’ariete sul nascere: si chiudono al volo e permettono all’acqua di andare in una sola direzione.

Le valvole dinamiche, invece, permettono di regolare la pressione del fluido. Quando questa sale troppo velocemente si aprono per una frazione di secondo per scaricare una parte del liquido e far “sfiatare” l’impianto.

Pozzo piezometrico

All’interno di grandi impianti, come le centrali idroelettriche, dove magari l’acqua viene trasportate in enormi condotte dal fiume fino alle turbine, le forze che entrano in gioco sono gigantesche. Di conseguenza, tutti gli elementi citati nei paragrafi precedenti non sarebbero efficaci. In questo caso entra in gioco il pozzo piezometrico.

Strutturalmente è un enorme tubo aperto in alto, collegato direttamente alla condotta principale in prossimità della centrale elettrica. Per il principio dei vasi comunicanti, l’acqua sale all’interno di questo pozzo verticale fino a raggiungere esattamente lo stesso livello del lago artificiale che si trova in cima alla montagna. L’acqua dentro il pozzo resta ferma e tranquilla.

Se la centrale interrompesse improvvisamente la produzione e chiudesse di colpo le paratie in fondo alla discesa, milioni di litri d’acqua in discesa dalla montagna si troverebbero la strada sbarrata. Invece di far esplodere la condotta forzata, l’acqua devia la sua corsa verso l’unica via d’uscita rimasta, ovvero il pozzo piezometrico e comincia a salire verso l’alto.

Accumulando quota, la forza di gravità inizia a spingerla verso il basso rallentando il suo flusso in modo naturale. L’acqua oscillerà su e giù all’interno di questo grande cilindro di cemento o roccia finché l’energia del colpo d’ariete non si sarà completamente esaurita

Il ruolo degli endoscopi industriali nella manutenzione

Nei paragrafi precedenti abbiamo sottolineato come il colpo d’ariete si possa manifestare sotto forma di danno catastrofico immediato con l’esplosione delle tubature oppure possa lavorare sottotraccia logorando nel tempo i componenti dell’impianto.

Gli endoscopi industriali consentono proprio di monitorare gli effetti silenti. Le sonde sono utilissime per individuare senza alcun smontaggio le seguenti problematiche:

• micro-cricche e fessurazioni, ovvero le piccole crepe interne lungo le saldature dei tubi, invisibili dall’esterno ma pronte a cedere con il susseguirsi degli sbalzi di pressione;
• erosione e deformazione delle valvole. Attraverso la videocamera integrata, l’endoscopio restituisce immagini ad alta definizione utili per scovare deformazioni nelle valvole di processo e nelle rondelle;
• guarnizioni deteriorate. Le sonde ispezionano gli O-ring posizionati nei nodi critici per vedere se sono stati schiacciati o “estrusi” dalla violenza del flusso inverso.

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