La rapida chiusura/apertura di una valvola o di una pompa volumetrica e condotte verticali possono creare pericolosi picchi di pressione che portano al danneggiamento di guarnizioni, membrane a soffietto, valvole, manometri, ecc..
I liquidi utilizzati sono generalmente incomprimibili e quindi ogni energia che viene applicata loro è immediatamente trasmessa. Questa energia diventa di natura dinamica quando si applica al fluido una forza come la rapida chiusura di una valvola o una pompa.
Colpo d’ariete
L’aumento di pressione, meglio conosciuto come Colpo d’Ariete, è il risultato di una improvvisa variazione della velocità del fluido.
Il Colpo d’Ariete si verifica quando un flusso di liquido in movimento viene bruscamente fermato (o avviato) o quando è forzato ad un rapido cambio di direzione. Ognuno di questi eventi può portare alla rottura catastrofica di vari componenti del sistema oleodinamico.
Senza dubbio, la causa primaria del Colpo d’Ariete in un circuito idraulico, è la rapida chiusura di una valvola, sia manuale che automatica. Una valvola che si chiude in 1.5 secondi o meno, a seconda della sua dimensione e della tipologia dell’impianto, provoca una brusca interruzione del flusso.
A causa dell’inerzia della colonna di fluido in movimento che impatta contro la parete della valvola chiusa, si origina un’onda acustica di pressione che può far aumentare la pressione fino a 5 volte quella normale d’esercizio.
Liberata, questa onda di pressione accelera rapidamente fino alla velocità del suono in un liquido, che può superare i 1.200 m/s. E’ possibile stimare l’aumento di pressione con la seguente formula:
P = (0.052 × V × L) / t + P1
dove
P = aumento di pressione
P1 = pressione iniziale
V = velocità del flusso in ‘m/sec’
t = tempo in ‘sec’ (chiusura della valvola)
L = lunghezza del tubo a monte in ‘mt’
Ecco un esempio di aumento di pressione da Colpo d’Ariete quando viene chiusa una elettrovalvola con un tubo di collegamento lungo 15 metri a monte:
L = 20 m
V = 1.5 m/sec
t = 0.03 s (il tempo di chiusura di una valvola a solenoide è circa 30-40 ms)
P1 = 100 bar
quindi, P = (0.052 x 1.5 x 20) / 0.03 + 100
Totale pressione = 52 + 100 = 152 bar
Pulsazione
Il fenomeno di pulsazione in genere si verifica quando la forza motrice di un liquido è generata da pompe volumetriche alternative. È comunemente causato dall’accelerazione e decelerazione del fluido pompato. Questa energia incontrollata genera picchi di pressione (le vibrazioni sono l’esempio più visibile) che sono spesso causa di guasti di vari componenti.
A differenza delle pompe centrifughe (che producono normalmente pulsazioni ad alte frequenze ma di bassa entità), quelle volumetriche generano pulsazioni ampie che possono generare questi picchi di pressione.
Il picco di pressione istantanea necessario per accelerare il liquido nel tubo di linea può essere superiore a dieci (10) volte a quello generato da una pompa centrifuga a parità di condizioni. Questi picchi di pressione, generati da un flusso pulsante, sono spesso causa di danneggiamenti a guarnizioni, manometri, membrane, valvole e raccordi, ecc…
Conseguenze
Le conseguenze del colpo d’ariete possono essere molto dannose per un cilindro oleodinamico e per l’intero sistema:
- Danni alle guarnizioni: Le alte pressioni generate dal colpo d’ariete possono causare la rottura delle guarnizioni, con conseguenti perdite di olio.
- Usure premature dei componenti: Le sollecitazioni meccaniche generate dal colpo d’ariete possono accelerare l’usura di componenti come steli, pistoni e valvole.
- Rumorosità: Il colpo d’ariete può causare forti rumori e vibrazioni nel sistema.
- Riduzione della vita utile del cilindro: A lungo andare, il colpo d’ariete può compromettere gravemente l’affidabilità e la durata del cilindro.
Come Prevenire il Colpo d’Ariete
Per prevenire il colpo d’ariete nei cilindri oleodinamici, è possibile adottare diverse misure:
- Valvole di controllo a chiusura graduale: L’utilizzo di valvole che chiudono gradualmente il flusso può ridurre notevolmente l’intensità dell’onda di pressione.
- Accumulatori: Gli accumulatori possono assorbire l’energia dell’onda di pressione, mitigando gli effetti del colpo d’ariete.
- Sistemi di smorzamento: L’installazione di sistemi di smorzamento può aiutare a dissipare l’energia dell’onda di pressione.
- Progettazione accurata del circuito: Una progettazione accurata del circuito oleodinamico, tenendo conto delle caratteristiche del fluido, delle tubazioni e dei componenti, può contribuire a ridurre il rischio di colpo d’ariete.
- Manutenzione regolare: Una manutenzione regolare del sistema può aiutare a individuare e risolvere eventuali problemi che potrebbero causare il colpo d’ariete.
Conclusione
Conoscere come evitare o ridurre situazioni che causano fenomeni come colpi d’ariete o pulsazioni
permette di eliminare molti problemi all’origine (danneggiamenti di guarnizioni, valvole, attrezzature, …) e di ridurre notevolmente i costi.
