Arthur Brito Nunes Diniz, Igor Dias Junqueira
Resumo -Este estudo investiga as consequências da substituição de um Tanque de Alimentação Unidirecional (TAU) por uma ventosa tríplice função em uma adutora de água bruta, mediante a análise de cenários simulados. A avaliação focou na capacidade dos dispositivos em mitigar os efeitos de transitórios hidráulicos, especialmente em resposta a paradas abruptas das bombas. Os resultados indicaram que a substituição do TAU não apenas falhou em atender às demandas operacionais e de segurança, mas também acentuou a instabilidade do sistema em determinados trechos. Com base nos resultados, um cenário adicional foi proposto e simulado, introduzindo modificações no TAU e na configuração do sistema. A implementação dessas alterações mostrou uma melhoria significativa na resposta do sistema, reduzindo sobrepressões e mitigando pressões negativas de forma mais eficaz. O estudo sublinha a importância de uma análise hidráulica detalhada antes da implementação de mudanças significativas em sistemas de adução de água.
Abstract - This study examines the implications of replacing a One-Way Surge Tank with a triplefunction air valve in a raw water pipeline through simulated scenario analysis. The evaluation centered on the devices’ ability to mitigate hydraulic transients, particularly in response to abrupt pumping system shutdowns. The analysis indicate that the initial One-Way Surge Tank replacement not only failed to meet operational and safety demands but also exacerbated system instability under certain operational scenarios. Based on these insights, an additional scenario was proposed and tested, involving modifications to the One-Way Surge Tank and system configuration. The system response improved significantly by implementing these changes, reducing overpressures and more effectively mitigating negative pressures. The study underscores the importance of detailed hydraulic analysis before implementing significant changes in water conveyance systems. Palavras-Chave - Transitórios hidráulicos, simulação hidráulica, tanque de alimentação unidirecional, ventosa tríplice função.
Keywords - Hydraulic transients, hydraulic simulation, one-way surge tank, combination air valve.
INTRODUÇÃO Os transitórios hidráulicos referem-se a variações temporárias nas condições de escoamento e pressão de um sistema de fluidos, geralmente desencadeadas por mudanças repentinas nas condições operacionais, como o fechamento rápido de válvulas ou o desligamento de bombas. Esses eventos podem resultar em picos de pressão, cavitação e outros fenômenos que podem causar danos ao sistema se não forem adequadamente controlados (El-Hazek et al., 2023). Compreender os transitórios hidráulicos é essencial para o dimensionamento adequado dos componentes do sistema, como válvulas, tubulações e bombas. Projetar esses elementos levando em consideração as variações transitórias nas condições de operação garante que o sistema seja capaz de lidar eficientemente com perturbações e com as mudanças de demanda, mantendo a segurança e a confiabilidade operacional (Diniz, 2020). Além disso, a compreensão da resposta aos transitórios hidráulicos é fundamental para o projeto e operação eficientes de sistemas de transporte de fluidos. Primeiramente, a análise dos transitórios permite identificar os pontos vulneráveis do sistema, onde as variações de pressão e vazão podem ser mais significativas. Isso possibilita a implementação de medidas de proteção, como o uso de Tanques de Alimentação Unidirecional (TAU) e ventosas tríplice função, para evitar danos aos equipamentos, tubulações e acessórios (Miji Cherian et al., 2020).
Nesse contexto, o objetivo do presente trabalho é analisar a substituição de um Tanque de Alimentação Unidirecional (TAU) por uma ventosa tríplice função em uma adutora de água bruta, utilizando um estudo de caso como base. Especificamente, o artigo visa investigar os impactos hidráulicos dessa substituição no sistema de adução de água, destacando a importância de uma análise hidráulica adequada como base para eventuais alterações na configuração do sistema.
MÉTODOS Para alcançar o objetivo proposto neste artigo, foi adotada uma metodologia que integra uma análise detalhada do estudo de caso da adutora de água bruta em questão com princípios e técnicas de engenharia hidráulica. Inicialmente, foram coletados dados relevantes sobre o sistema de adução, incluindo informações sobre vazão, pressões, diâmetro de tubulação e características topográficas do terreno. Em seguida, utilizando o Allievi, software de modelagem de transitórios hidráulicos, foram simuladas as condições de operação tanto antes quanto depois da substituição do TAU pela ventosa tríplice função. Essas simulações permitiram uma análise comparativa dos parâmetros hidráulicos do sistema, destacando quaisquer mudanças significativas decorrentes da substituição.
Tanque de Alimentação Unidirecional (TAU)
O TAU é um dispositivo de proteção que utiliza uma válvula de retenção para minimizar subpressões durante transitórios hidráulicos. Essa válvula, essencial para o funcionamento do TAU, permite o fluxo de água em apenas uma direção, evitando o retorno do fluxo e a perda de água armazenada. Em situações de queda súbita de pressão, como durante o desligamento de bombas ou flutuações na demanda de água, o TAU libera água gradualmente, ajudando a estabilizar a pressão e proporcionar uma resposta mais controlada ao sistema (Zhao et al., 2023).
Ventosas Tríplice Função As ventosas tríplice função são essenciais em sistemas hidráulicos, especialmente em grandes adutoras, devido à sua capacidade de manejar variações bruscas de pressão. Esses dispositivos cumprem três funções principais: admitem ar para evitar a formação de vácuo durante subpressões, liberam ar acumulado e permitem a drenagem de água. A admissão de ar é crucial para manter a integridade do sistema, prevenindo a cavitação — que pode danificar seriamente equipamentos e tubulações — ao preencher espaços vazios formados durante o fechamento rápido de válvulas ou o desligamento de bombas, assegurando a operação segura do sistema (Ramos et al., 2022).
Estudo de caso – Sistema de Bombeamento de Água Bruta A adutora estudada capta 2300 m³/h de água bruta para uma planta de beneficiamento mineral e tem 27,5 km de extensão. Composta por um sistema de bombeamento (EB1- Captação) e uma estação Booster (EB2), utiliza tubulação principal de aço carbono ASTM A 53 Gr.B, diâmetro nominal de 30 polegadas e espessura de 9,53 mm. O sistema de captação inclui três bombas KSB modelo RDL 300-620 A, sendo duas operacionais em paralelo e uma reserva. Cada bomba possui rotores de 652 mm e motores de 1300 cv. A estação Booster tem configuração semelhante. De acordo com informações do fabricante, o momento polar de inércia de cada conjunto motor-bomba é de 46,4 kg·m².
O desnível geométrico total de 280 m (Figura 1), dividido entre as estações de bombeamento, garante rápida recomposição da coluna de líquido após desligamento abrupto das bombas, colapso de cavidades de vapor e subsequente repressurização da adutora. O sistema inclui um TAU e trinta e seis ventosas tríplice função DN 150 ao longo da adutora para mitigar subpressões de transitório hidráulico e melhorar a eficiência operacional. O TAU tem cota de soleira a 4 m do solo, diâmetro de 1,4 m e volume total de 2.000 litros (Figura 2).
Figura 1– Perfil elevatório do sistema de bombeamento de água
Durante a operação, um mau funcionamento da válvula boia (dispositivo que regula o enchimento) do TAU causou um extravasamento significativo de água, gerando inconvenientes para o operador e alagamento na propriedade do superficiário. Em resposta, decidiu-se substituir o TAU por uma ventosa tríplice função para mitigar as subpressões transitórias (Figura 2). No entanto, essa substituição foi feita sem uma análise hidráulica adequada para validar sua eficácia e segurança, o que pode resultar em consequências imprevistas para a estabilidade e o desempenho do sistema.
Figura 2 – Substituição do TAU por ventosa tríplice função
ALLIEVI – Software para simulação de transitórios hidráulicos O programa ALLIEVI é uma ferramenta essencial para analisar e avaliar os efeitos transitórios em sistemas hidráulicos, útil tanto no design quanto na verificação de operações existentes. Durante a concepção de um projeto, o ALLIEVI facilita a integração de dispositivos de proteção como vasos de pressão, tanques alimentadores unidirecionais, chaminés de equilíbrio e válvulas de alívio, ajudando a manter as oscilações de pressão dentro de limites seguros. O software utiliza o Método das Características (MOC) para realizar cálculos precisos e desempenha um papel crucial em simular detalhadamente os efeitos transitórios causados por paradas abruptas das bombas, considerando diferentes configurações de dispositivos de proteção.
Cenários analisados No presente estudo, optou-se por considerar apenas a parada abrupta do sistema de bombeamento como evento de análise dos transitórios hidráulicos, pois representa o cenário mais desfavorável em termos de variações de pressão e oscilações hidráulicas. Essa simplificação garante uma exposição clara dos conceitos abordados. Para avaliar os efeitos dessa parada, serão analisados três cenários distintos: Cenário 1 – Concepção Original: Análise dos transitórios hidráulicos com a configuração original, que inclui diversas ventosas tríplice função e um TAU localizado a 18,9 km. Esse cenário ajudará a entender o comportamento do sistema com os dispositivos de proteção inicialmente projetados.
Cenário 2 – Substituição do TAU por ventosa tríplice função: Análise dos transitórios considerando a substituição do TAU por uma ventosa tríplice função, permitindo avaliar os impactos dessa mudança na estabilidade hidráulica do sistema.
Cenário 3 – Proposição de melhorias: Proposta de uma nova composição de dispositivos de proteção baseada nos resultados das análises anteriores, visando otimizar a resposta do sistema durante a parada das bombas.
Esses cenários permitirão comparar os efeitos dos diferentes dispositivos de proteção na estabilidade hidráulica do sistema e identificar a configuração mais adequada para garantir sua operação segura e eficiente em situações de emergência. A abordagem contribuirá para aprimorar a concepção e o funcionamento do sistema de bombeamento de água.
RESULTADOS E DISCUSSÃO Após definidas as condições iniciais necessárias ao modelo, realizou-se a simulação da adutora. Considerando os dados do duto e do fluido, a celeridade foi calculada em 1100 m/s. A partir dos critérios definidos pela ASME B31.4, as pressões máximas de operação em regime permanente e transiente da tubulação são 34,2 kgf/cm² e 37,6 kgf/cm², respectivamente. Verificouse que o duto resiste ao vácuo total no seu interior sem o risco de colapso. Cenário 1 – Concepção original A Figura 3 apresenta as envoltórias de cargas hidráulicas, enquanto a Figura 4 mostra as pressões resultantes máximas e mínimas do sistema na sua concepção original, utilizando um TAU e ventosas tríplice função.
Figura 3 – Envoltórias de Cargas Hidráulicas – Concepção original
Os resultados das simulações do Cenário 1 indicaram o alcance da pressão de vapor em diversos trechos entre a EB1 e a EB2. Após a parada abrupta do bombeamento, uma onda inicial de pressão negativa se propaga das bombas em direção à extremidade de descarga e retorna como uma onda positiva. A onda negativa provoca a vaporização da água na tubulação, à medida que a pressão cai abaixo da atmosférica e atinge a pressão de vapor. Consequentemente, o fenômeno da separação da coluna líquida e sua posterior rejunção gerou sucessivos picos de pressão.
Figura 4 – Envoltórias de Pressões – Concepção original
A pressão máxima de 36,5 kgf/cm² (Figura 4) foi alcançada a jusante da EB2 no ponto 8,9 km. Ademais, não foram observadas sobrepressões acima do limite admissível. Entretanto, praticamente todo o trecho compreendido entre a EB1 e a EB2 atingiu a pressão de vapor indicando a ocorrência de cavitação. Apesar de as tubulações apresentarem resistência mecânica para suportar o vácuo, a cavitação – um fenômeno em que bolhas de vapor se formam e colapsam violentamente – pode danificar a superfície interna das tubulações, acelerando o processo de erosão/corrosão
Durante a análise do comportamento do TAU no transitório hidráulico, observou-se que, apesar de manter as pressões acima da pressão atmosférica, o nível de água no interior desse dispositivo se estabiliza com apenas 10 cm acima da cota da soleira, praticamente esvaziando-se. Essa condição representa um risco significativo para o sistema devido à ausência de uma margem de segurança adequada. Além disso, caso ocorra um segundo desligamento antes que o TAU esteja completamente cheio, o sistema pode tornar-se suscetível à separação da coluna líquida e à sua posterior rejunção, resultando em elevadas sobrepressões.
Cenário 2 – Substituição TAU por ventosa tríplice função O Cenário 2 foi concebido com o objetivo de avaliar o comportamento hidráulico do sistema durante um transitório hidráulico, considerando a substituição do TAU por uma ventosa tríplice função (V-30). Este cenário visa elucidar as implicações dessa mudança e avaliar como a nova configuração afeta a estabilidade e a eficácia do sistema sob condições de operação transitórias.
Figura 5 – Envoltórias de Cargas Hidráulicas – Substituição TAU por ventosa
As simulações indicaram que a ventosa tríplice função V-30 obteve êxito na mitigação das subpressões transitórias que surgiram após a parada súbita dos sistemas de bombeamento. Durante o evento hidráulico transitório, a ventosa V-30 atuou por um período de 19 segundos, admitindo e expulsando um volume total de ar de 2566 litros, conforme ilustrado na Figura 7.
Figura 6 – Envoltórias de Pressões – Substituição TAU por ventosa
No entanto, a instalação da ventosa V-30 alterou o perfil de pressões, elevando as sobrepressões máximas para valores acima da pressão máxima admissível ao longo de um segmento de 3,75 km (Figura 6), com picos registrados de até 40,1 kgf/cm². Além disso, verificou-se que um segmento mais extenso entre a EB1 e a EB2, em comparação ao Cenário 1, foi submetido à pressão de vapor da água. Consequentemente, as pressões observadas neste cenário superaram aquelas registradas no Cenário 1, em razão do agravamento do fenômeno de separação e rejunção da coluna líquida.
Neste contexto, embora a substituição pela ventosa V-30 tenha atenuado as subpressões iniciais no local de sua instalação, essa alteração não se mostrou uma estratégia eficaz ao considerar os resultados no âmbito geral do sistema. A pressão máxima excedeu os limites estabelecidos pelo sistema, alcançando valores 10% superiores ao máximo registrado no Cenário 1. Além disso, a ocorrência de cavitação nas tubulações foi intensificada.
Figura 7 – Variação do volume e vazão de admissão e expulsão de ar na ventosa
Cenário 3 – Proposição de melhorias O Cenário 3 foi desenvolvido como uma proposta de modificação na adutora para aprimorar a resposta do sistema às oscilações de pressão decorrentes de transitórios hidráulicos. No Cenário 1, foi constatado que o volume de reservação TAU era insuficiente, representando um risco à segurança do sistema e comprometendo a eficácia da estratégia de proteção frente aos transitórios hidráulicos. Diante dessa constatação, procedeu-se ao redimensionamento do TAU, ajustando sua cota de soleira a partir do solo para um nível máximo de 6 metros, o que eleva significativamente sua capacidade de contenção. Com um novo diâmetro de 1,5 metros, o volume total de reservação aumentou para 10500 litros. Adicionalmente, um novo TAU, situado no quilômetro 0,81 e com as mesmas dimensões, foi implementado para reforçar a capacidade do sistema em mitigar as oscilações de pressão, induzidas por eventos transitórios.
A partir das modificações propostas, foram realizadas novas simulações cujos resultados são ilustrados na Figura 8 e na Figura 9. As alterações resultaram em uma resposta mais suave do sistema frente aos transitórios hidráulicos. Além de sobrepressões menores, observou-se uma redução considerável do alcance de pressões negativas em toda a adutora.
Figura 8 – Envoltórias de Cargas Hidráulicas – Proposição de melhorias
No segmento entre EB1 e a EB2, as pressões negativas foram efetivamente reduzidas a um trecho de 200 metros a montante da EB2. Essa redução não apenas preveniu a ocorrência de cavitação no interior da tubulação, mas também eliminou a separação e subsequente rejunção da coluna líquida. A eficácia dessa intervenção é evidenciada pela análise das pressões máximas desenvolvidas, conforme apresentado na Figura 9.
Figura 9 – Envoltórias de Pressões – Proposição de melhorias
Com a reintrodução do TAU, o segmento a jusante da EB2 voltou a registrar uma pressão máxima de 36,5 kgf/cm², valor que se encontra dentro dos limites calculados para o sistema. Além disso, não foram observadas pressões negativas ao longo desse segmento. O aumento do volume de reservação deste TAU permitiu que o sistema suportasse dois eventos de parada súbita consecutivos sem comprometer a segurança do ativo.
CONCLUSÃO
Este estudo abordou a análise de substituições estratégicas em um sistema de adução de água bruta, focando na mitigação dos efeitos de transitórios hidráulicos por meio da reconfiguração dos dispositivos de proteção. Os cenários desenvolvidos evidenciaram que a capacidade insuficiente do TAU no cenário inicial comprometia a segurança do sistema, enquanto a substituição por uma ventosa tríplice função no cenário subsequente, apesar de mitigar subpressões, levantou novas questões quanto à adequação da solução em face das exigências operacionais e de segurança.
A partir das análises realizadas, o cenário proposto ofereceu uma solução eficaz ao aumentar a capacidade de reservação e introduzir um novo TAU, demonstrando uma resposta aprimorada do sistema às condições de transitórios hidráulicos. Esta abordagem resultou em menores sobrepressões e uma redução significativa no alcance de pressões negativas, além de garantir que o sistema pudesse enfrentar eventos subsequentes de parada súbita sem comprometer a integridade do ativo.
Este estudo destaca a importância de uma análise hidráulica detalhada antes de realizar mudanças significativas em sistemas de adução de água. As alterações nos dispositivos de proteção devem ser baseadas em uma compreensão sólida das dinâmicas operacionais e dos potenciais riscos envolvidos.
AGRADECIMENTOS À Blossom Consult pelo apoio e incentivo concedidos à equipe da Hidráulica para o desenvolvimento desse artigo e demais iniciativas de compartilhamento do conhecimento.
Arthur Brito Nunes Diniz, Igor Dias Junqueira
Blossom Consult S.A. adiniz@blossomconsult.com
Blossom Consult S.A. ijunqueira@blossomconsult.com
REFERÊNCIAS DINIZ, A.B.N. (2020). “Modelagem e Análise de Transitórios Hidráulicos e Cavitação em Linhas de Recalque com Ventosas”. Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos, Publicação PTARH. DM – 231/2020, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 136p.
EL-HAZEK, A., AHMED, M., BADAWY, A. (2023). “Transient flow simulation, analysis and protection of pipeline systems”. Journal of Water and Land Development.
MIJI CHERIAN R., N. SAJIKUMAR, SUMAM K.S. (2020). “Effect of valve closure time on transient cavitating flow through piping systems”. ISH Journal of Hydraulic Engineering.
RAMOS, H., FUERTES-MIQUEL, V., TASCA, E., CORONADO-HERNÁNDEZ, Ó., BESHARAT, M., ZHOU, L., & KARNEY, B. (2022). “Concerning Dynamic Effects in Pipe Systems with Two-Phase Flows: Pressure Surges, Cavitation, and Ventilation". Water.
ZHAO, W., YU, X., TANG, R., SHI, L., CHEN, N., ZHANG, J., DU, C. (2023). “Negative pressure protection of water supply systems with multi-undulating terrain by one-way surge tanks.” AQUA — Water Infrastructure, Ecosystems and Society.
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