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Fotografía: EPC Dunkerque LNG, toma de agua de mar

La hidráulica ha experimentado una evolución significativa en las técnicas empleadas para calcular y obtener las presiones máximas y mínimas en tuberías de agua a presión. Por ejemplo, a principios del siglo XX se desarrolló el método Allievi, que proporciona una estimación razonable, pero presenta limitaciones, ya que no considera factores como la fricción y la variación temporal de las presiones, no siendo un método apto para responder a la multitud de casuísticas diferentes que los casos de uso actuales requieren.

La digitalización del sector ha permitido que en los últimos años se hayan desarrollado técnicas y herramientas que permiten resolver las ecuaciones diferenciales parciales y así representar el comportamiento del fluido dentro de la tubería, mejorando aspectos como la forma de representar los resultados, la forma de considerar con precisión las condiciones reales del sistema de tuberías (incluyendo la fricción y las variaciones temporales y espaciales de las presiones), la capacidad de solucionar redes malladas, la posibilidad de modelizar elementos para mitigar los efectos de los transitorios o la disponibilidad de bibliotecas calibradas de los elementos existentes en el mercado (válvulas de todo tipo, codos, curvas de bombas, etc.).

Actualmente, para garantizar un funcionamiento eficiente y seguro al diseñar y operar sistemas de tuberías a presión, es importante tener en cuenta diversas situaciones que pueden generar transitorios en tuberías a presión y que deben analizarse para garantizar su uso correcto. Dichas situaciones se basan principalmente en los siguientes fenómenos:

• Variaciones del caudal con el tiempo (Q(t)): Estas pueden ser causadas por maniobras en estaciones de bombeo, como el arranque/parada programado o por corte de subministro eléctrico y variaciones en la velocidad de giro. Puede conllevar sobrepresiones inesperadas o depresiones que produzcan problemas de cavitación.
• Maniobras en válvulas/hidrantes: La velocidad de estas maniobras puede ser controlada por el usuario.

Limitaciones de los modelos numéricos en la ingeniería hidráulica

Los modelos numéricos, aunque son una herramienta poderosa en la ingeniería hidráulica, también tienen sus limitaciones. Dichas limitaciones deben ser tenidas en cuenta por el diseñador y en base a la experiencia de modelación:

• Precisión de los datos de entrada: Los modelos numéricos son tan precisos como los datos de entrada que se les proporciona.
• Complejidad computacional: Equilibrar la complejidad computacional del modelo hidráulico con el enfoque e incertidumbres que queremos despejar en el diseño de la red a presión.
• Necesidad de experiencia: La interpretación correcta de los resultados de un modelo numérico requiere una comprensión sólida de la hidráulica y la mecánica de fluidos. Sin esta experiencia, los resultados del modelo pueden ser malinterpretados.
• Supuestos simplificadores: Aunque los modelos numéricos pueden manejar una amplia gama de condiciones, a menudo se basan en supuestos simplificadores. Por ejemplo, pueden asumir que el flujo es completamente turbulento o que las paredes de la tubería son completamente lisas.

Cada sistema es único, por lo que las soluciones específicas pueden variar dependiendo de las características particulares del sistema. En este sentido, las experiencias en contramedidas diseñadas por el equipo de Tecnologías del Agua de Sener cubren un amplio abanico de necesidades y se basan principalmente en:

• Control de la velocidad de las válvulas: El cierre o apertura demasiado rápida de una válvula puede causar transitorios. Controlar la velocidad a la que se cierran o abren las válvulas acota a rangos admisibles la posibilidad de transitorios.
• Uso de dispositivos de alivio de presión: Estos dispositivos pueden liberar o admitir agua en el sistema para contrarrestar los cambios rápidos de presión.
• Uso de tanques de aire o cámaras de aire: Estos pueden proporcionar un amortiguamiento contra los cambios de presión al permitir una cierta cantidad de compresión o expansión del aire dentro del tanque.
• Diseño adecuado del sistema: Un diseño cuidadoso del sistema, incluyendo la ubicación y el tamaño adecuado de las tuberías y bombas, puede ayudar a minimizar los efectos de los transitorios.
• Operación cuidadosa del sistema: La elaboración de un correcto manual de operación y un análisis HAZOP, definirán las maniobras para tener en cuenta en la operación de una tubería a presión y en su rango de presiones admisible.
• Mantenimiento regular del sistema: Un mantenimiento adecuado puede ayudar a prevenir fallos que podrían causar transitorios, como fugas o fallos en las válvulas.

La evolución de las técnicas de cálculo está permitiendo diseñar tuberías más eficientes y seguras, minimizando la inversión en contramedidas para limitar los efectos de los transitorios, tal y como demuestran casos de éxito recientes como Gate Terminal, una de las terminales de gas natural licuado más grandes de Europa.