04-Transientes - Protecao

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Estudos de Transitórios 
Hidráulicos em Adutoras
Prof. Dr. Alexandre Kepler Soares
Introdução
Transitórios hidráulicos podem causar colapso ou
rompimento de tubulações → manobras de válvulas, ar
aprisionado, parada de sistema de bombeamento devido
ao corte de energia elétrica
Introdução
Colapso → subpressões ou depressões excessivas
(pressões negativas seguidas de separação da coluna
líquida)
Introdução
Rupturas → sobrepressões devido ao golpe de aríete ou
rejunção da coluna líquida
Introdução
Dispositivos de proteção:
Chaminé de equilíbrio
Tanque de Amortecimento Unidirecional (TAU)
Reservatório Hidropneumático (RHO)
Válvulas antecipadoras de onda
Ventosas tríplice função com dispositivo non slam
Bypass com válvula de retenção
Válvulas de alívio
Volantes de inércia
Válvulas antigolpe
Discos de ruptura
Tubo adicional deformável (geralmente de plástico)
Introdução
Dispositivos de proteção:
Chaminé de Equilíbrio
Tanque de Amortecimento Unidirecional
(TAU ou One-way)
Reservatório Hidropneumático (RHO)
Válvula Antecipadora de Onda
Ventosa Tríplice Função (non slam)
Ventosa Tríplice Função (non slam)
Ventosas
Ventosas
Ventosas
Ventosas
Separação da Coluna Líquida
Separação da Coluna Líquida
Separação da Coluna Líquida
Separação da Coluna Líquida
Separação da Coluna Líquida:
Controle por Ventosas Tríplice Função
Separação da Coluna Líquida:
Controle por Ventosas Tríplice Função
Separação da Coluna Líquida:
Controle por Ventosas Tríplice Função
Bypass com Válvula de Retenção
Bypass com Válvula de Retenção
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Pressão (m)
Tempo (s)
Válvula de Alívio
Volante de Inércia
Válvula Antigolpe
Disco de Ruptura
ABNT NBR 12215-1/2017
Projeto de adutora de água. Parte 1: Conduto forçado
5 Requisitos específicos
5.7 Pressão de serviço
5.7.2 A pressão mínima atuante deve ser igual ou superior a 50
kPa em regime permanente na condição da(s) vazão(ões) de
estudo e/ou projeto. Pressão mínima adotada inferior à indicada
precisa ser justificada tecnicamente e aprovada pela
operadora/contratante.
5.7.2.2 Recomenda-se que as pressões mínimas, devidas aos
transitórios hidráulicos atuantes em qualquer seção da
adutora, sejam maiores que a pressão atmosférica para sistema
com água tratada e de no máximo -20 kPa para sistema com água
bruta.
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5 Requisitos específicos
5.7 Pressão de serviço
5.7.2.3 Em adutora de água tratada para tubulação com junta
elástica, evitar a ocorrência de pressão negativa.
5.7.2.4 Em adutora de água tratada, nos pontos onde existem
dispositivos para admissão e/ou expulsão de ar, em área
inundável ou sujeita a contaminação da tubulação, não é admitida
a pressão negativa.
5.7.3 A pressão de serviço máxima nas condições normais ou
excepcionais, atuantes em qualquer seção da adutora e/ou seus
componentes, devem ser iguais ou inferiores às pressões admissíveis
para as tubulações, conexões, acessórios e equipamentos previstos
em toda a instalação do sistema adutor.
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5.8 Metodologia para análise dos transitórios hidráulicos
5.8.1 A análise dos transitórios hidráulicos deve ser efetuada em
diferentes etapas do estudo e/ou projeto (estudo de concepção,
projeto básico, projeto executivo), compreendendo desde a
avaliação preliminar até a fase do detalhamento executivo.
5.8.2 Em todas as etapas do projeto, deve ser efetuada uma
avaliação preliminar com análise diagnóstica do estudo dos
transitórios hidráulicos do sistema adutor desprovido de qualquer
dispositivo de proteção aos transitórios. Em função dos resultados
obtidos nesta análise, cabe ao projetista a adoção de duas
alternativas:
 dispensável a instalação de dispositivos de proteção e a análise
dos transitórios hidráulicos se encerra na fase diagnóstica;
 necessária a aplicação de dispositivos de proteção aos
transitórios hidráulicos para o atendimento a 5.7 e/ou quando a
redução das pressões transitórias atuantes resulta em relevante
economia.
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5.8 Metodologia para análise dos transitórios hidráulicos
5.8.3 Na etapa de dimensionamento dos dispositivos de controle e
proteção, devem ser selecionados aqueles que garantam as
condições de pressão de serviço indicadas nesta Norma,
considerando viabilidade técnica, operacional e econômica para o
sistema.
5.8.4 O estudo dos transitórios hidráulicos deve ser realizado com a
aplicação de software específico, que atendam aos seguintes itens:
a) modelagem matemática que se aproxime do modelo físico do
sistema hidráulico em estudo e/ou projeto;
b) aplicação de métodos numéricos (das características, métodos
das ondas planas, método de diferenças finitas, método dos
elementos finitos) e que resolvam as equações de derivadas
parciais governantes dos fenômenos transitórios considerando as
características físicas da água e da(s) tubulação(ões) e dos
vínculos estruturais da(s) tubulação(ões) com o meio externo;
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5.8 Metodologia para análise dos transitórios hidráulicos
5.8.4 O estudo dos transitórios hidráulicos deve ser realizado com a
aplicação de software específico, que atendam aos seguintes itens:
c) apresentação dos resultados contendo as linhas piezométricas
em regime permanente e em regime transitório com as
envoltórias de pressões máximas e mínimas. Os resultados
devem compreender as simulações sem e com dispositivos de
proteção, mediantes gráficos e tabelas que representem o
comportamento dinâmico dos dispositivos de proteção aos
transitórios hidráulicos;
d) simulação isolada e/ou simultânea de quantos dispositivos para
controle e proteção aos transitórios hidráulicos se fizerem
necessários, de uma ou mais tubulações em paralelo, onde
pertinente, conforme a topologia e condições operacionais
previstas no estudo e/ou projeto;
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5.8 Metodologia para análise dos transitórios hidráulicos
5.8.4 O estudo dos transitórios hidráulicos deve ser realizado com a
aplicação de software específico, que atendam aos seguintes itens:
e) contemplem ou que permitam o estabelecimento das condições
de contorno que caracterizem adequadamente os dispositivos de
proteção e controle do escoamento transitório;
f) cálculo das condições transitórias decorrentes da separação da
coluna líquida com formação de cavidades de vapor e os
subsequentes picos de sobrepressões advindos da fase de
rejuntamento da fase líquida associada à cavitação transitória.
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5.8 Metodologia para análise dos transitórios hidráulicos
5.8.5 Pode ser exigido pela operadora/contratante que se apresente
a validação do software a ser aplicado por pelo menos uma das
formas indicadas a seguir: artigos de fontes confiáveis relacionados;
descrição do método e comparação com outro método
reconhecidamente aceito, que não o próprio; o programa de
validação com resultado de testes em campo; documento
comprovando qualidade do produto (atualizações, soluções de
inconsistências/implementações).
5.8.6 Qualquer solução técnica e/ou dispositivo adotado para a
proteção dos transitórios hidráulicos deve apresentar justificativa
técnica ou aproximações que garantam o entendimento dos efeitos
deste dispositivo em todo o sistema. Demonstrar nos relatórios o
respaldo técnico para a solução técnica, as considerações adotadas,
as condições de contorno e iniciais adotadas para a solução das
equações diferenciais e a justificativa para a adoção destas.
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5.8 Metodologia para análise dos transitórios hidráulicos
5.8.7 Para a(s) adutora(s) composta(s) por tubulação(ões) com
comportamento estrutural viscoelástico recomenda-se o emprego de
dispositivos de proteção aos transitórios hidráulicos que propiciem
escoamento transitório do tipo oscilação de massa.
5.8.8 Na análise e aplicação dos dispositivos de controle e proteção
contra os efeitos indesejáveis dos transitórios hidráulicos, a seguir
indicados, são informações mínimasnecessárias aos estudos e
devem ser consideradas nas simulações quando da aplicação do
modelo numérico e software descritos em 5.8.4.
Conjunto motor-bomba (operação da bomba em diferentes quadrantes da
máquina hidráulica), válvula de controle, válvula de retenção, válvula de
alívio, reservatório hidropneumático (RHO), tanque de amortecimento
unidirecional (TAU), chaminé de equilíbrio, volante de inércia, ventosas e
válvula de bloqueio.
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5.9 Análise e elaboração de estudo dos transitórios hidráulicos
5.9.1 Os transitórios hidráulicos devem ser calculados obtendo-se as
variáveis de vazão e pressão dependentes do tempo (t) e do espaço
(x) em cada seção definida no modelo matemático do sistema.
5.9.2 Deve ser realizada a análise dos transitórios na ocorrência de
manobras que interfiram no ciclo operacional do sistema, nas
condições normais, excepcionais e catastróficas, quando aplicável.
A análise deve ser realizada para as distintas etapas da execução do
projeto (estudo técnico preliminar, estudo de concepção, projeto
básico, projeto executivo, quando aplicável), considerando o estudo
econômico das alternativas, as soluções técnicas e suas alterações.
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5.9 Análise e elaboração de estudo dos transitórios hidráulicos
5.9.3 Em adutora de recalque a análise e elaboração dos estudos
devem contemplar as condições normais, excepcionais e/ou
catastróficas.
5.9.3.1 Para a análise de estudo de transitórios hidráulicos em
adutora de recalque, são consideradas condições normais de
operação todas as manobras prováveis de ocorrerem várias vezes
durante o ciclo de vida do sistema. Nesta condição o(s) sistema(s)
de proteção ou de mitigação deve(m) estar funcionando
corretamente. São exemplos de condição normal de operação:
a) a parada não programada do(s) conjunto(s) motor-bomba, por
interrupção de energia elétrica nas diversas configurações
operacionais previstas para o sistema;
b) a partida e parada programada de conjunto(s) motor-bomba;
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5.9 Análise e elaboração de estudo dos transitórios hidráulicos
5.9.3.1 ...São exemplos de condição normal de operação:
c) a existência de válvula de retenção, que fecha instantaneamente
sob fluxo reverso;
d) a existência de válvula de controle que fecha lentamente sob
fluxo reverso, operando como retenção do fluxo;
e) o funcionamento adequado do(s) dispositivo(s) de proteção e
controle dos transitórios previstos;
f) a operação do sistema sem a formação de bolsões de ar;
g) a admissão e a expulsão controlada de ar;
h) as manobras adequadas de válvulas, em acordo com as regras
operacionais especificadas em projeto.
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5.9 Análise e elaboração de estudo dos transitórios hidráulicos
5.9.3.2 Para a análise de estudo de transitórios hidráulicos em
adutora de recalque, são consideradas condição excepcional de
operação quando da ocorrência isolada ou simultânea de eventos,
tais:
a) falha de um dos dispositivos de proteção a transitórios
hidráulicos;
b) manobras inadequadas de válvulas, em desacordo com as regras
operacionais especificadas em projeto.
5.9.3.3 Para a análise de estudo de transitórios hidráulicos em
adutora de recalque, é considerada condição catastrófica de
operação quando o(s) sistema(s) de proteção não funciona(m) nas
condições mais desfavoráveis da condição operacional do sistema. E
também quando da ocorrência de ruptura da tubulação.
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5.9 Análise e elaboração de estudo dos transitórios hidráulicos
5.9.4 Em adutora de gravidade a análise e elaboração dos estudos
devem contemplar as condições normais, excepcionais e/ou
catastróficas.
5.9.4.1 Para a análise de estudo de transitórios hidráulicos em
adutora de gravidade, são consideradas condições normais de
operação todas as manobras prováveis de ocorrerem várias vezes
durante o ciclo de vida do sistema. Nesta condição o(s) sistema(s)
de proteção ou de mitigação deve(m) estar funcionando
corretamente. São exemplos de condição normal de operação:
a) o funcionamento adequado do(s) dispositivo(s) de proteção e
controle dos transitórios previstos;
b) a operação do sistema sem a formação de bolsões de ar;
c) a admissão e a expulsão controlada de ar;
d) as manobras adequadas de válvulas, em acordo com as regras
operacionais especificadas em projeto.
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5.9 Análise e elaboração de estudo dos transitórios hidráulicos
5.9.4.2 Para a análise de estudo de transitórios hidráulicos em
adutora de gravidade, é considerada condição excepcional de
operação quando da ocorrência isolada ou simultânea de eventos,
tais:
a) falha de um dos dispositivos de proteção a transitórios
hidráulicos;
b) manobras inadequadas de válvulas, em desacordo com as regras
operacionais especificadas em projeto.
5.9.4.3 Para a análise de estudo de transitórios hidráulicos em
adutora de gravidade, é considerada condição catastrófica de
operação quando o(s) sistema(s) de proteção não funciona(m) nas
condições mais desfavoráveis da condição operacional do sistema. E
também quando da ocorrência de ruptura da tubulação.
Softwares
Método das Características → Sunrise PIPENET, Accutech
HYTRAN, Bentley Hammer, AFT Impulse, Deltares
WANDA, ITA Allievi, DNV GL LIQT, HydraTek TransAM
Método das Ondas Características (Ondas Planas) →
KYPIPE Surge
Diferenças finitas com esquemas implícitos →
Hydroinform HYPRESS (com DHI), USACE WHAMO
Computational Fluid Dynamics (CFD) → Mentor
FloMASTER (com Siemens)
Conclusão
Simulações Hidráulicas