Transientes hidráulicos em adutoras : análise de sensibilidade de parâmetros

Abstract

Resumo: As adutoras são parte essencial dentro de um sistema de abastecimento de água, pois fazem a condução da água bruta da captação até a estação de tratamento e posteriormente da estação de tratamento até o reservatório ou a rede de abastecimento. Os transientes hidráulicos constituem um importante aspecto da hidráulica de adutoras, pois invariavelmente ocorrem situações em que o escoamento da água se modifica. Tais modificações ocorrem mais comumente por meio de fechamento de válvulas ou desligamento de bombas, que podem ocorrer de forma programada ou acidental, como, por exemplo, em uma perda repentina de energia. É conhecido há tempos o impacto que modificações repentinas nas condições do escoamento geram, sobretudo a propagação de ondas de sobrepressão e subpressão dentro da adutora. As ondas geradas podem causar, entre outros danos, o colapso da adutora por pressão excessiva ou pela junção de duas colunas de água separadas pela formação de bolhas de cavitação, assim como a intrusão de microrganismos dentro da tubulação, expondo risco para a população. É importante ressaltar também que tais efeitos podem não ser imediatos, sendo o estudo do rompimento por fadiga de suma importância para o mais correto entendimento do fenômeno. Visto os recentes relatos de rompimentos de adutoras relatados pela mídia, assim como o transtorno social e econômico consequentes, pode-se perceber a importância do estudo desse assunto. Dessa forma, o presente trabalho objetivou verificar como cada parâmetro influenciados das equações dos transientes hidráulicos impacta em seu resultado, de forma a contribuir para um maior entendimento do assunto e prevenir novas consequências deletérias para a população. Para isso, foram realizadas diversas simulações computacionais em um modelo simplificado de uma adutora existente no município de Bombinhas, em Santa Catarina. Para realizar as simulações, foi utilizado o programa Allievi, um software gratuito e com tradição de utilização por pesquisadores na área. Como parâmetros, foram escolhidos a espessura da tubulação, o seu diâmetro, o material utilizado, o envelhecimento da tubulação e a utilização de equipamentos de proteção. Os resultados demonstraram que o impacto das ondas de sobrepressão se originam da influência desses parâmetros sobre a celeridade de onda e o coeficiente de resistência do material, sendo que quanto maiores os valores destes, maiores serão as sobrepressão e subpressão geradas

Abstract: The water main pipelines are an essential part of a city’s water distribution system, having the important task to take the raw water from the source point to the treatment facility and, after that, the treated water from the treatment facility to a water tank or the distribution network. Hydraulic transients are an important phenomenon in water main pipelines hydraulics, occurring every time the flow conditions change. These changes happen, for instance, when a valve closures or a pump stops, which may occur due to a sudden loss of energy. The impact that sudden changes in the flow conditions cause on the pipe has been study for quite some time, most notably the pressure surge waves that propagates along the pipeline, producing excessive high and low pressures within the pipeline. These pressure waves can cause, among other damages, the pipe collapse either due to the excessive pressures produced by a positive surge or due to the rejoining of two separated water columns produced by a negative surge. Negative pressures can also cause the intrusion of microorganisms into the pipeline, which can spread diseases among the population. The effects of hydraulic transients may not be immediate as pipes can break as a result fatigue from multiple surges across the years of operation, which is one more reason to study this phenomenon. As water main breaks and the problems caused by them have been commonly reported in the media, it is easy to see the importance of a study on this topic. This study aims to assess how various flow and pipe parameters influence the results, analyzing the equations and simulating the phenomenon using a computer software, with the goal to contribute for a correct understanding of the topic and to prevent further detrimental consequences for the population. We performed a wide range of simulations on a simplified model of a functional water main pipeline in the city of Bombinhas, Brazil. The simulations were run in the software Allievi, developed by a Spanish university, freely available and widely used by Brazilian researchers in the field. We selected thickness, diameter, and material as attributes for the pipe and investigated the impacts of pipe aging and protection equipment on the water hammer results. The results reveal that the impact of each one of these parameters lies in their influence on the wave speed and on the material friction coefficient, for the higher their values are, the higher the pressure surge will be