Avaliação experimental dos transientes hidráulicos em condutos forçados sob infestação pelo mexilhão dourado (Limnoperna fortunei)
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Marcelo Giulian Marques
Rodrigo Otávio Peréa Serrano
Teofânia Heloisa Dutra Amorim Vidigal
Hersília de Andrade e Santos
Eduardo Bauzer de Medeiros
Rodrigo Otávio Peréa Serrano
Teofânia Heloisa Dutra Amorim Vidigal
Hersília de Andrade e Santos
Eduardo Bauzer de Medeiros
Resumo
Manobras operacionais em sistemas hidráulicos pressurizados, como o fechamento rápido de válvulas, podem ocasionar transientes hidráulicos caracterizados por variações abruptas de pressão e velocidade, capazes de comprometer a integridade estrutural dos condutos. Paralelamente, a colonização biológica por Limnoperna fortunei (mexilhão-dourado) tem provocado alterações significativas nas condições de escoamento em sistemas hidráulicos brasileiros, especialmente em usinas hidrelétricas, estações de bombeamento e redes de abastecimento, desde o final da década de 1990. A bioincrustação aumenta a rugosidade interna e reduz a seção útil dos condutos, podendo intensificar os efeitos do golpe de aríete. O presente trabalho tem como objetivo comprovar experimentalmente que condutos forçados infestados pelo mexilhão-dourado apresentam valores de sobrepressão superiores aos observados em condutos lisos, quando submetidos às mesmas condições de vazão e tempo de fechamento da válvula de bloqueio de fluxo. A metodologia consistiu no desenvolvimento de uma bancada experimental composta por reservatório a montante, medidor de vazão, três transdutores de pressão distribuídos ao longo do conduto e válvula de fechamento rápido acionada pneumaticamente. A bioincrustação foi simulada por meio de impressão 3D, a partir do escaneamento de superfícies colonizadas, permitindo reproduzir a geometria das incrustações nos diâmetros nominais de 2½", 3" e 4. Ensaios de fechamento rápido foram realizados em condutos controle e bioincrustados, sob diferentes vazões operacionais, com registro das pressões máximas geradas. Os resultados evidenciaram que, para as mesmas vazões iniciais e o mesmo tempo de fechamento da válvula de bloqueio, os condutos bioincrustados apresentaram picos de pressão significativamente superiores aos condutos lisos. Foi constatado a necessidade de aumento do tempo de fechamento da válvula de bloqueio para manter as sobrepressões dentro dos limites admissíveis de projeto. Conclui-se, portanto, que a colonização pelo mexilhão-dourado altera substancialmente a resposta transitória dos sistemas hidráulicos, tornando indispensável a reavaliação dos parâmetros operacionais e das leis de fechamento de válvulas em condutos infestados, a fim de garantir segurança operacional e eficiência energética.
Abstract
Operational maneuvers in pressurized hydraulic systems, such as rapid valve closure, may cause hydraulic transients characterized by abrupt variations in pressure and flow velocity, which can compromise the structural integrity of pipelines. In parallel, biological colonization by Limnoperna fortunei (golden mussel) has caused significant changes in flow conditions in Brazilian hydraulic systems, especially in hydroelectric power plants, pumping stations, and water supply networks, since the late 1990s. Biofouling increases internal roughness and reduces the effective cross-sectional area of pipelines, potentially intensifying pressure surge effects. The objective of this study is to experimentally demonstrate that penstocks infested by the golden mussel exhibit higher overpressure levels than clean pipes when subjected to the same flow rate and valve closure time. The methodology consisted of developing an experimental test rig composed of an upstream reservoir, a flow meter, three pressure transducers distributed along the pipe, and a pneumatically actuated fast-closing valve. Biofouling was simulated using 3D printing based on the scanning of colonized surfaces, allowing reproduction of the geometry of incrustations in nominal diameters of 2½", 3", and 4". Rapid valve closure tests were performed in control and biofouled pipes under different operating flow rates, with maximum pressure values recorded. The results showed that, for the same initial flow rates and the same block valve closure time, biofouled pipes presented significantly higher pressure peaks than clean pipes. It was found that an increase in the valve closure time was required to maintain overpressure levels within admissible design limits. It is therefore concluded that golden mussel colonization substantially alters the transient response of hydraulic systems, making it essential to reassess operational parameters and valve closure laws in infested pipelines in order to ensure operational safety and energy efficiency.
Assunto
Engenharia mecânica, Reservatórios, Válvulas, Bioinvasão, Mexilhão-dourado
Palavras-chave
Limnoperna fortunei, Mexilhão-dourado, Transientes hidráulicos, Golpe de aríete, Bioincrustação, Condutos forçados