Redactor: Emilio Turmo Sierra Ingeniero Industrial CENTRO NACIONAL DE CONDICIONES DE TRABAJO
Las válvulas de seguridad de acción indirecta son aquellas en las que el soplado de la válvula principal se efectúa únicamente por la acción de una o varias válvulas de seguridad piloto.
Válvula de seguridad accionada por piloto o presión indirecta. (Ver Figura 4). Es una válvula de seguridad accionada por el movimiento de una válvula piloto que es por sí misma una válvula de presión directa como la descrita en primer lugar. La válvula piloto debe actuar debidamente sin ayuda de ninguna fuente exterior de energía. En una disposición típica la presión de cierre del asiento de la válvula principal es proporcionada por la propia presión del fluido que actúa sobre una superficie de área mayor que la situada por debajo del disco de la válvula.
Figura 4. Válvula de seguridad accionada por piloto (American Petroleum Institute)
1. Área mayor
2. A igual presión que el conducto de alivio
3. Descarga al conducto de alivio
4. Área menor
5. Orificio de entrada desde el proceso
6. Venteo a la atmósfera
7. Escape a la atmósfera
8. Conexión al recipiente de proceso
9. Descarga al conducto de alivio
Cuando se alcanza la presión de tarado, la válvula piloto se abre, liberando la presión del fluido que actuaba sobre el área mayor del disco de cierre de la válvula principal y permitiendo que se abra la válvula principal para la descarga de alivio. Si son necesarios conductos tubulares de control, éstos serán cortos y de trazo sencillo.
A continuación se indican las ventajas de estas válvulas de seguridad:
• La ventaja principal es la reducción del margen entre la presión de servicio y la de tarado, y poder funcionar a presiones de tarado bajas.
• Para un tamaño dado del orificio de la válvula, queda reducida la altura y el peso.
• Diseñadas para permanecer herméticamente cerradas hasta que se alcanza la presión de tarado. Adecuadas cuando la presión de servicio supera el 90% de la presión de tarado.
• La vibración o castañeteo (chattering) de la válvula debido a la contrapresión no es posible.
• La presión de tarado no se ve afectada por la contrapresión.
• Se pueden utilizar en servicio de vapor o líquido con contrapresiones superiores al 50% de la presión de tarado (sujeto a la verificación del suministrador).
• La presión de la válvula piloto y de reasiento se puede verificar con la válvula en servicio.
• El escape se puede especificar a valores tan bajos como el 2% de la presión de tarado.
• Se pueden especificar para acción modulante, es decir, abrir sólo en proporción a la necesidad de alivio. De esta forma reduce el problema en la unidad de proceso y la cantidad de producto perdido hacia la antorcha de quemado cada vez que ocurra una ligera sobrepresión. Una válvula de acción modulante tiene un valor del escape igual a cero. Está diseñada para cerrar de nuevo a su presión de tarado.
• Su coste puede ser menor que las válvulas de resorte por acción directa a partir de un tamaño superior a 3”.
Algunos de los inconvenientes son:
• El inconveniente principal es que la válvula piloto sólo funciona satisfactoriamente en un servicio limpio, tal como con agua y vapor de agua. Los conductos estrechos de la válvula piloto están sujetos a obturaciones en servicio sucio o cuando ocurran solidificaciones o precipitaciones en la descarga.
• Necesitan características de diseño no relacionadas generalmente con las válvulas de resorte de acción directa, tales como un filtro en el conducto sensor si el servicio es sucio y una válvula de retención si la válvula descarga a un sistema colector en una antorcha de quemado.
• Tienen límites de temperatura más restrictivos que las válvulas de resorte de acción directa.
• La tecnología es más complicada y se necesita un mejor conocimiento para especificarlas e instalarlas correctamente.
• La selección de los metales de fabricación es más restrictiva.
• Son más caras que las válvulas de resorte de acción directa cuando son de tamaño inferior a 3”.
Se puede aumentar la fiabilidad y la posibilidad de verificación mediante la duplicación de estas válvulas, pero aún así no se puede garantizar la fiabilidad si la presión sobre la válvula está proporcionada totalmente por el fluido. Para mejorar esta situación se utiliza la válvula descrita a continuación.
Válvula de seguridad asistida por piloto. (Ver figura 5) . Es una válvula de seguridad accionada por el movimiento de una válvula piloto en la que la presión de cierre de la válvula principal está proporcionada por una combinación de la presión del fluido y un resorte helicoidal. En una disposición típica el resorte contribuye en un 75% de la fuerza total y el resto lo proporciona la propia presión del recipiente protegido a través de la válvula piloto. Si la válvula piloto falla en su apertura, la válvula de seguridad asistida por piloto, todavía funcionará como válvula de seguridad de presión directa. (como en la figura 2), aunque a una presión de alivio superior. Cuando se excede la presión de tarado se dispara la válvula piloto que ventea la presión complementaria que mantenía el disco de la válvula principal en posición de cierre, con lo cual ésta se abre. La válvula de seguridad asistida por piloto también permanecerá cerrada en situación de vacío (presión inferior a la atmosférica) por la fuerza ejercida por el resorte, al contrario de lo que sucedería en la válvula de seguridad accionada por piloto (figura 4) la cual quedaría abierta, como se puede ver al hacer la composición de fuerzas y especialmente por el efecto de la presión atmosférica o contrapresión al actuar sobre dos superficies contrapuestas de distinta área (superficie inferior del disco de área mayor y superficie superior del disco de área menor), dando lugar a una fuerza ejercida hacia arriba mayor que hacia abajo y por lo tanto levantando (abriendo) la válvula principal de su asiento.
Figura 5. Válvula de seguridad asistida por piloto
Válvulas de seguridad equilibradas
Las válvulas de seguridad equilibradas son aquellas en las que se consigue equilibrar el efecto de la contrapresión mediante un fuelle o pistón según se describe en los siguientes tipos:
Figura 6. Válvula de seguridad equilibrada de fuelle (Imperial Chemical Industries (I.C.I.)).
Válvula de seguridad equilibrada o compensada de fuelle. (Ver figura 6). Este tipo de válvula incorpora un cierre con fuelle lo cual evita que la descarga de fluido entre en el espacio del sombrerete. El fuelle tiene un área efectiva igual al área del asiento de la válvula por lo cual el efecto de la contrapresión sobre la presión de tarado queda eliminado. Están diseñadas para que se igualen las fuerzas ocasionadas por la contrapresión a ambos lados del disco de cierre de la válvula. El equilibrio de fuerzas se puede ver esquemáticamente en la figura 8, adoptando la simbología anterior y siendo
AB = Área del fuelle
Estableciendo el equilibrio de fuerzas
P1AN + P2(AD - AN) = FS + P2(AD - AB)
Como AB = AN se tiene
P1AN = FS P1 = FS /AN
La contrapresión P2 no influye en la presión de disparo P1 .
El sombrerete tiene un orificio en comunicación con la atmósfera, el cual no debe taponarse ya que en ese caso alteraría la presión de tarado, debido al aumento de la presión en el interior del sombrerete durante la ascensión del vástago, por lo cual la válvula no funcionaría como válvula de seguridad equilibrada. El fuelle también tiene un venteo para no acumular presión en su interior.
Estas válvulas se recomiendan para servicio con productos corrosivos, que lleven suciedad o que den lugar a incrustaciones.
En el caso de fallo o avería del fuelle, el fluido puede entrar en el espacio del sombrerete y escapar por el orificio de venteo. Es esencial que se detecte cualquier escape a través del orificio del sombrerete ya que afectaría a la presión de tarado de la válvula. Si no se puede aceptar tal fallo, en especial si es súbito, se debe utilizar una válvula de seguridad equilibrada de pistón o de fuelle con pistón auxiliar.
Válvula de seguridad equilibrada o compensada de pistón. (Ver figura 7). Es una válvula de seguridad que incorpora un pistón entre el disco de la válvula y el resorte.
El pistón tiene un área efectiva igual al área del asiento de la válvula de forma que queda eliminado el efecto de la contrapresión sobre la presión de tarado de la misma manera que en la válvula anterior. El equilibrio de fuerzas (Ver fig. 8) daría:
P1AN + P2(AD - AN) = FS + P2 (AD - AP)
Siendo AP = Área del pistón; como AP = AN se tiene
P1AN = FS P1 = FS/AN
Igual que en la válvula compensada de fuelle la presión de disparo P1 no depende de la contrapresión P2 o dicho de otra forma, la fuerza de apertura (presión de disparo x área de la superficie de contacto del disco con el recipiente) es igual a la fuerza del resorte y sin dependencia de la contrapresión P2 .
Figura 8. Efecto de la contrapresión sobre la presión de disparo para válvulas de seguridad compensadas
La contrapresión no afecta a la presión de disparo
Estas válvulas tienen las siguientes características:
• La cara superior del pistón tiene igual área que el asiento de la boquilla (superficie de contacto con el fluido del recipiente).
• La guía del pistón está venteada de forma que se equilibran las contrapresiones en las caras opuestas del disco.
• El sombrerete debe estar venteado a un lugar seguro a presión atmosférica para operar con productos peligrosos, ya que con este tipo de válvula es inevitable un flujo reducido continuo que pasa desde el pistón al sombrerete.
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