Artículo publicado por Roger Bours, director de Ventas en Fike Europe Pressure Relieve; Xavier Used, responsible de Discos de Ruptura en Fike Ibérica; y Diego Lecuona, ingeniero comercial de Fike en la delegación Madrid-Centro10/10/2013
Las soluciones de alivio de presión son comunes en muchos procesos de la industria para asegurar que las inversiones están protegidas y que se crea un ambiente de trabajo seguro. En este artículo, Fike, especialista desde hace más de 60 años en el suministro de soluciones de seguridad comercial e industrial, profundiza en este campo de trabajo.
1. Control de presión vs alivio de presión
Desde los primeros días de la Revolución Industrial, los procesos industriales que trabajan en condiciones distintas de las presiones atmosféricas (tanto sobrepresión como vacío), normalmente requerirán (obligatorio), medidas para asegurar una operación segura. Las legislaciones nacionales internacionales se desarrollan para asegurar que los niveles de seguridad requeridos no se incumplen y que el medio ambiente y las inversiones son seguros.
Como primera línea de defensa, se suelen utilizar sistemas de control de presión. Estos sistemas de seguimiento vigilan la evolución de la presión en los equipos de proceso e interactúan en tiempo real con el sistema de control, para limitar la presión a un nivel aceptable. Los dispositivos de control y/o supervisión, que no son una parte necesaria de un sistema de seguridad, son por lo general excluidos de los estándares de diseño de seguridad, ya que se suelen incluir en un sistema de seguridad avanzado. También puede incluir otras actividades relacionadas con el proceso, pero que no siempre pueden ser considerados como sistemas de seguridad dedicados. La fiabilidad de estos sistemas de control de presión depende de la información recibida de los dispositivos de instrumentación y requiere de un análisis extenso y válido, basado en la probabilidad de fallo en demanda ‘PFD’ (Probability Fail on Demand) o el nivel intrínseco de seguridad (Safety Integrity Level/SIL). Como en la mayoría de los casos, los sistemas de control de presión no pueden asegurar el nivel necesario de fiabilidad en todas las condiciones de servicio, el uso de (como última línea de defensa) sistemas de alivio de presión se requiere a menudo. En los casos en los que los sistemas de control de presión no son capaces de alcanzar los niveles de seguridad de presión requeridos, estos dispositivos de protección dedicados salvaguardan la instalación cuando se alcanza el umbral de presión crítica. La Figura 1 ilustra la correlación entre los sistemas de control de presión, vigilancia y alivio de presión.
Es esencial tener en cuenta no sólo el dispositivo de alivio de presión, sino todo el sistema de alivio de presión completo, con el fin de no reducir la capacidad de alivio o afectar negativamente al correcto funcionamiento de todos los dispositivos del sistema de alivio de presión. Los problemas de funcionamiento -donde se han observado- dentro de los sistemas de alivio de presión, suelen ocurrir por la incorrecta selección del dispositivo a utilizar o por el manejo erróneo, instalación incorrecta o falta de mantenimiento.
La evaluación de los riesgos y la determinación de todos los escenarios que puedan dañar los equipos por presiones peligrosas o condiciones severas, deben de ser evaluados con la atención suficiente y con un conocimiento extenso en la gestión del proceso. Un grupo multidisciplinar puede ser necesario para recopilar la información necesaria.
Para lograr la seguridad necesaria contra riesgos de presión, la industria ha estado utilizando los dispositivos de alivio de presión. Tales dispositivos se categorizan en dos tipos, los que se vuelven a cerrar después de la apertura y los que no lo hacen. Ambos ofrecen características únicas que los hacen una selección viable para el ingeniero de diseño.
Este artículo se centra únicamente en los dispositivos de alivio de presión.
Figura 1. Relación entre sistemas de control y sistemas de seguridad.
La industria tradicionalmente ha trabajado con válvulas de seguridad de presión (vuelven a cerrar después de aliviar la presión) o con discos de ruptura (que no vuelven a cerrar una vez abierto) para conseguir una acción de alivio de presión.
Ambos tipos son aceptados como dispositivos de alivio primarios independientes, para proteger la instalación contra aumentos de presión inadmisibles.
Los dispositivos de alivio de presión con cierre después del alivio de presión (reclosing devices), comúnmente conocidas como válvulas de seguridad de alivio SRV (safety relief valves) o válvulas de alivio RV (relief valves), están diseñadas para proporcionar una apertura a una presión determinada. Esto permite evacuar el exceso de presión, hasta que vuelve a un nivel de presión aceptable y se vuelve a cerrar la válvula.
Estas válvulas SRV o RV se accionan mediante un sistema de muelle u operación pilotada.
Para proteger instalaciones contra presiones de vacío, se puede considerar el uso de válvulas de alivio de vacío (VRV). Una vez más, estos dispositivos se abrirán y permitirán restablecer la presión atmosférica, al alcanzar la depresión de tarado.
Los discos de ruptura se prefieren a menudo para lograr un alivio de presión instantáneo y sin restricciones (tanto sobrepresión como vacío). Consiste en una membrana calibrada (metálica o de grafito) que rompe cuando se llega a la presión establecida. Una vez se ha abierto la membrana, permanece abierta, por lo que la instalación descarga la presión completamente.
Las principales propiedades de estos dispositivos fundamentales de protección se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Los discos de ruptura vs válvulas de seguridad.
Dependiendo del equipo a proteger, y los requisitos del sistema de seguridad, los discos de ruptura y las válvulas de seguridad, son complementarios y ambos ofrecen ventajas e inconvenientes únicos. La elección debe ser determinada por el ingeniero de diseño o usuario, dependiendo de las necesidades específicas de cada aplicación.
3. Combinación de RD y RV (discos de ruptura y válvulas de seguridad)
A menudo, usar discos de ruptura en combinación con válvulas de seguridad es la mejor solución. Dicha combinación puede ser realizada en serie o en paralelo, ofreciendo al usuario una combinación de características que “une lo mejor de cada mundo”. El ingeniero de diseño o responsable de seguridad debe considerar cuidadosamente qué combinación proporciona las características específicas.
Figura 2. Combinaciones típicas RD y RV.
Caso 1: Disco de ruptura en paralelo con válvula de seguridad
Cuando se instala en paralelo, el objetivo principal de la válvula de seguridad es que controle la sobrepresión de proceso, moderar la presión hasta que se considere aceptable y permitir que el proceso continúe. Si el exceso de presión no puede ser controlado por la válvula (debido a mal funcionamiento, bloqueo o de excesiva generación de presión), la presión puede continuar aumentando hasta que alcanza la presión más elevada con la que se ha tarado el disco de ruptura. Tras la activación del disco de ruptura, éste proporciona un alivio adicional o de back-up para la sobrepresión, lo que lleva al sistema a una situación segura.
Al utilizar los discos de ruptura y válvulas de seguridad en paralelo, es necesario introducir un margen de presión para evitar la apertura prematura del disco de ruptura. Esto requiere que el punto donde se fija la presión de apertura de la válvula de seguridad, esté por debajo del rango de presión de rotura del disco de ruptura, con un margen adecuado. Los requisitos legales para la limitación de la presión y la determinación del tamaño van desde:
• El dimensionamiento de los dispositivos de alivio secundarios (disco de ruptura) será tal que la presión no exceda del 116% de la presión de diseño del equipo (ASME Sección VIII División 1, § UG-125 (c) (1)), hasta
• La sobrepresión máxima no deberá exceder del 110% de la presión de diseño del equipo (Directiva Europea para Equipos a Presión 93/23/EC; EN 764-7 § 6.1.4).
Caso 2: Disco de ruptura en serie con válvula de seguridad
Los discos de ruptura pueden ser también instalados aguas arriba o aguas debajo de la válvula. Cada geometría ofrece sus beneficios particulares al usuario.
A. Disco de ruptura aguas arriba de la válvula de seguridad
La utilización de discos de ruptura aguas arriba de la válvula es una práctica común para conseguir uno o más de los siguientes puntos:
1. Prevenir la obstrucción de la válvula
2. Evitar la corrosión de las partes internas de la válvula
3. Prevenir fugas a través de la válvula
4. Permitir pruebas in situ de la válvula
Prevenir la obstrucción o desgomado (gumming) de la válvula
A través del uso de discos de ruptura adecuadamente seleccionados y diseñados, puede evitarse la acumulación de producto o polimerización. La mayoría de las válvulas de seguridad son, debido a su geometría de entrada, no adecuadas para su uso en ambientes que puedan crear capas de producto (lo que derivaría en un incremento de la presión de apertura o incluso la incapacidad de apertura de la válvula). El uso de un disco de ruptura aguas arriba reduce la necesidad de la inspección periódica, de mantenimiento o de limpieza (aumento de la productividad) y la fiabilidad de la seguridad.
Prevenir la corrosión de los interiores de la válvula
Cuando el fluido del proceso requiere de materiales resistentes a la corrosión específicos, pueden reducirse las opciones de la válvula y/o tener un impacto sustancial en el precio y plazo de entrega de la misma y de los posteriores repuestos.
Mediante la instalación de un disco de ruptura fabricado con una aleación resistente aguas arriba de la válvula, ésta queda aislada físicamente del proceso. La exposición a los medios de proceso se limita a un único caso: una sobrepresión. Después de esto el disco de ruptura debe ser sustituido y la válvula debe ser limpiada/cambiada. Hasta que se produzca este evento de emergencia, la válvula se mantiene en condiciones óptimas, sin verse afectada por el proceso.
Esto permite el uso de válvulas de alivio y repuestos ‘estándar' lo que deriva en ahorros sustanciales en la inversión y repuestos iniciales, una gama más amplia de posibles proveedores de válvulas de seguridad y tiempos de entrega más cortos.
Prevenir fugas a través de la válvula
La mayoría de las válvulas accionadas por resorte basan la estanquidad en las superficies de sellado metal-metal y la carga aplicada con dicho resorte. Esto inevitablemente da como resultado alguna fuga que aumenta a medida que la presión de operación se acerca a la presión de tarado de la válvula.
Las tasas de fuga de la válvula se regulan con estándares de la industria y las tasas de fuga aceptables se definen (API 576). Cuando dichas tasas de fuga son inaceptables (por ejemplo, por motivos/restricciones en el medio ambiente, naturaleza tóxica de productos o para evitar la pérdida de valor durante el proceso) el usuario puede elegir válvulas con asiento blando o válvulas pilotadas. Ambas opciones requieren mayores inversiones y aun así pueden tener restricciones, como la disponibilidad del material adecuado de la junta tórica para mantener las prestaciones al ser expuesta al proceso, las fugas de la válvula pilotada, la corrosión, taponamiento, polimerización, etc. Por concepto, los discos de ruptura ofrecen menores ratios de fuga y existen modelos que pueden considerarse libres de fuga. La instalación de discos de ruptura aguas arriba de la válvula elimina las emisiones de una manera sencilla y rentable.
Permite realizar pruebas in-situ en la válvula
El uso de las válvulas para proteger instalaciones está vinculado a la necesidad de calibraciones periódicas de estos dispositivos de seguridad. Dependiendo de los requisitos legales locales, la calibración, puede ser necesaria anualmente. Dado que es necesario parar el proceso y extraer la válvula de alivio de los equipos de proceso para realizar estas pruebas de calibración -a menudo hay que hacerlo en un instituto de prueba especial o centros de servicio cualificados- pueden surgir importantes costes económicos, por lo que se intenta ampliar al máximo estos intervalos entre calibraciones. Dichas ampliaciones pueden ser autorizadas por las autoridades de supervisión competentes, siempre que el usuario proporcione pruebas de que la presión de ajuste de la válvula no ha sido afectada durante este intervalo. Esto se puede lograr mediante el análisis regular de la válvula in situ, por ejemplo, sin necesidad de desmontar la válvula de la instalación y verificando el funcionamiento normal de ésta. Mediante la instalación de un disco de ruptura aguas arriba de la válvula se crea un volumen pequeño que permite la introducción controlada de presión entre el disco de ruptura y la entrada de la válvula.
Esta presión (posiblemente en combinación con una ‘fuerza de tracción’ especial de test y un equipo de medición aplicado al vástago de la válvula para superar la fuerza del muelle y mantener la válvula cerrada) puede ser medida y registrada como una evidencia del correcto funcionamiento de la válvula (aceptable como prueba). El coste relativo de la implantación del disco de ruptura es generalmente mucho menor que la pérdida de producción y la necesidad de retirar y volver a montar la válvula.
Cuando se baraja la opción de implantar un disco aguas arriba de la válvula hay que tener en cuenta lo siguiente:
• El disco de ruptura no puede interferir con la operación de la válvula.
• No está permitida la fragmentación del disco, lo cual podría llevar a obstruir el orificio de la válvula o hacer que no pueda ser capaz de volver a cerrar.
• Se necesita una distancia suficiente para que el disco pueda abrir sin bloquear la boquilla de la válvula. Puede ser necesario una atención especial: por ejemplo, al abrir un único pétalo del disco de ruptura, podría llegar más allá del soporte y llegar a la zona de entrada de la válvula.
• Para asegurar el correcto funcionamiento de la válvula de alivio, el disco de ruptura debe de especificarse conjuntamente con la válvula. Hay que asegurar que la caída de presión durante el flujo en la entrada de la válvula no supera el 3%. En la mayoría de los casos esto restringe la distancia entre el disco de ruptura y la entrada de la válvula a una distancia máxima de 5 diámetros de tubería. Esta situación se logra a menudo mediante la instalación del disco de ruptura directamente aguas arriba de la válvula. Las distancias más largas entre el disco de ruptura y la válvula - por ejemplo, mediante la introducción de secciones de tubo o espaciadores - puede dar lugar a la creación de ondas de presión de reflexión, después de la apertura del disco de ruptura. Este fenómeno puede dar como resultado no deseado el re-cierre del disco de ruptura o incluso fragmentación y debe ser evitado.
Dado que el disco de ruptura, al igual que la válvula, es un dispositivo que reacciona a la presión diferencial entre el lado de aguas arriba y aguas abajo, deben tomarse todas las medidas posibles para evitar que cualquier aumento de presión inadvertida que se produzca en la cavidad entre el disco y la entrada de la válvula. La mayoría de los estándares de la industria y las legislaciones relacionadas con presiones, requieren que la presión en la cavidad esté bien controlada y/o ventilada a la atmósfera. Esto se consigue habitualmente mediante el uso de un conjunto que consiste en manómetro o indicador y un venteo libre. Hay que tener en cuenta:
• Si el espacio está cerrado, un medidor de presión por sí solo no es suficiente. Este enfoque se basa en que el personal de planta compruebe periódicamente cada manómetro para asegurarse de que no ha habido una acumulación de presión. De ser así, podría ocasionar una situación de inseguridad durante horas, días o incluso semanas cada vez.
• Un método más apropiado es un interruptor de presión o transmisor que proporcione una alarma en la sala de control.
• Un medidor de presión junto con su interruptor o transmisor es a menudo la mejor opción, no sólo para la sala de control, sino también para el personal de mantenimiento, quienes tendrán también constancia de una presión elevada antes de romper las bridas de la tubería.
• En algunos casos no se ventea. En otros se llevará a cabo un venteo a la atmósfera, a un depósito o a un colector de recuperación. Es común en estos casos utilizar una válvula de exceso de flujo (un tipo de válvula de retención) en la línea de venteo. En condiciones de flujo muy bajas, como en el caso de la expansión térmica del aire atrapado, la válvula de retención permite que el fluido se ventee. Cuando el disco se rompe, la válvula de exceso de flujo se cierra para evitar la pérdida de fluido a través de la rejilla de ventilación.
• El uso de indicadores de ruptura (rotura de filamento), por sí solos no se consideran adecuados a menos que sean capaces de detectar las fugas a través del disco de ruptura.
• Ninguna configuración es ideal para todas estas aplicaciones. La posible corrosión o toxicidad de los fluidos es a menudo lo que determina cómo controlar y ventear.
Cuando se instalan discos de ruptura aguas arriba (en la entrada) de las válvulas de alivio, el tamaño del disco debería tener al menos el mismo tamaño nominal de la entrada de la válvula. Además, la capacidad de alivio nominal de la válvula de seguridad, según lo indicado por el fabricante de la válvula, debe reducirse en un 10% o alternativamente reducirlo al valor de la capacidad combinación certificado (donde esa combinación específica ha sido probada y certificada por un organismo acreditado). Ver Tabla 2.
La presión de apertura del disco de ruptura debe ser fijada de conformidad con los estándares legislativos y guías:
• ASME VIII Division 1 UG-127 dice: “…deriva en la apertura de la válvula y coincide con la ruptura del disco.” Para el test de capacidad de combinación, ASME UG-132(a)(4)(a) dice: “La presión de disparo marcada debe estar entre el 90% y el 100% de la presión de disparo de la válvula”.
• API RP520 párrafo 2.3.2.2.2 dice: “…la presión de disparo especificada y la presión ajustada deben tener el mismo valor nominal”.
• En ISO4126-3 párrafo 7.2: “El límite máximo de presión de disparo… no debe exceder del 110% de la… presión de ajuste o una presión manométrica de 0,1 bar” y “El límite mínimo no debe ser menor del 90% de la presión de ajuste”.
Aunque todas las características son ligeramente diferentes, hay una guía básica que siempre es la misma: mantener la presión de disparo específica del disco de ruptura y la presión de la válvula con el mismo valor nominal (ignorando las tolerancias). Esto cumple con el propósito de cada una de las normas y es relativamente fácil de implementar.
Puede haber casos especiales en los que es deseable mantener estas presiones significativamente diferentes; en estos casos, el usuario debe evaluar cuidadosamente tanto en el disco de ruptura, como en la válvula de alivio para asegurar que no hay efectos adversos sobre el rendimiento conjunto.
Dimensionado y marcado
El proceso de dimensionado para una válvula es exactamente el mismo que para un conjunto válvula – disco de ruptura, salvo por la aparición del factor de combinación (CCF). Este factor representa el ratio de la capacidad de combinar vs la capacidad de colocar la válvula de manera autónoma.
CCF = Capacidad de combinación / Capacidad de la válvula. El CCF para la mayoría de los casos (de acuerdo con EN/ISO 4126-3) es 0,90 (es decir, la combinación tiene una capacidad por defecto del 90% frente a la capacidad nominal de la válvula, si no conocemos nada más de la capacidad actual). En ISO 4126-3 se añade que, para el uso del CCF por defecto, se requiere que los pétalos del disco de ruptura permanezcan en el soporte después de la ruptura. En caso contrario, se deberá utilizar un valor probado o certificado.
Los valores mayores de 0,90 pueden ser utilizados en ciertos casos, siempre y cuando se hayan realizado pruebas específicas con una combinación de válvula – disco de ruptura. Normalmente se refiere como factor de capacidad de combinación certificado (CCCF).
Los métodos para establecer un valor CCCF varían según el código aplicable y están resumidos como sigue:
ASME
• El test debe ser realizado por un laboratorio autorizado y los resultados deben de quedar registrados en el National Board of Boiler and Presseure Vessel Inspectors.
• Se requiere una prueba de sólo un tamaño para establecer un CCCF para una gama completa de tamaños.
• Las pruebas llevadas a cabo con el tamaño más pequeño y la presión mínima correspondiente, cubre todas las presiones más altas en ese tamaño y todos los tamaños mayores.
En ISO 4126-3
• No hay requisitos de un organismo o laboratorio
• El método de un tamaño y de tres tamaños es aceptado
• El método de un tamaño es aplicable a todas las combinaciones del mismo tamaño y diseño de discos de ruptura y válvulas sometidas a presiones igual o por debajo del test
• El método de tres tamaños es aplicable a todas las combinaciones con el mismo diseño de discos de ruptura y válvulas, en todos los tamaños iguales o mayores que el más pequeño de los tamaños testeados y con presiones iguales o mayores que la mínima para esa medida.
Ambos, ASME y EN/ISO, tienen sus propios requisitos para el marcado de la placa de características para reflejar la capacidad (o el factor combinado de capacidad) de la combinación, modelo y nombre da ambos fabricantes –Disco y Válvula. Aunque estos requisitos son para ambos ASME y EN/ISO, rara vez se suministra dicha información, ya que lo más común es comprar ambos componente por separado a cada uno de los fabricantes sin tener constancia el uno del otro.
B. Disco de ruptura aguas abajo de la válvula de seguridad
La razón principal para utilizar los discos de ruptura aguas abajo son:
• Prevenir la corrosión de las válvulas
• Prevenir la incrustación/taponamiento en la válvula
• Prevenir la contrapresión variable que afecta a la válvula
• Detectar fugas en la válvula de alivio
Evitar la incrustación / taponamiento de la válvula de alivio: Cuando los sistemas de alivio de presión ventean a un colector común, existe el riesgo de que el material pueda entrar en el lado de venteo de las válvulas de seguridad instaladas. Cuando dichos medios de venteo producen corrosión o polimerización, el lado externo del mecanismo de válvula de alivio puede verse afectado, y como resultado puede no funcionar correctamente cuando sea necesario. Mediante la instalación de un disco de ruptura con las propiedades adecuadas, aguas abajo de la válvula de alivio, el fluido queda aislado de la válvula, por lo tanto, evita dichos efectos y aumenta la fiabilidad del sistema de seguridad y la reducción de la necesidad de las inspecciones y mantenimiento. Para asegurarse que el disco de ruptura no impide el correcto funcionamiento de la válvula, la presión de apertura el mismo debe ser lo más baja posible, mientras que el área de flujo neto mínimo previsto del disco de ruptura debe ser por lo menos tan grande como el área de alivio de la salida de la válvula.
Evitar la corrosión de las partes internas de la válvula: Para evitar la corrosión y la necesidad de inspección, mantenimiento y reparación de la válvula, se puede considerar el uso de un disco de ruptura aguas abajo. La presión de ajuste de este disco de ruptura debe ser lo suficientemente baja como para no afectar el correcto funcionamiento de la válvula de alivio aguas arriba.
Prevenir la contrapresión que afecta al rendimiento de la válvula: Cuando la contrapresión puede estar presente, deben tenerse en cuenta los efectos que ésta tiene sobre el rendimiento de la válvula de alivio. Esto puede hacerse mediante la selección de distintas características de la válvula de alivio, tales como fuelles metálicos equilibrados o utilizando válvulas pilotadas. Esta selección tendrá un impacto económico y da lugar a la necesidad de piezas de repuesto adicionales y/o mantenimiento. Como alternativa, el uso de discos de ruptura instalados aguas abajo, en la salida de la válvula de alivio, evita que la válvula quede expuesta a la contrapresión.
Detectar fugas o la activación de la válvula de alivio: Mediante la detección de la ruptura del disco aguas abajo -a menudo realizado por medio de indicadores de ruptura utilizados como una parte integral del disco de ruptura - los operadores de la planta pueden obtener la información necesaria para saber que algo ocurre y que puede producirse el venteo. Cuando se controla el espacio entre la salida de la válvula y el disco de ruptura, se puede detectar la fuga en la válvula a tiempo y evitar así las emisiones.
El uso de discos de ruptura aguas abajo de la válvula de alivio es relativamente desconocida, pero ofrece muchos beneficios y posibilidades para la planta. El uso de esta combinación tiene que cumplir con los siguientes requisitos de tamaño y presión de tarado:
1. El área mínima de flujo neta del disco de ruptura instalado en la salida de la válvula debe ser igual o mayor que el área de alivio de salida de la válvula.
2. La presión de rotura del disco tiene que ser tan baja como sea posible, para reducir cualquier efecto sobre el rendimiento de la válvula de alivio.
3. Donde sea aplicable, el disco de ruptura seleccionado tiene que ser capaz de soportar las contrapresiones que se esperan del sistema de tratamiento de efluentes.
4. La apertura del disco de ruptura no obstaculizará la apertura de la válvula o dificultará su rendimiento.
5. El diseño del sistema tendrá en cuenta los efectos adversos de cualquier fuga a través de la válvula de alivio o a través del disco de ruptura, para garantizar su rendimiento y fiabilidad.
6. La válvula de seguridad no puede dejar de abrirse a la presión de apertura prevista, independientemente de cualquier contrapresión que pueda acumularse entre la salida de la válvula y el disco de ruptura. El espacio entre la salida de la válvula y el disco de ruptura debe ser venteado, drenado o se proveerán los medios adecuados para garantizar que una acumulación de presión no afectará el correcto funcionamiento de la válvula. El venteo, el control de la presión y la selección de disco para bajas presiones de ruptura, se utilizan comúnmente para cumplir estos requisitos.
7. La tapa de una válvula de tipo de fuelle equilibrado debe ser venteado para evitar la acumulación de presión, ya que afecta a la presión de tarado de la válvula.
• Un método más apropiado es un interruptor de presión o transmisor que proporcione una alarma en la sala de control.
• Un medidor de presión junto con su interruptor o transmisor es a menudo la mejor opción, no sólo para la sala de control, sino también para el personal de mantenimiento, quienes tendrán también constancia de una presión elevada antes de romper las bridas de la tubería.
• En algunos casos no se ventea. En otros se llevará a cabo un venteo a la atmósfera, a un depósito o a un colector de recuperación. Es común en estos casos utilizar una válvula de exceso de flujo (un tipo de válvula de retención) en la línea de venteo. En condiciones de flujo muy bajas, como en el caso de la expansión térmica del aire atrapado, la válvula de retención permite que el fluido se ventee. Cuando el disco se rompe, la válvula de exceso de flujo se cierra para evitar la pérdida de fluido a través de la rejilla de ventilación.
• El uso de indicadores de ruptura (rotura de filamento), por sí solos no se consideran adecuados a menos que sean capaces de detectar las fugas a través del disco de ruptura.
• Ninguna configuración es ideal para todas estas aplicaciones. La posible corrosión o toxicidad de los fluidos es a menudo lo que determina cómo controlar y ventear.
Cuando se instalan discos de ruptura aguas arriba (en la entrada) de las válvulas de alivio, el tamaño del disco debería tener al menos el mismo tamaño nominal de la entrada de la válvula. Además, la capacidad de alivio nominal de la válvula de seguridad, según lo indicado por el fabricante de la válvula, debe reducirse en un 10% o alternativamente reducirlo al valor de la capacidad combinación certificado (donde esa combinación específica ha sido probada y certificada por un organismo acreditado). Ver Tabla 2.
Tabla 2. Certified Combination Capacity Values de los discos de ruptura de Fike.
La presión de apertura del disco de ruptura debe ser fijada de conformidad con los estándares legislativos y guías:
• ASME VIII Division 1 UG-127 dice: “…deriva en la apertura de la válvula y coincide con la ruptura del disco.” Para el test de capacidad de combinación, ASME UG-132(a)(4)(a) dice: “La presión de disparo marcada debe estar entre el 90% y el 100% de la presión de disparo de la válvula”.
• API RP520 párrafo 2.3.2.2.2 dice: “…la presión de disparo especificada y la presión ajustada deben tener el mismo valor nominal”.
• En ISO4126-3 párrafo 7.2: “El límite máximo de presión de disparo… no debe exceder del 110% de la… presión de ajuste o una presión manométrica de 0,1 bar” y “El límite mínimo no debe ser menor del 90% de la presión de ajuste”.
Aunque todas las características son ligeramente diferentes, hay una guía básica que siempre es la misma: mantener la presión de disparo específica del disco de ruptura y la presión de la válvula con el mismo valor nominal (ignorando las tolerancias). Esto cumple con el propósito de cada una de las normas y es relativamente fácil de implementar.
Puede haber casos especiales en los que es deseable mantener estas presiones significativamente diferentes; en estos casos, el usuario debe evaluar cuidadosamente tanto en el disco de ruptura, como en la válvula de alivio para asegurar que no hay efectos adversos sobre el rendimiento conjunto.
Dimensionado y marcado
El proceso de dimensionado para una válvula es exactamente el mismo que para un conjunto válvula – disco de ruptura, salvo por la aparición del factor de combinación (CCF). Este factor representa el ratio de la capacidad de combinar vs la capacidad de colocar la válvula de manera autónoma.
CCF = Capacidad de combinación / Capacidad de la válvula. El CCF para la mayoría de los casos (de acuerdo con EN/ISO 4126-3) es 0,90 (es decir, la combinación tiene una capacidad por defecto del 90% frente a la capacidad nominal de la válvula, si no conocemos nada más de la capacidad actual). En ISO 4126-3 se añade que, para el uso del CCF por defecto, se requiere que los pétalos del disco de ruptura permanezcan en el soporte después de la ruptura. En caso contrario, se deberá utilizar un valor probado o certificado.
Los valores mayores de 0,90 pueden ser utilizados en ciertos casos, siempre y cuando se hayan realizado pruebas específicas con una combinación de válvula – disco de ruptura. Normalmente se refiere como factor de capacidad de combinación certificado (CCCF).
Los métodos para establecer un valor CCCF varían según el código aplicable y están resumidos como sigue:
ASME
• El test debe ser realizado por un laboratorio autorizado y los resultados deben de quedar registrados en el National Board of Boiler and Presseure Vessel Inspectors.
• Se requiere una prueba de sólo un tamaño para establecer un CCCF para una gama completa de tamaños.
• Las pruebas llevadas a cabo con el tamaño más pequeño y la presión mínima correspondiente, cubre todas las presiones más altas en ese tamaño y todos los tamaños mayores.
En ISO 4126-3
• No hay requisitos de un organismo o laboratorio
• El método de un tamaño y de tres tamaños es aceptado
• El método de un tamaño es aplicable a todas las combinaciones del mismo tamaño y diseño de discos de ruptura y válvulas sometidas a presiones igual o por debajo del test
• El método de tres tamaños es aplicable a todas las combinaciones con el mismo diseño de discos de ruptura y válvulas, en todos los tamaños iguales o mayores que el más pequeño de los tamaños testeados y con presiones iguales o mayores que la mínima para esa medida.
Ambos, ASME y EN/ISO, tienen sus propios requisitos para el marcado de la placa de características para reflejar la capacidad (o el factor combinado de capacidad) de la combinación, modelo y nombre da ambos fabricantes –Disco y Válvula. Aunque estos requisitos son para ambos ASME y EN/ISO, rara vez se suministra dicha información, ya que lo más común es comprar ambos componente por separado a cada uno de los fabricantes sin tener constancia el uno del otro.
B. Disco de ruptura aguas abajo de la válvula de seguridad
La razón principal para utilizar los discos de ruptura aguas abajo son:
• Prevenir la corrosión de las válvulas
• Prevenir la incrustación/taponamiento en la válvula
• Prevenir la contrapresión variable que afecta a la válvula
• Detectar fugas en la válvula de alivio
Figura 3. Disco de ruptura en la salida de la válvula.
Evitar la corrosión de las partes internas de la válvula: Para evitar la corrosión y la necesidad de inspección, mantenimiento y reparación de la válvula, se puede considerar el uso de un disco de ruptura aguas abajo. La presión de ajuste de este disco de ruptura debe ser lo suficientemente baja como para no afectar el correcto funcionamiento de la válvula de alivio aguas arriba.
Prevenir la contrapresión que afecta al rendimiento de la válvula: Cuando la contrapresión puede estar presente, deben tenerse en cuenta los efectos que ésta tiene sobre el rendimiento de la válvula de alivio. Esto puede hacerse mediante la selección de distintas características de la válvula de alivio, tales como fuelles metálicos equilibrados o utilizando válvulas pilotadas. Esta selección tendrá un impacto económico y da lugar a la necesidad de piezas de repuesto adicionales y/o mantenimiento. Como alternativa, el uso de discos de ruptura instalados aguas abajo, en la salida de la válvula de alivio, evita que la válvula quede expuesta a la contrapresión.
Detectar fugas o la activación de la válvula de alivio: Mediante la detección de la ruptura del disco aguas abajo -a menudo realizado por medio de indicadores de ruptura utilizados como una parte integral del disco de ruptura - los operadores de la planta pueden obtener la información necesaria para saber que algo ocurre y que puede producirse el venteo. Cuando se controla el espacio entre la salida de la válvula y el disco de ruptura, se puede detectar la fuga en la válvula a tiempo y evitar así las emisiones.
El uso de discos de ruptura aguas abajo de la válvula de alivio es relativamente desconocida, pero ofrece muchos beneficios y posibilidades para la planta. El uso de esta combinación tiene que cumplir con los siguientes requisitos de tamaño y presión de tarado:
1. El área mínima de flujo neta del disco de ruptura instalado en la salida de la válvula debe ser igual o mayor que el área de alivio de salida de la válvula.
2. La presión de rotura del disco tiene que ser tan baja como sea posible, para reducir cualquier efecto sobre el rendimiento de la válvula de alivio.
3. Donde sea aplicable, el disco de ruptura seleccionado tiene que ser capaz de soportar las contrapresiones que se esperan del sistema de tratamiento de efluentes.
4. La apertura del disco de ruptura no obstaculizará la apertura de la válvula o dificultará su rendimiento.
5. El diseño del sistema tendrá en cuenta los efectos adversos de cualquier fuga a través de la válvula de alivio o a través del disco de ruptura, para garantizar su rendimiento y fiabilidad.
6. La válvula de seguridad no puede dejar de abrirse a la presión de apertura prevista, independientemente de cualquier contrapresión que pueda acumularse entre la salida de la válvula y el disco de ruptura. El espacio entre la salida de la válvula y el disco de ruptura debe ser venteado, drenado o se proveerán los medios adecuados para garantizar que una acumulación de presión no afectará el correcto funcionamiento de la válvula. El venteo, el control de la presión y la selección de disco para bajas presiones de ruptura, se utilizan comúnmente para cumplir estos requisitos.
7. La tapa de una válvula de tipo de fuelle equilibrado debe ser venteado para evitar la acumulación de presión, ya que afecta a la presión de tarado de la válvula.
ASME Sección VIII, División 1 vs en ISO 4126-3. Comparación y contraste de varios requisitos entre los dos estándares más importantes. Los requisitos API RP520 están tomados directamente de la sección ASME VIII, División 1.
Conclusiones
Las soluciones de alivio de presión son comunes en muchos procesos de la industria para asegurar que las inversiones están protegidas y que se crea un ambiente de trabajo seguro. Los dispositivos más utilizados para ofrecer seguridad en las presiones se seleccionan en base a unas necesidades específicas, dependiendo de la aplicación. Las válvulas de seguridad y discos de ruptura normalmente se especifican, cada uno con sus características y consideraciones y proporcionan al diseñador varias soluciones viables para su sistema.
El uso de discos de ruptura en combinación con las válvulas de alivio, se puede llevar a cabo con diferentes geometrías y combinaciones. Estas configuraciones ofrecen muchos beneficios para el usuario; reducción de costes ambientales, control de emisiones, aumenta los niveles de seguridad/fiabilidad y un mejor desempeño de los sistemas de seguridad de la planta. Los diseñadores de sistemas de proceso deben evaluar los efectos individuales y hacer una selección de qué geometría funciona mejor para cada necesidad. Los estándares de la industria y la legislación aseguran que las soluciones de seguridad se utilizan con eficacia. En la mayoría de las aplicaciones, la solución combinada de discos de ruptura y válvulas de seguridad, ofrece aún más valor y beneficios.
Cuando son necesarios especialistas de alivio de presión, estos están disponibles para ayudar a determinar el mejor camino a seguir.
FUENTE:
