Válvulas de alivio de presión Peligros potenciales A pesar de tomar recaudos de seguridad, siempre pueden ocurrir situaciones de riesgo: •Fallas en procesos •Errores humanos •Acontecimientos externos Éstas pueden a su vez provocar incrementos de presión por sobre los niveles de diseño, sobrepasando el límite de resistencia de los materiales. Dispositivos de seguridad Un dispositivo de alivio de presión está diseñado para proteger un recipiente o sistema presurizado durante un evento de sobrepresión, entendiendo por tal a cualquier condición que pueda causar un incremento de presión por sobre la presión de diseño o la máxima presión de trabajo permisible (MAWP). Existen códigos y estándares destinados a controlar el diseño y la aplicación de tales dispositivos. Sistema de alivio SE TRATA DE UN DISPOSITIVO DE ALIVIO Y CAÑERIAS QUE TRANSPORTAN EL EXCEDENTE CAUSANTE DE SOBREPRESIÓN. EL FLUIDO DEBE SER TRANSPORTADO A LUGAR SEGURO FUNCIÓN: SE DEBE ASEGURAR QUE LA PRESION DEL SISTEMA NO SUPERE LOS VALORES CONTEMPLADOS EN EL DISEÑO. Dónde colocar dispositivos de alivio? • Recipientes sometidos a presión • Secciones bloqueadas alojando líquido “frío” sometidas a calor • Impulsión bbas, descarga compresores, turbinas. • Recipientes encamisados • Donde así lo requieran códigos, normas o reglamentos Escenarios Situaciones que pueden provocar un incremento de presión: • Desequilibrios de flujo en un recipiente, causados por la apertura o cierre inadvertidos de válvulas • Falla de un sistema de enfriamiento que provoque la expansión de un fluido • Exposición a fuego directo • Falla de tubos en un intercambiador de calor • Reacciones exotérmicas inesperadas o fuera de control • Falla en el suministro eléctrico y/o de aire comprimido a sistemas de instrumentación de control • Variaciones de la temperatura ambiente • Picos de presión transitorios (golpe de ariete) ASME (American Society of Mechanical Engineers) Dispositivos de seguridad - Dispositivos de Alivio de Presión (seguridad por venteo). Permiten la continuidad del servicio. Se pierde producto. - Dispositivos de corte (seguridad por bloqueo). Inhabilitan el servicio. No se pierde producto. Dispositivos de Alivio de Presión - Diseñados para actuar en caso de emergencia ó funcionamiento anormal - Previenen el aumento de la presión por sobre un valor prefijado - Son actuados por presión estática - Pueden abrir por exceso de vacío Dispositivos de Alivio de Presión Tipos de Dispositivos - Válvula de Seguridad y Alivio (con recierre) Válvula de Alivio - incompresibles Válvula de Seguridad - compresibles Válvula de Seguridad y Alivio -Disco de ruptura (sin recierre) -Utilización en conjunto Dispositivos de Alivio de Presión Válvulas de Seguridad y Alivio -Válvulas a resorte -Convencionales -Balanceadas (minimizan efectos contrapresión) - Válvulas pilotadas Válvula de Seguridad y Alivio Características Generales - Dispositivo automático cargado con resorte - Abre por sobrepresión estática - Libera el exceso de fluido del sistema - Puede ser convencional ó balanceada - Bridadas o roscadas - Conexiones en ángulo - Diámetro Entrada < Salida - Orificios estandarizados Válvulas de seguridad y alivio bridadas API 520 - Aptas para servicio en líquidos, gases, y vapor - Tobera completa (“Full Nozzle”) de alto valor de descarga - Orificios desde “D” (0.11 p²) a “T” (26 p²) - Conexiones desde 1” x 2” hasta 8” x 10” y series 150# a 2500# Válvula de Seguridad y Alivio Características generales -Diseño y selección según Norma API 520 -Cálculo según API 520 -Cálculo según código ASME VIII-Recipientes a presión ASME I - Generadores de vapor - Dimensiones y rating según Norma API 526 - Pérdidas admitidas según Norma API 527 - Bancos de ensayo según ASME PTC 25 Válvula de Seguridad y Alivio Diseño Convencional Materiales cuerpobonete (S/ API 526) Materiales STD Válvula típica Acero ASME SA-216, Grado WCB Acero inoxidable austenítico, ASME SA-351 Grado CF8M Acero al cromo-molibdeno, ASME SA-217, Grado WC6 Aleación Ni-Cu, ASME SA-494 Grado M35-1 (Monel) Alloy 20 (Ni-Cr-Mo), ASME SA-351 Grado CN7M PARTE CUERPO TOBERA OBTURADOR ANILLO DE AJUSTE PORTA OBTURADOR GUIA VASTAGO BONETE RESORTE PLATILLO DE RESORTE TORNILLO DE AJUSTE TAPA ESPARRAGO TUERCA JUNTAS Material (STD) Acero al carbono ASME SA-216, Grado WCB AISI 316 AISI 316 AISI 316 AISI 316 AISI 316 AISI 416 Idem cuerpo Acero al carbono/inoxidable/aleado AISI 416 AISI 416 Idem Cuerpo ASME SA193 Grado B7 ASME SA194 Grado 2H AISI 316 o acero de bajo carbono Orificios Normalizados API 526 => “Área de descarga efectiva” Designación Area orificio (pulg²) D E F G H J K L M N P Q R T 0,11 0,196 0,307 0,503 0,785 1,287 1,838 2,853 3,6 4,34 6,38 11,05 16 26 Area (cm²) 0,71 1,26 1,98 3,25 5,06 8,30 11,86 18,41 23,23 28,00 41,16 71,29 103,23 167,74 Diámetro garganta (mm) 9,5 12,7 15,9 20,3 25,4 32,5 38,9 48,4 54,4 59,7 72,4 95,3 114,6 146,1 API 526 - TAMAÑOS DE VÁLVULA 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 1"x2" D 0,11 p² 1½"x2" 1½"x3" 1"x2" E 0,196 p² 1½"x2" 1½"x3" 1½"x2" F 0,307 p² 1½"x3" G 0,503 p² 2"x3" Orificio de Descarga, Tamaño y Rating de las Conexiones 150 29 150 55 1½"x3" 30 56 300 150 300 M 31 150 57 H 3,60 p² 600 32 0,785 p² 600 58 900 33 900 59 2"x3" 1500 300 34 1500 300 60 2500 35 150 61 N 150 36 62 4"x6" 4,34 p² 300 37 150 63 J 300 150 38 1,287 p² 600 64 600 39 900 65 900 41 1500 300 66 3"x4" P 1500 300 42 150 67 6,38 p² 2500 43 68 300 150 44 150 69 K 1,838 p² 45 600 70 300 150 47 900 71 Q 3"x6" 600 48 1500 300 72 11,05 p² 6"x8" 900 49 150 73 3"x4" 1500 300 50 74 300 2500 51 75 L R 150 2,853 p² 16 p² 150 52 600 76 4"x6" 6"x10" 53 900 77 300 150 54 1500 78 600 79 Q 8"x10" 900 80 26 p² 1500 300 2500 99 Fuera de Standard 81 150 300 600 900 150 300 600 900 150 300 600 150 900 150 300 600 150 300 600 150 300 API 526 RANGOS PRESIÓN - T° Válvula de Seguridad y Alivio TAPA CON PALANCA ABIERTA TORNILLO DE BLOQUEO TAPA CON PALANCA HERMÉTICA Cierre blando Ventajas: • mayor estanqueidad (Pop > 90% Pset) • fluidos difíciles de contener • vibraciones • congelamiento durante descarga Desventajas: • límites de presión y temperatura de servicio Material cierre Buna N EPDM (etileno propileno) FKM (Viton) FFKM (Kalrez) SP (Vespel) PTFE (Teflon) T° mín (°C) -25 -45 -20 32 -270 -184 T° máx (°C) 100 150 180 325 300 150 Presiones - Definiciones Presión de operación máxima: Máxima presión esperada en funcionamiento normal del sistema. Presión de diseño: Es la presión que determina las características mínimas del sistema. Es aquella seleccionada por el usuario para proveer un margen adecuado por sobre la condición de trabajo más severa. Generalmente es la presión especificada en la orden de compra. Presiones - Definiciones Presión de trabajo máxima permisible (MAWP): Es la máxima presión que puede resistir el recipiente en operación a una temperatura determinada. Esta presión es obtenida de los cálculos para cada elemento del recipiente tomando sus espesores nominales y los considerados por la aplicación de otras cargas que no sean la presión, excluyendo el sobreespesor por corrosión. La presión de diseño puede ser usada en lugar de la presión máxima de trabajo permitida en todos aquellos casos en los que no se haya calculado el valor de la presión máxima de trabajo permitida. La presión de diseño puede ser menor o igual que la MAWP, pero en ningún caso mayor. Presiones - Definiciones Presión de Set ó de Ajuste: Es la presión de entrada a la que la válvula de alivio se ajusta para abrir bajo condiciones de servicio (comienzo de la descarga en fluidos incompresibles, “pop” en compresibles) Presión de apertura: Es el valor de presión de entrada estática ascendente en el que hay una carrera del obturador medible, o la descarga se hace continua, determinándose ésto por la vista o el oído. Sobrepresión: Es un aumento de presión sobre la presión de ajuste de la válvula de alivio, usualmente expresada como un porcentaje de la presión de ajuste. Presiones - Definiciones Presión Diferencial de Prueba en Frío (CDTP): Es la presión a la que la válvula de alivio se ajusta en el banco de pruebas. Incluye correcciones por contrapresión y/o temperatura dadas por las condiciones de servicio. Presión de Cierre: Es el valor de presión de entrada estática descendente en el cual el disco de cierre restablece contacto con el asiento. Recierre: Es la diferencia entre la presión de apertura y la presión de cierre expresada como un porcentaje de la presión de apertura. Presión de prueba de pérdidas: Es la presión de entrada especificada para realizar la prueba de pérdida por el cierre. Presiones - Definiciones Contrapresión (“backpressure”): es la presión existente en la salida de una válvula de alivio debido a la presión del sistema de descarga. Es la suma de la contrapresión sobreimpuesta (“superimposed”) y la contrapresión acumulada (“built-up”). Tiene influencia en el funcionamiento de la válvula. Contrapresión acumulada: es el aumento de presión en la salida de la válvula de alivio generado por el flujo resultante de la apertura. Contrapresión sobreimpuesta: es la presión estática existente en la salida de la válvula de alivio en el momento que ésta debe operar. Es el resultado de presiones en el sistema de descarga, provenientes de otras fuentes de alivio, que pueden ser constantes ó variables. Sobreimpuesta CTE Sobreimpuesta ≠ CTE Válvula de Seguridad y Alivio Diseño Convencional Funcionamiento - Válvula de Seguridad Servicio en gases y vapor (fluidos compresibles) - Válvula de Alivio Servicio en Líquidos (fluidos incompresibles) Válvula de Seguridad y Alivio Diseño Convencional Funcionamiento: Servicio en gases y vapor 1. Equilibrio de fuerzas 2. “Simmer” (escape audible no mensurable) Válvula de Seguridad y Alivio Diseño Convencional Funcionamiento: Servicio en gases y vapor 3. Incremento de superficie 4. Fuerza expansiva 5. Efecto “pop” Válvula de Seguridad y Alivio Diseño Convencional Funcionamiento: Servicio en gases y vapor 6. Área de acumulación secundaria 7. Apertura total Cuando H ≈ D/4 limita la tobera Válvula de Seguridad y Alivio Carrera mínima s/ API 520 Área anular = π x D x H = Sección del orificio = (π x D²) 4 Luego=> H = D/4 Válvula de Seguridad y Alivio Diseño Convencional Funcionamiento (pop) - Relación entre carrera del obturador y presión del sistema REQUISITOS SEGUN CODIGOS LA PRESIÓN DE ALIVIO NO DEBE EXCEDER A LA ACUMULACION PERMISIBLE • EL RECIERRE DEBE LIMITARSE • Válvula de Seguridad y Alivio Diseño Convencional Funcionamiento Servicio en líquidos: 1. Equilibrio de fuerzas 2. Escurrimiento 3. Fuerzas por reacción Válvula de Seguridad y Alivio Diseño Convencional Funcionamiento Servicio en líquidos: •Apertura ≈ proporcional al incremento de presión Válvula de Seguridad y Alivio Diseño Balanceado -Incorpora un fuelle de balanceo (ó pistón) -Minimiza el efecto de la contrapresión -Fluidos peligrosos / corrosivos Diseño Balanceado Ventajas de válvulas balanceadas con fuelle •Utilizables hasta contrapresiones de 50% Pset, aunque recomendable hasta 30% Pset •No se necesita corregir la tensión del resorte para contrapresión sobreimpuesta •Pset es independiente de la contrapresión Desventajas •El fuelle es un componente delicado. En caso de rotura se pierde el efecto de “balanceo” y por ende varía la presión de set •El fuelle debe estar venteado a la atmósfera; en caso de rotura se ventea fluido a la atmósfera. Diseño Balanceado Diseño Balanceado Válvula de Seguridad y Alivio Diseño Convencional - Efectos de la contrapresión Válvula de Seguridad y Alivio Diseño Balanceado con fuelle - Efectos de la contrapresión Válvula de Seguridad y Alivio Diseño Balanceado con pistón - Efectos de la contrapresión Efectos de la contrapresión Corrección por contrapresión sobreimpuesta = CTE Pset = 20 bar-g B.P. = 2 bar-g (CTE) CDTP = 18 bar-g Chatter • Rápido movimiento alternativo de los elementos móviles, resultando en sucesivas aperturas y cierres. • Los reiterados impactos y consecuente vibración pueden causar desalineación y daños a las superficies de cierre, ergo, la falla funcional del dispositivo. • Puede ocurrir tanto en alivio como en seguridad Causas • Excesiva caída de presión en la línea de entrada • Contrapresión acumulada excesiva • Válvula sobredimensionada Válvula de Seguridad y Alivio Válvula Pilotada - Compuesta por Válvula principal Piloto de control - Cierra con la presión de entrada - Aplicable a grandes orificios - Evita el uso de convencionales con grandes resortes - Puede ser modulante (regulador) - Costo mayor que convencionales Válvula de Seguridad y Alivio Válvula Pilotada Válvula de Seguridad y Alivio Válvula Pilotada Válvula Pilotada Piloto “POP” - OP => 0% - Blowdown ≈ 2 % Piloto MODULANTE - Apertura y cierre graduales Válvula Pilotada Pilotos - Tipos •Balanceados: Sus características funcionales no son afectadas por la contrapresión. •Desbalanceados: Sus características funcionales son afectadas por la contrapresión. •Flowing: permite el venteo permanente de fluido cuando la válvula principal se encuentra abierta. •Non flowing: Solamente ventea cuando se desplaza el obturador de la válvula principal. Se recomiendan para evitar formación de hidratos/congelamiento durante la descarga. Válvulas de TRANSFERENCIA – “Changeover Valve” - Pasaje seguro entre válvula de seguridad activa y de reserva - Cumple con la Norma API 520 (ΔP < 3%) - Obturador ecualizado - Pasaje nominal - Posibilidad de interconectar PRV’s en la salida Instalación de válvulas de seguridad - Lo más próxima al sistema (dP < 3% Pset) - Sin bloqueos en la entrada y/o salida (uso de interlocking) - Montaje vertical - Diámetros de entrada y salida como mínimo nominales - Dispositivo de protección cuando descargan hacia arriba - Anclaje s/ reacciones - Evitar que fugas se dirijan a sectores inadecuados Mantenimiento Rutinas periódicas programadas INSPECCION DE: -Superficies de cierre expuestas a desgaste por: -Abrasión -Corrosión -Incrustación de sedimentos -LAPIDADO -Inspección del resorte -Roscas de vástago y tornillos de ajuste -Rectitud del vástago -Platillos de resorte PRUEBA DE APERTURA -Tolerancias admisibles ± 0.15 kg/cm² para presiones de apertura inferiores a 5 kg/cm². ± 3 % Pset p/ presiones de apertura iguales ó mayores a 5 kg/cm². CDTP (Cold Differential Test Pressure) - Corrección por temperatura - Corrección por contrapresión (constante) PRUEBA DE RECIERRE -7% STD -5% a 10% (según exigencia) BANCOS S/ ASME PTC 25 PRUEBA DE APERTURA – AIRE PRUEBA DE APERTURA - AGUA PRUEBA DE ESTANQUEIDAD CON AIRE La presión a aplicar será: A) 5 psi por debajo de la presión de apertura, cuando ésta no exceda de 50 psi. B) 90% de la presión de apertura si ésta es superior a 50 psi. Muchas gracias por su atención!
