¿Qué es un orificio de restricción? Aplicaciones, tipos, trabajo y tamaño del orificio de restricción (PDF)

¿Qué es un orificio de restricción?

El orificio de restricción o RO, en resumen, es un dispositivo de instrumento de control de flujo cuya función principal es proporcionar una restricción al flujo para que se logre un flujo controlado o restringido. Debido a esta restricción por la placa del orificio, se observa una caída de la carga de presión desde aguas arriba del orificio hasta aguas abajo. Para una condición específica de temperatura y presión, el área del orificio en la salida determina la tasa de flujo volumétrico del fluido dentro de la tubería. Debido a la caída de alta presión en los orificios de restricción, puede crear vibraciones acústicas inducidas. Por lo tanto, los estudios deben ser realizados por especialistas.

La placa de orificio es básicamente una placa delgada con un orificio en el medio. La placa se inserta entre dos bridas de una tubería para proporcionar restricción o medición de flujo.

Propósito del orificio de restricción

El orificio de restricción se usa principalmente por dos razones principales:

  1. Si hay un requisito de flujo reducido o
  2. Si hay un requisito de altas caídas de presión.

El tamaño del dispositivo depende de la caída de presión requerida. Están diseñados para deslizarse entre las bridas de las tuberías. El orificio de restricción viene con orificios de restricción simples o orificios de restricción múltiples en serie.

Aplicaciones del orificio de restricción

Los ingenieros y diseñadores están familiarizados con un orificio de restricción en las siguientes aplicaciones para impedir el flujo o reducir la presión.

  • Se instalan aguas abajo de las válvulas de purga para garantizar un caudal controlado en la tubería de purga o en el cabezal de purga.
  • Se instalan en las líneas de derivación de caudal mínimo alrededor de las bombas centrífugas.
  • Se instalan en aplicaciones Wellhead
  • El orificio de restricción a veces se usa para restringir el exceso de flujo en caso de ruptura.
  • Omisión mínima
  • Inyección, enfriamiento y lavado de fluido.
  • Muestreo.
  • El vapor bajó.
  • Úselo como un mezclador estático simple
  • Purga de N2 o sello de gas constante
  • mejora de la controlabilidad

Orificio de restricción estándar

No existe un estándar directo que aborde el diseño del orificio de restricción, pero algunas referencias asociadas están disponibles como se indica a continuación:

  • ISO 5167 Parte 1 y Parte 2
  • ISA PR 3.2
  • API-RP 550/551
  • API 2531
  • CEI 60534-8-3
  • Manual API de Medición de Petróleo – Capítulo 4
  • Informe AGA No.3
  • API MPMS 14.3.2
  • Norma ISO 5024
  • Norma ISO 5168

Principio de funcionamiento del orificio de restricción/placa de orificio

Tanto el orificio de restricción como la placa de orificio funcionan siguiendo el principio de Bernoulli que establece que la caída de presión a través del orificio de restricción es directamente proporcional al caudal volumétrico que pasa a través de la placa de orificio.

Mientras el fluido fluye a través de la placa, la velocidad del fluido cambia eso a su vez, según la ecuación de Bernoulli, cambia la presión. Este cambio de presión aguas arriba y aguas abajo se mide para calcular el caudal volumétrico.

Tipos de orificios de restricción

Las placas de orificio de restricción son de tres tipos

Orificio de restricción de etapa única: una placa con el orificio del tamaño requerido para la pérdida de presión prevista se conoce como orificio de restricción de etapa única.

Orificio de restricción de etapa única con orificios múltiples: para reducir el ruido generado, se utilizan placas de orificio de restricción de etapa única con orificios múltiples. Como el flujo de alta velocidad en la entrada de RO se distribuye a través de varios orificios, se reduce el ruido. Para evitar el problema de la cavitación, se utilizan orificios de restricción de orificios múltiples. La distribución del flujo a través de múltiples orificios mejora el factor de cavitación, lo que a su vez reduce el ruido general.

Conjunto de orificio de restricción de etapas múltiples: los orificios de restricción de etapas múltiples se usan ampliamente para la reducción de presiones muy altas cuando una RO de una sola etapa no es capaz. Consiste en una serie de dispositivos de ósmosis inversa de una sola etapa. El diseño puede ser de un solo orificio o de múltiples orificios. Los orificios de restricción en una OI multietapa suelen estar dispuestos de forma excéntrica. La distancia mínima entre cada etapa suele ser el diámetro interno de la tubería.

Tipos de placas de orificio:

Las placas utilizadas en el diseño del orificio de restricción pueden ser de los siguientes tipos:

  • Orificio de borde cuadrado o placa de orificio de orificio estándar.
  • Orificio de borde de cuadrante
  • Placa de orificio de orificio excéntrico
  • Placa de orificio de orificio segmentario
  • Placa de orificio tipo RTJ con junta integral
  • Placas de orificio tipo paleta

Entradas para diseño de orificio de restricción

Se requieren las siguientes entradas para el diseño del orificio de restricción:

  • PDF y P&ID
  • Hoja de Cálculo Hidráulico
  • síndrome premenstrual
  • Condiciones de funcionamiento de la línea, como presión aguas arriba y aguas abajo, temperatura, caudal, tamaño de la línea, densidad, viscosidad, peso molecular, Cp/Cv, presión de vapor, etc.

Pasos de diseño del orificio de restricción

Según el servicio y los requisitos, la RO debe dimensionarse para condiciones críticas o precríticas. Durante el dimensionamiento, las placas de OI de control de presión consideran la caída de presión máxima menor que la presión crítica y las placas de OI de control de flujo consideran la caída de presión crítica. Generalmente se sigue la norma ISO 5167 para dimensionar orificios de restricción.

El diseño del orificio de restricción o RO se lleva a cabo según los pasos similares a los que se mencionan a continuación:

  • Determinación de la aplicación
  • Preparación de datos para el orificio
  • Tamaño del orificio de restricción (por ingeniero de diseño o proveedor)
  • Comprobación de elementos críticos de diseño como índice de cavitación (Kc=0,93), caída de presión, diámetro mínimo del orificio, espacio permitido en el enrutamiento de tuberías, etc.
  • Completar la información necesaria en las hojas de datos de P&ID y RO

Instalación de Orificio de Restricción

El orificio de restricción es físicamente una placa delgada con uno o más orificios. En la aplicación de tuberías, normalmente se insertan entre dos bridas. Es posible omitir inadvertidamente la placa cuando se monta la tubería o, más probablemente, olvidarse de reemplazarla cuando se vuelve a montar la tubería, después del mantenimiento o la limpieza. Por lo tanto, es difícil omitir el orificio.

Orificios de restricción
Tipos de orificios de restricción

Solución segura

Para evitar esto, se debe hacer imposible montar o volver a montar la tubería sin incluir el orificio. Un método simple, práctico e infalible es: el orificio de restricción tiene su propia pieza de carrete. Entonces, en tal situación, no habrá margen para olvidar el elemento RO durante la instalación o la construcción.

Requisitos del orificio aguas arriba y aguas abajo

Es una práctica estándar de ingeniería mantener 10 diámetros de tubería (10D) aguas arriba (antes del orificio) y 5 diámetros de tubería (5D) aguas abajo del orificio de restricción.

Símbolo de orificio de restricción

Los siguientes símbolos se utilizan en P&ID para describir el orificio de restricción y las placas de orificio.

Símbolo de orificio de restricción
Símbolo de orificio de restricción
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Orificio de restricción vs placa de orificio

Las principales diferencias entre el orificio de restricción y el orificio se tabulan a continuación:

 Orificio de restricciónOrificio
ObjetivoEl orificio de restricción se usa para matar la alta presión o reducir la presión; un dispositivo reductor de presión.Se utiliza un orificio para medir el flujo.
Perfil del agujero El orificio del orificio de restricción tiene un perfil rectoEl perfil del orificio del orificio es recto al principio pero luego biselado (con muescas) con una pendiente de 45°
Caída de presiónEl orificio de restricción provoca una caída de alta presiónLa caída de presión es baja.
Velocidad del fluidoSonic Velocity para garantizar un flujo obstruido.Flujo subsónico.
Vibración Acústica InducidaEl orificio de restricción es altamente susceptible a AIV y puede generar mucho ruido.No susceptible a AIV.
Tabla: Diferencia entre orificio y orificio de restricción

Factores para dimensionar el dispositivo RO

Hay varios factores que deben tenerse en cuenta al dimensionar el orificio de restricción.

Caída de presión: para dimensionar y seleccionar el orificio de restricción, la caída de presión es un parámetro crítico. El espesor mínimo requerido de un dispositivo de OI depende de la caída de presión a través del dispositivo.

Tasa de flujo: Como la caída de presión depende de los cambios de la tasa de flujo, el orificio de restricción debe dimensionarse para una tasa de flujo normal. Para RO crítica, se debe considerar la tasa de flujo aguas abajo.

Flujo sónico: puede surgir una condición de flujo sónico o ahogado debido a la disminución de la densidad y al aumento de la velocidad cuando un gas se acelera a través de una restricción. Un flujo sónico en la tubería genera un alto nivel de ruido y vibración en la tubería que puede provocar fallas mecánicas. Para evitar esto, la caída de presión máxima a través de una placa de orificio de restricción de etapa única debe limitarse a la caída de presión crítica.

Cavitación: en restricciones de flujo de líquido con una caída de presión muy grande, puede ocurrir cavitación. Al pasar por el orificio de restricción, la velocidad del líquido cae y la presión aumenta. Debido a esto, las burbujas de vapor pueden colapsar y se puede producir un destello. este fenómeno se conoce como cavitación. Para evitar la cavitación, se debe dimensionar el orificio de restricción para mantener el índice de cavitación por debajo del índice de cavitación incipiente de la placa de OI. La presión de entrada, la presión de salida y la presión de vapor son los parámetros para el índice de cavitación, y el factor de cavitación incipiente dependerá de la relación beta de la placa.

Nivel de ruido: los niveles de ruido en RO se pueden predecir calculando la potencia de sonido generada debido a la reducción de presión. Luego, las pérdidas de transmisión se pueden restar para encontrar el nivel de sonido en cualquier ubicación predeterminada. Para reducir el ruido en el orificio de restricción, se pueden seleccionar las siguientes opciones al dimensionar.

  • Reducción de la caída de presión.
  • Aumento del número de las etapas de reducción.
  • Uso de placas de ósmosis inversa de orificios múltiples.
  • Optimización de la caída de presión en cada etapa.
  • Aumentar el margen entre el índice de cavitación y el índice de cavitación incipiente.

Haga clic aquí para conocer el procedimiento de dimensionamiento de orificios de restricción para fluidos monofásicos

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Referencia: INGENIERÍA QUÍMICA/ 13 ABRIL 1987

Acerca del autor: Parte de este artículo está escrito por el Sr. Amir Razmi, un ingeniero químico internacional, dinámico y multifuncional con más de 14 años de experiencia en ingeniería y EPC de proyectos de petróleo y energía desde las actividades previas al contrato hasta la ejecución. y cierre.

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