Válvula de alivio de presión: definición, tipos, trabajo, ubicación, dimensionamiento, códigos y estándares (PDF)

  • Fallas en bombas y compresores u otros equipos.
  • Falla del medio de enfriamiento
  • Transferencia de calor ambiental
  • Fallo del sistema de control
  • Expansión de líquidos en tuberías y oleaje
  • Descarga bloqueada, escape de gas
  • Fallo del sistema del condensador
  • Reacciones químicas
  • Error de funcionamiento
  • Puntos de venta cerrados
  • La entrada de Fluido Volátil

Posibles líneas de defensa contra eventos de socorro

Para actuar contra los posibles eventos de alivio mencionados anteriormente, se siguen los siguientes métodos de defensa.

  • Diseño inherentemente seguro
  • Procesos de baja presión
  • control pasivo
  • Sobrediseño de equipos de proceso
  • control activo
  • Instalar sistemas de alivio

¿Qué es un Sistema de Alivio?

Un sistema de alivio es un sistema de emergencia que se utiliza para salvaguardar las plantas durante los eventos de alivio mediante la reducción de la presión o la descarga de gas durante situaciones anormales. El sistema de alivio consiste en

  • Un dispositivo de alivio, y
  • Líneas asociadas y equipos de proceso para manipular con seguridad el material expulsado

¿Por qué utilizar un sistema de alivio?

La instalación de sistemas de alivio en plantas en operación es imprescindible desde los puntos de seguridad técnica y de proceso como

  • El diseño inherentemente seguro simplemente no puede eliminar todos los riesgos de presión
  • Los diseños pasivos pueden ser extremadamente costosos y engorrosos.
  • ¡Los sistemas de alivio funcionan!

Código Requisitos para el diseño del sistema de alivio

Los requisitos generales del Código incluyen:

  • Códigos ASME de calderas y recipientes a presión
  • ASME B31.3 / Tubería de refinería de petróleo
  • ASME B16.5 / Bridas y accesorios con bridas

La presión de alivio no debe exceder la MAWP (acumulación) en más de:

  • 3% para calderas de vapor encendidas y no encendidas
  • 10% para recipientes equipados con un solo dispositivo de alivio de presión
  • 16% para recipientes equipados con múltiples dispositivos de alivio de presión
  • 21% para contingencia de incendio

Ubicación de las válvulas de alivio de presión

Los ingenieros de proceso deciden la ubicación de las válvulas de alivio de presión. Mencionan los requisitos PRV en el P&ID. A continuación se encuentran las pautas generales sobre dónde se requieren dispositivos de alivio, aunque es probable que haya otros casos especiales en cualquier proceso.

  • Todos los buques
  • Bloqueado en secciones de líneas de líquido frío que están expuestas al calor
  • Lados de descarga de bombas de desplazamiento positivo, compresores y turbinas
  • Camisas de vapor para buques
  • Los tanques de almacenamiento de baja presión requieren dispositivos de alivio de presión y vacío, ya que los tanques generalmente no están diseñados para vacío total.
  • Siempre que los procedimientos formales de identificación de peligros, como Peligros y operabilidad (HAZOP), Análisis de peligros del proceso (PHA), indiquen
  • Sistemas de tuberías donde puede surgir una sobrepresión debido a una falla en el control del proceso.

Tipos de válvulas de alivio de presión

Convencionalmente, las válvulas de alivio de presión se clasifican en los siguientes tres grupos:

  • Válvula de seguridad
    • Ajustable
    • Electrónico
  • Válvula de seguridad
    • Elevación baja
    • Alta elevación
    • Elevación completa
  • Valvula de seguridad
    • Válvula de alivio de seguridad accionada por resorte convencional
    • Válvula de alivio operada por piloto
    • Válvula de alivio tipo fuelle balanceado
    • accionado por energía
    • Válvula de alivio accionada por temperatura y presión

Los tipos de válvulas de alivio de presión mencionados anteriormente se producen en forma gráfica en la Fig. 1 a continuación

Tipos de válvulas de alivio de presión
Fig. 1: Tipos de válvulas de alivio de presión

Las válvulas de alivio están accionadas por resorte y se caracterizan por una apertura y cierre graduales. Son accionados por la presión aguas arriba y aptos para fluidos incompresibles. Las válvulas de alivio ajustables permiten el ajuste de la configuración de presión a través del puerto de salida. Las válvulas de alivio electrónicas ofrecen cero fugas con controles eléctricos para monitorear y regular la presión del sistema.

Por otro lado, las válvulas de seguridad se utilizan para fluidos comprimibles (gases y vapores) y se caracterizan por la rápida acción de apertura y cierre. Las válvulas de seguridad son ampliamente utilizadas en plantas de vapor para protección contra sobrepresión de calderas. Se clasifican en tres grupos según la cantidad de viaje o elevación durante la ventana emergente. Las válvulas de seguridad de baja elevación tienen una capacidad pequeña y la válvula levanta 1/24 del diámetro interior. Las válvulas de seguridad de elevación alta se desplazan 1/12 del diámetro interior. Mientras que las válvulas de seguridad de elevación completa se desplazan al menos 1/4 del diámetro interior y son las más adecuadas para servicios de vapor.

La válvula de alivio de seguridad se puede usar para servicio de gas o líquido según la aplicación. Tienen la característica de apertura tanto rápida como gradual.

Válvula de alivio de presión convencional

Las válvulas de alivio de presión convencionales accionadas por resorte son las más adecuadas para aplicaciones en las que no existe una contrapresión excesiva. La contrapresión afecta directamente las características operativas de estas PRV. Consulte la Fig. 2 que representa una válvula de alivio de seguridad convencional con sus elementos básicos.

Válvula de alivio de presión de tipo convencional
Fig. 2: Válvula de alivio de presión de tipo convencional

Hay tres componentes básicos de una válvula de alivio de presión convencional

  • Una boquilla de entrada para conectar al sistema que requiere protección.
  • Un disco móvil para el control del flujo de fluidos, y
  • Un resorte para controlar la posición del disco.

Al diseñar una válvula de alivio de presión convencional, la consideración de la verificación de fugas en el asiento como fuga significa que la pérdida continua de fluido del sistema y la superficie de asiento de la válvula pueden dañarse. Según el material del asiento, las válvulas de alivio de presión convencionales se clasifican en los dos tipos siguientes:

  • Válvulas con asiento metálico y
  • Válvula de asiento blando

Ventajas y desventajas de las válvulas de alivio de presión convencionales

Ventajas

  • El tipo más confiable si tiene el tamaño y la operación adecuados
  • Versátil: se puede utilizar en muchos servicios

Desventajas

  • Aliviar la presión afectada por la contrapresión
  • Susceptible a vibrar si la contrapresión acumulada es demasiado alta

Válvula de alivio de presión tipo fuelle equilibrado

Para reducir los efectos de la contrapresión, se desarrollan válvulas de alivio de presión de fuelle balanceado cargadas por resorte (Fig. 3). El diseño PRV incorpora un fuelle que compensa el efecto de contrapresión. El fuelle aísla el resorte, el casquete y las superficies guía del contacto directo con el fluido del proceso.

Válvula de alivio de presión tipo fuelle equilibrado
Fig. 3: Fuelle de capó tipo PRV

Pros y contras de la válvula de alivio de presión tipo fuelle balanceado

Ventajas

  • Presión de alivio no afectada por la contrapresión
  • Puede manejar una mayor contrapresión acumulada
  • Protege el resorte de la corrosión
  • Poseer buenas propiedades químicas y de temperatura.
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Desventajas

  • Fuelle susceptible a fatiga/rotura
  • Puede liberar sustancias inflamables/tóxicas a la atmósfera.
  • Requiere un sistema de ventilación separado

Hay dos tipos de válvulas de alivio de seguridad de fuelle balanceado:

  • fuelles balanceados
  • Fuelle equilibrado con pistón de equilibrado auxiliar

Válvulas de alivio de presión operadas por piloto

Una válvula de alivio de seguridad operada por piloto es una válvula de alivio de presión en la que un alivio de presión auxiliar autoaccionado controla el alivio de presión. La apertura o cierre de la válvula de alivio se rige por la presión del medio que fluye. Se utiliza un piloto para detectar la presión del proceso y para presurizar o ventilar la cámara de presión del domo, que controla la apertura o el cierre de la válvula. Tres componentes principales consisten en una válvula de alivio de presión operada por piloto (Fig. 4)

  • la válvula principal,
  • un conjunto de pistón flotante y desequilibrado, y
  • un piloto externo.
Válvula de alivio de presión operada por piloto
Fig. 4: Válvula de alivio de presión accionada por piloto

La presión en el lado superior de la cámara móvil desequilibrada de la válvula principal es controlada por el piloto. Generalmente, un asiento elástico se une al extremo inferior.

Ventajas de la válvula de alivio de presión operada por piloto

Las principales ventajas de las válvulas de seguridad pilotadas son:

  • La presión establecida no se ve afectada por la contrapresión de la válvula.
  • Como la presión de operación del sistema decide la apertura de la válvula de alivio, el sistema puede operar a la máxima presión de trabajo.
  • Económico en comparación con otros tipos.
  • Menos susceptibilidad a la charla.

Las válvulas de alivio de presión operadas por piloto se pueden clasificar en función de varios parámetros, como se menciona a continuación:

  • Según el tipo de elementos móviles
    • De tipo pistón.
    • Un tipo de diafragma.
  • Según el tipo de pilotos
    • Un piloto de acción pop
    • Un piloto de acción moduladora
  • Basado en el flujo de pilotos
    • Un piloto de tipo fluido.
    • Un piloto de tipo no fluido

Válvula de alivio de presión accionada por energía

Las válvulas de alivio de presión accionadas eléctricamente (Fig. 5) están controladas por un dispositivo que requiere una fuente de alimentación externa. Las fuentes de energía como el agua, la electricidad o el vapor controlan la apertura y el cierre de la válvula de alivio de presión. Se utilizan principalmente para generadores de vapor de flujo forzado sin línea fija de vapor o agua y en plantas de energía nuclear.

Válvulas de alivio de presión accionadas por presión de temperatura

Una válvula de alivio de presión accionada por temperatura y presión (también conocida como válvula de alivio de seguridad T&P, Fig. 5) es accionada por la temperatura o la presión del lado de entrada de la válvula de alivio. La válvula consta de dos elementos de control primarios, un resorte y una sonda térmica. Sirven para un doble propósito.

  • Prevención del aumento de temperatura por encima de lo especificado y
  • Prevención de sobrepresión por encima de un valor especificado.

Se utilizan principalmente para recipientes, tanques y calentadores que transportan fluidos calientes.

Válvula de alivio de seguridad accionada por energía y temperatura
Fig. 5: Válvula de alivio de seguridad accionada por energía y temperatura

Válvula de alivio de vacío

Una válvula de alivio de vacío está diseñada para evitar un vacío interno excesivo mediante la admisión de fluido. Una vez que se restablece la condición normal, se vuelven a cerrar y evitan que fluya más fluido.

Cuándo usar una válvula de alivio de presión accionada por resorte

  • Perder todo el contenido es inaceptable
    • Líquidos por encima del punto de ebullición normal
    • Fluidos tóxicos
  • Necesidad de evitar fallar bajo
  • Vuelva a las operaciones normales rápidamente
  • Soportar los cambios de presión del proceso, incluido el vacío

Accesorios para válvulas de alivio de presión

Una serie de accesorios de válvulas de alivio de presión ayudan a la válvula en sus operaciones para lograr el uso previsto. Están:

  • Las mordazas de prueba mantienen cerrada la válvula de seguridad durante la prueba hidrostática.
  • Mecanismos de elevación para levantar el disco de la válvula. Disponible en tres tipos
    • palanca simple,
    • palanca empaquetada, y
    • Dispositivos de elevación accionados por aire.
  • Las tapas atornilladas están disponibles para válvulas de alivio de presión estándar además de las tapas roscadas.
  • Indicadores de posición de válvula para indicación remota de la apertura de PRV

Funcionamiento de una válvula de alivio de presión

Para una válvula de alivio de presión cargada por resorte, la fuerza del resorte mantiene el disco en la posición manteniendo la válvula en una posición cerrada. Cuando la presión de la línea excede la presión establecida, el disco comienza a levantarse permitiendo que el fluido fluya a través de la salida y liberando presión. Con un mayor aumento en la presión de entrada, el disco se eleva aún más. Cuando el disco ha viajado a su valor diseñado, la válvula está completamente abierta y se libera la presión del sistema.
Una vez que la sobrepresión dentro del sistema cae por debajo de la fuerza del resorte, el resorte empuja hacia atrás el disco en positivo para cerrar la válvula y evitar una mayor liberación de fluido.

Para las válvulas de alivio de presión operadas por piloto, la presión de entrada se dirige a una pequeña válvula de seguridad que actúa sobre el pistón. Como el área superior del pistón está diseñada más grande que el área inferior bajo el contacto del fluido, la presión en la parte superior es mayor, lo que empuja al pistón a cerrar la válvula de alivio. Cuando la presión de entrada sube por encima de la presión de ajuste, una fuerza ascendente neta actúa sobre el pistón forzando al pistón a levantarse y liberar la presión.

Códigos y normas para válvulas de alivio de presión

Las válvulas de alivio de presión se rigen por códigos y normas. Los códigos y estándares de válvulas de alivio de presión más utilizados son:

  • ASME BPVC (Sección I, Sección III, Sección IV y Sección VIII)
  • Norma ISO 4126
  • API 520
  • API 521
  • API 526
  • API 527
  • DEP 97/23/CE
  • EN4126
  • JIS B 8210 (Japón)
  • KS B 6216 (Corea)
  • SAA AS 1271 (Australia)

Válvulas de Alivio – Terminologías de Presión

Comprendamos algunos términos básicos adicionales que se usan ampliamente en relación con las válvulas de alivio.

La presión de ajuste es la presión a la que las válvulas de alivio comienzan a abrirse. Normalmente es igual a la presión de diseño y se mide en la entrada de la válvula. Para las válvulas de alivio accionadas por resorte, una pequeña cantidad de fuga (cocción lenta) comienza al 92-95 % de la presión establecida

La sobrepresión es el aumento de presión sobre la presión de ajuste de un dispositivo de alivio de presión, durante la descarga y generalmente se expresa como un porcentaje de la presión de ajuste (normalmente, la sobrepresión es la presión de ajuste +10 %). La válvula de alivio alcanza su capacidad de descarga completa con sobrepresión.

La acumulación es el aumento de presión sobre la DP/MAWP del equipo durante la descarga a través de la válvula protectora de alivio de presión y generalmente se expresa como un porcentaje de la DP/MAWP.

Generalmente existe confusión entre los términos Acumulación y Sobrepresión. Cuando decimos ‘acumulación’, significa que estamos hablando del recipiente, y cuando decimos ‘sobrepresión’, estamos hablando de la válvula de alivio de presión

La purga es la diferencia de presión entre la presión establecida y la presión a la que se vuelve a asentar la válvula. Por lo general, se expresa como un % de la presión establecida y se refiere a cuánto debe caer la presión antes de que la válvula se vuelva a asentar.

La presión de reasiento es la presión a la que la válvula está completamente cerrada.

La presión de prueba diferencial en frío es la presión a la que se ajusta la válvula para abrirse en el banco de pruebas e incorpora los efectos de la contrapresión y las temperaturas de funcionamiento superpuestas.

Tamaño de la válvula de alivio de presión

El tamaño correcto de las válvulas de alivio es crucial. Si la válvula de alivio es demasiado pequeña, es posible que no libere la cantidad suficiente de líquido para evitar que se acumule presión. En consecuencia, esto puede resultar en alta presión. Si el dispositivo de alivio está sobredimensionado, la válvula de alivio puede volverse inestable durante la operación.

El equipo de proceso realiza el dimensionamiento de una válvula de alivio de presión según los códigos y estándares vigentes. La referencia más utilizada para el dimensionamiento de válvulas de alivio de presión es API 520. Los parámetros que afectan el dimensionamiento y la selección de PRV son

  • Presión de ajuste de la válvula de alivio
  • Proceso Temperatura y presión de diseño
  • Tamaño de las tuberías de entrada y salida
  • Contrapresión en la salida de la válvula de alivio de presión
  • Servicio de fluidos
  • La capacidad requerida de la válvula de alivio
  • Condición de flujo (flujo de líquido, flujo de gas (crítico y subcrítico), flujo de vapor y flujo de dos fases)

El dimensionamiento de la válvula de alivio de presión es un método complejo que requiere un proceso de varios pasos, como se indica a continuación:

  • Definición del sistema protegido
  • Ubicación de la válvula de alivio
  • Definición de la condición de sobrepresión
  • Selección del dispositivo de alivio
  • Obtención de datos para dimensionamiento de válvulas de alivio
  • Determinación de los tipos de condiciones de caudal

Los pasos anteriores se pueden mostrar fácilmente en forma de diagrama de flujo como se muestra en la Fig. 6.

Diagrama de flujo de tamaño de la válvula de alivio de presión
Fig. 6: Diagrama de flujo de tamaño de la válvula de alivio de presión

La mayoría de los principales fabricantes de válvulas de alivio de presión proporcionan software de dimensionamiento que tiene la capacidad ilimitada de aceptar una amplia variabilidad de propiedades de fluidos y decidir la válvula de alivio de presión correcta. Algunos software típicos para el dimensionamiento de válvulas de alivio de presión son desarrollados por:

  • Anderson Greenwood Crosby
  • Software PRV2SIZE Soluciones de automatización de Emerson
  • Software PRV2SIZE Software de Pentair
  • VALVESTAR ® de LESER Válvulas de seguridad
  • SIZEMASTER: software de dimensionamiento del sistema de alivio de Farris
  • VALVIO de HEROSE
  • Flujo de fluidos

En ausencia de un software de dimensionamiento de válvulas de alivio de presión o tablas estándar del fabricante, el área efectiva del orificio se puede calcular manualmente usando las siguientes ecuaciones:

Ecuaciones de dimensionamiento de la válvula de alivio de presión
Fig. 7: Ecuaciones de dimensionamiento de la válvula de alivio de presión

Después de obtener el área efectiva, la designación (tamaño) del orificio de la válvula de alivio de presión estándar se selecciona de la siguiente tabla:

Designación de orificio estándar para válvula de alivio de presión
Fig. 8: Designación de orificio estándar para válvula de alivio de presión

Símbolos de válvulas de alivio de presión

Las válvulas de alivio de presión están designadas con símbolos especiales como se muestra a continuación:

Símbolos de válvulas de alivio de presión
Fig. 9: Símbolos de la válvula de alivio de presión

La figura 9 también proporciona la representación de P&ID de una válvula de seguridad de presión típica. La presión de ajuste y la designación del orificio se mencionan claramente en el P&ID, junto con el identificador y el símbolo de la válvula de alivio de presión.

Vibración de la válvula de alivio

La vibración es la apertura y el cierre rápidos de una válvula de alivio de presión a caudales bajos. En condiciones de proceso normales, la presión del recipiente está por debajo de la presión de ajuste de la válvula de alivio. A medida que la presión aumenta y excede la presión de ajuste de la válvula de alivio, la válvula se abre. Tan pronto como se abre la válvula, hay un flujo que provoca una caída de presión entre el recipiente y la válvula. Si esta caída de presión es lo suficientemente grande, la presión en la válvula de alivio puede ser lo suficientemente baja para que la válvula de alivio se cierre. El flujo se detiene, la presión en la válvula de alivio vuelve a aumentar hasta la presión del recipiente porque no hay flujo que provoque una caída de presión y la válvula de alivio se abre nuevamente.

  • Los dispositivos de alivio de resorte requieren del 25 al 30 % de la capacidad máxima de flujo para mantener el asiento de la válvula en la posición abierta
  • Los flujos más bajos dan como resultado vibraciones, causadas por la apertura y el cierre rápidos del disco de la válvula.
  • Esto puede provocar la destrucción del dispositivo y una situación peligrosa.

Chatter: causas principales

Problemas de válvulas

  • Válvula sobredimensionada
  • Tasas de manejo de válvulas muy diferentes
  • Problemas del sistema de ayuda
    • Caída de presión de entrada excesiva
    • Contrapresión acumulada excesiva

Las válvulas sobredimensionadas se levantarán parcialmente a la presión establecida y luego se volverán a asentar, lo que provocará un “vibramiento” del disco que podría dañar las superficies del asiento/disco y causar que la válvula de alivio falle. Es una buena práctica instalar múltiples válvulas de alivio para cargas variables para minimizar la vibración en descargas pequeñas.

Regla general para evitar vibraciones en la válvula de alivio: la caída de presión en la línea entre el equipo y la entrada de RV durante el caso de alivio debe ser <3 % del valor establecido de RV.

Diferencia entre un PSV y un PRV

  • Una  Válvula de Alivio de Presión (PRV) se abre gradualmente en relación con la presión, por otro lado cuando la presión alcanza cierto valor una  Válvula de Seguridad de Presión o PSV se abre repentinamente para liberar la sobrepresión.
  • PRV se usa normalmente para sistemas líquidos mientras que PSV para sistemas gaseosos.
  • El punto de ajuste de PRV suele estar un 10 % por encima de la presión de trabajo, mientras que la presión de ajuste en PSV suele estar un 3 % por encima del límite de trabajo.

Cursos en línea sobre válvula de alivio de presión

Si aún tiene dudas, realice los cursos especialmente diseñados que se mencionan a continuación para mejorar su comprensión sobre el tema:

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