Instalación de válvulas de seguridad

Importante asesoramiento sobre la instalación, incluyendo manipulación, condiciones de la planta, configuración de tuberías, marcado y consideraciones de ruido.

Hermeticidad del asiento

La hermeticidad del asiento es una consideración importante al seleccionar e instalar una válvula de seguridad, ya que no solo puede llevar a una pérdida continua de fluido del sistema, sino que la fuga también puede causar deterioro de las caras de sellado, lo que puede llevar al levantamiento prematuro de la válvula. La hermeticidad del asiento se ve afectada por tres factores principales; en primer lugar por las características de la válvula de seguridad, en segundo lugar por la instalación de la válvula de seguridad y en tercer lugar, por la operación de la válvula de seguridad.

Características de la válvula de seguridad

Para que una válvula con asiento metálico proporcione un cierre aceptable, las superficies de sellado necesitan tener un alto grado de planitud con un acabado superficial muy bueno. El disco debe articular en el vástago y la guía del vástago no debe causar efectos de fricción indebidos. Las cifras típicas requeridas para un cierre aceptable para una válvula con asiento metálico son 0,5 μm para acabado superficial y dos bandas de luz óptica para planitud. Además, para una vida útil razonable, las superficies de contacto y sellado deben tener una alta resistencia al desgaste. A diferencia de las válvulas de aislamiento ordinarias, la fuerza neta de cierre que actúa sobre el disco es relativamente pequeña, debido a que solo hay una pequeña diferencia entre la presión del sistema que actúa sobre el disco y la fuerza del muelle que se opone. Los sellos elásticos o elastoméricos incorporados en los discos de las válvulas se usan a menudo para mejorar el cierre, donde las condiciones del sistema lo permiten. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que un sello blando es a menudo más susceptible a daños que un asiento metálico.

Instalación de la válvula de seguridad

El daño al asiento a menudo puede ocurrir cuando una válvula se levanta por primera vez como parte del procedimiento general de puesta en servicio de la planta, porque muy a menudo hay suciedad y residuos presentes en el sistema. Para asegurar que la materia extraña no pase a través de la válvula, el sistema debe purgarse antes de instalar la válvula de seguridad y la válvula debe montarse donde la suciedad, incrustaciones y residuos no puedan acumularse. También es importante en aplicaciones de vapor reducir la propensión a fugas instalando la válvula de modo que el condensado no pueda acumularse en el lado aguas arriba del disco. Esto puede lograrse instalando la válvula de seguridad por encima de la tubería de vapor como se muestra en la Figura 9.5.1. Donde las válvulas de seguridad se instalan debajo de la tubería, el vapor se condensará, llenará la tubería y mojará el lado aguas arriba del asiento de la válvula de seguridad. Este tipo de instalación no se recomienda pero se muestra en la Figura 9.5.2 para referencia. Además, es esencial en todo momento asegurar que la tubería aguas abajo esté bien drenada para que no pueda ocurrir inundación aguas abajo (que también puede favorecer la corrosión y las fugas), como se muestra en la Figura 9.5.3.

Operación de la válvula de seguridad

También pueden experimentarse fugas cuando hay suciedad o incrustaciones sobre la cara del asiento. Esto generalmente ocurre durante el levantamiento periódico exigido por las compañías de seguros y los programas de mantenimiento de rutina. Un levantamiento adicional de la palanca generalmente limpiará cualquier suciedad que pueda haber en la cara del asiento. La gran mayoría de los problemas de fuga de asiento de válvulas de seguridad ocurren después de la fabricación y prueba inicial. Estos problemas generalmente resultan de daños durante el transporte, y a veces como resultado de uso indebido y contaminación, o por una instalación deficiente. La mayoría de las normas de válvulas de seguridad no incluyen parámetros detallados de cierre. Para las que sí lo hacen, los requisitos y procedimientos de prueba recomendados generalmente se basan en la norma API 527, que se usa comúnmente en toda la industria de válvulas de seguridad. El procedimiento para probar válvulas que se han ajustado con aire implica bloquear todas las rutas de fuga secundarias, mientras se mantiene la válvula al 90% de la presión de ajuste con aire (ver Figura 9.5.4). La salida de la válvula de seguridad se conecta a un tubo de 6 mm de diámetro interno, cuyo extremo se mantiene 12,7 mm por debajo de la superficie del agua contenida en un recipiente transparente adecuado. Se mide el número de burbujas descargadas por este tubo por minuto. Para la mayoría de las válvulas ajustadas por debajo de 70 bar g, el criterio de aceptación es de 20 burbujas por minuto. Para válvulas ajustadas con vapor o agua, la tasa de fuga debe evaluarse usando el medio de ajuste correspondiente. Para vapor, no debe haber fuga visible observada contra un fondo negro durante un minuto después de un período de estabilización de tres minutos. En el caso de agua, hay una pequeña tolerancia de fuga, dependiendo del área del orificio, de 10 ml por hora por pulgada del diámetro nominal de entrada. El procedimiento anterior puede ser consumidor de tiempo, por lo que es bastante común que los fabricantes empleen una prueba usando métodos alternativos, por ejemplo, usando equipos de medición de caudal precisos que están calibrados contra los parámetros establecidos en API 527. Bajo ninguna circunstancia debe aplicarse carga adicional a la palanca de alivio ni debe amordazarse la válvula para aumentar la hermeticidad del asiento. Esto afectará las características de operación y puede resultar en que la válvula de seguridad falle en levantarse en condiciones de sobrepresión. Si hay un nivel inaceptable de fuga de asiento, la válvula puede ser reacondicionada o reparada, pero solo por personal autorizado, trabajando con la aprobación del fabricante, y usando información suministrada por el fabricante. Las piezas de repuesto comúnmente suministradas típicamente incluyen muelles, discos y boquillas, sellos elásticos y juntas. Muchas válvulas tienen anillos de asiento que no son removibles y estos a veces pueden ser re-perfilados y re-lapeados en el cuerpo. Sin embargo, es importante que el tamaño del orificio del asiento se mantenga exactamente de acuerdo con los planos originales ya que esto puede alterar el área efectiva y, posteriormente, afectar la presión de ajuste. Es inaceptable que el disco se lapee directamente sobre el asiento en el cuerpo, ya que se creará una ranura en el disco que prevendrá un cierre consistente después del levantamiento. En el caso de válvulas con sello elástico, generalmente el sello (que normalmente es un ‘O-ring’ o disco) puede cambiarse en el conjunto del disco. Si se debe mantener la Aprobación de Autoridad Independiente, es obligatorio que el reparador actúe como agente aprobado del fabricante. Para válvulas aprobadas por ASME, el reparador debe estar independientemente aprobado por la Junta Nacional y posteriormente se le permite aplicar un sello ‘VR’, que indica que una válvula ha sido reparada.

Marcado

Las normas de válvulas de seguridad normalmente son muy específicas sobre la información que debe llevar la válvula. El marcado es obligatorio tanto en el cuerpo, generalmente fundido o estampado, como en la placa de identificación, que debe estar firmemente adherida a la válvula. A continuación se enumera un resumen general de la información requerida: En el cuerpo:

• Designación de tamaño.
• Designación de material del cuerpo.
• Nombre o marca registrada del fabricante.
• Flecha de dirección del flujo. En la placa de identificación:
• Presión de ajuste (en bar g para válvulas europeas y psi g para válvulas ASME).
• Número de la norma correspondiente (o sello ASME correspondiente).
• Referencia del modelo del fabricante.
• Coeficiente de descarga reducido o capacidad certificada.
• Área de flujo.
• Levantamiento y sobrepresión.
• Fecha de fabricación o número de referencia. Los sellos ASME aprobados por la Junta Nacional se aplican de la siguiente manera: V Válvulas de alivio de seguridad aprobadas ASME I. UV Válvulas de alivio de seguridad aprobadas ASME VIII. UD Dispositivos de disco de ruptura aprobados ASME VIII. NV Válvulas de alivio de presión aprobadas ASME III. VR Reparador autorizado de válvulas de alivio de presión. La Tabla 9.5.1 detalla el sistema de marcado requerido por TÜV y la Tabla 9.5.2 detalla las letras de referencia de fluido.

Instalación

Las válvulas de seguridad son elementos de precisión de equipos de seguridad; están ajustadas a tolerancias cerradas y tienen piezas internas mecanizadas con precisión. Son susceptibles a desalineación y daños si se manipulan mal o se instalan incorrectamente. Las válvulas deben transportarse verticalmente si es posible y nunca deben cargarse o levantarse por la palanca de alivio. Además, los tapones protectores y protectores de brida no deben retirarse hasta la instalación real. También se debe tener cuidado durante el movimiento de la válvula para evitar someterla a golpes excesivos, ya que esto puede resultar en daños internos considerables o desalineación.

Tubería de entrada

Al diseñar la tubería de entrada, una de las principales consideraciones es asegurar que la caída de presión en esta tubería se minimice. EN ISO 4126 recomienda que la caída de presión se mantenga por debajo del 3% de la presión de ajuste al descargar. Donde las válvulas de seguridad se conectan usando conexiones cortas de ‘taco’, la tubería de entrada debe ser al menos del mismo tamaño que la conexión de entrada de la válvula de seguridad. Para líneas más grandes o cualquier línea que incorpore codos o codillos, la conexión de rama debe ser al menos dos tamaños de tubería mayor que la conexión de entrada de la válvula de seguridad, en cuyo punto se reduce al tamaño de entrada de la válvula de seguridad (ver Figura 9.5.5a). La pérdida de presión excesiva puede llevar a ‘chatter’, que puede resultar en capacidad reducida y daños a las caras de asiento y otras piezas de la válvula. Para reducir la pérdida de presión en la entrada, se pueden adoptar los siguientes métodos:

• Aumentar el diámetro de la tubería. (ver Figura 9.5.5 (a)).
• Asegurar que las esquinas estén adecuadamente redondeadas. La norma EN ISO 4126: Parte 1 recomienda que las esquinas tengan un radio no menor a un cuarto del orificio (ver Figura 9.5.5 (b)).
• Reducir la longitud de la tubería de entrada.
• Instalar la válvula al menos de 8 a 10 diámetros de tubería aguas abajo de cualquier conexión ‘Y’ convergente o divergente, o cualquier codo (ver Figura 9.5.5 (c)).
• Nunca instalar la rama de la válvula de seguridad directamente opuesta a una rama en el lado inferior de la línea de vapor.
• Evitar ramales de derivación (como para otros procesos) en la tubería de entrada, ya que esto aumentará la caída de presión. Las válvulas de seguridad siempre deben instalarse con la tapa verticalmente hacia arriba. Instalar la válvula en cualquier otra orientación puede afectar las características de rendimiento. Las directrices de la Práctica Recomendada API 520 también establecen que la válvula de seguridad no debe instalarse al final de una larga tubería horizontal que normalmente no tiene flujo a través de ella. Esto puede llevar a la acumulación de material extraño o condensado en la tubería, que puede causar daños innecesarios a la válvula, o interferir con su operación.

Tubería de salida

Hay dos tipos posibles de sistema de descarga: abierto y cerrado. Un sistema abierto descarga directamente a la atmósfera mientras que un sistema cerrado descarga a un colector junto con otras válvulas de seguridad. Se recomienda que la tubería de descarga ascienda para sistemas de vapor y gas, mientras que para líquidos, debe descender. La tubería horizontal debe tener una pendiente descendente de al menos 1 en 100 alejándose de la válvula asegurando que cualquier descarga sea autodrenante. Es importante drenar cualquier tubería de descarga ascendente. Los ascensos verticales requerirán drenaje separado. Nota: todos los puntos de drenaje del sistema están sujetos a las mismas precauciones, notablemente que el rendimiento de la válvula no debe verse afectado, y cualquier fluido debe descargarse a una ubicación segura. Es esencial asegurar que el fluido no pueda acumularse en el lado aguas abajo de una válvula de seguridad, ya que esto perjudicará su rendimiento y causará corrosión del muelle y las piezas internas. Muchas válvulas de seguridad proporcionan una conexión de drenaje del cuerpo, si esto no se usa o no se proporciona, entonces debe instalarse un drenaje de pequeño diámetro en proximidad cercana a la salida de la válvula (ver Figura 9.5.3). Una de las principales preocupaciones en sistemas cerrados es la caída de presión o contrapresión acumulada en el sistema de descarga. Como se mencionó en el Módulo 9.2, esto puede afectar drásticamente el rendimiento de una válvula de seguridad. La norma EN ISO 4126: Parte 1 establece que la caída de presión debe mantenerse por debajo del 10% de la presión de ajuste. Para lograr esto, la tubería de descarga puede dimensionarse usando la Ecuación 9.5.1. La presión (P) debe tomarse como la caída de presión máxima permitida de acuerdo con la norma correspondiente. En el caso de EN ISO 4126: Parte 1, esto sería el 10% de la presión de ajuste y es a esta presión donde se toma vg. Ejemplo 9.5.1 Calcule el diámetro nominal de la tubería de descarga para una válvula de seguridad requerida para descargar 1 000 kg/h de vapor saturado; dado que el vapor debe descargarse a un tanque ventilado a través de la tubería, que tiene una longitud equivalente de 25 m. La presión de ajuste de la válvula de seguridad es 10 bar g y la contrapresión aceptable es el 10% de la presión de ajuste. (Asumir caída de presión cero a lo largo del tanque). Respuesta: Si se permite la contrapresión máxima del 10%, entonces la presión manométrica en la salida de la válvula de seguridad será: Por lo tanto, la tubería conectada a la salida de la válvula de seguridad debe tener un diámetro interno de al menos 54 mm. Con tubería schedule 40, esto requeriría una tubería DN65. Si no es posible reducir la contrapresión por debajo del 10% de la presión de ajuste, debe usarse una válvula de seguridad balanceada. Las válvulas de seguridad balanceadas requieren que sus tapas se ventilen a la atmósfera. En el caso del tipo fuelle balanceado, no habrá descarga del fluido de proceso, por lo que pueden ventilarse directamente a la atmósfera. La principal consideración de diseño es asegurar que esta ventilación no se bloquee, por ejemplo, por material extraño o hielo. Con el tipo pistón balanceado, debe considerarse el hecho de que el fluido de proceso puede descargarse a través de la ventilación de la tapa. Si se descarga a un sistema presurizado, la ventilación debe dimensionarse adecuadamente, para que no exista contrapresión sobre el pistón. Las válvulas de seguridad que se instalan fuera de un edificio para descarga directa a la atmósfera deben cubrirse con una campana. La campana permite la descarga del fluido, pero previene la acumulación de suciedad y otros residuos en la tubería de descarga, que podrían afectar la contrapresión. La campana también debe diseñarse para que no afecte la contrapresión.

Colectores

Los colectores deben dimensionarse de modo que en el peor caso (es decir, cuando todas las válvulas del colector están descargando), la tubería sea lo suficientemente grande para manejar sin generar niveles inaceptables de contrapresión. El volumen del colector idealmente debe aumentarse a medida que cada salida de válvula entra en él, y estas conexiones deben entrar en el colector en un ángulo no mayor de 45° con la dirección del flujo (ver Figura 9.5.6). El colector también debe asegurarse adecuadamente y drenarse donde sea necesario. Para aplicaciones de vapor, generalmente no se recomienda usar colectores, pero pueden utilizarse si se da la debida consideración a todos los aspectos del diseño e instalación.

Fuerzas de reacción al descargar

En sistemas abiertos, debe darse cuidadosa consideración a los efectos de las fuerzas de reacción generadas en el sistema de descarga cuando la válvula se levanta. En estos sistemas, habrá una fuerza resultante significativa actuando en la dirección opuesta a la de descarga. Es importante prevenir que cargas excesivas se impongan sobre la válvula o la conexión de entrada por estas fuerzas de reacción, ya que pueden causar daños a la tubería de entrada. La magnitud de las fuerzas de reacción puede calcularse usando la fórmula en la Ecuación 9.5.2: Las fuerzas de reacción son típicamente pequeñas para válvulas de seguridad con un diámetro nominal menor de 75 mm, pero válvulas de seguridad mayores que esta generalmente tienen bridas de montaje para una barra de reacción en el cuerpo para permitir que la válvula se asegure. Estas fuerzas de reacción son típicamente despreciables en sistemas cerrados, y por lo tanto pueden ignorarse. Independientemente de la magnitud de las fuerzas de reacción, la válvula de seguridad misma nunca debe usarse para soportar la tubería de descarga y debe proporcionarse un soporte para resistir el peso de la tubería de descarga. Este soporte debe ubicarse lo más cerca posible de la línea central del tubo de ventilación (ver Figura 9.5.7). Las Figuras 9.5.8 y 9.5.9 muestran instalaciones típicas de válvulas de seguridad para sistemas abiertos y cerrados.

Válvulas de cambio

Las válvulas de cambio (ver Figura 9.5.10) permiten que dos válvulas se monten lado a lado, una en servicio y una aislada. Esto significa que se puede realizar mantenimiento regular sin interrupción del servicio o del recipiente protegido. Las válvulas de cambio están diseñadas de tal manera que cuando se operan, el área de paso nunca se restringe. Las válvulas de cambio también pueden usarse para conectar las salidas de válvulas de seguridad de modo que la tubería de descarga no tenga que duplicarse. La acción de las válvulas de cambio tanto de entrada como de salida debe limitarse y sincronizarse por razones de seguridad. Esto generalmente se hace mediante un sistema de cadena que conecta ambas manivelas. Debe considerarse la pérdida de presión causada por la válvula de cambio al establecer la caída de presión de entrada de la válvula de seguridad, que debe limitarse al 3% de la presión de ajuste.

Emisión de ruido

Aunque la descarga de una válvula de seguridad no debe ocurrir frecuentemente, cuando ocurre, el ruido generado puede ser significativo. Por lo tanto es necesario determinar el nivel sonoro de las válvulas de seguridad para asegurar que no se excedan los niveles relevantes de regulación de salud y seguridad. Asumiendo una descarga de tobera de flujo sónico, un valor aproximado del nivel sonoro, LP, en decibelios en una salida de brida puede calcularse usando la fórmula dada en la Ecuación 9.5.3 (Fuente API 521). Hay varias formas de reducir el nivel de ruido, la más simple es usar tuberías de descarga de mayor diámetro, o aislar la tubería de descarga (sin embargo, la válvula no debe aislarse). También es permisible usar un silenciador en casos extremos, en cuyo caso cualquier contrapresión generada debe tenerse en cuenta.