Tipos de válvulas de seguridad

Una explicación completa de los muchos tipos diferentes de válvulas de seguridad disponibles, incluyendo funcionamiento, materiales de construcción y accesorios.

Tipos de válvulas de seguridad

Existe una amplia gama de válvulas de seguridad disponibles para satisfacer las muchas aplicaciones y criterios de rendimiento diferentes exigidos por diversas industrias. Además, las normas nacionales definen muchos tipos variables de válvulas de seguridad. La norma ASME I y ASME VIII para aplicaciones de calderas y recipientes a presión y la norma ASME/ANSI PTC 25.3 para válvulas de seguridad y de alivio proporcionan las siguientes definiciones. Estas normas establecen características de rendimiento así como la definición de los diferentes tipos de válvulas de seguridad que se utilizan: Válvula ASME I - Una válvula de alivio de seguridad que cumple con los requisitos de la Sección I del código de recipientes a presión ASME para aplicaciones de calderas que se abrirá dentro del 3% de sobrepresión y se cerrará dentro del 4%. Generalmente contará con dos anillos de blowdown, y está identificada por un sello ‘V’ de la National Board. Válvula ASME VIII - Una válvula de alivio de seguridad que cumple con los requisitos de la Sección VIII del código de recipientes a presión ASME para aplicaciones de recipientes a presión que se abrirá dentro del 10% de sobrepresión y se cerrará dentro del 7%. Identificada por un sello ‘UV’ de la National Board.

• Válvula de seguridad de elevación baja - La posición real del disco determina el área de descarga de la válvula.
• Válvula de seguridad de elevación total - El área de descarga no está determinada por la posición del disco.
• Válvula de seguridad de orificio completo - Una válvula de seguridad sin protuberancias en el orificio, y en la que la válvula se eleva lo suficiente para que el área mínima en cualquier sección, en o por debajo del asiento, se convierta en el orificio de control.
• Válvula de alivio de seguridad convencional - La carcasa del muelle está ventilada al lado de descarga, por lo tanto las características operativas se ven afectadas directamente por cambios en la contrapresión de la válvula.
• Válvula de alivio de seguridad balanceada - Una válvula balanceada incorpora un medio para minimizar el efecto de la contrapresión en las características operativas de la válvula.
• Válvula de alivio de presión operada por piloto - El principal dispositivo de alivio está combinado con, y es controlado por, un dispositivo auxiliar de alivio de presión auto-accionado.
• Válvula de alivio de seguridad accionada por energía - Una válvula de alivio de presión en la que el principal dispositivo de alivio de presión está combinado con, y controlado por, un dispositivo que requiere una fuente de energía externa. Los siguientes tipos de válvulas de seguridad se definen en la norma DIN 3320, que se aplica a válvulas de seguridad vendidas en Alemania y otras partes de Europa:
• Válvula de seguridad estándar - Una válvula que, después de abrirse, alcanza el grado de elevación necesario para que el caudal másico se descargue dentro de un aumento de presión de no más del 10%. (La válvula se caracteriza por una acción tipo pop y a veces se conoce como elevación alta).
• Válvula de seguridad de elevación total (Vollhub) - Una válvula de seguridad que, después del inicio de la elevación, se abre rápidamente dentro de un aumento de presión del 5% hasta la elevación completa según lo limitado por el diseño. La cantidad de elevación hasta la apertura rápida (rango proporcional) no debe ser más del 20%.
• Válvula de seguridad de carga directa - Una válvula de seguridad en la que la fuerza de apertura debajo del disco de la válvula se opone por una fuerza de cierre como un muelle o un peso.
• Válvula de seguridad proporcional - Una válvula de seguridad que se abre más o menos gradualmente en relación con el aumento de presión. No ocurrirá una apertura súbita dentro de un rango de elevación del 10% sin un aumento de presión. Después de abrirse dentro de una presión de no más del 10%, estas válvulas de seguridad alcanzan la elevación necesaria para que el flujo másico se descargue.
• Válvula de seguridad de diafragma - Una válvula de seguridad de carga directa donde los elementos lineales móviles y rotativos y los muelles están protegidos contra los efectos del fluido por un diafragma.
• Válvula de seguridad con fuelle - Una válvula de seguridad de carga directa donde los elementos deslizantes y (parcial o totalmente) rotativos y los muelles están protegidos contra los efectos de los fluidos por un fuelle. El fuelle puede ser de tal diseño que compense las influencias de la contrapresión.
• Válvula de seguridad controlada - Consiste en una válvula principal y un dispositivo de control. También incluye válvulas de seguridad de acción directa con carga suplementaria en la que, hasta que se alcanza la presión de ajuste, una fuerza adicional aumenta la fuerza de cierre. EN ISO 4126 enumera las siguientes definiciones de tipos de válvulas de seguridad:
• Válvula de seguridad - Una válvula que automáticamente, sin la asistencia de ninguna energía distinta a la del fluido en cuestión, descarga una cantidad del fluido para evitar que se supere una presión segura predeterminada, y que está diseñada para volver a cerrarse y prevenir un mayor flujo de fluido después de que se hayan restablecido las condiciones normales de presión de servicio. Nota: la válvula puede caracterizarse ya sea por acción pop (apertura rápida) o por abrirse en proporción (no necesariamente lineal) al aumento de presión sobre la presión de ajuste.
• Válvula de seguridad de carga directa - Una válvula de seguridad en la que la carga debida a la presión del fluido debajo del disco de la válvula solo se opone por un dispositivo de carga mecánica directa como un peso, palanca y peso, o un muelle.
• Válvula de seguridad asistida - Una válvula de seguridad que por medio de un mecanismo de asistencia motorizado, puede elevarse adicionalmente a una presión inferior a la presión de ajuste y cumplirá, incluso en caso de falla del mecanismo de asistencia, con todos los requisitos para válvulas de seguridad dados en la norma.
• Válvula de seguridad con carga suplementaria - Una válvula de seguridad que tiene, hasta que la presión en la entrada de la válvula de seguridad alcance la presión de ajuste, una fuerza adicional que aumenta la fuerza de sellado. Nota: esta fuerza adicional (carga suplementaria), que puede proporcionarse mediante una fuente de energía externa, se libera de manera fiable cuando la presión en la entrada de la válvula de seguridad alcanza la presión de ajuste. La cantidad de carga suplementaria se dispone de tal manera que si dicha carga suplementaria no se libera, la válvula de seguridad alcanzará su capacidad de descarga certificada a una presión no mayor de 1,1 veces la presión máxima admisible del equipo a proteger.
• Válvula de seguridad operada por piloto - Una válvula de seguridad cuya operación es iniciada y controlada por el fluido descargado desde una válvula piloto, que es en sí misma una válvula de seguridad de carga directa sujeta a los requisitos de la norma. La siguiente tabla resume el rendimiento de los diferentes tipos de válvulas de seguridad establecidos por las diversas normas.

Válvulas de seguridad convencionales

La característica común compartida entre las definiciones de válvulas de seguridad convencionales en las diferentes normas, es que sus características operativas se ven afectadas por cualquier contrapresión en el sistema de descarga. Es importante señalar que la contrapresión total se genera a partir de dos componentes: la contrapresión impuesta y la contrapresión acumulada:

• Contrapresión impuesta - La presión estática que existe en el lado de salida de una válvula cerrada.
• Contrapresión acumulada - La presión adicional generada en el lado de salida cuando la válvula está descargando. Posteriormente, en una válvula de seguridad convencional, solo la contrapresión impuesta afectará la característica de apertura y el valor de ajuste, pero la contrapresión combinada alterará la característica de blowdown y el valor de recierre. La norma ASME/ANSI hace la clasificación adicional de que las válvulas convencionales tienen una carcasa de muelle ventilada al lado de descarga de la válvula. Si la carcasa del muelle está ventilada a la atmósfera, cualquier contrapresión impuesta seguirá afectando las características operativas. Esto puede verse en la Figura 9.2.1, que muestra diagramas esquemáticos de válvulas cuyas carcasas de muelle están ventiladas al lado de descarga de la válvula y a la atmósfera.

Considerando las fuerzas que actúan sobre el disco (con área AD), se puede ver que la fuerza de apertura requerida (equivalente al producto de la presión de entrada (PV) y el área de la tobera (AN)) es la suma de la fuerza del muelle (FS) y la fuerza debida a la contrapresión (PB) que actúa sobre la parte superior e inferior del disco. En el caso de una carcasa de muelle ventilada al lado de descarga de la válvula (una válvula de alivio de seguridad convencional ASME, ver Figura 9.2.1 (a)), la fuerza de apertura requerida es:

PV AN = FS + PB AD - PB (AD - AN ) que se simplifica a Ecuación 9.2.1

Por lo tanto, cualquier contrapresión impuesta tenderá a aumentar la fuerza de cierre y la presión de entrada requerida para levantar el disco será mayor.

En el caso de una válvula cuya carcasa de muelle está ventilada a la atmósfera (Figura 9.2.1b), la fuerza de apertura requerida es:

Así, la contrapresión impuesta actúa con la presión del recipiente para vencer la fuerza del muelle, y la presión de apertura será menor de lo esperado.

En ambos casos, si existe una contrapresión impuesta significativa, sus efectos sobre la presión de ajuste deben considerarse al diseñar un sistema de válvulas de seguridad. Una vez que la válvula comienza a abrirse, los efectos de la contrapresión acumulada también deben tenerse en cuenta. Para una válvula de seguridad convencional con la carcasa del muelle ventilada al lado de descarga de la válvula, ver Figura 9.2.1 (a), el efecto de la contrapresión acumulada puede determinarse considerando la Ecuación 9.2.1 y notando que una vez que la válvula comienza a abrirse, la presión de entrada es la suma de la presión de ajuste, PS, y la sobrepresión, PO. (PS + PO) AN = FS + PB AN que se simplifica a Ecuación 9.2.3

Válvulas de seguridad balanceadas

Las válvulas de seguridad balanceadas son aquellas que incorporan un medio para eliminar los efectos de la contrapresión. Hay dos diseños básicos que pueden usarse para lograr esto: Válvula de seguridad balanceada de tipo pistón. Aunque hay varias variaciones de la válvula de pistón, generalmente consisten en un disco de tipo pistón cuyo movimiento está restringido por una guía ventilada. El área de la cara superior del pistón, AP, y el área del asiento de la tobera, AN, están diseñadas para ser iguales. Esto significa que las áreas efectivas de ambas superficies superior e inferior del disco expuestas a la contrapresión son iguales, y por lo tanto cualquier fuerza adicional está equilibrada. Además, la tapa del muelle está ventilada de modo que la cara superior del pistón está sujeta a la presión atmosférica, como se muestra en la Figura 9.2.2.

Considerando las fuerzas que actúan sobre el pistón, es evidente que este tipo de válvula ya no se ve afectada por ninguna contrapresión:

Válvula de seguridad balanceada de tipo fuelle. Un fuelle con un área efectiva (AB) equivalente al área del asiento de la tobera (AN) está unido a la superficie superior del disco y a la guía del vástago. La disposición del fuelle impide que la contrapresión actúe sobre el lado superior del disco dentro del área del fuelle. El área del disco que se extiende más allá del fuelle y el área opuesta del disco son iguales, de modo que las fuerzas que actúan sobre el disco están equilibradas, y la contrapresión tiene poco efecto sobre la presión de apertura de la válvula. La ventilación del fuelle permite que el aire fluya libremente dentro y fuera del fuelle a medida que se expande o contrae. La falla del fuelle es una preocupación importante al usar una válvula de seguridad balanceada de fuelle, ya que esto puede afectar la presión de ajuste y la capacidad de la válvula. Por lo tanto, es importante que exista algún mecanismo para detectar cualquier flujo de fluido inusual a través de las ventilaciones del fuelle. Además, algunas válvulas de seguridad balanceadas de fuelle incluyen un pistón auxiliar que se usa para superar los efectos de la contrapresión en caso de falla del fuelle. Este tipo de válvula de seguridad generalmente se usa solo en aplicaciones críticas en las industrias petrolera y petroquímica. Además de reducir los efectos de la contrapresión, el fuelle también sirve para aislar la guía del vástago y el muelle del fluido del proceso; esto es importante cuando el fluido es corrosivo. Dado que las válvulas de alivio de presión balanceadas son típicamente más caras que sus contrapartes no balanceadas, se usan comúnmente solo donde los colectores de alta presión son inevitables, o en aplicaciones críticas donde se requiere una presión de ajuste o un blowdown muy precisos.

Válvula de seguridad operada por piloto

Este tipo de válvula de seguridad utiliza el propio medio fluido, a través de una válvula piloto, para aplicar la fuerza de cierre sobre el disco de la válvula de seguridad. La válvula piloto es en sí misma una pequeña válvula de seguridad. Hay dos tipos básicos de válvulas de seguridad operadas por piloto, a saber, los tipos diafragma y pistón. El tipo diafragma típicamente solo está disponible para aplicaciones de baja presión y produce una acción de tipo proporcional, característica de las válvulas de alivio usadas en sistemas de líquidos. Por lo tanto, son de poca utilidad en sistemas de vapor, y en consecuencia, no se considerarán en este texto. La válvula tipo pistón consiste en una válvula principal, que utiliza un dispositivo de cierre con forma de pistón (u obturador), y una válvula piloto externa. La Figura 9.2.4 muestra un diagrama de una válvula de seguridad operada por piloto tipo pistón típica.

El pistón y la disposición de asiento incorporados en la válvula principal están diseñados de modo que el área inferior del pistón, expuesta al fluido de entrada, es menor que el área de la parte superior del pistón. Como ambos extremos del pistón están expuestos al fluido a la misma presión, esto significa que bajo condiciones normales de operación del sistema, la fuerza de cierre, resultante del área superior más grande, es mayor que la fuerza de entrada. La fuerza neta descendente resultante mantiene firmemente el pistón en su asiento.

Si la presión de entrada aumentara, la fuerza neta de cierre sobre el pistón también aumenta, asegurando que se mantenga continuamente un cierre hermético. Sin embargo, cuando la presión de entrada alcanza la presión de ajuste, la válvula piloto se abrirá en pop para liberar la presión del fluido sobre el pistón. Con mucha menos presión del fluido actuando sobre la superficie superior del pistón, la presión de entrada genera una fuerza neta ascendente y el pistón abandonará su asiento. Esto hace que la válvula principal se abra en pop, permitiendo que el fluido del proceso se descargue. Cuando la presión de entrada se ha reducido lo suficiente, la válvula piloto se recerrará, previniendo la liberación adicional de fluido de la parte superior del pistón, restableciendo así la fuerza neta descendente, y haciendo que el pistón se reasiente. Las válvulas de seguridad operadas por piloto ofrecen un buen rendimiento de sobrepresión y blowdown (se puede lograr un blowdown del 2%). Por esta razón, se usan donde se requiere un margen estrecho entre la presión de ajuste y la presión de operación del sistema. Las válvulas operadas por piloto también están disponibles en tamaños mucho mayores, lo que las convierte en el tipo preferido de válvula de seguridad para capacidades mayores. Una de las principales preocupaciones con las válvulas de seguridad operadas por piloto es que las tuberías de conexión del piloto de pequeño diámetro son susceptibles a obstrucciones por materia extraño, o debido a la acumulación de condensado en estas tuberías. Esto puede llevar a la falla de la válvula, ya sea en posición abierta o cerrada, dependiendo de dónde ocurra la obstrucción.

Válvulas de seguridad de elevación total, elevación alta y elevación baja

Los términos elevación total, elevación alta y elevación baja se refieren a la cantidad de recorrido que experimenta el disco al moverse desde su posición cerrada hasta la posición requerida para producir la capacidad de descarga certificada, y cómo esto afecta la capacidad de descarga de la válvula. Una válvula de seguridad de elevación total es aquella en la que el disco se eleva lo suficiente, de modo que el área de cortina ya no influye en el área de descarga. El área de descarga, y por lo tanto la capacidad de la válvula, se determinan posteriormente por el área del orificio. Esto ocurre cuando el disco se eleva una distancia de al menos un cuarto del diámetro del orificio. Una válvula de seguridad convencional de elevación total es a menudo la mejor opción para aplicaciones generales de vapor. El disco de una válvula de seguridad de elevación alta se eleva una distancia de al menos 1/12 del diámetro del orificio. Esto significa que el área de cortina, y en última instancia la posición del disco, determina el área de descarga. Las capacidades de descarga de las válvulas de elevación alta tienden a ser significativamente menores que las de las válvulas de elevación total, y para una capacidad de descarga dada, generalmente es posible seleccionar una válvula de elevación total que tenga un tamaño nominal varias veces menor que una válvula de elevación alta correspondiente, lo que generalmente implica ventajas de costo. Además, las válvulas de elevación alta tienden a usarse en fluidos compresibles donde su acción es más proporcional. En las válvulas de elevación baja, el disco solo se eleva una distancia de 1/24 del diámetro del orificio. El área de descarga está determinada completamente por la posición del disco, y como el disco solo se eleva una pequeña cantidad, las capacidades tienden a ser mucho menores que las de las válvulas de elevación total o alta.

Materiales de construcción

Excepto cuando las válvulas de seguridad están descargando, las únicas partes que son mojadas por el fluido del proceso son el conducto de entrada (tobera) y el disco. Dado que las válvulas de seguridad operan infrecuentemente bajo condiciones normales, todos los demás componentes pueden fabricarse con materiales estándar para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, hay varias excepciones, en cuyo caso deben usarse materiales especiales, que incluyen:

• Aplicaciones criogénicas.
• Fluidos corrosivos.
• Donde no se permite la contaminación del fluido descargado.
• Cuando la válvula descarga a un colector que contiene medios corrosivos descargados por otra válvula. Los principales componentes que contienen presión de las válvulas de seguridad normalmente se construyen con uno de los siguientes materiales:
• Bronce - Comúnmente usado para pequeñas válvulas roscadas para uso general en aplicaciones de vapor, aire y agua caliente (hasta 15 bar).
• Hierro fundido - Usado extensamente para válvulas tipo ASME. Su uso está típicamente limitado a 17 bar g.
• Hierro SG - Comúnmente usado en válvulas europeas y para reemplazar el hierro fundido en válvulas de mayor presión (hasta 25 bar g).
• Acero fundido - Comúnmente usado en válvulas de mayor presión (hasta 40 bar g). Las válvulas de tipo proceso generalmente se fabrican con un cuerpo de acero fundido con una construcción de tobera completa austenítica.
• Acero inoxidable austenítico - Usado en aplicaciones alimentarias, farmacéuticas o de vapor limpio. Para aplicaciones de presión extremadamente alta, los componentes que contienen presión pueden ser forjados o mecanizados a partir de sólido. Para todas las válvulas de seguridad, es importante que las piezas móviles, particularmente el vástago y las guías, estén hechas de materiales que no se degraden o corroan fácilmente. Como los asientos y discos están constantemente en contacto con el fluido del proceso, deben ser capaces de resistir los efectos de la erosión y la corrosión. Para aplicaciones de proceso, el acero inoxidable austenítico se usa comúnmente para asientos y discos; a veces están ‘recubiertos de stellite’ para mayor durabilidad. Para fluidos extremadamente corrosivos, las toberas, discos y asientos se fabrican con aleaciones especiales como ‘monel’ o ‘hastelloy’. El muelle es un elemento crítico de la válvula de seguridad y debe proporcionar un rendimiento fiable dentro de los parámetros requeridos. Las válvulas de seguridad estándar usarán típicamente acero al carbono para temperaturas moderadas. El acero al tungsteno se usa para aplicaciones de alta temperatura no corrosivas, y el acero inoxidable se usa para servicios corrosivos o de vapor limpio. Para gases ácidos y aplicaciones de alta temperatura, a menudo se usan materiales especiales como monel, hastelloy e ‘inconel’.

Opciones y accesorios de válvulas de seguridad

Debido a la amplia gama de aplicaciones en las que se usan las válvulas de seguridad, hay varias opciones diferentes disponibles: Material de asiento Una opción clave es el tipo de material de asiento utilizado. Los asientos metal-metal, comúnmente hechos de acero inoxidable, se usan normalmente para aplicaciones de alta temperatura como el vapor. Alternativamente, se pueden fijar discos elásticos en una o ambas superficies de asiento donde se requiere un cierre más hermético, típicamente para aplicaciones de gas o líquido. Estos insertos pueden fabricarse con varios materiales diferentes, pero Viton, nitrilo o EPDM son los más comunes. Los insertos de sello blando generalmente no se recomiendan para uso con vapor. Tabla 9.2.2 Materiales de asiento usados en válvulas de seguridad

Palancas Las válvulas de seguridad estándar generalmente se equipan con una palanca de alivio, que permite elevar manualmente la válvula para asegurar que esté operativa a presiones superiores al 75% de la presión de ajuste. Esto generalmente se hace como parte de las verificaciones de seguridad de rutina, o durante el mantenimiento para prevenir el agarrotamiento. La instalación de una palanca es generalmente un requisito de las normas nacionales y las compañías de seguros para aplicaciones de vapor y agua caliente. Por ejemplo, el Código de Calderas y Recipientes a Presión ASME establece que las válvulas de alivio de presión deben equiparse con una palanca si se van a usar en aire, agua por encima de 60°C y vapor. Una palanca estándar o abierta es el tipo más simple de palanca disponible. Se usa típicamente en aplicaciones donde una pequeña cantidad de fuga del fluido a la atmósfera es aceptable, como en sistemas de vapor y aire (ver Figura 9.2.5 (a)). Donde no es aceptable que el medio escape, debe usarse una palanca empaquetada. Esta utiliza un sello de prensaestopas empaquetado para asegurar que el fluido esté contenido dentro de la tapa (ver Figura 9.2.5 (b)).

Para servicios donde no se requiere una palanca, puede usarse una tapa para simplemente proteger el tornillo de ajuste. Si se usa junto con una junta, puede usarse para prevenir emisiones a la atmósfera (ver Figura 9.2.6).

Una mordaza de prueba (Figura 9.2.7) puede usarse para prevenir que la válvula se abra a la presión de ajuste durante las pruebas hidráulicas al poner en servicio un sistema. Una vez probado, el tornillo de mordaza se retira y se reemplaza con un tapón ciego corto antes de que la válvula se ponga en servicio.

Tapas abiertas y cerradas A menos que se utilice sellado con fuelle o diafragma, el fluido del proceso entrará en la carcasa del muelle (o tapa). La cantidad de fluido depende del diseño particular de la válvula de seguridad. Si la emisión de este fluido a la atmósfera es aceptable, la carcasa del muelle puede ventilarse a la atmósfera: una tapa abierta. Esto generalmente es ventajoso cuando la válvula de seguridad se usa en fluidos de alta temperatura o para aplicaciones de calderas, ya que, de lo contrario, las altas temperaturas pueden relajar el muelle, alterando la presión de ajuste de la válvula. Sin embargo, usar una tapa abierta expone el muelle y los componentes internos de la válvula a las condiciones ambientales, lo que puede causar daños y corrosión del muelle. Cuando el fluido debe ser contenido completamente por la válvula de seguridad (y el sistema de descarga), es necesario usar una tapa cerrada, que no está ventilada a la atmósfera. Este tipo de carcasa de muelle se usa casi universalmente en válvulas roscadas pequeñas y se está volviendo cada vez más común en muchas gamas de válvulas ya que, particularmente en vapor, la descarga del fluido podría ser peligrosa para el personal.

Sellado con fuelle y diafragma Algunas válvulas de seguridad, las más comunes son las usadas para aplicaciones de agua, incorporan un diafragma o fuelle flexible para aislar el muelle y la cámara superior de la válvula de seguridad del fluido del proceso (ver Figura 9.2.9).

Un fuelle o diafragma de elastómero se usa comúnmente en aplicaciones de agua caliente o calefacción, mientras que uno de acero inoxidable se usaría en aplicaciones de proceso que emplean fluidos peligrosos.