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Válvulas de seguridad y alivio industriales

INTRODUCCIÓN

Es normal que en la industria se utilicen sistemas que trabajan bajo presión. Este es el caso de reactores, calderas, tanques, tuberías y muchos otros aparatos a presión que por distintas causas pueden llegar a estar sometidos a presiones superiores a las de diseño, y por lo tanto encontrarse en riesgo de explosión con sus graves consecuencias. Para evitar este riesgo se instalan en dichos sistemas presurizados válvulas de seguridad que permitan, mediante la descarga del fluido contenido, aliviar el exceso de presión.

Las válvulas de seguridad son, por lo tanto, un elemento fundamental en la industria, ampliamente utilizado y exigido reglamentariamente. Por estos motivos es importante entender adecuadamente su funcionamiento y limitaciones.

DEFINICIONES

Válvula de seguridad

Una válvula de seguridad es un sistema de alivio de presión automático actuado por la presión estática aguas arriba de la válvula y caracterizado por una apertura total rápida. Son utilizadas normalmente para vapor o gases.

Válvula de alivio

Una válvula de alivio es un sistema de alivio de presión automático actuado por la presión estática aguas arriba de la válvula. La válvula abre en proporción al incremento de la presión sobre la presión de apertura. Son utilizadas principalmente para líquidos.

Presión máxima de servicio (PMS)

Es la máxima presión de trabajo para operación permitida, de acuerdo con las normas de fabricación y condiciones de servicio adoptadas en su diseño.

Acumulación

Incremento de presión sobre el valor PMS, en porcentaje del PMS, permitido en el sistema presurizado.

Presión de tarado o disparo

Es la presión interior a la cual la válvula de alivio de presión empieza a descargar.

Test de ajuste de presión en frío

Es la presión a la cual la válvula es ajustada para disparar en el banco de tarado, incluyendo los factores de corrección para las distintas condiciones de servicio, contrapresión, temperatura, etc.

Sobrepresión (Overpressure)

Incremento de la presión sobre la presión de tarado o disparo de la válvula de alivio en porcentaje de la presión de disparo, estando la válvula completamente abierta.

Presión de cierre

Es aquella presión a la cual la válvula vuelve a cerrar una vez desaparecida la presión que originó su apertura.

Escape (Blowdown)

Es la diferencia entre la presión de disparo y la presión a la cual una válvula de presión o alivio vuelve a cerrar tras su apertura, este valor suele darse en porcentaje de la presión de tarado.

Contra presión (Backpressure)

Es la presión en el lado de descarga de la válvula de seguridad o alivio, debido a la presión existente en el sistema aguas abajo de la válvula.

La contra presión es la suma de la “contrapresión acumulada” y la “contrapresión impuesta”.

Contrapresión acumulada

Es la presión que se genera a la salida de la válvula como resultado del flujo descargado por la válvula.

Contrapresión súper impuesta

Presión en la descarga antes de que la válvula de seguridad-alivio abra, la cual es generada por fuentes externas

DESCRIPCIÓN Y PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

Una válvula de seguridad o alivio puede ser considerada como una válvula de interrupción que cierra utilizando una fuerza constante que incide directamente sobre el disco u obturador; por otro lado no necesita una fuerza externa para realizar su cometido.

Instalada en un sistema presurizado, se mantiene normalmente cerrada y abre solo si la fuerza generada por la presión es mayor que el empuje que actúa sobre el disco de cierre.

Las válvulas de seguridad están concebidas para mantener la presión del sistema en el que se encuentran instaladas mediante la descarga de tanto fluido como sea necesario para cumplir su propósito.

La fuerza de cierre del disco u obturador puede ser conseguida mediante:

  1. un peso
  2. un peso y una palanca
  3. un resorte

Las válvulas con contrapeso tienen una carrera mayor, y además un caudal mayor, que las válvulas accionadas por resorte, debido a que ésta última reacciona proporcionalmente a la carrera, mientras que la primera tiene una fuerza opositora constante.

Por otro lado, las válvulas con contra preso tienen algunas desventajas debido a la inercia de las piezas en movimiento, lo que la limita en aplicaciones donde una presión de tarado pequeña es requerida.

Las válvulas de seguridad-alivio accionadas por resorte pueden diferenciar en:

  1. válvulas convencionales
  2. válvulas balanceadas o compensadas (con fuelle)

Por otro lado, las válvulas se pueden también agrupar por:

  • Según su forma de apertura:
    1. Válvulas de seguridad de apertura instantánea: Cuando se supera la presión de tarado la válvula abre repentina y totalmente.
    2. Válvulas de alivio de presión: Cuando se supera la presión de tarado, la válvula abre proporcionalmente al aumento de presión.
  • Según su forma de actuación
  1. Válvulas de actuación directa: Son válvulas cargadas axialmente, que al alcanzar la presión de tarado abren automáticamente debido a la acción del fluido a presión sobre el cierre de la válvula
  2. Válvulas de actuación indirecta: Son válvulas accionadas por piloto. Deben actuar dsin ayuda de ninguna fuente exterior de accionamiento

Válvulas convencionales

Las válvulas de seguridad convencionales (no compensadas) son aplicables cuando no existe contrapresión en la descarga de la válvula, o cuando la contrapresión no altera la presión de tarado de la válvula y el funcionamiento de la válvula.

En la práctica se usan sin problemas cuando descargan a la atmósfera.

Pueden tener un bonete abierto o cerrado. El tipo cerrado es adecuado para servicio en líquidos, o en aquellos fluidos que no pueden ser desalojados al exterior.

En el tipo de bonete abierto, la influencia de la contrapresión es nula ya que siempre tienen descarga a la atmósfera. En caso de descarga conducida, la posible contrapresión puede incrementar o disminuir la presión de tarado en función del diseño de la válvula.

Este tipo de válvula es usualmente montada en líneas de aire comprimido, donde las fugas externas son aceptables, o para servicio en calderas de vapor, donde es necesario proteger al resorte de un excesivo calentamiento.

En el caso de las válvulas de seguridad de bonete cerrado, la contrapresión tiene siempre un efecto de incremento de la presión de tarado; además solo deberían utilizarse en el caso de que la contrapresión sea constante, pudiendo ser compensada simplemente corrigiendo la presión de tarado.

Valvula de seguridad

Válvulas compensadas mediante fuelle

La compensación del disco obturador de la válvula se hace necesario cuando existe una contrapresión variable o impredecible, como por ejemplo en planta petroquímicas donde todas las descargas de fluidos deben ser conducidas, bien por seguridad, bien por problemas medioambientales.

En las válvulas convencionales, si el resorte es comunicado a la descarga, la contrapresión actúa junto con el resorte sobre la superficie total del disco obturador por lo que la presión de apertura se incrementa (por encima de la presión de tarado).

Las válvulas compensadas están diseñadas de forma que aíslan parte del interno de la válvula del efecto de la contrapresión y lo ventea a la atmósfera.

Esto se consigue mediante el montaje de un fuelle metálico entre el vástago del disco obturador y el cuerpo de la válvula.

El área del fuelle es justamente igual al área de la boquilla de descarga, donde hace asiento el disco obturador, y su longitud permite la apertura de la válvula sin que se comprima demasiado. Su ensamblaje en el disco obturador debe ser realizado de manera que lo mantenga siempre eficazmente aislado del bonete de la válvula.

La parte superior del fuelle tiene forma de disco, el cual está prisionero entre el bonete y el cuerpo de la válvula.

El fuelle de compensación también permite aislar el resorte del fluido. A veces se da la circunstancia de que el fluido es corrosivo o no es compatible con el material del resorte por lo que se hace necesario utilizar el fuelle como elemento aislante entre el resorte y el fluido.

Válvulas de Alivio de presión, funcionamiento

Una válvula de alivio abre en proporción al incremento de la presión por encima de la presión de apertura de la válvula; esto se debe a que el área donde la presión incide no varía significativamente con la apertura.

Válvula de Seguridad de apertura instantánea, funcionamiento

Las válvulas de seguridad, por el contrario, hacen una apertura rápida, la cual se consigue mediante una ejecución especial en los internos de la válvula (disco obturador y asiento) que incrementa el área de incidencia de la presión en el disco obturador al ser levantado por la misma.

Este efecto, junto con la reacción del fluido, produce una súbita elevación del disco obturador.

El método mas comúnmente usado para conseguir este efecto es utilizar un disco obturador con un suplemento que le confiere un mayor diámetro, y por lo tanto mayor superficie, y un anillo roscado en la boquilla de descarga de manera que produzca una restricción del fluido en su escape.

Tan pronto como la presión alcanza la presión de disparo el disco obturador empieza a abrir; si el fluido es compresible se genera una presión entre la tobera del disco obturador y el anillo roscado en la boquilla. Esta presión causa una situación de desequilibrio de presiones que da como resultado un rápido levantamiento del disco obturador y, en consecuencia, un mayor desalojo de fluido. Llegado a este punto, la presión empieza a actuar sobre la superficie mas externa del disco obturador, lo que conlleva una mayor fuerza para levantar el disco, dando como resultado una casi instantánea apertura de la válvula.

Válvula de seguridad

Cuando la presión disminuye, la válvula cierra a una presión ligeramente inferior a la presión de tarado como consecuencia de la energía cinética del fluido en el escape. En la figura 3 se pueden apreciar los diferentes niveles de presión existentes. Son a diferencia de otros dispositivos de alivio (discos de ruptura, etc.) mecanismos diseñados para cerrar cuando la presión haya sido restablecida, quedando en disposición de actuar y prevenir un nuevo alivio del fluido.

Válvula de seguridad

Presión de tarado

En cuanto al valor del tarado, en general y como criterio preventivo, la presión de tarado de las válvulas de seguridad instaladas en un equipo no sobrepasará la presión de diseño ni la máxima de servicio del equipo y el dimensionado del conjunto de válvulas que protegen el equipo debe ser tal que permita aliviar la cantidad de fluido necesario para que el aumento de presión no exceda del 10 por 100 de la presión de tarado para cualquier condición de funcionamiento, y con esto nos referimos a las condiciones más desfavorables posibles.

Este criterio preventivo procede de diversas normativas para determinados equipos concretos a los cuales son de aplicación. Este es el caso de las calderas de vapor, sobre las cuales el Reglamento de Aparatos a Presión dice “… las válvulas de seguridad deberán precintarse a una presión que no exceda de un 10 por 100 a la de servicio, sin sobrepasar en ningún caso a la de diseño…. El conjunto de válvulas de seguridad bastará para evacuar todo el vapor producido en régimen máximo, sin que el aumento de presión en el interior de la caldera pueda exceder del 10 por 100 de la presión de precinto correspondiente.

Ahora bien, la presión de tarado de las válvulas de seguridad, aunque no deba sobrepasar la presión máxima de servicio, y para algunos equipos como las calderas de vapor saturado, sobrecalentadores y recalentadores de vapor, tampoco el 110 por 100 de la presión de servicio, no es conveniente que el tarado sea igual o muy cercano a la presión de servicio, ya que de ser así, estarían continuamente abriendo y aliviando fluido, así pues es importante aplicar el criterio anteriormente expuesto pero respetando un cierto diferencial de presión entre la presión de servicio y la de tarado.

Un aspecto que tiene una notable influencia en el establecimiento del punto de funcionamiento de las válvulas de seguridad es la contrapresión existente en el escape de la válvula, que puede estar generado por pérdidas de carga en la tubería de escape, presiones en la salida o por la instalación de silenciadores, filtros otros mecanismos en la tubería de escape de la válvula.

Es conveniente que cada válvula de seguridad esté provista de una palanca de apertura manual que permita descargarla a una presión inferior a la de tarado, pero hay que tener en cuenta que esta palanca, en caso de tener un peso considerable, estando en su punto, podría trasmitir cierto esfuerzo sobre el mecanismo de apertura de la válvula, con lo que debería estar diseñada para que esto no se produzca.

A continuacion facilitamos una tabla como guía orientativa para seleccionar la presión de tarado de una válvula de seguridad en función de la presión de operación.

Tabla válvula de seguridad

Montaje

El adecuado comportamiento de las válvulas de seguridad después de montadas puede estar influenciado por una instalación defectuosa o por la utilización de tuberías inadecuadas. La mala instalación de las válvulas de seguridad no solo puede llevar su destrucción, sino a dar lugar a peligrosos daños sobre las instalaciones y equipos protegidos. Así pues, las válvulas deben ser cuidadosamente manejadas durante su instalación, procurando que los esfuerzos a los que puedan estar sometidas no se transmitan a las partes internas móviles y de cierre, dañándolos.

Cada compartimento estanco de los sistemas y equipos a presión protegidos mediante válvulas de seguridad debe considerarse como independiente y ser conectado convenientemente al elemento de alivio de presión. La instalación se efectuará en la zona de vapor o gas, por encima del nivel de líquido, o a la tubería conectada a esta zona de vapor o gas.

Las válvulas de seguridad deberán montarse sobre conexiones planas o tubulares utilizadas con este fin, con sección mínima igual a la suma de las secciones de todas las válvulas montadas en ellas.

La conexión entre la válvula y el recipiente debe ser robusta y corta, sin generar estrechamientos, es decir con una sección de paso, al menos igual que el área neta de la válvula de seguridad, esta conexión debe estar diseñada para generar la mínima pérdida de presión posible entre el recipiente y la válvula, que no debería de exceder del 3 por 100 de la presión de tarado.

El tarado de la válvula hay que realizarlo en las condiciones de fluido, presión y temperatura correspondientes a su servicio, y posteriormente precintar el órgano de regulación de la presión de tarado para impedir su manipulación posterior. Si una vez instalada la válvula cambian las condiciones de operación, se desprecinta la válvula y se actúa sobre el órgano de regulación de la presión de tarado dentro del rango de presiones para el que es adecuado el resorte, si la regulación necesaria estuviera fuera del estrecho rango de presiones de ese resorte se tiene que cambiar éste y reajustarlo convenientemente, una vez realizado el ajuste la válvula debe precintarse de nuevo.

Las válvulas de seguridad deben estar dotadas de tuberías de escape independientes, las cuales deberían tener al menos igual sección que la salida de la válvula ya que la reducción en el paso de la tubería de salida produciría un aumento de la presión tras la válvula, lo que influirá en el comportamiento de ésta tal y como hemos visto anteriormente. Es importante no producir excesiva contrapresión cuando se instalen silenciosos, filtros u otros accesorios que puedan estrangular el paso de la tubería de salida, así como diseñar esta tubería de tal forma que disponga de los mínimos codos y sea lo más corta posible, produciendo una descarga segura en un punto donde no ocasione riesgos.

Así mismo, la tubería de escape deberá estar dispuesta y apoyada de forma que no transmita esfuerzos ni vibraciones a la válvula.

Una cuestión importante es la ubicación y el adecuado dimensionado de las válvulas en los equipos donde están instaladas y se tiene que tener en cuenta tanto en la fase de diseño como en posibles modificaciones posteriores que se realicen en los sistemas.

Es muy importante que no se produzcan acumulaciones de condensado en la tubería de escape de la válvula, que puedan incluso solidificar y obstruir la salida de la válvula, dañar los internos (corrosión), etc… y no puede ser posible su bloqueo por la formación de tapones de hielo.

Se evitará en lo posible instalar una válvula de cierre entre un aparato o sistema y su válvula de seguridad, con el objeto de que sea imposible el cierre ocasional de ésta, con la consiguiente anulación de la válvula de seguridad.

Mantenimiento

Es importante realizar un adecuado mantenimiento preventivo de las válvulas de seguridad de los equipos ya que supone la reducción del número de paradas de emergencia o de accidentes que puedan suceder por deficiente funcionamiento de estos elementos y la consiguiente rentabilidad y seguridad de la instalación.

Las válvulas deben ser inspeccionadas con regularidad para comprobar que están trabajando correctamente, y periódicamente deben ser desmontadas totalmente para verificar que sus distintos elementos no presentan anomalías, así como que su interior esté limpio de acumulaciones de óxido, incrustaciones o sustancias extrañas, que el asiento del disco de cierre este correctamente y que el muelle no haya perdido sus propiedades. Posteriormente deben montarse y probarse con el equipo en funcionamiento, verificándose el disparo a la presión de precinto.

Estas inspecciones, que preventivamente deberían realizarse una vez al año, están reglamentadas para algunos equipos, como es el caso del Reglamento de Aparatos a Presión, en su instrucción Técnica complementaria de aplicación a calderas, economizadores, precalentadores, sobrecalentadores y recalentadores, que establece realizar inspecciones oficiales que incluyen las válvulas de seguridad y pueden ser realizadas bien por el fabricante, el instalador o el servicio de mantenimiento de la empresa si el producto del volumen (m3) por la presión (kg/cm2) es igual o inferior a 25, o bien por una Entidad Colaboradora de la Administración si este producto es superior. Al margen de estas inspecciones oficiales, la instrucción técnica también establece que los usuarios deberán hacer examinar sus equipos al menos una vez al año.

Es conveniente actuar sobre el sistema de disparo de las válvulas de seguridad periódicamente, observando su correcto funcionamiento, y así asegurar su adecuado comportamiento en condiciones de operación.

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