Válvulas de Alivio de Presión

Las válvulas de alivio de presión son dispositivos dotados con un resorte para el cierre automático luego del alivio y una completa apertura con una mínima sobrepresión. Son diseñadas para abrir durante una emergencia o una condición de operación anormal, para prevenir el exceso del incremento de la presión interna del fluido con respecto a un valor de presión definido [8].

La forma de las válvulas de alivio varía según su tipo y el fabricante, la Figura 55 muestra ejemplos de válvulas de los principales fabricantes, los cuales usan los códigos ASME y los estándares del API.

Conceptos básicos

Sobrepresión. Incremento de presión por arriba de la presión de ajuste del dispositivo de relevo. La sobrepresión es llamada acumulación, cuando el dispositivo de relevo se ajusta a la presión máxima permisible de trabajo.

Análisis Estático Esfuerzo en Tuberías

El análisis estático se puede definir como el estudio de las cargas causadas por fuerzas mecánicas que no varíen rápidamente en función del tiempo y que estén presentes durante la operación normal del sistema de tuberías.

Esfuerzos Ocasionales

Son producidos por cargas excepcionales cuya ocurrencia es esporádica como: viento, vibraciones en equipos, movimientos telúricos, descarga de válvulas de alivio, golpe de ariete y aquellas cargas externas que no sean constantes.Usualmente los códigos indican que para evaluar los esfuerzos ocasionales, éstos deben ser sumados a los esfuerzos en sostenido y comparan los esfuerzos totales con el esfuerzo admisible incrementado en un porcentaje que depende del código utilizado.

Las cargas eventuales u ocasionales son casos especiales de análisis y requieren el uso de software especializados y un conocimiento profundo en el tema.

Normativa

De acuerdo a la norma asme B31.3

ESFUERZOS POR CARGAS OCASIONALES

S(occ): esfuerzo por cargas ocasionales

SA: esfuerzo admisible

Sy: esfuerzo de fluencia del material

Sh: esfuerzo admisible a la temp max/Temp dis (en caliente)

ESFUERZOS PERMISIBLES B31.3

Ocasional = Sh*Eff * (Occ) Donde:Eff = Weld Joint EfficiencySh = Hot Allowable Stress Occ = Occasional Load Factor (Default = 1.33)

B31.3Los cálculos de esfuerzos permisibles dependen de los esfuerzos en caliente y en frío, que por lo general son menores que el esfuerzo de fluencia del material.

ESFUERZOS PERMISIBLES B 31.4Ocasional = 0.8 * Sy Sy = esfuerzo de fluencia del material

ESFUERZOS PERMISIBLES B 31.8Ocasional = 0.75 * Sy * OccSy = esfuerzo de fluencia del materialOcc = Occasional Load Factor (Default = 1.33)

B31.4 y B 31.8

S(occ )≤S A=1 .33 Sh

Los cálculos de esfuerzos permisibles se realizan en función al esfuerzo de fluencia del material.

a) Sistema abierto: En el cual los gases, líquidos o vapores desfogados a través de dispositivos de relevo de presión son enviados a la atmósfera o colector de líquidos como son las fosas de quema.

Reacción Fuerzas general

Durante un evento de sobrepresión, la descarga de una válvula de alivio de presión impone una carga, referida como una fuerza de reacción, en el arreglo de tuberías. Esta fuerza crea un momento de flexión que es a la vez una función de la presión y del brazo de palanca creado por la instalación. El estrés causado por la fuerza de reacción se propaga en ya través de la válvula de alivio y luego en la boquilla de la tubería de entrada y del equipo, a menos que el sistema se apoye correctamente.

II-2.3.1 Reaction Forces With Open Discharge Systems

II-2.3.1.1 Discharge Elbow. La fuerza de reacción F debido al flujo en estado estacionario tras la apertura de la válvula de seguridad incluye tanto los efectos de momento y presión. La fuerza de reacción aplicada se muestra en la Fig. II-2-1, y puede ser calculada por la siguiente ecuación:

Según ASME B31.1

Determinación de las fuerzas de reacción en sistemas de descarga abiertos

Determinar la presion en el punto de descarga del codo

P1 = Presión (absoluta). [psia]W= caudal. [lbm/hr; kg/s]A1 = área de descarga del codo [in2]h0 = entalpia a la entrada de la válvula de alivio [Btu/lbm] gc = Constante gravitacional (32.2 lbm-ft/lbf-s2)

a y b = valores comunes mostrados en la tabla II-2.2.1 codigo ASME B31.1

Determinar la velocidad en el punto de descarga del codo

V1 = velocidad de descarga en el codo. [ft/s] J=778.16 ft-lbf/Btu. h0 = entalpia a la entrada de la válvula de alivio [Btu/lbm] gc = Constante gravitacional (32.2 lbm-ft/lbf-s2)a y b = valores comunes mostrados en la tabla II-2.2.1 codigo ASME B31.1

Reacciones en la descarga del codo de la válvula

F1 = Fuerza de reacción en el punto de descarga. [psia]W= caudal (capacidad de alivio estampada en la valvula). [lbm/s]

gc = Constante gravitacional (32.2 lbm-ft/lbf-s2)V1 = Velocidad de descarga en el pto. 1. [ft/s] P1 = presión estática en el pto. 1. [psia]

Pa = presión estática en el pto. 1. [psia]V1 =Velocidad de salida en el pto. 1 [ft/s]

Según API 520 PART II

Determinación de las fuerzas de reacción en sistemas de descarga abiertos

Descarga de vapor .

La siguiente formula está basada en una condición crítica de un fluido compresible en estado estacionario que a través de un codo y una tubería vertical descarga a la atmosfera.

PARA UINIDADES IMPERIALES

PARA UNIDADES METRICAS

F= fuerza de reacción en el punto de edescarga a la atmosfera. [lbf, N]W= flujo de cualquier gas o vapor. [lbm/hr; kg/s]

k= relación de calores específicos (Cp / Cv), en las condiciones de salida

Cp= calor especifico a presión constante

Cv=calor especifico a volumen constante

T = Temperatura en la salida. [°R; °K]M = Peso molecular del fluido de proceso.A = Área de la salida en el punto de descarga [in2; mm2]P = Presión estática en el punto de descarga. [psig; barg]Descarga de un fluido con 2 fases

La siguiente formula puede ser usada para determinar las fuerzas de reacción en la entrada en una tubería con descarga abierta de un fluido bifásico. La fórmula asume que las 2 fases están en una condición de mezcla homogénea.

Unidades imperiales

Unidades métricas

F= fuerza de reacción en el punto de edescarga a la atmosfera. [lbf, N]W= caudal. [lbm/hr; kg/s]x= peso de la fracción de vapor, en las condiciones de salidag= densidad de vapor en condiciones de salida [lbm/ft3; kg/ m3]

l = densidad de líquido en condiciones de salida [lbm/ft3; kg/ m3]

A = Área de la salida en el punto de descarga [in2; mm2]Pe = Presión absoluta en la tubería de salida. [psia; kPa]Pa = Presión ambiental absoluta. [psia; kPa]

Análisis de las reacciones durante la descarga de la válvula.

Sistemas de descarga abiertos.MOMENTO DE FLEXION

Los momentos debidos a las fuerzas de reacción de la válvula pueden calcularse simplemente multiplicando la fuerza de reacción en el codo, por el brazo desde el punto donde se aplica la fuerza al sistema de tubería que se está analizando. El tiempo de descarga de la válvula puede ser sustituido por un factor de carga dinámica adecuado. En ningún caso, el momento de reacción utilizado en la conexión de la rama debajo de la válvula no debe ser menor al producto de:

F1 = Fuerza de reacción en el punto de descarga. [lb]D= brazo desde la tubería de entrada de la válvula al pto. de aplicación de la fuerza F1 . [ln]DLF= Factor de carga dinámica

Factor de carga dinámica

Amplificación dinámica de las reacciones:Los sistemas de tuberías están sometidos a cargas que varían en función del tiempo, las magnitudes de estas fuerzas y momentos son generalmente más grandes que las aplicadas en análisis estáticos. Esta amplificación de la carga es expresada en el factor de carga dinámica (DLF)

Este es definido como el la máxima relación de la deflexión dinámica en cualquier momento t para la deflexión que habría resultado de una carga estática.

Para el cálculo del DLF

Calcular el periodo de instalación de válvula de alivio T

W = peso del arreglo de la válvula de alivio (válvula, tuberías de descarga, bridas, etc) [lb].h= distancia desde el cabezal (run pipe) al center line dela tubería de salida [in].E = Modulo de Young tubería de entrada a la temperatura de diseño [lb/in2].I= Momento de inercia de la tubería de entrada [in4]

Calculo de la relación (t0/T), donde t0 [s], es el tiempo que tarda la válvula de alivio es estar total mente cerrada a totalmente abierta.

Con esta relación se entra en Fig. II-3-2 del código ASME B31.1 y se determina el DLF.

ASME B31.1 recomienda que El DLF nunca deba ser tomado menor a 1.1, ya que un valor menor a este debe ser determinado mediante un cálculo más exhaustivo o un ensayo.

SISTEMAS CERRADOS

a) Sistema cerrado con combustión: En este sistema, los gases, líquidos y vapores son conducidos por los cabezales de desfogue a los tanques de separación, desde este punto los gases se envían a los quemadores y los condensados se disponen para su recirculación al sistema, neutralización o despacho o recuperación a plantas de proceso.

6.32 Sistema cerrado. Consiste en un cabezal y ramales, los cuales recolectan el fluido relevado de los distintos dispositivos de relevo de presión, y lo conducen hacia un punto en el cual se debe disponer en forma

adecuada.

II-2.3.2 Reaction Forces With Closed Discharge Systems.

Cuando las válvulas de seguridad descargan un sistema cerrado, las fuerzas que actúan sobre el sistema de tuberías bajo flujo en estado estacionario se auto-equilibra, y no crear momentos de flexión significativos sobre el sistema de tuberías.La gran fuerza de estado estacionario actuará sólo en el punto de descarga, y la magnitud de esta fuerza puede determinada como se describe para los sistemas de descarga abierta..La válvula de alivio que descarga en un sistema de tuberías cerrado crear fuerzas desequilibradoras momentáneas que actúan sobre el sistema de tuberías durante los primeros milisegundos después activación de la válvula de alivio. Las ondas de presión viajan a través del arreglo de tuberías, tras la apertura rápida de la válvula de seguridad provocará momentos de flexión en el arreglo de tubería de descarga de la válvula y en todo el resto del sistema de tuberías. En tal caso, la diseñador debe calcular la magnitud de las cargas, y realizar una evaluación adecuada de sus efectos.

Determinación de fuerzas en sistema de descargas cerrados por ASME B31.1

Cuando las válvulas de seguridad se descargan un sistema cerrado de tuberías, las fuerzas que actúan sobre el sistema de tuberías bajo flujo en estado estacionario serán auto-equilibradas, y no crear momentos de flexión significativos en el sistema de tuberías. La gran fuerza de estado estacionario actuará sólo en el punto de descarga, y la magnitud de esta fuerza puede ser determinada como se describe para sistemas de descarga abiertos.

Las válvulas de alivio que descargan en un sistema de tuberías cerrado crean fuerzas desequilibradas momentáneas que actúan sobre el sistema de tuberías durante los primeros milisegundos siguientes y que se active la válvula de alivio. Las ondas de presión que viajan a través del sistema de tubería tras el rápido apertura de la válvula de alivio harán que los momentos de flexión en la tubería de descarga de la válvula y a través del resto del arreglo tuberías. En tal caso, el diseñador debe calcular la magnitud de las cargas, y realizar una evaluación apropiada de sus efectos.

Determinación de fuerzas en sistema de descargas cerrados por API 520 parte II

Las válvulas de alivio depresión bajo condiciones de flujo estático en sistemas cerrados de descarga usualmente no transfieren largas fuerzas y momentos de flexión a las tuberías de entradas del sistema, ya que los cambios de presión y velocidad en los sistemas cerrados son pequeños.Solo en los puntos de expansión súbita en la tubería de descarga existirán reacciones pero ninguna fuerza será significativa para ser calculada. Sin embargo para los sistemas cerrados se necesita un completo análisis temporal del sistema de tuberías para obtener las fuerzas de reacción y momentos asociados que se transfieren al sistema de tuberías de entrada.

Análisis de las reacciones durante la descarga de la válvula.

Para Sistemas de descargas cerrados (MOMENTOS DE FLEXION)

Las técnicas de análisis simplificados no se prestan fácilmente a. para determinar la presión en y las fuerzas de las reacciones, puede ser necesario un análisis tiempo-historia del sistema de tuberías para lograr valores realistas de momentos.

RECOMENDACIONES

Cálculos de momento de flexión ASME B31.1

Para satisfacer los criterios del código ASME B31.1 en la instalación de válvulas de alivio es importante la identificación y el cálculo de momento de flexión en los puntos críticos de la instalación y tener en cuenta la interacción con el sistema de tuberías considerando.

Análisis de Cargas por Expansión térmica.Análisis de Cargas por peso muerto.Análisis de Cargas por terremotos.

Otras consideraciones.

En otros diseños mecánicos hay que tener en cuenta, la interacción de cargas en la tubería cuando hay más de una válvula abierta

Cargas debido a terremotos y/o vibración en sistemas de tuberías.

II-2.1.1

Para instalaciones de válvulas de seguridad con descarga abierta, existirán cargas de expansión térmica que actúan sobre la descarga codo, la válvula, o la entrada de la válvula que no sea de la restricción a la expansión térmica como se describe a continuación.

Restricción a la expansión térmica a veces puede ocurrir debido para drenar las líneas, o cuando se proporcionan los soportes estructurales para llevar a las fuerzas de reacción asociados con la válvula de seguridad ascensor. Ejemplos de tales soportes estructurales se muestran en las Fig. sketch II-1.6 (b). Cuando existen tales restricciones, se calcularán las cargas de expansión térmica y tensiones y los efectos evaluados.

II-2.1.2

Cargas debido a la expansión térmica y la contrapresión de una válvula de seguridad con una instalación de descarga cerrada cerca puede ser lo suficiente alta para provocar un mal funcionamiento de la válvula, fuga excesiva de la válvula o de la brida, o sobrecarga de otros componentes. Las cargas debido a la expansión térmica serán evaluado para todas las combinaciones significativas de temperatura, incluyendo los casos en que la tubería de descarga está caliente siguiente operación de la válvula de seguridad.