EN
Una vàlvula de descàrrega de pressió és la darrera línia de defensa contra la sobrepresió en recipients a pressió i sistemes de canonades. L’API 520 (Part I i Part II) regula el dimensionament, la selecció i la instal·lació de dispositius de descàrrega de pressió en les indústries del refineria petrolera i sectors relacionats. L’API 521 proporciona la metodologia d’enginyeria per identificar escenaris de sobrepresió i dissenyar sistemes de descàrrega. L’API 526 normalitza les àrees d’orifici, les dimensions i les pressions nominals de les vàlvules de descàrrega de pressió d’acer brancada. Aquest article, adreçat a enginyers i professionals de l’adquisició, resumeix els principis de selecció de la pressió de taratge, la lògica de selecció de la vàlvula i el mètode de càlcul de la capacitat de descàrrega.
Fig. 1 Tall transversal d’una vàlvula convencional amb ressort vàlvula de seguretat — conjunt de seient, disc i ressort
1. Equipaments que requereixen protecció contra sobrepressió
L’API 521 exigeix protecció contra sobrepressió per a recipients de pressió, intercanviadors de calor, escalfadors amb cremador i qualsevol tram de canonada que pugui quedar bloquejat per expansió tèrmica o fluctuacions de pressió a montant.
Principi de protecció per grups: una vàlvula de seguretat protegeix un grup d’equipaments —els situats entre dues vàlvules d’aïllament i sotmesos a la mateixa font de sobrepressió— en lloc de protegir individualment cada recipient. Cal avaluar els següents escenaris de sobrepressió:
- Sortida bloquejada — tancament d’una vàlvula d’aïllament a valle que atrapa el sistema sota sobrepressió;
- Entrada de calor externa en condicions d’incendi;
- Reacció química descontrolada o expansió tèrmica del medi contingut;
- Pèrdua de serveis (aigua de refrigeració, energia elèctrica o aire d’instruments);
- Sobrepressió provocada per la fallada d’una vàlvula de control de pressió a montant.
En una planta d'àcid sulfúric, el convertidor, el recipient amortidor de descàrrega del ventilador de SO₂, el col·lector de vapor i el tambor de vapor de la caldera de recuperació de calor a pressió intermèdia són els elements clau que cal protegir.
2. Criteris clau de selecció
Tipus de vàlvula: la de càrrega per molla vàlvula de seguretat és el tipus més emprat. L'API 526 defineix catorze designacions estàndard d'orifici amb lletres, de la D a la T (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T), que cobreixen tot l'espectre habitual de requisits de capacitat d'alliberament. Quan la pressió contrària supera el 10 % de la pressió de taratge, cal seleccionar una vàlvula equilibrada amb campana. Les vàlvules pilotades poden suportar pressions contràries més altes i més variables i són adequades per a serveis nets amb alts valors de ΔP.
Pressió de taratge: segons la Secció VIII de l'ASME i l'API 520, en casos sense incendi, la pressió màxima d'alliberament és el 110 % de la pressió de disseny (10 % d'acumulació). En casos d'incendi, es permet el 121 % (21 % de sobrepresió).
Verificació de la pressió contrària: per a una vàlvula convencional amb ressort, una pressió contrària superior al 10 % de la pressió de taratge redueix la llevada i la capacitat d'evacuació. Una vàlvula equilibrada amb fuelle utilitza un fuelle la superfície efectiva del qual és igual a la superfície de l'assentament, eliminant així l'efecte de la pressió contrària sobre la pressió de taratge.
Fig. 2 Secció transversal d'una vàlvula amb ressort vàlvula de seguretat — amb muntatge de fuelle
3. Capacitat d'evacuació i dimensionament de l'orifici
L'àrea de la gola de la tovera s'ha de dimensionar per a la taxa màxima d'evacuació en condicions anormals. La norma API 520 Part I proporciona els mètodes de dimensionament per a serveis de gas/vapor, líquid i flux bifàsic.
Servei de gas/vapor (flux crític):
A = (W / (C·Kd·P1·Kb)) × √(T·Z / M)
on:
- A — àrea efectiva d'evacuació requerida;
- W — taxa de descàrrega de massa (kg/h);
- C — coeficient de gas, funció de la relació de capacitats tèrmiques k;
- Kd — coeficient efectiu de descàrrega (0,975 per a gas/vapor segons l’API 520);
- P1 — pressió de descàrrega, absoluta;
- Kb — factor de correcció per a la contrapressió;
- T — temperatura de descàrrega (K);
- Z — factor de compressibilitat;
- M — pes molecular del medi.
Notes de càlcul: cal identificar individualment cada font anormal. Per exemple, en una caldera de recuperació de calor, el cabal de descàrrega ha d’incloure la màxima generació de vapor més l’evaporació addicional provocada per la calor d’entrada del foc; altrament, l’orifici serà massa petit i la protecció fallarà.
Destinació de la descàrrega: l’API 521 exigeix que els medis inflamables i tòxics s’enviïn a una torxa o a un sistema tancat de recollida. Els escenaris de descàrrega que comportin risc d’explosió de núvol de vapor s’han d’abordar mitjançant una torxa, un sistema de baixa pressió, un sistema HIPS o una reestructuració dissenyada.
4. Requeriments d’instal·lació i canonades
Tuberies d'entrada: la norma API 520 Part II exigeix que la vàlvula de seguretat es col·loqui el més a prop possible de l'equipament protegit, i la pèrdua de pressió a la tuberia d'entrada no ha de superar el 3 % de la pressió de taratge (la «regla del 3 %»). Una pèrdua excessiva provoca vibracions (chattering) o una obertura retardada.
Tuberies de sortida: la tuberia de sortida no ha de ser suportada pel cos de la vàlvula; cal un suport independent i ha de permetre l'expansió tèrmica. La línia de descàrrega s'ha d'organitzar perquè el drenatge es faci per gravetat, per evitar que s'acumuli condensat i afecti la contrapressió.
Diverses vàlvules en un col·lector comú: quan diverses vàlvules de seguretat descarreguen en un col·lector comú, cal avaluar la contrapressió acumulada al col·lector sobre el comportament d'elevació de cadascuna de les vàlvules.
5. Estudi de cas real
Un dipòsit de reciclatge d’H₂SO₄ al 98,5 % en una planta d’àcid sulfúric es va dissenyar com a «dipòsit a pressió atmosfèrica» i no es va equipar amb una vàlvula de seguretat. Durant la posada en marxa, la vàlvula de traçat de vapor va tenir una fuita, la temperatura de l’àcid al dipòsit va pujar i es va acumular vapor. La pressió va arribar breument a 0,04 MPa, fent saltar la junta de la boca d’home a la coberta del dipòsit i permetent que l’àcid sulfúric escapés.
Posteriorment, segons els requisits de ventilació API 2000 per a dipòsits d’emmagatzematge a pressió atmosfèrica i baixa pressió, es va instal·lar un conjunt combinat de vàlvula respiradora i vàlvula de seguretat, amb una pressió de tarat de 0,03 MPa i una capacitat d’aliviar dimensionada per a la taxa màxima de generació de vapor.
Punt clau: un disseny a pressió atmosfèrica no vol dir que mai pugui produir-se una sobrepresió. L’escalfament, les reaccions químiques i les operacions incorrectes han d’incloure’s totes en l’anàlisi dels escenaris de sobrepresió.
Conclusió
La lògica d’enginyeria per a les vàlvules de seguretat es pot resumir així: configurar les vàlvules segons la font de sobrepresió (protecció per grups), dimensionar l’orifici per al cabal anormal, seleccionar el tipus de vàlvula segons la contrapressió i el medi, i controlar la pèrdua de pressió a l’entrada perquè no superi la regla del 3 %. El marc API 520/521/526 ofereix una cadena completa des de la identificació dels escenaris i el dimensionament fins a la verificació de la instal·lació. Un article posterior tractarà els discos de ruptura i el seu ús combinat amb les vàlvules de seguretat.
Referències
API 520 Part I / Part II — Dimensionament, selecció i instal·lació de dispositius de descàrrega de pressió, American Petroleum Institute (API).
API 521 — Sistemes de descàrrega i depressurització, American Petroleum Institute (API).
API 526 — Vàlvules de descàrrega de pressió d’acer brancada, American Petroleum Institute (API).
API 2000 — Ventilació de dipòsits atmosfèrics i de baixa pressió, American Petroleum Institute (API).
Codi ASME per calderes i recipients de pressió, Secció VIII, Divisió 1 — acumulació màxima del 10 % per a casos sense incendi i del 21 % per a casos d'incendi.
Shanghai Xiazhao Valve — solucions per a vàlvules de descàrrega de pressió i vàlvules especials. Per a suport en la selecció segons l'estàndard API o consultes tècniques, si us plau, poseu-vos en contacte amb el nostre equip d'enginyeria.
