Una válvula de seguridad es una válvula que actúa a prueba de fallas . Un ejemplo de válvula de seguridad es una válvula de alivio de presión (PRV), que libera automáticamente una sustancia de una caldera , recipiente a presión u otro sistema , cuando la presión o la temperatura exceden los límites preestablecidos. Las válvulas de alivio operadas por piloto son un tipo especializado de válvula de seguridad de presión. Una opción de uso único de emergencia a prueba de fugas, de menor costo, sería un disco de ruptura .
Las válvulas de seguridad se desarrollaron por primera vez para su uso en calderas de vapor durante la Revolución Industrial . Las primeras calderas que funcionaban sin ellos eran propensas a explosión a menos que se operaran con cuidado.
Las válvulas de seguridad de vacío (o válvulas de seguridad combinadas de presión / vacío) se utilizan para evitar que un tanque se colapse mientras se vacía, o cuando se usa agua de enjuague fría después de CIP (limpieza en el lugar) caliente o SIP (esterilización en el lugar). lugar) procedimientos. Al dimensionar una válvula de seguridad de vacío, el método de cálculo no está definido en ninguna norma, particularmente en el escenario CIP caliente / agua fría, pero algunos fabricantes [1] han desarrollado simulaciones de dimensionamiento.
Función y diseño
La primera y más simple válvula de seguridad se usó en un digestor de vapor 1679 y utilizó un peso para retener la presión del vapor (este diseño todavía se usa comúnmente en ollas a presión ); sin embargo, estos fueron fácilmente manipulados o liberados accidentalmente. En el ferrocarril de Stockton y Darlington , la válvula de seguridad tendía a apagarse cuando el motor golpeaba un bache en la vía. Una válvula menos sensible a las aceleraciones repentinas usaba un resorte para contener la presión del vapor, pero estos (basados en un balance de resorte de Salter ) aún podían atornillarse para aumentar la presión más allá de los límites de diseño. Esta peligrosa práctica se utilizó a veces para aumentar marginalmente el rendimiento de una máquina de vapor. En 1856, John Ramsbottom inventó una válvula de seguridad de resorte a prueba de manipulaciones que se volvió universal en los ferrocarriles. La válvula Ramsbottom constaba de dos válvulas de tipo tapón conectadas entre sí por un brazo pivotante cargado por resorte, con un elemento de válvula a cada lado del pivote. Cualquier ajuste realizado en una de las válvulas en un intento de aumentar su presión de funcionamiento haría que la otra válvula se levantara de su asiento, independientemente de cómo se intentó el ajuste. El punto de pivote del brazo no estaba simétricamente entre las válvulas, por lo que cualquier apriete del resorte haría que una de las válvulas se levantara. Solo quitando y desarmando todo el conjunto de la válvula se podría ajustar su presión de funcionamiento, lo que imposibilitaría el "amarre" improvisado de la válvula por parte de los equipos de locomotoras en busca de más potencia. El brazo pivotante se extendía comúnmente en forma de manija y se retroalimentaba en la cabina de la locomotora, lo que permitía a las cuadrillas sacar ambas válvulas de sus asientos para confirmar que estaban configuradas y funcionando correctamente.
Las válvulas de seguridad también evolucionaron para proteger equipos como recipientes a presión (disparados o no) e intercambiadores de calor . El término válvula de seguridad debe limitarse a aplicaciones de fluidos compresibles (gas, vapor o vapor).
Los dos tipos generales de protección que se encuentran en la industria son la protección térmica y la protección de flujo .
Para recipientes llenos de líquido, las válvulas de alivio térmico se caracterizan generalmente por el tamaño relativamente pequeño de la válvula necesaria para brindar protección contra el exceso de presión causado por la expansión térmica. En este caso, una válvula pequeña es adecuada porque la mayoría de los líquidos son casi incompresibles y, por lo tanto, una cantidad relativamente pequeña de fluido descargada a través de la válvula de alivio producirá una reducción sustancial de la presión.
La protección de flujo se caracteriza por válvulas de seguridad que son considerablemente más grandes que las montadas para protección térmica. Por lo general, están dimensionados para su uso en situaciones en las que se deben descargar rápidamente cantidades significativas de gas o grandes volúmenes de líquido para proteger la integridad del recipiente o la tubería. Alternativamente, esta protección se puede lograr mediante la instalación de un sistema de protección de presión de alta integridad (HIPPS).
Términos técnicos
En las industrias de refinación de petróleo , petroquímica , fabricación de productos químicos , procesamiento de gas natural , generación de energía , alimentos, bebidas, cosméticos y productos farmacéuticos, el término válvula de seguridad se asocia con los términos válvula de alivio de presión (PRV), válvula de seguridad de presión (PSV) y alivio. válvula . El término genérico es válvula de alivio de presión (PRV) o válvula de seguridad de presión (PSV). Los PRV y los PSV no son lo mismo, a pesar de lo que piense mucha gente; la diferencia es que los PSV tienen una palanca manual para abrir la válvula en caso de emergencia.
- Válvula de alivio (RV): un sistema automático que es accionado por la presión estática en un recipiente lleno de líquido. Se abre específicamente proporcionalmente con el aumento de la presión [ cita requerida ] .
- Válvula de seguridad (SV): un sistema automático que alivia la presión estática de un gas. Por lo general, se abre por completo, acompañado de un chasquido [ cita requerida ] .
- Válvula de alivio de seguridad (SRV): un sistema automático que alivia mediante la presión estática tanto en el gas como en el líquido. [2]
- Válvula de alivio de seguridad operada por piloto (POSRV): un sistema automático que alivia con el comando remoto de un piloto, al cual se conecta la presión estática (del equipo a proteger) [ aclaración necesaria ] .
- Válvula de seguridad de baja presión (LPSV): un sistema automático que alivia la presión estática de un gas. Se utiliza cuando la diferencia entre la presión del recipiente y la presión atmosférica ambiental es pequeña.
- Válvula de seguridad de presión de vacío (VPSV): un sistema automático que alivia la presión estática de un gas. Se utiliza cuando la diferencia de presión entre la presión del recipiente y la presión ambiental es pequeña, negativa y cercana a la presión atmosférica.
- Válvula de seguridad de presión baja y de vacío (LVPSV): un sistema automático que alivia la presión estática de un gas. Se utiliza cuando la diferencia de presión es pequeña, negativa o positiva y cercana a la presión atmosférica.
RV, SV y SRV funcionan con resorte (incluso con resorte). LPSV y VPSV son accionados por resorte o cargados por peso.
Requisitos legales y de código en la industria
En la mayoría de los países, las industrias están obligadas legalmente a proteger los recipientes a presión y otros equipos mediante el uso de válvulas de alivio. Además, en la mayoría de los países, se deben cumplir los códigos de diseño de equipos como los proporcionados por ASME , API y otras organizaciones como ISO (ISO 4126). Estos códigos incluyen estándares de diseño para válvulas de alivio y programas para inspecciones y pruebas periódicas después de que el ingeniero de la compañía haya quitado las válvulas. [3] [4]
Hoy en día, las industrias de alimentos, bebidas, cosméticos, farmacéutica y química fina exigen válvulas de seguridad higiénicas, completamente drenables y lavables en el lugar. La mayoría están hechos de acero inoxidable; las normas higiénicas son principalmente 3A en EE. UU. y EHEDG en Europa.
Desarrollo de la válvula de seguridad
Válvulas de palanca de peso muerto
La primera válvula de seguridad fue inventada por Denis Papin para su digestor de vapor , una olla a presión temprana en lugar de un motor. [5] Un peso que actuaba a través de una palanca mantenía presionada una válvula de tapón circular en el recipiente de vapor. Al usar una palanca "de acero " se requería un peso menor, también la presión se podía regular fácilmente deslizando el mismo peso hacia adelante y hacia atrás a lo largo del brazo de la palanca. Papin conservó el mismo diseño para su bomba de vapor 1707. [6] [7] Las primeras válvulas de seguridad se consideraban como uno de los controles del maquinista y requerían atención continua, de acuerdo con la carga del motor. En una famosa explosión temprana en Greenwich en 1803, uno de los motores estacionarios de alta presión de Trevithick explotó cuando el niño entrenado para operar el motor lo dejó para atrapar anguilas en el río, sin primero liberar la válvula de seguridad de su carga de trabajo. [8] En 1806, Trevithick estaba instalando pares de válvulas de seguridad, una válvula externa para el ajuste del conductor y otra sellada dentro de la caldera con un peso fijo. Este no era ajustable y se soltó a una presión más alta, con la intención de garantizar la seguridad. [9]
Cuando se usaban en locomotoras, estas válvulas traqueteaban y tenían fugas, liberando bocanadas casi continuas de vapor residual.
Válvulas de peso muerto de acción directa
Aunque la válvula de seguridad de palanca era conveniente, era demasiado sensible al movimiento de una locomotora de vapor. Por lo tanto, las primeras locomotoras de vapor usaban una disposición más simple de pesos apilados directamente sobre la válvula. Esto requirió un área de válvula más pequeña, para mantener el peso manejable, que a veces resultó inadecuado para ventilar la presión de una caldera desatendida, lo que provocó explosiones . Un peligro aún mayor era la facilidad con la que se podía atar una válvula de este tipo, para aumentar la presión y, por lo tanto, la potencia del motor, con mayor riesgo de explosión. [10]
Aunque las válvulas de seguridad de peso muerto tenían una vida útil corta en las locomotoras de vapor, permanecieron en uso en las calderas estacionarias mientras se mantuviera la energía de vapor. [11]
Válvulas de resorte directo
Las válvulas ponderadas eran sensibles a los rebotes del rudo manejo de las primeras locomotoras. Una solución fue usar un resorte liviano en lugar de un peso. Esta fue la invención de Timothy Hackworth en su Royal George de 1828. [12] Debido a la metalurgia limitada de la época, las primeras válvulas de resorte de Hackworth usaban una pila similar a un acordeón de múltiples resortes de hojas . [13]
Estas válvulas de resorte de acción directa se pueden ajustar apretando las tuercas que retienen el resorte. Para evitar alteraciones, a menudo estaban envueltos en carcasas de latón altas que también ventilaban el vapor lejos de la tripulación de la locomotora.
Válvulas de equilibrio de resorte Salter
La balanza de resortes helicoidales Salter para pesar, se fabricó por primera vez en Gran Bretaña alrededor de 1770. [14] Esto utilizó los aceros para resortes recientemente desarrollados para hacer un resorte poderoso pero compacto en una sola pieza. Una vez más, utilizando el mecanismo de palanca, tal equilibrio de resorte podría aplicarse a la fuerza considerable de una válvula de seguridad de la caldera.
La válvula de equilibrio de resorte también actuó como manómetro. Esto fue útil ya que los medidores de presión anteriores eran manómetros de mercurio difíciles de manejar y el medidor de Bourdon aún no se había inventado. [15]
Válvulas bloqueables
Persistía el riesgo de que los bomberos ataran la válvula de seguridad. [16] [17] Esto fue alentado por el hecho de que estaban equipados con tuercas de mariposa fácilmente ajustables, la práctica de ajustar la presión de trabajo de la caldera a través de la válvula de seguridad fue un comportamiento aceptado hasta bien entrada la década de 1850. [18] [19] Más tarde fue común con las válvulas Salter que se instalaran en pares, una ajustable y, a menudo, calibrada para usar como manómetro, la otra sellada dentro de una tapa cerrada para evitar manipulaciones.
Válvulas de equilibrio de resorte emparejadas
Las válvulas emparejadas a menudo también se ajustaban a presiones ligeramente diferentes, una válvula pequeña como medida de control y la válvula bloqueable se agrandaba y se fijaba permanentemente a una presión más alta, como medida de seguridad. [12] [20] Algunos diseños, como uno de Sinclair para Eastern Counties Railway en 1859, tenían el resorte de válvula con escala de presión detrás de la cúpula, frente a la cabina, y la válvula bloqueada delante de la cúpula, fuera del alcance de interferencia. [21]
Válvulas de seguridad Ramsbottom
En 1855, John Ramsbottom , más tarde superintendente de locomotoras del LNWR , describió una nueva forma de válvula de seguridad destinada a mejorar la confiabilidad y especialmente a la manipulación. Se utilizaron un par de válvulas de tapón, sostenidas por una palanca común con resorte entre ellas con un solo resorte central. Esta palanca se extendía de forma característica hacia atrás, llegando a menudo a la cabina en las primeras locomotoras. En lugar de desalentar el uso de la palanca de resorte por parte del bombero, la válvula de Ramsbottom fomentó esto. Al balancear la palanca, se liberaron las válvulas alternativamente y se comprobó que ninguna se atascara en su asiento. [22] Incluso si el bombero mantuvo la palanca hacia abajo y aumentó la fuerza en la válvula trasera, hubo una reducción correspondiente de la fuerza en la válvula delantera. [12] [23]
Se produjeron varias formas de válvula Ramsbottom. Algunos eran accesorios separados para la caldera, a través de penetraciones separadas. [23] Otros estaban contenidos en una carcasa en forma de U sujeta a una sola abertura en la carcasa de la caldera. A medida que aumentaba el diámetro de la caldera, algunas formas incluso se colocaron dentro de la carcasa de la caldera, con los resortes alojados en un hueco en el interior y solo las válvulas y la palanca de equilibrio sobresalían por fuera. [23] Estos tenían inconvenientes obvios para facilitar el mantenimiento.
- GB 1299 1299: 7 de junio de 1855: válvulas de seguridad, aparatos de alimentación para calderas de vapor.
Un inconveniente del tipo Ramsbottom fue su complejidad. Un mantenimiento deficiente o un ensamblaje incorrecto de la conexión entre el resorte y las válvulas podría provocar que la válvula ya no se abriera correctamente bajo presión. Las válvulas podrían mantenerse contra sus asientos y no abrirse o, lo que es peor, permitir que la válvula se abra pero de manera insuficiente para ventilar el vapor a una velocidad adecuada y, por lo tanto, no sea una falla obvia y notable. [24] Un montaje incorrecto de esta naturaleza provocó la explosión fatal de una caldera en 1909 en Cardiff en el ferrocarril Rhymney , a pesar de que la caldera era casi nueva, con solo ocho meses de antigüedad. [25]
Válvula Naylor
Las válvulas Naylor se introdujeron alrededor de 1866. Unadisposición de manivela redujo la tensión (extensión porcentual) del resorte, manteniendo así una fuerza más constante. [nota 1] Fueron utilizados por L&Y & NER . [26]
Válvulas "pop"
Todos los diseños de válvulas de seguridad anteriores se abrieron gradualmente y tenían una tendencia a perder una "pluma" de vapor a medida que se acercaban al "soplado", a pesar de que estaba por debajo de la presión. Cuando se abrieron, también lo hicieron parcialmente al principio y no expulsaron el vapor rápidamente hasta que la caldera estuvo muy por encima de la presión. [12]
La válvula "pop" de apertura rápida fue una solución para esto. Su construcción era simple: la válvula de tapón circular existente se cambió a una forma de "sombrero de copa" invertida, con un diámetro superior agrandado. Se instalaron en un asiento escalonado de dos diámetros a juego. Cuando estaba cerrado, la presión del vapor actuaba solo en la corona del sombrero de copa y estaba equilibrada por la fuerza del resorte. Una vez que la válvula se abrió un poco, el vapor pudo pasar por el asiento inferior y comenzó a actuar sobre el borde más grande. Esta mayor área superó la fuerza del resorte y la válvula se abrió completamente con un "pop". El vapor que escapaba en este diámetro más grande también mantenía la válvula abierta hasta que la presión había caído por debajo de aquella en la que se abrió originalmente, proporcionando histéresis . [12]
Estas válvulas coincidieron con un cambio en el comportamiento de disparo. En lugar de demostrar su virilidad mostrando siempre una pluma en la válvula, los bomberos ahora intentaban evitar ruidos ruidosos, especialmente alrededor de las estaciones o bajo el gran techo de una estación importante. Esto fue principalmente a instancias de los jefes de estación, pero los bomberos también se dieron cuenta de que cualquier soplado a través de una válvula pop desperdiciaba varios kilos de presión de la caldera; estimada en 20 psi perdidos y 16 libras o más de carbón extraído. [nota 2] [12]
Válvulas pop derivadas del diseño de patente de Adams de 1873, con un labio extendido. Las válvulas de RL Ross se patentaron en 1902 y 1904. Al principio fueron más populares en Estados Unidos, pero se generalizaron a partir de la década de 1920. [27]
Aunque las vistosas cubiertas de latón pulido sobre las válvulas de seguridad habían sido una característica de las locomotoras de vapor desde la época de Stephenson, el único ferrocarril que mantuvo esta tradición en la era de las válvulas pop fue el GWR , con sus distintivos capós de válvulas de seguridad de latón cónico y chimeneas con tapa de cobre.
Válvulas de seguridad de gran elevación Marine y Cockburn
Los avances en las calderas tubulares de agua de alta presión para uso marino imponían más exigencias a las válvulas de seguridad. Se requirieron válvulas de mayor capacidad, para ventilar con seguridad la alta capacidad de generación de vapor de estas grandes calderas. [28] A medida que aumentaba la fuerza en sus válvulas, el problema del aumento de la rigidez del resorte a medida que aumentaba su carga (como la válvula Naylor ) se volvió más crítico. [29] La necesidad de reducir el desvanecimiento de las válvulas se volvió aún más importante con las calderas de alta presión, ya que esto representaba tanto una pérdida de agua de alimentación destilada como un desgaste de los asientos de las válvulas, lo que provocaba desgaste. [28]
Las válvulas de seguridad de gran elevación son tipos de resorte de carga directa, aunque el resorte no se apoya directamente en la válvula, sino en un vástago de válvula de varilla guía. La válvula está debajo de la base del vástago, el resorte descansa sobre una brida a cierta altura por encima de esta. El mayor espacio entre la propia válvula y el asiento del resorte permite que la válvula se eleve más, más lejos del asiento. Esto da un flujo de vapor a través de la válvula equivalente a una válvula de una y media o dos veces más grande (dependiendo del diseño detallado). [29]
El diseño Cockburn Improved High Lift tiene características similares al tipo pop Ross. El vapor de escape queda parcialmente atrapado al salir y actúa sobre la base del asiento del resorte, aumentando la fuerza de elevación de la válvula y manteniendo la válvula más abierta. [29]
Para optimizar el flujo a través de un diámetro dado de válvula, se utiliza el diseño de paso total. Este tiene una acción servo , donde el vapor a través de un paso de control estrecho se deja pasar si pasa por una válvula de control pequeña. Este vapor no se agota, sino que pasa a un pistón que se utiliza para abrir la válvula principal. [28]
Hay válvulas de seguridad conocidas como PSV y se pueden conectar a manómetros (generalmente con un racor BSP de 1/2 "). Permiten aplicar una resistencia a la presión para limitar la presión forzada en el tubo del manómetro, lo que evita que se sobrepase. presurización: la materia que se ha inyectado en el manómetro, si está sobrepresurizada, se desviará a través de una tubería en la válvula de seguridad y se alejará del manómetro.
Tipos
Existe una amplia gama de válvulas de seguridad que tienen muchas aplicaciones y criterios de rendimiento diferentes en diferentes áreas. Además, se establecen normas nacionales para muchos tipos de válvulas de seguridad.
Estados Unidos
- ASME ( Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos ) Código de recipientes a presión y calderas, Sección I
- ASME ( Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos ) Código de recipientes a presión y calderas, Sección VIII, División 1
- API ( Instituto Americano del Petróleo ) Práctica recomendada 520 y Estándar API 526, Estándar API 2000 (baja presión - Tanque de almacenamiento)
Unión Europea
- ISO 4126 (armonizada con las directivas de la Unión Europea) [30]
- EN 764-7 (antigua norma CEN, armonizada con las directivas de la Unión Europea, reemplazada por EN ISO 4126-1)
- AD Merkblatt (alemán)
- PED 97/23 / CE (Directiva de equipos a presión - Unión Europea) [31]
Calentadores de agua
Se requieren válvulas de seguridad en los calentadores de agua , donde evitan desastres en ciertas configuraciones en caso de que un termostato falle. Esta válvula a veces se denomina "válvula T&P" (válvula de temperatura y presión). Todavía hay fallas espectaculares y ocasionales de los calentadores de agua más antiguos que carecen de este equipo. Las casas pueden ser arrasadas por la fuerza de la explosión. [32]
Ollas a presión
Las ollas a presión son ollas de cocción con tapa a prueba de presión. Cocinar a presión permite que la temperatura suba por encima del punto de ebullición normal del agua (100 grados Celsius al nivel del mar ), lo que acelera la cocción y la hace más completa.
Las ollas a presión suelen tener dos válvulas de seguridad para evitar explosiones. En los diseños más antiguos, una es una boquilla sobre la que se coloca un peso. El otro es un ojal de goma sellado que se expulsa en una explosión controlada si la primera válvula se bloquea. En las ollas a presión de nueva generación, si la ventilación de vapor se bloquea, un resorte de seguridad expulsará el exceso de presión y, si eso falla, la junta se expandirá y liberará el exceso de presión hacia abajo entre la tapa y la olla. Además, las ollas a presión de nueva generación tienen un enclavamiento de seguridad que bloquea la tapa cuando la presión interna excede la presión atmosférica, para evitar accidentes por una liberación repentina de vapor, alimentos y líquidos muy calientes, lo que sucedería si se quitara la tapa cuando la sartén todavía está ligeramente presurizado en el interior (sin embargo, la tapa será muy difícil o imposible de abrir cuando la olla todavía esté presurizada).
El término válvula de seguridad también se usa metafóricamente .
Ver también
- Válvula de bola
- Válvula de mariposa
- Válvulas de control
- Limitador de flujo
- Válvula de globo
- Válvula de aguja
- Válvula de alivio operada por piloto
- Válvula de seguridad
- Válvula de cierre de seguridad
Notas
- ^ Ver módulo de Young
- ^ Estas cifras se basan en dos mediciones, una caída de 225 psi a 205 psi para un LNER Clase V2 en 1952 y una caída más pequeña de 10 psi estimada en 1953 como 16 libras de carbón. [12]
Referencias
- ^ Válvula de seguridad dimensionada con respecto al CIP caliente -> Condiciones de agua fría
- ^ El manual de la válvula de alivio de seguridad , Hellemans, M. (2009), Elsevier Science, ISBN 9780080961187 , p. 6
- ^ Lista de países que aceptan el código ASME para calderas y recipientes a presión
- ^ API 520-1, Dimensionamiento y selección de dispositivos de alivio de presión
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- ^ "Juicio de HMS Rattler y Alecto" . Abril de 1845.
La presión más baja exhibida "cuando el tornillo estaba fuera del agua" (como lo llaman los oponentes del principio) fue de 34 libras, con un rango de hasta 60 libras, en la balanza de Salter.
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- ^ a b c Milton, JH (1953). Calderas de vapor marinas . Newnes. págs. 216–219.
- ^ EN ISO 4126-1 Dispositivos de seguridad para protección contra presión excesiva - Parte 1: Válvulas de seguridad (ISO 4126-1: 2004)
- ^ "Directiva PED 97/23 / CE" (PDF) . Certificazioni Tecniche Ambiente Industria . Consultado el 21 de marzo de 2015 .
- ^ Elaine Porterfield, Paul Shukovsky y Lewis Kamb (sábado 28 de julio de 2001).
enlaces externos
- Resumen esquemático principio de funcionamiento Válvula de alivio de seguridad
- Calculadora de tamaño de válvula de alivio de presión Calculadora de tamaño de PSV para caja de salida bloqueada por líquido.
- Calculadora de tamaño PSV para caja de salida de gas bloqueada. Calculadora de tamaño PSV para descarga de gas bloqueada.
- Calculadora de tamaño de PSV - caso de incendio para recipientes llenos de gas
- Calculadora de tamaño PSV - caso de incendio para recipiente lleno de líquido