Disco de ruptura

Un disco de ruptura , también conocido como disco de seguridad de presión , disco de estallido o diafragma de ruptura , es un dispositivo de seguridad de alivio de presión que no se vuelve a cerrar y que, en la mayoría de los casos, protege un recipiente a presión , un equipo o un sistema de la sobrepresurización o de condiciones de vacío potencialmente dañinas .

Un disco de ruptura es un tipo de pieza de sacrificio porque tiene una membrana de un solo uso que falla a una presión diferencial predeterminada, ya sea positiva o de vacío, y a una temperatura coincidente. La membrana suele ser de metal, ^{[ 1 ]} pero se puede usar casi cualquier material (o diferentes materiales en capas) para adaptarse a una aplicación particular. Los discos de ruptura proporcionan una respuesta instantánea (en milisegundos o microsegundos en tamaños muy pequeños) a un aumento o disminución de la presión del sistema, pero una vez que el disco se ha roto, no se vuelve a sellar. Las principales ventajas de la aplicación de discos de ruptura en comparación con el uso de válvulas de alivio de presión incluyen la estanqueidad, el costo, el tiempo de respuesta, las limitaciones de tamaño, el área de flujo y la facilidad de mantenimiento.

Los discos de ruptura se utilizan comúnmente en aplicaciones petroquímicas , aeroespaciales , de aviación , defensa, médicas, ferroviarias , nucleares , químicas , farmacéuticas , de procesamiento de alimentos y de campos petrolíferos . Pueden utilizarse como dispositivos de protección individuales o como dispositivo de alivio secundario para una válvula de seguridad convencional ; si la presión aumenta y la válvula de seguridad falla o no puede aliviar la presión con la suficiente rapidez, el disco de ruptura se romperá. Los discos de ruptura se utilizan con frecuencia en combinación con válvulas de seguridad, aislando las válvulas del proceso, lo que permite ahorrar en el mantenimiento de las válvulas y crear una solución de alivio de presión hermética. En ocasiones, para lograr la máxima fiabilidad, aunque con un coste inicial mayor, es posible evitar el uso de dispositivos de alivio de presión de emergencia mediante el desarrollo de un diseño mecánico intrínsecamente seguro que proporcione contención en todos los casos.

Aunque se fabrican habitualmente en forma de disco, estos dispositivos también se fabrican como paneles rectangulares (conocidos como paneles de ruptura, paneles de ventilación o respiraderos de explosión ) y se utilizan para proteger edificios, sistemas de transporte cerrados o cualquier espacio de grandes dimensiones de la sobrepresión, generalmente causada por una explosión. El tamaño de los discos de ruptura varía desde 3 mm ( 0,125 pulgadas ) hasta más de 1,2 m ( 4 pies ) , según la aplicación industrial. Los discos de ruptura y los paneles de ventilación se fabrican con acero al carbono , acero inoxidable , Hastelloy , grafito y otros materiales, según lo requiera el entorno de uso específico.    

Los discos de ruptura son ampliamente aceptados en la industria y se especifican en la mayoría de los códigos de diseño de equipos a presión a nivel mundial ( Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), Directiva de Equipos a Presión (PED), etc.). Estos discos pueden utilizarse para proteger las instalaciones contra presiones excesivamente altas o bien diseñarse como válvulas de un solo uso o dispositivos de activación para iniciar con alta fiabilidad y rapidez una secuencia de acciones necesarias.

En todos los discos de ruptura se utilizan dos tecnologías: de acción directa (cargada a tensión) y de pandeo inverso (compresión). Ambas tecnologías pueden combinarse con un indicador de rotura del disco para proporcionar una indicación visual y eléctrica de la falla. ^{[ 2 ]}

En el diseño tradicional de acción directa, las cargas se aplican al lado cóncavo de un disco de ruptura abovedado, estirando la cúpula hasta que las fuerzas de tracción superan la resistencia máxima a la tracción del material y el disco se rompe. Los discos de ruptura planos no tienen cúpula, pero, al aplicar presión, siguen estando sujetos a fuerzas de tracción y, por lo tanto, también son discos de acción directa. El espesor de la materia prima utilizada en la fabricación (también conocido como espesor de la banda en los discos de grafito) y el diámetro del disco determinan la presión de ruptura. La mayoría de los discos de acción directa se instalan en sistemas con una relación de operación del 80 % o inferior. ^{[ 3 ]}

En versiones posteriores de discos de acción directa, se utilizaron cortes de precisión o incisiones láser en el material durante la fabricación para debilitarlo con exactitud, lo que permitió un mayor control de la presión de ruptura. Si bien este método para discos de ruptura es efectivo, presenta limitaciones. Los discos de acción directa son propensos a la fatiga del metal causada por ciclos de presión y condiciones de operación que pueden superar los límites recomendados, provocando que el disco se rompa a una presión inferior a la indicada. Las bajas presiones de ruptura también representan un problema para esta tecnología de discos. A medida que disminuye la presión de ruptura, el espesor del material se reduce. Esto puede dar lugar a discos extremadamente delgados (similares al papel de aluminio) que son muy propensos a dañarse y tienen mayor probabilidad de desarrollar microperforaciones debido a la corrosión. Estos discos aún se utilizan con éxito en la actualidad y son los preferidos en algunas situaciones.

Los discos de ruptura por pandeo inverso son la inversión del disco de acción directa. La cúpula se invierte y la presión se aplica ahora en el lado convexo del disco. Una vez alcanzado el umbral de inversión, la cúpula colapsa y se rompe, creando una cúpula en la dirección opuesta. Mientras esto sucede, el disco se abre mediante cuchillas o puntas metálicas ubicadas a lo largo de la línea de corte en el lado aguas abajo del disco. Al someter el disco de pandeo inverso a compresión, este puede resistir ciclos de presión o condiciones pulsantes. El espesor del material de un disco de pandeo inverso es significativamente mayor que el de un disco de acción directa del mismo tamaño y presión de ruptura. El resultado es una mayor durabilidad, precisión y fiabilidad a lo largo del tiempo. La correcta instalación de los discos de pandeo inverso es esencial. Si se instala al revés, el dispositivo actuará como un disco de acción directa y, debido al mayor espesor del material, puede romperse a una presión mucho mayor que la presión de ruptura indicada. ^{[ 4 ]}

Los paneles de alivio de presión , también llamados paneles de alivio de presión , son áreas con una estructura intencionalmente debilitada que se utilizan en recintos, edificios o vehículos donde puede producirse una sobrepresión repentina. Al fallar de manera predecible, canalizan la sobrepresión o la onda de presión en la dirección donde causan un daño mínimo controlado y dirigido, en lugar de provocar una falla catastrófica de la estructura. Otro ejemplo es una pared deliberadamente debilitada en una habitación utilizada para almacenar cilindros de gas comprimido; en caso de incendio u otro accidente, la tremenda energía almacenada en el gas comprimido (posiblemente inflamable) se dirige en una dirección "segura", en lugar de provocar el colapso potencial de la estructura de manera similar a un arma termobárica .

Algunos modelos de pistola génica también utilizan un disco de ruptura, pero no como dispositivo de seguridad. Su función forma parte del funcionamiento normal del dispositivo, permitiendo un control preciso de la aplicación de partículas a la muestra mediante presión. En estos dispositivos, el disco de ruptura está diseñado para fallar dentro de un rango óptimo de presión de gas que se ha asociado empíricamente con la integración exitosa de partículas en tejidos o cultivos celulares. Algunos modelos de pistola génica ofrecen discos de diferente resistencia.