Control de sobretensiones

El control de sobretensiones consiste en el uso de diferentes técnicas y equipos en un sistema hidráulico para evitar cualquier aumento excesivo de presión (también conocido como sobrepresión) que pudiera provocar que la presión del proceso hidráulico supere la presión máxima de trabajo del equipo mecánico utilizado en el sistema.

Las sobretensiones hidráulicas se producen cuando la velocidad de un fluido cambia repentinamente y se vuelve inestable o transitoria. Las fluctuaciones en la velocidad del fluido se generan por restricciones como el arranque/parada de una bomba , la apertura/cierre de una válvula o la reducción del diámetro de la tubería. ^{[ 1 ]} Las sobretensiones hidráulicas pueden generarse en cuestión de segundos en cualquier punto donde cambie la velocidad del fluido y pueden propagarse a través de una tubería a muy alta velocidad, dañando el equipo o provocando fallas en las tuberías por sobrepresión. Los sistemas de alivio de sobretensiones absorben y limitan las sobretensiones de alta presión, impidiendo que se propaguen a través del sistema hidráulico. Los dispositivos para controlar las sobretensiones hidráulicas incluyen válvulas de alivio de sobretensión con carga de gas, válvulas de seguridad de presión con resorte, válvulas pilotadas, supresores de sobretensión y discos de ruptura.

Los productos de control de sobretensiones se han utilizado durante décadas en numerosas industrias para proteger la presión máxima de trabajo de los sistemas hidráulicos. Las aplicaciones típicas de los equipos de alivio de sobretensiones incluyen tuberías en estaciones de bombeo , colectores de recepción en instalaciones de almacenamiento, control de contrapresión, carga y descarga marítima, aplicaciones específicas donde se generan sobretensiones por el sistema de automatización, o cualquier ubicación considerada crítica por una empresa de ingeniería que realice un análisis de sobretensiones.

Los supresores de sobretensión actúan como amortiguadores de pulsaciones . La mayoría de estos dispositivos constan de un tanque metálico con una vejiga elástica interna. Dentro del tanque, se presuriza la parte superior de la vejiga con gas comprimido , mientras que el producto ingresa por la parte inferior del recipiente a presión. El gas en la vejiga mantiene el sistema en el punto de ajuste. Durante el funcionamiento normal, a medida que aumenta la presión en el proceso, la vejiga interna se contrae debido al incremento de presión, permitiendo que el líquido se desplace hacia el recipiente a presión del supresor de sobretensión, aumentando así su volumen. Este aumento de volumen físico evita que la presión alcance niveles peligrosos.

Ventajas:

• Velocidad de respuesta muy rápida.
• Cero pérdida de producto en el oleoducto debido a un evento de sobrepresión.
• Puede utilizarse tanto como supresor de sobretensiones como para aliviarlas.

Desventajas:

• Capacidad limitada de volumen para el alivio de picos de demanda.
• El supresor de sobretensiones debe estar lo más cerca posible del área donde se genera la sobretensión. Los supresores de sobretensiones pueden ser muy grandes dependiendo del calibre de la línea.
• Tiene una presión máxima de trabajo limitada.

Un disco de ruptura , también conocido como disco de estallido o diafragma de ruptura, es un dispositivo de alivio de presión de un solo uso y no resellable que, en la mayoría de los casos, protege un recipiente a presión, equipo o sistema de la sobrepresurización o de condiciones de vacío potencialmente dañinas. ^{[ 2 ]} Un disco de ruptura es una pieza de sacrificio porque tiene una membrana de un solo uso que falla a una presión diferencial predeterminada, ya sea positiva o de vacío. La membrana suele ser de metal, pero se puede usar casi cualquier material para adaptarse a una aplicación particular. Los discos de ruptura proporcionan una respuesta instantánea (en milisegundos) a un aumento o disminución de la presión del sistema, pero una vez que el disco se ha roto, no se volverá a sellar. Debido a que este disco es de un solo uso, se requiere que alguien reemplace la placa una vez que se haya roto. Los dispositivos de un solo uso son inicialmente rentables, pero pueden volverse laboriosos y consumir mucho tiempo para cambiarlos repetidamente.

Ventajas:

• Aísla el equipo de las condiciones del proceso, protegiéndolo hasta que sea necesario para una sobretensión.
• Instalación rentable.
• Tiempo de respuesta muy rápido.

Desventajas:

• De un solo uso.
• Requiere tiempo de inactividad para su reemplazo.
• Un disco de ruptura tiene un único punto de ajuste.
• Liberación incontrolable de grandes cantidades de sustancias nocivas.

Las válvulas de seguridad de presión con resorte utilizan un resorte comprimido para mantener la válvula cerrada. La válvula permanecerá cerrada hasta que la presión del proceso supere el valor de ajuste del resorte. La válvula se abrirá completamente al alcanzar dicho valor y permanecerá abierta hasta que se alcance un factor de purga determinado. Generalmente, este factor de purga es un porcentaje del valor de ajuste, como el 20 %. Esto significa que la válvula permanecerá abierta hasta que la presión del proceso disminuya un 20 % por debajo del valor de ajuste de la válvula de alivio con resorte.

Ventajas:

• Se abre al 100% cuando se alcanza el punto de ajuste.
• Fácil de instalar y mantener.
• Alta capacidad de flujo o valor Cv en el servicio de gas.

Desventajas:

• Presenta un factor de purga inherente al diseño de la válvula.
• El resorte se deforma, lo que provoca que el punto de ajuste varíe con el tiempo.
• Puede liberar el producto a la atmósfera.

Las válvulas de alivio de sobretensión se caracterizan por su rápida respuesta, excelentes características de flujo y durabilidad en aplicaciones de alta presión. Están diseñadas con un punto de ajuste regulable directamente relacionado con la presión máxima de la tubería o sistema. Cuando el producto a la entrada de la válvula supera el punto de ajuste, la válvula se abre y permite que el exceso de presión se libere en un tanque de compensación o se recircule a otra tubería. De esta forma, en caso de sobretensión, la mayor parte de la presión se absorbe en el líquido y la tubería, y solo se descarga al tanque de alivio de sobretensión la cantidad de líquido necesaria para aliviar presiones peligrosas. Algunos fabricantes de válvulas utilizan el tipo de pistón con un sistema de control de nitrógeno y cámaras de distribución externas , mientras que otros utilizan tubos elastoméricos , pilotos externos o cámaras internas .

Las válvulas de alivio de sobrepresión pilotadas se utilizan normalmente para proteger las tuberías que transportan productos de baja viscosidad , como gasolina o diésel . Este tipo de válvula se instala aguas abajo de la bomba/válvula que genera la sobrepresión. La válvula se controla mediante una válvula piloto externa, normalmente cerrada. La presión piloto se ajusta al punto de ajuste deseado del sistema, con una línea de detección que discurre aguas arriba de la válvula. Cuando las condiciones del proceso aguas arriba superan el punto de ajuste de la válvula piloto, esta comienza a abrirse y a aliviar el exceso de presión hasta que se alcanza la presión correcta, lo que provoca su cierre. ^{[ 3 ]}

Ventajas:

• No requiere energía.
• Punto de ajuste regulable.
• Alta capacidad de flujo o valor Cv.

Desventajas:

• Velocidad de respuesta más lenta.
• No puede utilizarse en aplicaciones de alta viscosidad.
• El sistema Pilot es sensible a cualquier tipo de partícula en el bucle de control .

Las válvulas de alivio de sobretensión de pistón con carga de gas funcionan con un diseño de pistón equilibrado y pueden utilizarse en diversas aplicaciones, ya que manejan productos de alta y baja viscosidad manteniendo una rápida respuesta. Un gas inerte, generalmente nitrógeno, se carga en la parte posterior del pistón, forzando el cierre de la válvula. La presión del nitrógeno en la parte posterior del pistón determina el punto de ajuste de la válvula. Estas válvulas permanecen cerradas hasta que la presión de entrada supera el punto de ajuste/presión de nitrógeno, momento en el que la válvula se abre debido a la alta presión y permanece abierta mientras la presión del proceso sea superior a la presión del nitrógeno. Una vez que la presión del proceso comienza a disminuir, la válvula comienza a cerrarse. Cuando la presión del proceso es inferior a la presión del nitrógeno , la válvula se cierra de nuevo.

Ventajas:

• Rapidez de respuesta con cierre suave para evitar la generación de un segundo evento de sobretensión.
• Puede utilizarse en productos de alta viscosidad, como el petróleo crudo.
• Buenas características de flujo (Cv).
• No hay reventones, se reinicia en el punto de ajuste.

Desventajas:

• Su repetibilidad depende de la calidad del sistema que controla la presión del nitrógeno.
• El rendimiento se ve muy afectado por cualquier restricción en la línea de gas entre la válvula de alivio y el tanque de distribución.
• Muchos fabricantes recomiendan recubrir el plenum con nervaduras para lograr una mayor estabilidad de la temperatura.

Las válvulas de alivio de gas con manguito de goma funcionan mediante la presión de nitrógeno aplicada al diámetro exterior de un manguito de goma que cubre el paso del flujo a través de la válvula. Mientras la presión del proceso sea inferior a la presión del nitrógeno, la válvula permanece cerrada. En cuanto la presión del proceso supera la presión del nitrógeno, el producto en la línea empuja el manguito de goma separándolo de la barrera y permite que el producto pase a través de la válvula. Cuando la presión del proceso desciende por debajo de la presión del nitrógeno, la válvula se cierra de nuevo.

Ventajas:

• Existen muchos tipos de elastómeros de caucho para muchos tipos diferentes de productos.
• Rapidez de respuesta cuando la bota de goma no está fría.
• Logra un sellado perfecto incluso cuando hay pequeñas partículas en la tubería.

Desventajas:

• La bota de goma se ve muy afectada por la temperatura; cuanto menor sea la temperatura, menos repetible será el punto de ajuste de la válvula de alivio.
• Las características de flujo deficientes (bajo coeficiente de variación) requieren válvulas de mayor tamaño para lograr los caudales deseados.
• Para sustituir el guardapolvo de goma, es necesario retirar la válvula de la tubería que se va a desmontar.
• Las válvulas de última generación tienen componentes internos de metal y no utilizan el guardapolvo de goma de la generación anterior.

Existen diversos métodos para controlar los equipos de alivio de sobretensión. Todo comienza con la tecnología empleada en la aplicación específica. Las válvulas de seguridad de presión con resorte y las válvulas pilotadas se controlan mecánicamente mediante la presión de un resorte comprimido. Generalmente, cuentan con un vástago de ajuste que permite realizar pequeños ajustes en el punto de consigna comprimiendo o descomprimiendo el resorte. Este diseño está limitado por la presión que puede generar el resorte en la válvula.

Las válvulas de alivio de gas se controlan mediante la presión del nitrógeno que se introduce en la válvula. Si no se controla la presión del nitrógeno, este se expandirá y contraerá con los cambios de temperatura ambiente. A medida que la presión del nitrógeno varía con la temperatura, también lo hace el punto de ajuste de la válvula de alivio.

Tradicionalmente, la presión del nitrógeno se ha controlado mediante reguladores mecánicos. Estos reguladores están diseñados para funcionar en condiciones de flujo. Cuando se utilizan en el sistema de cámara cerrada de una válvula de alivio de sobretensión, también deben realizar una función de encendido/apagado para compensar la dilatación y contracción térmica . Al ser un dispositivo de control de presión diseñado para funcionar en condiciones de flujo, no es adecuado para realizar la función de encendido/apagado necesaria en un sistema cerrado como la cámara de una válvula de alivio de sobretensión.

Otro problema común es que los reguladores deben operar fuera de sus límites de diseño al realizar las correcciones necesarias para la expansión y contracción térmica. El volumen de gas que se debe agregar o liberar del sistema es tan pequeño que el regulador debe operar por debajo del umbral mínimo de su curva de rendimiento. Como resultado, se realizan correcciones inconsistentes a la presión del sistema, lo que afecta el punto de ajuste de la válvula de alivio de carga de gas.

Un método preciso y fiable para controlar la presión de nitrógeno en una válvula de alivio de sobretensión con carga de gas consiste en utilizar un sistema de control electrónico para añadir y liberar nitrógeno de dicha válvula. Esta técnica garantiza la precisión y repetibilidad del punto de ajuste necesarias en esta aplicación crítica.

• Tanque de compensación
• Válvula de alivio de presión
• Válvula de seguridad