Dimensionamiento de válvulas de alivio de emergencia: una guía paso a paso (API 2000)

Dimensionamiento de válvulas de alivio de emergencia: guía técnica paso a paso para depósitos de almacenamiento

Un jugador de estatura inferior a la media válvula de seguridad es uno de los pocos equipos de proceso que puede fallar de forma catastrófica sin previo aviso. Si la capacidad de ventilación de emergencia de un depósito de almacenamiento es inferior al aporte de calor térmico o del incendio durante una emergencia, el depósito se sobrepresurizará, la pared exterior se deformará y las consecuencias pueden ir desde un derrame hasta una explosión de vapor en masa (BLEVE). Esta guía repasa todo el Dimensionamiento de válvulas de seguridad procedimiento para depósitos de almacenamiento a presión atmosférica y a baja presión, basado en API 2000 (7.ª edición), API 520/521, y ISO 23251.

¿Qué es una válvula de alivio de emergencia y cuándo se activa?

Una válvula de alivio de presión y vacío (PVRV) se encarga de las operaciones normales de admisión y escape. Una válvula de alivio de emergencia (ERV) es un dispositivo de ventilación independiente y de mayor tamaño que se activa únicamente en situaciones anómalas en las que la ventilación normal resulta insuficiente. Los tres escenarios principales que requieren una ventilación de emergencia son:

• Exposición al fuego — El líquido del depósito absorbe el calor de un incendio en una piscina o de un incendio por exposición, se vaporiza, y el vapor debe descargarse más rápido de lo que la válvula PVRV puede gestionar.
• Salida obstruida — un episodio de cavitación en la bomba, una válvula de aislamiento cerrada o una situación de expansión térmica que empuje el líquido hacia el espacio de vapor a un caudal elevado
• Reacción descontrolada o fallo en el suministro eléctrico — Se aplica principalmente a los depósitos con camisa y al almacenamiento de productos químicos; es menos habitual en los depósitos de crudo o de productos petrolíferos.

La norma API 2000 define tres niveles de análisis: Nivel 1 (conservador, sin tener en cuenta el área mojada), Nivel 2 (intermedia, área parcialmente mojada), y Nivel 3 (modelización rigurosa y exhaustiva de las consecuencias). Para la mayoría de los depósitos atmosféricos de techo fijo, el Nivel 1 o el Nivel 2 son suficientes y auditables.

Paso 1 — Determinar el escenario de diseño

Casos relacionados con incendios frente a casos no relacionados con incendios

El criterio de dimensionamiento predominante para casi todos los depósitos de almacenamiento atmosféricos es el caso de incendio. La tabla B.1 de la norma API 2000 recoge la ecuación de absorción de calor para depósitos con una superficie en contacto con el líquido inferior y superior a 260 m²:

• Superficie mojada ≤ 260 m²: Q = 43 200 × F × A^0.82 (sistema métrico, kJ/h)
• Superficie mojada > 260 m²: Q = 70 900 × F × A^0.5 (sistema métrico, kJ/h)

Dónde F es el factor ambiental (1,0 para los depósitos de metal sin recubrimiento, 0,3 para los depósitos con aislamiento homologado que cumpla los criterios de la API y 0,15 para los sistemas de rociado de agua) y A es la superficie mojada en m².

Cálculo de la superficie mojada

La superficie en contacto con el líquido es la superficie del depósito que puede estar en contacto con el líquido durante un incendio. En el caso de un depósito cilíndrico vertical, según la norma API 2000, se consideran los 9,1 m (30 pies) inferiores de la altura de la pared, más el fondo. En el caso de los depósitos de techo flotante con el techo en posición bajada, se incluye la superficie del techo. En los depósitos horizontales, toda la pared exterior hasta los 9,1 m está en contacto con el líquido.

Paso 2 — Calcular la tasa de evacuación de vapores necesaria

Una vez que se conozca la potencia calorífica del fuego Q (kJ/h), conviértela al caudal de vapor necesario utilizando el calor latente de vaporización del producto almacenado:

W = Q / H_v

Donde W es el caudal másico requerido (kg/h) y H_v es el calor latente de vaporización en las condiciones de alivio (kJ/kg). Para los productos petrolíferos habituales:

Si se desconoce el calor latente, utilice el valor más conservador (el más bajo) para la familia de productos. Subestimar H_v aumenta el caudal de vapor calculado W y permite elegir una válvula de mayor tamaño y más segura.

Paso 3 — Convertir el caudal másico en caudal volumétrico en condiciones de alivio

La capacidad de las válvulas de alivio de emergencia suele expresarse en Nm³/h (metros cúbicos normales por hora) o en SCFH (pies cúbicos estándar por hora). Para convertir el caudal másico W en caudal volumétrico en condiciones estándar:

Q_std = W × R × T_std / (P_std × M)

Donde R es la constante de los gases (8 314 J/kmol·K), T_std es 273,15 K (0 °C estándar), P_std es de 101 325 Pa, y M es el peso molecular del vapor. En el caso de un producto petrolífero, M puede estimarse a partir de la curva de destilación según la norma ASTM D86 o de la correlación de la gravedad API.

Ejemplo de cálculo: Depósito de petróleo crudo de 2.000 m³

Diámetro del depósito: 16 m, altura del líquido: 10 m (lleno), aislamiento: ninguno (F = 1,0)

1. Superficie mojada: π × 16 m × 9,1 m + π/4 × 16² = 457 + 201 = 658 m² (por encima de 260 m²)
2. Aporte de calor: Q = 70 900 × 1,0 × 658^0.5 = 70 900 × 25,65 = 1 818 000 kJ/h
3. Calor latente (crudo ligero, 250 kJ/kg): W = 1 818 000 / 250 = 7 272 kg/h
4. Peso molecular (crudo ligero, M ≈ 85): Q_std = 7 272 × 8 314 × 273 / (101 325 × 85) ≈ 2 150 Nm³/h

El dispositivo de ventilación de emergencia debe permitir el paso de al menos 2.150 Nm³/h a la presión de diseño del depósito (normalmente entre 17 y 35 mbar para los depósitos atmosféricos).

Paso 4 — Aplicar el crédito por medio ambiente y drenaje

La norma API 2000 permite reducir la capacidad de alivio requerida cuando el emplazamiento cuenta con un nivelado y un sistema de drenaje que impiden que el líquido derramado se acumule en un radio de 30 m del depósito. Esta es la crédito de drenaje: si el drenaje es adecuado, la fórmula de aporte de calor utiliza un factor de 0,5 F en lugar del valor predeterminado de 1,0. Muchas instalaciones de almacenamiento antiguas no cumplen los requisitos porque los canales de drenaje son compartidos o están obstruidos.

Paso 5 — Selecciona la válvula de alivio de emergencia

Válvula de ventilación de emergencia frente a ventilación de la escotilla del manómetro frente a techo con juntas poco herméticas

Datos de capacidad certificados

Todas las válvulas de alivio de emergencia deben ir acompañadas de una curva de capacidad de caudal certificada por el fabricante, probada de conformidad con el anexo D de la norma API 2000 o la norma ISO 28300. El certificado indica la capacidad en Nm³/h para un rango de presiones de ajuste. Seleccione una válvula o un conjunto de válvulas cuya capacidad certificada combinada supere el valor W calculado a la presión de ajuste de diseño. Incluya un margen de 10–25% por encima del requisito calculado para tener en cuenta futuras ampliaciones de capacidad o cambios en el producto.

Paso 6 — Comprobar las tuberías de entrada y salida

Las válvulas de alivio de emergencia de los depósitos de almacenamiento suelen estar situadas casi siempre en la parte superior (en una boquilla situada en la cubierta del depósito), pero el diámetro de la boquilla de entrada y la tubería de salida son fundamentales:

• Boquilla de entrada: dimensionada de modo que la caída de presión en la entrada sea inferior a 3% de la presión de consigna a caudal máximo. En el caso de una válvula con una presión de consigna de 17 mbar, la caída de presión en la entrada debe ser inferior a 0,5 mbar a caudal nominal.
• Tuberías de salida: en el caso de las válvulas con colectores de recogida de vapor, la contrapresión debe mantenerse por debajo de 10% de la presión de ajuste en el caso de las válvulas convencionales, o por debajo de 50% en el caso de los diseños con fuelle equilibrado.
• Sin colectores de líquido: la tubería de salida debe desembocar de nuevo en el depósito. Cualquier trampa de líquido reducirá la superficie efectiva de ventilación y podría provocar el cierre hermético de la válvula en caso de emergencia.

Paso 7 — Requisitos de documentación e inspección

Todas las válvulas de alivio de emergencia, independientemente de su tamaño y de cómo estén instaladas, deben llevar una Ficha técnica de la válvula Se muestran: número de etiqueta, identificación del depósito, presión de ajuste, capacidad certificada a presión de ajuste, escenario de diseño, calor latente del producto utilizado y factor ambiental aplicado. Los requisitos de inspección según la norma API 653 exigen la realización de pruebas funcionales cada 5 años para los depósitos de almacenamiento a presión atmosférica, o con mayor frecuencia si el producto es corrosivo. Las válvulas accionadas por peso requieren una inspección de la superficie de asiento; las válvulas accionadas por resorte requieren una verificación de la tensión del resorte.

Errores habituales en el dimensionamiento de las válvulas de alivio de emergencia

• Utilización de los coeficientes de caudal PVRV para el dimensionamiento de los ERV — Las válvulas ERV tienen distintos valores de Cd; utilice siempre la curva de capacidad certificada propia de la válvula ERV.
• No tener en cuenta el sobrecalentamiento del vapor — Cuando la potencia térmica de la combustión es elevada, el vapor de alivio puede superar considerablemente el punto de ebullición, lo que reduce la densidad y aumenta el caudal volumétrico.
• Aplicar la deducción por aislamiento sin comprobar el cumplimiento de la norma API — El aislamiento debe cumplir los criterios del anexo C de la norma API 2000 (resistente al coque, a los drenajes y al fuego durante 2 horas); las mantas estándar de lana mineral no cumplen estos requisitos de forma automática.
• Diseño de válvula única para depósitos con varios productos — si un depósito alterna entre productos con diferentes calores latentes, se dimensionará para el producto más ligero (el que tenga el H_v)
• Olvidar que las válvulas que funcionan en paralelo comparten capacidad — La capacidad de varias válvulas ERV instaladas en paralelo es aditiva únicamente si todas las válvulas tienen la misma presión de ajuste; los ajustes escalonados reducen la capacidad combinada efectiva.

Integración con las válvulas de alivio de emergencia Wanan

De Wanan Technology válvulas de seguridad Se fabrican conforme a las normas API 2000 / ISO 28300 y están disponibles con certificación de capacidad de terceros, expedida por SGS o TÜV. Para proyectos de parques de tanques que requieran asistencia en el dimensionamiento y fichas técnicas certificadas de las válvulas, póngase en contacto con nuestro equipo de ingeniería indicando la ficha de datos de seguridad (MSDS) del producto almacenado, el diámetro del tanque, el nivel máximo de líquido en funcionamiento y la clasificación de drenaje de la instalación. Proporcionamos cálculos de dimensionamiento, selección de válvulas y toda la documentación necesaria para el análisis HAZOP y la presentación de la documentación reglamentaria.

Para conocer la metodología de dimensionamiento correspondiente, consulta nuestro ¿Cómo funciona un PVRV? guía sobre la ventilación normal según la norma API 2000, y nuestra Dimensionamiento de los respiraderos de los depósitos según la norma API 2000 Guía paso a paso para el cálculo de la entrada y salida de calor.

Preguntas frecuentes: Dimensionamiento de válvulas de alivio de emergencia

P: ¿Puedo utilizar una válvula de seguridad a presión (PSV) homologada según la Sección VIII de la norma ASME en lugar de una válvula de alivio de emergencia API 2000?
R: No directamente. Las válvulas de seguridad (PSV) de la ASME están diseñadas para recipientes a presión, no para depósitos de almacenamiento atmosféricos. Sus presiones de ajuste comienzan en torno a los 100 mbar, lo que está muy por encima de la presión de funcionamiento de un depósito atmosférico. Utilizar una válvula de seguridad ASME en un depósito con techo cónico significaría que el depósito se sobrepresurizaría hasta rozar el fallo estructural antes de que se abriera la válvula. Las válvulas API 2000 / ISO 28300 están diseñadas para presiones de ajuste tan bajas como 2-5 mbar, adecuadas para el almacenamiento atmosférico.

P: ¿Cómo puedo comprobar que la válvula de alivio de emergencia de un proveedor cumple con la capacidad exigida?
R: Solicite el informe de ensayo de certificación de capacidad, no solo la curva del catálogo. La capacidad certificada de una válvula ERV se mide en un banco de ensayos de caudal a la presión de ajuste de la válvula, con el tamaño y el conjunto interno reales de la válvula. La certificación por parte de organismos independientes como SGS, TÜV o DEKRA ofrece el máximo nivel de confianza. El anexo D de la norma API 2000 describe el procedimiento de ensayo; las válvulas certificadas según este anexo pueden utilizarse directamente en los cálculos de dimensionamiento de la norma API 2000.

P: ¿Cuál es la diferencia entre la capacidad de alivio de emergencia y la capacidad de ventilación normal?
R: La ventilación normal abarca la ventilación térmica y el movimiento de líquidos; suele oscilar entre decenas y cientos de Nm³/h para la mayoría de los depósitos. La ventilación de emergencia en caso de incendio para el mismo depósito puede ser entre 10 y 100 veces mayor. Un depósito de petróleo crudo de 5.000 m³ podría necesitar una capacidad de ventilación normal de 500 Nm³/h, pero una capacidad de ventilación de emergencia de entre 8.000 y 15.000 Nm³/h en caso de incendio.

P: ¿Es necesario que un depósito de techo flotante cuente con una válvula de alivio de emergencia?
R: Por lo general, no: el propio techo flotante se eleva y deja al descubierto la junta del borde, que actúa como ventilación de emergencia cuando el techo alcanza su recorrido máximo. Sin embargo, si el techo se encuentra en posición bajada (depósito vacío, mantenimiento), se requiere una ventilación de emergencia. En muchas instalaciones se instala una ventilación de emergencia permanente en la salida de ventilación central para cubrir todas las situaciones.

P: ¿Con qué frecuencia deben someterse a pruebas de funcionamiento las válvulas de seguridad?
R: La norma API 653 recomienda realizar pruebas funcionales cada 5 años en las válvulas ERV de los depósitos atmosféricos. En las válvulas con carga de peso, se debe comprobar el lapeado de los asientos; en las válvulas con resorte, se debe verificar la presión de ajuste en un banco de pruebas. En aplicaciones con crudo corrosivo o con alto contenido en azufre, se debe acortar el intervalo de inspección a 2-3 años, ya que los compuestos de azufre atacan las superficies de sellado de los asientos y pueden provocar que las válvulas se atasquen en posición abierta o cerrada.

P: ¿Puedo instalar una válvula de alivio de emergencia en un depósito con techo cónico sin un supresor de llamas?
R: Para la mayoría de los productos no es obligatorio, pero en el caso de los productos con puntos de inflamación inferiores a 60 °C (líquidos inflamables de clase I y II), se recomienda encarecidamente instalar un supresor de deflagración en línea entre la toma de ventilación y la salida. La norma API 2000 no lo exige, pero la norma NFPA 30 y las normativas locales de la UE, el Reino Unido y Oriente Medio suelen requerirlo. Consulte la normativa local antes de tomar una decisión.