En este previo del mes discutiremos como el cómputo y análisis incorrecto de desperfectos en el proceso puede afectar a la seguridad del proceso. Son muchos los aspectos en el diseño ingenieril de las facilidades y seguridad del proceso que deben considerarse cuando se diseña una facilidad nueva o se solventan problemas operacionales de una existente. Durante estas instancias de programación y presupuestos restringidos, puede ser más dificultoso asegurar que todos los entregables de un proyecto reciban la apropiada revisión y documentación. Los errores en el diseño Ingenieril y operaciones de los siguientes sistemas pueden resultar en serias incidencias de seguridad, que deben ser evitadas. Control de calidad, capacitación técnica, revisión de cómputos, y verificación de los métodos pueden apoyar la reducción en los riesgos de seguridad en estos sistemas, Este previo del mes se dedicará en los Sistemas de Alivio de Presión.

Sistemas de Alivio de Presión

Un sistema primario en las facilidades de petroleo y gas que requiere atención cuidadosa es la de Alivio de Presión. Los componentes mas comunes en los sistemas de alivio de presión aguas arriba son:

  • Equipo Protegido
  • Válvulas de Cierre de Emergencia
  • Válvulas de Despresurización
  • Válvulas de Seguridad de Presión ( VSP/PSV)
  • Válvulas de Seguridad de Presión de Caños de Entrada y Descarga
  • Cabezal de Antorcha ( Mechurrio)
  • Recipiente de Seguridad de Antorcha
  • Cañon/Punta de Antorcha

El propósito primordial del sistema de alivio de presión es para asegurar que el personal y equipo de las operaciones sea protegidas de una condición de sobre presurización que suceden durante las perturbaciones en el proceso, fallas de energía primaria, y de incendios externos. En algunas instalaciones y facilidades, es práctica aceptada el venteo de las  válvulas de seguridad directas a la atmósfera, siempre y cuando el fluido de proceso se descarga a una velocidad suficiente par asegurar buena dispersión, y que el peso molecular del mismo sea menor que el del aire. En este PDM discutiremos los componentes del sistema de alivio de presión en el cual cómputos ingenieriles detallados deben ser completados para la apropiada selección e instalación.

Válvulas de Alivio de Presión

El propósito de la válvula de alivio de presión es de proteger el equipo y/o tuberías de una escenario de sobre presurización. Existen múltiples recomendaciones de prácticas en la Industria
que especifican el dimensionamiento, selección e instalación de las válvulas de de seguridad de presión. Muchas de éstas serán referenciadas en este PDM. Un estudio que fuera conducido por Berwanger , et. al. [1] determinó que solo el 65% de las válvulas de seguridad en las facilidades aguas arriba cumplían con los estándar existentes.  Requerimientos acertados de los requerimientos en válvulas de alivio de presión, análisis de escenarios y diseño de la instalación es crítico para asegurar la seguridad en el equipo y el personal operacional durante un evento de percance. El American Institute of Chemical Engineering encontró que aproximadamente el 30% de las pérdidas en la Industria de procesos se atribuyen parcialmente a las deficiencia en los sistemas de alivio de presión [2]. Si ocurre un percance en un sistema de proceso que no posee una válvula de alivio, o donde la misma es sub-diseñada, no instalada apropiadamente, existe un potencial para que el equipo no esté protegido, y podrá incurrir en una falla mecánica. Esto pudiese resultar en una pérdida significativa en la contención del fluido, y fatalidades potenciales dependiendo de los fluidos contenidos dentro del proceso.

El 4 de Marzo de 1998, sucedió una falla de proporciones mayores en la Facilidad Sonat Exploration , Pitkin Louisiana, La falla del resipiente, e incendio subsiguiente resultó en 4 fallecidos. Causa de este incidente fue una avería en un recipiente de baja presión, abierta a un gas de alta presión que no fuera previsto de componentes de alivio de presión [3].

En la determinación de los escenarios relevantes par una válvula de alivio de presión es esencial que el ingeniero efectuando la evaluación posee un sólido entendimiento del proceso y el diseño del control del proceso dentro de la facilidad. Si el Ingeniero líder conduce revisión de una planta existente, o trabaja en el diseño de una facilidad nueva, es esencial que éste revise todos los escenarios posibles de alivio que pudiesen ser requeridos. Si un escenario es obviado, existe la posibilidad que el sistema no quedará protegido, si éste escenario pase a ser el caso limitante. El ANSI/API Estandar 521 ISO 23251, 5ª Edición [5] especifica los requerimientos, y prevé los lineamientos para examinar los caso principales de sobre presión, determinación de las tasas de alivio individuales, y la selección y diseño de sistemas de despojo, incluyendo los detalles sobe los componentes específicos del sistema de despojo. Solo con la experiencia y capacitación pueden los Ingenieros desarrollar el nivel de competencia requerido para lograr estas evaluaciones acertadamente. La participación en los Resúmenes y Análisis de los Peligros en la Seguridad de Procesos promueve el desarrollo de las destrezas del Ingeniero para poder identificar y solventar los peligros potenciales en los procesos, y podrá aupar el desarrollo de las habilidades del Ingeniero principiante en el entendimiento de la evaluación de estos sistemas.

Los  API Recommended Practice 520, 7th Edition, Part 1 [4], and the International Organization for Standardization (ISO) Standards in the 4126 series ( no serán referenciados acá, y debe ser notado que estos solo aplican a los sistemas diseñados e instalados en Europa y los miembros de la Comunidad Europea), se dirigen a los métodos para determinar las dimensiones de las válvulas de seguridad para distintos escenarios de alivio, y proporcionan una guía en como seleccionar la válvula de alivio apropiada. Tanto el sobre diseño, así como el sub diseño de las válvulas pueden incurrir  fallas mecánicas, de manera que es esencial que este dimensionamiento y selección sean adecuados.

Si una facilidad se encuentra en proceso de solución de cuellos de botella, y se hayan modificado todas las válvulas de seguridad, estas deben de ser revisadas para asegurar su capacidad adecuada. Muchas facilidades no acatan la normativa de la  Occupational Safety and Health Administration (OSHA) Process Safety Management (PSM)   Standard 29 CFR 1910.119 [6]. Se recomienda acertadamente que se maneje un procedimiento de Gerencia de Cambio (MOC)
para asegurar que ninguna modificación ponga en riesgo la seguridad, o imponga un deterioro a la misma en los equipos existentes dentro de la facilidad. Válvulas de seguridad de presión dedicadas a todos los sistemas modificados deben ser verificadas para asegurar su manejo confiable los nuevos gastos requeridos, más las composiciones que resulten de la solución de los cuellos de botella  de la facilidad.

Adicionalmente es esencial que el personal de operaciones esten capacitados en el manejo apropiado de las valvulas de alivio. Han ocurrido instancias en donde el personal de operaciones y mantenimiento han incrementado la presión fijada ( set  pressure) en una válvula de alivio que trabajaba con frecuencia. Este aumento en la presión fijada resulta en una operación del recipiente a una presión mayor que  la máxima permisible fijada en la placa oficial, y pudiese resultar en una falla mecánica. Personal capacitado entenderá que la solución del problema es de corregir la condición de proceso que este causando la alta presión, y no incrementar el punto fijado ( set point)  en la válvula de alivio de presión.

Válvulas de seguridad de presión (PSV) en caños de alimentación y descarga.

Otra área que requiere atención cercana es la del diseño apropiado de los caños de entrada y descarga de las válvulas de seguridad. El documento API Recommended Practice 520, 5th Edition, Part 2 [7], and ANSI /  API Standard 521 [5]  proporciona las premisas y guia sobre la instalación y diseño de estos caños de alimentación y descarga para las válvulas de seguridad de presión.

Para las tuberías de entrada hacia las válvulas de seguridad de presión, la practica recomendada es la mantener las perdidas hidráulicas de entrada no mayores a un 3% de la presión fijada de la válvula de seguridad de presión, Esto se debe a que la válvula de alivio esta diseñada para cerrar a un 97% de la presión fijada. Una válvula de seguridad (PSV) sin gasto de alimentación detectara la misma presión que existe en el equipo protegido. Sin embargo, una vez abierta, la presión a la entrada del alivio seria la presión del equipo protegido, menos la perdida por fricción de la línea de entrada. Si esta excede el 3% la válvula cerraría, y vuelve a abrir un vez que el flujo cese. Esta inestabilidad ( chattering) puede destruir la válvula. El sobre dimensionamiento de la valvula también puede resultar en esta inestabilidad debido al mismo fenómeno. Existe un potencial de fracaso en las válvulas de seguridad de presión a causa de la inestabilidad prolongada  debido a la fatiga mecánica, y potencialmente la fatiga térmica.

Si el diseño de la gritería de entrada no se puede configurar para cumplir con estos requisitos, esto implica la implantación de una válvula de seguridad de con sistema acceso remoto. Esto no es lo preferible, dadas las condiciones potenciales para el taponamiento, o congelación de la línea de detección.

Típicamente, las válvulas de seguridad se montan directamente en el equipo a ser protegido. Se observara, sin embargo, que en plantas existentes este no es siempre el caso. Algunas válvulas de seguridad se podrán acoplar remotamente, con líneas extensas de entrada, y el criterio del 3% debe revisarse cuidadosamente. Aun en el diseño de plantas nuevas existirán instancias cuando el diseñador debe colocar la válvula de seguridad en condiciones remotas. Es importante siempre revisar las perdidas en la línea de entrada empleando los levantamientos isométricos de la grifería.

Un estudio conducido por Berwanger, et. Al. [1] encontró que el 16 % de todas las instalaciones de válvulas de seguridad (alivio) estaban fuera de aceptación con las normas y practicas de Ingeniería existentes como resultado de la instala0cion inapropiada. El 35.5% de estas estuvieron fuera de aceptación, debido a las perdidas excesivas en las líneas de entrada. La experiencia nos indica  que algunas plantas más viejas, la grifería de entrada y salida para las válvulas de seguridad se fija cónsono con  las dimensiones de entrada y salida de estas, y los cómputos para las caídas de presión no se efectuaron, y se aplicaron con premisas erróneas. Esto causo una vibración severa, y resulto una falla en una brida de 6”, perdiendo la contención de la corriente de procesos.

Para los sistemas de rango de 600 # y mas, el fabricante de la válvula pudiese recomendar una brida de entrada de 600 #, mientras que la de descarga represente rango de 300 #. Percátese que un rango típico de 150# en la descarga de una válvula de seguridad (alivio), no es siempre aceptable para los sistemas de mayor presión. La velocidad en la línea de salida no puede exceder nivel sónico, De esta manera, para los  sistemas de alta presión, el gasto a través de la válvula de alivio  pudiesen requerir una presión mayor que la de 150 # para mantener el flujo sónico. Es importante revisar la presión requerida para mantener el flujo sónico basado en la dimensión de la descarga de la válvula de seguridad. Si una brida de 300# es la requerida, esto implica la instalación de unas conexiones de 300# en la grifería, para poder aumentar el diámetro de la tubería hasta que la presión correspondiente a una de 150 # no se exceda. Para los sistemas mayores, se recomienda la aplicación de un compendio de cómputos ( software) de sistemas de antorcha, para predecir la contrapresión en la descarga de cada una de las válvulas de seguridad correspondientes a varios escenarios de alivio. Durante un incendio, varios alivios pueden abrir simultáneamente, y la contrapresión debe ser conocida en la descarga de cada una de las válvulas de seguridad, bajo estas circunstancias.

El diseño de los sistemas de entrada y descarga de una válvula de seguridad debe ser revisada para determinar que los caños puedan cumplir con las tensiones mecánicas y térmicas que se presentaran cuando estas estén en proceso de alivio. Las conexiones con roscas para las válvulas de seguridad de alta presión, o aquellas que se instalan cerca de focos de vibración no se recomiendan. Estas conexiones de roscas tienden a fallar  o desenroscarse a causa de las vibraciones, y/o las fuerzas incurridas durante el alivio.

El soporte de las líneas de entrada y descarga es esencial. Este soporte de grifería, y válvula son de mayor criticidad en válvulas de seguridad de de mayor dimensión, y aquellas que reflejan altas presiones fijadas ( set) que descargan a la atmósfera. Las fuerzas de reacción que pueden desprenderse de estas válvulas venteando a la atmósfera pueden ser significantes. Aun cuando la tubería de descarga no sea de longitud excesiva, el impulso interno causado por un codo de 90 grados cuando la línea de descarga gira hacia arriba puede ser excesivo. Lo mas probable es que el flujo seria de velocidad critica en el codo, y el venteo de descarga debe ser adecuadamente soportado para evitar la falla. Un incidente sucedió cuando fallo la tubería de entrada en una válvula de seguridad de 4×6 fijada a 1350 lpcm. Como resultado la válvula se convirtió en un proyectil. Afortunadamente no hubo heridos a causa de los escombros desprendidos al aire, y la línea de gas fue aislada antes de que la nube de vapor fuera encendida. Esta ¨casi – falla¨  fue lo mas probable el resultado de una soldadura inapropiada, y soportes inadecuados en la instalación de la válvula.

Las fuerzas de reacción en sistemas cerrados tienden  a ser menores, sin embargo en algunos casos éstos en los sistemas cerrados pueden ser significantes si ocurren precipitosas expansiones en los diámetros de los caños, o durante el las condiciones de flujo inestable dentro de la tubería. Diseño inadecuado d los soportes para las válvulas de seguridad, y su gritería asociada puede resultar en fallas mecánicas durante un evento de alivio.

Dieseño del Cabezal de la Antorcha

Si la válvula de seguridad descarga a un múltiple de antorcha, la presión sobre impuesta, y la contrapresion acumulada son criticas y pueden impactar la capacidad de alivio de la válvula si la contrapresion actual es mayor que la originalmente calculada o asumida. La máxima contrapresion a la cual puede funcionar una válvula de seguridad, depende del tipo de la misma. Un estudio conducido por Berwanger , et. Al. [1] , encontró que casi el 24 % de todas las válvulas de seguridad revisadas estaban fuera de la normativa de las aceptables practicas y estándar ingenieriles. 12% de estas estaban fuera de la normativa debido al alto deferencias de presión de descarga. Si la contrapresion acumulada es mayor a la máxima que pueda manejar la válvula, la presión aguas arriba aumentara mas allá de la presión fijada ( set) como resultado. Esta situación aumenta la posibilidad de una falla.

Un programa de simulación de arreglo de antorchas debe se implantado para calcular la contrapresion en sistemas mayores de alivio. Par la mayoría de las válvulas de seguridad, el gasto máximo que puede aceptar el orificio es mayor que el gasto establecido para el alivio. El gasto máximo debe aplicarse para calcular las perdidas en la línea de entrada y la contrapresión resultante. Válvulas piloto moduladas pudiesen ser aplicadas, si requerido, para controlar el gasto máximo que se requiere aliviar. En el diseño de un sistema de antorcha, distintos tipos de válvulas están disponibles como se detalla en el API %20, Part 1 [4]. Válvulas convencionales, de fuelle, y piloto son aplicadas típicamente. El fabricante de la válvula debe ser consultado para definir el gasto máximo, y condiciones de contrapresion para cada tipo de válvula. El diseño final de la antorcha no puede ser finalizada hasta que la válvulas de seguridad (alivio) hayan sido seleccionadas.

Dependiendo de los fluidos que están en proceso de alivio, y las presiones involucradas, es posible tener eventos de alivio, que requieran hierro inoxidable en el caño de descarga, cabezal de antorcha, depurador de la antorcha, y chimenea de la antorcha debido a las temperaturas criogénicas de alivio debido al efecto Joule – Thompson a través de la válvula de seguridad. Han ocurrido múltiples casos en donde los cabezales de antorcha de  hierro al carbón han fallado debido a la temperatura criogénica de alivio que fueran generadas durante los eventos de alivio. El fallo completo de un cabezal de antorcha, desvirtúa el propósito del Sistema  de alivio de Presión, y puede resultar en un evento catastrófico.

En el mercado de hoy dia, la recuperación de los LGN de una corriente de gas es muy común. Atención particular es requerida para el diseño de sistemas de alivio para los recipientes criogénicos. Lo mas seguro es que las válvulas de alivio se presión estarían operando con fluidos bi-fasicos ( a – 20 F y menor). La tubería aguas abajo a la válvula de seguridad de presión estaría expuesta a temperaturas muy frías, cuando operen las mismas. El método recomendado para el dimensionamiento de las válvulas de flujo bi – fasico es mediante las ecuaciones  DIERS.  El API 520 Part 1, Appendix D [4] resume esas ecuaciones y presenta un ejemplo del computo. El método computacional es extenso y tedioso pero se recomienda efectuar un computo manual, ante de aplicar las hojas de calculo formales establecidas. La hora dedicada a dicho ejercicio proveerá una visión valiosa hacia los parámetros claves utilizados en las ecuaciones, y servirán  como verificación de la hoja de cálculo.

No deben de haber espacios muertos en la tubería desde la descarga de la válvula de alivio hacia el depurador de la chimenea. Cualquier ¨bolsillo¨ o espacio muerto podría llenarse de líquidos lo cual resultaría en un aumento en a contrapresion durante los eventos de alivio, y descarga. También pueden generarse  altas tensiones  como resultado de las  reacciones en el cabezal de la antorcha, impulsando un tapón de fluido en dirección contraria en la chimenea de la antorcha. En el 1999, el cabezal de la antorcha de una refinería Tosco en California fue sobre presionada debido a una acumulación de liquido en un punto bajo de este cabezal. Esto resulto en un paro de la facilidad. No se reportaron ningunas bajas [9].

Depurador de Antorcha y la Punta de la Chimenea de la Antorcha

El dimensionamiento del depurador de antorcha y la misma antorcha es critico para la seguridad de la planta. Las antorchas de la Industria del Gas y Petróleo son diseñadas para destruir solo las corrientes de vapor, y requerir la instalación de un Depurador de Antorcha  para impedir que exista caída de una ¨lluvia¨ de  líquidos inflamables desde la punta de la antorcha. En la determinación del dimensionamiento, es importante  que se efectuara un estudio de Antorcha para determinar el peor de los escenarios para el Depurador, y capacidad de Chimenea, y para seleccionar el criterio adecuado de selección de separación para las dimensiones de las gotas que la selección de la punta de antorcha pueda adecuadamente eliminar. Los Estándar ANSI/API Standard 521 [5], proporciona una guía para el dimensionamiento, diseño, y selección de este equipo.

Un buen ejemplo de las consecuencias del flujo de líquidos provenientes de la Chimenea de Venteo fue la Texas City Refinery explosion of 2005. Este incidente catastrófico resulto en un disturbio de procesos en donde la cantidad de líquidos que se desplazaban al Depurador, sobrepasaron la capacidad del mismo, y fluyeron hacia la chimenea del venteo y a la atmósfera circundantes lo cual resulto en una explosión trágica [10]. Si una Antorcha hubiese sido instalada en la Refinería de Texas City, en vez del Venteo, las consecuencias del evento hubiesen sido reducidas. La fase de vapor de los hidrocarburos que originalmente fluían al venteo hubiesen sido consumidas en la punta de la Antorcha, y la nube de vapor que exploto hubiese sido prevenida. Líquidos fluyentes a la punta de una Antorcha sigue siendo una situación peligrosa, Si un Depurador fuese abnegado con los HC líquidos, lo amas probable es que la punta de la Antorcha estaría con ¨lluvia de fuego¨ , y no los Hidrocarburos líquidos.

Basado en el dimensionamiento de la chimenea, ANSI/API Estandar 521 [5], bosqueja los procedimientos para estimar el efecto de la radiación proveniente del fuego. Con el diseño especializado de hoy días para con las Chimeneas de Antorchas, la consulta con el fabricante de la misma se recomienda para la confirmación de la radiación.

Válvulas de Despresurizacion

En la Industria del Procesamiento del Gas, se ha establecido como estándar el bloqueo de la facilidad con unas válvulas de Cierre de Emergencia ( ESD), en vez de despresurizar la facilidad entera a la Antorcha. Una razón primordial para este criterio es que los incendios en base al gas natural no son iguales a los incendios causados por empozamiento de líquidos. La protección y mitigacion de los fuegos en base al gas requiere distintos métodos de protección que aquello causados por los líquidos, los cuales pueden se extinguidos con el agua contra fuegos, o mediante el uso de un sistema de espuma.  Es practica estándar de la Industria del Gas aislar la/s fuentes del gas hacia la facilidad, y evacuar todo el personal de la misma. Una vez que la fuente del fuego se puntualice, la alimentación del fuego se finaliza, y el mismo se extingue con rapidez por razón de fuente de abastecimiento.

En el caso donde una facilidad debe se despresurizada durante una condición de avería, atención muy esmerada debe dedicarse al diseño de las válvulas de despresurización, sus sincronizaciones, y capacidad de descarga de antorcha. Existe un potencial para sobrecargar la punta de antorcha, si esta no fue diseñada para los altos gastos de vaciado. En adición, las consideraciones para el tiempo requerido del vaciado, temperaturas resultantes en el cabezal de la antorcha, y los esquemas de control deben ser cuidadosamente atendidos. Estos sistemas pueden ser de alta complejidad debido a la naturaleza inestable del proceso y requieren procedimientos de diseño muy cuidadoso para asegurar un sistema de despresurización seguro.

Para capacitarse adicionalmnete sobre el dimensionamiento de las Válvulas de Seguridad de Presión (PSV), y diseño de la entrada y descarga de los caños de las PSV, inscríbase en nuestros Cursos sobre sistemas de tuberías Piping Systems – Mechanical Design and Specification – ME-41, Oil Production & Processing Facilities – PF-4, and Gas Conditioning and Processing – G-4.

By: Kindra Snow-McGregor
Senior Process Consultant and Instructor

Spanish Translation by:
Dr. Frank E. Ashford
Senior Consultant and Instructor

References:

  1. Non-Conformance of Existing Pressure Relief Systems with Recommended Practices, A Statistical Analysis, Patrick C. Berwanger, PE, Robert A Kreder, and Wai-Shan Lee. Berwanger, Inc., 2002.
  2. AIChE. Emergency Relief System (ERS) Design Using DIERS Technology. American Institute of Chemical Engineers, New York, NY, 1995.
  3. U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board, Investigation Report, Catastrophic Vessel Overpressurization, Report No. 1998-002-I-LA.
  4. Sizing, Selection, and Installation of Pressure-Relief Devices in Refineries, Part 1 – Sizing and Selection, API Recommended Practice 520, 7th Edition, January 2000.
  5. ANSI / API Standard 521, / ISO 23251, Pressure Relieving and Depressuring Systems, 5th Edition, January 2007.
  6. Occupational Safety and Health Standards, Process Safety Management of Highly Hazardous Chemicals, 29-CFR-OSHA-1910.119, 57 FR 23060, June 1, 1992; 61 FR 9227, March 7, 1996.
  7. Sizing, Selection, and Installation of Pressure-Relief Devices in Refineries, Part 2 – Installation, API Recommended Practice 520, 5th Edition, August 2003.
  8. Poor Relief Valve Piping Design Results in Crude Unit Fire, Politz, FC., API Mid-year Refining Meeting, 14 May 1985, Vol / Issue 64.
  9. Contra Costa County, California, USA Contra Costa Health Services, Major Accidents at Chemical / Refinery Plants, Copyright © 2000–2009.
  10. U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board, Investigation Report, Refinery Explosion and Fire, REPORT NO. 2005-04-I-TX, March 2007.