AGA REPORTE N° 3 MEDIDOR TIPO ORIFICIO (1)

AGA REPORTE N° 3 MEDIDOR TIPO ORIFICIO: DISEÑO, INSTALACIÓN Y CALCULO DE FLUJO La norma ANSI/API MPMS 14.3.2 - 1992 Reporte AGA 3 y su revisión del año 2000 establecen las especificaciones y requerimientos de instalación para la medición de flujos newtonianos, usando medidores de orificio de canto vivo y concéntricos. Además, la norma suministra las especificaciones para la construcción e instalación de placas de orificio, tubos medidores y accesorios asociados. Este capítulo se desarrollará tomando como guía la totalidad de la norma AGA 3 incluyendo la última revisión del año 2000 la cual esta referida a la instalación del medidor. 4.1 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E INSTALACIÓN La norma presenta varios de los parámetros que deben tenerse en cuenta cuando se está diseñando una instalación de medición que emplea medidores de orificio. Las tolerancias mecánicas que se encuentran en la norma ocupan un amplio rango de relaciones de diámetros para las cuales están disponibles resultados experimentales. Este estándar se fundamenta en relaciones de diámetro beta, entre 0.10 y 0.75. La incertidumbre mínima del coeficiente de descarga de la platina de orificio (Cd) se logra con relaciones de diámetro, βr, entre 0.2 y 0.6 y diámetros de orificios mayores o iguales a 0.45 pulgadas. Los aspectos de aplicación y exactitud de los medidores tipo orificio dependen directamente de las condiciones de flujo, velocidad, tipo de fluido y las variables relacionadas con la operación del sistema. 4.1.1 SÍMBOLOS Los símbolos empleados se presentan a continuación: SÍMBOLO

CANTIDAD PRESENTADA

Cd d dm dr

Coeficiente de descarga de la platina de orificio Diámetro del orificio calculado a la temperatura de flujo Tf Diámetro del orificio, medido a Tm Diámetro del orificio, calculado a la temperatura de referencia, Tr Diámetro interno de tubo, calculado a la temperatura de flujo, Tf Diámetro interno de tubo, medido a Tm Diámetro interno del tubo, calculado a al temperatura de referencia, Tr

D Dm Dr

∆P ºF ºR E e Ra Tm Tr α α1 α2 β βm βr

ε θ

Presión diferencial del orificio Temperatura, en grados Fanrenheit Temperatura, en grados Rankine Espesor de la platina (lámina) de orificio Espesor de la parte cilíndrica de la superficie interior del orificio Rugosidad promedio Temperatura de la placa de orificio y/o del tubo en el instante de medición de los diámetros. Temperatura de referencia del diámetro de la platina de orificio y/o diámetro interno del tubo. Coeficiente lineal de expansión térmica Coeficiente lineal de expansión térmica del material de la placa de orificio Coeficiente lineal de expansión térmica del material del tubo Relación entre el diámetro de la platina de orificio y el diámetro inferior del tubo (d/D), calculado a la temperatura de flujo, Tf Relación entre el diámetro de la platina de orificio y el diámetro interno del tubo (dm/Dm), calculada a la temperatura Tm Relación entre el diámetro de la platina de orificio y el diámetro del tubo (dm/Dm), calculada a la temperatura de referencia, Tr Excentricidad del orificio en la platina Ángulo del bisel del orificio

4.1.2 DEFINICIONES Las principales definiciones se dan a continuación, con el fin de enfatizar significado particular de los términos usados en la norma.

el

4.1.2.1 Elemento primario. El elemento primario se define como la platina de orificio, el soporte de la platina de orificio con sus tomas de presión diferencial y los tramos rectos de tubería aguas arriba y debajo de la platina de orificio. 4.1.2.2 Platina o placa de orificio. Se define como una lámina delgada en la cual se ha maquinado un orificio circular y concéntrico. La platina de orificio tiene un borde afilado y cuadrado. 4.1.2.3 Diámetro del orificio (d, dm, dr) El diámetro de la perforación en la platina de orificio (d) es el diámetro interno de la apertura de medición, calculado a la temperatura de flujo Tf. Este diámetro se usa en la ecuación de flujo para determinar la rata de flujo. El diámetro medido de la perforación en la platina de orificio (dm) es el diámetro interno medido a la temperatura de la platina de orificio (Tm), en el momento de la medición del diámetro del agujero.

El diámetro de referencia del orificio (dr) es el diámetro del orificio a la temperatura de referencia (Tr), calculado como se especifica más adelante. El diámetro de referencia del orificio es el diámetro de la perforación certificado o estampado en la platina. 4.1.2.4 Soporte de la platina de orificio. Se define como un elemento de tubería tal como un juego de bridas de orificio o un accesorio del orificio, usado para contener y sostener la platina de orificio en el sistema de tubería. Un ejemplo es el portaorificio Daniel Senior (Figura 4.1)

Figura 4.1.Portaorificio Daniel Senior 4.1.2.5 Tubo medidor. Se define como las secciones de tubería recta incluyendo todos los segmentos que son integrales al soporte de la platina de orificio, aguas arriba y aguas abajo de la platina de orificio. 4.1.2.6 Diámetro interno de tubo medidor. (D, Dm , Dr ). El diámetro interno calculado del medidor (D) es el diámetro interno de la sección aguas arriba del tubo medidor, calculado a la temperatura de flujo, Tf. Este diámetro se usa en las ecuaciones de número de Reynolds y también para determinar β. El diámetro interno medido (Dm) es el diámetro interno de las sección aguas arriba del tubo medidor, a la temperatura del tubo medidor, (Tm), en el momento de las mediciones del diámetro interno. El diámetro interno de referencia del tubo medidor (Dr) es el diámetro interno de la sección aguas arriba del tubo medidor, calculado a la temperatura de referencia Tr. El diámetro interno de referencia Dr es el diámetro certificado o estampado en el tubo medidor.

4.1.2.7 Relación de diámetros (β β, βm, βr). La relación de diámetros (β) se define como el diámetro calculado del agujero de la platina de orificio (d) dividido por el diámetro interno calculado del tubo medidor (D) a condiciones de flujo. La relación de diámetros (βm) se define como el diámetro medido del agujero de la platina de orificio (dm) dividido por el diámetro interno medido del tubo medidor (Dm). La relación de diámetro (βr), es el diámetro de referencia de la perforación de la platina de orificio (dr) dividido por el diámetro interno de referencia del tubo medidor (Dr). 4.1.2.8. Rectificadores de flujo. Los rectificadores de flujo son equipos que remueven o reducen efectivamente los componentes de turbulencia en la corriente de flujo. Su utilización no habilita la reproducción de datos para el cálculo de coeficientes de descarga experimentales, como si lo puede lograr los acondicionadores de tipo aislante. (AGA3 de 2000) 4.1.2.9 Tomas de presión ("Tap Hole"). Es un orificio taladrado radialmente en la pared del tubo medidor o en el soporte de la platina del orificio. Su borde interno está a ras con la superficie interior y no tiene rebabas. 4.1.2.10 Tomas de brida. Las tomas de brida son un par de tomas de presión ubicadas como sigue: •

La toma aguas arriba está localizada una pulgada aguas arriba de la superficie más cercana de la platina de orificio.

•

La toma aguas abajo está localizada una pulgada aguas abajo de la superficie más cercana de la platina de orificio.

4.1.2.11

Presión diferencial (∆ ∆P).

La presión diferencial (∆P) es la diferencia de presión estática, medida entre tomas de brida aguas arriba y aguas abajo. La presión diferencial promedia (∆Pavg) es la diferencia de presión de alta y de baja en una unidad de tiempo.(AGA3 de 2000). La presión diferencial instantánea (∆Pt) es el diferencial en un instante de tiempo. La presión diferencial de la raíz cuadrada promedio (∆Prms) es la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de la diferencia entre ∆Pt y ∆Pavg 4.1.2.12 temperatura abajo de la detectar la

Medición de temperatura (Tf,, Tm, Tr ). La temperatura Tf es la del fluido, medida en la localización designada, aguas arriba o aguas platina de orificio. Los pozos del termómetro deben ubicarse para temperatura promedio del fluido en la platina de orificio, Los

termopozos normalmente se instalan en el lado aguas abajo de la platina de orificio, a una distancia determinada. La temperatura Tm es la temperatura medida de la platina de orificio y/o del tubo medidor en el momento de las mediciones de los diámetros. La temperatura Tr es la temperatura de referencia usada para determinar el diámetro de referencia de la platina de orificio (dr) y/o el diámetro interno de referencia (Dr) del tubo medidor. 4.1.2.13 Rugosidad promedio (Ra). La rugosidad promedio (Ra) es la definida en la norma ANSI B46.1 como "el promedio aritmético de los valores absolutos de la desviación del perfil de altura medido, tomado dentro de la longitud de la muestra y medido a partir de la línea gráfica central". 4.1.3

ESPECIFICACIONES DE LA PLATINA DE ORIFICIO.

Los símbolos que se emplean para las dimensiones de la platina de orificio se muestran en la Figura 4.2.

Figura 4.2 4.1.3.1 Caras de la platina de orificio. Las caras aguas arriba y aguas abajo de la placa de orificio deben ser planas. Las desviaciones de la superficie plana de la platina deben ser menores o iguales al 1% de la altura de la "barrera" la cual se determina por la fórmula (Dm - dm)/2. En la Fig 4.3 se muestran las tolerancias de la horizontalidad de la platina de orificio para diferentes diámetros del orificio de la platina y diferentes tamaños nominales del tubo medidor.

Figura 4.3. Planicidad de la platina de orificio La rugosidad de la superficie de las caras de la platina de orificio, aguas arriba y aguas abajo, no deben tener abrasiones ni rayaduras a simple vista que excedan la Ra en 50 micropulgadas. La placa de orificio debe mantenerse limpia todo el tiempo de acumulaciones de suciedad y otros materiales extraños. La rugosidad debe ser verificada con equipos electrónicos o con comparadores de rugosidad que posean una aceptable repetibilidad. A fin de mantener la platina de orificio limpia y libre de sólidos se deben fijar inspecciones periódicas de acuerdo a las condiciones operacionales. Lo anterior

es debido a que el coeficiente de descarga es afectada por la presencia de estos compuestos. (AGA3 de 2000) 4.1.3.2 Borde del agujero de la platina de orificio. El borde del agujero de la platina de orificio aguas arriba, debe ser recto y afilado. Se considera que el borde del orificio de la platina es demasiado agudo, para efectos de medición de flujo, si el borde aguas arriba refleja un rayo de luz, cuando se observa sin ninguna lente de aumento. La estimación de la agudeza o filo del borde se hace comparando el borde del agujero de la platina de orificio con el borde del orificio de una platina de referencia del mismo diámetro nominal. Los bordes aguas arriba y aguas abajo del agujero de la platina de orificio deben estar libres de defectos a simple vista como rugosidad, rebabas, golpes, muescas o desportilladuras. Si hay alguna duda sobre la calidad del borde para una medición exacta, la platina de orificio debe reemplazarse 4.1.3.3 Diámetro (dm,dr) y circularidad de agujero de la platina de orificio. El diámetro medido del agujero de la platina de orificio, dm, se define como el promedio aritmético de cuatro o más mediciones de diámetro igualmente espaciados. Ninguno de las cuatro o más mediciones debe variar, respecto del valor medio, más allá de las tolerancias dadas en la Figura 4.4. Diámetro de orificio, dm (inch) ≤0.250 0.251-0.375 0.376-0.500 0.501-0.625 0.626-0.750 0.751-0.875 0.876-1.000 >1.000

Tolerancia (±inch) 0.0003 0.0004 0.0005 0.0005 0.0005 0.0005 0.0005 0.0005 inch por pulgada de diámetro

Figura 4.4 Tolerancia de circularidad de la platina de orificio. La temperatura de la platina de orificio debe registrarse el mismo tiempo que se realiza la medición del diámetro del agujero. El diámetro de referencia del agujero de la platina de orificio, dr, se define como el diámetro de referencia calculado a la temperatura de referencia (Tr) y se puede determinar por la ecuación:

α1 =

d r = d m [1 + α 1 (Tr − Tm )] coeficiente lineal de expansión térmica para el material de la platina de orificio (Figura 4.5).

dr =

diámetro del agujero de la platina de orificio, calculado a la temperatura de referencia Tr.

dm = Diámetro del agujero de la platina de orificio, medido a Tm. Tm = Temperatura de la platina de orificio en el momento de las mediciones del diámetro. Tr =

temperatura de referencia del diámetro del agujero de la platina.

Nota: α1, Tr y Tm deben estar en unidades consistentes. Para los propósitos de esta norma, se supone que Tr es igual a 68º F. El diámetro de referencia del agujero de la platina, dr, se usa para calcular el diámetro del agujero (d) a condiciones de flujo.

Figura 4.5 Coeficientes lineales de expansión. 4.1.3.4 Espesor del agujero de la placa de orificio (e). La superficie interna del agujero de la platina de orificio debe tener la forma de un cilindro de diámetro cortante, sin defectos tales como ranuras, aristas, protuberancias o huecos visibles a simple vista. La longitud del cilindro es el espesor del agujero de la platina orificio (e). El mínimo espesor permitido del agujero de la platina de orificio se define por el mayor valor entre e≥ 0.01dm ó e>0.005 pulgadas. El máximo espesor permitido para el agujero de la platina de orificio (e) se define por el menor valor entre e≤0.02Dm o e ≤ 0.125 dm, pero el espesor (e) no debe ser mayor que el espesor de la placa de orificio (E).

4.1.3.5 Espesor de la platina de orificio (E). Los valores máximos, mínimos y recomendados de espesor de la platina de orificio construida en acero inoxidables 316 y 304 se dan en la Fig. 4.6, para presiones diferenciales no mayores de 200 pulgadas de agua y temperaturas de operación no mayores de 150º F. Para condiciones diferentes a las mencionadas, se debe contactar al fabricante para la obtención de información específica sobre deflexión de la platina, para una determinada relación de diámetros, temperatura, material de la platina de orificio, soporte de la platina de orificio y presión diferencial. El uso de altas diferenciales de presión (∆P/Pf >0.7 “c.w./ psia) genera errores del 0.1% en el cálculo del factor de expansión. Altas diferenciales de presión generan altas velocidades en el medidor y pérdidas altas de presión permanente. La velocidad recomendada debe ser evaluada sobre la base de no presencia de ruido, erosión y vibración. La caída de presión permanente es importante por las limitaciones que causa en la capacidad del sistema de transporte. La pérdida de presión permanente es aproximadamente igual a ∆P(1- β2) donde: ∆P se da en pulgadas de agua β relación de diámetros. Ejemplo: La caída de presión en un medidor de orificio que tiene una relación de diámetros β de 0.3 y un diferencial de 400” w.c la caída de presión será de 400(10.09)=364 lo que corresponde a 13 psi.

Figura 4.6 Espesor de platinas de orificio

4.1.3.6 Angulo de bisel (θ θ). Es el ángulo formado entre la superficie inclinada interior del agujero y la cara de la platina aguas abajo. El valor permitido para el ángulo de bisel es de 45º +/- 15º. La superficie del bisel de la platina no debe tener defectos visibles a simple vista como ranuras, aristas, protuberancias o huecos. Si se requiriese bisel, su dimensión mínima, medida a lo largo del eje del orificio,(E-e), no debe ser menor de un 1/16 de pulgada. 4.1.4 ESPECIFICACIONES DEL TUBO MEDIDOR. 4.1.4.1 Definición. El tubo medidor se define como la sección recta de tubería aguas arriba incluyendo los enderezadores de flujo, si son usados, el soporte de la platina de orificio y la longitud de tubería aguas abajo. La sección aguas arriba del medidor se define como la longitud recta que se extiende de la platina de orificio al cambio en área de flujo (no incluidos los accesorios del medidor) o cambio de dirección de flujo. No deben existir conexiones de tubería en este tramo de línea, con excepción de las tomas de presión, indicadores de temperatura, rectificadores de flujo bridado o asegurado con pin, soldaduras o bridas de los porta-orificios y bridas para conectar extensiones de tubería recta aguas arriba o aguas abajo. Cualquier brida o soldadura aguas abajo debe estar localizada mínimo a 2” de la cara de la platina de orificio, de lo contrario se deben maquinar. 4.1.4.2 Superficie interna. La rugosidad superficial interna del tubo medidor debe medirse aproximadamente en las mismas ubicaciones axiales que se usan para verificar y determinar el diámetro interno del tubo medidor. La medición de la rugosidad se lleva a cabo con un instrumento electrónico que mide la rugosidad promedio (de un mínimo de cuatro medidas de rugosidad). La rugosidad superficial interna (promedio aritmético de estas cuatro medidas) del tubo medidor no debe exceder los siguientes valores: a) 300 micropulgadas si las relaciones de diámetro β, son menores de 0.6. b) 250 micropulgadas si las relaciones de diámetro β, son mayores o iguales a 0.6. La revisión del año 2000 contempla para medidores de 12” de diámetro y menores una rugosidad máxima de 300 micropulgadas para un βr de 0.6 o menor y 250 micropulgadas para un βr 0.6 o mayor. La mínima rugosidad no debe ser menor a 34 micropulgadas para todos los diámetros. Para medidores de diámetro superior a 12” la rugosidad no debe exceder 600 micropulgadas para βr iguales o menores de 0.6 y 500 micropulgadas para βr superiores a 0.6

La mínima rugosidad no debe ser menor a 34 micropulgadas para todos los diámetros. Nota: El uso de βr bajos reduce el efecto de la rugosidad respecto a la incertidumbre en la medición. Se puede emplear un tubo comercial liso, cuidadosamente seleccionado. Para mejorar la suavidad dentro del tubo medidor las paredes internas pueden ser maquinadas o recubiertas. El interior del tubo medidor debe estar limpio y libre de acumulación de contaminantes (sólidos, líquidos, espuma, etc.) La existencia de pitting en la superficie interna es permitida siempre y cuando no exceda los límites de rugosidad especificados anteriormente. 4.1.4.3 Diámetro del tubo medidor (Dm y Dr). El diámetro interno medido del tubo medidor, Dm debe ser determinado mediante cuatro mediciones del diámetro, igualmente espaciadas a una pulgada aguas arriba de la cara de la platina de orificio el promedio aritmético de éstas cuatro o más mediciones individuales define el diámetro interno del tubo medido (Dm). Adicionalmente, se deben realizar como mínimo dos medidas en otras secciones transversales diferentes del tubo medidor, aguas arriba. Se deben realizar mediciones individuales del diámetro interno del tubo medidor en la sección aguas abajo, en un plano ubicado a una pulgada aguas abajo de la lámina de orificio, igualmente se deben realizar por lo menos dos mediciones en otras secciones transversales del medidor, aguas abajo. Los diámetros internos del tubo medidor no están limitados a los diámetros internos nominales publicados. Sin embargo se deben seguir todas las normas y códigos aplicables. El diámetro interno de referencia del tubo medidor, Dr, se calcula por: Dr = Dm [1 + α 2 (Tr − Tm )] donde, α2 =

coeficiente lineal de expansión térmica para el material de tubo medidor

Dr =

diámetro interno de referencia del tubo medidor, calculado a la temperatura de referencia Tr.

Dm = diámetro interno del tubo medidor, medido a Tm. Tm = temperatura del tubo medidor en el momento de las mediciones del diámetro.

Tr = temperatura de referencia del diámetro interno del tubo medidor. Nota: α2, Tr y Tm deben estar en unidades consistentes. Para los propósitos de esta norma, se supone que Tr es igual a 68º F. 4.1.4.4 Tolerancias y restricciones. Las tolerancias para el diámetro y las restricciones para la superficie interna del tubo medidor se definen como el porcentaje de desviación entre los Dm medidos así: ♦

Los diámetros medidos entre la platina de orificio y una distancia de un diámetro del tubo medidor aguas arriba debe cumplir la tolerancia siguiente:

Dn cualquiera − Dn promedio * 100 ≤ 0.25% Dn promedio ♦

El total de Dm medidos aguas arriba de la platina de orificio debe cumplir la tolerancia:

MaximoDm − MinimoDm * 100 ≤ 0.5% Dm promedio Ejemplo de verificación de tolerancias de Dm POSICIÓN 1” del orificio Menor a Dm

A 2.0696 2.0700

LECTURAS DE Dm B C 2.0694 2.0694 2.0676 2.0670

Dm PROMEDIO D 2.0696 2.0655

2.0695

Tolerancia absoluta a 1”: (2.0694 – 2.0695) / 2.0695= 0.0048%