Diseño y Verificación de S stemas e A v o
Ing. Mayra Marchetti
[email protected] 24 de Abril 2013
Objetivos del Curso • Repasar conceptos básicos sobre dispositivos de alivio • Discutir las normas aplicables al dimensionamiento • • • • • •
y/o verifica verificación ción de redes redes de alivio alivio – API RP 520 & API STD 521-Protección de equipos ASME-TEMA Util Ut iliz izar ar Asp Aspen en Flar Flare e Sy Syst stem em An Anal alyz yzer er y un soft softwa ware re de proveedor para el dimensionamiento de PSVs s ngu r os pasos necesar os para a ver cac n y o diseño de un sistema de alivio Calcular el caudal de alivio según el tipo de contingencia Utiliz Uti lizar ar el sof softwa tware re Asp Aspen en Fla Flare re Sys System tem Ana Analyz lyzer er par para a diseño y/o verificación de los colectores de alivio Conocer distintos tipos de Antorchas Realizar cálculos de disposición final de gases. Dispersión y Radiación.
Objetivos del Curso • Repasar conceptos básicos sobre dispositivos de alivio • Discutir las normas aplicables al dimensionamiento • • • • • •
y/o verifica verificación ción de redes redes de alivio alivio – API RP 520 & API STD 521-Protección de equipos ASME-TEMA Util Ut iliz izar ar Asp Aspen en Flar Flare e Sy Syst stem em An Anal alyz yzer er y un soft softwa ware re de proveedor para el dimensionamiento de PSVs s ngu r os pasos necesar os para a ver cac n y o diseño de un sistema de alivio Calcular el caudal de alivio según el tipo de contingencia Utiliz Uti lizar ar el sof softwa tware re Asp Aspen en Fla Flare re Sys System tem Ana Analyz lyzer er par para a diseño y/o verificación de los colectores de alivio Conocer distintos tipos de Antorchas Realizar cálculos de disposición final de gases. Dispersión y Radiación.
Agenda: • Tarde 1 : – Conceptos básicos de Dispositivos de Alivio – Diferentes presiones a considerar en el dimensionamiento de dispositivos de alivios – Normativa Aplicable – Dimensionamiento de válvulas de seguridad (Ecuaciones de API 520 y Programa de Proveedores) – Ejercicio práctico • Mañana 2 : – Diseño por contingencias – Tipos de Contingencias – Cálculo del caudal de alivio por contingencia
Agenda: • Tarde 2 : – Cálculo de líneas de entrada y salida de los Dispositivos de Alivio – Método de calculo y verificación de los sistemas de alivio. – Dimensionamiento y/o verificación del separador de gotas (KOD) del sistema de alivio. Ejemplo práctico. – . – Líneas de entrada y salida (API 520-Parte II) Aspen Flare System Analyzer • Mañana 3: – Diseño y Verificación de colectores utilizando Aspen Flare System Analyzer – Diseño de altura por radiación (API 521) – Diseño por dispersión (SCREEN 3) – Aspectos constructivos (API 537)
B i b l i o g r a f ía v v v v v v
v v v v v v v
API 520 Parte 1: Sizing Selection and Installations of Pressure-Relieving Devices - 8°ED 2008 API 520 Parte 2: Sizing Selection and Installations of Pressure-Relieving Devices - 7°ED 2000 API RP 521 Guide for Pressure and Despressuring Systems - 5°Ed 2007 API 521: Pressure Relieving and Depressurizing Systems – 5° Ed 2007 – Errata 2007 – Ademdum 2008 API 537: Flare Details for General Refinery and Petrochemical Service2nd.edition (2008) Especificación de Diseño YPF ED-18.00-01-Válvulas de Seguridad y discos de ruptura. - . , . . . . Cheremisinoff Improve Flare System Design to Reduce Cost and Enhace Safety- Brian Marshall-Softbits Consultants. Taller de Sistemas de Alivio de Presión-Nivel Básico – Alvin Azocar – Inelectra Panamá. Crosby Pressure Relief Valve Engineering Handbook Capítulo 5-GPSA- Relief Systems Rigurously Size Relief Valves for Supercritical Fluids-Ryan Ouderkirk-Fluor Corp-CEP-2002 The last line of defence- J. Bellovich, J. Franklin & Dr. C. Baukal-John Zink Company-Hydrocarbon Engineering-2006. Flare School Argentina-Dr. Dee McClain-Callidus Technologies-Bs.As. Octubre 2010
Dispositivos de Alivio
VÁLVULAS DE ALIVIO DE PRESIÓN Anderson Greenwood-Crosby Dresser-Consolidated
Farris Engineering
Usos principales: § Protección de los equipos (recipientes, bombas, compresores, etc.) y de líneas. Pueden ser usadas en conjunto con los discos de ruptura. §
7
DISCOS DE RUPTURA BS&B
Oseco
Fike Corporation
Usos principales: § Protección de equipos (recipientes, bombas, compresores, etc.) y de líneas por sobrepresión o vacío. Son colocados aguas arriba de las válvulas de alivio de presión. § § Usados en servicios tóxicos en caso que la válvula de alivio presente una fuga; o para evitar que las fluctuaciones de la presión de operación provoquen el golpeteo de las válvulas de alivio. No son reutilizables, luego de romperse tienen que ser reemplazados. § 8
VÁLVULAS DE ALIVIO DE PRESIÓN / ROMPE VACÍO Groth Corp. Enardo
Safety Systems UK
Usos principales: Protección de equipos con presión de diseño atmosférica o cercana, ej. § tanques de almacenamiento. Existen dispositivos dobles de alivio de presión y rompe vacío. § § Pueden aliviar a la atmósfera o ser conectadas a un sistema de recolección de alivios.
9
ESCOTILLAS DE EMERGENCIA Groth Corp.
Enardo
Safety Systems UK
Usos principales: Protección de equipos con presión de diseño atmosférica o cercana, ej. § tanques de almacenamiento. Generalmente son los dispositivos finales de alivio de presión en los § tanques y tienen una presión de alivio más alta que las válvulas.
10
VÁLVULAS CON CLAVIJAS PARA DOBLARSE API RP 520
BS&B
Usos principales: § Protección de equipos (recipientes, bombas, compresores, etc.) y de líneas. Pueden ser usados en conjunto con los discos de ruptura. § § Son una alternativa económica con respecto a las válvulas de alivio. No son reutilizables, luego de romperse tienen que ser reemplazados. § Existen modelos, en los cuales solo es requerido el cambio de la clavija. 11
SIMBOLOGÍA EN LOS P&ID s PSV
PSV
Válvula de alivio de presión P
PSV
Válvula de alivio de presión operada con piloto (sensor integral)
P
PSV
Válvula de alivio de presión operada con piloto (sensor remoto)
Válvula de alivio de vacío
12
SIMBOLOGÍA EN LOS P&ID s PVV
Válvula de alivio de presión/rompe vacío RDP
Disco de ruptura por sobre presión
RDV
Disco de ruptura por vacío PSV PSV
Escotillas de emergencia
PSV
Válvula con clavija para doblarse 13
Definiciones Básicas MÁXIMA PRESIÓN DE OPERACIÓN PERMISIBLE (MPOP) Es la máxima presión manométrica permisible en el tope de un recipiente (en su posición normal de operación) a la temperatura de diseño correspondiente a esa presión. La MPOP es la base para la presión de ajuste de los dispositivos de alivio de presión que protegen al recipiente. En inglés: m a xi m u m al lo w ab le w o r ki ng p r es s u re , MAWP. PRESIÓN DE DISEÑO (Design Pressure) Es la presión usada, junto con la temperatura de diseño, como base para determinar el espesor mínimo de pared del equipo o la línea. La presión de diseño puede ser menor o igual a la MPOP. PRESIÓN DE SET O DE DISPARO (Set pressure) Es la presión a la cual una válvula de alivio, dispositivo de seguridad o instrumento está ajustado para abrir o accionar.
14
Definiciones Básicas PRESIÓN DE ALIVIO (Relief Pressure) Es la presión a la cual se produce la descarga a flujo máximo. La presión de alivio es la presión de ajuste más el porcentaje de sobrepresión. Esta presión es la utilizada para determinar las condiciones de alivio y las dimensiones del dispositivo de seguridad. , Es la diferencia entre la presión de ajuste y la presión de cierre de la válvula de alivio de presión, expresada como un porcentaje de la presión de ajuste o en unidades de presión. CONTRAPRESIÓN (Backpressure) Es la presión total existente en el colector de descarga del sistema de alivio de presión incluyendo la presión estática (static) mas la debida a la descarga del dispositivo de seguridad (dinámica, built-up).
15
Definiciones Básicas ACUMULACIÓN (Accumulation) § Es el incremento de presión por encima de la MAWP que está permitido durante la descarga de un dispositivo de alivio de presión. § Los valores aceptables de acumulación permitida están establecidos en varios códigos (ASME VIII recip.,ASME I calderas, ASME B31.3 cañerías) de diseño para operaciones de emergencia y para contingencias de fuego. SOBREPRESIÓN (Overpressure) § Es el aumento de presión sobre la presión de set del dispositivo de alivio que experimentará el sistema al momento en el cual el dispositivo alcanza su máxima apertura durante el alivio. § 10 % de la presión de set (manométrica) para todos los casos menos fuego. En el caso de alivio por fuego, se considera el 21 %. § La sobrepresión es igual a la acumulación sólo cuando el dispositivo de alivio está seteado para abrir a la MAWP, considerando que no existen pérdidas de presión en la línea de entrada al dispositivo de alivio. 16
Definiciones Básicas ACUMULACIÓN VS SOBREPRESIÓN
SOBREPRESIÓN (% DE LA PRESIÓN DE SET) ASME
ACUMULACIÓN (% DE LA MAWP) API
N I S E R P
PRESIÓN DE SET COMIENZO DEL ALIVIO
TIEMPO
Adaptado de Crowl, D. y Louvar, J. Chemical Process Safety .
17
ACUMULACIÓN EN RECIPIENTES DE CS Efecto de la acumulación de presión en recipientes de acero al carbono % MAWP (% sobre presión) Efectos Observaciones 100.cP) y para servicios de polímeros, es sólo posible con un dispositivo de aislamiento ya que la línea piloto, que censa la presión, puede obstruirse.
Consolidated®. Pilot Operated Safety Relief Valve 3900 MPV® (SRV-1/Q2.02).
34
Normativa Aplicable
Usar siempre Normas Actualizadas! Section VIII: R u l e s fo r C o n s t r u c t i o n o f Pressur e Vessels
D i v i s i o n 1
B31.3: P r o c e s s
Piping
Section I: R u l e s f o r C o n s t r u c t i o n o f P o w e r Boilers Section IV: R u l e s f o r C o n s t r u c t i o n o f Heating Boilers
Normativa Aplicable A m e ri c an P et r o le u m In s t i tu t e
API RP 520 Sizing, Selection, and Installation of Pressur e. Relieving D e v i c es i n R e f i n e r i es - P a r ts I & I I
(ANSI/) API STD 521 (ISO 23251) P r e s s u r e -R e li e v i n g a n d D e p r e s s u r i n g S y s t e m s
API STD 526 Flanged Steel Pressu re Relief Valves
API STD 537 Flare Details for General Refinery and Petro chem ical Service
API STD 2000 (15psia) Ve n t i n g A t m o s p h e r i c a n d L o w - Pr e s s u r e S t o r a g e Ta n k s . N o n r e f r i g e r at e d a n d R e f r ig e r a t ed
Normativa Aplicable
Especificación Técnica de cálculo de alivios
Es . Técnicas Clientes
Es ecificación Técnica de Instrumentación-Dis . Alivios
Hojas de datos Standard de válvulas de alivios
Hojas de datos standard para Antorchas y recipientes KOD
ESTÁNDARES INTERNACIONALES - ECUACIONES
GAS O VAPOR
§
API RP 520: flujo crítico y subcrítico
§
API STD 521: fuego
§
API STD 2000: tanques de almacenamiento P < 15 si .
VAPOR DE AGUA
API RP 520
§
API RP 520: válvulas con y sin certificación
§
API STD 521: fuego
LÍQUIDO
38
Cálculo del Orificio Requerido de la PSV ESTÁNDARES INTERNACIONALES - ECUACIONES §
API RP 520: apéndice D è método del DIERS (D e s i g n I n s t i t u t e o f E m e r g e n c y R e lief S y s t e m s )
§
Otras versiones del HEM (H o m o g e n e o u s E q u i l ib r i u m F l o w M o d e l : spon e en VisualFlow TM y AspeFlare System Analyzer
FLUJO BIFÁSICO
39
Modificada
RECREO!
API RP 520 Parte I - ECUACIONES §
Gas – flujo crítico W A req = C· K d · P K b · K c 1 · Areq W V T 1 C K d P 1 K b K c Z M
T 1 · Z M
2,676·V· T 1 ·Z·M
=
C·K d · P K b · K c 1 ·
área requerida del orificio [mm2] flu o másico re uerido de alivio K /hr flujo volumétrico estándar de alivio [Nm3/min] temperatura de alivio [ºK] coeficiente en base al k (= C P /C V ) [ - ] coeficiente de descarga efectivo [ - ] presión de alivio aguas arriba [kPa-abs] coeficiente de corrección debido a la contrapresión [ - ] coeficiente de corrección por la presencia de un disco de ruptura [ - ] factor de compresibilidad a las condiciones de alivio [ - ] peso molecular del gas [Kg/Kg-mol] 41
API RP 520 Parte I - ECUACIONES
§
Coeficiente C – Unidades SI (k+1)
= C
0,03948 * k
k -1 k +
1
API RP 520 Parte I - ECUACIONES K d Corrección de capacidad – Diferencia con una boquilla idealizada A
= r eq
W C· K d · P K b · K c 1 ·
T 1 · Z M
Factor de corrección de la capacidad
Adaptado de Darby, R. et al. Select the Best Model for Two-Phase Relief Sizing. CEP Mayo 2001.
43
API RP 520 Parte I - ECUACIONES K b Corrección debido a la contrapresión para válvulas balanceadas
A req =
r o 1.00 p n b ó i K c n c ó e i r s o r c p e a r d t r n o o c t c a F
0.65
16% de sobrepresión
W C·K d · P K b · K c 1 ·
10% de sobrepresión Límite recomendado para uso de las válvulas balanceadas 25
30
50
Porcentaje de la presión manométrica = ( P B/ P S ) x 100
P B contrapresión [psig] P S presión de disparo [psig]
Para una sobrepresión de 21 % (fuego), K b = 1 hasta 50 %. 44
T 1 · Z M W Factor de corrección or contrapresión
API RP 520 Parte I - ECUACIONES K c Corrección por uso de un
disco de ruptura A req =
W C· K d · P K b · K c 1 ·
T 1 · Z M
corrección por uso del disco de ruptura
Disco de ruptura è restricción del flujo
45
API RP 520 Parte I - ECUACIONES §
Gas – flujo subcrítico (solo para válvulas convencionales y tipo piloto) A
req =
Areq W V T 1 F 2 K d P 1 P 2 K c Z M
17,9 ·W F 2 · K d · K c
T 1 · Z M· P (P 1 – P ) 1 · 2
=
47,95 ·V F 2 · K d · K c
T 1 · Z· M P (P 1 – P ) 1 · 2
área requerida del orificio [mm2] flu o másico re uerido de alivio K /hr flujo volumétrico estándar de alivio [Nm3/min] temperatura de alivio [ºK] coeficiente de flujo subcrítico [ - ] coeficiente de descarga efectivo [ - ] presión de alivio aguas arriba [kPaa] contrapresión [kPaa] coeficiente de corrección por la presencia de un disco de ruptura [ - ] factor de compresibilidad a las condiciones de alivio [ - ] peso molecular del gas [Kg/Kg-mol] 46
API RP 520 Parte I - ECUACIONES §
Vapor de agua A
req =
Areq W P 1 K d K b K c K N K SH § §
190,5 W P · K d · K b · K c · K N · K SH 1
área requerida del orificio [mm2] flu o másico re uerido de alivio K /hr presión de alivio aguas arriba [kPaa] coeficiente de descarga efectivo [ - ] coeficiente de corrección debido a la contrapresión [ - ] coeficiente de corrección por la presencia de un disco de ruptura [ - ] factor de corrección para la ecuación de Napier [ - ] factor de corrección para vapor sobrecalentado [ - ]
Solo para vapor de agua. Considera flujo crítico, ej. con alivio a la atmósfera.
47
API RP 520 Parte I - ECUACIONES §
Líquido con certificación de capacidad 11,78. Q A req = K d ·K w ·K c ·K v
G p p 1 – 2
área requerida del orificio [mm2] flu o de lí uido lit./min K d coeficiente de descarga efectivo [ - ] K w coeficiente de corrección debido a la contrapresión [ - ] K c coeficiente de corrección por la presencia de un disco de ruptura [ - ] K v coeficiente de corrección debido a la viscosidad [ - ] G gravedad específica del líquido a la temperatura de alivio referida a del agua a condiciones estándar [ - ] presión de alivio aguas arriba [kPag] p1 p2 contrapresión [kPag] Areq
48
la
API RP 520 Parte I - ECUACIONES K w Corrección debido a la contrapresión para servicio de líquido
A
r o 1.00 p n w ó i K c n c ó i s r r e o r c p e a r d t r n o o c t c a F
0.65
req =
11,78 ·Q K d ·K w ·K c ·K v
G p p 1 – 2
Factor de contrapresión Límite recomendado para uso de las válvulas balanceadas 10
15
50
Porcentaje de la presión manométrica = ( P B/ P S ) x 100
P B contrapresión [psig] P S presión de ajuste [psig]
49
API RP 520 Parte I - ECUACIONES K v Corrección debido a la viscosidad
de líquidos
n ó i c d c a e d r r i o s c o c s e i
A
e a t l n e a i c o i f d i e b o e C d
K d ·K w ·K c ·K v
G p p 1 – 2
Factor de corrección debido a la viscosidad
v
K
¡Límite!
req =
11,78·Q
0.2
Número de Reynold ¡ No extrapole! 50
ÁREA EFECTIVA (API) Y ÁREA VERDADERA (ASME) El área estándar indicada en el API STD 526 es menor que el área verdadera según el ASME Sección VIII División 1: A API §
0,9 · A REAL
El diseño de las líneas de entrada y salida usa el flujo del área verdadera: Flujo máximo = Flujo requerido
§
A
0,9 A REQUERIDA
El valor de K d para servicio líquido varía según el tipo de área empleada en el cálculo: - K d = 0,65 para una válvula certificada ASME. - K d = 0,71 a 0,72 para una válvula certificada ASME usando orificio API. - K d = 0,64 a 0,65 para una válvula no certificada usando orificio API.
51
AREAS API 526 CON CONEXIONES STANDARD Orificio
API 526
Area
Area
[in2]
[mm2]
1x2
1½x2
1½x3
D
0.110
70.970
*
*
*
E
0.196
126.450
*
*
*
F
0.307
198.060
*
*
G
0.503
324.520
*
*
H
0.785
506.450
*
*
J
1.287
830.320
K
1.838
1185.800
*
L
2.853
1840.640
*
M
3.600
2322.580
*
N
4.340
2799.990
*
P
6.380
4116.120
*
Q
11.05
7129.020
*
R
16.00
10322.56
*
T
26.00
16774.16
2x3
*
3x4
3x6
4x6
6x8
6x10
8x10
* * *
* *
COMPARACIÓN DE TAMAÑOS
D
L
Q
T
53
Contrapresión FLUJO CRÍTICO (O ESTRANGULADO O SÓNICO) k
2 = R CF = P k + 1 1 P CF
– k
1 .
m v CF VELOCIDAD DEL GAS
0
FLUJO MÁSICO
v
¡Realmente se estrangula la velocidad!
1
P 2 /P 1 –
0,528 = P CF /P 1 = R CF
0
RELACIÓN DE PRESIONES ABSOLUTAS 54
FLUJO CRÍTICO (O ESTRANGULADO) Flujo subcrítico: A
req =
T 1 · Z
17,9 ·W
F 2 · K d · K c
Flujo crítico: A
M· P (P 1 · 1 –P 2 )
W req = C· K d · P K b · K c 1 ·
T 1 · Z M
.
m v CF VELOCIDAD DEL GAS
0
FLUJO MÁSICO
v
1
P 2 /P 1 –
0,528 = P CF /P 1 = R CF
RELACIÓN DE PRESIONES ABSOLUTAS 55
0
Contrapresión FRENTE SÓNICO: CÁLCULO DE LA CAÍDA DE PRESIÓN
Presión
Entrada a la válvula
Presión de alivio Presión de frente sónico = Contrapresión construida
Salida de la válvula
Línea de salida Presión aguas abajo de la válvula de alivio determinada por un cálculo hidráulico
Distancia
56
Ejercicio Práctico Ø
Dimensionar una PSV para el Caso Falla de Reflujo: § Datos: • Presión de diseño de Torre 3403-E: Pd = 9,8 Kg/cm2g • Caudal de alivio calculado por falla de reflujo: W= 3000Kg/hr • T alivio=152 °C • Propiedades del fluido a aliviar: K=1.13, PM=66, Z=0.84 • , • Contrapresión Super-impuesta Variable: 0,1 Kg/cm2g • Contrapresión constante: 0,1 Kg/cm2g • Kd=0.975, sin disco de ruptura § Determinar – Flujo crítico o sónico para el caso – Área requerida utilizando las formulas de API – Tamaño orificio de válvula para el caso (Utilizando Tyco PRV2Size y Aspen Flare System Analyzer) – Conexiones estándar (Utilizar API 526)
Break FLUJO CRÍTICO (O ESTRANGULADO O SÓNICO) k
2 = R CF = P k + 1 1 P CF
R CF =
k –
1
0,578
P CF = 5,66
Kg/cm2g
Cálculo Flujo Crítico o Sónico
C = 0,025 A R E A R E Q UE R ID A =
270 mm2
VALVUL A SELECCIONADA 2” G 3” A R E A S EL E C C IO N A D A =
324.5 mm2
Estudio de contingencias CAUSAS DE LA SOBREPRESIÓN
Contingencias Singulares
Contingencias Generales
Salida bloqueada Ruptura de tubo Falla de válvulas de control Falla de válvula de retención (check) Expansión térmica Fuego, etc.
Falla de energía eléctrica Falla de fluido de enfriamiento Falla de aire de instrumentos Falla del sistema de vapor Fuego, etc.
60
Estudio de contingencias
Estudio de contingencias SALIDA BLOQUEADA Cierre inadvertido de alguna válvula manual o de control en alguna de las líneas de salida del equipo. è El equipo no puede disponer de las corrientes de salida mientras se mantiene la alimentación.
62
Estudio de contingencias SALIDA BLOQUEADA Equipo s centrífugo s: § §
El caudal disminuye al aumentar la diferencia de altura (presión). No se requiere una válvula de alivio de presión en equipos centrífugos si el sistema aguas abajo de tal equipo ha sido diseñado para la presión de cierre (shut-off ).
) N E Ó D I S A I E C R N P ( E R A E R F I U T D L A
AUMENTO DE LA DIFERENCIA DE PRESIÓN
CAPACIDAD DE FLUJO EN LA CONDICIÓN NORMAL DE OPERACIÓN
CAPACIDAD DE FLUJO 63
Estudio de contingencias SALIDA BLOQUEADA Equipos reciprocantes o de cavidad progresiva: § Este tipo de bombas incrementan la presión de descarga de manera significativa cuando el flujo es limitado o bloqueado a la descarga. § El sistema a la descarga es protegido con una válvula de alivio de presión diseñada para el flujo de diseño del equipo. § Las válvulas manuales de bloqueo no son requeridas para la válvula de alivio. o e b m o b e d a r u t l A
Flujo 64
Estudio de contingencias
RUPTURA DE TUBOS § Ruptura de un tubo en un intercambiador de calor, principalmente del tipo tubo y carcaza, o en un serpentín de calentamiento o de enfriamiento. § El lado de alta presión puede ser el lado de los tubos o de la carcasa. è
Paso de flujo del lado de alta presión hacia el lado de baja presión. Lado de alta presión
u o
Placa de tubos
Ruptura en el algún punto a lo largo del tubo
Lado de ba a presión
Ruptura en el extremo del tubo 65
Estudio de contingencias RUPTURA DE TUBOS
Q
=
Y ⋅ C ⋅ A ⋅
2 ⋅ ∆P ρ
66
Estudio de contingencias RUPTURA DE TUBOS La instalación de una válvula de alivio por ruptura de tubos puede ser evitada siguiendo la regla de 10/13 para las presiones de diseño del lado de alta presión y de baja: Presión de pru eba = 1,3 x Pr esión de di señ oè Pr esión de diseñ o del lado de baja pr esión
10
Pr esión de diseñ o del lado de alta presión
13
= ,
§ Aplica
para diseño nuevos según el ASME Sección VIII, División 1. Para equipos existentes se debe revisar bajo que criterio fueron probados los equipos, antiguamente: Presión de prueba = 1,5 x Presión de D iseñ o è regla de 2/3.
§ No
evita la ruptura del tubo de baja presión. 67
è
revise el efecto sobre el sistema
Estudio de contingencias FALLA DE VÁLVULA DE CONTROL La falla de una válvula de control puede ser debido a: § Falla (pérdida) del aire de instrumento è falla a posición segura. § Válvulas con falla en la última posición de operación è se considerará la válvula completamente abierta o cerrada. § Mal funcionamiento por atascamiento è en posición cerrada o abierta. Se evalúan todas posibilidades para determinar el peor de los escenarios, tanto para el sistema aguas arriba y como aguas abajo.
68
Estudio de contingencias MAL FUNCIONAMIENTO DE LA VÁLVULA DE CONTROL a s b lo l o w -b -b y Ejemplo: g as . Presión en el lado de alta presión = presión de diseño del recipiente
¿Cuáll es la pr ¿Cuá pres esió ión n resultante con el máximo flujo?
¿Cuál es el máximo flujo a través de la válvula?
Sistema de Alta Presión
Sistema de Baja Presión
Información detallada: Cv de la válvula 69
Modificada
Estudio de contingencias FALLA DE LA VÁLVULA DE RETENCIÓN La falla de una válvula de retención puede ser en posición abierta o cerrada debido a un atascamiento o falla mecánica.
150 600
150 600
150 600
150 600
70
Estudio de contingencias EXPANSIÓN HIDRÁULICA Aplica especialmente para las líneas completamente llenas de líquido. Si el fluido flu ido se det detien iene, e, se pue puede de pro produc ducir ir una exp expans ansión ión hid hidráu ráulic licaa (o tér térmic mica) a) debido al aumento de temperatura del líquido originada por la radiación solar, tracing de vapor, etc.
71
Estudio de contingencias EXPANSIÓN HIDRÁULICA Los intercambiadores de calor pueden ser bloqueados en la salida del lado frío; si se mantiene la circulación el lado caliente, el fluido del lado frío aumentará su presión como un efecto del aumento de la temperatura. T 1 > T 2
T 1
T 2
72
Estudio de contingencias FALLA DE LOS SERVICIOS INDUSTRIALES §
§
ELECTRICIDAD § § §
AGUA DE ENFRIAMIENTO
§ §
Bombas para suministro de agua de enfriamiento, agua para calderas o de reflujo. Ventiladores Venti ladores de los los enfriadores enfriadores con aire, de las torres de enfriamiento o de aire de combustión. vacío o refrigeración. Instrumentación. Válvulas motorizadas. Condensadores de procesos o de servicios industriales. Enfriadores para fluidos de procesos, aceite lubricante o aceite de sello.
Adaptado del API RP 520.
73
Estudio de contingencias FALLA DE LOS SERVICIOS INDUSTRIALES AIRE DE INSTRUMENTOS
§ § §
§
VAPOR
§ § § § §
Transmisores y controladores. Transmisores Válvulas de control. Sistemas de alarmas alarmas y de parada de emergencia.
Turbinas para bombas, compresores, sopladores, ventiladores de combustión o generadores de electricidad. Rehervidores. Bombas reciprocantes. Equipos que usan inyección inyección directa directa de vapor (ej. para despojamiento). Eyectores y eductores. Calentamiento de los los fluidos fluidos en tanques y recipientes.
Adaptado del API RP 520.
74
Estudio de contingencias FALLA DE LOS SERVICIOS INDUSTRIALES § § § §
COMBUSTIBLE (ACEITE, GAS, ETC.)
§ §
§ § §
GASES INERTES N2
Calderas. Rehervidores. Hornos. Elementos motrices para bombas o generadores de electricidad. Compresores. Turbinas a gas.
Sellos de equipos rotativos. Reactores catalíticos. Purgas para instrumentos o equipos.
He Adaptado del API RP 520.
75
Estudio de contingencias FUEGO EXTERNO
7,6 m (25 ft)
Área mojada
76
Estudio de contingencias FUEGO EXTERNO § Cualquier equipo en una planta que procese gases o líquidos inflamables puede ser sometido a fuego en cualquier momento. §
Este riesgo puede existir inclusive en recipientes que contengan sustancias no inflamables, ej. recipientes de aire de instrumentos o de planta.
§
En caso de fuego es importante determinar si es conveniente colocar una válvula de despresurización o una válvula de alivio. La API STD 521 recomienda que los recipientes de gran volumen, con un contenido de gas o de hidrocarburos muy livianos y una presión de operación igual o mayor a 17,24.barg (250.psig), sean protegidos por un sistema de despresurización. Ej: Reactores de Hidrotratamiento (en los separadores o torres) Todas las alimentaciones y corrientes de salida o entrada al sistema han cesado.
§
77
Estudio de contingencias
FUEGO EXTERNO § Todas las fuentes de calor dentro del proceso han cesado. Por lo tanto, la generación de vapor es solo función del calor absorbido por el fuego y el calor latente del líquido confinado a las condiciones de alivio. § La contingencia de fuego no considera que se originen flujos de alivios de otras contingencias ocasionadas por el fuego. § Parada de todas las bombas, enfriadores por aire y compresores. §
No existe condensación del fluido de alivio.
78
Estudio de contingencias FUEGO EXTERNO: ÁREA EXPUESTA AL FUEGO El cálculo del área expuesta al fuego se calcula para recipientes con líquido (área mojada) considerando el nivel de líquido en operación normal hasta una altura de 7,6.m (25.ft). (Ver Manual de Crosby para fórmulas)
79
Estudio de contingencias FUEGO EXTERNO: ÁREA EXPUESTA AL FUEGO Para recipientes llenos de gas, el área expuesta al fuego (no mojada) equivale a toda la superficie de dicho recipiente. También se consideran los recipientes con fluidos que se vuelvan solo fase gaseosa a las condiciones de alivio.
80
Estudio de contingencias FUEGO EXTERNO: ÁREA EXPUESTA AL FUEGO Tipo de recipiente
Nivel de líquido
Completamente lleno de líquido
Todo hasta una altura de 7,6 m (25 ft)
7,6 m (25 ft) 7,6 m (25 ft)
Adaptado de la API RP 520.
81
Estudio de contingencias
FUEGO EXTERNO: ÁREA EXPUESTA AL FUEGO Tipo de recipiente
Nivel de líquido
Separadores, KO Drums y recipientes de procesos
Nivel normal de operación hasta un nivel de 7,6 m (25 ft)
NLL
NLL
7,6 m (25 ft)
7,6 m (25 ft)
Adaptado de la API RP 520.
82
Estudio de contingencias FUEGO EXTERNO: ÁREA EXPUESTA AL FUEGO Tipo de recipiente
Nivel de líquido
Columnas de fraccionamiento
Nivel normal de operación del fondo más el nivel normal de líquido en todos los platos, hasta una altura de 7,6 m (25 ft)
NLL
El nivel de líquido en los reboilers tiene que ser incluido si estos forman parte integral de la columna
NLL 7,6 m (25 ft)
7,6 m (25 ft)
Adaptado de la API RP 520.
83
Comentarios
Estudio de contingencias FUEGO EXTERNO: ÁREA EXPUESTA AL FUEGO Tipo de recipiente
Nivel de líquido
Esferas y esferoides
Hasta el máximo diámetro horizontal o hasta una altura de 7,62 m (25 ft), lo que sea mayor
7,6 m (25 ft)
Máximo diámetro horizontal
7,6 m (25 ft)
Adaptado de la API RP 520.
84
Máximo diámetro horizontal
Estudio de contingencias FUEGO EXTERNO: FACTOR DEL ENTORNO, F Q = Q F A § §
calor absorbido [W] Factor del entorno [ - ] área mojada [m2]
Q 43 200·F ·A 0,82 = 21 000·F ·A 0,82 [BTU/h] [-] [ft2]
Equipos sin aislamiento y diseños nuevos F = 1. El uso del valor de F considera los siguientes aspectos: - El material aislante funciona adecuadamente al ser expuesto a temperaturas entre 538 °C (1000 °F) y 1093 °C (2000 °F) por un período de 20 minutos a 1 hora. - La instalación asegura que el material aislante no se desprenderá durante el incendio.
Extraído de la API STD 521.
85
Modificada
Estudio de contingencias FUEGO EXTERNO: TEMPERATURA DE ALIVIO La temperatura de alivio del líquido corresponde a la temperatura del punto de burbuja a la presión de alivio.
Presión de alivio
Tem eratura de alivio Curva de punto de burbuja
Presión de operación
Temperatura de operación
n ó i s e r P
Entalpía 86
Estudio de contingencias FUEGO EXTERNO Todos aquellos equipos incluidos en un radio de 10,7 m (35 .ft) son afectados y alivian simultáneamente con el equipo directamente afectado por esta contingencia. El punto de partida del radio de fuego es aquel que maximice la cantidad de equipos expuestos al fuego.
, (232m2-460m2) 8,6-12m (232m2-460m2)
V-003 V-001
V-002
V-001 V-002 87
Estudio de contingencias FUEGO EXTERNO
V-003 V-001
V-002
Ejemplo 1 El círculo de fuego solo “roza” a otro equipo è Se considera que el V-002 no alivia al mismo tiempo que los otros dos recipientes.
Ejemplo 2 Los recipientes se encuentran dentro de brocales no comunicados entre sí. è ¿Cuánto volumen puede retener el área de retención? Área de retención 88
Estudio de contingencias FUEGO EXTERNO Ejemplo 3 Equipo con buen drenaje. è El caso de fuego sí aplica. La API STD 521 tiene ecuaciones para el cálculo del área mojada con buen drenaje: Q = 43 200·F ·A 0,82 (Q = 21000·F ·A 0,82) = 70 900·F ·A 0,82 (Q = Q
V-001
34 500·F ·A 0,82)
Ejemplo 4 El recipiente V-001 contiene un volumen muy pequeño de material inflamable è Se puede considerar que V-001 no originará que V-002 alivie simultá-neamente por fuego; pero el caso contrario sí es factible.
V-002 89
Estudio de contingencias FUEGO EXTERNO: AEROENFRIADORES §
Enfriamiento de líquido: a) El área expuesta al fuego es igual área desnuda de los tubos por debajo del límite de 7,6 m (25 ft). b) Intercambiadores de tiro forzado: el área de los tubos por encima del
c) Intercambiadores de tiro inducido: el área por encima del límite de 7,6 m (25 ft) es igual al área proyectada por el haz tubular (longitud por ancho).
90
Estudio de contingencias FUEGO EXTERNO: CONDICIONES SUPERCRÍTICAS Condiciones de alivio Punto crítico n i s e r P
Condiciones de operación
Temperatura
91
Cálculo de Carga por Fuego Recipiente sólo con gas o condiciones de fluido supercríticas a la P alivio: v API: v
v Cálculo Ri
uroso ara fluidos su ercríticos: Pa er de la CEP or Ryan Ouderkirk- www.cepmagazine.org -Agosto 2002 – § §
Pico del flujo másico no se da con un pico del flujo volumétrico Itera con la T de alivio, calcula las propiedades supercríticas V y m específicos, evolución isoentrópica hasta encontrar el pico en el volumen especícico (mayor alivio posible).
Estudio de contingencias DOBLE O MÚLTIPLE CONTINGENCIA API STD 521: “Las causas de sobrepresión son consideradas sin relación, si no existen enlaces mecánicos o eléctricos entre ellas, o si el intervalo de tiempo que transcurre entre posibles acontecimientos sucesivos de dichas causas, es suficiente para considerar su clasificación sin relación.” “El acontecimiento simultaneo y sin relación de dos o más causas de sobrepresión (también conocido como DOBLE o MÚLTIPLE CONTINGENCIA) no es una base de diseño.”
93
Modificada
Estudio de contingencias DOBLE O MÚLTIPLE CONTINGENCIA Ejemplos de la API STD 521 para doble contingencia: § §
Exposición al fuego + Ruptura de tubo interno en un intercambiador de calor. Exposición al fuego + Falla de los controles administrativos para drenar y despresurizar un equipo aislado. , una falla de potencia.
Ejemplos de la API STD 521 para (posible) contingencia simple: §
Falla de aire de instrumentos + durante la exposición al fuego, si este causa la falla de la línea local de aire.
94
Modificada
Estudio de contingencias EJEMPLOS: RECIPIENTES
PC 2
1
Fuego.
2
Cierre inadvertido de alguna válvula manual è Salida bloqueada. Los cierres de las válvulas manuales en la salida de gas o líquido son evaluados por separado.
3
Falla de aire de instrumentos o Falla mecánica è Falla de válvula de control o válvula de apertura/cierre è Salida bloqueada.
FO
LC
3 FC 1
3
2 FC
95
Estudio de contingencias EJEMPLOS: EQUIPOS EN SERIE (I)
V-1
V-2 LC
1 FC
SISTEMA DE ALTA PRESIÓN
1 2
SISTEMA DE BAJA PRESIÓN
2
Falla de válvula de control, atascada en posición abierta o mala operación en modo manual. è Pérdida del sello de líquido en V-1 è Paso de gas hacia V-2. Mala operación de la válvula de desvío è Pérdida del sello de líquido en V-1 è Paso de gas hacia V-2.
96
Estudio de contingencias EJEMPLOS: EQUIPOS EN SERIE (II)
V-1
V-2
LC
FC
SISTEMA DE ALTA PRESIÓN
SISTEMA DE BAJA PRESIÓN
La diferencia de volumen entre los dos equipos también será considerada. En el caso de un pequeño recipiente alimentando una torre de fraccionamiento, se puede considerar que la torre será capaz de absorber el flujo proveniente del separador.
97
Estudio de contingencias EJEMPLOS: EQUIPOS EN SERIE (III)
V-1 LC
1 FC
2
E-1
P-1
1
Cierre inadvertido de alguna válvula aguas abajo del E-1 y la presión de diseño de E-1 menor a la presión de shut-off de P-1 è Salida bloqueada para E-1.
2
Falla de electricidad è Parada de P-1 è Salida bloqueada para V-1. Evaluar la posibilidad de rebose de líquido en base a tiempos de residencia. El caso similar aplica a una bomba accionada por una turbina de vapor: falla de vapor o medio motriz. 98
Estudio de contingencias EJEMPLOS: INTERCAMBIADORES DE CALOR (I)
T1 > T2
T1
2
Fuego, aplica para la carcasa indiferentemente que sea el lado de alta o de baja presión.
2
Ruptura de tubos si no se cumple la regla de 10/13.
3
Cierre inadvertido de una válvula manual a la salida del lado de baja presión è Salida bloqueada è Evaluar efecto del fluido del lado caliente sobre el lado del fluido frío.
3
T2
1 LADO DE ALTA PRESIÓN
1
LADO DE BAJA PRESIÓN
99
Causas de la Sobrepresión EJEMPLOS: INTERCAMBIADORES DE CALOR (II)
1
LADO DE BAJA PRESIÓN
PRESIÓN
E-1
1
Si bien E-1 puede estar diseñado según la regla de 10/13, se evaluará el impacto de una ruptura de tubos en T-1.
100
Estudio de contingencias EJEMPLOS: TORRES DE FRACCIONAMIENTO (I) 1
2c 2b
PC
2
LC
2a 2a TC
1
101
Fuego, fondo de la columna y el rehervidor hasta el límite de 25 .ft (7,62.m). Falla de reflujo, provocada por: a) Falla de la bomba de reflujo, mecánica o pérdida de potencia. b) Falla del medio de enfriamiento è Falla de condensador de tope. c) Falla de potencia è Falla de la bomba de reflujo, falla del enfriador de tope.
Estudio de contingencias EJEMPLOS: TORRES DE FRACCIONAMIENTO (II) 2 PC
2f
2d LC
2e
TC
102
Falla de reflujo, provocada por: d) Falla de aire de instrumentos è Falla de la válvula de control de reflujo. e) Rebose del condensador de tope debido al cierre en la válvula e a nea e re ro. f) Acumulación de incondensables en el condensador.
Estudio de contingencias EJEMPLOS: TORRES DE FRACCIONAMIENTO (y III) 3 PC
6 LC
3a
3b
4
TC
5
4
103
Pérdida de la alimentación fría, debido a: a) Falla de la válvula de control en la línea de alimentación. b) Falla de la bomba de alimentación, mecánica o . Falla de aire de instrumentos o Falla mecánica de la válvula de control en el medio de calentamiento è Exceso de calor hacia el rehervidor.
5
Ruptura de tubos en el rehervidor.
6
Falla de aire de instrumentos o Falla mecánica de la válvula de control è Salida bloqueada de los vapores de tope.
