Tipos de válvulas de seguridad y principio de funcionamiento

Válvulas de seguridad - Cómo funcionan

Válvula de seguridad

Figura 1: Válvula de seguridad

Una válvula de seguridad protege un sistema contra la sobrepresión. La sobrepresión se produce cuando la presión del sistema supera la presión de trabajo máxima admisible (MWAP) o la presión para la que está diseñado el sistema. Las válvulas de seguridad pueden abrirse muy rápidamente en comparación con las válvulas de alivio. Una válvula de seguridad se abre a partir de una presión establecida; la válvula primero se abre un poco y luego se abre del todo para que la presión no deseada se elimine del sistema lo antes posible.

Las válvulas de seguridad evitan los aumentos de presión que provocan averías, riesgos de incendio o explosiones. Los medios del sistema accionan por completo una válvula de seguridad, manteniéndola en funcionamiento en caso de corte del suministro eléctrico. Las válvulas de seguridad sólo tienen partes mecánicas, que funcionan cuando fallan los dispositivos de seguridad electrónicos o neumáticos.

Índice de contenidos

Vea nuestra selección de válvulas de seguridad en línea

Terminología importante

  • Sobrepresión: Exceso de presión sobre la presión de ajuste de la válvula de seguridad.
  • Presión de funcionamiento: La presión a la que trabaja el sistema en condiciones normales de funcionamiento.
  • Ajustar la presión: La presión a la que el disco de la válvula de seguridad empieza a levantarse y abrirse.
  • Válvula de cierre vertical Distancia que recorre el disco desde la posición cerrada hasta la posición necesaria para la descarga.
  • La contrapresión: La presión acumulada en la salida de la válvula de seguridad durante el flujo. Contrapresión = Contrapresión acumulada + Contrapresión superpuesta.
  • Contrapresión acumulada: La presión a la salida cuando se abre la válvula de seguridad.
  • Contrapresión superpuesta: La presión a la salida de una válvula de seguridad cerrada.
  • Presión de trabajo máxima admisible (MAWP): La presión máxima admisible a una temperatura determinada en condiciones normales de funcionamiento. La PTMA es la presión máxima que puede soportar el componente más débil del sistema.
  • Blowdown: Diferencia entre la presión a la que se eleva el disco y la presión a la que se cierra la válvula. La purga se expresa generalmente en porcentaje.
  • Capacidad de soplado: La velocidad a la que la válvula de seguridad puede liberar el exceso de presión.

Tipos de válvulas de seguridad

Existen diferentes tipos de válvulas de seguridad: válvulas con mecanismo de resorte, válvulas con fuelle equilibrado y válvulas de seguridad pilotadas. Cada tipo tiene una ventaja en una situación específica.

Mecanismo de muelle

La válvula de seguridad más común es la de muelle o de acción directa. Una ventaja de este tipo es que está disponible para rangos de presión de aproximadamente 1 a 1400 bar. El mecanismo consta de los siguientes componentes:

  • Cámara de expansión: La cámara de expansión (Figura 2 etiquetada A) aumenta la superficie contra la que empuja el medio del sistema para abrir la válvula de seguridad. Esto permite que la válvula de seguridad se abra rápidamente.
  • Primavera: La rigidez del muelle (Figura 2 etiquetada B) determina a qué presión los medios del sistema pueden empezar a abrir la válvula.
  • Disco: El disco (Figura 2 etiquetado C) se asienta sobre la boquilla y se mueve hacia arriba y hacia abajo para permitir o impedir el flujo a través de la válvula de seguridad.
  • Anillo de boquilla: El anillo de boquillas (figura 2, etiqueta D) influye en la presión a la que se retrae el disco. Un ajuste alto puede hacer que el disco vuelva a asentarse demasiado tarde. Un ajuste bajo puede hacer que el disco se abra y se cierre aleatoriamente cuando no debería.
  • Boquilla: La tobera (Figura 2 etiquetada E) controla la superficie del disco con la que interactúa el medio antes de que se abra la válvula. Esto hace que el medio trabaje contra una superficie mayor cuando se abre la válvula, aumentando la fuerza que actúa sobre el disco y abriéndolo rápidamente.
Válvula de seguridad con mecanismo de resorte: cámara de expansión (A), resorte (B), disco (C), anillo de boquilla (D) y boquilla (E).

Figura 2: Válvula de seguridad con mecanismo de resorte: cámara de expansión (A), resorte (B), disco (C), anillo de boquilla (D) y boquilla (E).

El equilibrio entre la fuerza del muelle de una válvula de seguridad y la fuerza de entrada controla la apertura y el cierre de la válvula. La presión de entrada y la superficie del disco con la que interactúa el medio determinan la fuerza de entrada. Según la Ley de Pascal, la fuerza es igual al producto de la presión y el área. Por tanto, a medida que aumenta la superficie del disco con la que interactúa el medio, también lo hace la fuerza.

La característica más importante de las válvulas de seguridad es que se abren completamente en poco tiempo para alcanzar la máxima capacidad de soplado en un tiempo mínimo. Esto es posible porque el disco de la válvula tiene un diámetro mayor que la boquilla. En cuanto la presión de entrada es lo suficientemente alta, el disco se levanta. En este momento, la superficie del disco a la que puede llegar el medio se hace mayor. Esto da lugar a una fuerza de entrada mucho mayor que la fuerza del muelle, y la válvula se abre completamente.

Existen versiones especiales de válvulas de seguridad para medios incompresibles y compresibles y gases/vapores. Las válvulas de seguridad para gases y vapores suelen abrirse antes de que se alcance la presión de ajuste y se abren al menos hasta el 50% de elevación a la presión de respuesta (véase la figura 3). Las válvulas de seguridad de este tipo tienen un inconveniente importante: son muy susceptibles a la contrapresión. La contrapresión puede afectar negativamente a la seguridad de la válvula.

Mecanismo de una válvula de seguridad para gases y vapores (izquierda): anillo de la boquilla (A) y patrón de flujo (B). Característica de soplado de una válvula de seguridad para gases y vapores (derecha): presión de ajuste (1) y elevación (2).

Figura 3: Mecanismo de la válvula de seguridad para gases y vapores (izquierda): anillo de la boquilla (A) y patrón de flujo (B). Característica de soplado de una válvula de seguridad para gases y vapores (derecha): presión de ajuste (1) y elevación (2).

Fuelle equilibrado

Válvula de seguridad con fuelle equilibrado: guía (A), fuelle metálico (B), soporte del disco (C).

Figura 4: Válvula de seguridad con fuelle equilibrado: guía (A), fuelle metálico (B), soporte del disco (C).

Las válvulas de seguridad de fuelle compensado no son susceptibles a los efectos negativos de la contrapresión. Los fuelles (Figura 4 etiquetada B) situados por encima del disco garantizan que la contrapresión se distribuya uniformemente por encima y por debajo del disco. Además, el muelle no se encuentra con el medio, lo que evita influencias indeseables del medio sobre el muelle. El inconveniente de las válvulas de seguridad de fuelle compensado es que su PTMA es inferior a la de las válvulas de seguridad de acción directa. Funcionan hasta un máximo de 15,9 bares.

Válvula de seguridad pilotada

En una válvula de seguridad pilotada, la presión necesaria para abrir el disco es mucho más cercana a la presión de trabajo del sistema. De este modo se eliminan los aumentos innecesarios de presión por encima de la presión de trabajo. Los siguientes componentes trabajan juntos para hacerlo posible:

  • Primavera piloto: El muelle de pilotaje (figura 5 etiquetado A) controla a qué presión se abre el obturador de pilotaje.
  • Válvula piloto: La válvula piloto (Figura 5 etiquetada B) se abre a una presión establecida, lo que provoca un diferencial de presión que permite la apertura de la válvula principal.
  • Manantial principal: El muelle principal (Figura 5 etiquetado C) mantiene la válvula principal cerrada hasta que se abre la válvula piloto.
  • Válvula principal: La válvula principal (Figura 5 etiquetada D) se abre para permitir el flujo de entrada a salida.
  • Pomo de ajuste: El botón de ajuste de la válvula piloto (figura 5, etiqueta E) permite ajustar la presión de consigna.

Mientras la presión de entrada sea inferior a la presión ajustada, la válvula permanece cerrada (figura 5 izquierda). Tan pronto como la presión de entrada se eleva por encima de la presión de respuesta, la válvula piloto se mueve hacia la posición abierta, permitiendo el flujo a través del orificio piloto, y fuera de la válvula (Figura 5 central). Esto provoca una diferencia de presión sobre la válvula principal, haciendo que se mueva hacia arriba, permitiendo que el medio restante fluya libremente hacia la salida (Figura 5 derecha). La válvula se cierra cuando la presión de entrada vuelve a caer por debajo de la presión de respuesta.

Válvula limitadora de presión con control de guía (izquierda): muelle piloto (A), válvula piloto (B), muelle principal (C), válvula principal (D) y pomo de ajuste (E). La válvula piloto se abre en respuesta a una presión de entrada suficientemente alta, permitiendo el flujo a través del orificio piloto y fuera de la válvula (centro). La válvula principal en posición abierta (derecha).

Figura 5: Válvula limitadora de presión con mando de guía (izquierda): muelle piloto (A), válvula piloto (B), muelle principal (C), válvula principal (D) y botón de ajuste (E). La válvula piloto se abre en respuesta a una presión de entrada suficientemente alta, permitiendo el flujo a través del orificio piloto y fuera de la válvula (centro). La válvula principal en posición abierta (derecha).

Válvula de seguridad de peso muerto

Una válvula de seguridad de peso muerto es el tipo más sencillo de válvula de seguridad. Consiste en una válvula de bronce de cañón en la parte superior del tubo de vapor vertical de una caldera. Cuando la presión dentro de la caldera aumenta lo suficiente, el vapor levanta la válvula hasta que se reduce lo suficiente para que la válvula vuelva a caer en su asiento. Este tipo de válvula sólo es adecuado para aplicaciones estacionarias.

Criterios de selección

Para proteger su sistema contra la sobrepresión, es esencial comprender los cinco criterios de selección que se indican a continuación. Lea nuestro artículo técnico sobre la selección de válvulas de seguridad para comprender mejor estos criterios.

  • Ajustar la presión
  • Contrapresión
  • Capacidad de descarga
  • Temperaturas de funcionamiento
  • Válvula y material de sellado

Aplicaciones

Las válvulas de seguridad se utilizan principalmente en aplicaciones industriales para proteger contra sobrepresiones, que pueden provocar situaciones peligrosas como incendios o explosiones. Las válvulas de seguridad suelen encontrarse en:

  • Industria del petróleo, el gas y el petróleo: Por ejemplo, las válvulas de seguridad del subsuelo, o válvulas de seguridad de fondo de pozo, son habituales en los pozos petrolíferos marinos. En caso de avería del equipo, una válvula de seguridad puede cerrar rápidamente para evitar que el petróleo y el gas suban por el pozo en condiciones inseguras.
  • Energía: Las válvulas de seguridad de las centrales eléctricas son habituales para gases compresibles como el vapor y el aire.
  • Sanitario: Las válvulas de seguridad de acero inoxidable son ideales para industrias que requieren condiciones sanitarias. Por ejemplo, las industrias alimentaria, de bebidas y farmacéutica.
  • HVAC: Las válvulas de seguridad alivian la presión en caso de bloqueo de la descarga, dilatación térmica o calor externo que pueda dañar los componentes.

Símbolo de válvula de seguridad

Símbolos variables de las válvulas de seguridad

Figura 6: Símbolos variables de las válvulas de seguridad

Certificaciones de válvulas de seguridad

Las válvulas de seguridad deben cumplir diversas normas nacionales e internacionales de seguridad y calidad. Para asegurarse de que el producto es conforme, consulte las normas locales.

TÜV

La certificación TÜV evalúa la seguridad de un producto y verifica que cumple los requisitos mínimos de la Directiva de Equipos a Presión (PED) 2014/68/UE. La PED establece las normas de diseño y fabricación de equipos a presión, como dispositivos de descarga de presión, calderas de vapor, tuberías y recipientes a presión que funcionan a una presión máxima admisible superior a 0,5 bares.

ASME

La ASME (American Society of Mechanical Engineers) garantiza la especificación y acreditación de recipientes a presión, calderas y dispositivos de descarga de presión.

ISO 4126:

La norma ISO 4126 es una especificación general para las válvulas limitadoras de presión, independientemente del medio de la aplicación.

Preguntas frecuentes

¿Qué hace una válvula de seguridad?

Una válvula de seguridad reduce rápidamente la presión de un sistema en caso de que dicha presión suba a niveles inseguros. La válvula de seguridad sigue funcionando hasta que la presión del sistema vuelve a niveles seguros.

¿Cuál es la diferencia entre una válvula de alivio y una válvula de seguridad?

Una válvula de alivio no detendrá inmediatamente el funcionamiento de los componentes aguas abajo, mientras que una válvula de seguridad sí lo hará.

¿Cuáles son los tipos de válvulas de seguridad?

Los tipos más comunes de válvulas de seguridad son las de acción directa, las pilotadas y las de fuelle equilibrado.

¿Qué es una válvula de seguridad ASME?

Una válvula de seguridad ASME cumple los requisitos de la Sección I del código de recipientes a presión ASME. Estas válvulas deben tener un gran caudal constante a una sobrepresión no superior al 10%.

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