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OCT. 09
903-HM120-P09-GUD-041 3 Rev. GUÍA DE DISEÑO PARA LOS SISTEMAS DE ALIVIO DE PRESIÓN OBJETO
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ELABORÓ Iniciales
REVISÓ Iniciales
AA
ABA/MJP ABA/MJP
APROBÓ Iniciales/Cargo
ABA/GP MJP/GP
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1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 11.1. 11.1.1. 11.1.2. 11.1.3. 11.1.4. 11.2. 11.2.1. 11.2.2. 11.2.3. 11.2.4. 11.2.5. 11.2.6. 11.2.7. 11.3. 11.3.1. 11.3.2. 11.3.3. 11.4. 11.4.1. 11.4.2. 11.4.3. 11.4.4. 11.4.5. 11.4.6.
INTRODUCCIÓN............................. ..................................................... .................................................... ........................................... ............... 12 OBJETIVOS ........................... .................................................... ..................................................... ................................................... ....................... 12 USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA ......................... ................................................ ......................... .. 13 INEDON RELACIONADOS ........................... ................................................... .................................................. ............................. ... 13 ACRÓNIMOS Y SIGLAS ......................... ................................................. .................................................. ................................... ......... 15 EXCEPCIONES.............................. ........................................................ ....................................................... .......................................... ............. 17 MEMORIA DE CÁLCULO........................... ................................................... .................................................... ................................ .... 19 LECCIONES APRENDIDAS........................... ................................................... .................................................... ............................ 22 NORMATIVA INTERNACIONAL DE REFERENCIA ............................ .. ........................................ .............. 22 DEFINICIONES GENERALES .......................... .................................................. ................................................. ......................... 23 CAUSAS DE SOBREPRESIÓN ........................... ................................................... .............................................. ...................... 54 Fallas de los Servicios Serv icios Industriales ........................... ................................................... .......................................... .................. 63 Falla de Energía Eléctrica.............................. Eléctrica....................................................... ..................................................... ............................ 63 Falla del Fluido de Enfriamiento ........................... ................................................... .............................................. ...................... 66 Falla de Aire de Instrumentos ............................. ..................................................... ................................................ ........................ 68 Falla de Vapor Vap or de Agua ............................ ................................................... .................................................. ................................... ........ 74 Fuego Externo ........................... ................................................... .................................................... ................................................. ..................... 76 Recipientes con Líquido ............................. .................................................... .................................................. ................................. ...... 79 Recipientes con Varios Tipos de Líquidos ......................... ................................................ ................................. .......... 86 Recipientes Completamente Llenos de Líquido .......................... .. ............................................... ....................... 88 Recipientes Sin Líquido .......................... .................................................. ................................................... .................................... ......... 89 Intercambiadores de Calor con Aire ........................... ................................................... ........................................ ................ 91 Intercambiadores de Tubo y Carcasa .......................... ................................................. ....................................... ................ 93 Mitigación del Efecto del Fuego Externo ............................. ..................................................... ............................... ....... 93 Salida Bloqueada ............................. ..................................................... .................................................. .......................................... ................ 94 Equipos sin Calentamiento ............................ .................................................... ................................................... ............................. .. 95 Equipos con Calentamiento ........................... ................................................... ................................................... ............................. .. 99 Aislamiento de Sistemas de Compresión ............................ ..................................................... ............................. .... 103 Mal Funcionamiento de la Válvula de Control ......................... ... ............................................. ......................... .. 105 Válvulas de Control en e n Operación y Espera ............................ .................................................... .......................... 106 Válvula de Control y Desvío Manual ........................... .................................................... ...................................... ............. 106 Flujo Estrangulado en Servicio Líquido ............................ .................................................... ................................ ........ 107 Flujo Estrangulado en Servicio Gaseoso o de Vapor .......................... ... .................................... ............. 108 Caso de Gas Blow-By ............................... ....................................................... .................................................... ............................... ... 109 Flujo de Alivio para Mal Funcionamiento de Válvulas de Control Completamente Abierta .............................. ...................................................... .................................................... .............................. .. 109
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INTRODUCCIÓN............................. ..................................................... .................................................... ........................................... ............... 12 OBJETIVOS ........................... .................................................... ..................................................... ................................................... ....................... 12 USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA ......................... ................................................ ......................... .. 13 INEDON RELACIONADOS ........................... ................................................... .................................................. ............................. ... 13 ACRÓNIMOS Y SIGLAS ......................... ................................................. .................................................. ................................... ......... 15 EXCEPCIONES.............................. ........................................................ ....................................................... .......................................... ............. 17 MEMORIA DE CÁLCULO........................... ................................................... .................................................... ................................ .... 19 LECCIONES APRENDIDAS........................... ................................................... .................................................... ............................ 22 NORMATIVA INTERNACIONAL DE REFERENCIA ............................ .. ........................................ .............. 22 DEFINICIONES GENERALES .......................... .................................................. ................................................. ......................... 23 CAUSAS DE SOBREPRESIÓN ........................... ................................................... .............................................. ...................... 54 Fallas de los Servicios Serv icios Industriales ........................... ................................................... .......................................... .................. 63 Falla de Energía Eléctrica.............................. Eléctrica....................................................... ..................................................... ............................ 63 Falla del Fluido de Enfriamiento ........................... ................................................... .............................................. ...................... 66 Falla de Aire de Instrumentos ............................. ..................................................... ................................................ ........................ 68 Falla de Vapor Vap or de Agua ............................ ................................................... .................................................. ................................... ........ 74 Fuego Externo ........................... ................................................... .................................................... ................................................. ..................... 76 Recipientes con Líquido ............................. .................................................... .................................................. ................................. ...... 79 Recipientes con Varios Tipos de Líquidos ......................... ................................................ ................................. .......... 86 Recipientes Completamente Llenos de Líquido .......................... .. ............................................... ....................... 88 Recipientes Sin Líquido .......................... .................................................. ................................................... .................................... ......... 89 Intercambiadores de Calor con Aire ........................... ................................................... ........................................ ................ 91 Intercambiadores de Tubo y Carcasa .......................... ................................................. ....................................... ................ 93 Mitigación del Efecto del Fuego Externo ............................. ..................................................... ............................... ....... 93 Salida Bloqueada ............................. ..................................................... .................................................. .......................................... ................ 94 Equipos sin Calentamiento ............................ .................................................... ................................................... ............................. .. 95 Equipos con Calentamiento ........................... ................................................... ................................................... ............................. .. 99 Aislamiento de Sistemas de Compresión ............................ ..................................................... ............................. .... 103 Mal Funcionamiento de la Válvula de Control ......................... ... ............................................. ......................... .. 105 Válvulas de Control en e n Operación y Espera ............................ .................................................... .......................... 106 Válvula de Control y Desvío Manual ........................... .................................................... ...................................... ............. 106 Flujo Estrangulado en Servicio Líquido ............................ .................................................... ................................ ........ 107 Flujo Estrangulado en Servicio Gaseoso o de Vapor .......................... ... .................................... ............. 108 Caso de Gas Blow-By ............................... ....................................................... .................................................... ............................... ... 109 Flujo de Alivio para Mal Funcionamiento de Válvulas de Control Completamente Abierta .............................. ...................................................... .................................................... .............................. .. 109
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11.4.7. Mal Funcionamiento de la Válvula de Control Aguas Abajo de una Bomba Centrífuga ............................. ...................................................... ..................................................... ................................................... ....................... 112 11.5. Falla de la Válvula de Retención ............................ ...................................................... .......................................... ................ 115 11.6. Expansión Hidráulica (Alivio Térmico) .............................. ..................................................... ................................ ......... 117 11.7. Ruptura de Tubos en los Intercambiadores de Calor ........................... ... .................................... ............ 120 11.8. Ruptura de Tubos en Tanques y Recipientes.............................. ................................................... ..................... 125 11.9. Causas de Sobrepresión Sobrepr esión por Condiciones de Flujo Transciente Transcien te ...................... ...................... 126 12. DOBLE CONTINGENCIA .............................. ...................................................... .................................................. ............................ 126 13. MODOS DE OPERACIÓN.............................. ...................................................... .................................................. .......................... 127 14. PROGRAMAS DE APOYO AL DISEÑO ............................. ... ................................................. ............................. ...... 127 14.1. Información Técnica ............................. .................................................... .................................................. ..................................... .......... 127 14.2. Simulaciones Dinámicas............................. ..................................................... .................................................... .............................. .. 129 15. DESCARGAS HACIA EL SISTEMA DE ALIVIO DE PRESIÓN U OTRO SISTEMA CERRADO .............................. ....................................................... .................................................... ................................ ..... 130 16. DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIVIO DE PRESIÓN.......................... ... ....................................... ................ 130 1 30 16.1. Válvulas de Alivio de Presión .............................. ....................................................... ............................................. .................... 132 16.1.1. Válvulas Convencionales............................. Convencionales..................................................... ................................................... ............................. .. 134 16.1.2. Válvulas con Fuelles Balanceados .......................... .................................................. ......................................... ................. 136 16.1.3. Válvulas Operadas con Piloto............................. ..................................................... .............................................. ...................... 137 16.1.4. Ecuaciones para el Cálculo del Área Requerida del Orificio............................ Orificio.............................. 144 16.1.5. Presión de Ajuste y Máxima Presión de Acumulación Permitida ...................... ...................... 144 16.1.6. Temperatura de Alivio ........................... .................................................... ..................................................... .................................. ...... 150 16.1.7. Propiedades del Fluido ... ..................................................... ............................................................................. ................................ ..... 159 16.1.8. Consideraciones para el Dimensionamiento .......................... .................................................. .......................... .. 159 16.1.9. Áreas Efectivas Estándar, Designaciones de los Orificios y Tamaños de las Conexiones............................ .................................................... .................................................... ................................................... ....................... 164 16.1.10. Programa para el Cálculo del de l Orificio de las Válvulas de Alivio........................ ........................ 170 16.1.11. Contrapresión .............................. ....................................................... ..................................................... ............................................ ................ 170 16.2. Frente Sónico ............................ ..................................................... .................................................... .............................................. ................... 177 16.2.1. Determinación de la Existencia del Frente Sónico .......................... ... ........................................ ................. 178 16.2.2. Frente Sónico en los Programas para Cálculo de Pérdida de Presión ............. ............. 179 16.2.3. Cálculo de la Pérdida de Presión ................................ ... ....................................................... ..................................... ........... 183 16.3. Instalaciones Típicas de las Válvulas ... ...................................................... ............................................................ ......... 184 16.3.1. Instalación Simple ........................... ... ................................................. .................................................... ........................................ ............. 185 16.3.2. Instalación con Válvulas Múltiples .......................... .................................................. .......................................... .................. 185 16.3.3. Instalación con Válvula Suplementaria ............................ ................................................... ................................. .......... 186 16.3.4. Máxima Presión de Acumulación Permisible con Válvulas Múltiples y Válvula Suplementaria .............................. ...................................................... .................................................... ............................................ ................ 186 16.3.5. Presión Estática........................... ................................................... .................................................. ............................................. ................... 189 16.3.6. Flujo Requerido y Máximo de Alivio ............................ ... .................................................. ..................................... ............ 190 16.3.7. Ubicación de las Válvulas de Alivio ............................. ...................................................... ..................................... ............ 190 16.3.8. Válvulas de Repuesto ............................ ..................................................... .................................................... .................................. ....... 191 903-HM120-P09-GUD-041.docx/02/10/2 903-HM120-P09-GUD-041.docx/02/10/2009/AA/pa 009/AA/pa
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16.3.9. 16.4. 16.5. 16.6. 16.7. 16.8. 16.9. 16.10. 16.11. 16.12. 16.13. 16.14. 16.15. 16.16. 16.17. 16.17.1. 16.17.2. 16.17.3. 16.18. 16.19. 16.19.1. 16.19.2.
Válvulas en Serie (Cascada) .............................. ....................................................... .............................................. ..................... 191 Discos de Ruptura .......................... .................................................. ................................................... .......................................... ............... 191 Líneas de Alivio (General) .............................. ...................................................... .................................................. .......................... 193 Línea de Entrada a la Válvula de Alivio ........................... .................................................... ................................. ........ 196 Línea del Sensor Remoto para las Válvulas de Alivio Operadas con Piloto ..... ..... 202 Línea de Salida de la Válvula de Alivio ............................ ..................................................... ................................. ........ 203 Válvulas de Bloqueo para las Válvulas de Alivio de Presión ....................... ... ......................... ..... 206 Válvulas con Dispositivos de Bloqueo en Posición Abierta ........................ ... ........................... ...... 208 2 08 Líneas para Despresurización Manual ............................ .................................................... ................................. ......... 209 Colector (Cabezal) Principal de Alivio ........................... ... ................................................. ................................... .......... 210 Recomendaciones Adicionales........................... ................................................... .............................................. ...................... 211 Separación de los Sistemas de Alivio ............................... ....................................................... ................................ ........ 213 Instrumentación del KO Drum ............................ .................................................... .............................................. ...................... 214 Medición de los Gases hacia los Equipos Finales de Alivio y Venteo ... ........... 215 Flujo del Gas de Purga ............................... ....................................................... .................................................... .............................. .. 215 Flujo de Gas de Purga para Evitar la Infiltración de Aire .......................... .................................. ........ 216 Flujo del Gas para Evitar Vacío ............................... ....................................................... ......................................... ................. 219 Distribución del Gas de Purga Pur ga ............................. ..................................................... ............................................. ..................... 221 Protección Contra Vacío ............................. ..................................................... .................................................... .............................. .. 222 Normativa de Referencia ............................ .................................................... ................................................... .............................. ... 224 Dispositivos de Seguridad en Plataformas Costa Afuera .......................... ... .............................. ....... 224 Dispositivos de Seguridad en los Sistemas de Generación de Aire de Instrumentos ............................ .................................................... .................................................... ................................................. ..................... 226 16.19.3. Dispositivos de Seguridad en las Calderas con Fuego ............................ .................................... ........ 226 22 6 17. HOJA DE DATOS DE LA VÁLVULA DE ALIVIO DE PRESIÓN ....................... ... .................... 226 17.1. Formato de la Hoja de Datos ............................... ....................................................... ............................................. ..................... 227 17.1.1. Gas, Líquido o Vapor de Agua ........................... ... ................................................ .............................................. ...................... 227 17.1.2. Flujo Bifásico ............................... ........................................................ .................................................... ............................................ ................. 235 17.2. Elaboración de la Hoja de Datos ............................. ..................................................... ......................................... ................. 236 18. SUMARIO DE CARGAS DE ALIVIO ......................... ... ............................................. ....................................... ................ 236 18.1. Formato del Sumario ........................... .................................................... ..................................................... .................................... ........ 236 18.2. Elaboración del Sumario............................ Sumario................................................... .................................................. ................................ ..... 239 19. RECOMENDACIONES PARA LAS PROPUESTAS TÉCNICAS ...................... ...................... 239 20. EVALUACIÓN DE LAS INSTALACIONES EXISTENTES ........................... ................................ ..... 240 20.1. Información Requerida ............................... ....................................................... .................................................... .............................. .. 240 20.2. Consideraciones ............................... ....................................................... .................................................... ........................................ ............ 241 21. REFERENCIAS ........................... .................................................. .................................................. .............................................. ................... 244 ANEXO 1 – ESQUEMAS CON EJEMPLOS DE LAS CONTINGENCIAS DE ALIVIO APLICABLES A LOS EQUIPOS DE PROCESOS .......................... ............................... ..... 248 ANEXO 2 – LISTAS DE VERIFICACIÓN PARA LAS CONTINGENCIAS MÁS COMUNES ............................ .................................................... .................................................... ................................................... ....................... 256
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903-HM120-P09-GUD-041 3 Rev. GUÍA DE DISEÑO PARA LOS SISTEMAS DE ALIVIO DE PRESIÓN ANEXO 3 – MÉTODO ALTERNATIVO PARA EL CÁLCULO DEL FLUJO DE ALIVIO EN LAS TORRES DE FRACCIONAMIENTO .......................... ... ................................... ............ 257 25 7 ANEXO 4 – DETERMINACIÓN DE LAS ECUACIONES PARA EL CÁLCULO DEL ÁREA MOJADA EN RECIPIENTES VERTICALES Y HORIZONTALES CON CASQUETES ELÍPTICOS 2:1 ............................ ................................................... ..................................... .............. 271 ANEXO 5 – DETERMINACIÓN DE LAS CONDICIONES DE ALIVIO PARA FUEGO EXTERNO EN UN RECIPIENTE CON LÍQUIDO POR MEDIO DE PRO/II® O ASPEN HYSYS® ........................... ................................................... ................................................ ........................ 283 ANEXO 6 – PUBLICACIÓN: RIGOROUSLY SIZE RELIEF VALVES FOR SUPERCRITICAL FLUIDS ............................. .................................................... .................................................. ........................... 289 ANEXO 7 – ESTIMACIÓN DEL TIEMPO REQUERIDO PARA EL COMIENZO DE LA VAPORIZACIÓN POR FUEGO EXTERNO ... ....................................... ....................................... 290 29 0 ANEXO 8 – MÉTODO DE FLUJO HOMOGÉNEO PARA CALCULAR EL FLUJO DE REQUERIDO ALIVIO POR RUPTURA DE TUBO EN UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBO Y CARCASA ......................... ............................... ...... 293 2 93 ANEXO 9 – COEFICIENTES REPRESENTATIVOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL ... ........................ ........................ 294 2 94 ANEXO 10 – AUMENTO DE LA TEMPERATURA POR EXPANSIÓN HIDRÁULICA .............................. ....................................................... ....................................................... ............................................. ............... 297 ANEXO 11 – FORMATO DE LAS HOJAS DE DATOS PARA LAS VÁLVULAS DE ALIVIO DE PRESIÓN Y SEGURIDAD .............................. ...................................................... .......................... 300 ANEXO 12 – FORMATO DEL SUMARIO DE CARGAS DE ALIVIO ................ ................ 301 ANEXO 13 – EFFECTIVELY MODEL DISTILLATION COLUM RELIEF .......... ... ....... 302
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LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo A API A F,H A F,V A R Areq Areq,DR AWS,H AWS,V C i cn C V V C V,MAX V,MAX C V, V,100% D d DR,E d i d N DTIP d MIN
Definición Área efectiva estándar del orificio de una válvula de alivio de presión según el API STD 526 [12] Área expuesta al fuego en recipientes horizontales sin líquido Área expuesta al fuego en recipientes verticales sin líquido Área real del orificio orificio de la válvula válvula de alivio alivio Área requerida del orificio de las válvulas de alivio de presión Área requerida requerida de descarga descarga de un disco de ruptura Área mojada mojada (húmeda) (húmeda) de un recipiente recipiente horizontal horizontal Área mojada (húmeda) de un recipiente vertical Fracción volumétrica del componente i en porcentaje Velocidad sónica a la presión P n Coeficiente de flujo de las válvulas de control para las variables en unidades USC Coeficiente de flujo de las válvulas de control a flujo máximo de operación Coeficiente de flujo de las válvulas de control completamente abierta o de capacidad instalada Diámetro del recipiente Diámetro estimado de un disco de ruptura Diámetro interno de la línea Diámetro nominal de la línea, válvula u otro accesorio Diámetro interno de la punta del equipo final de alivio o venteo Diámetro mínimo interno requerido en una línea común hacia o desde un grupo de válvulas de alivio
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Unidad [mm ], [in ] [m ], [ft ] [m ], [ft ] [mm ], [in ] [mm ], [in ] [mm ], [in ] [m ], [ft ] [m2], [ft 2] [-] [m/s], [ft/s] [-] [-] [-] [m], [ft] [mm], [in] [mm], [in] [mm], [in] [m], [in] [mm], [in]
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LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo F F F L H HHLL I 0 k K b K d K i K R K v K w L L L M G MACH
m& G,VR MPAP MPOP n N
Definición Factor de la relación de presión crítica termodinámica para el líquido Factor de recuperación de la presión del líquido Altura del recipiente vertical (TL/TL) Máximo nivel de líquido en el recipiente Radiación solar Relación de las capacidades caloríficas o calores específicos (= C P /C V) Factor de corrección debido a la contrapresión Coeficiente efectivo de descarga Constante del componente i Coeficiente de resistencia al flujo del disco de ruptura Factor de corrección debido a la viscosidad para válvulas de alivio de presión en servicio de líquidos Factor de corrección debido a la contrapresión en servicios de líquido Longitud del recipiente horizontal (TL/TL) Longitud de la línea Masa molecular relativa del gas Número de Mach Flujo másico de gas para la fuga en la válvula de retención Máxima presión manométrica acumulada permisible Máxima presión manométrica de operación permisible Número total de recipientes en el sistema de compresión Número de bombas que operan simultáneamente y descargan al mismo lugar
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Unidad [-] [-] [m], [ft] [m], [ft] [W/m ], [BTU/(h·ft )] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [m], [ft] [m], [ft] [kg/kgmol], [lb/lbmol] [-] [kg/h], [lb/h] [barg], [psig] [barg], [psig] [-] [-]
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LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo N 25 NLL P
P 1 P 2 p B pC P CF P VR P CT p D p D,AP p D,BP P DES P n
P OP P OP,i
p P
Definición Nivel de líquido en el recipiente dentro del límite de 7,6 m (25 ft) Nivel normal de operación del líquido en el recipiente Presión absoluta de equilibrio del sistema de compresión Presión absoluta de alivio Contrapresión absoluta en la válvula de alivio de presión Contrapresión manométrica total de la válvula de alivio de presión Contrapresión manométrica construida de la válvula de alivio de presión Presión absoluta de flujo crítico Presión absoluta que origina el flujo inverso de gas a través de una válvula de retención Presión absoluta crítica termodinámica del líquido Presión manométrica de diseño del equipo, línea o sistema Presión manométrica de diseño en el lado de alta presión del intercambiador de calor Presión manométrica de diseño en el lado de baja presión del intercambiador de calor Presión absoluta de descarga de una bomba Presión absoluta aguas abajo de la válvula de alivio de presión para determinar la existencia de frente sónico Presión absoluta de operación Presión absoluta de operación de cada recipiente, equipo o línea dentro del sistema aislado del compresor Presión manométrica de prueba
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Unidad [m], [ft] [m], [ft] [bara], [psia] [bara], [psia] [bara], [psia] [barg], [psig] [barg], [psig] [bara], [psia] [bara], [psia] [bara], [psia] [barg], [psig] [barg], [psig] [barg], [psig] [bara], [psia] [bara],[psia]
[bara], [psia] [bara], [psia]
[barg], [psig] INEDON