Diseño de válvulas de bloque de emergencia en ingeniería petroquímica

Este documento integra estándares de diseño nacionales e internacionales para examinar los principios para posicionar válvulas de bloque de emergencia en ingeniería petroquímica. Analiza los requisitos específicos de protección contra incendios para el cuerpo de la válvula y el actuador, ofreciendo recomendaciones para la selección del diseño. Desde una perspectiva de seguridad contra incendios, este documento aclara el papel crucial de Válvulas de bloqueo de emergencia En la mitigación de pérdidas directas e impactos indirectos durante incidentes de incendio. La industria petroquímica procesa numerosas sustancias inflamables y explosivas, lo que lleva a un riesgo relativamente alto de incendio y explosión. La válvula de bloqueo de emergencia (EBV) se diferencia de una válvula de cierre de emergencia estándar en su diseño integral de protección contra incendios, que controla eficazmente la propagación de incidentes. En los últimos años, los avances en estándares internacionales y especificaciones nacionales han llevado a una mayor implementación de válvulas de bloqueo de emergencia (EBV) en aplicaciones de ingeniería.

Los principios de colocación de las válvulas de cierre de emergencia deben cumplir con los estándares internacionales, nacionales y de la industria. El Capítulo 8 de la API RP 553 del Instituto Americano del Petróleo, "Válvulas de control de refinería" (edición 2012), describe las pautas fundamentales para instalar válvulas de cierre de emergencia en equipos como compresores, bombas, recipientes y calentadores. De acuerdo con el artículo 7.2.15 de GB 50160-2022 "Normas de protección contra incendios de diseño para empresas petroquímicas", cuando la distancia entre el equipo de hidrocarbono licuado con una capacidad superior a 50 m³ y su bomba de extracción es inferior a 15 m, la tubería de entrada debe estar equipada con con una válvula de cierre cerca de la base del equipo. Además, los "Requisitos básicos para los sistemas de cierre de emergencia de las empresas de almacenamiento de petróleo y gas (prueba)", emitidos por el Ministerio de Gestión de Emergencias de la República Popular China el 24 de febrero de 2022, estipularon que las válvulas de cierre de emergencia deben instalarse en todas las tuberías de entrada y salida de material de proceso conectadas directamente a tanques de almacenamiento de presión atmosférica con con un diámetro nominal de al menos 30 metros o un volumen nominal de al menos 10.000 metros cúbicos.

En alineación con con estos requisitos reglamentarios y las prácticas de diseño de las empresas de ingeniería nacionales e internacionales, se deben instalar válvulas de cierre de emergencia en las tuberías de proceso de salida (o entrada) de equipos de alto riesgo de incendio para facilitar el aislamiento rápido de materiales inflamables o tóxicos durante emergencias. Los principios específicos de instalación incluyen, pero no se limitan a:

Entre el equipo de procesamiento de hidrocarburos licuados con un volumen superior a 50 m³ y la entrada de la bomba.

Entre el equipo de procesamiento de líquidos inflamables con un volumen superior a 8 m³ y una temperatura de funcionamiento superior a 316 ° C y la entrada de la bomba.

Entre el equipo de proceso con un volumen superior a 16 m³ que contiene líquidos inflamables con un punto de inflamación inferior a 28 ° C y la entrada de la bomba.

Entre el equipo de proceso que contiene gases inflamables y líquidos inflamables, con la fase líquida que comprende más del 40% en masa cuando se libera a la atmósfera y la entrada de la bomba.

Para equipos que contienen materiales extremadamente peligrosos y altamente peligrosos que utilizan bombas selladas, se deben instalar válvulas de cierre de emergencia tanto en la entrada como en la salida de la bomba.

Para compresores que transportan gases inflamables a un caudal normal superior a 30 t / h, así como gases extremadamente peligrosos y altamente peligrosos, se deben instalar válvulas de cierre de emergencia tanto en la entrada como en la salida del compresor.

Almacenar líquidos inflamables en las entradas y salidas de los tanques a presión con una capacidad de almacenamiento superior a 50 toneladas.

Almacene líquidos extremadamente peligrosos y altamente peligrosos en sus respectivas entradas y salidas.

Guiado por los principios de instalación antes mencionados, el uso de válvulas de cierre de emergencia (ESDVs) en equipos domésticos nuevos o modificados se está volviendo cada vez más frecuente. Sin embargo, fallas como la incapacidad de los ESDVs para cerrar durante emergencias, debido a mal funcionamiento o fallas de diseño, pueden representar riesgos de seguridad significativos, lo que puede interrumpir el funcionamiento normal del equipo. Por lo tanto, la atención meticulosa al diseño, selección y mantenimiento de estas válvulas es crucial para garantizar su desempeño confiable en la protección del personal, el equipo y el medio ambiente.

Según API RP 553 "Válvulas de control de refinería", las válvulas de cierre de emergencia se clasifican en cuatro tipos: A, B, C y D. Clase A se refiere a válvulas de globo manuales en el sitio; Clase B incluye válvulas de globo accionadas por energía; Clase C abarca válvulas de globo accionadas por motor; y Clase D pertenece a válvulas de globo operadas por control remoto. Esta sección se enfoca exclusivamente en el diseño y selección de válvulas de globo operadas por control remoto Clase D.

Las válvulas de cierre de emergencia generalmente se clasifican en tres tipos: válvulas de bola, válvulas de compuerta y válvulas de mariposa.

En aplicaciones de presión media y baja:

• Para válvulas con de un diámetro nominal (DN) de 200 mm o menos, generalmente se seleccionan válvulas de bola o válvulas de compuerta.
• Para válvulas con de un diámetro nominal superior a 200 mm, se prefieren válvulas de compuerta, válvulas de mariposa de triple compensación o válvulas de mariposa de alto rendimiento de doble compensación.

En aplicaciones de alta presión:

• Para válvulas con de un diámetro nominal (DN) de 200 mm o menos, normalmente se seleccionan válvulas de bola o válvulas de compuerta.
• Para válvulas con de un diámetro nominal superior a 200 mm, generalmente se prefieren las válvulas de compuerta.

En aplicaciones de baja presión:

Las válvulas de bola se utilizan principalmente para diámetros nominales (DN) de 200 mm o menos. Para diámetros nominales superiores a 200 mm, a menudo se prefieren las válvulas de compuerta debido a su rentabilidad en tamaños más grandes. Las válvulas de cierre de emergencia no requieren capacidad de flujo ni cálculos de ruido; su diámetro nominal debe coincidir con el de la tubería de proceso.

La fuga interna en una válvula se refiere a la fuga entre el tapón de la válvula y el asiento de la válvula cuando la válvula está en la posición cerrada. La tasa de fuga interna de una válvula de cierre de emergencia debe cumplir con con los estándares de fuga especificados en API 598 o GB / T 13927. API 598 se utiliza para la prueba de rendimiento de sellado de varios tipos de válvulas, incluidas válvulas de compuerta, bola y mariposa. Exige una fuga cero para válvulas con asientos elásticos (blandos), mientras que las tasas de fuga permitidas para válvulas con asiento metálico se especifican según el tamaño de la válvula. La fuga externa en una válvula se refiere al escape no intencional del medio de proceso del cuerpo de la válvula al medio ambiente, que ocurre principalmente en el empaque del vástago de la válvula y el sello del cuerpo-capó de la válvula; este tipo de fuga también se conoce como emisiones fugitivas. La tasa de fuga externa de la válvula de cierre de emergencia debe cumplir con las normas especificadas en ISO 15848 o GB / T 26481. Además, la caja de empaque y empaque de la válvula debe estar diseñada para ser resistente al fuego y capaz de soportar altas temperaturas para minimizar las fugas externas durante un incendio.

Cuando una válvula de cierre de emergencia sirve como corte de emergencia en las tuberías principales de entrada y salida, se requiere un embellecedor de válvula de sellado bidireccional. La selección de componentes como el cuerpo de la válvula, el asiento, el embellecedor y las juntas debe considerar las condiciones de funcionamiento y las propiedades del medio de proceso. Los requisitos de resistencia a la corrosión para las válvulas de cierre de emergencia son idénticos a los de las válvulas de cierre estándar, como se describe en SH / T 3005-2016. Siempre que sea posible, el asiento de la válvula de una válvula de cierre de emergencia debe utilizar un sello duro de metal a metal. Si se elige una válvula de asiento blando, debe incorporar un diseño antiestático para evitar la descarga electrostática.

En caso de incendio, la válvula de cierre de emergencia debe aislar eficazmente los equipos de alto riesgo durante un período prolongado. Actualmente, las plantas químicas y de refinación de petróleo a gran escala se enfrentan a limitaciones espaciales debido a las limitaciones del área del sitio, el diseño de las instalaciones y las configuraciones de tuberías de proceso. Las válvulas de cierre de emergencia suelen instalarse en áreas propensas a riesgos de incendio. Estas válvulas están diseñadas para permanecer cerradas de forma segura en entornos de alta temperatura durante al menos 30 minutos sin comprometer su funcionalidad. Las normas de protección contra incendios de las válvulas emplean métodos de prueba que evalúan las fugas en válvulas sometidas a llamas durante y después de la exposición, evaluando el rendimiento de seguridad contra incendios de su diseño y materiales. Las normas de prueba de incendios comúnmente adoptadas son las normas estadounidenses API 607 y API 6FA. API 607 se desarrolló inicialmente para probar válvulas de cuarto de vuelta con diseños de asiento blando, incluidas válvulas de bola y mariposa, para certificar su rendimiento a prueba de incendios. API 6FA es un estándar de certificación de protección contra incendios que abarca una gama más amplia de tipos de válvulas en comparación con API 607. Por lo general, API 607 se aplica para pruebas de seguridad contra incendios de válvulas de bola y mariposa, mientras que API 6FA se utiliza para válvulas de compuerta. La quinta edición de API 607, publicada en junio de 2005, amplió significativamente su alcance al incorporar válvulas de carrera recta y válvulas selladas duras, mejorando así su versatilidad.

Actualmente, los estándares de protección contra incendios más utilizados son API 607 y API 6FA, mientras que ISO 10497 se alinea estrechamente con la quinta edición de API 607. En aplicaciones de ingeniería, API 607 y API 6FA difieren principalmente en la presión de prueba y la fuga máxima permitida, como se muestra en la Tabla 1 a continuación. Por lo tanto, cualquiera de estas tres certificaciones es generalmente reconocida.

Tabla 1: Análisis de Diferencias Entre API 6FA / API 607 Tercera Edición / BS 6755 Parte 2 y API 607 Quinta Edición (ISO 10497)

Las válvulas de cierre de emergencia suelen utilizar actuadores neumáticos o eléctricos. La industria petroquímica confía en un sistema confiable de aire por instrumentos en el área de la planta, lo que hace que los actuadores neumáticos sean la opción preferida. No solo garantiza la seguridad en situaciones de emergencia, sino que también ofrece un cierre rápido y un tiempo de respuesta corto.

Este tipo de actuador típicamente usa un mecanismo de cierre de fallas (FC) con aire del instrumento y utiliza un actuador de cilindro de acción simple de retorno por resorte. La superficie del resorte está tratada para resistencia a la corrosión. El método principal implica cortar la fuente de gas usando un mecanismo fusible para cerrar la válvula. Hay dos enfoques comunes: uno implica usar una tubería de suministro de aire fusible para desconectar la fuente de gas. Cuando ocurre un incendio, la tubería de fuente de gas que conduce a la válvula se derrite, cortando el suministro de gas y haciendo que la válvula se cierre. El segundo método implica instalar un tapón fusible en el actuador. Cuando ocurre un incendio, el tapón fusible se derrite, liberando la presión en el cilindro y permitiendo que el resorte se reinicie, cerrando así la válvula. Para esta válvula de cierre de emergencia de seguridad contra incendios, ya sea usando el método del conducto de aire fusible o el método del tapón fusible en el actuador, se deben considerar factores como la temperatura y la luz solar.

Este tipo de actuador suele emplear dos métodos. Uno es utilizar materiales ignífugos o aplicar pintura ignífuga a la carcasa. A medida que la temperatura circundante aumenta rápidamente, el volumen del material refractario se expande rápidamente, formando una capa protectora de carbono termoaislante. Esta capa de carbono no solo proporciona aislamiento térmico sino que también absorbe una cantidad significativa de calor durante la combustión, ofreciendo una protección ignífuga. Otro método es cubrir la carcasa exterior del actuador con una cubierta ignífuga. La cubierta ignífuga viene en dos tipos: flexible y rígida, como se muestra en las figuras 1 y 2. La cubierta ignífuga flexible consta de una capa impermeable, malla de alambre de acero inoxidable, trenza de plástico, papel de aluminio y fibra termoaislante, todo cosido entre sí con alambre de acero inoxidable. Los materiales de amianto están prohibidos. Sus ventajas incluyen una fácil instalación y mantenimiento, y no causa corrosión. La cubierta rígida ignífuga está hecha de una placa aislante de acero inoxidable llena de con fibras minerales aislantes del calor. El material aislante del calor dentro del acero inoxidable sándwich ayuda a reducir la velocidad de transferencia de calor al actuador dentro de la carcasa. Además, se puede incorporar una ventana según los requisitos del usuario para una observación, operación y mantenimiento convenientes. Por eso las cubiertas ignífugas son la opción preferida para válvulas de cierre de emergencia en la industria petroquímica. Los materiales refractarios o las cubiertas ignífugas también deben ser a prueba de viento y resistentes a la luz solar. Para más detalles, consulte la API RP 2218, "Medidas de aplicación de protección contra incendios para plantas petroleras y petroquímicas.

Figura 1: Imagen de la cubierta ignífuga flexible

Figura 2: Imagen de la cubierta rígida ignífuga

De acuerdo con el estándar de prueba de aumento rápido de temperatura UL 1709 para materiales ignífugos de estructura de acero, independientemente del tipo de actuador resistente al fuego utilizado, debe cumplir con el requisito de resistir un fuego de hidrocarburo durante más de 30 minutos a 1.093 ° C. Además, es aconsejable utilizar tuberías de acero inoxidable con buena resistencia al fuego para tuberías de fuentes de gas. En áreas donde no se pueden usar actuadores neumáticos, como ciertas áreas de tanques, se pueden seleccionar actuadores eléctricos. Según API RP 553, los actuadores eléctricos deberían ser la opción preferida para válvulas de compuerta. En tuberías de gran diámetro, los actuadores neumáticos para válvulas de carrera recta requieren un empuje significativo y ocupan un volumen relativamente grande. Esto los hace no solo caros sino también difíciles de instalar en espacios limitados. Para las válvulas de cierre de emergencia, el requisito más crítico es cerrar la válvula en caso de incendio, por lo que el actuador eléctrico debe ser resistente al fuego. El enfoque es similar al tipo resistente al fuego utilizado para los actuadores neumáticos en la sección 2.3.2. Se puede aplicar un revestimiento resistente al fuego o se puede utilizar la cubierta ignífuga que se muestra en las figuras 1 y 2. Además, los cables de alimentación y control deben ser resistentes al fuego para cumplir con los requisitos generales de diseño de protección contra incendios.

Los accesorios de una válvula de cierre de emergencia incluyen el volante, el tanque de almacenamiento de gas, la válvula solenoide y el interruptor de retroalimentación. El diseño y la instalación de todos los accesorios deben considerar la resistencia al fuego y las condiciones de alta temperatura, asegurando que no comprometan los requisitos generales de protección contra incendios de la válvula. El volante se puede configurar en función de las condiciones operativas de diferentes sitios de instalación. El tanque de almacenamiento de gas debe estar hecho de al menos acero al carbono y tener una certificación válida de recipiente a presión. Además, el volumen mínimo debe cumplir con la capacidad de almacenamiento de gas necesaria para abrir y cerrar la válvula una vez a toda carrera bajo la presión de aire del instrumento. La válvula solenoide debe ser de acción directa, con un cuerpo de válvula de acero inoxidable 316 y bajo consumo de energía. La válvula solenoide utilizada para actuadores de acción simple por resorte debe ser de 2 posiciones, 3 vías, ya sea de tipo general o de escape de apagado. La válvula solenoide para actuadores de doble acción debe ser un tipo de 2 posiciones, 4 vías o un tipo de 2 posiciones, 5 vías, con una bobina hecha de material aislado para altas temperaturas.

La válvula de cierre de emergencia se puede cerrar mediante el sistema SIS o DCS para el enclavamiento de seguridad. Sin embargo, el control específico del sistema debe determinarse en función de los resultados del análisis del nivel de integridad de seguridad (SIL) del proyecto. La válvula de cierre de emergencia ubicada frente al puerto de succión de la bomba debe estar conectada con al motor de la bomba. Cuando se cierra la válvula de cierre de emergencia, el motor de la bomba debe apagarse inmediatamente para evitar daños en la bomba causados por la ausencia de flujo en la entrada. Además, si la válvula no está abierta, la bomba no se puede poner en marcha. Esto se puede implementar en el sistema de control controlando la retroalimentación desde la posición de la válvula de emergencia. Cuando se detecta que la válvula de cierre de emergencia está completamente abierta, se permite que la bomba arranque. Por el contrario, cuando se detecta que la válvula está completamente cerrada, la bomba está enclavada y detenida.

La instalación de la válvula de cierre de emergencia tiene como objetivo cumplir con los requisitos de seguridad cada vez más estrictos de las unidades de refinación de petróleo. Si bien puede aumentar la inversión inicial, juega un papel crucial para garantizar el funcionamiento estable y seguro a largo plazo de la instalación. La válvula de cierre de emergencia no solo ayuda a prevenir la propagación del fuego, sino que también reduce significativamente la probabilidad de accidentes de seguridad relacionados, minimizando de manera efectiva las pérdidas potenciales. A largo plazo, la instalación de válvulas de cierre de emergencia es esencial y se convertirá en un componente clave del diseño de seguridad en la ingeniería petroquímica moderna. Como profesional de la instrumentación en la industria petroquímica, solo seleccionando y aplicando correcta y razonablemente válvulas de cierre de emergencia se puede establecer una base sólida para el funcionamiento seguro de los equipos petroquímicos.