Válvulas de alivio y dispositivos de seguridad de tanques criogénicos

Una válvula de alivio de tanque criogénico evita que el recipiente supere su presión máxima de servicio admisible. Un tanque completo no cuenta con un único dispositivo de alivio, sino con un sistema: válvulas de alivio primaria y secundaria sobre una válvula selectora, un disco de ruptura en el recipiente interior, y un dispositivo de alivio que protege el espacio anular de vacío.

Estos dispositivos existen porque un líquido criogénico se almacena muy por debajo de su punto de ebullición en condiciones ambiente. La fuga de calor es continua, así que el aumento de presión es el estado normal del recipiente, no un fallo. El sistema de protección de presión impide que ese aumento normal se convierta en un fallo estructural.

Este artículo explica qué hace cada dispositivo, por qué los dispositivos de alivio nunca deben aislarse, y qué inspeccionar en el sistema de protección de presión de un tanque usado.

¿De qué consta un sistema de válvulas de alivio de un tanque criogénico?

Un tanque criogénico con aislamiento al vacío son dos recipientes en uno. El recipiente interior contiene el líquido a presión. La envolvente exterior es un recinto de vacío diseñado para presión externa, no para presión interna. Ambos necesitan protección distinta.

Una disposición estándar incluye:

• Una válvula de seguridad primaria en el recipiente interior, de resorte y con recierre, tarada a la presión máxima de servicio admisible o por debajo de ella
• Una válvula de seguridad secundaria de igual capacidad, de modo que una pueda retirarse de servicio sin dejar el recipiente sin protección
• Una válvula selectora que aloja ambas válvulas de alivio, dispuesta de modo que siempre quede abierta al menos una vía de alivio
• Un disco de ruptura, también llamado disco de estallido, en el recipiente interior como respaldo no recerrable
• Un dispositivo de alivio del espacio anular, a veces llamado alivio de la camisa de vacío, que protege la envolvente exterior
• Tubería de venteo que descarga en un lugar seguro, alejado del personal y de las tomas de aire de edificios

Las presiones de tarado las establece el fabricante conforme al código aplicable: PED 2014/68/EU con EN 13458 para recipientes estáticos, EN 13530 para los transportables, o ASME Section VIII para el mercado estadounidense. Se registran en la documentación del recipiente y no son ajustables en campo.

¿Qué función cumple la válvula de alivio primaria?

La válvula de seguridad primaria es el dispositivo de trabajo. Se abre cuando la presión del espacio de vapor alcanza su presión de tarado, descarga vapor hasta que la presión cae y vuelve a asentarse. En un tanque parado, o en uno con un fallo en sus circuitos de control de presión, puede actuar de forma periódica. Eso es el sistema haciendo su trabajo.

• La presión de tarado de la válvula de alivio está en el MAWP del recipiente interior o por debajo de él, no en una presión superior que el operador elija. Si un proceso necesita una presión de entrega mayor, la respuesta es un recipiente de clase de presión superior, no una válvula de alivio distinta
• Una válvula de alivio que actúa con frecuencia es un síntoma, no una molestia. Las causas habituales son fuga de calor por un vacío degradado, un regulador de presurización atascado en posición abierta, o un economizador que no funciona, y cada una de ellas debe investigarse

Los ciclos repetidos también desgastan el asiento, por lo que una válvula que ha estado ciclando puede empezar a rezumar por debajo de su punto de tarado.

¿Por qué existe una válvula de alivio secundaria y una válvula selectora?

Una válvula de alivio necesita pruebas periódicas y, con el tiempo, sustitución, pero el recipiente no puede quedarse sin protección mientras se realiza ese trabajo, y vaciar y calentar un tanque criogénico para cambiar una válvula es una operación de varios días.

La válvula selectora resuelve esto. Es una válvula de tres vías, a veces llamada colector dual o válvula de transferencia, con una válvula de alivio en cada una de dos salidas. El diseño interno garantiza que el paso hacia al menos una válvula de alivio siempre esté abierto, y en la posición intermedia ambas quedan conectadas. No puede aislar los dos dispositivos a la vez.

La disciplina de operación es sencilla:

• Mueva la válvula selectora completamente hacia un lado para poner ese tren de alivio en servicio antes de retirar la otra válvula
• Nunca deje la palanca en una posición intermedia a menos que la instrucción del fabricante la defina como posición de operación
• Ambas válvulas de alivio deben tener la misma presión de tarado y capacidad de alivio. Una sustitución no es solo cuestión de que coincida el tamaño de la conexión
• Registre el cambio, para que el historial de mantenimiento muestre qué tren estaba en servicio y cuándo

¿Para qué sirve el disco de ruptura de un tanque criogénico?

El disco de ruptura es un dispositivo no recerrable, un diafragma metálico delgado que estalla a una presión definida y permanece abierto hasta que se sustituye. Su presión de tarado está por encima del ajuste de la válvula de alivio, pero dentro del límite que permite el código respecto al MAWP, de modo que en un evento de sobrepresión normal la válvula de alivio actúa primero y el disco permanece intacto.

El disco existe para los eventos que una válvula de resorte puede no cubrir por sí sola:

• Un caso de incendio, en el que el calor externo produce una generación de vapor muy superior a la evaporación normal
• Una válvula de alivio que no llega a abrirse, por ejemplo por hielo en la salida
• Una excursión de presión rápida en la que se necesita de inmediato toda el área de alivio disponible

Como un disco estallado no vuelve a cerrar, el tanque ventea su contenido hasta despresurizarse. Ese es el comportamiento previsto. El tanque queda fuera de servicio hasta que el conjunto del disco se sustituye por la pieza correcta, coincidente con la presión de estallido y el portadisco especificados por el fabricante. Un disco de valoración similar de otro fabricante no es equivalente.

¿Qué protege el espacio anular de vacío?

Este es el dispositivo que más a menudo se pasa por alto, y protege contra un modo de fallo grave. El espacio anular está bajo alto vacío y la envolvente exterior está construida para resistir esa carga atmosférica externa. No es un recipiente a presión.

Si el recipiente interior o una tubería interna presenta una fuga, el líquido criogénico entra en el espacio anular, absorbe calor y se vaporiza. La expansión de volumen es muy grande, así que el espacio de vacío se presuriza rápidamente y sin una vía de alivio la envolvente fallaría. El dispositivo de alivio del espacio anular, normalmente una placa con resorte o una placa de estallido con junta elastomérica, alivia a una presión baja, muy por debajo de cualquier valor que la envolvente pudiera soportar.

Reglas para este dispositivo:

• Nunca debe pintarse, encintarse, sellarse con producto sellante ni cubrirse con aislamiento o revestimiento
• Nunca debe bloquearse con nieve, hielo, nidos de aves ni material almacenado apoyado contra el tanque
• No debe retirarse para comprobar el vacío, que se lee a través del puerto de evacuación dedicado
• Si ha aliviado, el vacío se ha perdido y el tanque queda fuera de servicio hasta encontrar la causa
• Confirme que el dispositivo esté presente, ya que en unidades más antiguas a veces falta tras una reparación

Un dispositivo de alivio de la camisa que ha actuado indica una fuga del recipiente interior, un problema distinto de la degradación lenta del vacío. Nuestro artículo sobre pérdida de vacío en tanques criogénicos trata esta distinción.

¿Por qué nunca deben aislarse ni bloquearse los dispositivos de alivio?

Esta es la norma que más importa en una instalación criogénica. Un dispositivo de alivio que no puede ver la presión del recipiente, o que no puede descargar, no ofrece ninguna protección, y el tanque no da ningún aviso externo hasta que la presión ya ha subido.

En la práctica, el aislamiento ocurre de formas que parecen inofensivas:

• Una válvula de bloqueo instalada aguas arriba de una válvula de alivio y cerrada para detener una válvula que rezuma, en lugar de repararla
• Una válvula selectora dejada en una posición que el fabricante no define como posición de operación
• Un tapón, brida ciega o obturador colocado en una salida de venteo para evitar que entre la lluvia
• Tubería de venteo prolongada con tubo largo o de diámetro insuficiente, que añade una contrapresión para la que la válvula no estaba dimensionada
• Una salida de venteo congelada por apuntar hacia arriba y haber acumulado agua
• Un dispositivo de alivio del espacio anular cubierto durante un repintado o un recubrimiento

La tubería de venteo merece atención en cualquier inspección de emplazamiento. La descarga debe hacerse a un lugar seguro, alejado de pasos, puertas, tomas de aire y la posición de llenado de la cisterna, y debe ser autodrenante para que el condensado no pueda acumularse y congelarse. Las descargas de oxígeno y nitrógeno crean un riesgo de enriquecimiento o de deficiencia en la salida. Cuando el diseño requiere una válvula aguas arriba de un dispositivo de alivio, esta se bloquea o precinta en posición abierta bajo un procedimiento documentado definido por el código y el fabricante.

¿Con qué frecuencia debe probarse o sustituirse una válvula de alivio de tanque criogénico?

No existe un intervalo universal único. Proviene del código aplicable y de la normativa nacional para el recipiente, y del manual de instrucciones del fabricante para el dispositivo. Para los recipientes transportables, la normativa de transporte fija el ciclo de inspección periódica, y el trabajo en dispositivos de alivio queda dentro de él.

Lo que es consistente entre regímenes es la práctica:

• La presión de tarado se verifica en un banco de pruebas por un taller competente, o la válvula se sustituye por una unidad nueva certificada
• Los dispositivos se precintan tras el tarado. Un precinto roto significa que el ajuste ya no está verificado
• La presión de tarado nunca se ajusta en campo para resolver un problema operativo
• Los discos de ruptura se sustituyen en un intervalo definido, además de después de cualquier estallido, porque el material fatiga bajo los ciclos de presión
• Cada prueba, sustitución y cambio se registra, con los certificados conservados en el expediente del recipiente
• Las comprobaciones visuales entre intervalos formales cubren las salidas de venteo, el dispositivo del espacio anular, la corrosión y cualquier rezume o formación de hielo

Incluya esto en el plan de mantenimiento planificado más amplio, junto con la lectura de vacío que debe tomarse cada 6 a 12 meses. Nuestro artículo sobre el programa de mantenimiento de tanques criogénicos explica cómo encajan los intervalos entre sí.

¿Qué debe comprobar en los dispositivos de seguridad de un tanque criogénico usado?

La protección de presión es donde la inspección de un tanque usado genera confianza o pone fin a la conversación.

• MAWP de la placa frente a la presión de tarado estampada en cada válvula de alivio, coherente entre ellas y con el servicio previsto
• Ambas válvulas de alivio presentes, con presión de tarado y capacidad coincidentes, con precintos intactos e identificación legible
• Válvula selectora que opera con suavidad en todo su recorrido, sin indicios de que una salida haya sido cegada
• Portadisco de ruptura correctamente ensamblado, con documentación de la valoración del disco
• Dispositivo de alivio del espacio anular presente, sin pintar, sin obstrucciones y sin daños
• Tubería de venteo intacta, correctamente conducida y autodrenante, sin tapones ni extensiones improvisadas
• Certificados de la última prueba o sustitución de dispositivo de alivio en el expediente documental
• Evidencia del estado del vacío, ya que un vacío degradado mantiene el sistema de alivio actuando continuamente

KAF Cryogenics vende tanques criogénicos de segunda mano certificados que han superado inspección, ensayos no destructivos y pruebas de vacío y presión, suministrados con expediente documental y garantía por escrito. Los dispositivos de alivio se especifican conforme al MAWP del recipiente y al código aplicable antes de la entrega.

Preguntas frecuentes

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