Método de calibración para válvulas de seguridad instaladas en generadores de vapor
Enviado por Nelson Santiago López Ripoll
Resumen
El trabajo se desarrolla con el objetivo de elaborar un método de calibración de las válvulas de seguridad de los generadores de vapor, manteniendo las presiones en el sistema iguales o inferiores a su presión de operación, sin incurrir en los altos costos que impone la adquisición o alquiler de los equipos de calibración existentes actualmente en el mercado y sin la necesidad de conocer con precisión el área efectiva del asiento de las válvulas. Para cumplir este objetivo se realiza un análisis de las fuerzas que actúan sobre el asiento de la válvula cuando se alcanza la condición de apertura por el incremento de presión en el sistema y cuando se alcanza dicha condición ejerciendo una fuerza con un dispositivo de levante de carga axial en sentido contrario a la fuerza ejercida por el resorte de la válvula, este análisis permite demostrar que existe una relación lineal entre la presión de aceite en el pistón y la presión del sistema para alcanzar la condición de apertura de la válvula. Los resultados de los análisis de fuerza constituyen la base teórica del método de calibración elaborado que utiliza la técnica experimental para determinar la presión de apertura de las válvulas de seguridad, a partir de mediciones de presión de aceite en el pistón y presión del sistema en tres niveles.
En la industria se utilizan equipos y sistemas que operan a presiones superiores a la atmosférica, los cuales pueden verse sometidos a presiones superiores a la de diseño, con el consiguiente riesgo de explosión, pudiendo causar graves daños tanto para las personas como para las instalaciones cercanas. Para prevenir este riesgo se instalan en estos equipos válvulas de seguridad, estas constituyen los últimos dispositivos de seguridad, que actúan en una situación de emergencia para evitar que una sobrepresión origine una catástrofe.
Es muy importante operar los sistemas que trabajan a presiones superiores a la atmosférica con válvulas de seguridad con una presión de apertura bien ajustada (calibrada), las cuales brinden confiabilidad al sistema de proceso. Cada válvula debe ser probada periódicamente o después de recibir acciones de reparación y mantenimiento con el objetivo de verificar y ajustar, si es necesario, la tensión de sus resortes para garantizar su operación a la presión de apertura predeterminada.
En los generadores de vapor de las centrales termoeléctricas estas pruebas de calibración deben realizarse con las válvulas de seguridad montadas en las instalaciones donde operan (domos, líneas de entrada o salida de recalentadores y sobrecalentadores, etc.), debido a que es prácticamente imposible su desmontaje y traslado a bancos de prueba por los altos costos que esto genera. La calibración en estas condiciones se realiza mediante dos métodos principales:
1. Presurizando el sistema hasta accionar la válvula, observando directamente la presión de apertura.
Este método tiene la dificultad de que es necesario someter al sistema a las presiones de apertura de las válvulas tantas veces como válvulas existan y cuantas correcciones se realicen, se requiere un gasto de energía adicional para alcanzar los parámetros de apertura y además parte de las pruebas es necesario realizarlas con válvulas de seguridad bloqueadas.
2. Utilizando equipos para calibración dotados con dispositivo de levante de carga axial, tomas de presión, computadora y software. Ver Anexo A
Este método supera las principales dificultades del método anterior ya que la calibración se realiza con presiones en el sistema iguales o inferiores a su presión de operación; pero estos equipos para calibración tienen un alto costo en el mercado, por lo que en muchas ocasiones las empresas que tienen necesidad de calibrar un número relativamente pequeño de válvulas tienen dificultades para amortizar los costos de su adquisición; además para su uso es necesario conocer con precisión las dimensiones de elementos de las válvulas (toberas, asientos, etc.) o practicar tomas de presión en las instalaciones.
Las dificultades de los dos métodos expuestos anteriormente constituyen la situación problemica de la cual se identifica el problema que motiva la realización de este trabajo.
Problema:
¿Cuál es el método que permite calibrar las válvulas de seguridad de los generadores de vapor con presiones en el sistema iguales o inferiores a su presión de operación sin incurrir en los altos costos que impone la adquisición o alquiler de los equipos de calibración existentes actualmente en el mercado?
Objetivo:
Elaborar un método de calibración que permita calibrar las válvulas de seguridad de los generadores de vapor con presiones en el sistema iguales o inferiores a su presión de operación sin incurrir en los altos costos que impone la adquisición o alquiler de los equipos de calibración existentes actualmente en el mercado.
Hipótesis:
Para cumplir el objetivo propuesto se parte de la hipótesis de que determinando la relación matemática entre las presiones en el sistema y los esfuerzos adicionales correspondientes para llevar la válvula a la condición de apertura, se puede calcular la presión de apertura evaluando el modelo matemático para el valor de esfuerzo adicional cero, sin necesidad de alcanzar en el sistema la presión de operación.
Una válvula de seguridad se puede considerar como una válvula de interceptación que se mantiene cerrada gracias a la fuerza aplicada sobre el mecanismo de obturación por un resorte, un servomotor mandado por una válvula piloto o un peso o un conjunto palanca-contrapeso. Dado que el sistema de resortes es el más utilizado, a partir de ahora se hará referencia solamente a este sistema.
Análisis de las fuerzas que actúan sobre el obturador en las válvulas de seguridad.
La válvula de seguridad de una instalación con vapor a presión, comienza su apertura (empieza a escapar una vena continua de fluido) a partir de que la presión del vapor (Pi) alcanza el valor de la presión de apertura (Papertura) ya que la fuerza ejercida por la presión del vapor contra área efectiva del disco obturador (A asiento) se iguala a la fuerza ejercida por el resorte (Fresorte) como se muestra en la figura 1, por lo tanto:
(1)
Fig. 1 Equilibrio de fuerzas sobre el asiento de la válvula de seguridad en el instante en que se alcanza la condición de apertura en el sistema.
Cuando la instalación se encuentra a una presión de vapor (Pi) inferior a Papertura la válvula permanece cerrada ya que existe una diferencia de fuerzas (?Fi) entre la fuerza del resorte y la fuerza ejercida por el vapor sobre el disco obturador
(2)
Sustituyendo la ecuación (1) en (2) se obtiene
(3)
Para cualquier valor de presión Pi en la instalación se puede alcanzar la condición de inicio de la apertura de la válvula de seguridad ejerciendo una fuerza sobre el vástago en sentido contrario a la fuerza del resorte con un valor igual a ?Fi. (Ver fig. 2)
Fig. 2 Equilibrio de fuerzas sobre el asiento de la válvula de seguridad en el instante en que se alcanza la condición de apertura aplicando una fuerza sobre el vástago en sentido contrario a la fuerza del resorte.
Si esta fuerza se ejerce utilizando un pistón hidráulico su valor se puede determinar en función del área efectiva del pistón (Apistón) y la presión de aceite en el pistón (Ppistón)
(4)
Sustituyendo (4) en (3)
(5)
Despejando Pi en (5) y ordenando los términos se tiene:
(6)
La ecuación (6) se corresponde con la ecuación de una recta.
Donde: 
; 
; 
; 
Por lo tanto:
(7)
Esto demuestra que existe una relación lineal entre la presión (Ppistón) que es necesario ejercer en el pistón para alcanzar la condición de apertura de la válvula de seguridad y la presión de vapor (Pi) existente en el sistema.
En caso de utilizarse pistones con diferentes áreas efectivas las ecuaciones correspondientes a cada pistón también tendrán diferentes valores de ya que dependen del área efectiva del pistón como se muestra en la ecuación 6.
Cuando se modifica la tensión del resorte de calibración de la válvula, la ecuación correspondiente tendrá un valor de n diferente ya que se modifica la Papertura
Conociendo la pendiente de la ecuación para cada válvula de seguridad se puede determinar su presión de apertura utilizando la ecuación
(8)
En la figura 3 se representa gráficamente la relación lineal entre la presión (Ppistón) que es necesario ejercer en el pistón para alcanzar la condición de apertura de la válvula de seguridad y la presión de vapor (Pi) existente en el sistema.
Fig. 3 Representación gráfica de la relación lineal entre la presión del pistón y la presión de vapor en el sistema.
El valor de Papertura prueba inicial se corresponde con el punto donde la recta 
prueba inicial intersecta el eje (y), es decir el eje de las presiones existente en el sistema (Pi).
El valor de Papertura prueba después de calibración se corresponde con el punto donde la recta 
intersecta el eje (y), es decir el eje de las presiones existente en el sistema (Pi).
Este análisis de fuerzas permite establecer un método experimental con el objetivo de calibrar las válvulas de seguridad de los generadores de vapor utilizando dispositivo de levante de carga axial. (pistón hidráulico, brida de tracción, soporte, manómetro y bomba hidráulica de accionamiento manual).
Instrucción para aplicar el método de calibración con dispositivo de levante de carga axial.
1. Instalar sobre el bonete de la válvula un dispositivo de levante de carga axial (ver figura 4), alineando su centro con el vástago de la válvula de seguridad, de manera que se pueda incrementar la presión de aceite en el interior del pistón para ejercer una fuerza contraria a la fuerza que ejerce el resorte de calibración hasta alcanzar la condición de apertura y en esta condición tomar los valores de Ppistón y Pi. (ver figura 5)
Fig. 4 Elementos del dispositivo de levante de carga axial para calibración de válvulas de seguridad
Fig. 5 Montaje de dispositivo de carga axial para calibración en válvulas de seguridad. a) Utilizando pistón de uso general y b) utilizando pistón de embolo hueco.
2. Tomar lecturas de pares de valores de Ppistón y Pi para la condición de apertura en tres niveles de la variable independiente (presión de vapor Pi existente en el sistema) y en cada nivel realizar tres mediciones. (ver figura 6)
Fig. 6 Ejemplo de hoja de datos de la prueba de calibración de la válvula de seguridad con datos de prueba inicial.
El instante en que se alcanza la condición de apertura y se toman las lecturas es identificado por el sonido tipo vibración o silbido que emite la válvula de seguridad al establecerse dicha condición.
La repetición de la toma de lecturas en cada nivel de tratamiento de la variable independiente permite compensar los efectos de las variables extrañas incontroladas conocidas como ruido o error experimental.
Los niveles de medición deben estar lo suficientemente espaciado para obtener un modelo que permita calcular valores de Papertura confiables,
Para generadores de vapor se recomienda realizar las mediciones a 60%, 75% y 85% de la presión nominal del sistema.
3. Determinar el valor de Papertura prueba inicial utilizando la función INTERSECCION.EJE en Microsoft Excel.
Sintaxis
Papertura prueba inicial =INTERSECCION.EJE(conocido_y, conocido_x)
conocido_y Es el conjunto de datos de Pi.
conocido_x Es el conjunto de datos de Ppistón.
Esta función calcula el punto en el que la recta 
intersecta el eje (y), es decir el eje de las presiones existentes en el sistema (Pi). El punto de intersección se basa en el mejor ajuste de la línea de regresión trazado con los valores Ppistón y los valores Pi medidos durante la prueba inicial.
4. Determinar el coeficiente de determinación R2 y el error típico del modelo obtenido utilizando las funciones COEFICIENTE.R2 y ERROR.TIPICO.XY en Microsoft Excel.
Sintaxis
Error típico= ERROR.TIPICO.XY(conocido_y, conocido_x)
conocido_y Es el conjunto de datos de Pi.
conocido_x Es el conjunto de datos de Ppistón.
Esta función calcula la cuantía de error en el pronóstico del valor de (Pi) para un valor individual de Ppistón, por lo tanto expresa la cuantía del error en el pronóstico del valor de Papertura calculado en el paso 3.
En la calibración de válvulas de seguridad su valor debe ser menor de 1%de Papertura para aceptar los resultados de las pruebas y el modelo matemático obtenido
Sintaxis
R2= COEFICIENTE.R2 (conocido_y, conocido_x)
conocido_y Es el conjunto de datos de Pi.
conocido_x Es el conjunto de datos de Ppistón.
Esta función calcula el coeficiente de determinación, denominado R², que es un estadístico usado para determinar la calidad del modelo matemático para replicar los resultados, y la proporción de variación de los resultados que puede explicarse por el modelo. Este coeficiente puede tomar valores entre 0 y 1 pero en la calibración de válvulas de seguridad su valor debe ser mayor de 0.98 para aceptar los resultados de las pruebas y el modelo matemático obtenido.
Si los valores de coeficiente de determinación (R2) y el error típico están en el rango establecido (R2=0.98 y Error tipico=1%de Papertura) se continúan ejecutando los pasos de esta metodología, si no se cumplen estas condiciones es necesario repetir los pasos de 2, 3 y 4.
5. Determinar el % de desviación absoluta del valor de Papertura calculado en el paso 3 con relación al valor de Papertura normado para la válvula de seguridad que se esté calibrando
Si el valor del % de desviación absoluta del valor de Papertura está en el rango establecido (% de desviación = 2%) se da por terminada la calibración y se colocan los sellos de seguridad, si el valor de Papertura está fuera del rango establecido es necesario realizar los pasos siguientes.
6. Ajustar la tensión del resorte de calibración.
7. Tomar lecturas de pares de valores de Ppistón y Pi para un solo nivel de la variable independiente (presión de vapor Pi existente en el sistema) y realizar tres mediciones en dicho nivel.
Fig. 6 Ejemplo de hoja de datos de la prueba de calibración de la válvula de seguridad con datos de prueba inicial y de prueba después de calibración.
El nivel de medición debe seleccionarse entre 75% y 85% de la presión nominal de operación del generador de vapor.
8. Determinar el valor de
para la nueva condición de ajuste.
Donde
son las presiones de apertura calculadas para cada par de valores de 
tomados en las 3 mediciones realizadas después ajustar la tensión del resorte de calibración. Estos valores se calculan según la siguiente ecuación:
El valor de m se determina utilizando la función PENDIENTE en Microsoft Excel.
Sintaxis
m=PENDIENTE(conocido_y, conocido_x)
conocido_y Es el conjunto de datos de Pi de la prueba inicial.
conocido_x Es el conjunto de datos de Ppistón de la prueba inicial.
Esta función calcula la pendiente de la línea de regresión lineal creada con los valores Ppistón y Pi medidos durante la prueba inicial.
9. Determinar el % de desviación absoluta del valor de
calculado en el paso 9 con relación al valor de Papertura normado para la válvula de seguridad que se esté calibrando.
10. Si el valor del % de desviación absoluta del valor de
está en el rango establecido (% de desviación = 2%) se da por terminada la calibración y se colocan los sellos de seguridad, si el valor de está fuera del rango establecido es necesario realizar nuevamente los pasos 6, 7.8, 9, 10 y 11.
Nota:
Cuando se conocen los valores de las áreas efectivas del pistón (Apistón) y del disco obturador de la válvula (Aasiento) solo es necesario cumplir los pasos 1, 7.8, 9, 10 y 11 de la metodología propuesta utilizando en el paso 9 el valor de
1. El procedimiento para la calibración de las válvulas de seguridad de los generadores de vapor expuesto en este trabajo, permite calibrar las válvulas de seguridad sin sobrepasar la presión de operación del sistema, sin necesidad de utilizar los costosos equipos de calibración existentes en el mercado y sin conocer las dimensiones exactas de los asientos de las válvulas.
1. www.valvexport.com; Electronic safety valve tester. Dispositivo para tracción y medición de carga.
2. Petroecuador. Procedimiento de calibración de válvulas de alivio.
3. Ministerio de trabajo y asuntos sociales de España. NTP 342: Válvulas de seguridad (I): características técnicas. 1992.
4. Ministerio de trabajo y asuntos sociales de España. NTP 510: Válvulas de seguridad: Selección. 1999.
5. Norma Oficial Mexicana NOM-093-SCFI-1994, Válvulas de relevo de presión (Seguridad, seguridad-Alivio y alivio) operadas por resorte y piloto; fabricadas de acero y bronce.
6. http://ocw.unican.es/enseñanzas-tecnicas/fisica.Ajuste mínimos cuadrados.
Anexo A: Instalación de equipo para calibración dotado con dispositivos de carga axial, tomas de presión, computadora y software.
Autor:
MsC. Nelson Santiago López Ripoll.
Universidad de Matanzas "Camilo Cienfuegos", Vía Blanca Km.3, Matanzas, Cuba.
Central termoeléctrica "Antonio Guiteras", zona industrial final, Matanzas, Cuba.