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Aug 25, 2023

Aplicación de conceptos de cierre de válvulas a sistemas complejos de tuberías de proceso

Un fenómeno llamado golpe de ariete puede conducir a escenarios peligrosos como el colapso

Un fenómeno llamado golpe de ariete puede conducir a situaciones peligrosas, como el colapso de tuberías y el desprendimiento de tuberías de sus soportes. El golpe de ariete se produce cuando grandes o pequeños picos de presión pasan rápidamente a través de un sistema de tuberías. No solo suena terrible, sino que puede ser increíblemente destructivo. El golpe de ariete es el proceso al que se somete un sistema de tuberías a medida que pasa de una operación de estado estable a otra. Está presente en todos los sistemas de tuberías y no se limita únicamente a los sistemas de agua. Un evento de golpe de ariete puede ser causado por cambios operativos planificados, así como por alteraciones repentinas no planificadas.

A veces, los usuarios afirman que no tienen golpe de ariete en su sistema, lo cual no es cierto. Incluso cuando se pone en marcha una bomba, se introduce un golpe de ariete en el sistema. Qué causa el evento de golpe de ariete y qué tan grave puede ser es lo que debe determinarse.

Los códigos de tuberías B31.3 y B31.4 de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) son estándares que se aplican ampliamente a los sistemas de tuberías.1 En ASME B31.3 para tuberías de proceso, la sección 301.2.2 analiza la contención o el alivio de presión requeridos. La Sección 301.2.2 establece lo siguiente:

a) Se deben tomar medidas para contener o aliviar de forma segura cualquier presión a la que pueda estar sujeta la tubería. Las tuberías que no estén protegidas por un dispositivo de alivio de presión, o que puedan aislarse de un dispositivo de alivio de presión, deben diseñarse para al menos la presión más alta que pueda desarrollarse.

b) Las fuentes de presión a considerar incluyen influencias ambientales, oscilaciones y picos de presión, operación incorrecta, descomposición de fluidos inestables, cabeza estática y falla de los dispositivos de control.

c) Las asignaciones del párr. 302.2.4(f), siempre que se cumplan los demás requisitos del párr. 302.2.4 también se cumplen.

Esto requiere que los diseños del sistema tengan en cuenta las altas presiones. Otras secciones discuten qué son las variaciones de presión ocasionales y qué se puede permitir. ASME B31.4 para "Sistemas de transporte por tuberías para hidrocarburos líquidos y otros líquidos" también aborda las presiones de diseño internas y menciona que "se permite un aumento de presión por encima de la presión operativa máxima en estado estable debido a sobretensiones y otras variaciones de las operaciones normales de acuerdo con el párrafo 402.2 .4". En la sección 402.2.4, establece: "Se deben realizar cálculos de sobretensiones y se deben proporcionar controles y equipos de protección adecuados para que el nivel de aumento de presión debido a sobretensiones y otras variaciones de las operaciones normales no supere la presión de diseño interna en ningún momento". punto en el sistema de tuberías y equipos en más del 10%.

En general, los golpes de ariete y los picos de presión deben cuantificarse y abordarse para proteger el sistema. El golpe de ariete se puede presentar de muchas maneras. El ejemplo clásico es el de un cierre rápido de válvula y se usa a menudo para ayudar a describir los conceptos de golpe de ariete. La literatura sobre golpes de ariete cubre eventos de cierre rápido de válvulas con bastante frecuencia como las causas más desastrosas de los golpes de ariete. Sin embargo, el golpe de ariete también puede ser causado por eventos de disparo de la bomba, eventos de arranque de la bomba, sobrepresurización que hace que las válvulas de alivio se abran y cierren, fallas en las válvulas de control, cierres bruscos de las válvulas de retención, etc.

El ejemplo clásico de cierre rápido de válvula que se usa a menudo para describir el golpe de ariete tratará típicamente la ecuación de Joukowsky, que se usa para calcular el pico de presión teórico máximo para un evento instantáneo. La ecuación de Joukowsky depende de la densidad del fluido, la velocidad de onda del fluido y el cambio de velocidad.2 La ecuación de Joukowsky se puede aplicar a cualquier cosa que provoque un cambio instantáneo de velocidad. El uso de la ecuación de Joukowsky para determinar la sobrepresión máxima teórica es un punto de partida útil. Sin embargo, hay momentos en los que es posible experimentar aumentos repentinos de presión más grandes de lo que predice la ecuación.

Ejemplos de casos en los que esto puede suceder es si hay cavitación transitoria presente en un sistema o empaque de línea. Dicho esto, el ejemplo del cierre rápido de la válvula es una excelente manera de comprender el golpe de ariete. Hay varios métodos disponibles para cuantificar la respuesta de la presión durante un evento de golpe de ariete, y estos cálculos pueden ser complicados y extenuantes. Un método es el Método de características, que resuelve las ecuaciones de balance de momento y masa transitorio en un enfoque de cuadrícula característica.4 No es demasiado difícil aplicar estos cálculos a un ejemplo de cierre de válvula para determinar cómo cambia la presión de la válvula con el tiempo. El desafío es que la literatura a menudo demuestra un ejemplo de cierre rápido de válvula en el contexto de una ruta de flujo de tubería recta única con agua y rara vez brinda orientación o demuestra cálculos para un sistema más complejo con múltiples rutas de flujo, bombas, dispositivos de supresión de picos, etc.

Se puede crear una hoja de cálculo utilizando el método de las características para resolver las presiones y caudales cambiantes en un sistema de tuberías más complejo, con múltiples ramificaciones o en bucle. Sin embargo, la hoja de cálculo sería grande y poco práctica. El software de análisis de golpe de ariete es una herramienta útil que puede ayudar a realizar un análisis de golpe de ariete para sistemas simples o complicados sin necesidad de un estudio de doctorado en teoría de golpe de ariete. El software de análisis de golpes de ariete a menudo adopta un enfoque unidimensional para resolver el sistema de caudales transitorios, presiones, velocidades, etc. Esto puede ayudar a los ingenieros a obtener una mejor comprensión para determinar la causa raíz de problemas existentes o accidentes relacionados con golpes de ariete, o enfoques preventivos para nuevos diseños o cambios operativos.

Considere un modelo de análisis de golpe de ariete para la planta de gas natural licuado (GNL) en la Imagen 1. Esta planta estaba experimentando una expansión e inicialmente tenía tres bombas operando en paralelo. La expansión traería dos bombas adicionales con una tercera actuando como repuesto. Tenga en cuenta que hay dos conjuntos de bombas con su propio tubo ascendente que se unen a un cabezal principal. El flujo luego se divide y conduce a dos válvulas de descarga separadas. Los tramos de tubería resaltados en azul son tramos en los que se requieren cargas de fuerza transitoria para el análisis de tensión de la tubería. El tramo de tubería resaltado en verde es una única ruta de flujo continuo desde la bomba P-101C hasta la válvula LV-1564A2.

Un análisis de golpe de ariete es más que verificar la presión en una válvula de cierre. Las ondas de presión transitorias se propagan a través de un sistema de tuberías a varios miles de pies por segundo y los patrones de onda pueden tener interferencias que pueden provocar efectos desastrosos. Es comprensible que las tuberías se rompan con picos de alta presión, pero las bajas presiones pueden ser igual de problemáticas. Si hay presiones subatmosféricas, esto puede provocar el colapso de las tuberías. Si ocurre una cavitación transitoria donde la presión ha alcanzado la presión de vapor, pueden ocurrir grandes picos de presión, que es como un globo grande que revienta dentro de una tubería. Este puede ser especialmente el caso de una instalación de GNL debido a una presión de vapor que no es tan baja como la del agua.

Con la tarea de completar un análisis del golpe de ariete para la expansión de esta instalación, es importante comprender cuáles serían los impactos del golpe de ariete en el sistema existente. Un escenario que se puede modelar es el ejemplo clásico de cierre de válvula. En la Imagen 1, las dos válvulas de descarga en la salida del sistema se cerrarán en tres segundos con un perfil de cierre de válvula lineal. Los cierres rápidos de válvulas provocan grandes picos de presión. Un estudio de golpe de ariete puede involucrar varios escenarios donde las válvulas se cierran a diferentes velocidades para ver qué tan rápido es demasiado rápido y qué tan lento es lo suficientemente lento. A menudo se asumen cierres de válvulas lineales y, por lo general, cerrar una válvula durante períodos de tiempo más largos puede ayudar a mitigar las presiones de golpe de ariete observadas. Sin embargo, este no es siempre el caso. A veces, con tipos específicos de válvulas, es posible que el cambio en las presiones y caudales del sistema no se vea hasta el último porcentaje del cierre. Por lo tanto, cerrar las válvulas durante largos períodos de tiempo no siempre ayuda.

También es importante tener en cuenta la característica de la válvula porque la forma en que se cierra la válvula puede tener un impacto mayor en la reducción del aumento de presión que el tiempo que permanece cerrada la válvula. Por ejemplo, Swaffield & Boldy recomienda durante un tiempo determinado de cierre de la válvula, si el 80 % del cierre de la válvula se logra en el primer 20 % del tiempo que lleva cerrar la válvula, y luego el 20 % restante del cierre de la válvula durante el Si transcurre más del 80 % del tiempo restante para el cierre de la válvula, se puede reducir el aumento de presión resultante.5 Un ejemplo en la Imagen 2 compara dos índices de cierre de válvula diferentes para una tubería de transferencia de amoníaco a tierra. La ruta de flujo superior en la Imagen 2 usa un cierre de válvula lineal de dos segundos mientras que la ruta de flujo inferior también usa un cierre de válvula de dos segundos pero emplea el perfil de cierre 80/20 recomendado por Swaffield & Boldy.

Como se ve en la Imagen 2, la directriz 80/20 reduce la sobrepresión transitoria al cerrar la válvula en comparación con el caso con el mismo tiempo de cierre con un perfil de cierre lineal. Esto muestra que el perfil en el que se cierra una válvula también hace una diferencia en la reducción de la presión de golpe de ariete, al igual que el cierre de válvulas durante períodos de tiempo más prolongados. Si no, el perfil tiene más impacto. Por lo tanto, se puede dedicar un estudio de análisis de golpe de ariete completo para determinar los tiempos y perfiles de cierre de válvula apropiados que pueden ayudar a los sistemas de control a prevenir problemas.

Los parámetros importantes para evaluar incluyen las presiones mínima y máxima en el sistema y cómo se comparan con la presión de operación máxima permitida. Otras cosas que se deben evaluar incluyen la posible presencia de formación de vapor si hay cavitación presente en el sistema, el rendimiento transitorio de los componentes, por ejemplo, cómo puede cambiar la velocidad de una bomba si se dispara una bomba, cómo pueden afectar la presión de succión y descarga y el caudal. cambiar a través de una bomba durante un evento transitorio, cómo puede funcionar un alivio durante una situación de sobretensión, etc.

Las imágenes 3 y 4 brindan el perfil de presión máxima y mínima para la ruta de flujo resaltada en verde del sistema en la imagen 1. La imagen 3 contiene los resultados del escenario previo a la expansión y la imagen 3 brinda los resultados del escenario posterior a la expansión. En ambos gráficos de las imágenes 3 y 4, la línea verde en el gráfico es la presión a lo largo de la trayectoria del flujo en el momento exacto en que las válvulas se cierran a los tres segundos.

La presión transitoria a lo largo de la trayectoria del flujo a los tres segundos representada por la línea verde en los gráficos de las Imágenes 3 y 4 es similar. Los resultados para el escenario posterior a la expansión con bombas adicionales en funcionamiento son similares a los resultados previos a la expansión. Al comparar los perfiles de presión máxima en las Imágenes 3 y 4, el escenario posterior a la expansión da como resultado presiones transitorias más altas. La razón de esto se debe al empaquetamiento de la línea y más flujo en el sistema porque las bombas todavía están funcionando. Este es otro ejemplo de donde las presiones transitorias pueden ser más altas que la predicción de la ecuación de Joukowsky. La imagen 5 muestra más claridad de resultados similares con las presiones transitorias en la entrada de las válvulas de cierre a lo largo del tiempo. Las presiones posteriores a la expansión en la entrada de la válvula son más altas que las de los escenarios previos a la expansión, pero siguen siendo similares.

Al examinar los tramos de fuerza de la tubería en azul (Imagen 1), los tramos de fuerza que tienen las cargas de fuerza transitorias más altas en ambos escenarios ocurren en los tramos de fuerza 3 y 6. La mayor carga de fuerza puede ocurrir en la válvula que se cierra, pero esto no es así. siempre el caso. Hay muchos efectos hidráulicos que impactan las cargas de fuerza transitorias y simplemente multiplicar la presión por el área en un lugar no proporciona los valores de fuerza correctos. El software de análisis de golpe de ariete considera inherentemente los efectos de fricción y los efectos de momento y los incluye fácilmente en los cálculos de carga de fuerza.6 Como se muestra, no es fácil suponer en qué brazo de fuerza ocurrirán las fuerzas transitorias más grandes. Además, es posible que las fuerzas más grandes no siempre ocurre cuando una válvula se cierra y puede ocurrir más adelante en la simulación. Esto puede deberse a cómo las ondas de presión interfieren entre sí en un sistema complejo como el de la Imagen 1.

La buena noticia para la planta de GNL de la Imagen 1 es que la expansión no generó presiones transitorias superiores a la presión máxima permitida del sistema ni generó cargas de fuerza transitoria más altas. La velocidad de onda en este sistema es aproximadamente la mitad de la velocidad de onda típica. Si hubiera un fluido diferente en este sistema, los resultados podrían ser más desastrosos y si el sistema no se analizara cuidadosamente previamente, incluidos los cálculos de fuerza, esto podría descubrir fácilmente un nuevo conjunto de problemas. Además, también se deben evaluar muchos otros escenarios, como escenarios de arranque de bomba, escenarios de disparo de bomba en los que todas las bombas se disparan juntas o una bomba se dispara sola, lo que puede conducir a un gran evento de golpe de válvula de retención y más.

Referencias

Códigos relacionados con el golpe de ariete: ASME B31.3 Y B31.4, waterhammer.com/en/blog/design/codes-concerning-waterhammer-asme-b31-3-and-b31-4

"Golpe de ariete: qué y por qué", pumpsandsystems.com/water-hammer-what-why

"Cuando la ecuación de Joukowsky no predice las presiones máximas del golpe de ariete", aft.com/documents/technicalpapers/2019_pvpjournal_when-the-joukowsky-equation-does-not-predict-maximum-water-hammer-pressions.pdf

"Transitorios de fluidos en sistemas", E. Benjamin Wylie y Victor L. Streeter, 1.ª edición, 1993

"Oleaciones de presión en sistemas de tuberías y conductos", JA Swaffield y Adrian P. Boldy, 1993

"Evaluación de cargas dinámicas en sistemas de tuberías causadas por golpes de ariete", J. Wilcox & T. Walters, 2012, aft.com/white-papers/evaluating-dynamic-loads-in-piping-systems-caused-by-waterhammer

Ben Keizer es consultor técnico de ventas de Applied Flow Technology (AFT). Keizer tiene una licenciatura en ingeniería química de la Escuela de Minas de Colorado. Puede comunicarse con Keizer en [email protected]. Para obtener más información, visite www.aft.com.