Una de las Condiciones mas importantes a la hora de seleccionar un material o componente para una Instalación para la Industria Petrolera y Petroquímica son las condiciones de diseño.
De acuerdo a la Norma ASME B31.3, las condiciones de diseño la define como la condición de Operación de Presión y Temperatura, combinada, mas severa a la que puede trabajar el sistema.
La Norma ASME B31.3 es la Norma que cubre el diseño de las tuberías dentro del Límite de Batería de una Planta Petrolera o Petroquimica.
Cuando se dice que las condiciones de Diseño, es la Condición de Operación Presión/Temperatura mas severa significa, por ejemplo, que un sistema puede trabajar con LPG (Gas Licuado de Petroleo, ejem. Propano) normalmente a una Presión de 30 Kg/cm2 y una temperatura de 50 oC, pero cuando hay una despresurización del Sistema, por ejemplo hasta 10 kg/cm2, la temperatura, tanto del recipiente que lo contiene, como todas las tuberías y equipos aguas abajo, puede llegar a -20 oC.
También se sabe que la resistencia de un material a la Presión depende de la Temperatura, esto es, a medida que la temperatura sea mayor, la resistencia a la Presión es menor.
Esto significa que las Condiciones de Operación que debemos tomar en cuenta son 30 kg/cm2 @ 50 oC y 10 kg/cm2 @ -20 oC. Se debe evaluar los materiales a todas la condiciones de operación Presión/Temperatura a la que puede estar expuesta la tuberías y equipos.
A continuación algunos casos comunes:
Caso1: Gas Licuado de Petróleo
En el caso de los Fluidos como el LPG (Gas Licuado del Petróleo), la despresurización puede generar una baja considerable de temperatura, hasta condiciones criogenicas, esto pasa, como ejemmplo, cuando se está usando una Bombona de Propano de Camping para cocinar, y se puede ver como el cilindro de gas empieza a sudar. Esto es un indicativo de la baja temperatura que se está generando.
Llegar a condiciones de temperatura muy bajas, puede obligar al uso de materiales para Baja Temperatura, como el caso de A-333, Acero Inoxidable, etc, en donde el Acero al Carbono como el A-106 Gr. B se cristaliza a baja temperatura y se comporta como un vidrio, reduciéndose considerablemente su capacidad para resistir golpes (cambios de Presión, etc).
Caso 2: Vapor de Agua
Otro ejemplo muy común es el caso del vapor de agua. Si tenemos en un recipiente, totalmente cerrado, un fluido como Vapor de Agua Saturada, a lo que llamamos Vapor de Alta Presión ( 42 kg/cm2 @ 260 oC) y lo dejamos enfriar, el volumen de vapor contenido en el recipiente pueden convertirse en unas pocas gotas de agua, reduciéndose su volumen considerablemente hasta crearse condiciones de vacío a temperatura ambiente. Esto significa que nuestro sistema que maneja Vapor de Alta puede requerir que sea diseñada para condiciones de vacío, porque si no, el recipiente y tuberías puede colapsar.
Caso 3: Sistemas de Tanque de Almacenamiento
En un Sistema de Almacenamiento, Tanque/Bomba, en el proceso de vaciado de un Tanque de Almacenamiento, el volumen ocupado por el líquido debe ser sustituido por un gas, el cual puede ser Aire (venteo atmosferico), Nitrógeno, etc, porque si no, se puede producir vacío, ocasionando el colapso del Tanque. Normalmente estos Tanques de Almacenamiento de gran tamaño tienen instalados sistemas de rompe vacío, el cual puede ser un simple cuello de cisne, una válvula rompe vacío, o un sistema mas sofisticado de inyección de Nitrógeno, lo que llamamos en Ingles "Blankenting".
Caso 4: Sistemas de secado
Podemos tener un sistema que normalmente trabaja a 4 kg/cm2 @ temperatura atmosférica (40 oC), pero maneja un fluido que se contamina, degrada, o reacciona con el agua. Esto significa que el sistema debe ser "Calentado" con Nitrógeno caliente, por ejemplo a 2 kg/cm2 y 200 oC, para lograr la eliminación del agua que puede estar en las tuberías y equipos. Las Condiciones de Diseño será, la mas severa entre 4 kg/cm2 @ 40oC y 2 kg/cm2 @ 200oC, así sea una condición en la que el sistema va a estar expuesta una sola vez al año durante una hora.
Caso 5: Sistemas de Bombeo
En el caso de un Sistema de Bombeo, en donde se encuentra instalada un Bomba Centrífuga, la máxima presión que podemos encontrar a la descarga de la bomba es cuando está completamente cerrada la válvula a la descarga (caso muy frecuente), esto hace que que la bomba pase a un punto en la curva característica a Cero Flujo y Máxima Presión (shut off).
En el caso de una Bomba Reciprocante (desplazamiento positivo), y tener cerrada la válvula de la descarga de la bomba, la presión puede incrementarse indefinidamente hasta romperse el elemento mas débil del sistema (por lo general la bridas), por lo que toda bomba de desplazamiento positivo debe tener instalada una válvula de alivio (PSV).
Un elemento clave para determinar la presión máxima de un Sistema, son las Válvulas de Alivio (PSV). La Presión de Ajuste de las Válvulas de Alivio (Set Point) es la Presión Máxima a la que puede llegar el Sistema, tomando en cuenta que esta válvula va a responder adecuadamente a esa presión (presión de ajuste), porque va a estar sometida a un Mantenimiento Preventivo adecuado, y han sido Ajustadas y Certificadas por una Organización Confiable.
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