Un sensor de presión falló en un ciclo CIP de una planta procesadora de lácteos de tamaño mediano, la primavera pasada, justo antes de que un ciclo CIP automatizado comenzara. La conclusión del ciclo CIP sería que una solución cáustica caliente quedó atrapada en un circuito cerrado entre dos válvulas de bola automatizadas. Como resultado, la presión de la solución cáustica caliente comenzó a aumentar debido a la naturaleza expansiva de la solución cáustica caliente. En menos de veinte segundos, la presión aumentó por encima del límite de diseño de la tubería.
La única razón por la que la tubería no reventó y no hubo una evacuación de toda la planta fue debido a un dispositivo compacto de resorte montado a la salida del tanque: una válvula de seguridad de acero inoxidable. Como resultado, la válvula se abrió a 80 psi y ventiló una pequeña cantidad de la solución cáustica hacia el desagüe de contención y se volvió a cerrar tan pronto como la presión disminuyó. Todo el evento duró menos de un minuto y la producción volvió a la normalidad esa misma tarde. La válvula pasó desapercibida durante años, pero realizó su función exactamente como estaba previsto. Por lo tanto, cualquier persona que especifique sistemas de fluidos en las industrias de procesamiento de alimentos, farmacéutica o química debe comprender cómo funciona la válvula y por qué el material "acero inoxidable" no es una opción en la industria higiénica.
El Propósito Fundamental: Protección Automática contra Sobrepresión
Un dispositivo automático de liberación de presión que se abre cuando la presión del sistema excede un cierto punto de ajuste (la presión estática aguas arriba) para ajustar el sistema descargando líquido, gas o vapores hasta que alcanza su punto de reasentamiento después de corregir esta condición. A diferencia de los discos de ruptura que solo pueden usarse una vez, las válvulas de seguridad están diseñadas para operar continuamente durante toda la vida útil del sistema.
El aspecto de seguridad de estas válvulas les permite abrirse muy rápida y completamente (operación de "pop") en servicio de gases o vapores competitivos, y "aliviar" el servicio de alta presión a un grado equivalente de apertura proporcional dependiendo del aumento de las presiones respectivas que usualmente se experimentan con servicios líquidos, proporcionando un aumento continuo en el servicio de líquidos o vapores debido a la eliminación de producto de una tubería rota o con fugas o por error del operador.
La mayoría de las válvulas de seguridad pueden manejar fluidos compresibles e incompresibles por igual, lo que las convierte en el dispositivo de seguridad más utilizado en las industrias de proceso. Todas las válvulas de seguridad están sujetas a certificación de terceros, incluyendo el Código ASME de Calderas y Recipientes a Presión (BPV) Sección VII, API 526 y las Normas Sanitarias 3-A para aplicaciones sanitarias.
Por qué el acero inoxidable es el material predeterminado para el servicio higiénico
El material para una válvula de seguridad de acero inoxidable se selecciona según los mismos requisitos que la trayectoria completa del fluido sanitario: tener una superficie resistente a la corrosión capaz de soportar la limpieza química agresiva, el picado y la corrosión por rendija en condiciones que contengan cloruro y tener una superficie que pueda ser electropulida para resistir la adhesión de biopelículas. La mayoría de las válvulas de seguridad higiénicas están hechas de acero inoxidable 316L, que añade molibdeno a la aleación base 304 para proporcionar una mayor resistencia a la corrosión por picaduras que la aleación base 304 sola.
En sistemas de agua ultrapura en productos farmacéuticos y semiconductores, el 316L puede tener bajo contenido de azufre y ser fabricado a partir de fundiciones al vacío para producir material libre de inclusiones. El resorte interno, que determina la presión de ajuste de la válvula, se fabrica típicamente con acero para resortes de alta calidad y, cuando se usa en condiciones muy corrosivas, también puede hacerse con aleaciones de Hastelloy o Inconel. Los sellos elastoméricos, que suelen estar hechos de EPDM, Viton o PTFE, deben cumplir con la FDA y ser capaces de soportar los ciclos SIP repetidos a 130 °C. Nuestra comparación de acero inoxidable 304 vs 316 explica por qué el costo incremental del 316L se paga solo en una vida útil prolongada y un riesgo reducido de contaminación.
Válvula de seguridad, válvula de alivio, válvula de seguridad y alivio: Navegando por la terminología
Las dos palabras suelen confundirse; sin embargo, al especificar dispositivos, la diferencia es importante.
- Válvula de seguridad: Una válvula que funciona mediante un mecanismo de resorte que abre instantáneamente su puerto completo (acción de golpe) para permitir el flujo a través de ella, se usa típicamente con gases, como vapor y aire comprimido. Es cuando la presión alcanza su punto de ajuste que la válvula se abre rápidamente y permanece abierta hasta que la presión del sistema cae por debajo del punto de ajuste de reasentamiento definido.
- Válvula de alivio: La apertura comienza gradualmente en relación con el aumento de la presión por encima del punto de ajuste. Este tipo de válvula funciona principalmente con fluidos incompresibles (líquidos). La válvula no se abre completamente hasta que alcanza una presión más alta que el punto de ajuste, generalmente un 10% o un 25% más alta.
- Válvula de seguridad y alivio: Este dispositivo funcionará como válvula de seguridad o como válvula de alivio, dependiendo de cómo se utilice en esa aplicación particular. En el caso del procesamiento sanitario, la mayoría de todas las válvulas vendidas son válvulas de seguridad y alivio, lo que permite el manejo seguro del vapor en la limpieza y desinfección de todas las válvulas mediante SIP (Steam In Place) (por seguridad). También permite el manejo de otros líquidos basándose en el método de limpieza CIP en aplicaciones sanitarias.
Esta doble función es importante para mantener altos estándares de limpieza en la aplicación industrial. La válvula debe instalarse para permitir el uso de limpiadores líquidos y gaseosos, con una válvula que funcione correctamente, es decir, que no gotee ni vibre, cuando se instale en un entorno industrial donde debe abrirse limpiamente tanto en líquido como en gas. Si está considerando el contexto más amplio de cómo los componentes sanitarios funcionan juntos para mantener un sistema limpio, nuestra introducción a qué es un accesorio sanitario proporciona los principios fundamentales que se aplican a cada componente, incluidas las válvulas de seguridad.
La regla del 3% y el dimensionamiento de su dispositivo de alivio
Un ingeniero seleccionará una válvula de seguridad basándose en el cálculo de la capacidad de alivio requerida, que representa la cantidad de fluido que se liberará a través de la válvula como resultado del exceso de presión para asegurar que la presión del recipiente a presión no exceda su presión máxima de trabajo permitida (MAWP). De acuerdo con el Código ASME para la aplicación de una válvula de seguridad en una instalación de una sola válvula para un recipiente a presión, la válvula debe limitar cualquier aumento de presión causado por un incendio al 110% de la MAWP; para múltiples válvulas, la primera válvula permite un aumento de presión al 110% y cualquier válvula de seguridad adicional puede permitir que la presión aumente al 116% antes de abrirse.
La regla del 3 por ciento, frecuentemente citada con respecto a las válvulas de alivio de presión, no es un requisito establecido en ningún código, sino que sirve como una guía práctica establecida por la API y como parte de las prácticas de seguridad de procesos. La guía establece que la caída de presión en la entrada desde el equipo protegido hasta la entrada de la válvula no debe exceder el 3 por ciento de la presión de ajuste de la válvula cuando esta está a plena capacidad.
Cuando se excede el límite del 3 por ciento, la válvula de alivio de presión vibrará (se abrirá y cerrará rápidamente), lo que causará daños en el asiento, el resorte y, potencialmente, la fractura del cuerpo de la válvula. En aplicaciones sanitarias, con la válvula montada inmediatamente en una boquilla corta de un tanque o tubería, normalmente es sencillo cumplir con el límite del 3 por ciento. El cálculo de la caída de presión debe verificarse en los casos en que la tubería de entrada sea demasiado larga. El golpeteo de una válvula de seguridad de acero inoxidable es particularmente dañino; la combinación de asiento duro y disco pulido se convierte en superficies de agarrotamiento cuando se somete a vibración, lo que requerirá el reemplazo de la válvula si el asiento se daña por el golpeteo.
PSV vs. PRV: Una guía funcional
Dos tipos de válvulas comúnmente confundidos en el campo industrial son la Válvula de Seguridad de Presión (PSV) y la Válvula de Alivio de Presión (PRV). La distinción entre los dos tipos de válvulas es que una PSV permite la apertura rápida de una válvula para aliviar la presión excesiva en aplicaciones de gas o vapor, mientras que una PRV permite una apertura gradual de una válvula en aplicaciones líquidas. Las válvulas de seguridad y alivio están diseñadas como una combinación de ambos tipos de acciones de apertura de válvulas y a menudo son denominadas válvulas PSV por los ingenieros de proceso que son responsables de una función de seguridad crítica en un sistema.
Desde una perspectiva práctica, si la etiqueta de la válvula en una válvula de seguridad sanitaria está fabricada como una designación PSV, normalmente ha sido "calificada" mediante diseño y pruebas para servicio de gas, mientras que una designación PRV normalmente ha sido calificada para servicio en aplicaciones líquidas. Sin embargo, el fabricante tiene la capacidad de verificar la certificación dual del producto. Por lo tanto, como mejor práctica para evitar confusiones, al especificar los requisitos de compra, utilice el término "válvula de seguridad y alivio" y especifique cada aspecto de la fase del fluido (líquido, gas o ambas fases).
¿Son siempre la mejor opción las válvulas de acero inoxidable?
Una válvula de seguridad de acero inoxidable ofrece ventajas claras en aplicaciones higiénicas; en particular, sus propiedades de resistencia a la corrosión, facilidad de limpieza y compatibilidad con tuberías y accesorios diseñados para ser de 316L, un material común utilizado por muchos fabricantes de tuberías que suministran para uso higiénico. Si se estuviera en una planta procesadora de lácteos usando ácido nítrico caliente para pasivación, en solo unos meses una válvula de acero al carbono o de latón se destruiría por completo.
Además, el uso de una válvula de acero al carbono o latón en un circuito de agua para inyección utilizado para aplicaciones farmacéuticas generaría suficiente hierro traza como para que los dispositivos de medición de conductividad no funcionaran correctamente. Existen límites a la resistencia a la corrosión inherente al acero inoxidable. Tanto el acero al carbono como el latón se corroerán rápidamente a un ritmo mucho más lento en comparación con el acero inoxidable. La razón es que, si bien los aceros inoxidables tienen una resistencia mucho mayor a la corrosión que otros tipos de metales, los aceros inoxidables seguirán corroerse en condiciones extremas, como una alta concentración de cloruros, o al estar sometidos a ciertos tipos de ácidos orgánicos. Para condiciones de servicio extremadamente corrosivas, se utilizarán típicamente aceros inoxidables dúplex o aleaciones de níquel; sin embargo, los aceros inoxidables dúplex y las aleaciones de níquel rara vez se utilizan para el servicio sanitario estándar.
La consideración más importante es si el cuerpo completo de la válvula está hecho de acero inoxidable verdadero. Algunas válvulas de bajo costo se construyen con un cuerpo de acero inoxidable y utilizan un acero al carbono cromado como resorte que se corroerá y finalmente fallará en la ubicación del resorte. Los fabricantes de válvulas sanitarias y la mayoría de los procesadores de renombre proporcionan trazabilidad completa; específicamente, proporcionan la trazabilidad del material y el material utilizado para cada componente en contacto con el fluido. Por lo tanto, cuando compre una válvula de seguridad sanitaria a un proveedor como Eagle Fittings, el cuerpo, el embellecedor, el resorte y los sellos de la válvula estarán documentados y serán trazables hasta el número de colada de la fábrica.
Integración de válvulas de seguridad en líneas de proceso higiénicas
Normalmente, el procesamiento de alimentos y bebidas (lácteos), así como el procesamiento farmacéutico, no instala una válvula de seguridad en un bastidor de tuberías distante; en cambio, la válvula de seguridad se conecta directamente al recipiente a presión o a una línea de transferencia crítica. Debido al requisito de una conexión sin grietas y drenable, la conexión Tri-Clamp se utiliza típicamente como conexión para las válvulas de seguridad sanitarias. Además, el cuerpo de la válvula debe diseñarse de tal manera que no presente superficies horizontales ni ramales muertos que permitan que el producto se acumule. La válvula también debe diseñarse para que, después de un evento de descarga, pueda limpiarse en el lugar (CIP) o manualmente, según su ubicación y proceso. Para una visión completa de cómo estos dispositivos encajan en un sistema de tuberías farmacéutico compatible con BPE, nuestra guía sobre tuberías y accesorios para equipos farmacéuticos cubre los principios de diseño que se aplican a cada componente, desde las válvulas de seguridad hasta la boquilla de llenado final.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la regla del 3% para las válvulas de alivio de presión?
Una guía llamada "regla del 3 por ciento" estipula que la caída de presión no recuperable a través de la tubería de entrada entre un recipiente protegido y una válvula de seguridad no debe exceder el 3% del punto de ajuste de la válvula de seguridad cuando fluye completamente abierta. Exceder este valor puede hacer que la válvula vibre o alterne rápidamente entre estar completamente abierta y completamente cerrada, lo que resulta en daños a los componentes de la válvula, como el asiento y el resorte; por lo tanto, seguir la regla del 3 por ciento promoverá un funcionamiento estable de las válvulas aliviando.
¿Cuál es la diferencia entre una válvula de seguridad y una válvula de alivio de seguridad?
Las válvulas de seguridad que se abren rápidamente de forma "pop" se instalan típicamente en sistemas de tuberías que manejan gases/vapor (fluidos compresibles), mientras que las válvulas de seguridad y alivio pueden operar con gases/vapor o fluidos incompresibles (líquidos). Esto permite la flexibilidad de que la válvula se use para cualquiera de los dos propósitos, haciendo que la válvula de alivio sea el vehículo común en aplicaciones de procesamiento sanitario (limpiable) para SIP (Steam In Place) o CIP (Clean In Place) en la misma línea de tubería.
¿Son buenas las válvulas de acero inoxidable?
Las válvulas de acero inoxidable son ideales para entornos que requieren resistencia a la corrosión, la capacidad de mantener una superficie limpia y la capacidad de trabajar con tuberías de acero inoxidable existentes. En la industria higiénica, el acero inoxidable 316L se ha utilizado como metal preferido; no se picará cuando se exponga a soluciones de limpieza. Además, el electropulido producirá una superficie con una mínima adhesión bacteriana. El rendimiento de una válvula de acero inoxidable está determinado por la precisión del proceso de fabricación, el grado de aleación utilizado en la producción de la válvula y la información de seguimiento del material proporcionada por el productor.
¿Cuál es la diferencia entre PSV y PRV?
La válvula de seguridad de presión (PSV) se refiere a válvulas diseñadas para abrirse rápida y completamente cuando se superan las presiones en aplicaciones de gas/vapor. Por el contrario, la válvula de alivio de presión (PRV) se refiere a válvulas diseñadas para abrirse gradualmente en función de un aumento de presión y se utilizan en aplicaciones de servicio de líquidos. Las válvulas de seguridad y alivio son válvulas híbridas que realizan ambas funciones y se conocen como PSV o PRV según su fluido de clasificación principal. La capacidad de la válvula puede verificarse mediante la placa de identificación y la certificación de prueba asociadas con esa válvula.
Una válvula de seguridad de acero inoxidable es uno de los héroes anónimos de la ingeniería de procesos hasta que un manómetro (que esperemos que tenga instalado) se pone en rojo. En este momento, se convierte en la única frontera entre un sistema intacto y una falla explosiva. En una aplicación de procesamiento higiénico, el cuerpo de acero inoxidable, los sellos que cumplen con la FDA, la conexión Tri-Clamp y la presión de ajuste documentada funcionan como un dispositivo de seguridad que debe funcionar, siempre, en la instalación inicial. La válvula que protege su patín de pasteurización, biorreactor o línea de vapor limpio también debe incluir las certificaciones de materiales necesarias, los datos de acabado de la superficie y los resultados de las pruebas que le ayudarán a dormir tranquilo. Eagle Fittings proporciona válvulas de seguridad con estas cualificaciones y documentación para darle la tranquilidad de que la válvula de seguridad que protege su proceso estéril de alta presión está construida con una procedencia y trazabilidad de materiales conocidas.
