Generalidades
En los campos de compresores y turbinas, los términos “presión de diseño” y “temperaturas de diseño” no tienen definiciones consistentes y aceptadas uniformemente. En consecuencia, su uso se deberá evitar en los documentos de especificación de maquinarias. Otros términos se usan dentro de cada uno de los campos del tipo de maquinaria a fin de describir los límites dentro de los cuales el suplidor tiene que diseñar el mecanismo para su seguridad estructural.
Estos límites de seguridad estructural tienen que ser iguales o mayores que las condiciones de servicio “nominales”, dentro de la cual tiene que operar la máquina. Por ejemplo, el modelo de máquina seleccionada tiene que tener la presión
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condiciones de servicios especificadas por el diseño del proceso para así garantizar seguridad estructural.
La temperatura para la cual, la máquina tiene que ser estructuralmente segura, se refiere a la temperatura del metal a la condición más severa de presión y temperatura coincidentes. La temperatura del metal iguala a la temperatura del fluido en todos los tipos de fluidos comerciales. La presión a la cual la máquina tiene que ser estructuralmente segura se refiere a aquélla utilizada para determinar el espesor mínimo de pared de las cavidades presurizadas.
Para estar “estructuralmente seguro” al operar a presiones y temperaturas extremas, los mecanismos compresores tienen que ser capaces de evitar fugas por la bridas o fracturas de la carcaza. El espacio interno libre tiene que ser adecuado para prevenir interferencias entre las piezas movibles y estacionarias causadas por distorsión de la carcaza. El arreglo de los soportes tienen que preservar alineamientos operables en posición adecuada. La envoltura de los sellos y los sellos de eje tienen que ser diseñados para prevenir la falla de piezas y fugas grandes.
Compresores Centrífugos
Presión de Diseño – La equivalencia de “presión de diseño” para las carcazas de
compresores centrífugos es la “presión máxima de trabajo de la carcaza” la cual está definida por la norma API 617 como la máxima presión que pueda existir en el compresor bajo las condiciones más severas de operación. Esta presión es determinada, añadiéndole a la máxima presión de succión que se pueda registrar, la presión diferencial que el compresor está en capacidad de desarrollar en el sistema cuando está operando a las condiciones combinadas más severas. Al establecer el máximo requerimiento de presión de trabajo de la carcaza se deberá tomar en consideración las variaciones en peso molecular, forma de la curva característica de cabezal–capacidad, caballos de potencia del elemento motriz y rango de velocidad, presión de succión y variaciones de temperatura. Normalmente se desea, una válvula de seguridad en la descarga del compresor, calibrada a una presión menor que la máxima presión de descarga posible, a fin de limitar la presión a la cual podría exponerse a la tubería y los equipos corriente abajo. Cuando no se incluye esta válvula de seguridad, el circuito de descarga tiene que ser adecuado para soportar la presión de descarga máxima que se puede generar bajo cualquier circunstancia posible. Cuando por el contrario se incluye su calibración, pasa a ser, la máxima presión de trabajo de la carcaza del compresor. La presión interna máxima para la cual es adecuada la carcaza, sin considerar las condiciones actuales de trabajo o requerimientos, está definida por la norma API 617 como la “presión máxima de diseño de la carcaza”. Este valor
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Consideraciones Especiales de Presión de Diseño
1. Materiales Para la Carcaza – Deberán usarse materiales de bajo costo. El
hierro fundido no deberá usarse por encima de los 1725 KPa man. (250 Psig) para aire o gases no inflamables, o por encima de 525 KPa man. (75 Psig) para tóxicos o inflamables.
2. Protección de Equipos Corriente Abajo – Un soplador de aire en una
planta de craqueo catalítico, puede tener una válvula de seguridad a la descarga, para proteger al regenerador de la presión máxima que un compresor pudiera imponer, a máxima temperatura ambiente. Esta puede ser considerablemente más baja que los 525 KPa man. (75 Psig) de presión de diseño de la carcaza, impuesta por el material de hierro colado. Las válvulas de seguridad en los compresores del termoreactor son calibradas a 175 KPa man. (25 Psig) sobre la presión de descarga obtenida con máximo peso molecular del gas y una presión de succión normal.
3. Carcaza Dividida Horizontalmente – Esta carcaza está restringida a la
presión máxima de 2400 KPa man. (350 Psig) cuando el peso molecular está por debajo de 10 (según norma API 617), como es el caso de una mezcla gaseosa rica en hidrógeno. Una válvula de seguridad calibrada a 2400 KPa man. (350 Psig) o por debajo para un gas de este tipo, podría eliminar la necesidad de construir una carcaza dividida verticalmente, la cual resulta más costosa.
4. Unidades de Carcaza Múltiple – La calibración de seguridad en la primera
carcaza puede llegar a 525 kPa man. (75 psig), cuando sean de hierro colado. Sin embargo, en un compresor de refrigeración usualmente se requieren materiales de baja temperatura (carbón muerto o acero al níquel) permitiendo de esta manera una mayor presión de calibración. Esto evitará la pérdida de refrigerante cuando el compresor sea parado de repente, o durante un período de parada larga cuando el refrigerante líquido continue evaporándose en los enfriadores y en el tambor de vaporización instantánea a baja presión.
5. General – Las válvulas de seguridad entre etapas y a la descarga,
proporcionadas para reducir costos del compresor y de los equipos entre etapas y corriente abajo, deberán ser calibradas lo suficientemente altas, de tal manera que aquéllas abran solamente durante condiciones de emergencia o condiciones anormales.
Temperatura de Diseño – La máxima temperatura de trabajo de la carcaza del
compresor (equivalente a la temperatura de diseño) deberá ser la temperatura de descarga máxima, anticipada dentro del rango especificado de operación, e incluyendo un margen adecuado de 30°C (50°F). Los factores que pueden elevar la temperatura de descarga sobre su nivel normal son: temperatura alta a la
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ejemplo, debido a velocidad máxima, alto peso molecular) ensuciamiento del compresor, e inter–enfriadores defectuosos. Las temperaturas mayores que se podrían generar, debido a la pérdida completa de agua de enfriamiento en los inter–enfriadores forzarían a una parada del compresor y en consecuencia no deberán considerarse al fijar la temperatura de diseño. Las especificaciones de diseño deberán incluir una temperatura de diseño para cada carcaza del compresor. Para una operación por debajo de los 15° C (60°F) se deberá especificar una temperatura mínima de diseño, de tal manera que los materiales del compresor sean seleccionados con propiedades adecuadas para el impacto.
Compresores Axiales
Las guías anteriores también son aplicables a compresores axiales. Sin embargo, debido a que la experiencia de aplicación es limitada, deben consultarse especialistas en maquinarias y seguridad.
Compresores Reciprocantes
Presión de Diseño – Los clientes industriales prefieren el término “presión de
trabajo máxima permisible” que “presión de diseño” para los compresores reciprocantes. La especificación de ingeniería–PDVSA–MID–GB–201–R
requiere que la presión de trabajo máxima permisible de cada cilindro exceda la presión de descarga nominal por lo menos en un 10% ó 175 KPa (25 Psi) lo que resulte mayor. Ya que la “presión de descarga nominal” es la condición de servicio más alta especificada, la Especificación de Diseño sólo necesitará confirmar que la mayor presión de descarga deberá considerarse “nominal”, y que la presión de trabajo máxima permisible debe estar de acuerdo a la especificación de ingeniería PDVSA–MID–GB–201–R, la cual cubre cilindros de etapa intermedia, así como también la etapa de presión más alta.
Temperatura de Diseño – Los clientes industriales prefieren el término
“temperatura máxima permisible” que “temperatura diseño” para compresores reciprocantes. Sin embargo, ya que la “temperatura máxima permisible” es especificada por el suplidor como una limitación mecánica del modelo particular de máquina, la especificación de diseño deberá incluir la temperatura máxima permisible, la cual se fija por lo menos 14°C (25°F) por encima de la “temperatura nominal de descarga”. Para establecer valores de temperatura de diseño para tuberías de descarga y diseño de equipos coriente abajo, aplique la suposición convencional de compresión isentrópica a las condiciones de operación más severas, y añada el margen especificado. Ver las Prácticas de Diseño (versión 1986) Subsección 11–H para un resumen de las condiciones que tienden a que la temperatura de descarga actual sea diferente del estimado isentrópico.
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norma API 617 es invocada por la especificación de ingeniería PDVSA–MID–GB–201–R. Sin embargo, debido a que el compresor rotativo es un mecanismo de desplazamiento positivo, el valor deberá ser seleccionado de la misma manera como para los reciprocantes; o sea, 10% sobre la presión normal de descarga o 175 KPa (25 Psi), el que resulte mayor.
Temperatura de Diseño – La temperatura de diseño para compresores rotativos
se define formalmente de la misma forma que para los compresores centrífugos, y deberá ser calculada como la temperatura de descarga estimada a la temperatura de entrada máxima, presión normal de entrada, y la presión de calibración de la válvula de seguridad a la descarga, más un margen nominal de 14°C (25°F).
Calibración de las Bridas de Tuberías
La especificación de Diseño de los Servicios de Compresión deberán indicar las presiones y temperaturas de diseño de las tuberias conectadas, la calibración de las bridas, y los revestimientos y dimensiones de las líneas de entrada y descarga.