Automatización Manual de válvulas: análisis técnico de retromontaje
Resumen: De acuerdo con con las regulaciones emitidas por el Ministerio de Gestión de Emergencias, todas las tuberías de entrada y salida conectadas a grandes tanques operativos de almacenamiento de petróleo y gas deben estar equipadas con con válvulas de cierre de emergencia. Para mitigar los riesgos de seguridad asociados a con las válvulas en los tanques de almacenamiento de petróleo crudo en una terminal terrestre de CNOOC, se modernizaron nueve válvulas manuales con actuadores neumáticos, convirtiéndolos en válvulas de cierre de emergencia. Después de evaluar las características del actuador, se seleccionaron actuadores neumáticos de doble acción para su instalación. Estos actuadores son adecuados para operar válvulas de gran diámetro, ofreciendo una respuesta rápida y un rendimiento confiable en condiciones de operación duras. Las válvulas manuales se modernizaron con éxito con la funcionalidad de cierre de emergencia en línea, sin interrupción de la producción. Las pruebas confirmaron que las válvulas modificadas podían cerrar completamente las válvulas de entrada y salida de los tanques de almacenamiento de crudo en 50 segundos, satisfaciendo los requisitos del Ministerio de Gestión de Emergencias y mitigando eficazmente los posibles riesgos de seguridad. En las últimas dos o tres décadas, la industria petrolera marina de China ha crecido significativamente, marcada por la construcción de numerosas plataformas petrolíferas en alta mar. Después de la extracción, el petróleo de estas plataformas se somete a tratamientos iniciales de deshidratación y desgasificación en el sitio antes de ser transportado a través de tuberías submarinas a terminales en tierra para su posterior procesamiento. El crudo calificado se envía posteriormente a las refinerías aguas abajo. La mayoría de las plataformas y terminales en tierra fueron diseñadas originalmente para una vida útil de 20 años. Muchas instalaciones construidas en el siglo XX han llegado al final de su vida útil, lo que pone de manifiesto el envejecimiento de los equipos e infraestructuras petrolíferas en alta mar. Mitigar los riesgos ocultos planteados por equipos obsoletos se ha convertido en un problema acuciante en la industria petrolífera marina. Una planta de procesamiento de terminales de CNOOC opera tres tanques de almacenamiento de petróleo crudo de 50.000 m³ y dos tanques de 20.000 m³. Las válvulas de entrada y salida en la base de estos tanques son manuales Válvulas de compuerta de losa, Operable solo en el sitio y sin funcionalidad de apagado de emergencia. Esta configuración no cumple con con los requisitos básicos del Ministerio de Gestión de Emergencias para sistemas de cierre de emergencia para empresas de almacenamiento de petróleo y gas o con GB50074-2014, Código de diseño de almacenamiento de petróleo. De acuerdo con estas normas, todos los grandes tanques de almacenamiento atmosférico sobre el suelo (tanques con de un diámetro nominal ≥ 30 m o un volumen nominal ≥ 10.000 m³, excluyendo tanques criogénicos) deben estar equipados con con válvulas de cierre de emergencia en todas las tuberías de entrada y salida de materiales de proceso conectadas directamente a los tanques. Para mitigar los posibles riesgos de seguridad en el almacenamiento de petróleo crudo, se modernizaron nueve válvulas manuales de compuerta de losa en cinco tanques de almacenamiento con válvulas de cierre de emergencia. La tecnología para convertir válvulas manuales en funcionamiento neumático instalando actuadores neumáticos está bien establecida. Este artículo analiza las características de varios actuadores, identifica la opción más adecuada para reequipar válvulas de cierre de emergencia y asegura que las válvulas actualizadas cumplen con las regulaciones mientras mitigan efectivamente los riesgos de seguridad en el sitio.
Cinco válvulas de entrada y salida de tanques de almacenamiento de petróleo crudo en un terminal de CNOOC requirieron retroadaptación para incluir la función de apagado de emergencia. Los datos básicos se presentan en la Tabla 1.
Tabla 1. Datos básicos de tanques y válvulas de almacenamiento existentes
Ubicación | Volumen del tanque (m³) | Parámetros de la válvula | Cantidad (unidades) |
T-0101A / B | 20.000 | DN400 | 4 |
T-0202A | 50.000 | DN700 | 1 |
T-0201C / D | 50.000 | DN700 | 4 |
De acuerdo con los requisitos básicos del Ministerio de Gestión de Emergencias para los sistemas de cierre de emergencia en las empresas de almacenamiento de petróleo y gas, las válvulas de compuerta de losa manual deben ser reacondicionadas con una función de cierre de emergencia por fallas.
Las válvulas son típicamente automatizadas usando actuadores eléctricos o neumáticos. Las características principales de estos tipos de actuadores se resumen en la Tabla 2.
Tabla 2. Tipos y características de los actuadores de válvulas
Tipo | Aplicaciones típicas | Idoneidad ambiental | Características principales |
Neumático | Movimiento alternativo lineal; diseño simple | Ideal para entornos hostiles, inflamables o de alta temperatura | Control de movimiento simple, respuesta rápida, altamente confiable en condiciones difíciles |
Eléctrico | Movimiento giratorio u oscilante; diseño compacto | Requiere soporte eléctrico significativo; sensible a condiciones duras | Control multipunto de alta precisión; menos robusto en entornos extremos |
Dado que la modificación apunta a las válvulas de entrada y salida de los tanques de almacenamiento de petróleo crudo, que deben convertirse en válvulas de cierre de emergencia de cierre de fallas, no es necesario un control de alta precisión. Teniendo en cuenta las condiciones reales del sitio y los requisitos reglamentarios, se eligieron actuadores neumáticos para la automatización de válvulas.
Los actuadores neumáticos para válvulas generalmente se clasifican en dos tipos: de acción simple y de acción doble. Sus estructuras y características primarias se resumen en la Tabla 3.
Tabla 3. Tipos y características de actuadores neumáticos
Tipo | Estructura y principio de funcionamiento | Características |
Resorte de una sola acción | Consiste en un cilindro, pistón, vástago de pistón y un resorte de retorno. Cuando entra aire comprimido en el cilindro, el pistón se mueve, impulsando el vástago del pistón para realizar la acción de empujar (o tirar). Cuando se detiene el suministro de aire, el resorte de retorno devuelve el pistón y el vástago del pistón a sus posiciones originales. | Un resorte de retorno está instalado en un extremo del cilindro. En ciertos casos, la durabilidad y confiabilidad del resorte pueden influir en el rendimiento general del actuador.
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Doble actuación | Consiste en un cilindro, pistón y vástago de pistón, sin un resorte de retorno. Las entradas de aire se proporcionan en ambos extremos del cilindro. El suministro de aire a un extremo mientras se ventila el otro permite el movimiento bidireccional.
| Permite el control de movimiento bidireccional y proporciona una alta flexibilidad. Su alta fuerza de salida, sin restricciones por un resorte, lo hace adecuado para grandes golpes y cargas pesadas. La velocidad de movimiento y la longitud de la carrera se pueden ajustar controlando la presión de suministro de aire y el caudal. |
Dado que el actuador está instalado en las válvulas inferiores de los tanques de almacenamiento de petróleo crudo -válvulas grandes que requieren un par elevado - se seleccionó un actuador neumático de doble acción en función de las condiciones reales de funcionamiento y los datos resumidos anteriormente. En comparación con con los actuadores de resorte de acción simple, los actuadores neumáticos de doble acción equipados con con depósitos de aire ofrecen un par de salida más alto, gestionando fácilmente la apertura y el cierre de válvulas de gran diámetro. También proporcionan una respuesta rápida y una alta precisión de posicionamiento. En cambio, los actuadores de acción simple dependen de resortes, que pueden perder elasticidad con el tiempo, lo que puede evitar que la válvula se cierre en caso de mal funcionamiento.
Tomando como ejemplo una válvula DN700 equipada con con un actuador neumático, el volumen del tanque de gas se puede calcular usando la ley de Boyle:
Dónde:
D = diámetro del cilindro del actuador neumático, 6,5 dm
L = carrera del actuador, 7,3 dm
N = número de actuaciones después de que el tanque de aire se agota, 2
B = presión mínima de aire del cilindro requerida, 0,7 MPa
C = presión de arranque del compresor de aire, 0,4 MPa
V = volumen requerido del tanque de gas
La sustitución de estos valores en la fórmula da V = 645,96 L. Aplicando un factor de seguridad de 1,5, el volumen final requerido del tanque de gas es 968,94 L. En consecuencia, se seleccionó un tanque de gas de 1000 L para el actuador neumático instalado en la válvula DN700. El tanque de gas asegura que el actuador pueda mantener la posición de la válvula en caso de una falla en el suministro de gas, mejorando así la confiabilidad y seguridad del sistema.
Preparación de la válvula y transporte del actuador: identifique la ubicación de actualización y entregue el actuador neumático correspondiente al lugar de instalación. Antes de la instalación, asegúrese de que el tanque no esté en servicio para su recolección o transporte. Ajuste la válvula de compuerta plana manual existente a la posición completamente abierta o completamente cerrada para garantizar un funcionamiento adecuado una vez instalado el actuador. Esto asegura que la válvula pueda abrirse y cerrarse completamente cuando el actuador alcance su posición límite. Extracción del reductor: Como se muestra en la Figura 1, una vez completados los preparativos anteriores, retire el mecanismo del volante de la válvula de compuerta plana manual existente. Con una llave, retire los ocho pernos que sujetan el reductor, luego levántelo con cuidado y déjelo a un lado. Asegúrese de que haya protección contra el polvo para evitar la contaminación del cuerpo de la válvula. Finalmente, retire la junta entre el reductor y la válvula original.
Figura 1. Eliminación del reductor
Instalación del Actuador Neumático: Como se muestra en la Figura 2, coloque la nueva junta en el asiento de la válvula. Levante el actuador neumático por encima de la válvula, luego alinee el eje principal con el tornillo conductor. Conecte el soporte del actuador al soporte fijo, asegurando una conexión firme y segura. Durante la instalación, apriete los pernos o tuercas de manera uniforme en un patrón entrelazado para evitar una tensión excesiva.
Figura 2: Instalación del Actuador Neumático
Conexión de tubería de gas: como se muestra en la Figura 3, instale la tubería en el sitio de acuerdo con el diseño, asegurándose de que todas las conexiones estén correctamente selladas. Conecte la fuente de aire principal, la fuente de aire de señal y el panel de instrumentos del actuador como se muestra en la Figura 4. La entrada de la fuente de aire, ubicada fuera de la ataguía, se divide en dos caminos, como se ilustra en la Figura 5. Un camino pasa a través de una válvula de retención hacia el tanque de almacenamiento de gas, proporcionando gas de accionamiento y señal. Desde el tanque de almacenamiento de gas, el gas fluye a través de una válvula reductora de presión de filtro y luego una válvula de control neumática, que alimenta el cilindro del actuador neumático. Después de la válvula reductora de presión de filtro, la línea de gas se conecta a una t, luego a una válvula solenoide, una válvula de bloqueo y finalmente la válvula de control de gas, que regula la apertura y cierre del actuador. En condiciones normales, la válvula solenoide permanece abierta, lo que permite que el gas fluya hacia la válvula de bloqueo y mantenga la válvula en posición abierta. Las señales eléctricas remotas controlan la válvula solenoide, que a su vez regula el flujo de gas a la válvula de bloqueo. Cuando el flujo a la válvula de bloqueo está bloqueado, la válvula se cierra. Otra fuente de gas funciona como gas de señal (Figura 6). Pasa a través de una válvula manual fuera de la ataguía, luego a través de un tapón fusible y finalmente entra en la válvula de bloqueo. Esta configuración permite al personal controlar manualmente el actuador neumático regulando el flujo de gas a la válvula de bloqueo. El tapón fusible corta el flujo de gas a la válvula de bloqueo en caso de altas temperaturas o incendio, lo que permite el cierre de emergencia de la válvula del tanque de almacenamiento de petróleo crudo.
Figura 3: Diseño del Circuito de Aire
Figura 4: Diagrama de conexión de la fuente de aire
Figura 5: Diagrama De Ruta Del Tanque De Gasolina
Conexión de cables: conecte los cables de control y señal siguiendo el diagrama de cableado eléctrico del actuador y verifique la resistencia del aislamiento para garantizar una instalación correcta y segura. Conecte los dos cables que salen de la caja de conexiones a prueba de explosiones del actuador: el cable de señal de posición de la válvula y el cable de control de la válvula solenoide, al sistema de control central, asegurando conexiones seguras y correctas. Asegúrese de que todas las conexiones estén seguras para evitar fallas causadas por cableado suelto o incorrecto.
Verificación funcional: antes de suministrar aire, realice una prueba funcional del actuador para asegurarse de que funcione sin problemas sin pegarse o ruidos anormales.
Puesta en marcha y aceptación: durante la puesta en marcha, observe atentamente el funcionamiento del actuador neumático y las señales de retroalimentación. Pruebe la función de cierre automático de la válvula utilizando tanto la válvula manual como la válvula solenoide remota desde el sistema de control central. El tiempo total desde completamente abierto hasta completamente cerrado fue de 50 segundos, cumpliendo con los "Requisitos básicos para sistemas de cierre de emergencia en empresas de almacenamiento de petróleo y gas" del Ministerio de Gestión de Emergencias y demostrando la eficacia de la actualización.
Basado en el diagrama de circuito neumático mostrado en la Figura 3, el proceso de retroadaptación de la válvula es el siguiente:
Funcionamiento normal: cuando la válvula solenoide está energizada, se abre, lo que permite que el aire fluya a través de la válvula de enganche, que luego indica que la válvula controlada por aire se abra. Cuando la válvula solenoide pierde energía, cambia y la válvula de enganche indica a la válvula controlada por aire que se cierre.
Fallo Eléctrico: En caso de un fallo eléctrico, la válvula solenoide pierde potencia, la válvula de enganche recibe una señal y la válvula se cierra automáticamente.
Falla de gas: si se produce una falla en el suministro de gas, la válvula de enganche recibe una señal de pérdida de gas, lo que hace que la válvula se cierre.
Evento de fuego: si las altas temperaturas activan el tapón fusible, envía una señal de pérdida de gas a la válvula de enganche, lo que hace que la válvula se cierre.
Cierre manual de emergencia: abrir la válvula manual envía una señal de pérdida de gas a la válvula de enganche, lo que hace que la válvula se cierre.
En resumen, reequipar la válvula manual con un actuador neumático para crear una válvula de cierre de emergencia cumple con los "Requisitos básicos para sistemas de cierre de emergencia en empresas de almacenamiento de petróleo y gas" del Ministerio de Gestión de Emergencias. El actuador neumático debe ser del tipo de cierre por fallas (FC).
La válvula fue adaptada in situ con un actuador neumático, transformándolo en una válvula automática y permitiendo la operación automatizada. Este estudio analizó las características del actuador e implementó una adaptación neumática en la válvula manual existente, otorgándole capacidad de cierre de emergencia. Se sacaron las siguientes conclusiones:
- Después de comparar actuadores eléctricos y neumáticos, se eligió un actuador neumático de doble acción por su idoneidad para válvulas de gran diámetro, respuesta rápida y rendimiento confiable en condiciones de operación difíciles.
- El actuador neumático de doble acción se adaptó a la válvula manual en línea, evitando el tiempo de inactividad de la producción. Una vez que se conectaron la tubería de aire y el cableado eléctrico, la válvula del tanque de almacenamiento de petróleo crudo obtuvo una funcionalidad de apagado de emergencia completa.
- Las pruebas posteriores a la instalación confirmaron que la válvula logró un cierre de emergencia en 50 segundos, lo que mitigó eficazmente el peligro potencial para la seguridad.
