HOJA DE DATOS ORIFICIO DE RESTRICCIÓN

Pulse en el siguiente link para acceder a la hoja de datos usada en este artículo: 

"Acceder a ejemplo de hoja de datos para un orificio de restricción" 

Un orificio de restricción, es una restricción fija capaz de generar una caída de presión que limitará el caudal de paso de un fluido a través de una tubería.

Normalmente consiste simplemente en un trozo de chapa con un agujero.

El alcance de estos equipos están a caballo entre el departamento de tuberías y el departamento instrumentación. Dependiendo de las circunstancias del proyecto lo podrían gestionar uno u otro departamento, pero en todo caso, la selección adecuada de estos equipos requieren de:

1º- Calcular el tamaño del orificio necesario para limitar adecuadamente el paso del caudal.

2º- Determinar si el elemento mecánico definido es capaz de absorber la energía retenida con la caída de presión generada (soportando o evitando fenómenos como la cavitación o el flashing).

3º- Establecer el tipo de orifico, materiales y forma, que se adapte adecuadamente a los requisitos del proyecto y a la aplicación.

Nota: No hay que confundir una "placa de orificio" (utilizada para medir caudal), con un "orificio de restricción" (utilizado para limitar el paso de caudal). Aunque el equipo sea el mismo o similar (una chapa con un agujero), las hojas de datos de cada uno de estos equipos son diferentes y habrá distintas consideraciones a tener en cuenta en cada uno.

A continuación a modo de ejemplo, se expondrá como se podría completar los campos de una hoja de datos, para un "orificio de restricción":

1. ENCABEZADO

Al igual que la mayoría de documentos que forman parte de cualquier proyecto, habrá un encabezado donde se indica el nombre del documento.

En este ejemplo: "HOJA DE DATOS ORIFICIOS DE RESTRICCIÓN"

A la izquierda de este encabezado podemos ver un logotipo (en este caso es el logo del blog). Es muy habitual que se introduzca en cada hoja, los logotipos de las empresas que están colaborando en el proyecto.

Un consejo es tratar de no incluir ninguna imagen (como la de este ejemplo) en cada hoja de datos. Si se desea hacer mención a alguna empresa, lo mejor sería escribir simplemente su nombre.

Cuando tengamos que gestionar miles de hojas de datos, las imágenes insertadas en archivos tipo "Excel", pueden suponer que los archivos se vuelvan excesivamente lentos y pesados. Por ello aconsejamos, limitar los logotipos de las empresas a las portadas de los documentos y no en cada hoja.

Esto que parece un detalle sin importancia, puede suponer un considerable ahorro de horas (dinero) durante el desarrollo de la documentación de un proyecto.

2. INFORMACIÓN GENERAL

2.1. Proyecto

Podemos comenzar la hoja de datos indicando el nombre del proyecto.

En este ejemplo: "Planta de tratamiento de agua"

2.2. Cliente

En este ejemplo: "InstrumentacionHoy"

2.3. Tag

El "TAG", es el nombre del equipo.

Este orificio de restricción se llama: "152-FO-001". Este código no se repetirá para ningún otro equipo del proyecto.

Normalmente todo proyecto industrial tiene un documento donde se define el sistema de codificación de  cada instrumento y equipo.

Aunque cada proyecto tiene sus peculiaridades, hay dos sistemas muy utilizados; el sistema de codificación basado en los estándar ISA y el sistema KKS. Este último (KKS) es utilizado casi exclusivamente en plantas de energía.

Nuestro ejemplo "152-FO-001" es una codificación basada en el estándar ISA. ("152" es el nombre asignado a la unidad o proyecto que estamos realizando, "FO" indica que el equipo es un "Flow Orifice", "001" es número consecutivo.

2.4. Servicio

En este campo se describe brevemente el equipo.

En este ejemplo: "Recirculación caudal mínimo bombas agua demi."

En este ejemplo este orificio de restricción tenía la función de asegurar una recirculación mínima de caudal en la bomba de agua desmineralizada (como se puede ver en el siguiente P&ID).

Nota: El servicio de un equipo, puede ser uno de los campos que más complicaciones da a lo largo de todo el proyecto.

Primero, la ingeniería definirá unas descripciones, a lo largo del proyecto el cliente solicitará cambiarlas varias veces y finalmente los operadores de la planta le darán otra.

El cambiar las descripciones de los equipos supone un consumo de horas de ingeniería (además de otros costes directos asociados, como por ejemplo el tener que fabricar y remplazar las chapas identificativas de los equipos en obra).

Acordar con el cliente desde el principio del proyecto un criterio de descripción de equipos, señales y alarmas, supondrá un ahorro sustancial a lo largo de todo el proyecto (entre los campos a definir está delimitar adecuadamente el número de caracteres).

2.5. P&ID

En este ejemplo el nombre del P&ID es: "152-PID-001"

2.6. Equipo o línea

En este campo se indicará el nombre de la tubería donde está instalado el orficio: "1-WT-45455-1S5"

Para codificar las tuberías se tendrá que seguir el documento de codificación de líneas del proyecto.

En este ejemplo la línea se llama "1-WT-45455-1S5".

El primer dígito indican el tamaño de la tubería. En este caso " 1" " (una pulgada).

Las siguientes letras "WT" indican el tipo de fluido que circula por la tubería en este caso WT (water).

Los siguientes números "45455" son simplemente un número consecutivo.

Y los últimos caracteres indica la especificación de la tubería "1S5". Si vemos el documento del proyecto llamado especificación de tuberías podríamos conocer el material de la tubería, el rating, espesor, etc...

2.7. Clasificación del área

La clasificación de área nos indica si el equipo estará instalado en una zona clasificada con peligro de explosión o si por el contrario se encuentra en una zona segura.

Realmente para definir y comprar una placa de orificio, no le afecta en ninguna característica si está instalada en un área clasificada o no. Sin embargo siempre aconsejamos que en todos los equipos se indique correctamente si estarán instalados o no en una zona clasificada. De esta forma, si alguien tuviera que realizar una tarea de mantenimiento en este equipo, al estudiar la hoja sabrá si el equipo está en una zona clasificada o no y tendrá especial cuidado con las herramientas y el procedimiento que va a seguir para realizar las tareas de mantenimiento. 

2.8. Condiciones ambientales

Indicaremos las condiciones ambientales. Estos valores están normalmente definidos por el cliente en su especificación generales de diseño.

(Aunque las condiciones ambientales se deben completar en todas las hojas de datos de instrumentos, no tienen mucha relevancia en los orificios de restricción).

3. CARACTERÍSTICAS DE LA LÍNEA

En estos campos se detallará:

- El tamaño de la línea "1" " (una pulgada) si aplica ANSI, o en milímetros si la norma usada fuera DIN.

- Espesor. En este caso se define con el Schedule 80

- Especifición de la tubería "1C5". Esto es un código interno del proyecto con el que se puede comprobar las características principales de cada tipo de tubería.

(Ejemplo de parte de la especificación de materiales de un proyecto)

En este caso según dicha especificación podemos comprobar que se trata de una tubería de:

- Acero al carbono

- 150#

- Schedule 80

4. CONDICIONES DE PROCESO

Los datos de procesos como su propio nombre indica los suele introducir el departamento de procesos. No obstante cualquier Instrumentista que se aprecie debe poder distinguir si los datos son coherentes o no.

4.11 y 12. Fluido

Se puede empezar indicando algunas características generales del fluido que circulará por la tubería.

- Nombre del fluido: "Agua desmineralizada"

- Estado del fluido: "Líquido"

- Tóxico: "No" (La toxicidad nos alerta de cara realizar tareas de mantenimiento y puesta en marcha, teniendo especial cuidado en operaciones de drenajes y/o venteos).

- Corrosivo: "No" (Si el fluido fuera corrosivo la especificación de tuberías seleccionada habría tenido en cuenta esta característica y el materia de la tubería habría sido seleccionado considerando las propiedades corrosivas del fluido). 

Nota: Normalmente la especificación de materiales, nos va a orientar para proponer al fabricante un material de partida adecuado. No obstante en cuestión de materiales tanto en válvulas de control como en instrumentación de campo, siempre debemos estar dispuestos a escuchar a los suministradores, por si tiene alguna otra propuesta que consideremos adecuada.

- Erosivo: "No" (Si el fluido es erosivo, se podría valorar distintos diseño o materiales endurecidos)

- Tendencia a acumulación: "No" ( Si el fluido tiene tendencia a acumular se pueden valorar variaciones en el diseño del orificio. Como por ejemplo, no ubicar el orificio en el centro o en lugar de hacer un orificio redondo darle otras formas, como por ejemplo segmentado (similar a una sonrisa).

Si la tendencia a la acumulación es muy grande y hay a una elevada probabilidad de que se pueda obstruir el orificio, hay distintas alternativas que se pueden valorar, por ejemplo en algunas ocasiones se instalan válvulas de compuerta, con la compuerta agujereada.

Mientras la compuerta está abajo, funcionan como un orificio de restricción. Pero cuando el fluido se obstruye se puede subir la compuerta para desbloquear el tapón. 

4.13. Condiciones de diseño

En este caso se han establecido unas condiciones de máxima presión y máxima temperatura de diseño de "10 barg" y "300ºC" (esta información suele estar indicada en la lista de líneas del proyecto)

4.15, 16 y 17 Caudal, Presión entrada y Presión a la salida

La presión antes, la presión después y el caudal, son los datos más importantes que nos van ayudar a dimensionar el orificio de restricción.

Lo más habitual es que las presiones antes y después del orificio estén establecidas (por el proceso); y que tengamos que calcular el orificio necesario para pasar el caudal que deseemos.

Dimensionar el orificio para hacer pasar un determinado caudal, ante una determinada caída de presión, sólo se puede ajustar en un punto de funcionamiento. Esto no impide que el ingeniero de procesos, quiera incluir más condiciones de presión para que calculemos que caudal pasaría con el orificio seleccionado.

Pero en cualquier caso, si se establecen otros puntos de funcionamiento, el caudal en el resto de puntos no se puede completar hasta que no se haya calculado el orificio que necesitamos.

A continuación vamos a establecer los datos de proceso de nuestro ejemplo:

En el ejemplo disponemos de una bomba, que normalmente envía agua hacia el proceso, pero por si el proceso no requiere agua en algún momento, se instalará un orificio de restricción que asegure en todo momento que circula un caudal mínimo a través de la bomba.

En el siguiente dibujo se puede ver la curva de la bomba de nuestro ejemplo:

Da igual los equipos que conectemos en la tubería, la bomba siempre estará trabajando en unos de los puntos de su gráfica.

Como podemos ver en la gráfica cuando el caudal disminuye la presión aumenta.

El suministrador nos ha recomendado que diseñemos el proceso de forma que la bomba esté trabajando siempre por encima de un caudal mínimo para evitar que se acabe estropeando.

El caso en el que el proceso no demanda agua y todo el caudal mínimo de la bomba está circulando por el orificio de restricción, es digamos el caso más restrictivo de dimensionamiento. Por lo que será el caso que vamos a utilizar para dimensionar nuestro orificio de restricción. 

En este punto de caudal mínimo según la gráfica de la bomba estarían circulando 2465kg/h y la presión que daría la bomba sería 4,2kg/cm2.

Después del orificio de restricción tenemos la descarga al tanque atmosférico. No hay ningún otro elemento que pueda retener la presión del sistema, por lo cual si la bomba en el caudal mínimo de 2465kg/h, prácticamente toda esta presión tendrá que caer en nuestro orificio de restricción. En base a esto vamos a establecer la presión a la salida del orificio 0,1kg/cm2.

Nota: Entender este ejemplo que se acaba de explicar es el punto más importante para poder dimensionar un orificio de restricción, así que vamos a reflexionemos de nuevo sobre lo que acabamos de ver.

En este ejemplo da igual lo grande o pequeño que sea el orificio de restricción, la presión a la salida siempre será prácticamente la atmosférica y la presión que da la bomba caerá casi en su totalidad en nuestro orificio de restricción.

Como conclusiones recordar que: "En muchos casos instalando un orificio más o menos grande no podremos controlar las presiones antes y/o después. Muchas veces estos valores están impuesto por el propio proceso." (instalando un orificio más o menos grande, lograremos que pase más o menos caudal)

Entender este punto puede ayudar a cualquier instrumentista a detectar rápidamente si los datos de proceso que le han dado son correctos. 

Por ejemplo, en el último proyecto revisando por encima los datos de procesos  se veía que la caída de presión designadas en los orificios de restricción instalados en las recirculaciones de la bombas eran bastante pequeñas por debajo de 0,5 bar.

Si la bomba estaba dando hasta 5bar y en el  orificio sólo caían 0,5bar, ¿qué elemento retenía los 4,5bar restantes?... La respuesta era que todas los orificios estaban mal calculados.

Esto que parece una simple anécdota se repite mucho en todos los proyectos y principalmente es debido a que mucha gente mezcla "los orificios de restricción" con "las placas de orificio".

Aparentemente un orificio de restricción es el mismo equipo que una placa de orificio (una chapa con agujero). Pero su diseño y cálculo son completamente diferentes.

Un orificio de restricción se fabrica para retener presión y limitar el caudal, estos equipos provocan una caída presión permanente que puede llegar a ser bastante elevada (tanta como el proceso imponga).

Sin embargo un placa de orificio se instala para medir el caudal por presión diferencial, al instalar estos equipos se pretende provocar una mínima caída de presión permanente (tanta como el instrumentista necesite).

La presión que usamos para medir el caudal con una placa de orificio es la diferencia de presión justo después de la placa (lo que llamamos la vena contracta).

Gran parte de esta caída de presión se recupera poco después quedando sólo una mínima caída de presión permanente.

Normalmente los clientes suelen establecer que las placas de orificio instaladas no se les permitirá perder más caída de presión permanente de un determinado valor (por ejemplo 0,5 bar). Porque más caída de presión lo considerarían un derroche de energía.

A veces esto lo lee alguien mal informado y se acaba indicando en los datos de proceso que los orificios de restricción tienen una máxima caída de presión permanente de 0,5bar.

Pero: "Esto no aplica a los orificios de restricción esto sólo debe aplicar a las placas de orificio" (seguiremos hablando de placas de orificio en otro artículo) .

4.18, 19, 20  Temperatura, Densidad y Viscosidad

Se deben completar estos valores en la hoja de datos, para poder realizar un cálculo adecuado del tamaño del orificio.

5. CARACTERÍSTICAS DEL EQUIPO

5.21 Tipo de elemento de restricción

Algunos tipos pueden ser:

- Tipo "paddle" (es el más común).

- Tipo "hand type-ring joint (para bridas RTJ).

- Tipo "universal" (es el más simple, una chapa con forma redondeada  agujereada).

- Tipo "annular" (en este caso la restricción es un trozo de tubo).

- ...

5.22 Tipo de elemento de restricción

Según el tipo de orificio realizado. Puede ser:

- Tipo "bore and bevel" (Con biselado)

Este es el tipo más utilizado en placas de orificio. En orificios de restricción si el orificio es cuadrado o con biselado no  suele ser muy relevante (siempre que cumpla el estandar del cliente).

- Tipo "square" (cuadrado)

- Tipo "bore and counterbore" (Con dos tamaños de agujero)

Según la ubicación y forma del orificio realizado. 

- Tipo "concéntrico" (El agujero en el centro)

- Tipo "excéntrico" (El agujero no está en el centro)

Esto por ejemplo puede ser útiles cuando hay partículas sólidas en suspensión dentro del fluido. Al ubicar el agujero en una zona más baja, ayudaría a evitar acumulaciones de partículas pesadas.

- Tipo "segmentado"

Utilizados en fluidos que tienden a taponar los orificios normales.

-...

5.23 Conexión al proceso

Conexión al proceso: "Bridado RF"

En función del tipo de brida el orificio será diferente.

Lo más habitual es instalar orificios de restricción entre bridas "RF". En este caso, toda la superficie del orificio apoya solo entre los resaltes de cada brida. Como se puede ver en siguiente dibujo

Para la brida "FF", estas bridas no tienen resalte, toda la cara de la brida apoya contra la otra brida. Si se instala el orificio anterior, el propio orificio convencional provocaría un resalte que no permitirá que ambas bridas se aprieten convenientemente. Para evitar esto el orificio de se diseña de forma que apoye sobre toda la cara de la brida.

Y por último como se mencionó en el punto 5.21 (tipo de elemento), se especificará "hand type-ring joint para bridas RTJ.

5.24 Diámetro del orificio, Beta  y Espesor

Diámetro del agujero = 0,2802"

La Beta es el resultado de dividir el diámetro del agujero entre diámetro interior de la tubería .

En este caso: Beta =0,268 = Diámetro del agujero / diámetro interior de la tubería  = 0,2802" / 1,0455"

En placas orificio el cliente suele establecer unos valores límite de "beta". En orificios de restricción no hay una "Beta" límite, no obstante se aconseja que ara evitar taponamientos, el orificio mínimo debería ser 2mm.

Para cálculo del tamaño de agujero se pueden utilizar uno de los muchos programas que hay. Por ejemplo, la propia herramienta del Intools (smartplant). Pulsar este link para ver un ejemplo de cálculo a través del Intools. "Pulsar aquí"

5.24 Espesor

Se suele definir un espesor mínimo para todas las placas, en este ejemplo: "6mm".

Un mayor espesor puede ser requerido cuando el orificio tiene que soportar una gran caída de presión y/o va a pasar mucho caudal. También suele incrementarse el espesor cuando se produce cavitación o flaseo.

Alta presión diferencial, caudal, cavitación y flaseo, obliga al orificio a absorber una gran cantidad de energía que puede dañar progresivamente el orificio. Por ello aumentamos el espesor para aumentar la vida útil de estos equipos.

Si la cavitación o la caída de presión es muy severa, se puede instalar un "orificio multietapa" que permite una caída paulatina de presión evitando el punto de cavitación. 

Un orificio multietapa consiste en un tramo de tubería con varios orificios de restricción seguidos.

Construir un orificio multietapa es bastante más caro que un orifico de restricción, por lo que la primera opción es soportar la cavitación con un mayor espesor.

Por otro lado, si las condiciones de proceso causan flasing (paso del fluido a vapor), esto sería un fenómeno que no se podría evitar cambiando el diseño del equipo ya que será algo establecido por el proceso. En este caso si por ejemplo estamos hablando de la recirculación de caudal que desemboca en un tanque, se debe instalar el orificio lo más cerca posible de la descarga del tanque (incluso dentro del propio tanque si es posible), al hacer esto evitamos que el fluido flasee por toda la tubería.

En la siguiente imagen vemos un ejemplo de árbol de decisión utilizado por algunas ingenierías para estimar si el orificio requerirá de un espesor especial, o se debería utilizar directamente un multi-etapa.

5.25 Material, Venteo y/o drenaje

A la hora seleccionar el materia del orificio, el punto de partida será la especificación de materiales, en segundo lugar debemos tomar en consideración cualquier propuesta del fabricante.

En este caso aunque la línea sea de acero al carbono, se ha decidido instalar el orificio en acero inoxidable "316SS" (Como el acero inoxidable y acero al carbono no deben tocarse, en este caso habría poner juntas especiales entre la brida y el orificio y usar pernos y tuercas especiales, por ejemplo con pintura que aísle galvánicamente).

5.26. Estampación

El TAG suele grabarse en cada placa, aunque debemos indicar este requisito en la hoja de datos.

En este caso se ha indicado en el campo 27: "Si (Ver nota)1"

Se ha añadido la Nota1:"Estampación en el FO indicando el TAG. Incluir otra chapa de 316SS de 30x120mm indicando el TAG y el servicio (min.espesor 2mm)."

En todos los instrumentos del proyecto, los servicios suelen grabarse junto el TAG en una chapa identificativas (normalmente de acero inoxidable) que se cuelga con una cadena o un alambre.

Se recomienda establecer un formato para estas chapas desde el principio del proyecto (dimensiones, espesor, material, tipo y tamaño de letra, número de caracteres, cadena, etc).

En el caso concreto de las placas de orificio el servicio se podría grabar directamente en la propia placa o suministrar una chapa a parte (quizás sea mejor esta segunda opción, porque esto permitiría cambiar la descripción si la descripción tuviera algún error o no estuviera a gusto de todos, sin tener des-instalar o modificar el orificio de restricción).

6. NOTAS

7. CONTROL DEL DOCUMENTO

Nota: Este artículo sólo son un puñado de consideraciones que podrían ser de utilidad durante el desarrollo de las hojas de datos, como en todos los artículos de este blog, se aconseja cuestionarlo todo y buscar tus propias conclusiones. 

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Elaborado por: Julio.C Fernández Losa 15/07/2019 

Si tiene algo que corregir o añadir agradecería que me mandara sus comentarios a: 

InstrumentacionHoy@gmail.com