Minimizando las emisiones con válvulas de seguridad operadas por piloto
Noviembre 5, 2025
Jason Knudson de Baker Hughes Valves USA, analiza cómo las válvulas de seguridad y alivio de presión operadas por piloto sirven como solución para la reducción de emisiones en las plantas industriales.
El término “cero neto” (“Net Zero”) ha ganado reconocimiento en la última década y se refiere a cuando las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) producidas se compensan con las eliminadas de la atmósfera. Muchos países tienen como objetivo reducir las emisiones de GEI para 2050, pero se enfrentan a retos a la hora de abordar los procesos industriales y las emisiones. Según la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de EEUU, las instalaciones industriales representan el 30 % del total de las emisiones de GEI en muchos países, lo que ha llevado a una regulación cada vez más estricta de las emisiones. Por ello, los gobiernos de todo el mundo están aplicando regulaciones más estrictas en materia de emisiones en diversas industrias.
Por ejemplo, la Unión Europea ha establecido objetivos ambiciosos para reducir las emisiones de GEI y ha introducido regulaciones como la Directiva sobre emisiones industriales. En EE. UU., la EPA ha introducido regulaciones más estrictas en materia de emisiones para las plantas industriales, los vehículos y otras fuentes.
Normativas sobre quema de gases y el papel de los dispositivos de alivio de presión (PRDs)
La quema de gases en las refinerías se observa con frecuencia como emisiones a la vista del público, lo que la convierte en objeto de normativas. La quema es una práctica habitual en la industria del petróleo y gas, pero no es necesariamente la mayor fuente de emisiones de GEI en las plantas industriales, ya que no todos los fluidos que se queman se convierten en contaminantes atmosféricos. Según el Instituto Americano de Ingenieros Químicos, la quema rutinaria es uno de los procesos más fáciles de reducir en comparación con otras fuentes industriales. La mayoría de las refinerías están tomando medidas para reducir las emisiones de forma voluntaria, en parte como respuesta a la percepción pública y a las normativas, pero también a nivel interno para cumplir sus objetivos de sostenibilidad y producción. La última normativa de la EPA sobre límites de emisiones y quema de gases tiene como objetivo reducir los contaminantes atmosféricos nocivos liberados por las antorchas industriales. La nueva normativa exige a las refinerías que limiten la cantidad de gases que queman y reduzcan la cantidad de emisiones liberadas durante los procesos de quema.
Figura 1. Rendimiento de los dispositivos de alivio de presión (PRD) -antes, durante y después de un evento de alivio- por tipo.
Las antorchas y otros dispositivos de control deben lograr una reducción de al menos el 95 % en las emisiones de metano y compuestos orgánicos volátiles. La norma también exige que las instalaciones supervisen y comuniquen sus emisiones a la EPA, lo que ayudará a la agencia a hacer cumplir la normativa y garantizar su cumplimiento. Esta normativa supone un importante paso adelante en la reducción de emisiones, ya que obliga a las empresas industriales a adoptar prácticas más sostenibles.
Para cumplir con estas nuevas regulaciones y mejorar la percepción de la quema de gases, las refinerías están integrando medidas de seguridad y tecnologías adicionales para minimizar la quema. Los eventos de quema rutinarios pueden ser capturados por un sistema de recuperación de antorchas; sin embargo, estos sistemas no suelen estar diseñados para gestionar condiciones de emergencia impredecibles que suelen ser el resultado de la apertura de dispositivos de alivio de presión (PRD), como válvulas de seguridad y alivio (SRV), discos de ruptura y válvulas de control. Cuando surgen situaciones imprevistas, los diseñadores de sistemas de alivio de presión y los operadores de las plantas confían en la quema para mitigar condiciones inseguras, como la sobrepresurización más allá de los límites de diseño de las tuberías, bridas y recipientes. Los PRD son componentes críticos en las refinerías que ayudan a evitar que los equipos se sobrepresuricen y provoquen accidentes potencialmente catastróficos, como explosiones, incendios y otros riesgos para la seguridad.
Figura 2. Quema típica de gases en una refinería.
Si bien los PRD son esenciales para mantener condiciones de funcionamiento seguras en las refinerías, también contribuyen al sistema de colectores de antorchas, lo que entra en conflicto con las directivas de reducción de emisiones y antorchas. Las antorchas de emergencia debido a un evento de alivio son difíciles de predecir y, por lo general, cuando los PRD se abren, liberan grandes cantidades de producto, dependiendo de su tamaño y características de flujo.
A pesar de estos desafíos, los PRD son un “mal necesario” para prevenir accidentes y garantizar la seguridad de los trabajadores y el área circundante. A la hora de evaluar el impacto de los PRD en la quema, los diseñadores de sistemas de alivio de presión y los operadores de plantas tendrán en cuenta varios tipos de PRD que se adapten a sus aplicaciones específicas, ya que los PRD tienen más de un diseño y cada uno tiene características únicas. Prevenir las fugas y limitar la duración y el flujo de estos dispositivos es una prioridad máxima para los operadores de plantas en refinerías, ya que está relacionado con la reducción de emisiones en caso de alivio a las antorchas.
Comparación de Dispositivos de Alivio de Presión (PRD)
Los discos de ruptura, las válvulas de alivio con resorte (SRV) y las válvulas de seguridad y alivio de presión operadas por piloto son todos PRD esenciales utilizados en diversas aplicaciones industriales para proteger equipos y al personal frente a eventos de sobrepresión. Cada tipo de PRD posee características y funcionalidades únicas, lo que los hace adecuados para distintas condiciones de operación y de proceso.
Los discos de ruptura son PRD no rearmables diseñados para romperse a una presión predeterminada, brindando protección instantánea contra sobrepresión. Están diseñados para operar de forma óptima en condiciones normales, sin fugas hacia el sistema de venteo antes de alcanzar la presión de ruptura o de calibración. Los discos de ruptura presentan un alto coeficiente de descarga y alcanzan el caudal nominal completo inmediatamente después de abrirse, gracias a sus características de flujo. A diferencia de otros PRD, los conceptos de presión de rearme o “blowdown” no aplican, ya que el disco se destruye y no existe un mecanismo para rearmarlo. El flujo o la fuga continuará hasta que se detenga el proceso y el disco sea reemplazado.
Por otro lado, las SRV con resorte son PRD rearmables que utilizan un resorte para contrarrestar la fuerza de la presión de entrada sobre el asiento de la válvula. Por lo general, permanecen herméticas hasta aproximadamente el 90 % de la presión de calibración en válvulas con asiento metálico, y hasta el 95 % en válvulas con asiento blando. Al alcanzar la presión de calibración, las SRV con resorte típicamente logran una apertura (lift) del 50–70 %, liberando la mayor parte de su capacidad nominal sin requerir sobrepresión adicional. El “blowdown” de estas válvulas depende del fluido de alivio y del trim seleccionado, y puede variar entre el 5 % y el 25 % de la presión de calibración.
Figura 3. Curva de fuerza de asiento de una válvula de seguridad y alivio (SRV) operada por piloto.
En algunos casos, instalar un disco de ruptura en la entrada de una SRV con resorte puede ser una solución viable para garantizar estabilidad en el proceso y mitigar fugas asociadas a este tipo de válvulas. Sin embargo, no siempre resulta ideal detener el proceso para reemplazar discos de ruptura.
Las SRV operadas por piloto son otro tipo de PRD rearmable que utiliza una válvula piloto para cargar presión en la cúpula del cuerpo principal, manteniendo el asiento hermético hasta alcanzar la presión de calibración. Normalmente, se mantienen herméticas entre el 95 % y el 99 % de la presión de calibración. Existen dos tipos de piloto:
- Acción instantánea (pop-action): el cuerpo principal alcanza apertura total y caudal nominal al llegar a la presión de calibración.
- Modulante: la apertura es proporcional a la demanda de alivio, entregando solo el caudal necesario.
El “blowdown” típico de las SRV operadas por piloto se encuentra entre el 2 % y el 10 % de la presión de calibración. Estas válvulas ofrecen una mejor capacidad para evitar fugas y controlar el caudal antes, durante y después de un evento de alivio, comparadas con otros PRD. Aunque no son aplicables a todos los procesos, su uso como alternativa a las SRV convencionales con resorte merece consideración por sus ventajas en reducción de pérdidas al sistema de venteo.
Figura 4. Las SRV operadas por piloto de la Serie Consolidated 3900 pueden mejorar la eficiencia operativa en aplicaciones donde se requiere controlar altas presiones y contrapresión.
Maximizar la eficiencia operativa
Las SRV operadas por piloto han sido tradicionalmente la solución óptima en refinerías para mejorar la eficiencia operativa, y hoy en día se emplean estratégicamente en aplicaciones con alta presión de operación, pérdida de carga en la línea de entrada o contrapresión significativa. Sus principales ventajas para reducir pérdidas de proceso y emisiones incluyen:
1. Ausencia de fugas en la válvula principal
Evitar fugas en el asiento durante operación normal es esencial para minimizar pérdidas innecesarias al venteo. A diferencia de las SRV con resorte, la fuerza de cierre en una SRV operada por piloto aumenta junto con la presión del sistema, llegando hasta el 100 % de la presión de calibración, eliminando fugas y pérdidas. Suelen incorporar asientos blandos y se prueban según API 527 para cero fugas a 90 % de la presión de calibración (muchos fabricantes prueban hasta 96 %).
2. Venting controlado del piloto
El piloto regula la presión en la cúpula de la válvula principal. En los pilotos de acción instantánea, no hay venteo hasta el 100 % de la presión de calibración, optimizando la estanqueidad. Sin embargo, permiten apertura total durante el alivio, lo que puede no ser ideal para minimizar pérdidas. Los pilotos modulantes ofrecen un mejor control de pérdidas, ya que abren progresivamente, descargando solo lo necesario.
En diseños modulantes tradicionales, el piloto entra en una “zona nula” alrededor del 95 % de la presión de calibración, iniciando venteo antes de alcanzar el set point. Alternativas como moduladores adicionales o pilotos que ingresan a la zona nula por encima del 95 % evitan fugas prematuras.
3. Caudal modulante
La modulación del caudal durante un evento de alivio es clave para cumplir con regulaciones ambientales y minimizar el venteo. El piloto modulante abre y cierra en función de la presión aguas arriba, entregando solo la capacidad necesaria, reduciendo ruido y evitando ciclos inestables.
4. Blowdown reducido
Tras un evento de alivio, las SRV operadas por piloto pueden rearmar la válvula principal muy cerca de la presión de calibración, con blowdowns ajustables tan bajos como 2 %, evitando pérdidas prolongadas y ayudando a estabilizar la presión del sistema.
Figura 5. Curva de apertura (lift) de una SRV operada por piloto.
Optimización de eficiencia y ahorro de costos
Las SRV operadas por piloto son una solución práctica para diseñadores y operadores que buscan cumplir nuevas normativas de emisiones y venteo. Al evitar fugas, regular el caudal y reducir emisiones, pueden prevenir multas regulatorias (del orden de cientos de miles de dólares por evento) y reducir pérdidas de producto (decenas de miles por evento), mejorando la rentabilidad.
La transición desde una SRV con resorte a una SRV operada por piloto implica considerar el costo del equipo y modificaciones de tubería. El uso de modelos de brida completa (full-nozzle) con dimensiones equivalentes a las SRV API 526 puede eliminar cambios de cañería, reduciendo costos y acelerando la instalación. Cualquier modificación debe gestionarse bajo un proceso formal de MOC (Management of Change).
En conclusión, la tendencia global hacia emisiones netas cero ha llevado a regulaciones más estrictas sobre venteo y emisiones. Entre los PRD, las SRV operadas por piloto se destacan como una solución eficaz para minimizar pérdidas de proceso y emisiones, ofreciendo beneficios técnicos y económicos para las plantas industriales.
Fuente: Baker Hughes
Autor: Jason Knudson - Baker Hughes Valves USA
Publicado en: HYDROCARBON ENGINEERING, mayo 2025
