API 520: Dimensionamiento y selección de dispositivos de alivio de presión

El estándar API 520 constituye la referencia técnica fundamental para el dimensionamiento de válvulas de alivio de presión (PRV/PSV) en instalaciones industriales. Su correcta aplicación es crítica para garantizar la protección de equipos presurizados frente a escenarios de sobrepresión, evitando tanto fallas catastróficas como diseños innecesariamente conservadores.

Esta norma abarca los métodos de instalación de dispositivos de alivio de presión (PRD) para equipos que tienen una presión máxima de trabajo permitida (MAWP) de 15 psig (1,03 barg o 103 kPAg) o superior.

Las válvulas de alivio de presión (PRV) o los discos de ruptura (RD) pueden utilizarse de forma independiente o combinados entre sí para proporcionar la protección adecuada contra la excesiva acumulación de presión. Tal y como se utiliza en esta norma, el término “válvula de alivio de presión” incluye las válvulas de seguridad utilizadas en servicios con fluidos compresibles o incompresibles, y las válvulas de alivio utilizadas en servicios con fluidos incompresibles.

La norma cubre el servicio de gases, vapores, vapor, dos fases y fluidos incompresibles; no cubre aplicaciones especiales que requieran consideraciones de instalación inusuales.

Requisitos de diseño de válvulas de alivio de presión

Desde la perspectiva de API 520, el diseño de una válvula de alivio debe asegurar que la presión del equipo protegido no exceda los límites permisibles definidos por el MAWP, incluso bajo el escenario de sobrepresión más severo y creíble. Para ello, la válvula debe aliviar el caudal requerido manteniendo un comportamiento estable durante la apertura, el alivio y el cierre.

API 520 plantea, que el escenario de alivio ya ha sido correctamente definido y validado. Por tanto, su alcance se centra exclusivamente en el dimensionamiento hidráulico y termodinámico de la válvula, incluyendo la selección del área de orificio, los coeficientes de descarga y los factores de corrección aplicables según el tipo de fluido.

¿Cómo seleccionar las válvulas de alivio en plantas de proceso?

En plantas de proceso, como refinerías, complejos petroquímicos, instalaciones de gas y sistemas midstream, las válvulas de alivio deben responder a exigencias que van más allá del simple cumplimiento normativo. La selección debe considerar la compatibilidad de materiales con el fluido, las condiciones extremas de operación, la interacción con sistemas de descarga comunes y la facilidad de mantenimiento a lo largo del ciclo de vida del activo.

Un error frecuente en ingeniería es considerar que un dimensionamiento correcto garantiza un desempeño adecuado. En realidad, la selección incorrecta del tipo de válvula frente a condiciones reales de contrapresión y operación puede comprometer seriamente la estabilidad y confiabilidad del sistema de alivio.

Válvulas de alivio de presión (PRV/PSV)

Aunque en la práctica industrial los términos PRV y PSV suelen utilizarse de forma indistinta, ambos hacen referencia a válvulas automáticas diseñadas para aliviar presión de manera segura cuando se supera un valor predeterminado. API 520 aplica principalmente a válvulas de acción directa accionadas por resorte, independientemente de su denominación comercial. En la siguiente imagen se aprecia este tipo de válvula.

Lo relevante desde el punto de vista de ingeniería no es el nombre, sino el principio de funcionamiento, el comportamiento frente a la contra presión y la capacidad certificada bajo condiciones reales de alivio.

¿Cuándo aplicar API 520 o API 521?

Una correcta estrategia de diseño de sistemas de alivio exige comprender claramente la diferencia entre API 520 y API 521. API 521 se enfoca en identificar y evaluar los escenarios creíbles de sobrepresión, tales como fuego externo, bloqueo térmico, fallas de control, expansión térmica o reacciones descontroladas. En cambio, API 520 se limita a definir el tamaño de la válvula necesaria para aliviar el caudal asociado a dichos escenarios.

Aplicar API 520 sin un análisis previo según API 521 constituye uno de los errores más graves y comunes en proyectos industriales. El resultado suele ser una válvula correctamente calculada para un escenario incorrecto.

Comparación técnica entre API 520 y API 521

Comprender la diferencia funcional entre API 520 y API 521 es fundamental para evitar errores conceptuales en el diseño de sistemas de alivio. Ambos estándares son complementarios, pero su alcance, objetivos y nivel de análisis son claramente distintos. Mientras API 521 define el marco de seguridad de procesos y los escenarios de sobrepresión creíbles, API 520 se limita al dimensionamiento de la válvula que debe responder a dichos escenarios.

Desde el punto de vista de ingeniería, aplicar API 520 sin un análisis previo conforme a API 521 equivale a resolver correctamente un problema mal planteado. La secuencia correcta siempre debe iniciar con la identificación del escenario gobernante y culminar con el dimensionamiento adecuado de la válvula.

La siguiente comparación resume las diferencias técnicas más relevantes desde una perspectiva de ingeniería aplicada:

Aspecto	API 520 – Dimensionamiento de PSV	API 521 – Análisis de sistemas de alivio
Objetivo principal	Dimensionar el área de orificio y capacidad de la válvula	Identificar y evaluar escenarios de sobrepresión
Pregunta que responde	¿Qué tamaño de válvula necesito?	¿Por qué ocurre la sobrepresión y cuál es el peor caso?
Enfoque técnico	Hidráulico y termodinámico	Seguridad de procesos y análisis de riesgos
Tipo de análisis	Determinístico, basado en ecuaciones	Evaluación de escenarios creíbles
Flujo considerado	Gas, vapor y líquidos monofásicos	Monofásico y dos fases
Contrapresión	Correcciones de capacidad y estabilidad	Definición de arquitectura de descarga
Sistema de descarga	No cubierto	Incluye líneas, cabezales y disposición final
Error típico de aplicación	Usarlo sin escenario validado	Pretender que reemplace a API 520

Influencia de la contrapresión en el tamaño de la válvula

La contrapresión es uno de los factores más críticos en el desempeño real de una válvula de alivio. API 520 distingue entre contrapresión superpuesta, presente antes de la apertura, y contrapresión acumulada, generada durante el alivio.

Ambos tipos de contrapresión afectan directamente la capacidad efectiva de la válvula, la presión de apertura y la estabilidad del disco. Una válvula convencional sometida a niveles elevados o variables de contrapresión puede experimentar traqueteo, pérdida de capacidad o fugas permanentes, aun cuando el cálculo del área de orificio sea correcto.

Uso de válvulas balanceadas según API 520

Las válvulas balanceadas, ya sea mediante fuelle o pistón, se utilizan para minimizar la influencia de la contrapresión sobre el comportamiento de la válvula. API 520 permite su aplicación cuando la contrapresión supera los límites aceptables para válvulas convencionales o cuando el sistema descarga a colectores comunes con variaciones operativas significativas.

Es importante destacar que las correcciones matemáticas por contrapresión no eliminan los problemas de inestabilidad mecánica. La selección del tipo de válvula es, por tanto, una decisión de diseño tan relevante como el cálculo del tamaño del orificio.

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Aplicación de API 520 a líquidos, gases y vapor

API 520 proporciona metodologías diferenciadas para el dimensionamiento de válvulas que alivian gases, vapor y líquidos. En el caso de gases y vapor, el cálculo está dominado por el flujo compresible, las condiciones críticas y la relación de presiones. Para líquidos, el flujo incompresible requiere un tratamiento distinto, donde la densidad, la caída de presión y el régimen hidráulico son los parámetros gobernantes.

Uno de los errores más frecuentes en campo es aplicar ecuaciones de gas a servicios líquidos bajo el argumento de conservadurismo. Esta práctica suele conducir a válvulas sobredimensionadas, con velocidades excesivas, erosión acelerada y problemas operativos a largo plazo. API 520 es explícita al diferenciar ambos enfoques, y su correcta aplicación es esencial para la confiabilidad del sistema de alivio.

Errores reales de campo en la aplicación de API 520

La experiencia industrial demuestra que los problemas asociados a válvulas de alivio rara vez se originan en una sola causa. En la mayoría de los casos, son el resultado de decisiones de diseño tomadas de forma aislada, sin una visión integral del sistema de alivio. A continuación, se desarrollan algunos de los errores más recurrentes observados en campo.

Un error crítico es dimensionar una válvula de alivio sin una validación adecuada del escenario gobernante. En múltiples proyectos, se ha seleccionado el bloqueo térmico como único caso de diseño por considerarse el más frecuente, ignorando escenarios de fuego externo con generación de caudal significativamente mayor. El resultado suele ser una válvula correctamente calculada para un escenario incorrecto, incapaz de proteger el equipo bajo condiciones extremas.

Otro problema recurrente es subestimar el impacto de la contra presión variable en sistemas con cabezales comunes. En estos casos, válvulas convencionales correctamente dimensionadas según API 520 presentan inestabilidad mecánica durante el alivio, manifestada como traqueteo, daño del asiento y fugas permanentes. Este tipo de fallas no se corrige ajustando el área del orificio, sino seleccionando un diseño de válvula adecuado para la arquitectura del sistema.

Finalmente, es común encontrar errores asociados a la aplicación incorrecta de modelos de flujo. El uso de ecuaciones de gas para servicios líquidos, o la falta de consideración de condiciones de dos fases, genera diseños que cumplen en papel, pero fallan en operación. Estos errores suelen traducirse en mantenimiento excesivo, pérdida de confiabilidad y eventos operativos repetitivos.

Caso de estudio: rediseño exitoso de un sistema de alivio

Un ejemplo representativo de aplicación correcta de API 520 y API 521 corresponde al rediseño del sistema de alivio de una planta de fraccionamiento de hidrocarburos con historial de fallas operativas.

La instalación contaba con múltiples válvulas de alivio descargando a un cabezal común. A pesar de cumplir formalmente con los cálculos originales, se registraban disparos frecuentes, traqueteo y elevados costos de mantenimiento correctivo. El análisis inicial reveló que los escenarios de sobrepresión no habían sido revalidados desde la fase de diseño original.

El primer paso consistió en una revisión integral de escenarios conforme a API 521, identificándose el fuego externo como el caso gobernante real. Posteriormente, se realizó el redimensionamiento de las válvulas según API 520, considerando de forma explícita la contra presión acumulada durante alivios simultáneos.

Como parte de la solución, se sustituyeron válvulas convencionales por válvulas balanceadas, eliminando la influencia crítica de la contra presión sobre el desempeño mecánico. El resultado fue una operación estable, sin eventos de traqueteo, una reducción significativa del mantenimiento correctivo y el cumplimiento total de los límites de presión admisibles bajo simulaciones de escenario extremo.

Este caso confirma que la correcta aplicación de API 520 no depende únicamente del cálculo, sino de su integración coherente dentro de una estrategia global de ingeniería de seguridad de procesos.

Conclusiones

API 520 debe entenderse como una herramienta especializada dentro de una disciplina más amplia de diseño de sistemas de alivio. Su aplicación aislada, sin el respaldo de un análisis sólido conforme a API 521 y una selección adecuada del tipo de válvula, conduce inevitablemente a errores de diseño.

1. https://www.api.org/~/media/files/publications/whats%20new/520_part2_e6