Un disco de ruptura , también conocido como disco de seguridad de presión , disco de ruptura , disco de ruptura o diafragma de ruptura , es un dispositivo de seguridad de alivio de presión sin cierre que, en la mayoría de los usos, protege un recipiente , equipo o sistema a presión contra la sobrepresurización o condiciones de vacío potencialmente dañinas .
Un disco de ruptura es un tipo de pieza de sacrificio porque tiene una membrana de un solo uso que falla a una presión diferencial predeterminada, ya sea positiva o de vacío y a una temperatura coincidente. La membrana suele estar hecha de metal, [1] pero se puede utilizar casi cualquier material (o materiales diferentes en capas) para adaptarse a una aplicación particular. Los discos de ruptura brindan una respuesta instantánea (en milisegundos o microsegundos en tamaños muy pequeños) a un aumento o disminución de la presión del sistema, pero una vez que el disco se ha roto, no se volverá a sellar. Las principales ventajas de la aplicación de discos de ruptura en comparación con el uso de válvulas de alivio de presión incluyen la hermeticidad, el costo, el tiempo de respuesta, las restricciones de tamaño, el área de flujo y la facilidad de mantenimiento.
Los discos de ruptura se utilizan comúnmente en aplicaciones de la industria petroquímica , aeroespacial , de aviación , de defensa, médica, ferroviaria , nuclear , química , farmacéutica , de procesamiento de alimentos y de yacimientos petrolíferos . Se pueden utilizar como dispositivos de protección individuales o como un dispositivo de alivio secundario para una válvula de seguridad convencional ; si la presión aumenta y la válvula de seguridad no funciona o no puede aliviar suficiente presión con la suficiente rapidez, el disco de ruptura estallará. Los discos de ruptura se utilizan muy a menudo en combinación con válvulas de alivio de seguridad, aislando las válvulas del proceso, ahorrando así en el mantenimiento de la válvula y creando una solución de alivio de presión hermética. A veces es posible y preferible para una mayor confiabilidad, aunque con un costo inicial más alto, evitar el uso de dispositivos de alivio de presión de emergencia mediante el desarrollo de un diseño mecánico intrínsecamente seguro que proporcione contención en todos los casos.
Aunque comúnmente se fabrican en forma de disco, los dispositivos también se fabrican como paneles rectangulares ('paneles de ruptura', 'paneles de ventilación' o respiraderos de explosión ) y se utilizan para proteger edificios, sistemas de transporte cerrados o cualquier espacio muy grande de la sobrepresurización, generalmente debido a una explosión. Los tamaños de los discos de ruptura varían de 0,125 pulgadas (3 mm) a más de 4 pies (1,2 m), según la aplicación industrial. Los discos de ruptura y los paneles de ventilación están construidos de acero al carbono , acero inoxidable , hastelloy , grafito y otros materiales, según lo requiera el entorno de uso específico.
Los discos de ruptura son ampliamente aceptados en toda la industria y se especifican en la mayoría de los códigos de diseño de equipos de presión globales ( Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), Directiva de Equipos de Presión (PED), etc.). Los discos de ruptura se pueden utilizar para proteger específicamente las instalaciones contra presiones inaceptablemente altas o pueden diseñarse para actuar como válvulas de un solo uso o dispositivos de activación para iniciar con alta confiabilidad y velocidad una secuencia de acciones requeridas.
En todos los discos de ruptura se utilizan dos tecnologías: de acción hacia adelante (carga de tensión) y de pandeo inverso (compresión). Ambas tecnologías se pueden combinar con un indicador de disco de ruptura para proporcionar una indicación visual y eléctrica de la falla. [2]
En el diseño tradicional de acción hacia adelante, las cargas se aplican al lado cóncavo de un disco de ruptura abovedado, estirando el domo hasta que las fuerzas de tensión exceden la tensión de tracción máxima del material y el disco estalla. Los discos de ruptura planos no tienen domo pero, cuando se aplica presión, siguen estando sujetos a fuerzas de tensión y, por lo tanto, también son discos de acción hacia adelante. El espesor de la materia prima utilizada en la fabricación (también conocido como espesor de la banda en los discos de grafito) y el diámetro del disco determinan la presión de estallido. La mayoría de los discos de acción hacia adelante se instalan en sistemas con una relación de funcionamiento del 80 % o inferior. [3]
En iteraciones posteriores de los diseños de discos de acción hacia adelante, se utilizaron cortes de precisión o marcas láser en el material durante la fabricación para debilitarlo con precisión, lo que permitió controlar más variables de la presión de ruptura. Este enfoque para los discos de ruptura, si bien es efectivo, tiene limitaciones. Los discos de acción hacia adelante son propensos a la fatiga del metal causada por los ciclos de presión y las condiciones de funcionamiento que pueden superar los límites recomendados para el disco, lo que hace que el disco reviente a una presión de ruptura inferior a la marcada. Las presiones de ruptura bajas también plantean un problema para esta tecnología de discos. A medida que disminuye la presión de ruptura, disminuye el espesor del material. Esto puede dar lugar a discos extremadamente delgados (similares al papel de aluminio) que son muy propensos a dañarse y tienen una mayor probabilidad de formar fugas por orificios debido a la corrosión. Estos discos todavía se utilizan con éxito en la actualidad y son los preferidos en algunas situaciones.
Los discos de ruptura de pandeo inverso son la inversión del disco de acción hacia adelante. La cúpula se invierte y la presión se carga ahora en el lado convexo del disco. Una vez que se alcanza el umbral de inversión, la cúpula colapsará y se romperá para crear una cúpula en la dirección opuesta. Mientras eso sucede, el disco se abre con cuchillas o puntas de metal ubicadas a lo largo de la línea de corte en el lado aguas abajo del disco. Al cargar el disco de pandeo inverso en compresión, puede resistir ciclos de presión o condiciones pulsantes. El espesor del material de un disco de pandeo inverso es significativamente mayor que el de un disco de acción hacia adelante del mismo tamaño y presión de ruptura. El resultado es una mayor longevidad, precisión y confiabilidad a lo largo del tiempo. La instalación correcta de los discos de pandeo inverso es esencial. Si se instala al revés, el dispositivo actuará como un disco de acción hacia adelante y, debido al mayor espesor del material, puede estallar a una presión de ruptura mucho mayor que la marcada. [4]
Los paneles de soplado , también llamados paneles de soplado , son áreas con una estructura debilitada intencionalmente y se utilizan en recintos, edificios o vehículos donde puede ocurrir una sobrepresión repentina. Al fallar de manera predecible, canalizan la sobrepresión u onda de presión en la dirección donde causa un daño mínimo controlado y dirigido, en lugar de causar una falla catastrófica de la estructura. Un ejemplo alternativo es una pared debilitada deliberadamente en una habitación que se usa para almacenar cilindros de gas comprimido; en caso de incendio u otro accidente, la tremenda energía almacenada en el gas comprimido (posiblemente inflamable) se dirige hacia una dirección "segura", en lugar de colapsar potencialmente la estructura de manera similar a un arma termobárica .
Los paneles antiexplosión se utilizan en los compartimentos de munición de algunos tanques para proteger a la tripulación en caso de explosión de munición, convirtiendo una muerte catastrófica en una muerte por menor potencia de fuego. Los paneles antiexplosión se instalan en varios tanques de batalla principales modernos , incluido el M1 Abrams .
En el almacenamiento de municiones militares, los búnkeres que albergan explosivos incluyen paneles antiexplosión. Estos búnkeres suelen estar diseñados con paredes de hormigón en los cuatro lados y un techo de un material más ligero cubierto de tierra. En algunos casos, este material más ligero es madera, aunque también se utilizan láminas de metal. El diseño es tal que, si se produjera una explosión o un incendio en el búnker de municiones (también llamado armario), la fuerza de la explosión se dirigiría verticalmente y se alejaría de otras estructuras y del personal.
Los paneles antiexplosión se habían considerado en el pasado como una posible solución a las explosiones de los depósitos de los acorazados . Sin embargo, los diseños de acorazados desde la década de 1920 utilizaron en su lugar el esquema de blindaje de todo o nada , en particular con su ciudadela blindada que abarca los elementos vitales del acorazado, incluida la maquinaria y los depósitos, y en el caso de penetración del depósito, el único recurso era inundar el depósito. La falta de paneles antiexplosión ha provocado daños catastróficos durante las explosiones de los depósitos de varios acorazados, incluidos el Tirpitz y el Yamato .
Algunos modelos de pistolas genéticas también utilizan un disco de ruptura, pero no como dispositivo de seguridad. En cambio, su función es parte del funcionamiento normal del dispositivo, lo que permite un control preciso basado en la presión de la aplicación de partículas a una muestra. En estos dispositivos, el disco de ruptura está diseñado para fallar dentro de un rango óptimo de presión de gas que se ha asociado empíricamente con la integración exitosa de partículas en un cultivo de células o tejidos. Pueden estar disponibles diferentes resistencias de disco para algunos modelos de pistolas genéticas.
