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 que no se vuelve a cerrar y que, en la mayoría de los usos, protege un recipiente , equipo o sistema a presión contra una sobrepresurización o daños potenciales. condiciones de vacío .
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 al vacío, y a una temperatura coincidente. La membrana suele estar hecha de metal, [1] pero se puede utilizar casi cualquier material (o diferentes materiales 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 en la presión del sistema, pero una vez que el disco se ha roto, no volverá a sellarse. Las principales ventajas de la aplicación de discos de ruptura en comparación con el uso de válvulas de alivio de presión incluyen estanqueidad, costo, tiempo de respuesta, limitaciones de tamaño, área de flujo y facilidad de mantenimiento.
Los discos de ruptura se utilizan comúnmente en aplicaciones petroquímicas , aeroespaciales , de aviación , de defensa, médicas, ferroviarias , nucleares , químicas , farmacéuticas , de procesamiento de alimentos y de campos petroleros . Pueden utilizarse como dispositivos de protección únicos o como 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 explotará. 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 las válvulas y creando una solución de alivio de presión hermética. A veces es posible y preferible para obtener la mayor confiabilidad, aunque a 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 transportadores cerrados o cualquier espacio muy grande contra la sobrepresurización que generalmente se debe a una explosión. . Los tamaños de los discos de ruptura varían desde 0,125 pulgadas (3 mm) hasta más de 4 pies (1,2 m), según la aplicación industrial. Los discos de ruptura y los paneles de ventilación están construidos con 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 a presión globales ( Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), Directiva de Equipos a Presión (PED), etc.). Los discos de ruptura pueden usarse para proteger específicamente instalaciones contra presiones inaceptablemente altas o pueden diseñarse para actuar como válvulas de una sola vez o dispositivos de activación para iniciar con alta confiabilidad y acelerar una secuencia de acciones requeridas.
Hay dos tecnologías de discos de ruptura que se utilizan en todos los discos de ruptura: acción hacia adelante (cargada por tensión) y pandeo inverso (compresión). Ambas tecnologías se pueden combinar con un indicador de disco de explosión para proporcionar una indicación visual y eléctrica de 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 tracción exceden la tensión de tracción última del material y el disco estalla. Los discos de ruptura planos no tienen cúpula pero, cuando se aplica presión, todavía están sujetos a fuerzas cargadas 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 red en los discos de grafito) y el diámetro del disco determinan la presión de estallido. La mayoría de los discos de acción directa se instalan en sistemas con una relación operativa del 80% o menos. [3]
En iteraciones posteriores de diseños de discos de acción hacia adelante, se utilizaron cortes de precisión o marcas láser en el material durante la fabricación para debilitar con precisión el material, permitiendo más variables para controlar la presión de estallido. Este enfoque para la ruptura de discos, si bien es eficaz, tiene limitaciones. Los discos de acción directa son propensos a la fatiga del metal causada por ciclos de presión y condiciones operativas que pueden superar los límites recomendados para el disco, provocando que el disco explote a una presión de estallido inferior a su presión de estallido marcada. Las bajas presiones de estallido también plantean un problema para esta tecnología de disco. A medida que disminuye la presión de estallido, 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 debido a la corrosión. Estos discos todavía se utilizan con éxito hoy en día y se prefieren 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 ahora se carga 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 mediante hojas de cuchillo o puntas de metal ubicadas a lo largo de la línea marcada en el lado aguas abajo del disco. Al cargar el disco de pandeo inverso en compresión, es capaz de resistir ciclos de presión o condiciones de pulsación. El espesor del material de un disco de pandeo inverso es significativamente mayor que el de un disco de acción directa del mismo tamaño y presión de rotura. El resultado es una mayor longevidad, precisión y confiabilidad a lo largo del tiempo. La correcta instalación de los discos de pandeo inverso es fundamental. Si se instala boca abajo, el dispositivo actuará como un disco que actúa hacia adelante y, debido al mayor espesor del material, puede explotar a una presión de explosión mucho mayor que la marcada. [4]
Los paneles de soplado , también llamados paneles de soplado , áreas con estructura debilitada intencionalmente, se utilizan en recintos, edificios o vehículos donde puede ocurrir una sobrepresión repentina. Al fallar de manera predecible, canalizan la sobrepresión o la onda de presión en la dirección en la que causa un daño mínimo controlado y dirigido, en lugar de causar una falla catastrófica de la estructura. Un ejemplo alternativo es una pared deliberadamente debilitada en una habitación utilizada 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 en una dirección "segura", en lugar de colapsar potencialmente la estructura de manera similar a un arma termobárica .
Los paneles de soplado se utilizan en los compartimentos de municiones de algunos tanques para proteger a la tripulación en caso de explosión de municiones, convirtiendo una muerte catastrófica en una muerte de menor potencia de fuego. Los paneles de explosión están instalados en varios tanques de batalla principales modernos , incluido el M1 Abrams .
En el almacenamiento de municiones militares, se incluyen paneles explosivos en el diseño de los búnkeres que albergan los explosivos. Estos búnkeres suelen estar diseñados con paredes de hormigón en los cuatro lados y un techo hecho de un material más ligero cubierto de tierra. En algunos casos este material más ligero es la madera, aunque también se emplean láminas de metal. El diseño es tal que si ocurriera una explosión o un incendio en el búnker de municiones (también llamado casillero), la fuerza de la explosión se dirigiría verticalmente y lejos de otras estructuras y personal.
Los paneles de explosión se habían considerado en el pasado como una posible solución a las explosiones de cargadores en los acorazados . Sin embargo, los diseños de acorazados desde la década de 1920 utilizaron el esquema de blindaje todo o nada , particularmente con su ciudadela blindada que abarca los elementos vitales del acorazado, incluida la maquinaria y los cargadores, y en el caso de la penetración del cargador, el único recurso es inundar el cargador. La falta de paneles de explosión ha provocado daños catastróficos durante las explosiones del cargador de varios acorazados, incluidos el Tirpitz y el Yamato .
Algunos modelos de pistola genética 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 cultivos celulares o de tejidos. Pueden estar disponibles diferentes potencias de disco para algunos modelos de pistola genética.
