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VÁLVULA DE ALIVIO DE PRESIÓN EN BOMBAS CONTRA INCENDIO

INTRODUCCIÓN

En este artículo expongo información sobre aspectos fundamentales que pretenden dilucidar una cuestión recurrente: ¿Cuándo se permite instalar una válvula de alivio de presión en bombas contra incendio?

Las bombas contra incendio, bajo algunas circunstancias, pueden llegar a producir presiones excesivas que pueden ser perjudiciales para el sistema de extinción de incendios. La normativa pertinente establece disposiciones que pretenden minimizar la probabilidad de que esto ocurra, las cuales deben ser tomadas en cuenta cuando se diseña un sistema de bombeo de agua contra incendios.

Una disposición señalada para manejar excesos de presión en el sistema es instalar una válvula de alivio de presión en la descarga de la bomba, siempre y cuando se cumplan ciertas condiciones.

En América, la norma de referencia para bombas contra incendios es la NFPA 20; en dicha norma se basa mucha de la información compartida en este artículo.

DEFINICIÓN Y TIPOS DE VÁLVULAS DE ALIVIO DE PRESIÓN

Una válvula de alivio de presión es un dispositivo que permite la desviación de parte del flujo de un líquido para limitar el exceso de presión en un sistema. En este sentido, es un elemento de protección para el sistema en caso de sobrepresión.

Las válvulas de alivio de presión pueden ser de resorte cargado o de diafragma operado por piloto; y pueden ser con descarga en 90º o de paso recto.

Válvula de alivio de presión de resorte cargado
Válvula de alivio de presión de resorte cargado
Válvula de alivio de presión configuración en 90º
Válvula de alivio de presión con diafragma pilotado, configuración 90º
Válvulas de alivio de presión de paso recto o 180º
Válvulas de alivio de presión con diafragma, configuración 180º

Para utilizarse en sistemas contra incendios, las válvulas de alivio de presión deben ser listadas.

FUNCIÓN DE LA VÁLVULA DE ALIVIO DE PRESIÓN

La válvula de alivio de presión tiene como finalidad liberar algún exceso de presión que pueda causar daño a los componentes del sistema de extinción, desviando parte del flujo de agua. Generalmente, el flujo de agua desviado se devuelve al tanque o hacia un drenaje; no obstante, está permitido retornarlo a la tubería de succión de la bomba.

¿CÓMO OPERA LA VÁLVULA DE ALIVIO DE PRESIÓN?

Las válvulas de alivio de presión cuentan con un elemento que permite calibrarlas para que abran a una determinada presión. En condiciones normales, estas válvulas permanecen cerradas. Si por alguna condición relacionada con el funcionamiento de la bomba, se incrementa la presión en la descarga y alcanza el valor de calibración, la válvula abrirá, manteniendo la presión en la red en un nivel aceptable.

Válvula de alivio de presión en posición cerrada
Válvula de alivio de presión en posición cerrada
Válvula de alivio de presión abierta
Válvula de alivio de presión abierta

PERO, ¿QUÉ SE CONSIDERA EXCESO DE PRESIÓN?

Los componentes de los sistemas contra incendios están clasificados para una presión de operación máxima (rating). Si una bomba contra incendios produce presiones mayores a la clasificación de los componentes, crea una condición de «exceso de presión».

No hay un valor de presión a partir del cual se pueda establecer que hay un “exceso de presión”; como puedes apreciar, depende del rating de los componentes. Generalmente, los componentes listados para sistemas contra incendios tienen una clasificación de presión de 175 psi, pero hay disponibles componentes con rating mayor que pueden utilizarse para manejar “excesos de presión”.

Adaptador de brida clasificado para 175 psi
Adaptador de brida clasificado para 300 psi

Como puedes ver, se muestran imágenes de dos dispositivos que tienen el mismo uso; pero que tienen distinto rating. Y así como éstos, casi todos los componentes listados para sistemas contra incendios se presentan en más de una versión. Quizás la excepción sean los rociadores, de los cuales hay muy pocos modelos que no son de 175 psi, y son para aplicaciones particulares.

Y, ¿CUÁNDO PUEDE AUMENTAR LA PRESIÓN QUE GENERA LA BOMBA?

Las bombas centrífugas desarrollan una curva de desempeño Caudal vs Presión, también llamada “curva característica”, que señala qué valor de presión corresponde a cada valor de caudal. Esa curva es generada en fábrica (cada bomba desarrolla su curva particular), mediante una prueba de desempeño en un banco de ensayo, antes de despachar la bomba al cliente.

(En este artículo puedes consultar acerca del desempeño de las bombas contra incendios).

Curva característica de una bomba centrífuga.

La curva característica de la bomba generada por el fabricante se obtiene a una determinada velocidad de giro (rpm’s), la cual viene a ser la “velocidad nominal” de esa bomba. A una velocidad distinta, la bomba producirá una curva de desempeño distinta a la de fábrica. Por lo tanto, siempre se dota a las bombas con un motor que tenga su misma velocidad nominal o muy cercana.

Por otra parte, de acuerdo con la Ley de Afinidad de Bombas, al cambiar la velocidad de la bomba, la presión cambia proporcionalmente con el cuadrado del cociente de velocidades, según la siguiente relación:

Lo anterior significa que, si aumenta la velocidad del motor impulsor de la bomba (v2), aumenta en consecuencia la presión que ésta genera (H2).

Familia de curvas características de una bomba centrífuga.

En la imagen, la curva característica verde es la generada a velocidad nominal; si aumenta la velocidad de giro de la bomba (RPM1), la curva característica se desplaza hacia arriba (curva roja). Y como puede observarse, para los diversos valores de caudal la presión resultante sería mayor.

Por supuesto, también sucede lo contrario: si disminuye la velocidad de giro de la bomba (RPM2), la curva característica se desplaza hacia abajo (curva azul).

ENTONCES, ¿CUÁNDO SE REQUIERE UNA VÁLVULA DE ALIVIO DE PRESIÓN?

Como he explicado antes, la válvula de alivio de presión tiene como objetivo proteger al sistema de un exceso de presión, lo que, como hemos visto, puede ocurrir si se incrementa la velocidad de la bomba.

Lo anterior quiere decir que se va a requerir una válvula de alivio de presión cuando exista la posibilidad de que el motor que acciona la bomba aumente su velocidad de manera anormal, y el aumento de presión que conlleva pueda resultar dañino para el sistema.

BOMBAS CONTRA INCENDIO ACCIONADAS POR MOTOR DIÉSEL

De acuerdo a la norma NFPA 20, si la bomba contra incendio es accionada por motor diésel, se debe instalar una válvula de alivio de presión cuando se puedan presentar las siguientes condiciones:

1.- Cuando el 121% de la presión de cierre (shut-off, caudal cero), más la presión estática máxima en la succión, ajustada por elevación, excede la presión para la cual están clasificados los componentes de la descarga de la bomba o de los sistemas de extinción de incendios suplidos.

2.- Si el motor diésel es de limitación de presión y la presión de descarga máxima (presión de cierre más la presión estática máxima en la succión), ajustada por elevación, con la bomba operando a velocidad nominal, excede la clasificación de presión de los componentes del sistema.

Válvula de alivio de presión en descarga de bomba contra incendio accionada por motor diésel
Válvula de alivio de presión en descarga de bomba accionada por motor Diésel

BOMBAS CONTRA INCENDIO ACCIONADAS POR MOTOR ELÉCTRICO

De acuerdo a la norma NFPA 20, no se contempla la utilización de válvulas de alivio de presión en bombas accionadas por motor eléctrico; excepto cuando la bomba es de velocidad variable y se cumple que la presión de descarga máxima, ajustada por elevación, con la bomba operando a velocidad nominal, excede la clasificación de presión de los componentes del sistema.

Válvula de alivio de presión en descarga de bomba contra incendio accionada por motor eléctrico de velocidad variable
Válvula de alivio de presión en descarga de bomba de velocidad variable

En ningún caso debe utilizarse una válvula de alivio de presión para regular la presión en sistemas donde se ha sobredimensionado la bomba contra incendio.

Para una bomba de velocidad variable, la presión se evalúa a la velocidad nominal, dado que el control de velocidad consiste en hacer girar la bomba a una velocidad menor que la nominal, para mantener la presión de descarga por debajo de un nivel límite; pero si falla el controlador, la bomba girará a su velocidad nominal, creando una condición de exceso de presión.

¿POR QUÉ SE EVALÚA A LA PRESIÓN DE CIERRE DE LA BOMBA?

Porque esa es la presión máxima que puede generar la bomba (la presión a caudal cero). Ver curva característica de una bomba centrífuga, mostrada anteriormente.

Sumando la presión estática máxima en la succión, se obtiene la mayor presión a la cual pueden llegar a estar sometidos los componentes del sistema en condiciones normales.

Si se utiliza un tanque de agua superficial o elevado, la presión estática máxima en la succión corresponde al mayor nivel de agua alcanzable. Si la bomba succiona desde una red de agua, se debe determinar la presión estática máxima esperable en el punto de conexión.

¿POR QUÉ SE HACE LA EVALUACIÓN AL 121% DE LA PRESIÓN DE CIERRE?

Bajo ciertas condiciones, que pueden considerarse normales, los motores diésel pueden llegar a operar alcanzando una velocidad mayor a la velocidad nominal de la bomba. Estos motores cuentan con un gobernador para regular su velocidad, limitándola a un máximo del 110% de su velocidad nominal.

Por la Ley de Afinidad de Bombas, si se incrementa un 10% la velocidad, la presión se incrementaría correspondientemente en un 21%.

Esa es la razón por lo cual la evaluación se hace al 121% de la presión de cierre de la bomba.

Si el gobernador del motor fallara, resultaría en una condición de exceso de velocidad (se “embalaría”). Como protección, los motores diésel listados se dotan con un dispositivo de parada que se configura para apagarlo cuando alcance una velocidad mayor al 10% de su velocidad nominal.

¿CÓMO ES EL ASUNTO DEL “AJUSTE POR ELEVACIÓN”?

La presión a la que está sometido cualquier componente del sistema se puede determinar restándole (o sumándole) a la presión en la descarga de la bomba, la presión por la diferencia de altura entre la brida de descarga y el componente.

Al realizar el “ajuste por elevación”, puede suceder que a pesar de que la presión en la descarga de la bomba sea mayor a la clasificación de los componentes, no se requiera válvula de alivio de presión. Lo contrario también puede pasar; es decir, que la presión en la descarga de la bomba sea menor a la clasificación de los componentes, pero, sin embargo, se requiera válvula de alivio de presión.

¿HAY QUE HACER CÁLCULOS PARA DETERMINAR SI SE REQUIERE UNA VÁLVULA DE ALIVIO DE PRESIÓN?

Lo anteriormente explicado implica que siempre se deben realizar los correspondientes cálculos para determinar si realmente se requiere instalar una válvula de alivio de presión. No hay un valor de presión establecido a partir del cual se deba instalar una válvula de alivio de presión.

Nótese que un aspecto limitante es la clasificación de los componentes del sistema de extinción. Por tanto, esta información debe tenerse disponible durante el diseño del sistema.

Además, siempre se debe realizar el ajuste en la presión por el diferencial de altura entre la ubicación de los componentes considerados y la descarga de la bomba.

Mediante ejemplos voy a explicar cómo se debe verificar si se requiere una válvula de alivio de presión en un sistema de extinción.

EJEMPLO 1

Una bomba accionada por motor diésel, con capacidad nominal de 1.500 gpm @ 120 psi, tiene una presión de cierre de 150 psi. Succiona desde un tanque superficial cuyo nivel máximo de agua es de 6 metros. El cuarto de bombas cuenta con rociadores ubicados a 4 metros de altura, medidos desde el eje de la bomba.

Verificación:

  • Cálculo de la presión estática en la succión: Pe = 1,42×6 = 8,52 psi
  • 121% de la presión de cierre: 150×1,21 = 181,5 psi
  • Presión máxima en la descarga de la bomba: 181,5 + 8,52 = 190,02 psi

De acuerdo al resultado, se requiere una válvula de alivio de presión si los componentes de la tubería de descarga de la bomba están clasificados para 175 psi.

Se podría utilizar componentes clasificados para 200 psi o más, pero antes se debe evaluar la presión en los rociadores instalados en el cuarto de bombas.

  • Cálculo de la presión por elevación: Pe = 1,42×4 = 5,68 psi
  • Ajuste por elevación de los rociadores: 190,02 – 5,68 = 184,34 psi

De acuerdo al resultado, se requiere una válvula de alivio de presión dado que los rociadores están clasificados para 175 psi.

EJEMPLO 2

Una bomba accionada por motor diésel, con capacidad nominal de 2.500 gpm @ 110 psi, tiene una presión de cierre de 130 psi. Succiona desde un tanque superficial con nivel máximo de agua de 8 metros. El cuarto de bombas cuenta con rociadores ubicados a 6 metros de altura, medidos desde el eje de la bomba.

Verificación:

  • Cálculo de la presión estática en la succión: Pe = 1,42×8 = 11,36 psi
  • 121% de la presión de cierre: 130×1,21 = 157,3 psi
  • Presión máxima en la descarga de la bomba: 157,3 + 11,36 = 168,66 psi

De acuerdo al resultado, no se requiere una válvula de alivio de presión. Los componentes de la tubería de descarga pueden ser de clasificación 175 psi. No hace falta realizar la verificación para los rociadores del cuarto de bombas.

Pero, supongamos que la bomba suministra agua a sistemas de rociadores que protegen los sótanos de una edificación, y que la diferencia de altura entre el eje de la bomba y los rociadores del último sótano es de 12 metros.

Se procede a verificar a qué presión estarán sometidos los rociadores en el último sótano.

  • Cálculo de la presión por diferencia de altura de los rociadores: Pe = 1,42×12 = 17,04 psi
  • Ajuste por elevación: 168,66 + 17,04 = 185,7 psi

De acuerdo al resultado, se requeriría válvula de alivio de presión dado que los rociadores están clasificados para una presión de 175 psi.

REQUERIMIENTOS DE INSTALACIÓN PARA VÁLVULAS DE ALIVIO DE PRESIÓN

La norma NFPA 20 establece, entre otros, los siguientes requisitos para la instalación las válvulas de alivio de presión, cuando son necesarias en bombas contra incendios.

1) Si la válvula de alivio de presión no es dimensionada hidráulicamente, el tamaño mínimo de la misma y de su tubería de descarga deben ser los prescritos en la siguiente tabla:

Tamaño de la válvula de alivio de presión de acuerdo al caudal nominal de la bomba (Referencia: NFPA 20)

Tanto la válvula de alivio de presión como su tubería de descarga pueden ser dimensionadas hidráulicamente. El objetivo es descargar suficiente agua para evitar que la presión de la bomba, ajustada por elevación, exceda la presión nominal de los componentes del sistema. En ese caso, puede resultar una válvula y/o una tubería de descarga más pequeñas que las prescritas en la tabla anterior.

2) La válvula de alivio de presión debe estar ubicada entre la bomba y la válvula de retención de la descarga, y debe acoplarse de manera que pueda removerse fácilmente de ser necesario.

Válvula de alivio de presión posicionada correctamente

3) La válvula de alivio de presión debe descargar en una tubería abierta o en un cono adosado a la salida de la válvula.

Cuando la tubería de descarga de la válvula de alivio retorna al tanque o a otro lugar donde no se puede ver el flujo de agua, se debe instalar un cono de visión a la salida de la válvula (como en la imagen anterior). Si la tubería de descarga termina en un lugar donde se pueda observa el flujo de agua, no se requiere el cono de visión.

4) No se debe instalar una válvula de corte en la tubería de suministro o de descarga de la válvula de alivio de presión.

La flecha señala una válvula tipo mariposa instalada en la tubería de descarga de la válvula de alivio

5) Si en la tubería de descarga hay más de un codo, se debe utilizar el tamaño de tubería mayor siguiente al prescrito en la tabla mostrada anteriormente.

Tubería de descarga de la válvula de alivio con varios codos

6) Si la tubería de descarga retorna al tanque de almacenamiento de agua no debe combinarse con las tuberías de descarga de otras válvulas de alivio.

Tuberías de descarga de 2 válvulas de alivio que se unen en una tubería común para retornar al tanque.

7) Se puede combinar la tubería de descarga de la válvula de alivio que retorna el agua al tanque, con la tubería de pruebas, aguas abajo de cualquier válvula de control.

Combinación de tubería de descarga de la válvula de alivio, que retorna el agua al tanque, con la tubería de pruebas

Ing. Luis Ybirma
Caracas – Venezuela

Fuente: NFPA 20, Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection

Notas:
1. El contenido de este artículo no es una Interpretación Formal de NFPA. Lo aquí expresado es la interpretación personal del autor y no necesariamente representa la posición oficial de las normas NFPA y sus Comités Técnicos. Por otra parte, el lector es libre de estar de acuerdo o no con lo aquí expresado.
2. Algunas de las imágenes que se publican en este Blog son tomadas de internet, y puede que posean derecho de autor; dichas imágenes sólo se utilizan con fines didácticos, educativos y formativos.

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