Dove vengono utilizzate le valvole: Ovunque!

8 novembre 2017 Scritto da Greg Johnson

Oggi le valvole si trovano praticamente ovunque: nelle nostre case, sotto le strade, negli edifici commerciali e in migliaia di punti all'interno di centrali elettriche e idriche, cartiere, raffinerie, impianti chimici e altre strutture industriali e infrastrutturali.
Il settore delle valvole è davvero molto diversificato, con segmenti che spaziano dalla distribuzione dell'acqua all'energia nucleare, fino all'estrazione e alla lavorazione di petrolio e gas. Ciascuno di questi settori utilizza alcuni tipi base di valvole; tuttavia, i dettagli costruttivi e i materiali sono spesso molto diversi. Ecco alcuni esempi:

IMPIANTO IDRICO
Nel settore della distribuzione idrica, le pressioni sono quasi sempre relativamente basse e le temperature ambientali. Queste due caratteristiche applicative consentono l'utilizzo di una serie di elementi di progettazione delle valvole che non si troverebbero in apparecchiature sottoposte a condizioni più gravose, come le valvole per vapore ad alta temperatura. La temperatura ambiente dell'acqua di esercizio permette l'impiego di elastomeri e guarnizioni in gomma non adatti ad altri contesti. Questi materiali morbidi consentono di realizzare valvole per l'acqua in grado di garantire una tenuta ermetica contro le perdite.

Un altro aspetto da considerare nella scelta delle valvole per impianti idrici è il materiale di costruzione. La ghisa e la ghisa sferoidale sono ampiamente utilizzate negli impianti idrici, soprattutto per le tubazioni di grande diametro esterno. Per le tubazioni di diametro molto ridotto, invece, è possibile utilizzare valvole in bronzo.

Le pressioni a cui sono sottoposte la maggior parte delle valvole degli acquedotti sono generalmente ben al di sotto dei 200 psi. Ciò significa che non sono necessarie valvole con pareti più spesse progettate per pressioni più elevate. Detto questo, esistono casi in cui le valvole dell'acqua vengono costruite per gestire pressioni più elevate, fino a circa 300 psi. Queste applicazioni si trovano solitamente su acquedotti lunghi, in prossimità della fonte di pressione. Talvolta, valvole dell'acqua ad alta pressione si trovano anche nei punti di massima pressione di una grande diga.

L'American Water Works Association (AWWA) ha pubblicato specifiche che riguardano molti tipi diversi di valvole e attuatori utilizzati negli impianti idrici.

ACQUE REFLUE
Il rovescio della medaglia dell'acqua potabile che entra in un impianto o in una struttura è rappresentato dalle acque reflue o fognarie. Queste condotte raccolgono tutti i liquidi e i solidi di scarto e li convogliano a un impianto di depurazione. Questi impianti di depurazione sono dotati di numerose tubazioni e valvole a bassa pressione per svolgere il loro "lavoro sporco". I requisiti per le valvole delle acque reflue sono in molti casi molto meno stringenti rispetto a quelli per l'acqua potabile. Le valvole a saracinesca e di ritegno in ghisa sono le scelte più comuni per questo tipo di servizio. Le valvole standard per questo servizio sono costruite in conformità alle specifiche AWWA.

INDUSTRIA ENERGETICA
La maggior parte dell'energia elettrica prodotta negli Stati Uniti viene generata in centrali a vapore che utilizzano combustibili fossili e turbine ad alta velocità. Sollevando il velo di una moderna centrale elettrica, si possono osservare sistemi di tubazioni ad alta pressione e alta temperatura. Queste linee principali sono le più critiche nel processo di generazione di energia a vapore.

Le valvole a saracinesca rimangono una scelta principale per le applicazioni on/off nelle centrali elettriche, sebbene si trovino anche valvole a globo a Y per usi speciali. Le valvole a sfera ad alte prestazioni per applicazioni critiche stanno guadagnando popolarità tra alcuni progettisti di centrali elettriche e si stanno facendo strada in questo settore un tempo dominato dalle valvole lineari.

La metallurgia è fondamentale per le valvole nelle applicazioni energetiche, soprattutto per quelle che operano in intervalli di pressione e temperatura supercritici o ultra-supercritici. Le leghe F91, F92, C12A, insieme a diverse leghe di Inconel e acciaio inossidabile, sono comunemente utilizzate nelle centrali elettriche moderne. Le classi di pressione includono 1500, 2500 e, in alcuni casi, 4500. La natura modulante delle centrali elettriche di picco (quelle che funzionano solo quando necessario) sottopone valvole e tubazioni a sollecitazioni enormi, richiedendo progetti robusti in grado di gestire la combinazione estrema di cicli, temperatura e pressione.
Oltre alle valvole principali del vapore, le centrali elettriche sono dotate di una fitta rete di condotte ausiliarie, popolate da una miriade di valvole a saracinesca, a globo, di ritegno, a farfalla e a sfera.

Le centrali nucleari funzionano secondo lo stesso principio del vapore e delle turbine ad alta velocità. La differenza principale è che in una centrale nucleare il vapore viene generato dal calore del processo di fissione. Le valvole delle centrali nucleari sono simili alle loro controparti per le centrali a combustibili fossili, con la differenza che si tratta di componenti di qualità superiore e dell'ulteriore requisito di assoluta affidabilità. Le valvole nucleari sono prodotte secondo standard estremamente elevati, con una documentazione di qualificazione e ispezione che occupa centinaia di pagine.

PRODUZIONE DI PETROLIO E GAS
I pozzi petroliferi e di gas e gli impianti di produzione fanno un uso intensivo di valvole, comprese molte valvole per impieghi gravosi. Sebbene sia ormai improbabile che si verifichino più zampilli di petrolio che si innalzano per centinaia di metri, l'immagine illustra la potenziale pressione del petrolio e del gas nel sottosuolo. Per questo motivo, le teste pozzo, o "alberi di Natale", vengono installate in cima alla lunga colonna di tubi di un pozzo. Questi assemblaggi, con la loro combinazione di valvole e raccordi speciali, sono progettati per gestire pressioni superiori a 10.000 psi. Sebbene raramente riscontrabili nei pozzi scavati sulla terraferma, pressioni estremamente elevate si riscontrano spesso nei pozzi offshore in profondità.

La progettazione delle apparecchiature per teste pozzo è regolata da specifiche API come la 6A, relativa alle apparecchiature per teste pozzo e alberi di Natale. Le valvole descritte nella norma 6A sono progettate per pressioni estremamente elevate ma temperature moderate. La maggior parte degli alberi di Natale contiene valvole a saracinesca e speciali valvole a globo chiamate strozzatori. Gli strozzatori vengono utilizzati per regolare il flusso dal pozzo.

Oltre alle teste pozzo stesse, un giacimento di petrolio o gas è costellato di numerose infrastrutture ausiliarie. Le apparecchiature di processo per il pretrattamento del petrolio o del gas richiedono diverse valvole. Queste valvole sono generalmente realizzate in acciaio al carbonio e classificate per le classi inferiori.

Occasionalmente, nel flusso di petrolio greggio è presente un fluido altamente corrosivo, il solfuro di idrogeno. Questo materiale, detto anche gas acido, può essere letale. Per superare le problematiche legate al gas acido, è necessario utilizzare materiali speciali o tecniche di lavorazione dei materiali conformi alla specifica NACE International MR0175.

INDUSTRIA OFFSHORE
I sistemi di tubazioni per le piattaforme petrolifere offshore e gli impianti di produzione contengono una moltitudine di valvole costruite secondo specifiche diverse per gestire l'ampia varietà di esigenze di controllo del flusso. Questi impianti includono anche diversi circuiti di controllo e dispositivi di sicurezza per la sovrapressione.

Per gli impianti di produzione petrolifera, il cuore pulsante è rappresentato dal sistema di tubazioni per il recupero di petrolio o gas. Sebbene non sempre si trovi sulla piattaforma stessa, molti sistemi di produzione utilizzano condotti e reti di tubazioni che operano nelle inospitali profondità di 10.000 piedi (circa 3.000 metri) o più. Queste apparecchiature di produzione sono costruite secondo i rigorosi standard dell'American Petroleum Institute (API) e sono citate in diverse pratiche raccomandate (RP) dell'API.

Sulla maggior parte delle grandi piattaforme petrolifere, al fluido grezzo proveniente dalla testa pozzo vengono applicati ulteriori processi. Questi includono la separazione dell'acqua dagli idrocarburi e la separazione del gas e dei liquidi di gas naturale dal flusso di fluido. Questi sistemi di tubazioni, che si estendono dopo l'albero di Natale, sono generalmente costruiti secondo i codici B31.3 dell'American Society of Mechanical Engineers (ASME), con valvole progettate in conformità alle specifiche API, quali API 594, API 600, API 602, API 608 e API 609.

Alcuni di questi sistemi possono contenere anche valvole a saracinesca, a sfera e di ritegno conformi allo standard API 6D. Poiché le condotte presenti sulla piattaforma o sulla nave di perforazione si trovano all'interno dell'impianto, i rigidi requisiti che impongono l'utilizzo di valvole API 6D per le condotte non si applicano. Sebbene in questi sistemi di tubazioni vengano utilizzati diversi tipi di valvole, la tipologia più utilizzata è la valvola a sfera.

CONDOTTI
Sebbene la maggior parte degli oleodotti sia nascosta alla vista, la loro presenza è solitamente evidente. Piccoli cartelli con la scritta "oleodotto" sono un chiaro indicatore della presenza di condotte di trasporto sotterranee. Questi oleodotti sono dotati di numerose valvole importanti lungo tutto il loro percorso. Le valvole di intercettazione di emergenza si trovano a intervalli prestabiliti da norme, regolamenti e leggi. Queste valvole svolgono la funzione vitale di isolare una sezione di oleodotto in caso di perdite o quando è necessaria la manutenzione.

Lungo il percorso di un gasdotto si trovano anche delle stazioni in cui la condotta emerge dal terreno e dove è possibile accedervi. Queste stazioni ospitano le attrezzature per il lancio dei "pig", dispositivi che vengono inseriti nelle condotte per ispezionarle o pulirle. Queste stazioni di lancio dei pig contengono solitamente diverse valvole, a saracinesca o a sfera. Tutte le valvole di un sistema di gasdotti devono essere a passaggio totale (completamente apribili) per consentire il passaggio dei pig.

Anche le condotte necessitano di energia per contrastare l'attrito interno e mantenere la pressione e il flusso del fluido. A tale scopo si utilizzano stazioni di compressione o di pompaggio, che assomigliano a versioni in miniatura di un impianto di processo, ma senza le alte torri di cracking. Queste stazioni ospitano decine di valvole a saracinesca, a sfera e di ritegno.
Le condotte stesse sono progettate in conformità a vari standard e codici, mentre le valvole per condotte sono conformi allo standard API 6D per le valvole per condotte.
Esistono anche condutture più piccole che alimentano abitazioni e strutture commerciali. Queste linee forniscono acqua e gas e sono protette da valvole di intercettazione.
I grandi comuni, soprattutto nella parte settentrionale degli Stati Uniti, forniscono vapore per il riscaldamento delle utenze commerciali. Queste condotte di distribuzione del vapore sono dotate di diverse valvole per controllare e regolare l'erogazione del vapore. Sebbene il fluido sia vapore, le pressioni e le temperature sono inferiori a quelle riscontrate nella produzione di vapore delle centrali elettriche. In questo servizio vengono utilizzati diversi tipi di valvole, anche se la classica valvola a otturatore rimane una scelta diffusa.

RAFFINERIA E PETROCHIMICA
Le valvole per raffinerie rappresentano la quota maggiore di utilizzo di valvole industriali rispetto a qualsiasi altro segmento. Le raffinerie, infatti, sono caratterizzate dalla presenza di fluidi corrosivi e, in alcuni casi, da temperature elevate.
Questi fattori determinano il modo in cui le valvole vengono costruite in conformità con le specifiche di progettazione API, come API 600 (valvole a saracinesca), API 608 (valvole a sfera) e API 594 (valvole di ritegno). A causa delle condizioni di esercizio gravose a cui sono sottoposte molte di queste valvole, è spesso necessario un margine di sicurezza maggiore per la corrosione. Tale margine si concretizza in spessori delle pareti più elevati, specificati nei documenti di progettazione API.

Praticamente ogni tipo di valvola principale è presente in abbondanza in una tipica grande raffineria. La diffusissima valvola a saracinesca rimane la più utilizzata, ma le valvole a quarto di giro stanno conquistando una quota di mercato sempre maggiore. Tra i prodotti a quarto di giro che si stanno affermando con successo in questo settore (un tempo dominato da valvole lineari) si annoverano le valvole a farfalla a triplo offset ad alte prestazioni e le valvole a sfera con sede metallica.

Le valvole a saracinesca, a globo e di ritegno standard sono ancora molto diffuse e, grazie alla robustezza del loro design e all'economicità della loro produzione, non scompariranno presto.
Le classi di pressione per le valvole delle raffinerie vanno dalla Classe 150 alla Classe 1500, con la Classe 300 che è la più diffusa.
Gli acciai al carbonio semplici, come il WCB (fuso) e l'A-105 (forgiato), sono i materiali più comunemente utilizzati per le valvole destinate al servizio delle raffinerie. Molte applicazioni nei processi di raffinazione spingono al limite le temperature massime degli acciai al carbonio semplici, pertanto per queste applicazioni vengono specificate leghe resistenti alle alte temperature. Le più diffuse sono gli acciai al cromo/molibdeno, come quelli con 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr e 9% Cr. Anche gli acciai inossidabili e le leghe ad alto contenuto di nichel vengono utilizzati in alcuni processi di raffinazione particolarmente aggressivi.

CHIMICO
L'industria chimica è un grande utilizzatore di valvole di ogni tipo e materiale. Dai piccoli impianti di produzione a lotti agli enormi complessi petrolchimici che si trovano sulla costa del Golfo, le valvole sono una componente fondamentale dei sistemi di tubazioni per i processi chimici.

Nella maggior parte dei processi chimici, le pressioni sono inferiori rispetto a quelle di molti processi di raffinazione e di generazione di energia. Le classi di pressione più comuni per valvole e tubazioni degli impianti chimici sono le classi 150 e 300. Gli impianti chimici sono stati anche il principale motore della conquista di quote di mercato da parte delle valvole a sfera a scapito delle valvole lineari negli ultimi 40 anni. La valvola a sfera con sede elastica, con la sua tenuta a zero perdite, è la soluzione ideale per molte applicazioni negli impianti chimici. Anche le dimensioni compatte della valvola a sfera sono una caratteristica molto apprezzata.
Esistono ancora alcuni impianti chimici e processi industriali in cui le valvole lineari sono preferite. In questi casi, le valvole conformi alla norma API 603, caratterizzate da pareti più sottili e peso ridotto, sono solitamente le valvole a saracinesca o a globo più utilizzate. Il controllo di alcune sostanze chimiche viene efficacemente realizzato anche con valvole a membrana o a manicotto.
A causa della natura corrosiva di molte sostanze chimiche e dei processi di produzione chimica, la scelta del materiale è fondamentale. Il materiale di fatto più utilizzato è l'acciaio inossidabile austenitico di grado 316/316L. Questo materiale si dimostra efficace nel contrastare la corrosione causata da una vasta gamma di fluidi, a volte anche aggressivi.

Per alcune applicazioni più aggressive e corrosive, è necessaria una maggiore protezione. In questi casi, si scelgono spesso altri tipi di acciaio inossidabile austenitico ad alte prestazioni, come il 317, il 347 e il 321. Altre leghe utilizzate occasionalmente per il controllo dei fluidi chimici includono Monel, Alloy 20, Inconel e 17-4 PH.

SEPARAZIONE DI GNL E GAS
Sia il gas naturale liquefatto (GNL) che i processi necessari per la sua separazione si basano su un'estesa rete di tubazioni. Queste applicazioni richiedono valvole in grado di operare a temperature criogeniche molto basse. L'industria del GNL, in rapida crescita negli Stati Uniti, è costantemente impegnata a migliorare e ottimizzare il processo di liquefazione del gas. A tal fine, le tubazioni e le valvole sono diventate di dimensioni maggiori e i requisiti di pressione sono aumentati.

Questa situazione ha richiesto ai produttori di valvole di sviluppare progetti in grado di soddisfare parametri più rigorosi. Le valvole a sfera e a farfalla a quarto di giro sono molto diffuse negli impianti GNL, con l'acciaio inossidabile 316 come materiale più utilizzato. La classe ANSI 600 rappresenta il limite di pressione standard per la maggior parte delle applicazioni GNL. Sebbene le valvole a quarto di giro siano le tipologie più comuni, negli impianti si possono trovare anche valvole a saracinesca, a globo e di ritegno.

Il servizio di separazione dei gas consiste nel suddividere un gas nei suoi elementi costitutivi. Ad esempio, i metodi di separazione dell'aria producono azoto, ossigeno, elio e altri gas in tracce. La natura a bassissima temperatura del processo implica la necessità di numerose valvole criogeniche.

Sia gli impianti di GNL che quelli di separazione del gas hanno valvole a bassa temperatura che devono rimanere operative in queste condizioni criogeniche. Ciò significa che il sistema di tenuta delle valvole deve essere sollevato rispetto al fluido a bassa temperatura mediante l'utilizzo di una colonna di gas o di condensazione. Questa colonna di gas impedisce al fluido di formare una sfera di ghiaccio attorno alla zona di tenuta, che impedirebbe allo stelo della valvola di ruotare o sollevarsi.

EDIFICI COMMERCIALI
Gli edifici commerciali ci circondano, ma a meno che non prestiamo molta attenzione durante la loro costruzione, non abbiamo idea della moltitudine di canali fluidi nascosti all'interno delle loro pareti di muratura, vetro e metallo.

Un denominatore comune in praticamente ogni edificio è l'acqua. Tutte queste strutture contengono una varietà di sistemi di tubature che trasportano diverse combinazioni del composto idrogeno/ossigeno sotto forma di liquidi potabili, acque reflue, acqua calda, acque grigie e liquidi antincendio.

Dal punto di vista della sicurezza degli edifici, i sistemi antincendio sono di fondamentale importanza. La protezione antincendio negli edifici è quasi universalmente alimentata e riempita con acqua pulita. Affinché i sistemi idrici antincendio siano efficaci, devono essere affidabili, avere una pressione sufficiente ed essere posizionati in punti strategici della struttura. Questi sistemi sono progettati per attivarsi automaticamente in caso di incendio.
Gli edifici multipiano richiedono la stessa pressione dell'acqua sia ai piani superiori che a quelli inferiori, pertanto è necessario utilizzare pompe e tubazioni ad alta pressione per portare l'acqua verso l'alto. I sistemi di tubazioni sono generalmente di classe 300 o 600, a seconda dell'altezza dell'edificio. In queste applicazioni vengono utilizzati tutti i tipi di valvole; tuttavia, i progetti delle valvole devono essere approvati da Underwriters Laboratories o Factory Mutual per il servizio di distribuzione antincendio.

Le stesse classi e tipologie di valvole utilizzate per gli impianti antincendio vengono impiegate anche per la distribuzione dell'acqua potabile, sebbene la procedura di approvazione non sia altrettanto rigorosa.
I sistemi di climatizzazione commerciali, presenti in grandi strutture aziendali come edifici per uffici, hotel e ospedali, sono generalmente centralizzati. Sono dotati di una grande unità di raffreddamento o di una caldaia per raffreddare o riscaldare il fluido utilizzato per il trasferimento di calore o aria calda. Questi sistemi devono spesso gestire refrigeranti come l'R-134a, un idrofluorocarburo, o, nel caso di impianti di riscaldamento di grandi dimensioni, il vapore. Grazie alle dimensioni compatte, le valvole a farfalla e a sfera sono diventate molto diffuse nei sistemi di raffreddamento HVAC.

Per quanto riguarda il vapore, alcune valvole a quarto di giro si sono diffuse, tuttavia molti progettisti idraulici si affidano ancora a valvole a saracinesca e a globo lineari, soprattutto se le tubazioni richiedono raccordi a saldare di testa. Per queste applicazioni a vapore di media portata, l'acciaio ha sostituito la ghisa grazie alla sua saldabilità.

Alcuni impianti di riscaldamento utilizzano acqua calda anziché vapore come fluido termovettore. Per questi sistemi, le valvole in bronzo o ghisa sono particolarmente indicate. Le valvole a sfera e a farfalla con sede elastica a quarto di giro sono molto diffuse, sebbene siano ancora in uso anche alcuni modelli lineari.

CONCLUSIONE
Sebbene le applicazioni delle valvole menzionate in questo articolo non siano visibili durante una visita da Starbucks o a casa della nonna, alcune valvole molto importanti sono sempre a portata di mano. Ci sono valvole persino nel motore dell'auto, utilizzate per raggiungere quei punti come quelle nel carburatore che controllano il flusso di carburante in entrata nel motore e quelle nel motore che controllano il flusso di benzina nei pistoni e viceversa. E se queste valvole non vi sembrano abbastanza vicine alla nostra vita quotidiana, pensate al fatto che il nostro cuore batte regolarmente attraverso quattro dispositivi vitali di controllo del flusso.

Questo è solo un altro esempio della realtà che le valvole sono davvero ovunque. VM
La seconda parte di questo articolo tratta di ulteriori settori in cui vengono utilizzate le valvole. Visitate il sito www.valvemagazine.com per leggere informazioni su cellulosa e carta, applicazioni marine, dighe ed energia idroelettrica, energia solare, siderurgia, settore aerospaziale, geotermica e produzione artigianale di birra e distillati.

Greg Johnson è presidente di United Valve (www.unitedvalve.com) a Houston. È redattore collaboratore di VALVE Magazine, ex presidente del Valve Repair Council e attuale membro del consiglio di amministrazione del VRC. Fa inoltre parte del comitato per la formazione e l'aggiornamento professionale della VMA, è vicepresidente del comitato per la comunicazione della VMA ed ex presidente della Manufacturers Standardization Society.