Dove vengono utilizzate le valvole: ovunque!

08 novembre 2017 Scritto da Greg Johnson

Oggigiorno le valvole si trovano praticamente ovunque: nelle nostre case, sotto le strade, negli edifici commerciali e in migliaia di posti 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 idrica all'energia nucleare, fino al petrolio e al gas a monte e a valle. Ciascuno di questi settori utilizza alcune tipologie base di valvole; tuttavia, i dettagli costruttivi e i materiali sono spesso molto diversi. Eccone un esempio:

OPERE IDRICHE
Nel mondo della distribuzione idrica, le pressioni sono quasi sempre relativamente basse e le temperature sono quelle ambiente. Queste due caratteristiche applicative consentono di progettare valvole con diversi elementi che non si troverebbero in apparecchiature più complesse, come le valvole per vapore ad alta temperatura. La temperatura ambiente del servizio idrico consente l'uso di elastomeri e guarnizioni in gomma non adatti altrove. Questi materiali morbidi consentono di equipaggiare le valvole per l'acqua in modo da sigillare ermeticamente eventuali gocciolamenti.

Un altro aspetto da considerare nelle valvole per il servizio idrico è la scelta dei materiali di costruzione. Ghisa e ghisa sferoidale sono ampiamente utilizzate negli impianti idrici, in particolare nelle condotte di grande diametro esterno. Le condotte molto piccole possono essere gestite senza problemi con valvole in bronzo.

Le pressioni a cui sono sottoposte la maggior parte delle valvole degli acquedotti sono solitamente ben al di sotto dei 200 psi. Ciò significa che non sono necessarie valvole con pareti più spesse e pressioni più elevate. Detto questo, ci sono casi in cui le valvole per l'acqua sono 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. A volte, valvole per l'acqua ad alta pressione si trovano anche nei punti di massima pressione di una diga alta.

L'American Water Works Association (AWWA) ha pubblicato specifiche che coprono molti tipi diversi di valvole e attuatori utilizzati nelle applicazioni idriche.

ACQUE REFLUE
Il rovescio della medaglia dell'acqua potabile fresca che entra in una struttura o impianto è l'uscita delle acque reflue o fognarie. Queste linee raccolgono tutti i liquidi e i solidi di scarto e li convogliano verso un impianto di trattamento delle acque reflue. Questi impianti di trattamento 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 più permissivi rispetto a quelli per il servizio di acqua pulita. Le valvole a saracinesca e di ritegno in ferro sono le scelte più diffuse 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 generata negli Stati Uniti è generata in centrali a vapore che utilizzano combustibili fossili e turbine ad alta velocità. Sollevando il coperchio di una moderna centrale elettrica, si possono ammirare i 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 la scelta principale per le applicazioni on/off delle centrali elettriche, sebbene siano disponibili anche valvole a globo con configurazione a Y per impieghi speciali. Le valvole a sfera ad alte prestazioni per servizi critici stanno guadagnando popolarità tra alcuni progettisti di centrali elettriche e si stanno facendo strada in questo mondo un tempo dominato dalle valvole lineari.

La metallurgia è fondamentale per le valvole nelle applicazioni energetiche, in particolare quelle che operano in intervalli di pressione e temperatura supercritici o ultra-supercritici. F91, F92, C12A, insieme a diverse leghe di Inconel e acciaio inossidabile, sono comunemente utilizzati nelle centrali elettriche odierne. Le classi di pressione includono 1500, 2500 e in alcuni casi 4500. La natura modulante delle centrali elettriche di punta (quelle che funzionano solo quando necessario) sottopone inoltre a un'enorme sollecitazione valvole e tubazioni, richiedendo progetti robusti per gestire l'estrema combinazione di cicli, temperatura e pressione.
Oltre alle valvole principali del vapore, le centrali elettriche sono dotate di condotte ausiliarie, dotate di 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/turbina ad alta velocità. La differenza principale è che in una centrale nucleare il vapore viene creato dal calore del processo di fissione. Le valvole delle centrali nucleari sono simili a quelle delle loro cugine a combustibili fossili, fatta eccezione per la loro eredità e per il requisito aggiuntivo di assoluta affidabilità. Le valvole nucleari sono prodotte secondo standard estremamente elevati, con la documentazione di qualificazione e ispezione che riempie centinaia di pagine.

PRODUZIONE DI PETROLIO E GAS
I pozzi di petrolio e gas e gli impianti di produzione utilizzano massicciamente le valvole, comprese molte valvole per impieghi gravosi. Sebbene non sia più probabile che si verifichino getti di petrolio a centinaia di metri di altezza, l'immagine illustra la potenziale pressione del petrolio e del gas sotterranei. Questo è il motivo per cui le teste di pozzo o gli alberi di Natale vengono posizionati in cima alla lunga serie di tubi di un pozzo. Questi gruppi, con la loro combinazione di valvole e raccordi speciali, sono progettati per gestire pressioni superiori a 10.000 psi. Sebbene oggigiorno siano rare nei pozzi scavati sulla terraferma, le pressioni estremamente elevate si riscontrano spesso nei pozzi offshore profondi.

La progettazione delle apparecchiature per teste di pozzo è disciplinata da specifiche API come la 6A, "Specifiche per teste di pozzo e apparecchiature per alberi di Natale". Le valvole contemplate dalla 6A sono progettate per pressioni estremamente elevate ma temperature modeste. 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 di pozzo vere e proprie, un giacimento di petrolio o gas è popolato da numerose strutture ausiliarie. Le apparecchiature di processo per il pretrattamento del petrolio o del gas richiedono diverse valvole. Queste valvole sono solitamente in acciaio al carbonio classificate per classi inferiori.

Occasionalmente, nel flusso di petrolio grezzo è presente un fluido altamente corrosivo, l'acido solfidrico. Questo materiale, chiamato anche gas acido, può essere letale. Per superare le sfide poste dal gas acido, è necessario utilizzare materiali speciali o tecniche di lavorazione conformi alla specifica internazionale NACE MR0175.

INDUSTRIA OFFSHORE
I sistemi di tubazioni per piattaforme petrolifere offshore e impianti di produzione contengono una moltitudine di valvole costruite secondo specifiche diverse per gestire le diverse sfide di controllo del flusso. Queste strutture includono anche vari circuiti di controllo e dispositivi di sicurezza.

Per gli impianti di produzione petrolifera, il cuore arterioso è il sistema di tubazioni di recupero del petrolio o del gas. Sebbene non sempre si trovino sulla piattaforma stessa, molti sistemi di produzione utilizzano sistemi di tubazioni e sistemi di tubazioni che operano nelle inospitali profondità di 3.000 metri o più. Queste apparecchiature di produzione sono costruite secondo numerosi e rigorosi standard dell'American Petroleum Institute (API) e sono citate in diverse pratiche raccomandate (RP) dell'API.

Sulla maggior parte delle grandi piattaforme petrolifere, vengono applicati processi aggiuntivi al fluido grezzo proveniente dalla testa pozzo. 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 post-albero di Natale sono generalmente costruiti secondo i codici di tubazioni B31.3 dell'American Society of Mechanical Engineers, con valvole progettate in conformità alle specifiche API, come API 594, API 600, API 602, API 608 e API 609.

Alcuni di questi sistemi possono anche contenere valvole a saracinesca, a sfera e di ritegno API 6D. Poiché tutte le condotte sulla piattaforma o sulla nave di perforazione sono interne all'impianto, i rigorosi requisiti per 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 valvola prescelta è la valvola a sfera.

CONDOTTI
Sebbene la maggior parte delle condotte 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. Queste condotte sono dotate di numerose valvole importanti lungo tutto il loro percorso. Le valvole di intercettazione di emergenza sono presenti a intervalli specificati da norme, codici e leggi. Queste valvole svolgono la funzione fondamentale di isolare una sezione di una condotta in caso di perdite o quando è necessaria la manutenzione.

Lungo il percorso di un gasdotto sono inoltre presenti strutture in cui la condotta emerge dal terreno ed è possibile accedervi. Queste stazioni ospitano le attrezzature di lancio "pig", ovvero dispositivi inseriti nelle condotte per ispezionarle o pulirle. Queste stazioni di lancio "pig" contengono solitamente diverse valvole, a saracinesca o a sfera. Tutte le valvole di un sistema di condotte devono essere a passaggio completo (ad apertura totale) per consentire il passaggio dei "pig".

Le condotte necessitano anche di energia per contrastare l'attrito e mantenere la pressione e il flusso della linea. Vengono utilizzate stazioni di compressione o pompaggio che sembrano versioni ridotte 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 delle condotte seguono le valvole per condotte API 6D.
Esistono anche condotte più piccole che alimentano abitazioni e strutture commerciali. Queste linee forniscono acqua e gas e sono protette da valvole di intercettazione.
Grandi comuni, in particolare nella parte settentrionale degli Stati Uniti, forniscono vapore per il riscaldamento di clienti commerciali. Queste linee di alimentazione del vapore sono dotate di una varietà di valvole per controllare e regolare l'erogazione. Sebbene il fluido sia vapore, le pressioni e le temperature sono inferiori a quelle riscontrate nella generazione di vapore delle centrali elettriche. In questo servizio vengono utilizzate diverse tipologie di valvole, sebbene la venerabile valvola a maschio sia ancora una scelta popolare.

RAFFINERIA E PETROLCHIMICA
Le valvole per raffineria rappresentano il settore industriale più utilizzato rispetto a qualsiasi altro. Le raffinerie ospitano fluidi corrosivi e, in alcuni casi, temperature elevate.
Questi fattori determinano la modalità di costruzione delle valvole in conformità alle specifiche di progettazione API, come API 600 (valvole a saracinesca), API 608 (valvole a sfera) e API 594 (valvole di ritegno). A causa del servizio gravoso a cui molte di queste valvole sono sottoposte, spesso è necessaria una tolleranza di corrosione maggiore. Questa tolleranza si manifesta attraverso spessori di parete maggiori, specificati nei documenti di progettazione API.

Praticamente tutti i principali tipi di valvole sono presenti in abbondanza in una tipica grande raffineria. L'onnipresente valvola a saracinesca è ancora il re della collina con la popolazione più numerosa, ma le valvole a quarto di giro stanno conquistando una quota di mercato sempre maggiore. I prodotti a quarto di giro che si stanno affermando con successo in questo settore (che un tempo era dominato anche dai prodotti lineari) includono valvole a farfalla a triplo offset ad alte prestazioni e valvole a sfera con sede metallica.

Le valvole a saracinesca, a globo e di ritegno standard sono ancora diffuse in massa e, grazie alla robustezza del loro design e all'economicità della loro produzione, non scompariranno tanto presto.
I valori 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 grado WCB (fuso) e l'A-105 (forgiato), sono i materiali più comunemente specificati e utilizzati nelle valvole per il servizio di raffineria. Molte applicazioni di processo di raffinazione spingono i limiti di temperatura massimi degli acciai al carbonio semplici e per queste applicazioni vengono specificate leghe per temperature più elevate. I più comuni tra questi sono gli acciai al cromo/molibdeno come 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 gravosi.

CHIMICO
L'industria chimica utilizza grandi quantità di valvole di ogni tipo e materiale. Dai piccoli impianti di produzione ai grandi complessi petrolchimici della costa del Golfo, le valvole sono una componente fondamentale dei sistemi di tubazioni per i processi chimici.

La maggior parte delle applicazioni nei processi chimici richiede pressioni inferiori rispetto a molti processi di raffinazione e produzione di energia. Le classi di pressione più diffuse per valvole e tubazioni di 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 rispetto alle valvole lineari negli ultimi 40 anni. La valvola a sfera con sede resiliente, con la sua chiusura a perdita zero, è perfetta per molte applicazioni in impianti chimici. Anche le dimensioni compatte della valvola a sfera sono una caratteristica apprezzata.
Esistono ancora alcuni impianti chimici e processi in cui le valvole lineari sono preferite. In questi casi, le popolari valvole API 603, con pareti più sottili e pesi più leggeri, sono solitamente le valvole a saracinesca o a globo preferite. Il controllo di alcune sostanze chimiche è anche efficacemente ottenuto con valvole a membrana o a manicotto.
Data la natura corrosiva di molti prodotti chimici e dei relativi processi di produzione, la scelta del materiale è fondamentale. Il materiale di riferimento è l'acciaio inossidabile austenitico di grado 316/316L. Questo materiale è efficace nel contrastare la corrosione causata da una serie di fluidi a volte nocivi.

Per alcune applicazioni corrosive più gravose, è necessaria una maggiore protezione. In queste situazioni, vengono spesso scelti altri tipi di acciaio inossidabile austenitico ad alte prestazioni, come 317, 347 e 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 separazione del gas si basano su tubazioni di grandi dimensioni. 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 alla ricerca di aggiornamenti e miglioramenti del processo di liquefazione del gas. A tal fine, tubazioni e valvole sono diventate molto più grandi e i requisiti di pressione sono aumentati.

Questa situazione ha costretto i produttori di valvole a sviluppare progetti in grado di soddisfare parametri più severi. Le valvole a sfera e a farfalla a quarto di giro sono diffuse per il servizio GNL, con l'acciaio inossidabile 316 come materiale più diffuso. La Classe ANSI 600 è il limite di pressione più comune per la maggior parte delle applicazioni GNL. Sebbene i prodotti a quarto di giro siano i tipi di valvole più diffusi, negli impianti si trovano anche valvole a saracinesca, a globo e di ritegno.

Il servizio di separazione del gas prevede la suddivisione del gas nei suoi singoli elementi base. Ad esempio, i metodi di separazione dell'aria producono azoto, ossigeno, elio e altri gas traccia. La natura a bassissima temperatura del processo richiede numerose valvole criogeniche.

Sia gli impianti di GNL che quelli di separazione del gas sono dotati di valvole a bassa temperatura che devono rimanere operative in queste condizioni criogeniche. Ciò significa che il sistema di riempimento delle valvole deve essere sollevato dal fluido a bassa temperatura tramite l'uso di una colonna di gas o di condensazione. Questa colonna di gas impedisce al fluido di formare una palla di ghiaccio attorno all'area di riempimento, impedendo allo stelo della valvola di ruotare o sollevarsi.

EDIFICI COMMERCIALI
Siamo circondati da edifici commerciali, ma se non prestiamo molta attenzione durante la loro costruzione, non abbiamo idea della moltitudine di arterie di fluidi nascoste tra le loro pareti di muratura, vetro e metallo.

Un denominatore comune in quasi tutti gli edifici è l'acqua. Tutte queste strutture contengono una varietà di sistemi di tubazioni che trasportano numerose combinazioni del composto idrogeno/ossigeno sotto forma di fluidi potabili, acque reflue, acqua calda, acque grigie e sistemi antincendio.

Dal punto di vista della sopravvivenza di un edificio, gli impianti antincendio sono di fondamentale importanza. La protezione antincendio negli edifici è quasi sempre alimentata e riempita con acqua pulita. Affinché gli impianti antincendio siano efficaci, devono essere affidabili, avere una pressione sufficiente ed essere opportunamente posizionati all'interno della struttura. Questi impianti sono progettati per attivarsi automaticamente in caso di incendio.
Gli edifici alti richiedono la stessa pressione idrica ai piani superiori e ai piani inferiori, pertanto è necessario utilizzare pompe e tubazioni ad alta pressione per far salire l'acqua. Le tubazioni sono solitamente di Classe 300 o 600, a seconda dell'altezza dell'edificio. In queste applicazioni vengono utilizzati tutti i tipi di valvole; tuttavia, il design delle valvole deve essere approvato da Underwriters Laboratories o Factory Mutual per il servizio antincendio.

Per la distribuzione dell'acqua potabile vengono utilizzate le stesse classi e tipologie di valvole utilizzate per le valvole antincendio, sebbene il processo di approvazione non sia altrettanto rigoroso.
Gli impianti di condizionamento commerciale presenti in grandi strutture commerciali come uffici, hotel e ospedali sono solitamente centralizzati. Sono dotati di un'unità di raffreddamento o di una caldaia di grandi dimensioni per raffreddare o riscaldare il fluido utilizzato per trasferire freddo o alte temperature. Questi impianti spesso devono gestire refrigeranti come l'R-134a, un idrofluorocarburo, o, nel caso di impianti di riscaldamento di grandi dimensioni, il vapore. Grazie alle dimensioni compatte delle valvole a farfalla e a sfera, queste tipologie sono diventate popolari nei sistemi di refrigerazione HVAC.

Per quanto riguarda il vapore, alcune valvole a quarto di giro hanno trovato impiego, ma molti ingegneri idraulici si affidano ancora a valvole a saracinesca e a globo lineari, soprattutto se le tubazioni richiedono estremità saldate di testa. Per queste applicazioni a vapore di modesta entità, l'acciaio ha sostituito la ghisa grazie alla sua saldabilità.

Alcuni sistemi di riscaldamento utilizzano acqua calda al posto del vapore come fluido di trasferimento. Questi sistemi sono ben serviti da valvole in bronzo o ferro. Le valvole a sfera e a farfalla a un quarto di giro con sede elastica sono molto diffuse, sebbene alcuni modelli lineari siano ancora utilizzati.

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

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

GREG JOHNSON è presidente di United Valve (www.unitedvalve.com) a Houston. È redattore di VALVE Magazine, ex presidente del Valve Repair Council e attuale membro del consiglio di amministrazione del VRC. È inoltre membro del Comitato per l'Istruzione e la Formazione della VMA, è vicepresidente del Comitato per le Comunicazioni della VMA ed è stato presidente della Manufacturers Standardization Society.