Dove vengono utilizzate le valvole: ovunque!

08 novembre 2017 Scritto da Greg Johnson

Oggi le valvole possono essere trovate praticamente ovunque: nelle nostre case, sotto le strade, negli edifici commerciali e in migliaia di luoghi all'interno di centrali elettriche e idriche, cartiere, raffinerie, impianti chimici e altre strutture industriali e infrastrutturali.
L’industria delle valvole ha davvero le spalle larghe, con segmenti che vanno dalla distribuzione dell’acqua all’energia nucleare fino al petrolio e al gas upstream e downstream. Ciascuna di queste industrie utilizzatrici finali utilizza alcuni tipi base di valvole; tuttavia, i dettagli costruttivi e i materiali sono spesso molto diversi. Ecco un esempio:

LAVORI DELL'ACQUA
Nel mondo della distribuzione idrica, le pressioni sono quasi sempre relativamente basse e le temperature ambiente. Questi due aspetti applicativi consentono di realizzare una serie di elementi di progettazione delle valvole che non si troverebbero su 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 valvole dell'acqua per sigillare ermeticamente le gocce.

Un'altra considerazione relativa alle valvole per il servizio idrico è la scelta dei materiali di costruzione. La ghisa e la ghisa duttile sono ampiamente utilizzate nei sistemi idrici, in particolare nelle linee di grande diametro esterno. Linee molto piccole possono essere gestite abbastanza bene con materiali per valvole in bronzo.

Le pressioni rilevate dalla maggior parte delle valvole degli acquedotti sono generalmente ben inferiori a 200 psi. Ciò significa che non sono necessari modelli con pareti più spesse e pressione più elevata. Detto questo, ci sono casi in cui le valvole dell'acqua sono costruite per gestire pressioni più elevate, fino a circa 300 psi. Queste applicazioni sono solitamente su acquedotti lunghi in prossimità della sorgente di pressione. A volte le valvole dell'acqua a pressione più elevata si trovano anche nei punti di pressione più alta in un'alta diga.

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

ACQUE REFLUE
L'altro lato dell'acqua potabile fresca che entra in una struttura o struttura è l'uscita delle acque reflue o fognarie. Queste linee raccolgono tutti i liquidi e i solidi di scarto e li indirizzano ad 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 per le acque reflue in molti casi sono molto più permissivi rispetto ai requisiti per il servizio di acqua pulita. Cancelli in ferro e valvole di ritegno sono le scelte più popolari per questo tipo di servizio. Le valvole standard in questo servizio sono costruite in conformità con le specifiche AWWA.

INDUSTRIA ENERGETICA
La maggior parte dell’energia elettrica generata negli Stati Uniti viene generata in impianti a vapore che utilizzano combustibili fossili e turbine ad alta velocità. Togliendo la copertura di una moderna centrale elettrica si otterrebbe la vista di sistemi di tubazioni ad alta pressione e ad 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 di accensione/spegnimento delle centrali elettriche, sebbene si trovino anche valvole a globo con modello a Y per scopi speciali. Le valvole a sfera ad alte prestazioni e 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 di potenza, in particolare quelle che operano negli intervalli operativi di pressione e temperatura supercritici o ultrasupercritici. F91, F92, C12A, insieme a diverse leghe di Inconel e di acciaio inossidabile, sono comunemente utilizzati nelle centrali elettriche di oggi. 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) mette a dura prova anche valvole e tubazioni, richiedendo progetti robusti per gestire la combinazione estrema di cicli, temperature e pressione.
Oltre alle principali valvole del vapore, le centrali elettriche sono dotate 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 vapore/turbina ad alta velocità. La differenza principale è che in una centrale nucleare il vapore viene creato dal calore derivante dal processo di fissione. Le valvole delle centrali nucleari sono simili alle loro cugine alimentate a combustibili fossili, fatta eccezione per il loro pedigree e 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 sono grandi utilizzatori di valvole, comprese molte valvole per carichi pesanti. Sebbene non sia più probabile che si verifichino zampilli di petrolio che fuoriescono per centinaia di piedi nell’aria, l’immagine illustra la potenziale pressione del petrolio e del gas sotterranei. Questo è il motivo per cui le teste dei pozzi o gli alberi di Natale vengono posizionati in cima alla lunga fila 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 al giorno d'oggi si trovino raramente nei pozzi scavati sulla terra, le pressioni estremamente elevate si trovano spesso nei pozzi offshore profondi.

La progettazione delle apparecchiature della testa pozzo è coperta dalle specifiche API come 6A, Specifiche per le apparecchiature della testa pozzo e dell'albero di Natale. Le valvole trattate in 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. Le strozzature vengono utilizzate per regolare il flusso dal pozzo.

Oltre alle teste dei pozzi stesse, molti impianti ausiliari popolano un giacimento di petrolio o gas. Le apparecchiature di processo per il pretrattamento del petrolio o del gas richiedono una serie di valvole. Queste valvole sono generalmente in acciaio al carbonio classificato per le classi inferiori.

Occasionalmente, nel flusso di petrolio grezzo è presente un fluido altamente corrosivo, l'idrogeno solforato. Questo materiale, chiamato anche gas acido, può essere letale. Per vincere le sfide del gas acido, è necessario seguire materiali speciali o tecniche di lavorazione dei materiali in conformità con la 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 l'ampia varietà di sfide di controllo del flusso. Queste strutture contengono anche vari circuiti del sistema di controllo e dispositivi di limitazione della pressione.

Per gli impianti di produzione petrolifera, il cuore arterioso è l'effettivo sistema di tubazioni per il recupero del petrolio o del gas. Sebbene non sempre sulla piattaforma stessa, molti sistemi di produzione utilizzano alberi di Natale e sistemi di tubazioni che operano nelle profondità inospitali di 10.000 piedi o più. Questa apparecchiatura di produzione è costruita secondo molti rigorosi standard dell'American Petroleum Institute (API) e viene citata in diverse pratiche consigliate API (RP).

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 gas naturali liquidi 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 le valvole progettate in conformità con le specifiche delle valvole API come 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 API 6D. Poiché tutte le condutture sulla piattaforma o sulla nave di trivellazione sono interne alla struttura, non si applicano i severi requisiti per l'utilizzo delle valvole API 6D per le condutture. Sebbene in questi sistemi di tubazioni vengano utilizzati più tipi di valvole, il tipo di valvola preferito è la valvola a sfera.

CONDOTTE
Sebbene la maggior parte delle condutture siano nascoste alla vista, la loro presenza è solitamente evidente. Piccoli segnali che indicano "oleodotto" sono un chiaro indicatore della presenza di tubazioni di trasporto sotterranee. Queste condotte sono dotate di numerose valvole importanti lungo tutta la loro lunghezza. Le valvole di intercettazione di emergenza delle tubazioni si trovano agli intervalli specificati da standard, codici e leggi. Queste valvole svolgono il servizio vitale di isolare una sezione di una tubazione in caso di perdita o quando è necessaria la manutenzione.

Lungo il percorso del gasdotto sono inoltre sparse strutture in cui la linea emerge da terra ed è disponibile l'accesso alla linea. Queste stazioni ospitano le attrezzature di lancio “pig”, che consistono in dispositivi inseriti nelle condutture per ispezionare o pulire la linea. Queste stazioni di lancio dei maiali contengono solitamente diverse valvole, del tipo a saracinesca o a sfera. Tutte le valvole su un sistema di tubazioni devono essere a passaggio totale (apertura totale) per consentire il passaggio dei pig.

Le condutture necessitano anche di energia per combattere l'attrito della tubazione e mantenere la pressione e il flusso della linea. Vengono utilizzati compressori o stazioni di pompaggio che assomigliano a versioni in miniatura di un impianto di processo senza le alte torri di cracking. Queste stazioni ospitano dozzine di valvole a saracinesca, a sfera e di ritegno.
Le tubazioni stesse sono progettate in conformità con vari standard e codici, mentre le valvole per tubazioni seguono le valvole per tubazioni API 6D.
Ci sono anche condutture più piccole che alimentano case e strutture commerciali. Queste linee forniscono acqua e gas e sono protette da valvole di intercettazione.
I grandi comuni, in particolare nella parte settentrionale degli Stati Uniti, forniscono vapore per il fabbisogno di riscaldamento dei clienti commerciali. Queste linee di alimentazione del vapore sono dotate di una varietà di valvole per controllare e regolare la fornitura di vapore. 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 utilizzati diversi tipi di valvole, sebbene la venerabile valvola a maschio sia ancora una scelta popolare.

RAFFINERIA E PETROLCHIMICA
Le valvole per raffinerie rappresentano un utilizzo maggiore di valvole industriali rispetto a qualsiasi altro segmento di valvole. Le raffinerie ospitano sia fluidi corrosivi che, in alcuni casi, temperature elevate.
Questi fattori determinano il modo in cui le valvole vengono costruite in conformità con le specifiche di progettazione delle valvole API come API 600 (valvole a saracinesca), API 608 (valvole a sfera) e API 594 (valvole di ritegno). A causa del servizio gravoso cui sono sottoposte molte di queste valvole, spesso è necessaria una tolleranza aggiuntiva alla corrosione. Questa tolleranza si manifesta attraverso spessori di parete maggiori specificati nei documenti di progettazione API.

Praticamente tutti i principali tipi di valvole possono essere trovati in abbondanza in una tipica grande raffineria. L'onnipresente valvola a saracinesca è ancora la regina del settore 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 sono affermati con successo in questo settore (che un tempo era anch'esso dominato da 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 si trovano ancora in massa e, grazie alla robustezza del loro design e all'economia di produzione, non scompariranno presto.
I valori di pressione per le valvole di raffineria vanno dalla Classe 150 alla Classe 1500, con la Classe 300 la più popolare.
Gli acciai semplici al carbonio, come il grado WCB (fuso) e A-105 (forgiato) sono i materiali più popolari specificati e utilizzati nelle valvole per il servizio di raffineria. Molte applicazioni dei processi di raffinazione spingono i limiti di temperatura superiori degli acciai semplici al carbonio e per queste applicazioni sono specificate leghe a temperatura più elevata. I più popolari tra questi sono gli acciai al cromo/molibdeno come 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr e 9% Cr. Gli acciai inossidabili e le leghe ad alto contenuto di nichel vengono utilizzati anche in alcuni processi di raffinazione particolarmente gravosi.

CHIMICO
L'industria chimica è un grande utilizzatore di valvole di tutti i tipi e materiali. Dai piccoli impianti batch agli enormi complessi petrolchimici presenti sulla costa del Golfo, le valvole rappresentano una parte importante dei sistemi di tubazioni dei processi chimici.

La maggior parte delle applicazioni nei processi chimici hanno una pressione inferiore rispetto a molti processi di raffinazione e produzione di energia. Le classi di pressione più popolari per le valvole e le tubazioni degli impianti chimici sono le Classi 150 e 300. Gli impianti chimici sono stati anche il principale motore della conquista delle quote di mercato che le valvole a sfera hanno strappato alle valvole lineari negli ultimi 40 anni. La valvola a sfera con sede resiliente, con la sua chiusura a perdite zero, è perfetta per molte applicazioni negli impianti chimici. Anche le dimensioni compatte della valvola a sfera sono una caratteristica apprezzata.
Esistono ancora alcuni impianti chimici e processi produttivi in ​​cui si preferiscono le valvole lineari. In questi casi, le popolari valvole progettate API 603, con pareti più sottili e pesi più leggeri, sono solitamente la valvola a saracinesca o a globo da scegliere. Il controllo di alcune sostanze chimiche viene effettuato efficacemente anche con valvole a membrana o a manicotto.
A causa della natura corrosiva di molti prodotti chimici e dei processi di produzione chimica, la selezione dei materiali è fondamentale. Il materiale di fatto è il grado 316/316L dell'acciaio inossidabile austenitico. Questo materiale funziona bene per combattere la corrosione causata da una serie di fluidi a volte dannosi.

Per alcune applicazioni corrosive più impegnative è necessaria una maggiore protezione. In queste situazioni vengono spesso scelti altri gradi di acciaio inossidabile austenitico ad alte prestazioni, come 317, 347 e 321. Altre leghe utilizzate di tanto in tanto per controllare i fluidi chimici includono Monel, Alloy 20, Inconel e 17-4 PH.

SEPARAZIONE GNL E GAS
Sia il gas naturale liquido (GNL) che i processi necessari per la separazione del gas si basano su ampie tubazioni. Queste applicazioni richiedono valvole in grado di funzionare a temperature criogeniche molto basse. L’industria del GNL, che è in rapida crescita negli Stati Uniti, è continuamente alla ricerca di aggiornare e migliorare il processo di liquefazione del gas. A tal fine, le tubazioni e le valvole sono diventate molto più grandi e i requisiti di pressione sono aumentati.

Questa situazione ha richiesto ai produttori di valvole di sviluppare progetti per soddisfare parametri più severi. Le valvole a sfera e a farfalla a un quarto di giro sono popolari per il servizio GNL, con il 316ss [acciaio inossidabile] il materiale più popolare. La Classe ANSI 600 è il limite di pressione abituale per la maggior parte delle applicazioni GNL. Sebbene i prodotti a quarto di giro siano i tipi di valvole più popolari, negli stabilimenti si possono trovare anche valvole a saracinesca, a globo e di ritegno.

Il servizio di separazione del gas prevede la suddivisione del gas nei suoi singoli elementi fondamentali. Ad esempio, i metodi di separazione dell’aria producono azoto, ossigeno, elio e altri gas in traccia. La natura del processo a temperatura molto bassa implica che sono necessarie molte valvole criogeniche.

Sia gli impianti di GNL che quelli di separazione del gas dispongono di valvole a bassa temperatura che devono rimanere operative in queste condizioni criogeniche. Ciò significa che il sistema di baderna della valvola deve essere sollevato dal fluido a bassa temperatura mediante 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 impaccamento, 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 a come vengono costruiti, abbiamo pochi indizi sulla moltitudine di arterie fluide nascoste all'interno delle loro pareti di muratura, vetro e metallo.

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

Dal punto di vista della sopravvivenza dell’edificio, i sistemi antincendio sono molto critici. 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 convenientemente in tutta la struttura. Questi sistemi sono progettati per energizzarsi automaticamente in caso di incendio.
Gli edifici a molti piani richiedono lo stesso servizio di pressione dell'acqua ai piani superiori e ai piani inferiori, quindi 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 utilizzate tutte le tipologie di valvole; tuttavia, i progetti delle valvole devono essere approvati da Underwriters Laboratories o Factory Mutual per il servizio principale antincendio.

Le stesse classi e tipologie di valvole utilizzate per le valvole dei servizi antincendio vengono utilizzate per la distribuzione dell'acqua potabile, sebbene il processo di approvazione non sia così rigoroso.
I sistemi di climatizzazione commerciale presenti in grandi strutture aziendali come edifici per uffici, hotel e ospedali sono generalmente centralizzati. Sono dotati di una grande unità di refrigerazione o caldaia per raffreddare o riscaldare il fluido utilizzato per il trasferimento di freddo o alta temperatura. Questi sistemi spesso devono gestire refrigeranti come R-134a, un idrofluorocarburo o, nel caso dei principali sistemi di riscaldamento, vapore. A causa delle dimensioni compatte delle valvole a farfalla e a sfera, questi tipi sono diventati popolari nei sistemi di refrigerazione HVAC.

Sul lato vapore, alcune valvole a quarto di giro hanno fatto breccia nell'uso, ma molti ingegneri idraulici si affidano ancora a valvole a saracinesca lineari e a globo, in particolare se le tubazioni richiedono estremità saldate di testa. Per queste applicazioni con vapore moderato, l'acciaio ha preso il posto della ghisa a causa della saldabilità dell'acciaio.

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

CONCLUSIONE
Anche se 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 nelle vicinanze. Ci sono anche valvole nel motore dell'auto utilizzate per raggiungere quei 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 quelle valvole non sono abbastanza vicine alla nostra vita quotidiana, consideriamo il fatto che i nostri cuori battono regolarmente attraverso quattro dispositivi di controllo del flusso vitale.

Questo è solo un altro esempio della realtà: le valvole sono davvero ovunque. VM
La Parte II di questo articolo copre altri settori in cui vengono utilizzate le valvole. Vai su www.valvemagazine.com per leggere informazioni su pasta di legno e carta, applicazioni marine, dighe ed energia idroelettrica, solare, ferro e acciaio, aerospaziale, geotermica e produzione e distillazione artigianale.

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 l'istruzione e la formazione di VMA, è vicepresidente del comitato per le comunicazioni di VMA ed è ex presidente della Manufacturers Standardization Society.