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Che cos'è una Valvola di Sicurezza
Terminologia
La terminologia relativa alle valvole di sicurezza può essere talvolta confusionaria a causa della vasta gamma di dispositivi di sfogo della pressione disponibili e delle diverse normative vigenti in vari Paesi. In sostanza, sia "valvola di sicurezza" che " valvola di rilievo della pressione " sono termini generici utilizzati per descrivere dispositivi di sfogo della pressione progettati per prevenire un eccessivo accumulo di pressione interna nei fluidi.
Nei diversi standard nazionali, vengono fornite definizioni specifiche per i termini associati alle valvole di sicurezza. È importante notare che ci sono significative differenze tra la terminologia utilizzata negli Stati Uniti e quella utilizzata in Europa. Ad esempio, ciò che in Europa viene definito "valvola di sicurezza" potrebbe essere chiamato " valvola di rilievo della pressione " o "valvola di sfogo della pressione" negli Stati Uniti. Inoltre, il termine "valvola di sicurezza" negli Stati Uniti spesso denota specificamente il tipo di valvola di sicurezza a sollevamento completo comunemente usata in Europa.
A causa di queste variazioni nella terminologia e nelle normative, sono necessari diversi tipi di progettazione delle valvole di sicurezza per soddisfare i requisiti specifici delineati dalle normative di ciascun Paese. I produttori devono garantire la conformità a queste norme per assicurare un funzionamento sicuro ed efficace dei loro sistemi di sfogo della pressione.
Nel campo della sicurezza industriale, le valvole di sfogo della pressione svolgono un ruolo cruciale nel proteggere attrezzature e personale dai pericoli derivanti dall'eccessivo accumulo di pressione nei sistemi. Per garantire coerenza e affidabilità nella progettazione e nell'applicazione, sono stati stabiliti vari standard da organizzazioni come l'American Society of Mechanical Engineers (ASME), l'American National Standards Institute (ANSI) e il Comitato Europeo di Normazione (CEN).
Gli standard ASME/ANSI PTC25.3, applicabili negli Stati Uniti, definiscono diversi termini generici relativi alle valvole di sfogo della pressione. Questi includono la "valvola di rilievo della pressione" (PRV), caratterizzata dal suo meccanismo a molla progettato per aprirsi rapidamente per alleviare la pressione eccessiva. Questo tipo di valvola può esibire un'azione di "scoppio" (POP) ad apertura rapida o aprire in proporzione all'aumento di pressione rispetto alla pressione di apertura. Comprende valvole di sicurezza, valvola di rilievo della pressione e valvole di sicurezza a rilievo della pressione, servendo varie applicazioni con fluidi comprimibili o incomprimibili.
Tra queste, la "valvola di sicurezza" (PSV) si distingue come valvola di rilievo della pressione azionata dalla pressione statica in ingresso, nota per la sua apertura rapida o azione di "scoppio" (POP). Utilizzate principalmente con gas comprimibili, le valvole di sicurezza trovano ampio impiego nei servizi di vapore e gas, fornendo una protezione vitale contro scenari di sovrappressione. In aggiunta, possono essere utilizzate in applicazioni di processo per salvaguardare attrezzature o prevenire il deterioramento del prodotto.
Al contrario, lo standard europeo EN ISO 4126-1 offre una definizione distinta per la "valvola di sicurezza". Secondo questo standard, una valvola di sicurezza è un dispositivo che scarica automaticamente il fluido per evitare che una pressione sicura prestabilita venga superata. A differenza di altri tipi di valvole di sfogo della pressione, una valvola di sicurezza opera esclusivamente basandosi sull'energia del fluido stesso, chiudendosi una volta ripristinate le condizioni di pressione normali.
La principale distinzione tra questi standard risiede nella loro terminologia e focus. Mentre gli standard ASME/ANSI forniscono un quadro completo per vari tipi di valvole di sfogo della pressione, enfatizzando le loro caratteristiche operative, lo standard europeo prioritizza l'aspetto funzionale delle valvole di sicurezza nel prevenire il superamento della pressione.
In sintesi, sia gli standard ASME/ANSI PTC25.3 che l'EN ISO 4126-1 europeo offrono preziose indicazioni sulla progettazione e sull'applicazione delle valvole di sfogo della pressione. Comprendere le sfumature di questi standard è essenziale per garantire la conformità e selezionare le valvole di sfogo della pressione più adatte per specifiche applicazioni industriali, migliorando così la sicurezza e l'affidabilità nelle operazioni industriali.
Storia
Fin dall'antichità, la capacità dell'umanità di sfruttare il potere del vapore è stata accompagnata dal riconoscimento della critica necessità di misure di sicurezza. Risalendo a oltre 2000 anni fa, i cinesi hanno ingegnosamente impiegato caldaie con coperchi incernierati, aprendo la strada a un metodo relativamente più sicuro per la produzione di vapore. Questa prima innovazione ha gettato le basi per futuri progressi nella tecnologia del vapore.
Nel XIV secolo, i chimici hanno iniziato ad implementare dispositivi di sicurezza su recipienti pressurizzati, iniziando con spine coniche e passando successivamente a molle compressi. Tuttavia, solo all'inizio del XIX secolo è emersa l'importanza dei meccanismi di sicurezza. Tragicamente, le esplosioni di caldaie a bordo di navi e locomotive erano troppo comuni, spesso causate da dispositivi di sicurezza difettosi.
Questo urgente bisogno di migliorare la sicurezza ha stimolato lo sviluppo delle prime valvole di sicurezza. Nel 1848, l'invenzione della camera di accumulo di Charles Retchie ha segnato un significativo avanzamento nella tecnologia delle valvole di sicurezza. Questa innovazione ha aumentato la superficie di compressione all'interno delle valvole di sicurezza, consentendo loro di aprirsi rapidamente entro un margine di sovrapressione ristretto.
Oggi, rigorose normative sulla salute e la sicurezza spingono la maggior parte degli utenti di pressione ad integrare dispositivi di sicurezza e precauzioni nelle loro strutture, impianti e processi. Queste misure servono a prevenire condizioni pericolose e proteggere sia la vita che la proprietà. La funzione principale di una valvola di sicurezza rimane chiara: proteggere contro i guasti catastrofici causati da sovrappressione.
Mentre riflettiamo sull'evoluzione della sicurezza della pressione, dalle rudimentali caldaie dei tempi antichi alle sofisticate valvole di sicurezza di oggi, una cosa rimane costante: l'importanza di dare priorità alla sicurezza in tutti gli sforzi correlati alla pressione. Abbracciando i progressi tecnologici e aderendo a rigorosi standard di sicurezza, possiamo garantire che la pressione continui ad essere sfruttata in modo sicuro ed efficace per le generazioni future.
Funzione delle valvole di sicurezza
Nei contesti industriali, dove i processi coinvolgono alte pressioni e temperature, garantire la sicurezza è fondamentale. Tra i dispositivi principali utilizzati per prevenire sovrappressioni e potenziali guasti catastrofici ci sono le valvole di sicurezza. Queste valvole sono progettate per rilasciare un volume controllato di fluido da all'interno di un sistema quando si raggiunge una pressione massima predeterminata, riducendo così la pressione in eccesso in modo sicuro.
Le valvole di sicurezza fungono da salvaguardie critiche, specialmente in scenari in cui potrebbero essere l'ultima linea di difesa contro esiti disastrosi derivanti da condizioni di sovrappressione. Pertanto, è imperativo che questi dispositivi siano installati non solo ovunque la pressione massima consentita di un sistema o di un contenitore a pressione sia probabile che venga superata, ma anche per garantire di operare in modo affidabile sotto tutte le condizioni possibili.
Le valvole di sicurezza vengono impiegate in varie operazioni di processo per prevenire danni ai prodotti causati da pressioni eccessive. L'eccesso di pressione può derivare da una moltitudine di circostanze, come:
- Malfunzionamento del regolatore di pressione
- Caso incendio esterno
- Errore del sistema di raffreddamento o variazioni della temperatura ambiente che portano all'espansione del fluido
- Guasti allo scambiatore di calore
- Aumento del flusso dovuto a valvole di isolamento erroneamente chiuse o aperte
- Reazioni chimiche dei fluidi
Alla luce di questi potenziali rischi, l'installazione e il corretto funzionamento delle valvole di sicurezza sono cruciali per mantenere l'integrità operativa e garantire la sicurezza del personale e delle attrezzature. Mitigando efficacemente i rischi associati alle condizioni di sovrappressione, le valvole di sicurezza svolgono un ruolo indispensabile nel proteggere i processi industriali e prevenire costosi incidenti.
Le valvole di sicurezza fungono da guardiani vitali, proteggendo contro le conseguenze devastanti degli eventi di sovrappressione e mantenendo gli standard di sicurezza in ambienti ad alto rischio. Con il continuo sviluppo delle industrie, è essenziale dare priorità all'implementazione e alla manutenzione di robuste misure di sicurezza, comprese le valvole di sicurezza, per promuovere un ambiente di lavoro sicuro e sostenibile.
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Design delle valvole di sicurezza
Comunemente chiamate "valvole di sicurezza standard" o "valvole di sicurezza convenzionali", questi dispositivi offrono meccanismi di protezione auto-attivi semplici ma affidabili.
Al centro del design si trova un corpo valvola a angolo retto, caratterizzato da un collegamento o ugello di ingresso montato sul sistema contenente la pressione. Il collegamento di uscita, di solito filettato o flangiato, facilita il collegamento a un sistema di scarico convogliato. Tuttavia, in certe applicazioni come i sistemi ad aria compressa, le valvole di sicurezza possono scaricare il fluido direttamente nell'atmosfera, senza un collegamento di uscita.
Il design dell'ingresso della valvola può assumere due forme: a boccaglio pieno o a semi boccaglio. I design a boccaglio pieno presentano un ingresso "wet" realizzato da un'unica parte, ideale per applicazioni di processo e ad alta pressione, specialmente quando si tratta di fluidi corrosivi. Al contrario, i design a semi boccaglio incorporano un anello di seduta nel corpo, offrendo il vantaggio della facile sostituzione della sede senza necessariamente sostituire l'intero ingresso.
Il meccanismo operativo principale ruota attorno all'interazione tra il disco e la sede dell'orifizio. In condizioni normali, il disco è tenuto contro la sede da una molla alloggiata in un dispositivo di supporto a molla aperto o chiuso installato sulla parte superiore del corpo. Le valvole di sicurezza ad apertura rapida impiegano un otturatore che circonda il disco per facilitare l'apertura rapida.
La forza di chiusura sul disco è esercitata dalla molla, tipicamente realizzata in acciaio al carbonio. La compressione sulla molla, regolabile con una vite di regolazione, determina la pressione alla quale il disco si solleva dalla sede, fornendo protezione contro la sovrapressione.
Gli standard che disciplinano il design e l'uso delle valvole di sicurezza si concentrano nella definizione di dimensioni chiave legate alla capacità di scarico della valvola. Queste dimensioni includono l'area di flusso, l'area di tenda e l'area di scarico, ognuna cruciale per determinare il flusso attraverso la valvola.
L'area di flusso rappresenta l'area minima della sezione trasversale tra l'ingresso e la sede, mentre l'area della tenda riguarda l'area dell'apertura di scarico creata dal sollevamento del disco. L'area di scarico, la minore tra l'area del tendaggio e l'area del flusso, alla fine definisce la capacità di flusso della valvola.
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Funzionamento di una valvola di sicurezza
Quando la pressione statica in ingresso supera la pressione di taratura impostata della valvola di sicurezza, il disco della valvola inizia a sollevarsi dalla sua sede. La pressione iniziale di perdita udibile, nota come pressione di taratura, di solito mantiene una tolleranza di +/- 3% o +/- 0,1 barg, a seconda del valore più alto. Mentre la molla inizia a comprimersi, la pressione deve continuare a salire prima che si verifichi un flusso significativo attraverso la valvola.
L'aumento di pressione aggiuntivo richiesto affinché la valvola di sicurezza scarichi la sua capacità nominale è chiamato sovrapressione. Questa sovrapressione ammissibile, regolata da standard e requisiti applicativi, di solito ha una tolleranza di variazione della pressione di taratura +10% o +0,1 barg, a seconda del valore più alto.
Man mano che il sollevamento inizia e il fluido entra nella camera dell’otturatore, una maggiore area dell’otturatore viene esposta alla pressione del fluido, aumentando la forza di apertura. Questo aumento incrementale della forza di apertura compensa la forza della molla in aumento, risultando in un'apertura rapida della valvola.
Contemporaneamente, l’otturatore inverte la direzione del flusso, generando una forza di reazione che potenzia ulteriormente il sollevamento. Questi effetti combinati consentono alla valvola di raggiungere il suo sollevamento progettato entro una percentuale relativamente piccola della sovrapressione.
Dopo che una valvola di sicurezza ha scaricato la pressione e le condizioni operative normali sono ripristinate, è cruciale che la valvola si chiuda prontamente. Tuttavia, a causa della maggiore area del disco ancora esposta al fluido, la valvola rimane aperta finché la pressione non scende al di sotto della pressione di taratura originale. Questo divario tra la pressione di taratura e la pressione a cui la valvola si riassetta è conosciuto come "blowdown". Tipicamente espresso come percentuale della pressione di taratura, il blowdown garantisce che la valvola non si riapra immediatamente una volta risolta la situazione di sovrapressione. Per i fluidi comprimibili, il blowdown è tipicamente del 15% della pressione di taratura o -0,3 barg, a seconda di quale sia il più alto.
Il design dell’otturatore svolge un ruolo critico nel raggiungere sia l'apertura rapida che il minimo blowdown, in questo modo la valvola può scaricare la sovrapressione in modo efficace evitando una eccessiva fuoriuscita di fluido. Inoltre, il design deve garantire che la pressione del sistema diminuisca sufficientemente per evitare una riapertura immediata, colpendo un delicato equilibrio tra sicurezza ed efficienza operativa.
Certificazione e approvazioni
In molti Paesi, organizzazioni indipendenti svolgono un ruolo cruciale nella valutazione del design e delle prestazioni di vari prodotti per garantire la conformità ai codici e agli standard rilevanti. Questo sistema di approvazione da parte di terze parti è particolarmente diffuso per le valvole di sicurezza ed è spesso un requisito preliminare per l'acquisto o una richiesta da parte di assicurazioni. Enti come TÜV, Lloyd's Register o RINA sono esempi di autorità indipendenti comunemente coinvolte in questo processo.
I criteri specifici per ottenere l'approvazione possono variare a seconda del codice o dello standard applicabile. Alcune normative richiedono una riconvalida periodica, mentre altre offrono un'approvazione indefinita, a condizione che non ci siano modifiche significative al design. In tali casi, potrebbe essere necessario notificare l'autorità di approvazione e richiedere una nuova approvazione.
Negli Stati Uniti, il National Board of Boiler and Pressure Vessel Inspectors sovrintende all'osservanza della costruzione e della riparazione di caldaie, recipienti a pressione e valvole di sicurezza, rappresentando sia le agenzie governative degli Stati Uniti che del Canada. Allo stesso modo, in Cina, il CSEI funge da organismo designato per la certificazione delle valvole di sicurezza ai sensi del regolamento cinese sugli impianti a pressione SELO. Per le valvole di sicurezza utilizzate in Europa, la conformità alla Direttiva sugli impianti a pressione (PED) è fondamentale. Classificate come 'Accessori di sicurezza' all'interno del quadro PED, le valvole di sicurezza rientrano nella categoria di apparecchiature 'Categoria 4' (CE IV), che richiede una rigorosa valutazione per soddisfare il più alto livello dei requisiti PED.
I processi ufficiali di approvazione sono fondamentali per garantire la sicurezza e la affidabilità delle valvole di sicurezza in tutto il mondo, con ciascun Paese che ha il proprio insieme di normative e organismi di vigilanza per mantenere gli standard del settore e tutelare gli interessi dei consumatori.
