Sicurezza delle valvole: la valvola deve essere aperta o chiusa?

Cosa provoca il malfunzionamento di una valvola?

Per conoscere le modalità di guasto, dobbiamo classificare il guasto. Quando si tratta di valvole automatiche, cioè di attuatori pneumatici ed elettrici, il guasto non significa sempre una parte rotta, come uno stelo spezzato o un corpo rotto. Si tratta invece della perdita della forza necessaria per mantenere la valvola nella sua posizione di lavoro.

Le cause principali di questa perdita di controllo sono:

• Perdita di alimentazione: L'alimentazione delle elettrovalvole o degli attuatori elettrici viene a mancare e il motore o la bobina magnetica rimangono senza corrente.

• Perdita di pressione dell'aria: Nel caso dei sistemi pneumatici, un malfunzionamento del compressore, una linea di alimentazione attorcigliata o una linea d'aria rotta eliminano la forza che trattiene la valvola nella sua posizione non nativa.

• Interruzione del segnale: La rottura di un filo del PLC o un guasto del circuito di controllo fa sì che l'attuatore rimanga senza istruzioni, sebbene l'alimentazione sia ancora presente.

Quando queste fonti di energia scompaiono, la valvola cessa di essere controllata attivamente. Proprio in questo momento di perdita di energia, la valvola deve decidere autonomamente: ritirarsi in posizione aperta o sbattere? Questa risposta indipendente è predeterminata dalla scelta della configurazione "Fail-Safe" in fase di progettazione.

Che cos'è la valvola Fail Open (aria da chiudere)?

Una valvola Fail Open (FO), tecnicamente nota anche come valvola Air-to-Close (ATC), è caratterizzata da una condizione meccanica predefinita: è completamente aperta quando non viene applicata alcuna alimentazione esterna. La caratteristica strutturale che favorisce questo ragionamento è una molla interna per impieghi gravosi, posizionata in modo da forzare fisicamente lo stelo della valvola. Il sistema deve essere in grado di fornire aria compressa (o elettricità) alla camera dell'attuatore per chiudere la valvola. Questa energia si oppone alla tensione della molla e la comprime per mantenere la valvola in posizione chiusa. In questo modo, quando l'alimentazione di energia viene interrotta, sia per un'interruzione di corrente che per la rottura di un aeroplano, la forza di contrasto scompare, la molla si estende immediatamente e la valvola viene riportata allo stato originale di apertura.

Il ruolo principale di una valvola Fail Open è quello di fungere da sistema di garanzia per il raffreddamento o lo scarico della pressione. Trova ampia applicazione nei sistemi termodinamici dove l'accumulo di calore o di pressione rappresenta una minaccia più grave del flusso stesso. Ad esempio, nella camicia di raffreddamento di un reattore chimico, la valvola assicura che l'acqua continui a circolare anche quando l'intero impianto è spento, in modo che il reattore non si surriscaldi. Allo stesso modo, nelle linee di vapore, le valvole vengono utilizzate per scaricare la pressione in eccesso in un luogo sicuro, in modo che i tubi non si rompano quando i sistemi di controllo si guastano.

Il vantaggio unico di questo design è la sicurezza passiva contro guasti fisici disastrosi, ad esempio esplosioni o fughe termiche. Questo progetto dà importanza all'integrità dell'apparecchiatura e dell'impianto. Tuttavia, questa sicurezza presenta uno svantaggio significativo, ossia l'assenza di contenimento. Se il fluido che passa attraverso la valvola è costoso, tossico o infiammabile, una valvola Fail Open lo scaricherà nel processo a valle o nell'ambiente finché un operatore non chiuderà fisicamente una valvola di isolamento manuale. Ciò può comportare sprechi di materiale o spese di bonifica ambientale.

Che cos'è la valvola Fail Close (aria da aprire)?

Una valvola Fail Closed (FC), detta anche Air-to-Open (ATO), funziona invece secondo il principio opposto: la condizione di default è la completa chiusura. In questo tipo di struttura, la molla interna è progettata in modo tale da fornire una forza costante sulla sede della valvola, mantenendola chiusa. La denominazione "Air-to-Open" è letteralmente applicata al design: l'aria compressa è necessaria solo per forzare la valvola ad aprirsi contro la forza della molla. Quando l'alimentazione dell'aria viene interrotta, l'energia che mantiene la valvola aperta viene persa e l'energia meccanica immagazzinata nella molla fa sì che la valvola torni in posizione chiusa, formando una tenuta istantanea.

Il contenimento è l'obiettivo fondamentale di una valvola Fail Closed. Ha lo scopo di isolare i pericoli in caso di perdita del controllo. È quindi la specifica standard per gestire materiali pericolosi, forniture di carburante e alimentazione di sostanze chimiche tossiche. Una valvola FC in un sistema di gestione dei bruciatori, ad esempio, assicura che l'alimentazione del combustibile venga interrotta immediatamente in caso di guasto del controllore di fiamma, in modo che il gas grezzo non riempia il forno. Nelle linee di dosaggio di sostanze chimiche, evita l'allagamento di un serbatoio da parte di reagenti pericolosi quando la pompa viene spenta.

Il vantaggio principale del design Fail Closed è l'isolamento immediato, che riduce il rischio di fuoriuscite, perdite tossiche e incendi. È un buon modo per bloccare la linea di processo. Lo svantaggio, tuttavia, è che può causare rischi termici o di pressione. Una valvola Fail Closed potrebbe essere installata nel posto sbagliato, ad esempio su una linea di acqua di raffreddamento, e potrebbe interrompere l'unica fonte di raffreddamento in caso di emergenza, con conseguente surriscaldamento delle apparecchiature o un pericoloso aumento di pressione in un serbatoio.

La meccanica: Come gli attuatori guidano le azioni a prova di errore

Per sapere come una valvola automatizza la sicurezza è sufficiente conoscere il concetto di energia potenziale immagazzinata. L'attuatore con ritorno a molla (a semplice effetto) è lo standard industriale di tali sistemi.

Un attuatore a prova di guasto è dotato di una serie di molle industriali per impieghi gravosi, a differenza degli attuatori standard che richiedono il movimento dell'aria in entrambe le direzioni. Si tratta di una lotta fisica continua tra due forze, l'aria compressa e la molla.

• Funzionamento normale (carica della sicurezza): L'aria compressa viene introdotta nell'attuatore quando il sistema è in funzione. Si tratta di una pressione elevata, sufficiente a forzare i pistoni interni e a schiacciare fisicamente le molle contro la parete. Le molle vengono schiacciate finché la pressione dell'aria viene mantenuta e la valvola viene mantenuta nella sua posizione di lavoro (ad esempio, completamente aperta).

• Azione a prova di errore (rilascio della sicurezza): Quando l'alimentazione dell'aria viene interrotta (per mancanza di corrente o per la rottura di un tubo), la forza che trattiene le molle viene meno. Le molle raggiungono immediatamente le loro dimensioni normali. Questa crescita emette un'enorme energia meccanica, che spinge i pistoni nella loro posizione iniziale e chiude la valvola nella sua posizione di sicurezza (chiusa o aperta).

Perché è affidabile? Perché non si basa su sensori, elettricità o intervento umano. Si basa sulle leggi fondamentali della fisica. La molla cercherà sempre di espandersi finché sarà presente, il che significa che la valvola sarà sempre in sicurezza.