Nozioni di base sulla sicurezza delle valvole: la valvola dovrebbe rimanere aperta o chiusa in caso di guasto?

Introduzione

L'entropia è l'unica certezza nel complesso mondo dei processi industriali. I sistemi subiscono sempre delle interruzioni, sia che si tratti di caso di potere interruzioni di corrente, guasti all'aria compressa o perdite di segnale. Quando l'energia che controlla un sistema si esaurisce, il macchinario non cessa semplicemente di funzionare, ma entra in uno stato predefinito. La domanda più importante per l'ingegnere di processo non è: si verificherà un guasto?, ma: cosa succede quando si verifica?

È qui che risiede la logica del sistema “Fail-Safe”. Si tratta di un processo decisionale razionale che punta al risultato meno peggiore in caso di catastrofe. La valvola automatica, che costituisce il principale componente di controllo nella fluidodinamica, rappresenta il freno di emergenza del sistema. Quando tale freno viene azionato, blocca il flusso per evitare una fuoriuscita oppure scarica il flusso per evitare un’esplosione?

Non esiste una risposta universale. Il concetto di “Fail Open” (FO) o “Fail Closed” (FC) rappresenta un importante esercizio di gestione del rischio che concilia la sicurezza delle persone, la protezione dei beni e l’efficienza economica. Il presente documento analizza in dettaglio i meccanismi, le motivazioni e i criteri di selezione fondamentali relativi alle modalità di guasto delle valvole.

Cosa provoca il guasto di una valvola?

Per comprendere le modalità di guasto, è necessario classificare il guasto stesso. Nel caso delle valvole automatizzate, ovvero quelle dotate di attuatori pneumatici ed elettrici, il guasto non implica sempre la rottura di un componente, come ad esempio lo stelo spezzato o il corpo danneggiato. Significa invece la perdita della forza necessaria a mantenere la valvola nella sua posizione di funzionamento.

Le cause principali di questa perdita di controllo sono:

• Interruzione dell'alimentazione elettrica: L'alimentazione alle elettrovalvole o agli attuatori elettrici viene interrotta e il motore o la bobina magnetica rimangono spenti.
• Perdita di pressione dell'aria: Nel caso dei sistemi pneumatici, un malfunzionamento del compressore, una tubazione di alimentazione attorcigliata o una tubazione dell’aria rotta eliminano la forza che mantiene la valvola nella sua posizione non naturale.
• Segnale di interruzione: La rottura di un cavo del PLC o un guasto nel circuito di controllo fa sì che l’attuatore rimanga privo di comandi, anche se l’alimentazione potrebbe essere ancora presente.

Una volta che queste fonti di energia vengono a mancare, la valvola cessa di essere controllata attivamente. Proprio nel momento in cui si verifica questa perdita di energia, la valvola deve decidere in modo autonomo: deve tornare in posizione aperta o chiudersi bruscamente? Questa risposta autonoma è predeterminata dalla scelta della configurazione “Fail-Safe” in fase di progettazione.

Che cos’è una valvola “fail open” (chiusura pneumatica)?

Una valvola “Fail Open” (FO), nota anche tecnicamente come valvola “Air-to-Close” (ATC), è caratterizzata dalla sua condizione meccanica predefinita: è completamente aperta quando non viene applicata alcuna alimentazione esterna. La caratteristica strutturale che determina questo funzionamento è una molla interna per impieghi gravosi, posizionata in modo da spingere fisicamente verso l’esterno lo stelo della valvola. Per chiudere la valvola, il sistema deve fornire aria compressa (o energia elettrica) alla camera dell’attuatore. Questa energia contrasta la tensione della molla e la comprime, mantenendo la valvola in posizione chiusa. Pertanto, quando l’alimentazione viene interrotta, sia a causa di un’interruzione di corrente che di un guasto all’aereo, la forza di contrasto scompare, la molla si estende immediatamente e la valvola ritorna al suo stato originale, ovvero aperto.

La funzione principale di una valvola “fail-open” è quella di fungere da sistema di scarico della pressione o di garanzia del raffreddamento. Trova ampia applicazione nei sistemi termodinamici in cui l’accumulo di calore o di pressione rappresenta una minaccia più grave rispetto al flusso stesso. Ad esempio, nella camicia di raffreddamento di un reattore chimico, la valvola assicura che l’acqua continui a circolare anche in caso di blackout totale dell’impianto, 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 le tubazioni non si rompano in caso di guasto dei sistemi di controllo.

Il vantaggio unico di questo progetto è la sicurezza passiva contro guasti fisici disastrosi, come esplosioni o surriscaldamento incontrollato. Esso attribuisce grande importanza all’integrità delle apparecchiature e dell’impianto. Tuttavia, questa sicurezza presenta un inconveniente significativo, ovvero l’assenza di contenimento. Nel caso in cui il fluido che scorre attraverso la valvola sia costoso, tossico o infiammabile, una valvola di tipo «Fail Open» lo scaricherà nel processo a valle o nell’ambiente fino a quando un operatore non chiuderà fisicamente una valvola di isolamento manuale. Ciò può comportare uno spreco di materiale o spese per la bonifica ambientale.

Che cos’è una valvola a chiusura per guasto (apertura pneumatica)?

D’altra parte, una valvola “Fail Closed” (FC), nota anche come “Air-to-Open” (ATO), funziona secondo il principio opposto, con la condizione predefinita di chiusura totale. In questo tipo di struttura, la molla interna è progettata in modo tale da esercitare una forza costante sulla sede della valvola e mantenerla chiusa. La denominazione “Air-to-Open” si applica letteralmente al funzionamento: l’aria compressa è necessaria solo per forzare l’apertura della valvola 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 ritorni istantaneamente nella posizione chiusa, formando una tenuta immediata.

Il contenimento è l’obiettivo fondamentale di una valvola “Fail Closed”. È progettata per isolare i pericoli in caso di perdita di controllo. Si tratta quindi della specifica standard per la gestione di materiali pericolosi, approvvigionamenti di combustibile e alimentazioni di sostanze chimiche tossiche. Una valvola FC in un sistema di gestione del bruciatore, ad esempio, garantisce che l’alimentazione di combustibile venga interrotta immediatamente in caso di guasto al regolatore di fiamma, in modo che il gas grezzo non riempia il forno. Nelle linee di dosaggio chimico, impedisce che un serbatoio venga inondato da reagenti pericolosi quando la pompa viene spenta.

Il vantaggio principale del design “Fail Closed” è che garantisce l’isolamento immediato, riducendo così il rischio di fuoriuscite, perdite tossiche e pericoli di incendio. Si tratta di un ottimo modo per mettere in sicurezza la linea di processo. Lo svantaggio, tuttavia, è che può causare rischi termici o legati alla pressione. Una valvola "Fail Closed" potrebbe essere installata in una posizione errata, ad esempio su una linea dell’acqua di raffreddamento, e potrebbe interrompere l’unica fonte di raffreddamento in caso di emergenza, con conseguente surriscaldamento delle apparecchiature o un pericoloso aumento della pressione all’interno di un serbatoio.

I meccanismi: come gli attuatori attivano le azioni di sicurezza

Per capire in che modo una valvola garantisce la sicurezza basta conoscere il concetto di energia potenziale immagazzinata. L'attuatore a ritorno a molla (a semplice effetto) è lo standard industriale per questo tipo di sistemi.

Un attuatore a sicurezza integrata è dotato di una serie di molle industriali per impieghi gravosi, a differenza degli attuatori standard che richiedono aria compressa per muoversi in entrambe le direzioni. Si tratta di una lotta fisica senza fine tra due forze: l’aria compressa e la molla.

• Funzionamento normale (caricamento del dispositivo di sicurezza): Durante il funzionamento del sistema, nell’attuatore viene immessa aria compressa. Si tratta di una pressione dell’aria elevata, sufficiente a spingere i pistoni interni e a comprimere fisicamente le molle contro la parete. Le molle rimarranno compresse fintanto che la pressione dell’aria verrà mantenuta e la valvola rimarrà nella sua posizione di funzionamento (ad esempio, completamente aperta).
• Azione di sicurezza (sblocco del dispositivo di sicurezza): Quando l'alimentazione dell'aria viene interrotta (a causa di un'interruzione di corrente o della rottura di un tubo), la forza che trattiene le molle viene eliminata. Le molle si estendono immediatamente fino a raggiungere la loro dimensione normale. Questa estensione genera un'enorme quantità di energia meccanica, che spinge i pistoni nella loro posizione iniziale e chiude la valvola nella posizione di sicurezza (chiusa o aperta).

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

Quando “Fail Last” (FL) è in realtà la scelta migliore

Oltre alla scelta binaria tra “Aperto” o “Chiuso”, esiste una terza opzione strategica: il “Fail Last” (FL), comunemente noto come “Fail in Place”. Questa configurazione ordina alla valvola di rimanere nella posizione in cui si trovava al momento dell’interruzione dell’alimentazione elettrica o dell’aria, anziché utilizzare l’energia accumulata per spostarla bruscamente in una nuova posizione. Ciò avviene meccanicamente abbinando un attuatore a doppio effetto a una speciale valvola di blocco dell’aria. Non appena questo dispositivo rileva che la pressione di alimentazione è diminuita, chiude immediatamente le porte di scarico, intrappolando l’aria compressa residua nel cilindro dell’attuatore per bloccare idraulicamente il pistone in posizione. Questa modalità è volta a risolvere il problema dello shock di sistema. Nelle condotte per liquidi di grande diametro (di solito superiori a 20 pollici) il colpo improvviso di una valvola a ritorno a molla causerebbe un violento “colpo d’ariete” in grado di lacerare letteralmente le tubazioni. Allo stesso modo, nelle delicate operazioni di miscelazione chimica, un’apertura o una chiusura totale potrebbe alterare l’equilibrio termico o compromettere il rapporto stechiometrico di un lotto.

Il ruolo principale della modalità “Fail Last” è, quindi, quello di privilegiare la stabilità rispetto all’isolamento. Essa mantiene costante la portata, evitando danni fisici immediati alle infrastrutture e shock termici al processo. Questa stabilità concede agli operatori il tempo necessario per intervenire ed effettuare uno spegnimento manuale controllato, al fine di rendere più agevole la transizione in caso di emergenza. Tuttavia, gli ingegneri devono essere ben consapevoli dello svantaggio di questa modalità: non si tratta di una soluzione a lungo termine, ma di una soluzione temporanea. La tenuta ad aria intrappolata non è perfetta se paragonata a una molla meccanica; dopo alcune ore l’aria fuoriesce e la valvola non rimane nella posizione impostata. Si tratta quindi di uno strumento che richiede l’intervento umano, non di una misura di sicurezza a lungo termine che non richieda supervisione.

Risoluzione dei problemi e rischi potenziali

Anche il sistema di sicurezza più robusto non è affidabile quanto la sua manutenzione. Poiché queste valvole rimangono solitamente inattive per mesi, in attesa di un’emergenza che, si spera, non si verifichi mai, sono soggette a determinati guasti silenziosi. È importante conoscere questi punti deboli affinché il sistema possa funzionare quando è più necessario.

• Attrito statico (“stiction”): L’attrito statico è il peggior nemico delle valvole di sicurezza. Le guarnizioni in gomma possono aderire fisicamente al corpo metallico quando una valvola rimane in posizione di riposo per periodi prolungati. Quando tale attrito si accumula al punto da superare la forza della molla, in caso di emergenza la valvola rimarrà semplicemente bloccata e non isolerà il pericolo. La migliore protezione consiste nell’effettuare regolarmente una prova di corsa parziale, che fa muovere leggermente la valvola per allentare questo legame da attrito senza interferire con il processo in corso.
• Affaticamento primaverile: I componenti fisici sono soggetti a usura nel tempo, ovvero subiscono un fenomeno di affaticamento delle molle. Dopo anni di cicli di compressione, una molla può perdere la tensione necessaria per chiudere completamente la valvola a fronte di un’elevata pressione di linea. Ciò comporta il rischio di perdite in posizione chiusa, in cui una valvola sembra chiusa ma in realtà lascia fuoriuscire fluidi pericolosi. Per evitare ciò, gli operatori devono verificare la coppia erogata dall’attuatore durante le revisioni annuali e sostituire eventuali cartucce a molla che presentino segni di cedimento.
• Ostruzione della presa d'aria di scarico: Infine, una presa d’aria ostruita può impedire il funzionamento del meccanismo di sicurezza. Per consentire alla molla di allungarsi e chiudere la valvola, l’aria nella camera deve essere espulsa il più rapidamente possibile. Quando la presa d’aria è ostruita dal ghiaccio (aria umida), dallo sporco o persino da nidi di insetti, l’aria rimane intrappolata e forma un blocco idraulico che impedisce alla valvola di muoversi. Questo tipo di guasto viene solitamente ignorato, ma assicurandosi che l’aria di alimentazione dello strumento sia pulita e asciutta e installando semplici sfiati sulle porte di scarico, è possibile eliminarlo efficacemente.

Perché la qualità della produzione è fondamentale per la logica fail-safe

La scelta ingegneristica di specificare il funzionamento “Fail Closed” rimane puramente teorica finché non viene verificata fisicamente nella pratica. Un attuatore a basso costo può riportare nella scheda tecnica gli stessi valori di coppia e gli stessi indici di sicurezza di un'unità di alta qualità, ma si tratta di un inganno che viene smascherato quando viene sottoposto a sollecitazioni. Nel contesto della logica "fail-safe", la qualità nella produzione non è un aspetto di lusso; è la base strutturale che determina se una misura di sicurezza è effettivamente efficace o se rimane solo sulla carta.

Il vero pericolo di una produzione di scarsa qualità è che dà una falsa impressione di sicurezza. Si consideri la metallurgia della molla, il motore dell’azione di sicurezza. Le molle di scarsa qualità presentano un problema di rilassamento delle sollecitazioni, ovvero un fenomeno fisico per cui l’acciaio “dimentica” la propria memoria quando rimane in posizione compressa per anni. Una molla affaticata, quando si verifica effettivamente un’emergenza, potrebbe essere abbastanza forte da azionare la valvola, ma non abbastanza da chiuderla contro l’elevata pressione di linea. Inoltre, l’unica protezione contro i guasti fantasma è la precisione nella lavorazione interna. Quando le pareti del cilindro sono ruvide o le guarnizioni sono di tipo generico, l’aria compressa può passare intorno al pistone, spingendo contro la molla e rendendo l’attuatore sottodimensionato proprio nel momento in cui è più necessario.

Infine, una valvola di sicurezza ha un costo irrisorio se paragonato alla catastrofe che evita. Una produzione di alta qualità garantisce inoltre che la coppia erogata dall’attuatore sia costante, che la molla mantenga la propria memoria elastica e che il corpo della valvola sia in grado di resistere alle sollecitazioni ambientali senza bloccarsi. Per trasformare queste specifiche tecniche in una realtà affidabile, è necessario trovare un partner produttivo che consideri la sicurezza come priorità assoluta: questo è il fulcro della filosofia ingegneristica di VINCER.

Come prendere una decisione: il test di sicurezza in tre fasi

La scelta della modalità di guasto appropriata non è una questione di congetture, ma una valutazione del rischio. Si consiglia agli ingegneri di ricorrere a un test di sicurezza gerarchico in tre fasi per giungere alla specifica corretta. Questo modello razionale classifica le conseguenze dalla più devastante, ovvero la perdita di vite umane, a quella meno grave, ovvero il disagio economico.

Nel definire una valvola, è necessario considerare i seguenti tre livelli di rischio, nell’ordine indicato. Non passare alla considerazione successiva finché il livello in questione non sia stato completamente soddisfatto.

Aspetto fondamentale n. 1: Sicurezza (personale e ambiente)

La vita umana e l'ambiente rappresentano la priorità assoluta in qualsiasi sistema industriale. La logica alla base di questo principio è facile da comprendere: l'hardware è sostituibile, ma le vite umane no. Pertanto, nel caso in cui un malfunzionamento di una valvola possa causare lesioni, decessi o il rilascio di sostanze tossiche, questo aspetto di sicurezza determina la decisione a prescindere dai costi.

Si prenda ad esempio una valvola che regola il flusso di idrogeno, un gas altamente infiammabile, o di cloro, una sostanza tossica. In questo caso, la logica ingegneristica richiede che la valvola sia di tipo “Fail Closed”. Ciò è dovuto a motivi di contenimento: in caso di interruzione di corrente, molto probabilmente anche i sistemi di monitoraggio smetteranno di funzionare, quindi eventuali perdite non verranno rilevate. È possibile eliminare la fonte di pericolo impostando la valvola in posizione chiusa per impostazione predefinita. D’altra parte, nel caso dei sistemi antincendio, la valvola dovrebbe essere di tipo “Fail Open”. Il motivo è l’accessibilità: nel caso in cui un incendio bruci i cavi elettrici, il sistema dovrebbe passare a una condizione in cui l’acqua scorra in modo meccanico, in modo che l’incendio non si propaghi a causa del semplice fatto che un cavo si sia fuso.

Aspetto fondamentale n. 2: Tutela del patrimonio (attrezzature)

Una volta garantita la sicurezza del personale, il passo successivo riguarda la sicurezza delle costose infrastrutture. L’obiettivo è quello di scegliere la posizione che riduca al minimo i danni fisici ai macchinari in caso di blackout.

Il caso più tipico è una linea di acqua di raffreddamento che alimenta la camicia di un reattore chimico ad alta temperatura. In questo caso, la valvola deve essere del tipo “Fail Open”. Questa scelta è motivata dall’inerzia termica: nonostante l’interruzione dell’alimentazione, il nocciolo del reattore rimane estremamente caldo. Se la valvola dovesse chiudersi, la perdita di refrigerante comporterebbe un rapido accumulo del calore residuo, che fonderebbe il reattore o deformerebbe in modo permanente il contenitore. Il sistema sacrifica l’acqua evitando di aprirsi per proteggere l’impianto, del valore di svariati milioni di dollari, dalla distruzione termica.

Aspetto chiave 3: Processo (continuità dei materiali)

Infine, una volta garantita la sicurezza del personale e delle attrezzature, l’attenzione si concentra sull’efficienza economica e sulla continuità del processo. L’obiettivo di questa fase è evitare lo spreco di materie prime o il deterioramento di un lotto di prodotti.

Si consideri una valvola che dosa un costoso catalizzatore in un serbatoio di miscelazione. La decisione razionale in questo caso è quella di optare per la modalità “Fail Closed”. Ciò è dettato da ragioni di risparmio economico: se la valvola non riuscisse a chiudersi durante un’interruzione di corrente, l’intero contenuto delle costose sostanze chimiche verrebbe riversato nel serbatoio in modo incontrollato. Ciò non solo comporterebbe uno spreco della costosa materia prima, ma comprometterebbe anche la composizione chimica del lotto, rendendo il prodotto finale invendibile. Il sistema non interromperà il processo, ma si limiterà a fermarsi fino a quando gli operatori non riavvieranno il lotto senza perdite finanziarie, semplicemente ripristinando l’alimentazione elettrica.

Sintesi della matrice decisionale

FO vs. FC: scelta del sistema di sicurezza in base al mezzo e all'applicazione

La logica del sistema di sicurezza è spesso determinata dalle caratteristiche fisiche del fluido. Una valvola che regola l'acqua, sostanza innocua, non è soggetta alle stesse norme di sicurezza di una valvola che regola l'idrogeno, sostanza esplosiva.

Quella che segue è una guida dettagliata alla scelta della modalità più appropriata. Abbiamo classificato le applicazioni in base al tipo di mezzo e le abbiamo suddivise in specifiche situazioni operative, al fine di fornire una chiara giustificazione tecnica per ciascuna scelta.

A seconda di chi è colpito dal guasto, la matrice decisionale varia come illustrato nella tabella:

• Nel caso in cui la vittima sia un'apparecchiatura (surriscaldamento/implosione): Preferiamo il sistema "Fail Open" per alleviare la pressione.
• Nel caso in cui la vittima sia l'ambiente o il personale (fuoriuscita/perdita di sostanze tossiche): Preferiremmo che il sistema fosse di tipo “Fail Closed” per contenere il rischio.
• Nota: Si tratta di standard di settore in generale. In caso di condizioni di processo particolari, è necessario eseguire sempre un’analisi HAZOP (Hazard and Operability Analysis) specifica.

Garantire un'affidabilità a prova di guasto con gli attuatori e le valvole VINCER

La filosofia ingegneristica di VINCER si basa sulla trasformazione di questi requisiti tecnici in una realtà affidabile. Sappiamo che una valvola è innanzitutto un dispositivo di sicurezza e, in secondo luogo, un dispositivo di controllo del flusso in situazioni di sicurezza integrata. Questo è il motivo per cui i nostri attuatori sono dotati di guarnizioni importate di alta qualità, realizzate appositamente per garantire un'elevata resistenza all'usura e alle alte temperature. Eliminando i rischi di attrito statico e perdite interne, che spesso affliggono le alternative di qualità inferiore, ci concentriamo sull'utilizzo di materiali di tenuta di alta qualità.

VINCER adotta un protocollo rigoroso denominato “Double Check” per garantire tale durata. Andiamo oltre il normale campionamento di fabbrica ed eseguiamo prove distruttive sugli attuatori per verificarne la durata meccanica, oltre a test di tenuta al 100% su tutti i corpi valvola. Ciò garantisce che un comando “Fail Closed” produca una tenuta comprovata e a prova di bolle, anziché un attuatore bloccato. Questo rigore tecnico è supportato da certificazioni fondamentali quali ISO 9001, CE e SIL (Safety Integrity Level). Inoltre, il nostro reparto di ingegneria vanta oltre 10 anni di esperienza e utilizza un’analisi proprietaria a 8 dimensioni. Esaminiamo variabili quali la viscosità del fluido, le cadute di pressione, ecc., per assicurarci che la vostra scelta tra “Fail Open” o “Fail Closed” non sia una semplice ipotesi, ma una certezza ingegneristica.

Impatto energetico ed economico sulla scelta del sistema di sicurezza integrata

Gli aspetti economici e l'efficienza operativa rappresentano un fattore chiave nella scelta delle specifiche delle valvole. Sebbene il motivo principale per scegliere tra la modalità "Fail Open" o "Fail Closed" sia la sicurezza, gli ingegneri dovrebbero anche tenere conto del notevole impatto che tale decisione avrà sul consumo energetico, sullo spazio di installazione e sul budget del progetto.

• Impatto operativo (energia e dimensioni): Quando si decide di utilizzare un attuatore Fail-Safe (a ritorno a molla), si impone un carico fisico al proprio sistema pneumatico. Un attuatore a ritorno a molla, a differenza di un’unità normale, deve generare una forza sufficiente a vincere la resistenza della pesante molla di sicurezza mentre aziona la valvola. Per farlo, il cilindro dell’attuatore deve essere fisicamente più grande, solitamente da 30% a 50% più grande rispetto a un’unità non Fail-Safe. Ciò comporta un consumo di aria molto maggiore per ogni ciclo, un maggiore consumo di energia elettrica da parte dei compressori dell’impianto e la necessità per i progettisti di prevedere un ingombro fisico maggiore nelle fitte strutture di tubazioni.
• La realtà finanziaria (assicurazione vs. prezzo): La sicurezza ha un costo diretto. Le dimensioni maggiori e la complessità delle cartucce a molla fanno sì che gli attuatori a ritorno a molla costino in genere 20-40% in più rispetto alle unità standard. Tuttavia, questo costo va considerato come un premio assicurativo, non come un semplice costo. Il costo dell’attuatore va confrontato con il costo di un guasto. Risparmiare qualche centinaio di dollari acquistando un attuatore meno costoso non è un buon investimento quando un’interruzione di corrente comporta la perdita di un lotto di sostanze chimiche del valore di $50.000 o una pericolosa fuoriuscita. Pertanto, la precisione nel dimensionamento è essenziale per garantire l’affidabilità senza sovradimensionare in modo significativo l’unità e sprecare il budget.

Come verificare la posizione di guasto

La verifica della posizione effettiva di guasto è un controllo di sicurezza di fondamentale importanza. Non ci si può permettere di fare supposizioni ed è necessario assicurarsi che l'hardware sia compatibile con la logica di sicurezza richiesta dal processo. Di seguito viene illustrata la procedura per testare il sistema mediante tre controlli progressivi.

Spiegazione dei simboli dei diagrammi P&ID

Durante la fase di progettazione, la logica di sicurezza viene specificata sullo schema di tubazioni e strumentazione (P&ID). Gli indicatori più comuni sulla linea dello stelo della valvola sono: sebbene le legende differiscano a seconda del progetto, quelle standard sono:

• FC (chiusura in caso di guasto): Una freccia che indica il corpo della valvola, oppure contrassegnata semplicemente con la sigla FC.
• FO (Fail Open): Una freccia che punta verso l'esterno del corpo della valvola, oppure contrassegnata con la sigla FO.
• FL (Fail Last): Due linee parallele che intersecano il gambo (a simboleggiare un lucchetto) o contrassegnate con la sigla FL.

Come distinguere visivamente un FO da un FC?

Quando ci si trova sul campo e non si dispone dei disegni, è possibile individuare la logica osservando gli accessori e l'etichetta dell'attuatore.

• Targhetta: Questo è il segno più inequivocabile. Cercate il codice “Action”. SR-CW (Spring Return Clockwise) indica normalmente che la molla chiude la valvola (Fail Closed). SR-CCW (Counter-Clockwise), invece, tende a indicare che la molla apre la valvola (Fail Open).
• Controllo del solenoide: Controllare la valvola pilota sull'attuatore. Se si tratta di un solenoide a 3/2 vie (c'è un solo tubo dell'aria collegato all'attuatore), si tratta di un'unità con funzione di sicurezza (Fail-Safe). Se invece è a 5/2 vie, probabilmente è a doppio effetto (senza funzione di sicurezza).
• Controllare lo sfiato: Se la targhetta non è leggibile, controllare le prese d'aria. Un attuatore "fail-safe" presenta in genere un tubo dell'aria collegato a una sola presa, mentre l'altra è dotata di uno sfiato o di un silenziatore (un piccolo filtro in plastica o bronzo) per consentire la ventilazione della camera a molla. Se si notano tubi dell'aria collegati a entrambe le prese, si tratta probabilmente di un'unità standard a doppio effetto.

Il test “Air Cut”: quando l’ispezione visiva non è sufficiente

La fisica non mente, ma le etichette possono contenere errori di stampa. La simulazione funzionale è l'unico metodo per determinare con certezza il punto di guasto.

• La procedura: Portare la valvola nella sua posizione normale di funzionamento (ad es. "Aperta"). Successivamente, scollegare fisicamente il tubo di alimentazione dell'aria oppure chiudere la valvola di isolamento. Non limitarsi a interrompere il segnale elettrico, poiché ciò serve solo a testare il solenoide.
• Il risultato: Quando la valvola si chiude istantaneamente, si tratta di un modello “Fail Closed”. Quando si apre accidentalmente, si tratta di un modello “Fail Open”. Quando rimane ferma e non si sente alcun rumore di aria in uscita, si tratta di un modello “Fail Last” oppure di un’unità standard non di sicurezza.
• Misure di sicurezza: Durante questa prova, non lasciare le mani né gli attrezzi nel meccanismo di comando della valvola. Gli attuatori a ritorno a molla esercitano immediatamente una coppia enorme in caso di perdita di aria.

Conclusione

La scelta tra una valvola “Fail Open” o “Fail Closed” è una sentinella silenziosa nei processi industriali. È una scelta che viene presa in un ufficio silenzioso, ma che un giorno potrebbe decidere il destino di un’emergenza caotica in un impianto. Nessuna opzione è migliore dell’altra: conta solo quella che si adatta alle caratteristiche fisiche e ai rischi specifici del sistema in questione. Che si tratti di un reattore surriscaldato con una valvola di raffreddamento "Fail Open" o di una linea di gas tossici con una valvola di isolamento "Fail Closed", il ragionamento deve essere valido e l’apparecchiatura deve essere affidabile. Il risultato finale è garantire che, quando viene a mancare l’alimentazione e le luci si spengono, il sistema si arresti nell’unico modo che conta: in sicurezza.

Domande frequenti

D: Qual è la differenza tra “fail open” e “fail shut”?

A: Le valvole “fail-open” si aprono automaticamente per consentire il flusso in caso di interruzione dell’alimentazione, mentre le valvole “fail-shut” si chiudono automaticamente per impedire il flusso.

D: Il "fail open" riguarda il traffico?

A: Sì. Una valvola di tipo “fail-open”, in caso di guasto, viene portata in posizione completamente aperta, in modo che il flusso (passaggio) di gas o fluido non sia ostacolato.

D: Come si fa a trasformare una valvola di tipo “fail open” in una di tipo “fail close”?

A: Di solito è necessario smontare l'attuatore e invertire l'orientamento della molla interna e del pistone. È importante notare che non tutti i modelli di attuatore sono reversibili.

D: Le valvole di ritegno sono aperte o chiuse?

A: Le valvole di ritegno non dispongono di una modalità di sicurezza specifica. Trattandosi di dispositivi passivi, i loro guasti sono di natura meccanica e si manifestano con il blocco in posizione aperta (a causa di detriti) o in posizione chiusa (a causa della corrosione).