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Una valvola di sfogo è l'ultima linea di difesa contro la sovrappressione nei recipienti in pressione e nei sistemi di tubazioni. L'API 520 (Parte I e Parte II) disciplina il dimensionamento, la selezione e l'installazione dei dispositivi di sfogo della pressione nei settori della raffinazione petrolifera e affini. L'API 521 fornisce la metodologia ingegneristica per identificare gli scenari di sovrappressione e progettare i sistemi di sfogo. L'API 526 standardizza le aree di orifizio, le dimensioni e le classi di pressione delle valvole di sfogo in acciaio con flange. Questo articolo, rivolto a ingegneri e professionisti degli acquisti, riassume i principi della scelta della pressione di taratura, la logica alla base della selezione della valvola e il metodo di calcolo della capacità di sfogo.
Fig. 1 Sezione esplosa di una valvola a molla convenzionale valvola di sicurezza — insieme sedile, disco e molla
1. Attrezzature che richiedono protezione da sovrappressione
API 521 richiede la protezione da sovrappressione per recipienti a pressione, scambiatori di calore, riscaldatori a fiamma e qualsiasi tratto di tubazione che possa essere ostruito a causa dell’espansione termica o di fluttuazioni della pressione a monte.
Principio di protezione per gruppo: una valvola di sicurezza protegge un gruppo di attrezzature — quelle comprese tra due valvole di isolamento e soggette alla stessa fonte di sovrappressione — anziché ciascun recipiente singolarmente. Devono essere valutati i seguenti scenari di sovrappressione:
- Uscita ostruita — chiusura di una valvola di isolamento a valle che intrappola il sistema in condizioni di sovrappressione;
- Apporto di calore esterno in caso di incendio;
- Reazione chimica incontrollata o espansione termica del mezzo contenuto;
- Perdita di servizi (acqua di raffreddamento, energia elettrica o aria strumentale);
- Superamento della pressione causato da guasto di una valvola di regolazione della pressione a monte.
In un impianto di acido solforico, il convertitore, il serbatoio tampone di mandata del ventilatore per SO₂, il collettore del vapore e il tamburo del vapore della caldaia a recupero di calore a pressione intermedia sono gli elementi chiave da proteggere.
2. Criteri principali di selezione
Tipo di valvola: quella a molla valvola di sicurezza è il tipo più diffuso. API 526 definisce quattordici designazioni standard di orifizio, indicate con lettere dall’D alla T (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T), che coprono l’intera gamma delle comuni esigenze di portata di scarico. Quando la contropressione supera il 10% della pressione di taratura, va scelta una valvola bilanciata con soffietto. Le valvole comandate da pilota possono gestire contropressioni più elevate e variabili ed sono adatte a servizi puliti con elevata differenza di pressione (ΔP).
Pressione di taratura: secondo ASME Sezione VIII e API 520, nei casi non legati all’incendio la pressione massima di scarico è pari al 110% della pressione di progetto (accumulo del 10%). Nei casi legati all’incendio è ammesso il 121% (sovrapressione del 21%).
Controllo della contropressione: per una valvola convenzionale a molla, una contropressione superiore al 10% della pressione di taratura riduce la sollevazione e la capacità di scarico. Una valvola a soffietto bilanciato utilizza un soffietto la cui area efficace è uguale all'area della sede, eliminando l'effetto della contropressione sulla pressione di taratura.
Fig. 2 Sezione esplosa di una valvola a molla valvola di sicurezza — con gruppo soffietto
3. Capacità di scarico e dimensionamento dell'orifizio
L'area della gola dell'ugello deve essere dimensionata per la portata massima di scarico nella condizione anomala. API 520 Parte I fornisce i metodi di dimensionamento per flusso di gas/vapore, liquido e bifase.
Servizio gas/vapore (flusso critico):
A = (W / (C·Kd·P1·Kb)) × √(T·Z / M)
dove:
- A — area efficace di scarico richiesta;
- W — portata massica di scarico (kg/h);
- C — coefficiente del gas, funzione del rapporto di calori specifici k;
- Kd — coefficiente efficace di scarico (0,975 per gas/vapore secondo API 520);
- P1 — pressione di scarico, assoluta;
- Kb — fattore di correzione della contropressione;
- T — temperatura di scarico (K);
- Z — fattore di comprimibilità;
- M — peso molecolare del mezzo.
Note di calcolo: ogni fonte anomala deve essere identificata singolarmente. Per una caldaia a recupero di calore, ad esempio, la portata di scarico deve includere la massima generazione di vapore più l’evaporazione aggiuntiva causata dal calore fornito dall’incendio; in caso contrario, l’orifizio risulterebbe sottodimensionato e la protezione verrebbe meno.
Destinazione dello scarico: API 521 richiede che i mezzi infiammabili e tossici siano convogliati verso una torcia o un sistema chiuso di raccolta. Gli scenari di scarico che comportano il rischio di esplosione di nube di vapore devono essere gestiti mediante una torcia, un sistema a bassa pressione, un sistema HIPS o una riprogettazione.
4. Requisiti di installazione e tubazioni
Tubazioni di ingresso: API 520 Parte II richiede che la valvola di sicurezza sia posizionata il più vicino possibile all’attrezzatura protetta e che la perdita di pressione nelle tubazioni di ingresso non superi il 3% della pressione di taratura (la «regola del 3%»). Una perdita eccessiva provoca vibrazioni (chattering) o un’apertura ritardata.
Tubazioni di uscita: la tubazione di uscita non deve essere sostenuta dal corpo della valvola; richiede un supporto indipendente e deve consentire l’espansione termica. La linea di scarico deve essere predisposta per lo scarico per gravità, al fine di prevenire l’accumulo di condensa che potrebbe influenzare la contropressione.
Più valvole su una collettore comune: quando diverse valvole di sicurezza scaricano in un collettore comune, è necessario valutare la contropressione accumulata nel collettore sull’andamento dell’apertura di ciascuna valvola.
5. Studio di caso sul campo
Un serbatoio per il riciclo di H₂SO₄ al 98,5 % in un impianto di acido solforico era stato progettato come "serbatoio a pressione atmosferica" e non era dotato di valvola di sicurezza. Durante l’avviamento, la valvola del tracciamento a vapore presentò una perdita, la temperatura dell’acido nel serbatoio aumentò e si accumulò vapore. La pressione salì brevemente a 0,04 MPa, provocando lo schiacciamento della guarnizione del boccaporto sul tetto del serbatoio e la fuoriuscita di acido solforico.
Successivamente, in conformità ai requisiti API 2000 per la ventilazione dei serbatoi di stoccaggio a pressione atmosferica e a bassa pressione, fu installato un gruppo combinato di valvola respirante e valvola di sicurezza, regolato a una pressione di intervento di 0,03 MPa e dimensionato per una capacità di scarico corrispondente alla portata massima di generazione di vapore.
Punto chiave: una progettazione a pressione atmosferica non implica che non possa mai verificarsi una sovrappressione. Il riscaldamento, le reazioni chimiche e gli errori operativi devono tutti essere inclusi nell’analisi degli scenari di sovrappressione.
Conclusione
La logica ingegneristica per le valvole di sicurezza può essere riassunta come segue: configurare le valvole in base alla fonte di sovrappressione (protezione di gruppo), dimensionare l’orifizio per la portata anomala, selezionare il tipo di valvola in base alla contropressione e al mezzo, e controllare la perdita di pressione in ingresso rispettando la regola del 3%. Il quadro API 520/521/526 fornisce una catena completa dall’identificazione degli scenari e dal dimensionamento fino alla verifica dell’installazione. Un articolo successivo tratterà i dischi di rottura e il loro utilizzo combinato con le valvole di sicurezza.
Referenze
API 520 Parte I / Parte II — Dimensionamento, selezione e installazione di dispositivi di sfogo della pressione, American Petroleum Institute (API).
API 521 — Sistemi di sfogo e depressurizzazione, American Petroleum Institute (API).
API 526 — Valvole di sfogo della pressione in acciaio con flange, American Petroleum Institute (API).
API 2000 — Sfiato di serbatoi di stoccaggio a pressione atmosferica e bassa pressione, American Petroleum Institute (API).
Codice ASME per caldaie e recipienti a pressione, Sezione VIII, Divisione 1 — accumulo massimo del 10% per casi non legati all’incendio e del 21% per casi legati all’incendio.
Shanghai Xiazhao Valve — valvole di sicurezza e soluzioni per valvole speciali. Per supporto nella selezione conforme allo standard API o per richieste tecniche, contattare il nostro team ingegneristico.
