Applicazione dei concetti di chiusura delle valvole a sistemi di tubazioni di processo complessi

Un fenomeno chiamato colpo d'ariete può portare a scenari pericolosi come il collasso dei tubi e la caduta delle tubazioni dai supporti. Il colpo d'ariete si verifica quando picchi di pressione grandi o piccoli passano rapidamente attraverso un sistema di tubazioni. Non solo sembra terribile, ma può essere incredibilmente distruttivo. Il colpo d'ariete è il processo a cui è sottoposto un sistema di tubazioni durante la transizione da un funzionamento stazionario a un altro. È presente in tutti i sistemi di tubazioni e non è limitato ai soli sistemi idrici. Un colpo d'ariete può essere causato da cambiamenti operativi pianificati, nonché da improvvisi sconvolgimenti non pianificati.

A volte, gli utenti affermano di non avere colpi d'ariete nel loro sistema, il che non è vero. Anche quando una pompa viene avviata, nel sistema viene introdotto un colpo d'ariete. Ciò che causa l’evento del colpo d’ariete e quanto grave può essere è ciò che deve essere determinato.

I codici per tubazioni B31.3 e B31.4 dell'American Society of Mechanical Engineers (ASME) sono standard ampiamente applicabili ai sistemi di tubazioni.1 Nell'ASME B31.3 per le tubazioni di processo, la sezione 301.2.2 illustra il contenimento o lo scarico della pressione richiesti. La sezione 301.2.2 afferma quanto segue:

a) Dovranno essere adottate misure per contenere o alleviare in modo sicuro qualsiasi pressione a cui le tubazioni potrebbero essere soggette. Le tubazioni non protette da un dispositivo di scarico della pressione, o che possono essere isolate da un dispositivo di scarico della pressione, devono essere progettate almeno per la pressione più alta che può essere sviluppata.

b) Le fonti di pressione da considerare includono influenze ambientali, oscillazioni e picchi di pressione, funzionamento improprio, decomposizione di fluidi instabili, prevalenza statica e guasto dei dispositivi di controllo.

c) Le indennità di cui al par. 302.2.4(f) sono consentiti, a condizione che siano soddisfatti gli altri requisiti del par. Anche i requisiti 302.2.4 sono soddisfatti.

Ciò richiede che la progettazione del sistema tenga conto delle alte pressioni. Altre sezioni discutono cosa sono le variazioni occasionali di pressione e cosa può essere consentito. ASME B31.4 per "Sistemi di trasporto di condotte per idrocarburi liquidi e altri liquidi" affronta anche le pressioni di progettazione interna e menziona che "l'aumento di pressione al di sopra della pressione operativa massima a regime a causa di picchi e altre variazioni rispetto alle normali operazioni è consentito in conformità al par. 402.2.4." Nella sezione 402.2.4 si afferma: "Devono essere effettuati i calcoli sui picchi e devono essere forniti controlli e dispositivi di protezione adeguati in modo che il livello di aumento della pressione dovuto ai picchi e ad altre variazioni rispetto alle normali operazioni non superi la pressione di progetto interna in qualsiasi momento" punto nel sistema di tubazioni e nelle apparecchiature di oltre il 10%."

Nel complesso, i colpi d'ariete e i picchi di pressione devono essere quantificati e affrontati per proteggere il sistema. Il colpo d'ariete può essere introdotto in molti modi. L'esempio classico è quello della chiusura rapida di una valvola ed è spesso utilizzato per descrivere i concetti di colpo d'ariete. La letteratura sui colpi d'ariete tratta gli eventi di chiusura rapida delle valvole molto spesso come le cause potenzialmente disastrose del colpo d'ariete. Tuttavia, il colpo d'ariete può anche essere causato da eventi di intervento della pompa, eventi di avvio della pompa, sovrapressurizzazione che causa l'apertura e la chiusura delle valvole di sicurezza, guasto delle valvole di controllo, sbattimento delle valvole di ritegno, ecc.

Il classico esempio di chiusura rapida della valvola, spesso utilizzato per descrivere il colpo d'ariete, tipicamente discute l'equazione di Joukowsky, che viene utilizzata per calcolare il picco di pressione teorico massimo per un evento istantaneo. L'equazione di Joukowsky dipende dalla densità del fluido, dalla velocità d'onda del fluido e dalla variazione di velocità.2 L'equazione di Joukowsky può essere applicata a tutto ciò che provoca una variazione istantanea di velocità. L'uso dell'equazione di Joukowsky per determinare la pressione di picco teorica massima è un utile punto di partenza. Tuttavia, ci sono momenti in cui è possibile che si verifichino picchi di pressione maggiori di quanto previsto dall’equazione.

Un esempio di casi in cui ciò può accadere è se è presente cavitazione transitoria in un sistema o in una linea di imballaggio. Detto questo, l’esempio della chiusura rapida della valvola è un ottimo modo per comprendere il colpo d’ariete. Sono disponibili vari metodi per quantificare la risposta della pressione durante un colpo d'ariete e questi calcoli possono essere complicati e faticosi. Un metodo è il Metodo delle caratteristiche che risolve le equazioni di bilancio transitorio di massa e quantità di moto in un approccio a griglia caratteristica.4 Applicare questi calcoli a un esempio di chiusura di una valvola per determinare come il picco di pressione sulla valvola cambia nel tempo non è troppo difficile. La sfida è che la letteratura spesso dimostra un esempio di chiusura rapida della valvola nel contesto di un singolo percorso di flusso con acqua e raramente fornisce indicazioni o dimostra calcoli per un sistema più complesso con più percorsi di flusso, pompe, dispositivi di soppressione dei picchi, ecc.