Eliminazione del colpo d'ariete nelle valvole di ritegno: diagnosi, analisi della velocità di chiusura e scelta degli ammortizzatori

1. Descrizione del problema e ambito di applicazione

Il colpo d'ariete causato da valvole di ritegno che non funzionano correttamente è un problema critico nei sistemi di tubazioni industriali che può causare gravi danni alle apparecchiature, tempi di fermo e mettere a repentaglio la sicurezza del personale. Questo manuale si concentra sulla diagnosi, sull'identificazione delle cause profonde e sull'eliminazione dei colpi d'ariete causati dalla chiusura o apertura improvvisa delle valvole di ritegno.

Attrezzature coperte: Stazioni di pompaggio, condotte principali e di processo, approvvigionamento idrico, sistemi di riscaldamento e raffreddamento, oleodotti e gasdotti, impianti chimici in cui vengono utilizzate valvole di ritegno per impedire il riflusso di liquidi. Le principali tipologie di valvole considerate sono di sollevamento, rotative e silenziose (assiali).

Classificazione della gravità:

• Critico: Distruzione di tubazioni, pompe, raccordi; fuoriuscita di sostanze pericolose; pericolo per la vita e la salute del personale. Richiede un intervento immediato.
• Significativo: frequente attivazione delle difese; danni alle guarnizioni delle valvole; vibrazioni e rumore intensi; usura accelerata delle attrezzature. Richiede riparazioni o ammodernamenti pianificati.
• Minore: rumore intermittente o leggera vibrazione. Richiede il monitoraggio e l'inclusione in un piano di manutenzione preventiva.

2. Precauzioni

SEGUIRE SEMPRE LE PROCEDURE DI SICUREZZA DELLA STRUTTURA PRIMA DI INIZIARE QUALSIASI LAVORO DI DIAGNOSTICA O DI RIPARAZIONE SU UN SISTEMA CON TUBAZIONI SOGGETTE A SCOSSE D'ACQUA. LA MANCATA OSSERVANZA POTREBBE CAUSARE LESIONI GRAVI O MORTE.

• LOCKOUT/TAGOUT (LOTO): Prima di qualsiasi intervento nel sistema di tubazioni, assicurarsi che le fonti di energia (elettrica, idraulica, pneumatica) siano isolate e che l'apparecchiatura sia bloccata e contrassegnata secondo gli standard DSTU EN 10301:2006.
• DISPOSITIVI DI PROTEZIONE INDIVIDUALE (DPI): Utilizzare DPI adeguati: occhiali di sicurezza (DSTU EN 166:2017), guanti protettivi, indumenti protettivi, scarpe protettive (DSTU EN ISO 20345:2019), dispositivi di protezione dell'udito (DSTU EN 352-1:2017) quando si lavora in aree ad alto rumore.
• ENERGIA IMMAGAZZINATA: assicurarsi che tutta l'energia immagazzinata (pressione del fluido, tensione della molla, carica elettrica sui condensatori) nel sistema sia completamente rilasciata o controllata in modo sicuro prima di smontare qualsiasi componente.
• GAS E LIQUIDI SOTTO PRESSIONE: Prima di aprire qualsiasi connessione flangiata o valvola di scarico, assicurarsi che la sezione della tubazione sia completamente diseccitata, raffreddata e depressurizzata alla pressione atmosferica. Seguire le procedure per la gestione delle sostanze pericolose, se presenti nel sistema.

3. Strumenti diagnostici necessari

Per una diagnostica efficace del colpo d'ariete sono necessarie attrezzature specializzate. Di seguito è riportato un elenco di strumenti consigliati:

4. Lista di controllo per la valutazione iniziale

Prima di iniziare una diagnosi dettagliata, eseguire una valutazione iniziale raccogliendo informazioni di base sul sistema e sui sintomi. Ciò aiuterà a restringere il campo delle potenziali cause.

5. Diagramma a blocchi diagnostico sistematico

Seguire questa sequenza per individuare la causa principale del colpo d'ariete.

1. Sintomo: colpi/tonfi forti e intensi e vibrazioni nell'area della valvola di ritegno dopo l'arresto della pompa.
   1. Passaggio diagnostico: ispezionare visivamente e ascoltare la valvola mentre la pompa è ferma.
      • Se: si sente chiaramente un impatto metallico.
        1. Causa probabile: chiusura rapida (improvvisa) della bobina della valvola sotto l'azione del riflusso.
           1. Diagnosi: misurare il tempo di chiusura della valvola utilizzando una telecamera ad alta velocità e un flussometro a ultrasuoni.
              • Risultato atteso: il tempo di chiusura è inferiore a 0,2-0,5 secondi; la velocità del flusso inverso è superiore a 1 m/s.
              • Controllare: la rigidità della molla della valvola (se applicabile) o il peso della bobina.
                • Se: La molla è troppo rigida o la bobina è troppo leggera per il flusso di ritorno dato.
                • Causa principale: selezione errata della valvola o dei suoi componenti per la dinamica del sistema.
              • Controllare: Presenza e funzionalità dello smorzatore (ad esempio, smorzatore idraulico nelle valvole rotative).
                • Se: La serranda è difettosa (perdita di fluido, canali ostruiti) o mancante.
                • Causa principale: danno o dispositivo di smorzamento mancante.
2. Sintomo: vibrazioni prolungate, ronzio o rumore di cavitazione nella tubazione dopo l'arresto della pompa, senza un impatto improvviso della valvola. Caduta di pressione della pompa dopo l'arresto, quindi ripristino.
   1. Passaggio diagnostico: misurare la pressione a valle della pompa e a monte della valvola di ritegno con un manometro ad alta velocità durante l'arresto.
      • Se: la pressione scende a zero o negativa e poi aumenta bruscamente.
      • Probabile causa: la valvola di ritegno si chiude troppo lentamente, consentendo lo sviluppo di un notevole riflusso.
        1. Diagnosi: misurare il tempo di chiusura della valvola e la velocità di riflusso.
           • Risultato atteso: Tempo di chiusura superiore a 1,0-2,0 secondi; la velocità del flusso inverso è superiore a 1,5 m/s.
           • Controllare: la presenza di corpi estranei o sporco nel meccanismo della valvola.
             • Se: vengono rilevati ostacoli meccanici.
             • Causa principale: Valvola intasata.
           • Controllare: Usura o danni alle parti mobili interne della valvola (spola, stelo).
             • Se: vengono rilevati gioco, usura, corrosione.
             • Causa principale: usura meccanica della valvola.
           • Controllare: funzionalità e rigidità della molla (se presente).
             • Se: La molla è allentata o rotta.
             • Causa principale: molla della valvola difettosa.
3. Sintomo: vibrazioni e rumore continui o intermittenti non direttamente correlati all'avvio/arresto della pompa.
   1. Passaggio diagnostico: misurare le vibrazioni del corpo della valvola e della tubazione con un analizzatore di vibrazioni.
      • Se: Livelli di vibrazione elevati (>7,1 mm/s RMS per condizioni nominali, ISO 10816-3).
        1. Causa probabile: bobina della valvola in posizione instabile (flutter) o portata eccessiva attraverso la valvola.
           1. Diagnosi: misurare la portata attraverso la valvola con un flussometro a ultrasuoni.
              • Risultato atteso: la velocità del flusso è superiore a quella consigliata per questo tipo di valvola (ad esempio più di 3 m/s per la maggior parte delle valvole rotative).
              • Controllare: La corrispondenza della dimensione della valvola (DN) al diametro nominale della tubazione e alla portata di lavoro.
                • Se: la valvola è troppo piccola per il volume del flusso.
                • Causa principale: selezione errata della dimensione della valvola.
4. Sintomo: danni regolari alle guarnizioni della valvola, bobina o sede usurata, perdite frequenti.
   1. Passaggio diagnostico: ispezione visiva degli interni della valvola durante la manutenzione ordinaria.
      • Se: vengono rilevati danni meccanici, erosione, tracce di cavitazione.
        1. Causa probabile: colpi d'ariete o sbattimenti cronici con conseguenti carichi ciclici.
           1. Diagnostica: Effettuare un'analisi completa del sistema secondo i punti 1 e 2 di questa sezione.
           2. Risultato atteso: Conferma di uno dei motivi sopra indicati.
           3. Causa principale: uno qualsiasi dei problemi sopra menzionati a cui non è stato posto rimedio in modo tempestivo.

6. Matrice "Sintomo - Probabile causa"

Questa tabella ti aiuterà a correlare rapidamente i sintomi osservati con le cause principali e le misure diagnostiche più probabili.

7. Analisi della causa principale di ogni malfunzionamento

7.1. Chiusura rapida (improvvisa) della valvola di ritegno

Spiegazione: questo tipo di colpo d'ariete si verifica quando la bobina della valvola di ritegno si chiude troppo rapidamente dopo un'improvvisa cessazione del flusso diretto (ad esempio in caso di arresto di emergenza della pompa). Il fluido che si muove per inerzia crea un flusso inverso che si interrompe bruscamente contro la bobina della valvola chiusa. Ciò crea un'onda d'urto ad alta pressione che si propaga attraverso la tubazione.

Come verificare: misurare il tempo di chiusura della valvola (dovrebbe essere compreso tra 0,3 e 1,0 secondi per la maggior parte delle applicazioni, a seconda di DN e PN) utilizzando una videocamera ad alta velocità sincronizzata con la registrazione della pressione. Un forte aumento della pressione (picchi 2-5 volte superiori alla pressione di esercizio) immediatamente dopo la chiusura della valvola conferma questo scenario. L'analisi dell'oscillogramma del sensore di pressione mostrerà un impulso a breve termine e di elevata ampiezza.

Danno:

• Deformazione e distruzione di tubazioni, collegamenti a flangia.
• Danni ai componenti interni della valvola (spola, sede, molla).
• Distacco degli elementi di fissaggio e dei supporti della tubazione.
• Guasto di dispositivi di misurazione, pompe.
• Creazione di una situazione pericolosa per il personale a causa della fuoriuscita di liquido in pressione.

7.2. Chiusura lenta della valvola di ritegno

Spiegazione: Questo motivo è l'opposto del precedente. Se la valvola di non ritorno si chiude troppo lentamente, un volume significativo di liquido ha il tempo di spostarsi nella direzione opposta. Quando la valvola finalmente si chiude, anche questo riflusso si interrompe bruscamente, creando un colpo d'ariete. Inoltre, la presenza di riflusso può causare cavitazione nella zona della valvola e della pompa, soprattutto a basse pressioni.

Come verificare: misurare il tempo di chiusura della valvola (oltre 1,5-2,0 secondi è un segno di chiusura lenta) e la velocità di riflusso. Un flussometro a ultrasuoni è in grado di rilevare un significativo riflusso prima che la valvola sia completamente chiusa. Allo stesso tempo, i picchi di pressione possono essere inferiori rispetto al caso di chiusura improvvisa, ma il colpo d'ariete può avere natura più lunga e fluttuante.

Danno:

• Distruzione di erosione e cavitazione della sede e della bobina della valvola.
• Rotazione inversa e danneggiamento della girante della pompa.
• Usura delle superfici di tenuta, che porta a perdite costanti.
• Diminuzione dell'efficienza del sistema a causa del costante riflusso.

7.3. Selezione errata del tipo e della dimensione della valvola (flutter)

Spiegazione: una valvola di dimensioni o tipo errati può funzionare in una modalità instabile nota come flutter. Ciò si verifica quando la valvola non si apre completamente alla portata nominale o la sua spola oscilla sotto il flusso, creando micro-urti costanti contro la sede. Ad esempio, una valvola rotativa in una tubazione verticale in cui la gravità non può ruotare rapidamente la bobina, oppure una valvola selezionata con un margine DN eccessivo che funziona a basse portate.

Come confermarlo: Vibrazione e rumore costanti della valvola durante il normale funzionamento, registrati da un analizzatore di vibrazioni (il livello di vibrazione supera 7,1 mm/s RMS, categoria "Inaccettabile" secondo ISO 10816-3). Una caduta di pressione sulla valvola superiore a quella calcolata può indicare la sua apertura parziale. Una telecamera ad alta velocità può mostrare l'oscillazione della bobina.

Danno:

• Usura accelerata delle parti mobili della valvola, della sede e delle guarnizioni.
• Fatica del metallo del corpo valvola e delle sezioni adiacenti della tubazione.
• Danni all'asta, all'asse o ad altri componenti interni.
• Diminuzione della produttività e aumento del consumo energetico.

8. Procedure dettagliate per la risoluzione dei problemi

8.1. Eliminazione dell'idroshock da Quick Close

1. Installazione/regolazione dello smorzatore idraulico:
   • Applicazione: per valvole di ritegno rotative. Installare un ammortizzatore idraulico o regolare quello esistente.
   • Azione: aumentare il tempo di chiusura della valvola a 0,5-1,0 secondi regolando la velocità di spostamento del liquido dallo smorzatore. Iniziare con la velocità minima aumentandola gradualmente fino a raggiungere il tempo di chiusura ottimale senza colpo d'ariete.
   • Controllo: avviare e arrestare la pompa, monitorando pressione e vibrazioni. I valori di pressione di picco dopo la chiusura della valvola non devono essere superiori a 1,2-1,5 della pressione di esercizio.
2. Utilizzo di valvole di intercettazione controllate:
   • Applicazioni: Per sistemi con arresti frequenti e rischio elevato di colpi d'ariete.
   • Azione: sostituire la valvola di ritegno esistente con una valvola specializzata, ad esempio una valvola di ritegno assiale silenziosa con molla di smorzamento o una valvola a pistone con ammortizzatore idraulico.
   • Verifica: esegui un test del sistema. Seguire le raccomandazioni del produttore per l'installazione e la configurazione.
3. Modifica le caratteristiche della molla (per valvole di sollevamento):
   • Applicazione: Se la molla è troppo rigida.
   • Azione: installare una molla con minore rigidità per aumentare il tempo di chiusura. Seguire le specifiche del produttore.
   • Controllo: monitoraggio della pressione e delle vibrazioni.

8.2. Elimina l'idroshock da Slow Close

1. Pulizia e manutenzione delle valvole:
   • Applicazione: quando vengono rilevati sporco o ostacoli meccanici.
   • Azione: smontare la valvola, pulire accuratamente tutte le superfici interne, sede, bobina. Verificare la presenza di corrosione o accumuli. Sostituire le guarnizioni usurate.
   • Controllo: dopo l'installazione, verificare la tenuta e la funzionalità.
2. Sostituzione di componenti usurati:
   • Applicazione: Quando si rileva l'usura della bobina, della sede, dell'asta o della molla indebolita.
   • Azione: Sostituire le parti danneggiate o usurate con parti originali o equivalenti conformi alle norme EN 12516-1, EN 13709.
   • Controllo: controllare la forza di chiusura e la velocità di risposta della valvola.
3. Aumento della rigidità della molla (per valvole di sollevamento):
   • Applicazione: se la molla è debole o troppo morbida.
   • Azione: installare una molla più rigida per accelerare la chiusura della bobina.
   • Check: Monitoraggio dell'orario di chiusura e dell'assenza di riflusso.

8.3. Eliminazione della selezione errata della valvola (flutter)

1. Controllo e correzione delle dimensioni della valvola:
   • Applicazione: se la valvola è troppo grande o piccola per le condizioni operative.
   • Azione: eseguire un calcolo idraulico del sistema. Selezionare una valvola di non ritorno con un diametro nominale (DN) che fornisca una resistenza minima al flusso massimo e una chiusura rapida al flusso inverso. Per la maggior parte delle valvole di non ritorno, la velocità minima del flusso consigliata per l'apertura completa è 1,5-2,0 m/s.
   • Controllo: dopo aver sostituito la valvola, misurare la caduta di pressione attraverso la valvola e le vibrazioni durante il funzionamento.
2. Cambio del tipo di valvola:
   • Applicazione: se il tipo di valvola non soddisfa le condizioni (ad esempio, una valvola rotativa in una tubazione verticale).
   • Azione: sostituire la valvola con un tipo più adatto, come una valvola rotativa silenziosa assiale o a doppio disco.
   • Verifica: test del sistema.

9. Misure preventive

Prevenire i colpi d'ariete è molto più efficace ed economico che eliminarne le conseguenze.

10. Parti di ricambio e componenti

Per riparazioni rapide ed efficienti è importante avere a portata di mano i pezzi di ricambio necessari. UNITEC-D GmbH offre un'ampia gamma di componenti per valvole di ritegno conformi agli standard CE e UkrSEPRO.

Trova le parti di cui hai bisogno nel nostro catalogo elettronico: www.unitecd.com/e-catalog/

11. Collegamenti

• DSTU EN 10301:2006 (EN 10301:2001, IDT) "Condotte. Stazioni di pompaggio e compressione. Requisiti generali di sicurezza".
• DSTU EN 166:2017 (EN 166:2001, IDT) "Protezione individuale degli occhi. Requisiti tecnici".
• DSTU EN ISO 20345:2019 (EN ISO 20345:2011, IDT; ISO 20345:2011, IDT) "Mezzi di protezione individuale. Le scarpe sono sicure."
• DSTU EN 352-1:2017 (EN 352-1:2002, IDT) "Dispositivi individuali di protezione dell'udito. Requisiti generali. Parte 1. Cuffie antirumore".
• ISO 10816-3:2009 "Vibrazioni meccaniche - Valutazione delle vibrazioni della macchina mediante misurazioni su parti non rotanti - Parte 3: Macchine industriali con potenza nominale superiore a 15 kW e velocità nominali comprese tra 120 giri/min e 15.000 giri/min quando misurate in situ."
• EN 12516-1:2014 "Raccordi per tubi industriali. Metodi di calcolo, progettazione e prova. Parte 1: Metodo di calcolo per casi di rinforzo in acciaio".
• EN 13709:2002 "Raccordi per tubi industriali. Chiusure in acciaio".
• DIN EN ISO 10497:2010 "Prove sulle armature. Prova con fuoco esterno".
• DIN EN 13917:2004 "Molle. Termini e definizioni".
• DIN EN 1983:2013 "Raccordi per tubi industriali. Valvole di non ritorno in acciaio".
• Manuali dei produttori di valvole di ritegno (ad es. ARI-Armaturen, KSB, Kitz).