Valvole di Sicurezza e Dispositivi di Protezione dei Serbatoi Criogenici

Una valvola di sicurezza del serbatoio criogenico impedisce al recipiente di superare la propria pressione massima ammissibile di esercizio. Un serbatoio completo non dispone di un solo dispositivo di sicurezza ma di un sistema: valvole di sicurezza primaria e secondaria su una valvola di commutazione, un disco di rottura sul recipiente interno, e un dispositivo di sicurezza a protezione dell'intercapedine anulare sottovuoto.

Questi dispositivi esistono perché un liquido criogenico è stoccato ben al di sotto del proprio punto di ebollizione alle condizioni ambiente. La fuga termica è continua, quindi l'aumento di pressione è lo stato normale del recipiente, non un guasto. Il sistema di protezione della pressione impedisce che quell'aumento normale diventi un cedimento strutturale.

Questo articolo spiega cosa fa ciascun dispositivo, perché i dispositivi di sicurezza non devono mai essere isolati, e cosa ispezionare sul sistema di protezione della pressione di un serbatoio usato.

Di cosa è composto il sistema di valvole di sicurezza di un serbatoio criogenico?

Un serbatoio criogenico a isolamento sottovuoto è due recipienti in uno. Il recipiente interno contiene il liquido in pressione. L'involucro esterno è un'intercapedine sottovuoto progettata per la pressione esterna, non per la pressione interna. I due elementi richiedono una protezione diversa.

Una configurazione standard include:

• Una valvola di sicurezza primaria sul recipiente interno, a molla e a richiusura automatica, tarata a o al di sotto della pressione massima ammissibile di esercizio
• Una valvola di sicurezza secondaria di capacità equivalente, in modo che una possa essere messa fuori servizio senza lasciare il recipiente privo di protezione
• Una valvola di commutazione che porta entrambe le valvole di sicurezza, disposta in modo che almeno un percorso di sicurezza sia sempre aperto
• Un disco di rottura, chiamato anche disco di scoppio, sul recipiente interno come dispositivo di riserva non a richiusura automatica
• Un dispositivo di sicurezza dell'intercapedine anulare, talvolta chiamato sicurezza dell'intercapedine sottovuoto, a protezione dell'involucro esterno
• Tubazione di sfiato che scarica in un luogo sicuro, lontano dal personale e dalle prese d'aria degli edifici

Le pressioni di taratura sono stabilite dal costruttore in base al codice applicabile: PED 2014/68/EU con EN 13458 per i recipienti statici, EN 13530 per quelli trasportabili, oppure ASME Section VIII per il mercato statunitense. Sono registrate nella documentazione del recipiente e non sono regolabili in campo.

Cosa fa la valvola di sicurezza primaria?

La valvola di sicurezza primaria è il dispositivo operativo. Si apre quando la pressione dello spazio vapore raggiunge la propria pressione di taratura, scarica vapore finché la pressione non scende, poi si richiude. Su un serbatoio inattivo, o su uno con un guasto nei circuiti di controllo della pressione, può intervenire periodicamente. Questo è il sistema che svolge il proprio compito.

Due punti sono spesso fraintesi:

• La pressione di taratura della valvola di sicurezza è a o al di sotto del MAWP del recipiente interno, non a una pressione più alta scelta dall'operatore. Se un processo richiede una pressione di consegna più alta, la risposta è un recipiente con una classe di pressione superiore, non una valvola di sicurezza diversa
• Una valvola di sicurezza che interviene frequentemente è un sintomo, non un fastidio. Le cause abituali sono fuga termica da un vuoto degradato, un regolatore di pressurizzazione bloccato aperto, o un economizzatore non funzionante, e ciascuna di esse dovrebbe essere indagata

L'intervento ripetuto usura anche la sede, quindi una valvola che ha ciclato può iniziare a trafilare al di sotto della propria pressione di taratura.

Perché esiste una valvola di sicurezza secondaria e una valvola di commutazione?

Una valvola di sicurezza necessita di prove periodiche ed eventualmente di sostituzione, ma il recipiente non può restare privo di protezione durante quell'intervento, e svuotare e riscaldare un serbatoio criogenico per sostituire una valvola è un'operazione di più giorni.

La valvola di commutazione risolve questo problema. È una valvola a tre vie, talvolta chiamata valvola a doppio collettore o valvola di trasferimento, con una valvola di sicurezza su ciascuna delle due uscite. La progettazione interna garantisce che il percorso verso almeno una valvola di sicurezza sia sempre aperto, e nella posizione intermedia entrambe sono collegate. Non può isolare entrambi i dispositivi contemporaneamente.

La disciplina operativa è semplice:

• Spostare la valvola di commutazione completamente da un lato per mettere in servizio quel treno di sicurezza prima di rimuovere l'altra valvola
• Non lasciare mai la leva in una posizione intermedia, a meno che l'istruzione del costruttore non la definisca come posizione operativa
• Entrambe le valvole di sicurezza devono avere la stessa pressione di taratura e la stessa capacità di scarico. Una sostituzione non è solo questione di far coincidere la dimensione dell'attacco
• Registrare la commutazione, così lo storico di manutenzione mostra quale treno era in servizio e quando

A cosa serve il disco di rottura su un serbatoio criogenico?

Il disco di rottura è un dispositivo non a richiusura automatica, un sottile diaframma metallico che si rompe a una pressione definita e resta aperto finché non viene sostituito. La sua pressione di taratura è superiore a quella della valvola di sicurezza ma entro il limite consentito dal codice rispetto al MAWP, quindi in un normale evento di sovrapressione la valvola di sicurezza interviene per prima e il disco resta integro.

Il disco esiste per gli eventi che una valvola a molla potrebbe non gestire da sola:

• Un caso di incendio, in cui il calore esterno produce una generazione di vapore ben al di sopra dei tassi di evaporazione normali
• Una valvola di sicurezza che non si apre, per esempio a causa di ghiaccio nello scarico
• Un'escursione di pressione rapida in cui serve immediatamente l'intera area di scarico disponibile

Poiché un disco rotto non si richiude, il serbatoio sfiata il proprio contenuto finché non è depressurizzato. Questo è un comportamento previsto. Il serbatoio resta fuori servizio finché il gruppo disco non viene sostituito con il ricambio corretto, adeguato alla pressione di rottura e al portadisco specificati dal costruttore. Un disco di analoga taratura di un altro costruttore non è equivalente.

Cosa protegge l'intercapedine anulare sottovuoto?

Questo dispositivo è quello più spesso trascurato, e protegge da una modalità di guasto seria. L'intercapedine anulare è sotto alto vuoto e l'involucro esterno è costruito per resistere a quel carico atmosferico esterno. Non è un'attrezzatura a pressione.

Se il recipiente interno o una tubazione interna perde, il liquido criogenico entra nell'intercapedine anulare, assorbe calore ed evapora. L'espansione di volume è molto grande, quindi l'intercapedine sottovuoto si pressurizza rapidamente e senza un percorso di sfogo l'involucro esterno cederebbe. Il dispositivo di sicurezza dell'intercapedine anulare, di solito una piastra a molla o una piastra a rottura con guarnizione elastomerica, scarica a una pressione bassa ben al di sotto di ciò che l'involucro esterno potrebbe sopportare.

Regole per questo dispositivo:

• Non deve mai essere riverniciato, nastrato, sigillato con sigillante o coperto da isolamento o rivestimento
• Non deve mai essere bloccato da neve, ghiaccio, nidi di uccelli o materiale stoccato appoggiato al serbatoio
• Non deve essere rimosso per controllare il vuoto, che va letto attraverso la porta di evacuazione dedicata
• Se è intervenuto, il vuoto è perso e il serbatoio resta fuori servizio finché la causa non viene individuata
• Confermate che il dispositivo sia effettivamente presente, poiché su unità più datate a volte manca dopo una riparazione

Un dispositivo di sicurezza dell'intercapedine anulare che è intervenuto segnala una perdita del recipiente interno, un problema diverso dal lento degrado del vuoto. Il nostro articolo sulla perdita di vuoto nei serbatoi criogenici tratta la distinzione.

Perché i dispositivi di sicurezza non devono mai essere isolati o bloccati?

Questa è la regola più importante su un'installazione criogenica. Un dispositivo di sicurezza che non può percepire la pressione del recipiente, o non può scaricare, non fornisce alcuna protezione, e il serbatoio non dà alcun segnale esterno finché la pressione non è già salita.

In pratica, l'isolamento avviene in modi che sembrano innocui:

• Una valvola di blocco installata a monte di una valvola di sicurezza e chiusa per fermare una valvola che trafila, invece di ripararla
• Una valvola di commutazione lasciata in una posizione che il costruttore non definisce come posizione operativa
• Un tappo o una flangia cieca installata su uno scarico di sfiato per tenere fuori la pioggia
• Tubazione di sfiato prolungata con tubo lungo o sottodimensionato, aggiungendo una contropressione per cui la valvola non era dimensionata
• Uno scarico di sfiato congelato perché rivolto verso l'alto e ha raccolto acqua
• Un dispositivo di sicurezza dell'intercapedine anulare coperto durante la verniciatura o il rivestimento

La tubazione di sfiato merita attenzione in qualsiasi ispezione di sito. Lo scarico deve avvenire in un luogo sicuro, lontano da passaggi pedonali, porte, prese d'aria e la posizione di riempimento dell'autocisterna, e deve essere a scarico libero affinché la condensa non possa accumularsi e congelare. Gli scarichi di ossigeno e azoto creano un pericolo di arricchimento o carenza allo sbocco. Dove una valvola a monte di un dispositivo di sicurezza è richiesta dal progetto, viene bloccata o sigillata in posizione aperta secondo una procedura documentata definita dal codice e dal costruttore.

Con quale frequenza va provata o sostituita una valvola di sicurezza di un serbatoio criogenico?

Non esiste un unico intervallo universale. Deriva dal codice applicabile e dalla normativa nazionale per il recipiente, e dal manuale di istruzioni del costruttore per il dispositivo. Per i recipienti trasportabili la normativa di trasporto stabilisce il ciclo di ispezione periodica, e l'intervento sui dispositivi di sicurezza rientra in esso.

Ciò che è coerente tra i vari regimi è la pratica:

• La pressione di taratura viene verificata su un banco prova da un'officina competente, oppure la valvola viene sostituita con un'unità nuova certificata
• I dispositivi vengono sigillati dopo la taratura. Un sigillo rotto significa che la taratura non è più verificata
• La pressione di taratura non viene mai regolata sul campo per risolvere un problema operativo
• I dischi di rottura vengono sostituiti a un intervallo definito oltre che dopo ogni rottura, poiché il materiale si affatica sotto i cicli di pressione
• Ogni prova, sostituzione e commutazione viene registrata, con i certificati conservati nel fascicolo del recipiente
• I controlli visivi tra un intervallo formale e l'altro coprono gli scarichi di sfiato, il dispositivo dell'intercapedine anulare, la corrosione e qualsiasi trafilamento o formazione di ghiaccio

Inserite questo aspetto nella routine di manutenzione programmata più ampia, insieme alla lettura del vuoto che dovrebbe essere effettuata ogni 6-12 mesi. Il nostro articolo sul programma di manutenzione dei serbatoi criogenici illustra come si combinano gli intervalli.

Cosa dovreste controllare sui dispositivi di sicurezza di un serbatoio criogenico usato?

La protezione della pressione è il punto in cui l'ispezione di un serbatoio usato costruisce fiducia oppure chiude la trattativa.

• MAWP di targa confrontato con la pressione di taratura indicata su ciascuna valvola di sicurezza, coerente tra loro e con il servizio previsto
• Entrambe le valvole di sicurezza presenti, con pressione di taratura e capacità corrispondenti, con sigilli intatti e identificazione leggibile
• Valvola di commutazione che opera in modo scorrevole su tutta la sua corsa, senza evidenza che un'uscita sia stata bloccata
• Portadisco del disco di rottura correttamente assemblato, con documentazione della taratura del disco
• Dispositivo di sicurezza dell'intercapedine anulare presente, non verniciato, non ostruito e integro
• Tubazione di sfiato integra, correttamente instradata e a scarico libero, senza tappi o prolunghe improvvisate
• Certificati dell'ultima prova o sostituzione dei dispositivi di sicurezza nel fascicolo documentale
• Evidenza delle condizioni del vuoto, poiché un vuoto degradato mantiene il sistema di sicurezza costantemente attivo

KAF Cryogenics vende serbatoi criogenici usati certificati che hanno superato ispezione, controlli non distruttivi, e prova del vuoto e di pressione, forniti con un fascicolo documentale e una garanzia scritta. I dispositivi di sicurezza vengono specificati in base al MAWP del recipiente e al codice applicabile prima del rilascio.

Domande frequenti

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