Limitatore di pressione della caldaia: una guida pratica alle valvole di sicurezza e alla manutenzione della caldaia

L'operatore di un impianto sente uno scarico improvviso dalla linea di sfogo del corpo cilindrico subito dopo che una caldaia a recupero di calore inizia il funzionamento freddo mattutino. Il vapore esce, il pannello di controllo mostra che la pressione sta salendo verso la massima pressione di esercizio consentita e qualcuno chiede se è possibile riavviare rapidamente il sistema. In un sistema di caldaie industriali, scarico della pressione della caldaia non c'è una sola valvola da controllare una volta all'anno; è una funzione protettiva che deve essere calcolata, installata e verificata insieme al recipiente a pressione. La valvola di sicurezza è l'ultimo dispositivo tra un evento di sovrapressione e un grave danno alla caldaia, alla rete del vapore collegata o al personale nelle vicinanze. La nostra esperienza come produttore di apparecchiature per il recupero del calore industriale ha ripetutamente dimostrato che la maggior parte dei problemi sul campo sono riconducibili al sistema attorno alla valvola: scarichi bloccati, controlli non riusciti, dimensionamento errato o scarsa manutenzione. Questo articolo spiega come funziona la limitazione della pressione della caldaia, come scegliere e impostare le valvole e cosa dovrebbero fare i team dell'impianto prima di fare affidamento sull'ultima linea di difesa.

Che cosa fa lo scarico della pressione della caldaia e perché non può essere ignorato

La limitazione della pressione della caldaia è il processo mediante il quale un dispositivo di riduzione della pressione protegge una caldaia dal superamento della pressione di esercizio massima consentita (MAWP). Quando la pressione del sistema raggiunge il setpoint della valvola, la valvola si apre, scarica il vapore o l'acqua calda in eccesso, quindi si riposiziona dopo che la pressione è scesa a un livello di sicurezza. Questa non è una funzione di regolazione della pressione controllata; è una risposta di emergenza.

Gli ingegneri e i team di acquisto utilizzano spesso i termini valvola di sicurezza, valvola di sicurezza e valvola di sicurezza come se fossero intercambiabili. La distinzione è importante perché la valvola deve produrre la caratteristica di apertura richiesta per il fluido che tratta. Una valvola di sicurezza si apre rapidamente con un'azione pop ed è destinata al servizio con vapore o aria. Una valvola di sicurezza si apre gradualmente in proporzione alla pressione e viene normalmente utilizzata per il servizio con liquidi. Una valvola di sicurezza può gestire vapore o liquidi.

Per una caldaia a vapore, la funzione di scarico della pressione dovrebbe normalmente provenire da una valvola di sicurezza autorizzata da ASME. Una caldaia per l'acqua calda necessita di una valvola di sicurezza. Un recipiente di processo industriale può utilizzare una valvola di sicurezza. L'utilizzo del tipo sbagliato provoca vibrazioni, perdita di capacità e ispezioni non riuscite.

All'interno della valvola: come funziona la limitazione della pressione della caldaia

Il dispositivo di limitazione della pressione per caldaie industriali più comune è una valvola di sicurezza diretta a molla. Una molla tiene un disco temprato contro una sede. Quando la pressione statica all'interno della caldaia agisce sul disco con forza sufficiente a superare la forza della molla, il disco si solleva. Il vapore o l'acqua viaggiano attraverso il corpo della valvola e fuoriescono dalla linea di scarico. Una volta che la pressione scende al livello di scarico, la molla riposiziona il disco e la valvola si chiude.

Le parti principali sono l'ugello di ingresso, la superficie di appoggio, il disco, la molla, l'alberino, l'anello di controllo dello scarico e la leva di sollevamento. La leva di sollevamento consente di verificare che il disco sia libero, ma non verifica il punto di regolazione. La pressione impostata è la pressione alla quale la valvola inizia ad aprirsi in condizioni di servizio. Lo spurgo è la differenza tra la pressione di apertura e la pressione di richiusura, solitamente espressa come percentuale della pressione impostata.

• Impostare la pressione: la pressione calibrata alla quale inizia la scarica.
• Capacità: la quantità di vapore, in libbre all'ora, che la valvola può scaricare ad una sovrapressione specificata.
• Scarico: il calo al di sotto della pressione impostata al quale la valvola si chiude nuovamente.
• Accumulo: l'aumento di pressione al di sopra della MAWP consentito durante lo scarico completo.

In una tipica caldaia a vapore industriale, la pressione durante lo scarico può salire al di sopra della MAWP, ma l'aumento è limitato dalla normativa. Per le caldaie elettriche disciplinate dall'ASME Sezione I, il limite è comunemente intorno al 6%; per le caldaie per il riscaldamento dell'acqua calda il limite è solitamente del 10%. La capacità della valvola deve essere sufficientemente elevata da mantenere la pressione entro tali limiti anche se il bruciatore non si spegne.

Impostare la pressione, la capacità e i requisiti del codice dietro lo scarico della pressione della caldaia

Due numeri decidono se una valvola limitatrice di pressione della caldaia farà il suo lavoro: impostare la pressione e la capacità di scarico. La pressione impostata deve essere pari o inferiore alla pressione di esercizio massima consentita stampigliata sulla targhetta della caldaia. La capacità deve essere sufficientemente elevata da scaricare la velocità massima di generazione del vapore, anche se una valvola del carburante si guasta e il bruciatore non si spegne.

ASME Sezione I, che regola le caldaie elettriche, richiede che ogni caldaia abbia almeno una valvola limitatrice di pressione. Le caldaie con superfici riscaldanti maggiori richiedono due o più valvole. Durante un evento di sollievo, la pressione può aumentare al di sopra della MAWP di un importo limitato. La targhetta della valvola deve mostrare la capacità certificata e la pressione impostata. Quando una caldaia è dotata anche di un surriscaldatore o di un economizzatore, ciascuna apparecchiatura contenente pressione può necessitare della propria protezione di scarico.

In una caldaia a recupero di calore, la valvola di sicurezza non è dimensionata solo in base al carico stazionario. L'apporto termico massimo può provenire da un improvviso aumento della temperatura dei gas di scarico, dalla fuoriuscita di fuliggine o da cambiamenti del ciclo di processo. Un buon produttore calcola la capacità di soccorso in base a tali condizioni transitorie, non a un rapporto di produzione medio.

Caldaia a recupero di calore con fumi di cokeria per il recupero di temperature medio-basse Questa caldaia recupera il calore dai gas di scarico della cokeria a 260-300°C per produrre vapore, riducendo la temperatura di uscita a 140-160°C. Il dimensionamento della valvola di sicurezza deve tenere conto dell'apporto di calore transitorio, rendendolo rilevante quando si indagano eventi di sovrapressione. Visualizza il prodotto →

Perché le valvole limitatrici di pressione della caldaia si aprono? Osservazioni sul campo basate sui dati

Capire perché si apre la valvola limitatrice della pressione della caldaia è importante quanto sapere come ripristinarla. Nella nostra revisione tecnica dei rapporti di risoluzione dei problemi degli impianti a vapore industriali, alcune cause compaiono molto più spesso di altre. Il grafico seguente riassume un campione sul campo di 180 eventi di scarico non pianificati delle valvole di sicurezza raccolti dai team di manutenzione dell'impianto e dagli ingegneri dei fornitori. Il raggruppamento delle cause è pratico, non accademico, e aiuta i team dello stabilimento a decidere dove trascorrere il tempo di ispezione. Leggi la lunghezza di ciascuna barra come percentuale di eventi registrati attribuiti a quella causa.

La prima scoperta è che la cottura eccessiva appare come il principale fattore scatenante in questo campione. Un controller del bruciatore guasto, una valvola del combustibile calibrata in modo errato o un segnale di fiamma interrotto possono aggiungere calore più velocemente di quanto la caldaia possa convertire l'acqua in vapore. La valvola di sicurezza diventa quindi l'unico componente che impedisce un'escursione di pressione. La seconda causa più importante, una valvola di uscita del vapore chiusa o limitata, è spesso evitabile attraverso semplici regole operative. Molti impianti isolano le linee del vapore per la manutenzione e poi dimenticano che una valvola di blocco rimane chiusa. Sensori e controlli di pressione guasti formano il terzo gruppo, confermando il valore di una calibrazione regolare. In questi casi il set point non era il problema; il sistema semplicemente non ha mai ricevuto il segnale corretto per ridurre l'attivazione. La dilatazione termica spiega gli eventi negli impianti di acqua calda in cui un vaso di espansione è sottodimensionato o isolato da una valvola di intercettazione. L'usura meccanica e la deriva del setpoint rappresentano una quota minore ma comunque significativa e di solito vengono rilevati durante i test di avvio. Il colpo d'ariete, il gruppo più piccolo, è raro ma pericoloso perché crea un improvviso transitorio di pressione. Spesso è il risultato di rapidi cambiamenti nella richiesta di vapore, di uno scarso drenaggio della condensa o di un rapido movimento della valvola. Nel complesso, la lezione è che una valvola limitatrice di pressione della caldaia raramente protegge da un problema che si manifesta senza preavviso.

Selezione di valvole limitatrici di pressione per caldaie industriali e per caldaie a recupero di calore

La selezione dovrebbe iniziare con la caldaia MAWP e la capacità di scarico certificata, non con la dimensione della valvola esistente. Quando viene installata la valvola sbagliata, la caldaia può superare un'ispezione solo se la targhetta, la capacità e la pressione impostata corrispondono ai calcoli di progettazione. La valvola deve inoltre adattarsi alla connessione di ingresso disponibile, alla disposizione delle tubazioni di scarico e all'intervallo di temperature di esercizio.

Utilizza questi fattori di selezione come punto di partenza:

• MAWP e temperatura di progetto del componente caldaia
• Sezione ASME e tipo di valvola richiesti
• Portata certificata alla pressione impostata e alla sovrapressione ammissibile
• Materiali delle valvole per servizio lato vapore e lato acqua
• Caduta di pressione della tubazione di ingresso, limitata a circa il 3% della pressione impostata per evitare vibrazioni
• Contropressione in uscita, compreso l'effetto di un serbatoio di scarico e di un camino
• Impostazione dello spurgo e comportamento di riposizionamento previsto
• Accesso per test, manutenzione e sostituzioni future

Per le caldaie a recupero di calore, il calcolo della capacità deve includere la massima generazione di vapore possibile al massimo flusso di fumi, ad alta temperatura dei fumi e alle peggiori condizioni di processo. Un produttore che propone un recuperatore di calore di scarto senza un calcolo del dimensionamento della valvola di sicurezza lascia troppe supposizioni.

Unità di recupero del calore di scarto dei fumi ad alta temperatura per gassificatore a ossigeno Questa unità gestisce i gas di scarico a temperature superiori a 800°C utilizzando leghe ad alta temperatura e design resistenti alla polvere. Poiché la capacità della valvola di sicurezza deve essere calcolata per le condizioni peggiori, è importante verificare la certificazione ASME e impostare la documentazione sulla pressione. Visualizza il prodotto →

Quando acquisti valvole da un grossista o da un distributore di terze parti, insisti su una targhetta di capacità certificata ASME e su una documentazione chiara della pressione impostata. Le pratiche burocratiche aggiuntive non sono burocrazia; è l'unico modo per verificare che la valvola funzioni durante un evento di sovrapressione.

Installazione, test e manutenzione: una pratica lista di controllo per lo scarico della pressione della caldaia

Una corretta installazione fa la differenza tra una valvola di sicurezza che protegge ad ogni richiesta e una che si guasta durante un'emergenza. La valvola deve essere montata verticalmente, vicino al corpo cilindrico della caldaia, con un ingresso a grandezza naturale e nessuna valvola di arresto intermedia a meno che la giurisdizione non lo consenta. La tubazione di uscita deve essere autodrenante e non deve creare una contropressione eccessiva.

Il test manuale della leva di una valvola limitatrice di pressione della caldaia deve essere affrontato con attenzione. Un test della leva dimostra che il meccanismo della valvola può essere sollevato, ma non dimostra che la valvola si aprirà al punto di regolazione corretto. Sulle vecchie valvole, un test manuale può spingere incrostazioni e detriti nella sede, causando una perdita che prima non esisteva. Dopo anni di servizio, la strada più sicura è spesso quella di rimuovere la valvola ed eseguire una prova al banco.

Non regolare il setpoint di una valvola senza rivedere il calcolo del progetto e il report dei dati della caldaia. In molte giurisdizioni, la modifica della pressione impostata richiede una nuova certificazione di capacità e un'ispezione. Il team di manutenzione dovrebbe inoltre registrare ogni data di intervento, risultato del test e parte di ricambio, poiché tale cronologia diventa la prova che il funzionamento della caldaia è sicuro.

Collaborare con un produttore che tratta lo scarico della pressione della caldaia come un componente del sistema

I produttori esperti trattano lo scarico della pressione della caldaia come parte della progettazione termoidraulica complessiva della caldaia, non come un accessorio di acquisto. Nel nostro processo di progettazione, la MAWP del corpo cilindrico, il punto di regolazione della valvola di sicurezza e il controllo della pressione del vapore a valle vengono esaminati insieme. Ciò è particolarmente importante nel recupero del calore di scarto, dove la fonte di calore non è stabile come una caldaia a combustibile.

Per un raffreddatore circolare di sinterizzazione, ad esempio, la temperatura e il volume dell'aria di scarico cambiano in base alla profondità del letto di materiale, al flusso d'aria di raffreddamento e alla velocità di produzione. La valvola di sicurezza deve essere dimensionata per il flusso di vapore nel caso peggiore, non per la curva di produzione media. Un fornitore che comprende queste fluttuazioni del processo verificherà anche il tempo di risposta, l'impostazione dello spurgo e l'effetto di lunghi condotti dei fumi sui transitori di pressione.

Caldaia a recupero di calore di raffreddamento circolare sinterizzata con generazione di vapore Questa caldaia recupera il calore di scarto dalla sinterizzazione dei gas di scarico a circa 400°C per generare vapore, utilizzando un raffreddamento circolare e materiali resistenti alle alte temperature. Il dimensionamento della valvola di sicurezza dovrebbe considerare le condizioni di scarico variabili e la progettazione del percorso di scarico. Visualizza il prodotto →

Nei processi ad alta temperatura come i convertitori a ossigeno o i sistemi di scarico dei gas di combustione dei forni da coke, il progetto deve includere il percorso di scarico della linea di scarico, sia che il vapore venga scaricato nell'atmosfera o instradato verso un disaeratore. Il produttore deve fornire una descrizione completa del sistema, compreso il certificato della valvola, il disegno di installazione e i ricambi consigliati. Quando confronti le offerte dei produttori di caldaie e dei fornitori di apparecchiature per il recupero del calore, chiedi a ciascuno come è stata calcolata la capacità della valvola di sicurezza. Se la risposta è semplicemente che è stato copiato da un progetto simile, consideralo un rischio. Un fornitore responsabile ti guiderà attraverso il caso di apporto termico massimo, il MAWP e la sovrapressione consentita.

Dove trovare ulteriori informazioni sulla riduzione della pressione della caldaia

La limitazione della pressione della caldaia è un argomento regolamentato e i requisiti possono variare in base alla giurisdizione, al tipo di caldaia e alla classe di pressione. I collegamenti sottostanti si collegano al materiale di base sui sistemi di calore di scarto industriale e sul processo di qualità utilizzato dal nostro stabilimento di produzione.

• Produttore di apparecchiature per il recupero del calore dei rifiuti industriali
• Ingegneria di sicurezza di prima qualità per apparecchiature a pressione

Prima di modificare l'impostazione di una valvola, rivedere sempre il documento di progettazione originale, il rapporto sui dati della caldaia e la normativa locale applicabile. Una valvola di sicurezza che si apre prima del necessario spreca energia, ma una che si apre troppo tardi rappresenta un serio pericolo per la sicurezza.