Dimensionamento delle valvole di controllo del livello per le applicazioni di serbatoio

I principi idraulici che regolano le valvole di controllo di livello sono spesso sottovalutati in fase di progettazione. Il dimensionamento errato - in particolare alle pressioni di ingresso più elevate - è una delle cause più comuni di guasto precoce della valvola nelle installazioni dei serbatoi di servizio. I due fattori che più probabilmente riducono la durata della valvola sono la pressione e la velocità del flusso e, sebbene siano correlati, ognuno richiede una risposta ingegneristica distinta.

Il problema della pressione: la cavitazione

Per le valvole di controllo dell'afflusso al serbatoio, le pressioni di ingresso superiori a 5 bar devono essere trattate con cautela. Al di sopra di 7-8 bar, le misure di protezione sono essenziali piuttosto che opzionali.

Il rischio è la cavitazione. Quando la pressione scende localmente al di sotto della pressione di vapore dell'acqua all'interno della valvola - in genere nella zona di strozzamento - si formano delle bolle di vapore che poi collassano violentemente quando la pressione riprende a valle. I microgetti generati dal collasso delle bolle erodono rapidamente le superfici metalliche. Nei casi più gravi, la cavitazione può perforare il corpo della valvola entro poche settimane dalla messa in servizio.

La resistenza alla cavitazione è espressa come rapporto di pressione massimo consentito attraverso la valvola. Per le valvole di controllo a membrana a globo del tipo utilizzato nella distribuzione dell'acqua, un rapporto di 3:1 è il limite pratico: con 12 bar a monte, la valvola deve scaricare ad almeno 4 bar di contropressione. Alcuni progetti di percorsi di flusso interni modificati raggiungono un rapporto di 4:1, ma si dovrebbe assumere un rapporto di 3:1, a meno che il produttore non disponga di dati di test che dimostrino il contrario per il modello specifico di valvola.

Il problema del flusso: limiti di velocità

L'alta velocità interna provoca erosione, rumore e perdita di autorità di controllo. Per le valvole a globo con azionamento a membrana, il funzionamento continuo dovrebbe essere limitato a circa 6 m/s; i picchi di breve durata, fino al 20% in più, sono generalmente accettabili, purché siano poco frequenti.

La relazione di flusso standard per le valvole di controllo è Q = Cv√dP, dove Q è la portata, Cv è la capacità della valvola completamente aperta e dP è la pressione differenziale. La conseguenza importante per le applicazioni nei serbatoi è che il flusso aumenta all'aumentare della pressione differenziale. La maggior parte delle valvole raggiunge la velocità massima consigliata a circa 2 bar di differenziale. Il funzionamento a piena apertura al di sopra di questa pressione - che è comune quando la valvola è stata dimensionata in base all'alesaggio nominale del tubo piuttosto che al flusso effettivo richiesto - produce velocità ben superiori al limite di progetto e riduce di conseguenza la durata di servizio.

A titolo di esempio: una valvola a membrana a globo DN200 in grado di avere un rapporto di pressione di 4:1, funzionante con 4 bar a monte e 1 bar di contropressione, potrebbe far passare 330 litri al secondo a piena apertura - il 65% in più rispetto al massimo raccomandato di 200 l/s. Questo non è un guasto della valvola, ma un guasto dell'esercizio di dimensionamento.

Soluzioni: limitazione del flusso e controllo della pressione

Due condizioni devono essere soddisfatte contemporaneamente. Il rapporto di pressione attraverso la valvola deve rimanere entro il limite di cavitazione e la velocità del flusso non deve superare il massimo consigliato. Entrambe devono essere mantenute per l'intero intervallo di funzionamento, compresi i cicli di apertura e chiusura lenta.

Quando la prevalenza dinamica supera i 3 bar e la prevalenza statica del serbatoio è modesta - in genere 10 metri o meno - una funzione di controllo della velocità del flusso montata sulla valvola principale impedirà al flusso di superare il limite di progetto, indipendentemente dalla pressione differenziale. Questo protegge sia la valvola che le tubature a valle.

Per quanto riguarda la pressione, la soluzione più affidabile è quella di installare una valvola di riduzione della pressione a monte della valvola di controllo del livello, impostata per ridurre la pressione di ingresso entro il rapporto operativo sicuro. A volte si utilizza una piastra orifizio come alternativa più economica, ma le piastre orifizio producono una caduta di pressione fissa a una determinata portata. Durante i lenti cicli di apertura e chiusura che il controllo del livello del serbatoio richiede - spesso con tempi di corsa misurati in minuti - il differenziale attraverso l'orifizio cambia e la protezione dalla cavitazione scompare a flussi lontani dal punto di progetto. È necessario un giudizio ingegneristico per decidere se questo è accettabile; nella maggior parte dei casi, un PRV a monte è la scelta più robusta.

Applicazione pratica

L'approccio corretto è quello di determinare prima la portata richiesta e il differenziale di pressione disponibile, quindi selezionare una valvola dimensionata per funzionare a velocità limitata o inferiore a tali condizioni, e poi valutare se è necessaria una riduzione della pressione a monte per mantenere il rapporto di pressione entro limiti sicuri.

Una valvola correttamente dimensionata e protetta dalla cavitazione dovrebbe garantire decenni di servizio affidabile con interventi minimi. Una valvola sovradimensionata o che funziona al di sopra del suo limite di rapporto di pressione si guasterà ripetutamente - e il costo di sostituzione, compresa l'interruzione della fornitura del serbatoio durante ogni interruzione, supererà di gran lunga il costo dell'installazione corretta all'inizio.