Guida ai guasti delle valvole industriali: 8 modalità di guasto comuni, segnali di avvertimento e strategie di prevenzione

Una valvola industriale può superare un test di pressione in fabbrica e comunque guastarsi prematuramente dopo l'installazione se le condizioni di servizio, il design della valvola, il pacchetto dell'attuatore o il regime operativo non sono stati definiti correttamente. Al contrario, una valvola più vecchia può rimanere affidabile per anni quando il design è adeguato, il campo operativo è stabile e il degrado viene rilevato prima che raggiunga un limite funzionale.

Questa guida spiega le principali modalità di guasto delle valvole industriali dal punto di vista ingegneristico e di manutenzione. Si concentra su ciò che vede l'operatore, cosa potrebbe accadere all'interno della valvola, come indagare la causa principale e cosa dovrebbe essere modificato durante le specifiche, l'acquisto, l'installazione o la manutenzione preventiva per evitare che lo stesso guasto si ripeta.

Per gli impianti chimici che trattano fluidi aggressivi, valvole rivestite, solventi, acidi, alcali, fluidi cristallizzanti o fanghi corrosivi, vedere anche la documentazione di Vcore Guasti comuni delle valvole nelle condutture chimiche. L'articolo affronta la compatibilità chimica e i problemi specifici del rivestimento in maggiore dettaglio, mentre questa pagina copre il quadro più ampio dei guasti industriali.

1. Cosa conta come guasto di una valvola industriale?

Una valvola si è guastata quando non è più in grado di svolgere la funzione richiesta dal processo o dalla progettazione di sicurezza. Ciò non significa sempre che il corpo sia rotto o che la valvola sia completamente inutilizzabile. Una valvola di controllo che si muove ma non riesce a stabilizzare il processo, una valvola di ritegno che vibra e consente un flusso inverso dannoso o una valvola di isolamento che lascia passare un'eccessiva perdita dalla sede potrebbero già essere funzionalmente guastate anche se la valvola rimane fisicamente installata.

2. Perdita dalla sede interna: quando una valvola chiusa non isola

Si verificano perdite interne quando il fluido di processo passa attraverso la valvola chiusa poiché l'elemento di chiusura e la sede non possono raggiungere la chiusura richiesta. Il problema può svilupparsi in valvole a sfera, a farfalla, a saracinesca, a globo, a maschio e di ritegno, ma il meccanismo di guasto dipende in larga misura dalla struttura e dal servizio della valvola.

Cause comuni di perdita della valvola interna

• Le particelle abrasive graffiano, tagliano o erodono le superfici di tenuta.
• La corrosione o la cavitazione modificano la geometria della sede o dell'elemento di chiusura.
• Le sedi morbide si gonfiano, si induriscono, strisciano, estrudono o perdono elasticità al di fuori del range di servizio approvato.
• La valvola non raggiunge mai la sua vera posizione chiusa a causa dell'impostazione dell'attuatore, del fermo corsa, del movimento dello stelo o di interferenze meccaniche.
• La distorsione termica modifica il contatto tra la sede metallica e l'elemento di chiusura.
• Le valvole a saracinesca o di isolamento vengono ripetutamente strozzate in una posizione che concentra la velocità attraverso la regione di seduta.
• Materiale estraneo rimane sulla sede dopo il lavaggio, la fabbricazione o la manutenzione.

Come diagnosticare una perdita interna

Iniziare confermando se la perdita osservata supera i requisiti di accettazione specificati. Non dare per scontato che ogni valvola debba fornire una chiusura a tenuta di bolle. La perdita della sede richiesta dipende dal tipo di valvola, dalla costruzione della sede, dallo standard del prodotto, dalla classe di perdita della valvola di controllo, ove applicabile, e dalle specifiche del progetto.

Verificare quindi la corsa di chiusura completa e l'uscita dell'attuatore prima di smontare la valvola. Se la valvola raggiunge la posizione meccanica corretta ma presenta ancora perdite, ispezionare le superfici di tenuta per eventuali graffi direzionali, particelle, erosione, corrosione, rientranze, movimento della sede o deformazione locale. La tipologia dei danni è spesso più informativa del solo tasso di perdita.

3. Perdite esterne: baderna, stelo, guarnizioni e giunti a pressione

La perdita esterna è fondamentalmente diversa dalla perdita della sede perché il mezzo di processo fuoriesce dal limite di pressione nell'ambiente circostante. L'esatto percorso della perdita deve essere identificato prima dell'azione correttiva. Il serraggio di tutti gli elementi di fissaggio visibili non è un metodo affidabile per la risoluzione dei problemi e può danneggiare baderne, guarnizioni, pressacavi o bulloni.

Percorsi tipici delle perdite esterne

• Guarnizione dello stelo o dell'albero
• Guarnizione del coperchio o del coperchio
• Giunto del corpo su valvole multipezzo
• Connessioni filettate di scarico, sfiato o iniezione
• Attacco al processo flangiato
• Area di confine della pressione saldata
• Fusione del corpo, forgiatura o sezione fabbricata se si sviluppa un difetto al limite della pressione

Le perdite della baderna dello stelo possono essere causate da materiale di baderna inadeguato, compressione errata, rigature dello stelo, corrosione, cicli eccessivi, variazioni di temperatura, cattivo allineamento della baderna o un sistema di baderna non adatto alle prestazioni di emissioni richieste. Per servizi volatili o pericolosi, i progetti possono specificare requisiti di qualificazione per le emissioni fuggitive o di accettazione della produzione. Vcore Guida al test delle emissioni fuggitive delle valvole spiega la differenza tra emissioni dello stelo, perdite dalla sede e perdite dal guscio e discute ISO 15848, API 624 e API 641 nei loro contesti applicabili.

4. Cavitazione, lampeggiamento, erosione e abrasione

L'alta velocità e la forte riduzione della pressione possono distruggere il trim della valvola anche quando il materiale del corpo è chimicamente compatibile con il fluido. Il primo passo è distinguere il meccanismo del danno perché cavitazione, flashing ed erosione dei solidi non rispondono esattamente alla stessa azione correttiva.

Cavitazione

Nel servizio liquido, la cavitazione può verificarsi quando la pressione locale scende al di sotto della pressione del vapore del liquido e le bolle di vapore successivamente collassano al ripristino della pressione. Il crollo può creare un intenso impatto localizzato sul rivestimento e sulle superfici vicine. Le prove tipiche includono vaiolature, superfici irruvidite, vibrazioni e rumore caratteristico ad alta frequenza attorno alla regione di recupero della pressione.

Il dimensionamento della valvola di controllo dovrebbe quindi essere rivisto più del Cv o Kv richiesto. Il profilo di pressione, il tipo di valvola, il comportamento di recupero della pressione e tutti i casi operativi sono importanti. Un servizio gravoso può richiedere una riduzione graduale della pressione, un trim anticavitazione, una distribuzione alterata della pressione del sistema o un'altra configurazione della valvola. Per la sequenza di selezione più ampia, vedere Guida alla scelta della valvola di controllo.

Lampeggiante

Il flashing differisce dalla cavitazione perché parte del liquido rimane vapore dopo la restrizione invece di condensare completamente quando la pressione viene ripristinata. Il trim anticavitazione non può semplicemente eliminare una condizione di processo in cui la pressione a valle rimane al di sotto della pressione di vapore. La selezione del materiale, la velocità di uscita, la resistenza all'erosione e la geometria a valle diventano particolarmente importanti.

Erosione e abrasione dei solidi

Liquami, particelle di catalizzatore, solidi minerali e servizi sporchi possono usurare sedi, sfere, dischi, gabbie, rivestimenti e percorsi di flusso del corpo. Il danno spesso segue la direzione del flusso e può essere concentrato laddove la velocità aumenta o cambia direzione. Una valvola standard selezionata solo in base alla dimensione nominale e alla classe di pressione può avere una durata molto breve in servizio abrasivo anche quando supera tutti i test di pressione di fabbrica.

5. Corrosione e incompatibilità dei materiali

La rottura per corrosione può influenzare il limite di pressione, il rivestimento, lo stelo, i bulloni, la regione della sede o le superfici esterne. Un materiale adeguato per un servizio di pubblica utilità pulito potrebbe non essere adatto quando cambiano il contenuto di cloruro, la concentrazione di sostanze chimiche, il pH, i gas disciolti, la temperatura o i prodotti chimici per la pulizia.

Il cedimento può manifestarsi come assottigliamento uniforme delle pareti, vaiolatura localizzata, attacco interstiziale, corrosione galvanica, rottura del rivestimento o meccanismi di fessurazione che richiedono una valutazione metallurgica specialistica. Poiché diversi meccanismi di corrosione possono sembrare simili durante una rapida ispezione visiva, l’azione correttiva dovrebbe basarsi sul mezzo reale e sul meccanismo di danno piuttosto che sull’istruzione generica di “aggiornamento all’acciaio inossidabile”.

Verifica dei materiali prima dell'acquisto

• Specificare l'esatto corpo, coperchio, rivestimento, stelo, sede, imballaggio, guarnizione e materiali di bulloneria richiesti dal servizio.
• Definire se sono necessari rapporti sui test dei materiali e tracciabilità del calore.
• Identificare NACE/ISO 15156, durezza, PMI o altri requisiti specifici del progetto, ove applicabile.
• Esaminare rivestimenti o rivestimenti in base alle condizioni di servizio chimico, abrasione, temperatura, vuoto e manipolazione.
• Non dare per scontato che un tipo di acciaio inossidabile o un elastomero siano universalmente resistenti alla corrosione.

Quando l'applicazione riguarda specificatamente una tubazione chimica, il cedimento del rivestimento, la cristallizzazione, il rigonfiamento delle guarnizioni e la compatibilità chimica aggressiva meritano una valutazione a parte. Tali questioni sono trattate in modo più approfondito in Guasti comuni delle valvole nelle condutture chimiche.

6. Inceppamento meccanico, coppia eccessiva e danni ai componenti

Una valvola che diventa difficile da azionare invia informazioni diagnostiche utili. L'aumento della coppia o della spinta può derivare dall'attrito della sede, dai depositi, dalla corrosione, dagli effetti della temperatura, dalla compressione delle guarnizioni, dalle guide danneggiate, dal disallineamento dello stelo, dall'usura, dal degrado della scatola del cambio, dalla pressione differenziale del processo o da un corpo estraneo nel percorso del flusso.

La risposta corretta è separare la richiesta meccanica della valvola dall’uscita disponibile dell’attuatore. Aumentare le dimensioni dell'attuatore senza controllare i limiti della valvola e dello stelo può forzare la corsa di una valvola danneggiata trasferendo il sovraccarico allo stelo, all'albero, alla chiavetta, al giunto, alla scatola del cambio o all'elemento di chiusura.

7. Guasto dell'attuatore, del posizionatore e del sistema di controllo

Una valvola automatizzata può essere meccanicamente sana e tuttavia non funzionare correttamente perché l'attuatore, gli accessori o il sistema di controllo non possono spostarla nella posizione richiesta. I sistemi pneumatici, elettrici e idraulici presentano percorsi di guasto diversi, ma tutti devono essere valutati come parte di un unico pacchetto di valvole assemblato.

Cause comuni

• Pressione di alimentazione pneumatica inferiore al valore utilizzato per il dimensionamento dell'attuatore
• Tubazioni ostruite, aria contaminata, solenoide guasto o problemi al filtro regolatore
• Perdita di energia elettrica, tensione errata, guasto del motore o del controllo, ingresso di acqua o mancata corrispondenza del ciclo di lavoro
• Perdita di pressione idraulica, perdite, problemi all'accumulatore o al collettore di controllo
• Deriva di calibrazione del posizionatore, errore di collegamento del feedback o azione di errore errata
• Potenza dell'attuatore che non supera più la coppia o la spinta della valvola dopo depositi, corrosione o modifiche della sede
• Staffa di montaggio, allineamento del giunto o regolazione del finecorsa errati

Per le nuove apparecchiature, la selezione dell'attuatore deve utilizzare i dati di coppia o spinta verificati dal produttore della valvola e le condizioni di utilizzo meno favorevoli. Vedi il Guida alla selezione dell'attuatore della valvola per la selezione del pacchetto pneumatico, elettrico e idraulico.

Per le valvole di controllo modulanti, la configurazione del posizionatore deve essere verificata come parte del test funzionale anziché trattata come un'attività accessoria separata. Vcore Guida alla calibrazione del posizionatore della valvola di controllo copre lo zero, l'intervallo, la corsa, il feedback e la verifica dell'azione di guasto.

8. Controllare le vibrazioni, gli urti e i danni dovuti al flusso inverso della valvola

I guasti delle valvole di ritegno dipendono fortemente dalla dinamica del flusso. Una valvola di ritegno può avere un risultato perfetto del test di pressione e continuare a funzionare in modo scarso se il disco o le piastre non riescono a raggiungere una posizione operativa stabile alla portata reale, se l'orientamento di installazione non è adatto o se la pompa scatta creando una rapida velocità inversa.

Tipici segnali di pericolo

• Impatto ripetuto o rumore di colpi
• Il disco o la piastra vibrano durante il funzionamento a basso flusso
• Usura del sedile concentrata da impatti ripetuti
• Componenti della molla, della cerniera o del fermo rotti
• Flusso inverso, rotazione inversa della pompa o picco dopo l'arresto
• Vibrazioni anomale a valle della valvola di ritegno

L'azione correttiva può riguardare il tipo di valvola, la dinamica della molla o della chiusura, la posizione di installazione, la velocità del flusso, il campo di funzionamento della pompa, la disposizione delle tubazioni o l'analisi dei picchi. La sostituzione di un sedile danneggiato con lo stesso design senza rivedere il sistema può portare a un altro guasto. Vedi il Guida all'installazione della valvola di ritegno per direzione del flusso, installazione orizzontale e verticale, disposizione di scarico della pompa ed errori comuni.

9. Distorsione termica, legame e ciclismo termico

Le variazioni di temperatura alterano dimensioni, giochi, attrito delle guarnizioni, contatto con la sede e carichi meccanici. Nei sistemi con vapore ad alta temperatura, idrocarburi e fluidi termici, una valvola può funzionare normalmente a freddo ma diventare difficile da spostare o presentare perdite dopo che le regioni del corpo, della saracinesca, dello stelo e della sede raggiungono temperature diverse.

Le valvole a saracinesca possono subire un vincolo termico quando l'espansione differenziale o la condizione di chiusura creano una forza di incuneamento eccessiva. Tuttavia, la soluzione non è semplicemente specificare un tipo di cofano. La revisione dovrebbe includere la geometria della saracinesca e della sede, il gradiente di temperatura, la sequenza di chiusura della valvola, la pressione differenziale, i requisiti di equalizzazione o bypass ove applicabile, la spinta dell'attuatore, il carico sullo stelo e la procedura operativa approvata dal produttore.

Ripetuti cicli termici possono anche allentare le giunzioni bullonate, modificare il comportamento delle guarnizioni e accelerare i danni alle sedi morbide o alle guarnizioni che operano vicino ai limiti di temperatura. Una procedura di manutenzione scritta solo in base alle condizioni ambientali dell'officina potrebbe quindi non cogliere le condizioni che hanno creato il guasto sul campo.

10. Segnali di allarme prima che il guasto di una valvola industriale si trasformi in un arresto

Molti fallimenti si sviluppano gradualmente. Il programma di ispezione più utile tiene quindi traccia dei cambiamenti rispetto alle normali condizioni della valvola invece di fare affidamento solo su un generico intervallo di calendario.

• Tendenza della coppia dell'attuatore, della corrente del motore, della spinta o della pressione dell'aria quando sono disponibili dati diagnostici.
• Confrontare la posizione comandata della valvola con la corsa effettiva e la risposta del processo.
• Registra la regolazione dell'imballaggio invece di stringere ripetutamente senza cronologia.
• Esaminare tempestivamente nuove vibrazioni, rumori simili a cavitazione o impatto della valvola di ritegno.
• Ispezionare le valvole dopo eventi di processo anomali come scatti della pompa, contaminazione o escursioni termiche.
• Utilizzare il rischio e la gravità del servizio per determinare l'ambito e la frequenza dell'ispezione.

11. Un flusso di lavoro pratico per l'indagine della causa principale

Una valvola guasta dovrebbe essere trattata come prova. Se le parti danneggiate vengono scartate prima che la storia operativa e lo schema dei guasti siano documentati, l'impianto potrebbe perdere le informazioni necessarie per prevenirne il ripetersi.

1. Definire la funzione non riuscita. Il problema era una perdita interna, una perdita esterna, l'impossibilità di eseguire la corsa, un controllo instabile, un flusso inverso, una forza operativa eccessiva o un danno al limite della pressione?
2. Cattura le condizioni operative. Registra la pressione a monte e a valle, la temperatura, il mezzo, la concentrazione, i solidi, la portata, la posizione della valvola, la cronologia del ciclo e l'evento immediatamente prima del guasto.
3. Verificare la valvola specificata. Confronta targhetta, scheda tecnica, disegno approvato, documentazione sui materiali, dimensionamento dell'attuatore e requisiti di progetto con l'apparecchiatura installata.
4. Ispezionare prima della pulizia. Depositi, direzione dell'usura, prodotti della corrosione, segni delle sedi e superfici di frattura possono rivelare il meccanismo. Fotografali e documentali prima della pulizia.
5. Separa il danno primario da quello secondario. Un componente rotto può essere il risultato di chiacchiere, sovraccarico o corrosione piuttosto che la causa scatenante.
6. Confrontare con lo storico della manutenzione. Cercare coppia in aumento, regolazioni ripetute della baderna, perdite ricorrenti, scatti dell'attuatore o riparazioni precedenti.
7. Cambia la causa, non solo la parte. L'azione finale può riguardare il tipo di valvola, il trim, i materiali, l'attuatore, la procedura operativa, la disposizione delle tubazioni, la filtrazione, il lavaggio o la frequenza di ispezione.

12. Prevenire i guasti delle valvole in quattro fasi diverse

Selezione e progettazione

Il processo di prevenzione inizia con i dati di servizio, non con il catalogo delle valvole. Specificare i casi operativi normali, minimi e massimi in cui influenzano il comportamento della valvola. Identificare se è previsto che la valvola isoli, strozzi, moduli, impedisca il riflusso o si sposti in una posizione di sicurezza dopo un guasto definito.

Verifica di fabbrica

L'ispezione di fabbrica non può riprodurre ogni futura condizione di servizio, ma può verificare che la valvola fornita corrisponda alla configurazione approvata e che i principali limiti di pressione, chiusura e funzioni operative soddisfino i criteri di accettazione specificati. Vcore Guida al test della pressione delle valvole spiega i test sulla scocca, sul sedile e sullo schienale e perché questi test verificano funzioni diverse.

13. Standard che supportano la prevenzione dei guasti alle valvole

Nessun singolo standard può garantire che una valvola non si guasti durante il servizio. Gli standard definiscono requisiti specifici di progettazione, costruzione, ispezione o test, mentre l'acquirente e l'ingegnere devono comunque abbinare la valvola all'applicazione effettiva e alle specifiche del progetto.

14. Lista di controllo delle richieste di offerta di valvole industriali per la prevenzione dei guasti

Quando l'affidabilità della valvola è importante, la richiesta di offerta dovrebbe fornire informazioni sufficienti affinché il fornitore possa valutare il servizio effettivo. L'elenco seguente è un punto di partenza pratico; i requisiti del progetto possono aggiungere o rimuovere elementi.

• Tipo di valvola e funzione richiesta: isolamento, strozzatura, controllo, antiritorno o azione di emergenza.
• Dimensione nominale, classe di pressione/PN e connessione finale.
• Design, dimensioni, test e standard di progetto.
• Pressione e temperatura di esercizio e di progetto.
• Caratteristiche del mezzo di processo, concentrazione, solidi, corrosione o abrasione.
• Requisiti di corpo, rivestimento, stelo, sede, baderna, guarnizione e bulloneria.
• Perdite della sede richieste o prestazioni di arresto richieste.
• Cassette di portata e caduta di pressione per valvole di controllo o per servizi gravosi.
• Orientamento dell'installazione e direzione del flusso, ove rilevante.
• Funzionamento manuale, a ingranaggi, pneumatico, elettrico o idraulico.
• Base coppia/spinta dell'attuatore, azione in caso di guasto, segnale di controllo e utilità.
• Ignifugo, emissioni fuggitive, NACE/ISO 15156 o altri requisiti di servizio speciali, se applicabili.
• Rapporti di test sui materiali richiesti, PMI, durezza, NDE o ispezione di terze parti.
• Test di pressione, test di tenuta e documentazione dei test funzionali.
• Disegno GA approvato, scheda tecnica, targhetta/marcatura e pacchetto di documentazione finale.

Tipica verifica pre-imbarco

15. Riparare, riconfigurare o sostituire?

Non tutte le valvole guaste necessitano di sostituzione e non tutte le valvole dovrebbero essere riparate. La decisione dovrebbe considerare l'integrità dei limiti di pressione, lo spessore rimanente delle pareti, la posizione del danno, la disponibilità di pezzi di ricambio approvati, le condizioni dell'assetto, i limiti di riparazione del corpo e della sede, la tracciabilità dei materiali, il costo di ripristino e se il design della valvola esistente è adatto al servizio.

16. Prevenzione dei guasti alle valvole industriali per applicazione

Guasto della valvola industriale: controllo tecnico finale

I guasti alle valvole industriali sono più facili da prevenire quando vengono trattati come problemi del sistema piuttosto che come difetti isolati dei componenti. Una sede può perdere a causa dell'usura, ma l'usura potrebbe essere stata creata dal tipo di valvola sbagliato, da una velocità eccessiva, da particelle abrasive, da distorsione termica o da una corsa incompleta dell'attuatore. Un attuatore può scattare perché sottodimensionato, ma può anche scattare perché la coppia della valvola è aumentata a causa di corrosione, depositi o danni alla sede.

La strategia di affidabilità più efficace collega quindi cinque discipline: corretta selezione della valvola, dati di servizio completi, produzione e test verificati, corretta installazione e manutenzione basata sulle condizioni. Quando tali controlli vengono documentati dalla richiesta di offerta fino al funzionamento, l'impianto dispone di una base molto più solida per distinguere la normale usura dai guasti evitabili.

Domande frequenti