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LDAR e le Valvole
Valvole industriali ed emissioni fugitive. Un tema, quello dell’interazione tra questo componente e il suo ambiente esterno, che ci ha accompagnato con sorprendente regolarità negli ultimi 30 anni, suscitando sempre molto interesse e discussioni, tanto che ancora oggi non c’è Conferenza Scientifica in cui questo tema non possa trovare spazio con un seguito significativo. Dopo un primo periodo caratterizzato da linee guida a volte non del tutto chiare, in cui i produttori di valvole e tenute sono entrati in contatto con la materia, si è consolidato il quadro normativo sulle emissioni ridotte. Oggi i requisiti dei prodotti e i test da eseguire sono ben definiti e, insieme al protocollo LDAR – Leak Detection and Repair – che monitora il corretto funzionamento emissivo delle Valvole negli impianti, costituiscono un Reasonably Achievable Control of Technology (RACT) per ridurre e contenere le emissioni di VOC e HAP dalle Valvole. Dopo così tanto tempo e all’inizio di questa nuova stagione, in cui la riduzione dell’impatto ambientale e la ricerca di una migliore sostenibilità stanno diventando sempre più importanti, forse vale la pena fare il punto della situazione, per indagare su quali potrebbero essere i driver di miglioramento per ciascuno dei soggetti coinvolti (produttori di petrolio e gas e chimica, EPCC, produttori di valvole e tenute).
Il quadro normativo dei test di fuggitive emissions delle valvole industriali
Molte pubblicazioni hanno recentemente illustrato e confrontato i principali standard di test a basse emissioni (di seguito LE) relativi a valvole e tenute. In generale, tuttavia, una breve sintesi sarà utile al lettore.
Il test ISO 15848, sia di prototipazione che di produzione, è nel suo ambito un test per Valvole anche se in realtà approva la configurazione di valvola e tenuta come un assemblaggio. In nessun modo qualifica i requisiti della tenuta che sono invece definiti da ASTM F2168 e F2191 e da EN 14772 sezione 6.7, a volte modificati in parte nelle specifiche tecniche degli utenti finali. Il test API std 622, invece, è finalizzato all’approvazione della tenuta e utilizza un dispositivo di prova. Definisce anche i requisiti fisico-chimici della tenuta, specificando il test dei materiali di tenuta e facendo riferimento alla MSS SP-120 per altri requisiti. Il conferimento dell’attributo LE alle valvole che utilizzano tenute approvate API std 622 richiede l’esecuzione dei test API std 624 (valvole a stelo ascendente, rotante, ascendente e rotante) e API std 641 (valvole a chiusura a quarti di giro). Infine, il test TA LUFT VDI 2440, di diffusione sostanzialmente regionale, che è finalizzato all’approvazione sia delle tenute, con un test specifico condotto su un dispositivo di prova, che delle valvole stesse. Infine, vale la pena ricordare che i tre standard differiscono anche nelle combinazioni di temperatura e pressione, nonché in altri dettagli tecnici che non rientrano nell’ambito di questo articolo per essere esaminati in profondità. È importante aggiungere che l’associazione IOGP – International Oil & Gas Producers – ha pubblicato nel 2019 due specifiche per le valvole industriali, la S-562 (Supplementary Requirements to API Specification 6D Ball Valves) e la S-511 (Supplementary Requirements to API 600 Steel Gate Valves and to API 603 CRA Gate Valves), in cui ISO 15848, ASTM F2168 e 2191 insieme a EN 14772 con alcune modifiche sono adottati come standard per definire i requisiti LE delle Valvole e quelli delle tenute in grafite. Sembra inevitabile, dal momento che molti degli associati IOGP sono americani e a causa dell’importanza degli standard dell’American Petroleum Institute, che le suddette specifiche siano nel tempo armonizzate con API std 622, 624 e 641 e la MSS SP-120. In effetti, l’orientamento ormai consolidato, dal punto di vista delle tenute LE, è quello di acquisire tutte e tre le approvazioni per soddisfare la domanda di prodotti LE conformi a tutti gli standard.
Gli aspetti chiave dei test di emissione fuggitiva: ossidazione, temperatura e numero dei cicli meccanici
Dopo tanti anni, possiamo dire che la “grafite pura” non è in grado di superare un test a basse emissioni senza aver subito trattamenti specifici. Ci sono almeno tre cose che abbiamo imparato sulla grafite quando si affronta un test LE:
Per colmare queste lacune è inevitabile ricorrere all’impregnazione della grafite, al fine di correggere permeabilità e coefficiente di attrito. Ma qual è il prezzo da pagare adottando questa strategia? Tipicamente, l’impregnazione della grafite altera lo scenario chimico della tenuta con un aumento del rischio di corrosione per lo stelo e alterando tutti i test volti a quantificare i materiali dannosi. Ma il vero problema è che oltre una temperatura limite, a seconda degli agenti impregnanti utilizzati, si verifica inevitabilmente una perdita di peso della tenuta a causa del loro collasso, con un’immediata riflessione sulla spinta elastica verso lo stelo e la camera, verificabile dalla riduzione della coppia dei tiranti del premistoppa.
Il diagramma TGA (Thermogravimetric Analysis) mostrato di seguito illustra perfettamente la situazione descritta sopra (nella camera stoppa della valvola il fenomeno si verifica più lentamente ma il meccanismo è lo stesso). Alla fine della prima ora a 150°, per eliminare l’acqua residua, la perdita di peso è di circa l’1%. Non appena la temperatura sale al limite del test (670°C) dopo pochi minuti gli agenti impregnanti collassano e successivamente la grafite, protetta da ritardanti di ossidazione, si ossida solo del 5% nelle successive 5 ore. In base ai requisiti della EN 14772 sezione 6.7 potremmo dire che questo TGA non è conforme nella prima fase, perché l’ossidazione è superiore al 4% per ora, mentre è certamente conforme nella seconda fase e nel suo insieme potremmo ancora definire le prestazioni complessive come eccellenti perché la WL (Weight Loss) è stata compresa tra il 10 e il 12% nelle 5 ore di test.
Alcune cose sono immediatamente evidenti. La prima è che l’esecuzione di un test TGA su una tenuta con target LE è forse in conflitto con l’obiettivo principale (contenere le emissioni), come sembra essere evidenziato dalla specifica IOGP S-511 che afferma nella sezione F.3. 13.12 Test di ossidazione – F.3. 13.12.1 Scopo: “Questo test non si applica ai materiali di tenuta contenenti lubrificanti polimerici (ad es. PTFE) o bloccanti”. La seconda cosa che salta subito all’occhio è che per il successo del test LE è essenziale che la temperatura effettiva della camera di imbocco non superi un certo valore limite. Ma andiamo nel dettaglio. Per il suo scopo, API std 622 definisce l’applicabilità della norma alle tenute in grafite per l’uso da -29°C a +538°C, prescrivendo, tra i test sui materiali di tenuta, il test WL Weight Loss, il test di corrosione a bassa e alta temperatura, la verifica del contenuto di PTFE e Wet Lubricants, e infine la misurazione del contenuto di Leacheables (cloruro e fluoruro). Ricordiamo che il test a basse emissioni viene eseguito a 260°C misurati nella camera di imbocco. In questo contesto tecnico, quindi, la progettazione della tenuta deve utilizzare l’impregnazione entro limiti di peso estremamente precisi, poiché deve essere garantito il servizio a 538°C. Il test WL Weight Loss intende monitorare questa circostanza. Chiediamoci cosa possiamo chiedere ai materiali dal punto di vista della loro resistenza alla temperatura. Fino a che temperatura e per quanto tempo gli impregnanti possono svolgere la loro funzione? Richiedere alle tenute di soddisfare il requisito LE e al contempo essere idonee al servizio a 538°C, generalmente vapore, appare in qualche modo irreconciliabile. Finora, l’argomento è stato essenzialmente sulla temperatura e non è stato detto nulla sui criteri di accettazione della resistenza. In termini sintetici, si fa presente che il test API std 622 richiede 1510 cicli (310 per API std 624 e 610 per API std 641), il test ISO 15848 per le valvole di intercettazione richiede 205 cicli per la classe C01 e 1500 per la classe C02, la TA LUFT VDI 2440 è tradizionalmente consolidata su 200 cicli, in assenza di sostanziali indicazioni specifiche della norma. Ma perché il numero di cicli meccanici è così alto in un lasso di tempo così limitato? Questo test di fatica che stressa la tenuta (e la valvola) in modo piuttosto innaturale, ci dà indicazioni sulla qualità della tenuta (o della valvola insieme alla tenuta) o piuttosto obbliga il produttore della tenuta ad adottare ogni possibile strategia per ridurre il coefficiente di attrito del grafite, che in assenza di interventi è stabilmente tra 0,15 e 0,25. Il problema si pone soprattutto con la norma ISO 15848 in cui il test viene eseguito alla pressione di targa della valvola mentre negli altri (API std 622, 624, 641 e TA Luft VDI 2440) viene eseguito a un massimo di 40 bar. Ciò determina, con la stessa configurazione del sistema di tenuta, l’applicazione di un momento di serraggio della tenuta più elevato con effetti diretti sul coefficiente di attrito del grafite che non è costante ma aumenta in base al carico applicato. In conclusione, dal punto di vista concettuale, può essere considerato corretto progettare una tenuta per superare il test a basse emissioni o sarebbe meglio progettare una tenuta in grado di massimizzare le sue prestazioni quando la valvola è in funzione nel sistema? Il primo obiettivo include il secondo o non sono coincidenti? Ma qualcuno sa come si comportano le valvole in esercizio dal punto di vista delle emissioni? Le informazioni sul comportamento in emissione delle valvole in esercizio sono disponibili al responsabile LDAR dell’impianto, dove è implementato il programma di sorveglianza LDAR, ma oggettivamente esistono pochissimi dati aggregati. Un documento unico nel suo genere è la pubblicazione API del 1997 “Analisi dei dati di screening delle raffinerie”. Il documento illustra i dati raccolti in sette raffinerie californiane tra il quarto trimestre del 1991 e il secondo trimestre del 1996, condotti secondo la tecnica del metodo 21 dell’EPA (la stessa adottata nel test API std 622) su tutte le perdite di attrezzature delle raffinerie che partecipavano al progetto. La tabella seguente mostra che, in termini cumulativi, ovvero sul totale dei controlli effettuati, sono 1.450.000 per le valvole a gas e 1.340.000 per le valvole a liquido leggero, rispetto alla definizione di perdita di 500 ppmv la frequenza di perdita delle valvole era di circa l’1,00%, mentre rispetto alla definizione di perdita di 10.000 ppmv la frequenza di perdita era di circa lo 0,25%. Le colonne successive indicano la ripetitività della perdita sugli stessi componenti o misurano quante valvole identificate come perdite nella campagna precedente lo erano anche nella campagna successiva. Il rapporto completo, disponibile nella libreria API, descrive in dettaglio le prestazioni dei componenti di ciascuna unità di raffineria, evidenziando cosa ci si può aspettare, vale a dire che la frequenza delle perdite è correlata alla temperatura, alla pressione e alla volatilità del fluido e quindi differenziata tra diverse unità operative. Questi dati sono molto diversi da quelli stimati dall’EPA nelle pubblicazioni degli anni ’80, che attribuivano alle valvole in servizio gas una frequenza di perdita del 11,40% e a quelle in servizio a liquido leggero pari al 6,90% rispetto alla definizione di perdita di 10.000 ppmv. Cosa ci dicono questi dati e come possiamo interpretarli? Non è noto quanto queste frequenze di perdita siano influenzate dalla pratica piuttosto diffusa, anche se non è raccomandata né ieri né oggi, di posizionare molte valvole manuali aperte a fondo con lo stelo in controtenuta. Pertanto, non consideriamo questa interferenza nell’analisi che viene condotta. In primo luogo, potremmo pensare che si riferiscano a un periodo storico in cui le apparecchiature e le tenute non erano progettate secondo una logica a basse emissioni e che quindi è ragionevole attendersi che oggi sia stato raggiunto un netto miglioramento, a seguito dell’introduzione di apparecchiature e tenute a bassa emissione ingegnerizzate. D’altra parte, i risultati della pubblicazione API sono ancora sostanzialmente confermati oggi dai numeri raccolti sul campo dalle numerose aziende che effettuano il monitoraggio LDAR, che raramente rilevano frequenze di perdita aggregate superiori all’1,00% con definizione di perdita di 500 ppmv (il termine aggregato intende significare che ci possono essere unità di produzione in cui la frequenza di perdita è maggiore, ma considerando l’insieme di tutte le unità di produzione la frequenza di perdita converge verso valori medi inferiori). Sulla base dell’esperienza LDAR, sappiamo che il Cluster dei perdenti è composto da valvole caratterizzate da uno o più dei seguenti attributi: sono valvole con azionamento frequente (d’altra parte, quelle che rimangono in stato di riposo per lungo tempo tendono ad avere una frequenza di perdita molto migliore); sono valvole caratterizzate dall’uso a temperature superiori a 260°C misurate nella camera di imbocco; sono valvole caratterizzate dall’uso di pressioni superiori alla classe 600 psi; sono valvole a stelo ascendente, rotante ascendente, rotante (d’altra parte le valvole a ¼ di giro hanno una frequenza di perdita trascurabile). In conclusione, l’area di possibile miglioramento è identificata nella risoluzione delle specificità di questo Cluster in cui le valvole e le tenute sono chiamate a prestazioni più severe di questo Cluster.
Conclusione
La strategia a basse emissioni legata alle valvole industriali si basa su alcuni capisaldi che non sono in discussione. Sono la qualifica di prodotti specificamente ingegnerizzati per lo scopo (valvole e tenute) e il controllo delle apparecchiature in esercizio con la routine di sorveglianza LDAR. È auspicabile che grazie al crescente potenziale della gestione delle informazioni sia possibile evidenziare in anticipo, fin dalla fase di progettazione e acquisto delle apparecchiature, quelle valvole che appartengono al Cluster con maggiore probabilità di alta frequenza di perdite per perseguire soluzioni praticabili. Infine, da un punto di vista normativo sarebbe opportuno che le norme di prova chiarissero alcuni punti di conflitto, questo nell’interesse comune di migliorare la qualità dei prodotti e la loro sicurezza d’uso.