Valvole di controllo Fail-Open, Fail-Closed e Fail-in-Place

Quando una valvola di controllo perde il suo segnale di controllo, l'aria strumentale o l'alimentazione elettrica, cosa dovrebbe fare? La risposta dipende dal processo e dalle conseguenze della perdita di controllo.

Una valvola potrebbe dover aprirsi per mantenere il flusso di raffreddamento, chiudersi per isolare un'alimentazione pericolosa o rimanere vicino alla sua ultima posizione per minimizzare il disturbo del processo. Questi comportamenti sono comunemente descritti come fail-open (apertura in caso di guasto), fail-closed (chiusura in caso di guasto) e fail-in-place (mantenimento della posizione in caso di guasto).

La selezione della corretta azione in caso di guasto è una decisione ingegneristica legata ai requisiti di sicurezza del processo, non semplicemente una preferenza per un tipo di attuatore.

Una valvola di controllo fail-open è progettata per muoversi verso la posizione aperta a seguito di una condizione di guasto definita.

Questa azione può essere appropriata quando il mantenimento del flusso è necessario per ridurre il rischio. Ad esempio, una valvola di acqua di raffreddamento può essere progettata per aprirsi in caso di perdita della sua utilità di controllo se il raffreddamento continuo è la risposta sicura richiesta.

Una configurazione comune utilizza un attuatore pneumatico con un meccanismo a molla di ritorno. Durante il normale funzionamento, la pressione dell'aria muove l'attuatore contro la molla. Quando l'alimentazione d'aria pertinente viene persa, la molla spinge la valvola verso la sua posizione di guasto designata.

Tuttavia, il comportamento fail-open non dovrebbe mai essere presunto dal solo attuatore. L'orientamento della valvola, la configurazione dell'attuatore, gli accessori e lo scenario di guasto specificato devono tutti essere verificati.

Una valvola fail-closed si muove verso la posizione chiusa in base alla sua condizione di guasto specificata.

Ciò può essere richiesto per isolare il combustibile, l'alimentazione chimica o un altro flusso di processo quando il flusso continuo potrebbe creare una situazione pericolosa.

Gli attuatori a molla di ritorno possono fornire questa funzione quando configurati per chiudere la valvola alla perdita di pressione dell'aria. Una valvola a solenoide adatta o un altro accessorio di controllo può essere utilizzato dove richiesto dal progetto del sistema.

Il punto importante è che fail-closed non significa che ogni valvola in un processo debba chiudersi quando qualcosa va storto. La chiusura di una valvola può essa stessa creare un rischio, come interrompere il raffreddamento essenziale o intrappolare la pressione. L'azione sicura deve essere stabilita attraverso l'analisi dei pericoli di processo e i requisiti di sicurezza applicabili.

Fail-in-place descrive generalmente una configurazione intesa a mantenere la valvola vicino alla sua posizione esistente dopo un guasto specificato, piuttosto che spingerla deliberatamente completamente aperta o chiusa.

Ciò può aiutare a ridurre i cambiamenti bruschi del processo quando un movimento improvviso sarebbe indesiderabile. Tuttavia, il mantenimento della posizione dopo la perdita di aria o alimentazione richiede una configurazione in grado di mantenere la forza o la posizione richiesta dell'attuatore.

Un attuatore pneumatico a doppio effetto da solo non garantisce il comportamento fail-in-place. Se entrambi i lati dell'attuatore perdono la loro pressione effettiva, la valvola può muoversi a causa delle forze di processo, dell'attrito, delle perdite o di altre influenze esterne.

Una valvola di blocco, accessori pneumatici adatti o una configurazione dedicata di mantenimento della posizione possono essere utilizzati in alcuni progetti. Il comportamento effettivo dipende da come l'assemblaggio completo risponde al particolare guasto.

Fail-in-place non dovrebbe essere automaticamente considerato l'opzione più sicura. Se la posizione della valvola è inadatta al processo dopo un guasto, mantenerla lì potrebbe prolungare il pericolo.

L'attuatore è una parte importante della progettazione dell'azione di guasto.

Attuatori pneumatici a molla di ritorno utilizzano una molla per spostare la valvola verso una posizione predeterminata quando la pressione dell'aria pertinente viene persa. Sono comunemente usati dove è richiesta una risposta definita fail-open o fail-closed.

Attuatori pneumatici a doppio effetto utilizzano la pressione dell'aria per guidare il movimento in entrambe le direzioni. Possono fornire una forza operativa sostanziale, ma una risposta di guasto definita richiede un'ulteriore considerazione di come la pressione dell'aria viene mantenuta, rilasciata o reindirizzata.

Attuatori elettrici possono avere risposte diverse a seconda del loro comportamento in caso di perdita di alimentazione, energia immagazzinata, alimentazione di backup e configurazione dell'attuatore. Alcuni sistemi possono spostarsi in una posizione predeterminata, mentre altri possono fermarsi dove si trovano. Il progetto specifico deve essere verificato.

Per qualsiasi tipo di attuatore, la coppia o la spinta richiesta, le forze di processo, la corsa e le condizioni operative della valvola devono essere considerate insieme.

Le valvole pneumatiche di blocco sono utilizzate in alcuni sistemi per mantenere la pressione dell'aria sul lato dell'attuatore quando la pressione di alimentazione scende al di sotto di un livello definito. Possono aiutare a prevenire movimenti indesiderati della valvola durante un guasto dell'alimentazione d'aria.

Esempi di prodotti correlati includono la valvola di intervento Fisher 377 e soluzioni di blocco di SMC o altri fornitori di controllo pneumatico. Questi prodotti svolgono funzioni diverse e non dovrebbero essere considerati intercambiabili.

Una valvola di blocco non rende automaticamente una valvola di controllo fail-in-place in ogni condizione di guasto. Perdite, integrità dell'attuatore, forze della valvola, configurazione dei tubi e la particolare configurazione dell'accessorio influenzano tutti il risultato.

Se la perdita di alimentazione elettrica è anche parte dello scenario di progettazione, la risposta del posizionatore, della valvola a solenoide e di altri accessori elettrici deve essere valutata separatamente.

Prima di specificare una valvola di controllo, rispondere a queste domande:

1. Cosa succede se la valvola rimane aperta durante un guasto?

2. Cosa succede se la valvola si chiude improvvisamente?

3. È richiesto raffreddamento, ventilazione o flusso minimo continuo?

4. Il mezzo di processo potrebbe creare un incendio, un rilascio tossico, una sovrapressione o un pericolo ambientale?

5. A quale guasto dell'utilità deve rispondere la valvola: aria strumentale, alimentazione elettrica, segnale di controllo o più di uno?

6. È richiesto un movimento definito o è accettabile mantenere la posizione esistente?

7. Come verrà testata e verificata l'azione di guasto effettiva della valvola?

Le risposte devono essere documentate nella specifica della valvola di controllo e coordinate con la progettazione del sistema di controllo di processo e di sicurezza.

Un errore comune è presumere che un guasto del segnale da 4–20 mA e un guasto dell'aria strumentale producano lo stesso risultato. Possono innescare azioni diverse a seconda della configurazione.

Un altro è selezionare un attuatore a molla di ritorno senza verificare se la sua uscita disponibile è sufficiente nelle effettive condizioni di processo.

È inoltre importante non fare affidamento solo sull'impostazione del posizionatore. Un comando che richiede una particolare posizione della valvola non è necessariamente la stessa cosa di una risposta meccanicamente garantita dopo la perdita di tutte le utilità.

Infine, l'azione di guasto specificata dovrebbe essere confermata durante la messa in servizio utilizzando una procedura di test approvata e adeguate protezioni di processo.

Le configurazioni fail-open, fail-closed e fail-in-place servono esigenze di processo diverse. La scelta giusta dipende dalle conseguenze del flusso continuo, del flusso interrotto o del movimento improvviso della valvola nelle condizioni di guasto specificate.

Attuatori a molla di ritorno, attuatori a doppio effetto, posizionatori e accessori di blocco possono tutti svolgere un ruolo, ma l'assemblaggio completo deve essere valutato come un sistema.

Per l'approvvigionamento di progetto, specificare chiaramente l'azione di guasto richiesta e lo scenario di guasto esatto aiuta a prevenire pacchetti di attuatori non corrispondenti e comportamenti inaspettati durante la messa in servizio.