Un sistema innovativo, sviluppato dalla FMC Energy Systems, rende le valvole a saracinesca a comando manuale più sicure e più facili da azionare.Di fronte al quartier generale della FMC Energy Systems a Houston, in Texas, c’è un albero di Natale. Diversamente dai tradizionali abeti addobbati, questo però è rosso, spigoloso e pieno di manovelle. È un albero di Natale costruito con i prodotti della FMC Energy Systems, un leader internazionale nelle soluzioni per esplorazione, produzione, misurazione e trasporto del petrolio. Come l’azienda, anche questo «albero» ha radici texane.

«Viene chiamato ‘albero di Natale’ quell’insieme di tubi e valvole che serve a controllare il flusso di ogni genere di fluidi, dagli idrocarburi al vapore o all’acqua», spiega David Cain, direttore della progettazione della FMC Energy Systems.

È attraverso questa struttura che il greggio estratto viene inviato alle raffinerie e può poi essere utilizzato per far girare il mondo moderno. In futuro, gli alberi di Natale saranno più facili da far funzionare, più sicuri e di durata potenzialmente più lunga grazie alle nuove valvole sviluppate dalla FMC Energy Systems assieme alla SKF Motion Technologies. La chiave dell’innovazione è l’inserimento di una vite a rulli SKF nelle valvole a saracinesca prodotte dalla FMC.

«La vite a rulli – spiega Cain – riduce l’attrito e ci permette di aprire la valvola con una coppia più bassa senza aumentare il numero di giri».

La FMC Energy Systems produce valvole per teste di pozzo, destinate a installazioni di terraferma e off-shore, per greggio e idrocarburi. In entrambi i casi, le valvole devono funzionare in località distanti ed in condizioni difficili. Le installazioni di superficie devono poter funzionare impeccabilmente per decenni. Per questa ragione la FMC Energy Systems progetta e realizza prodotti conformi alle norme dell’API (American Petroleum Institute). La API 6A, che è la specifica API relativa a teste di pozzo e alberi di Natale, riguarda una gamma di temperature che va da –60 a +177 °C. La norma specifica anche i materiali e i trattamenti consentiti per i componenti di valvole destinate ad ambienti caratterizzati da fluidi non corrosivi fino a quelli con fluidi estremamente corrosivi. Infine, API 6A riguarda le pressioni di esercizio nominali da circa 14 MPa ad un valore 10 volte superiore.

Differenza di pressione
Ma il vero problema è la differenza di pressione. Anche se esistono valvole comandate da macchine e robot tramite attuatori, in tutti gli alberi di Natale il numero di valvole manuali è almeno pari, o forse anche doppio, a quello delle valvole automatiche. Le valvole manuali fungono da backup per quelle automatiche, in modo da assicurare la possibilità di avviare o arrestare la testa di pozzo in caso di necessità, anche se l’alimentazione elettrica è interrotta. Ma ogni valvola manuale deve essere fatta funzionare da qualcuno che sia in grado di muovere la manovella. Ma su teste di pozzo ad alta pressione ciò può essere difficile.

Quando la valvola a saracinesca si apre o si chiude, durante la corsa si arriva a un punto in cui la differenza di pressione preme fortemente la saracinesca contro la sua sede. La forza necessaria a superare questo punto può rendere difficile l’azionamento della valvola. In passato, si ricorreva a mezzi meccanici per ridurre di otto o più volte la coppia necessaria. Ma, come sapeva già Archimede, ciò significa che il numero di giri di manovella necessari per aprire o chiudere la valvola si moltiplica per otto. E ciò può costituire un problema nei casi di emergenza, quando è fondamentale chiudere tutto immediatamente.

Questa soluzione implica inoltre un prolungamento dell’esposizione della valvola alle sollecitazioni in fase di chiusura. La corrente di fluido che emerge dalla testa di pozzo contiene molte particelle solide oltre a gas e liquidi corrosivi. Quando questo flusso attraversa una valvola parzialmente chiusa, lascia il segno.

«Ogni volta che si passa da aperto a chiuso, si verifica uno strozzamento che danneggia le sedi e le saracinesche», commenta Don Hallden, progettista della FMC Energy Systems.

La FMC Energy Systems voleva quindi una valvola a saracinesca a comando manuale che si aprisse e chiudesse velocemente. In questo modo si sarebbero potuti ridurre al minimo sia gli inconvenienti in fase di chiusura, sia il tempo necessario alla chiusura in caso di emergenza. Inoltre, l’azienda era in cerca di una valvola molto affidabile e con una coppia relativamente bassa.

Esaminando la situazione, Cain, Hallden ed altri colleghi della FMC Energy Systems presero in considerazione varie alternative. L’esperienza dell’azienda nel campo dell’ingegneria meccanica è vasta, con un totale di centinaia di anni di esperienza nel campo delle valvole. L’équipe pensò alle viti a rulli prodotte dalla SKF. Esse avrebbero consentito un azionamento diretto, senza riduzione meccanica. Si trattava di un vantaggio, così come l’affidabilità ottenibile grazie a questo prodotto.

D’altra parte, le viti a rulli non erano mai state usate prima in valvole a saracinesca per installazioni petrolifere. Inoltre, in una tipica applicazione con vite a rulli la madrevite si muove su e giù a velocità e con cicli relativamente alti. La FMC Energy Systems era interessata ad un uso quasi statico con esigenze elevate in termini di carico. Si trattava di esigenze particolari.

Impegno in collaborazione
L’équipe di ingegneri della FMC Energy Systems e della SKF ha lavorato insieme per comprendere e risolvere il problema. Il processo, incluso il collaudo della valvola finita, è durato un anno.

Dal canto suo, la SKF ha dovuto ottimizzare la scelta  della vite per ridurre al minimo il numero di giri necessario per aprire e chiudere la valvola. Inoltre la SKF ha provveduto a modificare le estremità dell’albero della vite per facilitare la connessione con lo stelo della valvola, esposto ad un ambiente corrosivo.

La SKF ha dovuto affrontare anche un’altra sfida. «Abbiamo fatto in modo da rendere massima la capacità di carico della vite entro i limiti del coperchio della valvola», racconta Wayne Green, business manager per i sistemi lineari della SKF Motion Technologies.

Nello stesso tempo, la FMC Energy Systems ha ideato una soluzione per proteggere la vite a rulli da ogni fluido corrosivo. Inoltre, ha dovuto superare diversi ostacoli all’uso nelle teste di pozzo. Ne è risultata una soluzione innovativa per la quale l’azienda ha ottenuto il brevetto.

Dopo collaudi approfonditi, la nuova linea di valvole dell’azienda è stata presentata agli inizi del 2002. Le valvole VLT (Very Low Torque) sono state testate e qualificate per temperature da –30 a oltre 200 gradi centigradi e per pressioni di esercizio superiori a 100 MPa.

Grazie alla reputazione di cui gode la FMC Energy Systems, i dati di collaudo e di certificazione presentati dall’azienda sono stati subito accettati dai clienti. Così, ai clienti è bastato un solo collaudo operativo prima di emettere le ordinazioni. Un’accoglienza così positiva, dice Cain della FMC Energy Systems, conferma il valore di questa linea di valvole.

«La valvola – conclude Cain – è stata accolta calorosamente nel settore. Si tratta di un prodotto ancora piuttosto nuovo, quindi le applicazioni non sono numerose. Ma prevediamo che queste valvole si diffonderanno ovunque nel mondo».