Come progettare un sistema di distribuzione del gas in laboratorio per una fornitura sicura

Come progettare un sistema di distribuzione del gas in laboratorio per una fornitura sicura

Introduzione e ambito di progettazione
Un sistema di distribuzione dei gas di laboratorio trasporta i gas dalla loro fonte – bombole, dewar criogenici o serbatoi di stoccaggio – attraverso regolatori, collettori e tubazioni fino ai punti di utilizzo. Se progettato correttamente, il sistema fornisce il gas corretto con la purezza, la pressione e la portata appropriate, contenendo al contempo i pericoli derivanti da gas pressurizzati, infiammabili, tossici, corrosivi e asfissianti; se progettato in modo inadeguato, diventa uno degli impianti più pericolosi di un edificio. La sicurezza nella distribuzione dei gas non si ottiene con un singolo dispositivo, ma con una sequenza di decisioni ingegneristiche: un'analisi del gas, un'analisi delle normative, l'individuazione della fonte, la selezione dei materiali, il controllo della pressione, le misure di sicurezza ingegnerizzate e la messa in servizio formale. Questo articolo illustra tale sequenza.


Analisi dei gas, dei rischi e della domanda
Il primo passo nella progettazione di qualsiasi impianto a gas, nuovo o di ristrutturazione, è un'analisi dei gas necessari in ogni punto: di quali gas ha bisogno ogni strumento, il suo grado di purezza, la pressione di mandata richiesta e il picco di flusso richiesto. Questa analisi influenza tutto ciò che segue: il dimensionamento delle tubazioni, le soluzioni di stoccaggio e la modalità di alimentazione.

Classifica ciascun gas in base al suo grado di pericolosità. Normative come la NFPA 55 distinguono gas inerti, infiammabili, ossidanti, corrosivi, tossici, piroforici e instabili-reattivi, e molti gas presentano rischi sovrapposti: il cloro è contemporaneamente ossidante, corrosivo e tossico; il silano è piroforico e infiammabile. Persino i gas inerti non sono "sicuri": azoto, argon ed elio sono semplici asfissianti, e l'OSHA definisce un'atmosfera carente di ossigeno come un'atmosfera con una concentrazione di ossigeno inferiore al 19.5% in volume.

Per il dimensionamento, basare la progettazione sulla domanda simultanea documentata in tutti i punti di utilizzo, più un margine di espansione che il proprietario possa giustificare per la crescita futura, e calcolare le perdite di pressione attraverso ogni componente in modo che la pressione minima richiesta in ogni strumento sia disponibile al flusso di picco, non solo alla sorgente.

Codici e posizione della fonte
La progettazione inizia con l'identificazione dei requisiti adottati a livello locale e delle edizioni applicabili, in collaborazione con il proprietario e l'autorità competente (AHJ): i codici sono legalmente vincolanti solo laddove adottati. Negli Stati Uniti, il quadro normativo più comunemente applicato comprende NFPA 55 (Codice per gas compressi e fluidi criogenici), NFPA 45 (Protezione antincendio per laboratori che utilizzano sostanze chimiche), CGA P-1 (Gestione sicura dei gas compressi in contenitori) e OSHA 29 CFR 1910.101. NFPA 55 fornisce le misure di sicurezza fondamentali per l'installazione, lo stoccaggio, l'uso e la manipolazione dei gas compressi e stabilisce le quantità massime consentite (MAQ) per area di controllo, al di sopra delle quali è richiesto un piano di emergenza; NFPA 45 limita le quantità di gas nelle unità di laboratorio facendo riferimento a NFPA 55 e richiede che le bombole non necessarie per il lavoro in corso siano stoccate all'esterno del laboratorio. Le quantità consentite dipendono dall'edizione adottata, dalla classificazione di occupazione, dalla progettazione dell'area di controllo e dalle disposizioni di protezione, pertanto devono essere stabilite specificamente per il progetto con l'AHJ.

La conseguenza pratica in termini di progettazione è la seguente: tenere le bombole fuori dal laboratorio, ove possibile. Conservarle in un luogo dedicato, sicuro e ben ventilato, tenere separati i gas incompatibili e separare le bombole piene da quelle vuote.

Per garantire un'alimentazione continua, collegare le bombole in gruppi tramite un collettore di commutazione, in modo che un gruppo possa essere sfiatato, rifornito e spurgato mentre un secondo gruppo continua ad alimentare il sistema; i sistemi di commutazione semiautomatici commutano da una bombola o un gruppo primario a uno di riserva senza interrompere l'erogazione del gas. Progettare il collettore in modo da prevenire flussi incrociati indesiderati tra le bombole, utilizzando dispositivi di isolamento e di controllo del riflusso adeguati al servizio, e non collegare mai gas incompatibili a un collettore comune.

Selezione dei materiali, delle giunzioni e della pulizia
La scelta del materiale inizia con la compatibilità del gas per l'applicazione specifica (lega, guarnizioni, concentrazione, umidità, temperatura e pressione), per poi considerare i requisiti di purezza e il costo del ciclo di vita. Ad esempio, uno standard di laboratorio nazionale specifica tubi in rame di tipo K con giunti brasati in argento, o acciaio inossidabile ASTM A269 con giunti saldati orbitalmente automaticamente, come materiali preferiti per le tubazioni pulite per sistemi a idrogeno e metano. L'acciaio inossidabile non è universalmente adatto ai gas corrosivi, in particolare nel servizio con cloro umido, quindi la compatibilità deve essere verificata gas per gas. Le parti a contatto con il fluido del regolatore seguono la stessa logica: applicazione, servizio del gas e pressione di mandata richiesta influenzano la scelta del regolatore. I diaframmi metallici possono ridurre il degassamento e la permeazione rispetto agli elastomeri, e i materiali a basso costo potrebbero non essere in grado di mantenere la purezza dell'umidità del gas nella bombola.

La pulizia è un requisito di progettazione, non un elemento da considerare a posteriori. Specificare componenti compatibili con l'ossigeno con documentazione di pulizia per l'utilizzo in presenza di ossigeno, secondo lo standard approvato applicabile, come ad esempio CGA G-4.1, e proteggere le superfici pulite dalla ricontaminazione: i componenti devono arrivare puliti, sigillati e certificati, e rimanere tali fino all'installazione.

Metti in scena la pressione
Le bombole immagazzinano gas ad alta pressione, comunemente 2,000-3,000 psig, mentre gli strumenti in genere richiedono una pressione molto inferiore. Gli stadi di riduzione della pressione vanno selezionati in base alla pressione di alimentazione, alla pressione di mandata richiesta, alla portata necessaria e alle prestazioni del regolatore: un regolatore di alimentazione o di collettore riduce la pressione della bombola a una pressione di distribuzione intermedia, e la regolazione della linea di utilizzo viene aggiunta dove l'applicazione lo richiede. Un regolatore è un dispositivo di controllo della pressione, non un dispositivo di controllo della portata.

La regolazione a due stadi viene scelta quando è fondamentale una pressione di erogazione stabile: un regolatore a stadio singolo presenta una caratteristica di "pressione di ingresso decrescente" (la pressione di uscita aumenta al diminuire della pressione nella bombola), mentre un regolatore a due stadi compensa le variazioni di pressione nella bombola e riduce la sensibilità alla pressione di erogazione, motivo per cui è raccomandato per strumenti analitici come i gascromatografi. Tuttavia, la sola regolazione a due stadi non garantisce la sicurezza. I regolatori possono guastarsi o subire fluttuazioni di pressione, pertanto è necessario specificare una protezione indipendente contro la sovrapressione a valle, selezionata e dimensionata per il sistema specifico da un progettista di sistemi a pressione qualificato; una valvola di sicurezza installata a valle del regolatore rappresenta una protezione documentata contro le fluttuazioni di pressione.

Progettare le misure di sicurezza
Le misure di sicurezza si aggiungono al contenimento. Laddove le normative richiedono che i gas pericolosi siano isolati in armadi per gas, i requisiti tipici includono una struttura in acciaio di almeno calibro 12, porte di accesso a chiusura automatica, ventilazione con velocità frontale definita in corrispondenza delle aperture di accesso, protezione antincendio con sprinkler interni e un limite al numero di bombole per armadio. I requisiti relativi a contenimento, ventilazione, protezione antincendio, rilevamento e arresto automatico sono determinati in base alla pericolosità del gas, alle quantità, all'occupazione e alle normative vigenti. Le linee guida istituzionali illustrano l'approccio a più livelli: i gas altamente tossici e piroforici sono stoccati in armadi per gas dotati di sprinkler con controllori che interrompono l'erogazione del gas al rilevamento, controllo del flusso eccessivo, monitoraggio dell'aspirazione con arresto di sicurezza in caso di perdita di gas e arresto di emergenza manuale sull'armadio.

Il rilevamento è progettato, non improvvisato. I sensori vanno posizionati in base alla densità del gas e ai probabili punti di rilascio (i gas più leggeri dell'aria, come l'idrogeno, si accumulano in alto, mentre quelli più pesanti si concentrano in basso), tenendo conto anche dei flussi d'aria, della temperatura di rilascio, delle zone occupate e delle indicazioni del produttore. I sistemi di rilevamento devono essere collegati a controlli automatici che interrompono l'erogazione del gas in caso di perdita, con allarmi impostati prima che vengano raggiunte concentrazioni pericolose. Il monitoraggio dell'ossigeno segue una valutazione di scenari plausibili di carenza e arricchimento laddove vengano immagazzinati o distribuiti gas asfissianti o liquidi criogenici; gli allarmi di carenza sono riferiti alla soglia OSHA del 19.5%, mentre l'arricchimento viene monitorato separatamente laddove sia plausibile.

L'isolamento di emergenza completa il livello di sicurezza. Le valvole di intercettazione di emergenza, sia manuali che automatiche, devono essere installate in punti facilmente accessibili, sia nel punto di utilizzo che presso la fonte del gas, e chiaramente etichettate. È fondamentale conoscere i limiti di ciascun dispositivo: una valvola di sovraflusso interrompe il flusso solo al raggiungimento delle condizioni di intervento specificate, pertanto non rileverà ogni perdita; un dispositivo antiritorno di fiamma interviene sulla propagazione della fiamma e non ha la stessa funzione di una valvola di ritegno a flusso inverso. Per gas corrosivi e tossici, è necessario aggiungere la possibilità di spurgo con un gas di spurgo compatibile e la protezione contro il riflusso nel circuito di spurgo. I regolatori utilizzati in applicazioni con gas corrosivi devono essere spurgati con un gas inerte come l'azoto durante gli arresti, e il metodo e la sequenza di spurgo devono essere validati per l'applicazione specifica: lo spurgo per diluizione, che prevede la pressurizzazione e lo sfiato alternati del regolatore e delle tubazioni attraverso uno sfiato di sicurezza, è un approccio documentato per la rimozione del gas residuo e dell'umidità ambientale prima della sostituzione della bombola. Gli scarichi di spurgo e di sicurezza devono essere convogliati o trattati in un luogo sicuro, mai in un ambiente occupato.

Commissione formale
La messa in servizio deve essere misurabile e documentata. Innanzitutto, durante la fase di progettazione, è necessario stabilire il codice di riferimento per le tubazioni in base al suo effettivo ambito di applicazione, al tipo di gas, alle condizioni di progetto e ai requisiti normativi: la sola ubicazione del laboratorio non è sufficiente a stabilire se si debba applicare la norma ASME B31.3, ASME B31.9 o un altro codice.

Il collaudo di integrità meccanica in pressione verifica la conformità delle tubazioni alla pressione di progetto. Deve essere eseguito secondo una procedura approvata che specifichi la pressione di prova prevista dalla normativa vigente, un fluido compatibile come l'azoto secco e privo di olio, la durata e i criteri di accettazione. Poiché i test pneumatici immagazzinano una notevole quantità di energia, è necessario escludere i componenti non dimensionati per la pressione di prova e non regolare mai un giunto pressurizzato.

Il collaudo di tenuta dell'impianto è una procedura a sé stante: le linee guida del settore prevedono di eseguire il collaudo a una pressione pari o inferiore alla massima pressione di esercizio consentita del sistema, utilizzando un fluido idoneo e iniziando con un controllo preliminare a bassa pressione per individuare le perdite principali prima della pressurizzazione completa. Il programma di collaudo deve inoltre verificare la pulizia e la purezza del fluido nel punto di utilizzo, ove specificato, confermare l'identità di ogni punto di prelievo e controllare la presenza di interconnessioni, nonché dimostrare le prestazioni di pressione e portata in ciascun punto di utilizzo. Infine, è necessario testare i dispositivi di sicurezza dall'inizio alla fine: rilevamento gas, allarmi, interblocchi di ventilazione e arresto di emergenza automatico e manuale. La consegna deve includere i disegni as-built, i certificati dei materiali, i verbali di collaudo, l'etichettatura e le istruzioni di manutenzione.


Mantenere e migliorare
Un sistema a gas non è mai "finito". Includere regolatori, dispositivi di sicurezza e connettori flessibili in un programma di manutenzione basato sulle istruzioni del produttore e sottoporre gli altri rilevatori di gas alla stessa manutenzione. Calibrare e testare il funzionamento dei monitor di ossigeno secondo i requisiti applicabili e il programma di monitoraggio approvato. Le bombole devono rimanere in sicurezza, con i tappi di protezione inseriti laddove previsti quando scollegate e immagazzinate, separate per classe di pericolo e restituite tempestivamente quando vuote.

Progettare un sistema di erogazione del gas sicuro significa tenere conto di tutti i rischi: l'energia immagazzinata nella pressione, il potenziale di incendio di sostanze infiammabili e ossidanti, l'invisibilità degli asfissianti e il lento attacco chimico delle sostanze corrosive. Un sistema che tenga conto di tutti questi fattori erogherà il gas in modo sicuro e affidabile per tutta la durata di vita del laboratorio.

Per ulteriori informazioni su come progettare un sistema di distribuzione del gas in laboratorio per una fornitura sicura, è possibile visitare il sito web di Jewellok all'indirizzo https://www.jewellok.com/.