Nell’industria chimica occorre muovere fluidi di processo e/o servizio tra le diverse parti di uno stabilimento e, per questo, è necessario dimensionare correttamente i relativi sistemi di tubazioni, la cui buona progettazione permette di ottenere un risparmio sia durante la fase di CAPEX di un progetto (ossia quella di realizzazione) che in fase di OPEX (ossia di esercizio di un impianto).
Per dimensionare in termini di spessore un tubo è necessario definire le condizioni alle quali dovrà operare; quindi, tra i primi aspetti da valutare ci saranno la pressione e la temperatura alla quale il tubo sarà soggetto, mentre il materiale di cui sarà fatto sarà scelto in funzione dell’utilizzo della tubazione il quale, tipicamente sarà o in acciai al carbonio o acciai inossidabili o materiali plastici.
Per definire le tubazioni occorre pertanto indicarne:
il diametro della sezione, normalmente definito attraverso il diametro nominale DN, una dimensione alla quale corrisponde un diametro esterno variabile in funzione della norma considerata e del materiale, ad esempio, per l’acciaio INOX abbiamo che:
o il DN25 ASME BPE vale 25.4mm (spesso indicato con il termine 1 pollice secondo unità dimensionali imperiali).
o Il DN25 secondo normativa europea vale 33.7mm
o Il DN25 secondo ASME 3.11 vale 33.4mm.
Il valore di pressione nominale PN, quest’ultimo è un’indicazione che, convenzionalmente, indica la massima pressione di esercizio della tubazione alla temperatura di 20°C. Tutti i componenti della tubazione dovranno essere in grado di garantire, come mimino, il valore di PN indicato.
Il materiale di cui sarà fabbricato il tubo, pertanto, le tubazioni sono costruite seguendo determinati standard (norme tecniche) che ne definiscono la composizione chimica dei materiali di costruzione.
Quindi, fin dall’inizio di un progetto, è necessario che le informazioni sul materiale, le dimensioni e le pressioni relative alle tubazioni siano chiaramente disponibili a tutti i soggetti coinvolti nella progettazione, costruzione e manutenzione dell’impianto.
La massima pressione alla quale la nostra tubazione sarà soggetta è un valore necessario per poter definire lo spessore del tubo, a maggior ragione se si considera il PN della tubazione.
Vi proponiamo quindi a seguire, una breve descrizione delle procedure di calcolo da adottare per valutare lo spessore minimo di un tubo.
La seguente formula, che consente di calcolare lo spessore minimo della tubatura in acciaio (valore in [mm]) è relativa alle tubazioni metalliche ed è in accordo con la norma “ISO 10631:2006: spessore minimo delle pareti per i tubi in acciaio al carbonio e acciaio inossidabile soggetti a pressione interna”.
le variabili sono le seguenti:
P è la massima pressione interna [Mpa]
D è il diametro esterno [mm]
S è il carico di snervamento [Mpa] Rp 0.2, parametro caratteristico del materiale
E è un fattore correttivo che tiene conto delle saldature presenti o meno nella fase di costruzione del tubo (se un tubo viene estruso e pertanto non ha saldature è detto seamless e il valore di E è pari a 1, anche nel caso di tubature elettrosaldate e la cui saldatura sia stata esaminata nella sua totalità il valore di E è unitario)
Si nota che in seguito ai calcoli per definire lo spessore delle tubazioni, specialmente nel caso di piccoli DN (15, 20, 25…), il risultato può sembrare particolarmente piccolo in quanto lo spessore necessario calcolato è dell’ordine di grandezza di centesimi di millimetri.
Questo è motivato dal fatto che il fattore di snervamento dei materiali metallici è elevato e con uno spessore anche “apparentemente piccolo” le sollecitazioni, in termini di pressione, che la tubazione può reggere sono notevoli.
Per il motivo sopra descritto, è prassi comune scegliere tubi con uno spessore effettivo maggiore rispetto al valore necessario, questo per conferire alle tubazioni una maggior resistenza in termini strutturali (per quanto riguarda gli aspetti che esulano dalla sola resistenza alla pressione del fluido al loro interno) e per questioni costruttive (ad esempio poter accoppiare tubi con i vari componenti che costituiscono una tubazione, quali non ultime le flange).
Inoltre, specialmente nel caso di acciai al carbonio, spesso è previsto un sovraspessore detto di corrosione che tiene conto dei fenomeni corrosivi legati all’ossidazione dei materiali (valore da sommarsi al risultato ottenuto in precedenza).
Si riporta, a scopo meramente informativo, una tabella nella quale sono indicati gli spessori calcolati necessari per una pressione di esercizio pari a 10 bar.
Un ulteriore aspetto da considerare durante il dimensionamento dello spessore di una tubazione è la temperatura di esercizio e massima applicabile.
Un aumento di temperatura provoca una diminuzione della tensione di snervamento; pertanto, è importante definire fino dalle prime fasi di progettazione quali saranno le condizioni di temperatura operative effettive e massime (di progetto) nelle quali la tubazione troverà impiego.
Si riporta di seguito una tabella indicante la variazione di PN all’aumentare della temperatura.
Come conseguenza dell’effetto della temperatura sullo spessore, ne consegue che a parità di spessore della tubazione, per temperature via via crescenti, sarà richiesto uno spessore sempre maggiore a parità di sollecitazione di pressione.
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