Speciale 121
Piping stress analysis e Direttiva PED: normativa, carichi e verifiche
Alcuni contenuti di questo speciale:
Articolo
di Marco Gradizzi
Le sollecitazioni nei sistemi di tubazioni
Concettualmente si è soliti distinguere le sollecitazioni a cui è sottoposto un sistema di tubazioni in due macroclassi: i carichi primari e i carichi secondari.
Fanno parte ovviamente della prima classe le sollecitazioni imputabili alla pressione (chiaramente in combinazione con la temperatura) e al peso. Per il secondo è necessario distinguere tra “hot sustained” e “cold sustained”, come verrà chiarito in seguito.
Fanno invece parte della seconda macroclasse le sollecitazioni imputabili alle dilatazioni termiche, agli effetti del sisma e all’azione di vento e neve.
Per caratterizzare maggiormente i vari carichi possiamo definirli come segue tenendo in considerazione le indicazioni proposte dall’ASME B31.3:
Hoop e Sustained stress: Sono le sollecitazioni indotte dall’effetto della pressione e dagli effetti gravitazionali, vale a dire la forza peso.L’effetto della pressione è facilmente valutabile tenendo conto della formula di Mariotte ripresa dalla norma per una tubazione rettilinea. Più complesso risulta ovviamente il calcolo per i componenti quali curve, riduzioni e tees per questioni legate alla geometria del componente. È facile rendersi conto del fatto che esistono punti in cui si ha un effetto di intensificazione delle pressioni proprio per effetto delle discontinuità geometriche del componente. La norma prevede un ricco panorama di formule e prove da impiegare per questo tipo di verifica. È utile ricordare che in detta verifica lo spessore nominale deve essere diminuito delle tolleranze dimensionali e dello spessore ammissibile a corrosione. Quest’ultimo viene deciso in sede di progettazione dal team di progettazione in funzione di quanto descritto in precedenza. Il risultato di questa prima verifica è la conformità dei valori riscontrati di tensione (Hoop stress) con quelli ammissibili dettati dalla normativa. La figura che segue ne riporta un esempio.
Per quanto concerne i carichi gravitazionali, si tratta dell’azione del peso. Qui deve essere fatta una distinzione tra “hot sustained” e “cold sustained” vale a dire tra il livello di tensione che si ha a “freddo” e il livello di tensioni che si manifestano a “caldo”. La dicotomia nasce dal fatto che un sistema di tubazioni nel momento in cui viene applicata la sollecitazione termica cambia la sua deformata e, come è facile intuire, cambiano pure gli scarichi sui supporti. Può succedere che a caldo si verifichi un “vertical lift off”, ovvero che la tubazione perda lettalmente il contatto con un supporto. A quel punto il peso si redistribuisce, portando a una conseguente redistribuzione del carico e a nuovi sforzi flessionali e torsionali.
L’immagine che segue riporta un esempio di verifica dei carichi permanenti Hoop e Sustained.
Expansion stress: Come si è già avuto modo di osservare, una differenza fondamentale che sussiste tra il mondo delle strutture e le verifiche di stress analysis dei sistemi di piping consiste nell’importanza delle sollecitazioni termiche. La verifica che viene condotta per questo tipo di sollecitazione è a fatica.
È diffuso l’uso di definire le sollecitazioni di tipo termico come “self limiting”. Il fatto che la sollecitazione sia autolimitante è facilmente comprensibile: se la tubazione fosse completamente libera di espandersi non vi sarebbe nessuna tensione indotta. Terminato lo spostamento, quindi, non si avrebbe il manifestarsi di tensioni di sorta. È il fatto che il movimento sia in qualche misura impedito. a creare delle tensioni nel materiale. Per questa sua natura, la verifica viene condotta a fatica.
Una tubazione è soggetta a cicli di dilatazione e ritorno durante l’intero ciclo di vita dell’impianto. Ciò significa che si trova ad essere oggetto di un range di momenti flettenti e torcenti che si manifestano più volte nel corso dell’intero esercizio. In linea teorica è facile rendersi conto del fatto che l’ampiezza massima di dette tensioni potrebbe essere pari a due volte la tensione di snervamento. Se infatti durante il primo ciclo di riscaldamento qualche punto della corona circolare della tubazione dovesse entrare in campo plastico nel successivo ritorno a freddo, avremmo il manifestarsi di una tensione residua di compressione di segno ed entità esattamente opposto. Dal primo ciclo in poi comunque la tubazione lavorerebbe sempre in campo elastico (la deformazione è sempre la stessa).
I limiti per ragioni storiche dell’ampiezza delle sollecitazioni sono pari a 5/8 volte il doppio della tensione di snervamento. Per tener conto dei pezzi speciali quali tees, curve ecc. e della loro peculiarità, ovvero della loro minor resistenza, si tiene conto dei SIF (Stress Intensification Factor). Il SIF per un tratto di tubazione rettilinea vale 1 mentre la tabella che segue, tratta dalla norma, riporta i SIF per i vari pezzi speciali.
L’immagine che segue presenta invece la verifica degli stress imputabili all’espansione:
Occasional Stress: Sono le tensioni indotte dagli eventi particolari quali il sisma, il vento e il carico da neve. Particolare interesse, anche in conseguenza ai recenti eventi di cronaca, è destato dal primo termine. Due sono le metodologie impiegate per la disamina degli effetti dell’azione sismica su un sistema di tubazioni:
Il primo è il metodo più diffusamente impiegato anche se più conservativo; mentre il secondo richiede un impegno molto più oneroso e viene applicato in casi particolari.
Altro carico accidentale tipico con cui ci si trova a confrontarsi è quello dell’intervento degli organi di sicurezza (PSV). Questa è un’azione di tipo dinamico, si contrappone al rilascio della valvola agendo in modo repentino sul tratto di tubazione a cavallo della valvola. Se ben dimensionata, l’azione ha in genere una durata ridotta: il tempo di mettere in sicurezza gli apparecchi o le linee protette.
Fanno parte ovviamente della prima classe le sollecitazioni imputabili alla pressione (chiaramente in combinazione con la temperatura) e al peso. Per il secondo è necessario distinguere tra “hot sustained” e “cold sustained”, come verrà chiarito in seguito.
Fanno invece parte della seconda macroclasse le sollecitazioni imputabili alle dilatazioni termiche, agli effetti del sisma e all’azione di vento e neve.
Le sollecitazioni nei sistemi di tubazioni: i carichi primari
Per caratterizzare maggiormente i vari carichi possiamo definirli come segue tenendo in considerazione le indicazioni proposte dall’ASME B31.3:
Hoop e Sustained stress: Sono le sollecitazioni indotte dall’effetto della pressione e dagli effetti gravitazionali, vale a dire la forza peso.L’effetto della pressione è facilmente valutabile tenendo conto della formula di Mariotte ripresa dalla norma per una tubazione rettilinea. Più complesso risulta ovviamente il calcolo per i componenti quali curve, riduzioni e tees per questioni legate alla geometria del componente. È facile rendersi conto del fatto che esistono punti in cui si ha un effetto di intensificazione delle pressioni proprio per effetto delle discontinuità geometriche del componente. La norma prevede un ricco panorama di formule e prove da impiegare per questo tipo di verifica. È utile ricordare che in detta verifica lo spessore nominale deve essere diminuito delle tolleranze dimensionali e dello spessore ammissibile a corrosione. Quest’ultimo viene deciso in sede di progettazione dal team di progettazione in funzione di quanto descritto in precedenza. Il risultato di questa prima verifica è la conformità dei valori riscontrati di tensione (Hoop stress) con quelli ammissibili dettati dalla normativa. La figura che segue ne riporta un esempio.
Per quanto concerne i carichi gravitazionali, si tratta dell’azione del peso. Qui deve essere fatta una distinzione tra “hot sustained” e “cold sustained” vale a dire tra il livello di tensione che si ha a “freddo” e il livello di tensioni che si manifestano a “caldo”. La dicotomia nasce dal fatto che un sistema di tubazioni nel momento in cui viene applicata la sollecitazione termica cambia la sua deformata e, come è facile intuire, cambiano pure gli scarichi sui supporti. Può succedere che a caldo si verifichi un “vertical lift off”, ovvero che la tubazione perda lettalmente il contatto con un supporto. A quel punto il peso si redistribuisce, portando a una conseguente redistribuzione del carico e a nuovi sforzi flessionali e torsionali.
L’immagine che segue riporta un esempio di verifica dei carichi permanenti Hoop e Sustained.
Le sollecitazioni nei sistemi di tubazioni: i carichi secondari
Expansion stress: Come si è già avuto modo di osservare, una differenza fondamentale che sussiste tra il mondo delle strutture e le verifiche di stress analysis dei sistemi di piping consiste nell’importanza delle sollecitazioni termiche. La verifica che viene condotta per questo tipo di sollecitazione è a fatica.
È diffuso l’uso di definire le sollecitazioni di tipo termico come “self limiting”. Il fatto che la sollecitazione sia autolimitante è facilmente comprensibile: se la tubazione fosse completamente libera di espandersi non vi sarebbe nessuna tensione indotta. Terminato lo spostamento, quindi, non si avrebbe il manifestarsi di tensioni di sorta. È il fatto che il movimento sia in qualche misura impedito. a creare delle tensioni nel materiale. Per questa sua natura, la verifica viene condotta a fatica.
Una tubazione è soggetta a cicli di dilatazione e ritorno durante l’intero ciclo di vita dell’impianto. Ciò significa che si trova ad essere oggetto di un range di momenti flettenti e torcenti che si manifestano più volte nel corso dell’intero esercizio. In linea teorica è facile rendersi conto del fatto che l’ampiezza massima di dette tensioni potrebbe essere pari a due volte la tensione di snervamento. Se infatti durante il primo ciclo di riscaldamento qualche punto della corona circolare della tubazione dovesse entrare in campo plastico nel successivo ritorno a freddo, avremmo il manifestarsi di una tensione residua di compressione di segno ed entità esattamente opposto. Dal primo ciclo in poi comunque la tubazione lavorerebbe sempre in campo elastico (la deformazione è sempre la stessa).
I limiti per ragioni storiche dell’ampiezza delle sollecitazioni sono pari a 5/8 volte il doppio della tensione di snervamento. Per tener conto dei pezzi speciali quali tees, curve ecc. e della loro peculiarità, ovvero della loro minor resistenza, si tiene conto dei SIF (Stress Intensification Factor). Il SIF per un tratto di tubazione rettilinea vale 1 mentre la tabella che segue, tratta dalla norma, riporta i SIF per i vari pezzi speciali.
L’immagine che segue presenta invece la verifica degli stress imputabili all’espansione:
Occasional Stress: Sono le tensioni indotte dagli eventi particolari quali il sisma, il vento e il carico da neve. Particolare interesse, anche in conseguenza ai recenti eventi di cronaca, è destato dal primo termine. Due sono le metodologie impiegate per la disamina degli effetti dell’azione sismica su un sistema di tubazioni:
- Il metodo statico equivalente, che altri non è se non il metodo riproposto dalle NTC-2008 e s.m.i.;
- L’analisi con spettro di risposta.
Il primo è il metodo più diffusamente impiegato anche se più conservativo; mentre il secondo richiede un impegno molto più oneroso e viene applicato in casi particolari.
Altro carico accidentale tipico con cui ci si trova a confrontarsi è quello dell’intervento degli organi di sicurezza (PSV). Questa è un’azione di tipo dinamico, si contrappone al rilascio della valvola agendo in modo repentino sul tratto di tubazione a cavallo della valvola. Se ben dimensionata, l’azione ha in genere una durata ridotta: il tempo di mettere in sicurezza gli apparecchi o le linee protette.
