Quesito
È ammesso dalla normativa ASME VIII-1 l’utilizzo dei serpentini elicoidali a semi-tubo (indicati come limpet coils nel PD 5500) saldati sull’estradosso del fasciame come irrigidimenti per la pressione esterna?
Quali sono al riguardo i requisiti delle altre normative internazionali?
Requisiti di ASME VIII-1
Il codice ASME VIII-1 fornisce nell’Appendice EE delle regole non obbligatorie per la progettazione dei serpentini semi-elicoidali e del fasciame (indipendentemente dalla forma cilindrica o meno) cui essi sono collegati.
I serpentini elicoidali sono intesi come un tipo di incamiciatura esterna alternativa a quelle classiche considerate nell’Appendice 9 obbligatoria. Ciò è testimoniato dal titolo stesso dell’Appendice EE: “Half-Pipe Jackets” (camicie con mezzo tubo).
Il testo del codice non dice niente al riguardo dell’uso di questi elementi come irrigiditori contro la pressione esterna, né per consentirli, né per escluderli.
Questo argomento non è trattato da nessun code case; c’è tuttavia un’interpretazione (la VIII-1-95-13 del 1994) che lo tratta. Essa dichiara ammissibile l’impiego di semi-tubi per incamiciatura come irrigiditori purché le condizioni di U-2(g), UG-19(a) e UG-22 siano soddisfatte.
Nel seguito sono forniti:
a) L’elenco complete delle interpretazioni che riguardano gli irrigiditori (“stiffening rings”) e I semi-tubi (“half-pipe”);
b) Il testo completo dell’interpretazione VIII-1-95-13.
Elenco delle interpretazioni della divisione 1 su anelli di irrigidimento (“stiffening rings")
VIII-1-95-13 (Section VIII, Division 1 (1992 Edition, 1993 Addenda); UG-28 and UG-29 ), BC94-131, 628
VIII-1-92-198 (Section VIII, Division 1 (1989 Edition, 1991 Addenda); U-2(g) and UG-29(b) ), BC92-219 , 608
VIII-1-98-04 (Section VIII, Division 1 (1995 Edition, 1995 Addenda); UG-29 and UG-33 ), BC96-475 , 717
VIII-1-98-104 (Section VIII, Division 1 (1995 Edition, 1997 Addenda); Appendix 1, 1-8(b) and (c)), BC98-175, 779
Elenco delle interpretazioni della divisione 1 su semi-tubi (“half-pipe”)
VIII-1-95-13 (Section VIII, Division 1 (1992 Edition, 1993 Addenda); UG-28 and UG-29 ), BC94-131, 628
Interpretazione VIII-1-95-13 - 09/26/1994 (reperibile con il link >>)
Domanda: Un recipiente cilindrico ha una camicia continua realizzata con serpentino in semi-tubo che si estende lungo la parete esterna ed è collegata mediante saldatura. Applicando le regole di UG-28 e UG-29 della Sezione VIII, Divisione 1, nel calcolo dello spessore del fasciame si può dare credito a questa soluzione come irrigidimento del recipiente in condizioni di vuoto o di pressione esterna?
Risposta: Si, assumendo che il progetto soddisfi U-2(g) con carichi in accordo a UG-19(a) e UG-22.
U-2(g) afferma che la divisione 1 non contiene regole per coprire tutti i dettagli progettuali e costruttivi. Laddove dettagli completi non sono forniti dal codice, è compito del fabbricante, sottoponendoli all’accettazione dell’ispettore, fornire dei dettagli di progettazione e costruzione che siano altrettanto sicuri di quelli previsti dalle regole di questa divisione.
UG-19(a) riguarda le unità combinate, ossia gli apparecchi a pressione formati da più camere, indipendenti o meno, che operano a valori di pressione e temperatura uguali o diversi tra loro. Tutti gli elementi, inclusi quelli comuni, questi ultimi intesi come quegli elementi che separano le camere, devono essere progettati per la condizione più severa tra quelle attese nel servizio normale. Questo criterio si applica solo alle camere che devono essere progettate secondo la divisione 1. Per i recipienti incamiciati, si rimanda all’appendice 9-1(c).
UG-22 elenca i carichi che devono essere considerati nella progettazione di un apparecchio a pressione.
In conclusione, i serpentini elicoidali saldati al fasciame cilindrico possono essere usati come irrigidimenti contro la pressione esterna purché:
-
Siano efficaci, ossia soddisfino le regole UG-28 e, in particolare, UG-29.
-
Siano progettati a fronte della condizione più severa, secondo quanto richiesto da UG-19(a), e quindi siano in grado di sostenere il carico che deriva dalla funzione di irrigidimento contemporaneamente a quello che deriva dalla funzione di contenimento del fluido della camicia.
-
Il fabbricante fornisca evidenza che la realizzazione ha un livello di sicurezza non inferiore a quello richiesto dalla divisione 1.
-
L’Ispettore Autorizzato accetti quanto proposto dal fabbricante.
L’Appendice EE, oltre al calcolo dello spessore del semi-tubo, sottoposto alla pressione interna P1, richiede il calcolo della massima pressione interna P’ nel semi-tubo ammissibile per il fasciame cui esso è collegato. Questo calcolo è eseguito con la formula (1):
P’ = F / K
dove:
- P’ è la massima pressione interna ammessa nel semi-tubo per quanto concerne il fasciame;
- F = 1.5 ∙ S – S’ è una grandezza che tiene conto della quota parte di resistenza del fasciame non sfruttata dalla sua pressione interna;
- K è un fattore legato al diametro interno e allo spessore del fasciame, oltre alla dimensione nominale del tubo (NPS).
La grandezza S’ rappresenta la tensione di trazione longitudinale nel fasciame causata dalla sua pressione interna e dai carichi esterni. In assenza di altre forze assiali, l’appendice EE richiede che essa sia fissata pari a:
S’ = P ∙ R / (2 ∙ t).
Questo procedimento è applicabile a fasciami di forma diversa da quello cilindrico.
L’effetto sul fasciame della pressione nel semi-tubo secondo ASME VIII-1 è messo in conto con l’equazione (1) senza necessità di altre valutazioni.
C’è, tuttavia, da osservare che l’appendice EE non è obbligatoria e, pertanto, il progettista può utilizzare metodi alternativi, purché non forniscano un livello di sicurezza più basso di quello richiesto dalla divisione 1.
Requisiti di EN 13445-3
La norma europea EN 13445-3:2015 tratta i serpentini elicoidali nel paragrafo 8.5.3.5 “Heating/cooling channels” (canali di riscaldamento/raffreddamento).
È abbastanza significativo che questo argomento sia trattato nel capitolo 8.5.3 “Stiffened cylinders” (cilindri irrigiditi), subito dopo i paragrafi: 8.5.3.1 “Introduction”, 8.5.3.2 “Unsupported length”, 8.5.3.3 “Design of stiffeners”, 8.5.3.4 “Interstiffener collapse”.
La seconda frase del terzo capoverso del paragrafo 8.5.3.5 afferma che “… The channels may be considered as stiffeners against external pressure…” (I canali possono essere considerati come irrigiditori contro la pressione esterna).
La prima frase del terzo capoverso afferma che essi devono soddisfare i requisiti dei paragrafi 8.5.3.6 “Design of light stiffeners” (Progettazione di irrigidori leggeri) o 8.5.3.7 “Design of heavy stiffeners” (Progettazione di irrigiditori pesanti).
Se ne deduce che non solo questi serpentini possono essere usati come irrigiditori, ma addirittura possono essere considerati come irrigiditori pesanti.
È, in ogni caso, obbligatorio dimostrare che essi abbiano proprietà geometriche (sezione resistente e momento d’inerzia) tali da poter assolvere la loro funzione di irrigiditore leggero (paragrafo 8.5.3.7) o pesante (paragrafo 8.5.3.8).
I paragrafi 8.5.3.7 e 8.5.3.8 non trattano, tuttavia, in modo esplicito i semi-tubi e non forniscono nessuna regola su come combinare lo stato tensionale dovuto alla pressione esercitata dal fluido interno al tubo con quello che deriva dall’uso come irrigiditore del fasciame cilindrico.
Si osserva infine che l’ultima frase del primo capoverso del paragrafo 8.5.3.1 “Introduction” afferma che “… It is permissible not to consider small circumferential rings as stiffeners …” che fornisce il permesso di non considerare qualcosa che in effetti potrebbe non svolgere la propria funzione. Qui ci si sarebbe aspettato, piuttosto che un permesso a non considerare, un divieto a considerare…
Il paragrafo 8.5.3.5 fornisce anche la formula (8.5.3.23) per il calcolo dello spessore richiesto al fasciame cilindrico a causa della pressione Pc agente nel semi-tubo:
e = a ∙ √[Pc / (3 ∙ f)]
dove:
-
a è il diametro medio dei semi-tubi, oppure la lunghezza media dei lati per tubi a sezione quadrata;
-
f è la tensione ammissibile del fasciame.
In questa formula il fasciame è assimilato a una trave di luce a e larghezza unitaria, incastrata (come provato dal fattore 3) agli estremi e la tensione flessionale è limitata a 1,5 volte la tensione ammissibile f.
Requisiti di PD 5500
La norma inglese tratta questo aspetto nel paragrafo 3.11.4 “Cylindrical shells with limpet coils”.
Nel quarto capoverso la norma afferma quanto segue: “… Where the cylinder is subject to a vacuum, the coils can be considered to contribute as light stiffeners…”
Rispetto al EN 13445-3, il PD 5500 esclude, dunque, la possibilità di considerare i coils come irrigiditori pesanti.
Lo standard inglese chiarisce, immediatamente dopo questa affermazione, che il numero totale di coils, N, deve essere ripartito in due o più gruppi secondo le indicazioni della Figura 3.11-4. L’irrigiditore equivalente a ciascun gruppo è considerato collocato al centro di ciascuno di essi.
La sezione composta cilindro/semi-tubo è verificata con il procedimento del paragrafo 3.6.2.3 usando la lunghezza efficace di ciascun gruppo di semi-tubi Le posta pari alla grandezza Ln definita come la distanza tra i centri dei tubi di estremità di ciascun gruppo aumentata di un passo (cioè la distanza tra due semi-tubi adiacenti dello stesso gruppo).
Nel calcolo della grandezza pys secondo il paragrafo 3.6.2.3 si dovrà porre A = 0. L’area A è proporzionale alla sezione resistente dell’irrigidimento, As. Il fattore di proporzionalità è il rapporto dei quadrati del raggio medio del fasciame (cilindrico) e del raggio del baricentro dell’irrigiditore. Ne segue che la norma prescrive di non tener conto del contributo aggiuntivo della sezione resistente del semi-tubo.
La nota 2 della regola chiarisce, infine, che in questi calcoli si può ignorare la pressione interna nel semi-tubo [Nota dell’autore: giacché essa impegna l’area As non considerata nel calcolo di pys].
La norma richiede di sviluppare le necessarie considerazioni nei casi in cui il serpentino è interrotto (per esempio in presenza di un bocchello o di un supporto).
Come lunghezza di libera inflessione (non irrigidita) del fasciame si dovrà considerare la distanza, La, tra i centri di due irrigiditori adiacenti (che possono anche essere due gruppi di serpentini).
La procedura fornita da PD 5500, come si vede, è più dettagliata di quella della EN 13445-3 e fornisce le risposte ai dubbi che questa lascia aperti.
Poiché le formule per gli irrigiditori leggeri adottate da EN 13445-3 sono identiche a quelle di PD 5500, si ritiene lecito estendere alla EN 13445-3 i chiarimenti che si ricavano da PD 5500.
La formula (3.11.3-7) del paragrafo 3.11.4 fornisce lo spessore richiesto alla porzione di fasciame sotteso dal canale soggetto alla pressione interna Pc:
e = l ∙ √[Pc / (3 ∙ f )]
dove:
-
l è la lunghezza di collegamento del tubo misurata sull’esterno di questo (come indicato nella figura 3.11-3);
-
f è la tensione ammissibile del fasciame.
La nota 1 chiarisce che questa formula si basa sullo schema di flessione di un piatto piano di lunghezza l, con il momento flettente adattato per tener conto dell’interazione tra flessione longitudinale e carico membranale circonferenziale. Ciò produce la stessa formula che si avrebbe assimilando il fasciame a una trave di luce l e larghezza unitaria, incastrata (come provato dal fattore 3) agli estremi e la tensione flessionale limitata a 1,5 volte la tensione ammissibile f.
La metodologia del PD 5500 è illustrata anche nel documento rif. [4.] che è incluso nel rif. [5.].
Requisiti del codice AD 2000
Il codice AD 2000 (rif. [6.]) ammette l’uso dei serpentini a semi-tubo come irrigiditori del fasciame cilindrico contro la pressione esterna. Questo argomento è trattato nel paragrafo 7.4.2 dell’articolo B6 “Cylindrical shells subjected to external overpressure” (Gusci cilindrici sottoposti a sovrappressione esterna).
Questa regola ammette l’uso di canali semicircolari (Figura 4) e di canali a sezione quadrata (Figura 5).
Il metodo di calcolo consiste nel valutare l’incremento del momento di inerzia e dell’area della sezione trasversale con i canali e senza di essi. Si deve, dunque, valutare la posizione dell’asse neutro x-x della sezione rinforzata.Ogni canale è messo in conto per una lunghezza, l, pari al suo diametro esterno (se semi-circolari) o al suo lato esterno (se quadrati).
Calcolato il rapporto tra i momenti di inerzia e le aree delle sezioni rinforzate e non, si introduce questo rapporto come fattore moltiplicativo nelle equazioni (1) e (4) che forniscono le pressioni ammissibili conto l’instabilità elastica e plastica, rispettivamente.
Con questo approccio ai coils è dato pieno credito senza ulteriori considerazioni circa la necessità di raggrupparli come richiesto dal PD 5500.
Requisiti delle Raccolte VSR e VSG
Il regolamento italiano in materia di apparecchi a pressione, Raccolta VSR (rif. [7.]), tratta dei canali saldati sull’estradosso di recipienti a pressione nel capitolo VSR.1.Q. Qui sono fornite le regole realizzative e di dimensionamento della parete e dei canali che possono essere a sezione semicircolare, semiellittica, ad arco circolare, sezione rettangolare o, infine, triangolare. In questa sezione nulla viene detto circa la possibilità di utilizzarli come elementi di rinforzo del fasciame cilindrico contro la pressione esterna.
Le regole per il controllo della stabilità di membrature sottoposte a pressione esterna sono date nel capitolo VSR.1.H. La Regola VSR.1.H.3 tratta del dimensionamento degli anelli di irrigidimento, proponendone alcuni esempi in Figura 1.H.3.1. Nulla è detto circa i semi-tubi saldati sull’estradosso né per ammetterne l’uso, né per escluderlo.
La regola VSR1.Q.3 punto 1 fornisce la formula (1.1) per il calcolo dello spessore richiesto al fasciame cilindrico a causa della pressione P agente nel semi-tubo:
so = b ∙ √[P / (2 ∙ f ∙ z)]
dove:
-
b è la larghezza interna del canale;
-
z è il modulo di efficienza della saldatura di parete;
-
f è la tensione ammissibile del fasciame.
In questa formula il fasciame è assimilato a una trave di luce b e larghezza unitaria, incernierata (come provato dal fattore 2) agli estremi e la tensione flessionale è limitata a 1,5 volte la tensione ammissibile f.
La raccolta VSG (rif. [8.]) non tratta questi elementi.
Approfondimenti
Un’approfondita trattazione del comportamento degli apparecchi a pressione sottoposti a pressione esterna è offerto nella pagina “External Pressure” del sito di PVEng, all’URL:
In questa discussione si sottolinea che il fasciame cui il semi-tubo è collegato non deve essere progettato a pressione esterna uguale alla pressione interna agente nel semi-tubo. Lo spessore richiesto per il fasciame è fornito dalle formule dell’Appendice EE senza ulteriori calcoli.
Conclusioni
La divisione 1 della sezione VIII del Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) di ASME consente di utilizzare i serpentini di riscaldamento / raffreddamento saldati sull’estradosso del fasciame cilindrico come elementi di rinforzo contro la pressione esterna.
Questo utilizzo è ammesso anche da altre normative internazionali quali EN 13445-3, PD 5500 e AD 2000.
ASME VIII-1, al contrario di PD 5500, non fornisce regole specifiche su come mettere in conto nei calcoli richiesti dalla regola UG-29 il fatto che una parte della loro resistenza è impegnata dalla pressione interna e non può essere sfruttata per la funzione di irrigidimento.
L’autore di questa nota ritiene che un approccio consistente con il livello di sicurezza richiesto da ASME VIII-1 possa consistere nell'usare, nella formula di UG-29 che fornisce il momento di inerzia richiesto alla sezione combinata (e non) e nel calcolo della grandezza A, il valore della quota parte di sezione resistente del semi-tubo, A's, non sfruttata dalla pressione interna. Questo valore si può ottenere sottraendo allo spessore nominale del semi-tubo, lo spessore richiesto dall'Appendice EE con l'equazione (2):
T = P1∙ r / (0.85 ∙ S1 – 0.6 ∙ P1)
dove i simboli sono gli stessi dell'Appendice EE.
Si tenga, tuttavia, presente che questa indicazione non è fornita da ASME ed è qui formulata dall’autore perché ritenuta ingegneristicamente ragionevole.
Si sottolinea che né EN 13445-3 né AD-2000 adottano un simile criterio; così come queste due norme non adottano il criterio di suddividere i tubi in gruppi proposto da PD 5500.
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