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ⓘ Recipiente in pressione




Recipiente in pressione
                                     

ⓘ Recipiente in pressione

Un recipiente in pressione è un recipiente progettato per contenere gas o liquidi ad una pressione differente da quella esterna. Solitamente il fluido contenuto dal recipiente è ad una pressione più alta di quella esterna.

Alcuni esempi di recipienti in pressione sono: polmoni smorzatori per compressori alternativi, colonne di distillazione in raffinerie e impianti petrolchimici, recipienti di reattori nucleari, serbatoi di gas e di liquidi.

                                     

1. Progettazione dei recipienti in pressione

Nella progettazione strutturale di un componente in pressione il progettista riceve come input un "data sheet" meccanico che include tutti i dati le specifiche di progetto e il suo compito è quello di dimensionare le membrature in pressione. Per farlo vengono utilizzati codici di calcolo che variano in funzione del Paese di destinazione. Tra i più importanti si ricordano Ispesl VSR Italia, Asme VIII Div. 1 e Div. 2 Usa, Stoomwezen Paesi Bassi, PD 5500 Regno Unito, AD 2000 Germania, Codap Francia, Swedish Pressure Vessel Code Svezia, Tbk Norvegia, Gost Russia, JIS Giappone, AS 1210 Australia e, nellambito della normativa PED, si cita il codice europeo EN-13445.

I recipienti in pressione devono essere progettati in modo da essere eserciti in sicurezza ad una determinata pressione. La differenza di pressione tra interno ed esterno, infatti, crea uno stato di tensione nel materiale con cui il recipiente è costruito. Il progettista deve realizzare un recipiente che resista a questo stato di tensione senza sollecitazioni che possano causare perdite, rotture o situazioni di pericolo per persone e cose. La pressione è il parametro operativo più importante, ma ve ne sono altri che non possono essere trascurati. La temperatura di esercizio influenza le proprietà meccaniche del materiale e può provocare deformazioni permanenti fenomeni di scorrimento a caldo. I fluidi a contatto con il recipiente sono un altro parametro dimensionante, in quanto possono determinare attacchi chimici ai materiali, tali da causare fenomeni di corrosione o di fragilizzazione. Infine è importante valutare le condizioni di esercizio del recipiente, in quanto variazioni cicliche della pressione e della temperatura sollecitazione a fatica tendono a ridurne la vita residua.

I parametri su cui il progettista può agire, compatibilmente con i vincoli di costo e di progetto, sono:

  • forma del recipiente
  • controlli non distruttivi in costruzione
  • selezione del materiale
  • spessore delle pareti
  • verifiche in esercizio

La forma più conveniente per minimizzare la tensione nel recipiente è quella sferica. In tal caso la tensione vale:

σ = p r 2 s {\displaystyle \sigma \ ={\frac {pr}{2s}}}

Nella formula σ {\displaystyle \sigma \ } è la tensione, p {\displaystyle p} la pressione, r {\displaystyle r} il raggio, s {\displaystyle s} lo spessore del recipiente, se raggio e spessore sono espressi nelle stesse unità la sollecitazione sul recipiente è nelle stesse unità della pressione.

Viste le difficoltà pratiche che si incontrano nel costruire un recipiente di forma sferica, la forma più comunemente adottata è quella cilindrica. In tal caso, si avrà anche tensione circonferenziale nel tratto lineare:

σ c = p r s {\displaystyle \sigma _{c}={\frac {pr}{s}}}

Un altro importante accorgimento relativamente alla forma è la necessità di ridurre le discontinuità geometriche, come spigoli, brusche variazioni di spessore, intagli, etc. Le formule sopra menzionate sono calcolate mediante una teoria semplificata teoria della membrana e valgono nel caso che lo spessore sia trascurabile rispetto al raggio. Si considerano applicabili se lo spessore è inferiore a circa 7-10% del raggio.

Una volta selezionato il materiale di costruzione, la tensione ammissibile è fissata è strettamente correlata alle caratteristiche meccaniche del materiale. Si osserva dalle formule che al crescere della pressione e del raggio occorre aumentare lo spessore del recipiente affinché la tensione effettiva non superi la tensione ammissibile. Quando lo spessore non è più trascurabile rispetto al raggio, le formule sopra menzionate non sono più abbastanza precise, quindi è necessario valutare lo stato di tensione in ogni punto del recipiente. Si può dimostrare che in un recipiente di grande spessore, con pressione interna maggiore di quella esterna, la tensione varia parabolicamente nello spessore del recipiente e la regione più sollecitata è quella interna, a contatto con il fluido. Fissato il raggio interno del recipiente, non è conveniente, dal punto di vista economico, aumentare lo spessore oltre un certo limite, per le difficoltà ed i costi che si presentano nella costruzione di recipienti di forte spessore. Per questo motivo, per la costruzione di recipienti a pressioni molto alte, vengono adottate soluzioni costruttive particolari.

                                     

2. Requisiti costruttivi di recipienti a pressione

Tutte le normative per recipienti a pressione, pur essendo diverse per quel che riguarda i particolari, concordano su alcuni requisiti relativi alla costruzione dei recipienti stessi:

  • uso di procedimenti di costruzione qualificati e verificati
  • uso di materiali di origine controllata e certificata
  • effettuazione di controlli distruttivi e non distruttivi prima della messa in esercizio del recipiente

Il primo requisito viene dalla rilevanza che ha la sollecitazione ammissibile, e la costanza di questo parametro, nella sicurezza di progetto del recipiente.

Il secondo requisito viene dal fatto che, salvo limitate eccezioni, i recipienti a pressione sono costruiti per saldatura di lamiere, quindi è necessario garantire che la presenza di giunti saldati non deprima le caratteristiche meccaniche del materiale base, e, nel caso di recipienti soggetti ad ambiente aggressivo, che non rappresenti un punto debole nei confronti della corrosione.

Infine le verifiche ed i controlli servono a garantire che la qualità del recipiente sia quella richiesta dalle normative.

                                     

3.1. Accorgimenti costruttivi per recipienti ad alte pressioni Autoforzatura per plasticizzazione

Una volta costruito il recipiente, prima di metterlo in esercizio, lo si sottopone ad una pressione interna, che deve essere opportunamente determinata, più elevata di quella di esercizio. In tal modo linterno della parete si plasticizza, ovvero esce dal proprio campo di elasticità e resta permanentemente deformato. Per effetto della plasticizzazione, nel materiale permane uno stato di tensione anche quando esso non è sollecitato dalla pressione. Questo stato di tensione è benefico perché si oppone a quello dovuto alla pressione, migliorando quindi la resistenza del recipiente.

                                     

3.2. Accorgimenti costruttivi per recipienti ad alte pressioni Recipienti multi-strato

Anziché realizzare un recipiente cilindrico con ununica parete deputata a resistere alla pressione, si può realizzare un recipiente multi-strato. Questo consiste di due o più recipienti cilindrici concentrici. Per migliorare lo stato di tensione i cilindri devono essere montati con interferenza, ovvero il cilindro interno deve essere più grande della cavità del cilindro esterno. Ovviamente sarebbe impossibile accoppiare i due cilindri a temperatura ambiente. Occorre quindi scaldare il cilindro esterno fino a quando esso si dilata a sufficienza per permettere linserimento del cilindro interno. Dopo laccoppiamento, il raffreddamento tende a riportare il cilindro esterno alle dimensioni originarie e quindi a comprimere il cilindro interno vedi figura. Lo stato di tensione dovuto alla compressione è opposto a quello indotto dal fluido in pressione durante lesercizio e quindi migliora la resistenza del recipiente. Questo accorgimento costruttivo è particolarmente benefico per recipienti che contengono fluidi chimicamente aggressivi. Infatti in tal caso è necessario che il solo strato interno, e non lintero recipiente, sia costruito con un materiale speciale.



                                     

3.3. Accorgimenti costruttivi per recipienti ad alte pressioni Recipienti fasciati

I recipienti fasciati sfruttano lo stesso principio dei recipienti multi-strato, ma sono più semplici. Il recipiente è costituito da un unico cilindro, sulla cui parete esterna sono avvolti alcuni nastri che comprimono il cilindro. Anche in questo caso i nastri sono avvolti e fissati a caldo. La compressione avviene a seguito del raffreddamento e genera uno stato di tensione favorevole per la resistenza del cilindro alla pressione interna.

                                     

4. Analisi delle sollecitazioni di recipienti in pressione

Lanalisi delle sollecitazioni è la fase fondamentale nella valutazione della sicurezza progettuale dei recipienti in pressione. La prima normativa che ha imposto la verifica di componenti con lanalisi delle sollecitazioni è stata ASME Boiler and Pressure Vessel Code Sez. III Nuclear Vessels - 1969.

                                     

4.1. Analisi delle sollecitazioni di recipienti in pressione Origine delle sollecitazioni

Le sollecitazioni in un corpo sottoposto a carichi e vincoli esterni possono essere dovute a due cause:

  • Sollecitazioni di congruenza dovute alla necessità di rispettare i vincoli esterni ed interni della struttura.
  • Sollecitazioni di equilibrio dovute alla necessità di soddisfare le condizioni di equilibrio per il sistema dei carichi esterni.

Le sollecitazioni di equilibrio sono quelle legate direttamente ai carichi meccanici es. lo sforzo normale dovuto ad una forza di trazione esterna su una barretta prismatica. Queste sollecitazioni sono indipendenti dal materiale della struttura quindi non esistono meccanismi interni di limitazione.

Le sollecitazioni di congruenza sono legate alla geometria del corpo ed al sistema di vincoli esterni, es. le sollecitazioni che si generano allattacco fra un fondo emisferico ed un fasciame cilindrico in un recipiente a pressione, quindi sono diverse a seconda della rigidezza delle strutture. Questo comporta che, aumentando le deformazioni della struttura, ed in particolare se una parte della struttura supera il limite di elasticità, queste sollecitazioni vengono limitate al limite plastico del materiale.

In alcuni casi sia le sollecitazioni di equilibrio sia le sollecitazioni di congruenza possono avere un distribuzione che porta ad un sensibile aumento di sollecitazione in un volume estremamente ridotto del materiale es. le sollecitazioni in prossimità di un intaglio geometrico. Queste sollecitazioni hanno la caratteristica di non essere legate a deformazioni diffuse nella struttura.



                                     

4.2. Analisi delle sollecitazioni di recipienti in pressione Classificazione delle sollecitazioni

Il codice ASME Boiler and Pressure Vessels fornisce una classificazione delle sollecitazioni, imponendo limiti diversi per le diverse categorie. In questa categorizzazione, data lapplicazione particolare per cui è stata studiata, sono presenti alcune ipotesi che non sempre possono essere estrapolate ad altri tipi di struttura.

  • Sollecitazioni primarie di flessione P b sono la parte di sollecitazione variabile nello spessore del recipiente. Limitando queste sollecitazioni si vuole limitare il rischio di una plasticizzazione completa della sezione, considerando che il rapporto fra il carico che provoca il primo snervamento della sezione ed il carico che porta alla completa plasticizzazione della sezione stessa cerniera plastica è una costante dipendente solo dalla geometria della sezione stessa k, il limite per le sollecitazioni di membrana e flessione P m +P b è dato da k*S m, per i recipienti a pressione si assume il k di una sezione rettangolare, cioè 1.5.
  • Sollecitazioni primarie di membrana P m sono le sollecitazioni dovute a carichi esterni medie nello spessore del recipiente, lontano da discontinuità. In altri termini, supponendo che lo spessore del recipiente sia infinitesimo rispetto al raggio di curvatura da qui il nome "di membrana" sono le sollecitazioni richieste per lequilibrio delle forze esterne agenti. Ovviamente nel caso dei recipienti a pressione queste sollecitazioni devono essere limitate a valori sufficientemente distanti dal limite imposto al materiale, che può essere sia il limite di snervamento, sia il limite di rottura. Per ogni materiale e per ogni temperatura a cui può operare, il codice ASME fornisce il valore a cui sono limitate queste sollecitazioni S m.
  • Sollecitazioni di picco F sono quelle sollecitazioni che si manifestano solo in volumi limitati di materiale, come in prossimità di intagli o allinterfaccia fra il materiale resistente del recipiente ed un rivestimento cladding. Queste sollecitazioni possono arrivare a valori nominali molto elevati, ma non portano, in condizioni di esercizio normale, ad un collasso immediato della struttura. Quindi le sollecitazioni di picco sono verificate tramite unanalisi a fatica. Nelle norme ASME vengono fornite una serie di curve per le classi di materiali utilizzati per i recipienti, curve che rappresentano linviluppo delle curve limite dei vari tipi di cicli affaticanti. In queste curve sono già inseriti i fattori di sicurezza sia per cicli sia per sollecitazioni, quindi possono essere confrontate direttamente con le sollecitazioni ottenute dal calcolo.
  • Sollecitazioni secondarie Q sono le sollecitazioni di congruenza vere e proprie, dovute principalmente alle differenze di temperatura fra le varie sezioni del recipiente e, soprattutto, alle differenze di temperatura fra la faccia interna e quella esterna del recipiente. Queste sollecitazioni non possono portare al collasso del componente, nel caso di componenti realizzati con materiali che abbiano un comportamento elasto-plastico, dato che sono limitate dalla sollecitazione di snervamento. Inoltre, se queste sollecitazioni avvengono su un materiale ideale perfettamente plastico se la deformazione imposta è inferiore al doppio della sollecitazione che si ha al limite elastico, si può dimostrare che avviene il fenomeno detto shakedown, cioè che, dopo un numero limitato di cicli, la deformazione si stabilizza senza aumentare nel corso della vita del componente. Questo limite viene imposto limitando la massima variazione di sollecitazione se calcolata supponendo il materiale perfettamente elastico a 3*S m.
  • Sollecitazioni primarie locali P L queste sollecitazioni sono le sollecitazioni dovute a carichi meccanici che si generano in presenza di bruschi cambiamenti geometrici nel recipiente a pressione tipicamente allattacco fra il fasciame cilindrico ed i fondi curvi ed allattacco dei bocchelli. Queste sollecitazioni, essendo dovute alla necessità di continuità della struttura deformata, hanno le caratteristiche di sollecitazioni di congruenza, quindi non possono superare il limite di snervamento del materiale. Tuttavia, data la loro origine tipicamente meccanica, sono soggette a limiti più restrittivi delle sollecitazioni secondarie. In pratica sono sempre sollecitazioni mediate nello spessore di membrana, e sono limitate a 1.5*S m. In questo modo viene garantita una plasticizzazione solo ai bordi estremi della sezione.

Nella discussione della voce analisi delle sollecitazioni ASME è riportato un esempio di analisi delle sollecitazioni per un recipiente a pressione.

                                     

4.3. Analisi delle sollecitazioni di recipienti in pressione Pressione massima teorica per recipienti cilindrici

La pressione interna massima teorica che può essere sostenuta da un recipiente cilindrico è uguale alla sollecitazione limite che si impone al materiale per sollecitazioni flessionali. Infatti la sollecitazione al lembo interno di un recipiente cilindrico soggetto a pressione interna è data da:

σ = p R 2 + r 2 R 2 − r 2 {\displaystyle \sigma =p\left{\frac {R^{2}+r^{2}}{R^{2}-r^{2}}}\right}

dove σ è la sollecitazione circonferenziale sul recipiente componente massima delle sollecitazioni principali, p è la pressione agente, R è il raggio esterno del recipiente e r è il raggio interno del recipiente. Quindi, se si impone una certa σ massima e si vuole calcolare R in funzione della pressione lasciando r costante si ha:

R 2 = r 2 σ + p σ − p {\displaystyle R^{2}=r^{2}\left{\frac {\sigma +p}{\sigma -p}}\right}

Come si vede questo significa che per p → σ R → ∞, mentre per p > σ non esistono soluzioni reali per R.