Analisi delle Tensioni
nelle Tubazioni —
Fondamentali e Pratica

I sistemi di tubazioni di processo sopportano molteplici carichi durante la vita operativa — pressione interna, peso proprio, dilatazione termica, vento e sisma. Questi carichi generano tensioni nella tubazione e forze alle estremità dei tratti che si trasmettono alle apparecchiature collegate. L'analisi delle tensioni nelle tubazioni verifica che le tensioni siano entro i limiti normativi e che i carichi sugli ugelli delle apparecchiature siano entro i limiti del costruttore.

Tre Categorie di Carichi secondo ASME B31.3

Carichi sostenuti (Sustained Loads): carichi permanenti — pressione interna (tensione circonferenziale e longitudinale) e peso (tubo, fluido, coibentazione). Limite di tensione sostenuta SL: SL = PD/4t + 0,75i·MA/Z ≤ Sh, dove Sh è la tensione ammissibile alla temperatura operativa, MA il momento flettente da carichi di peso e i il fattore di intensificazione delle tensioni.

Carichi da spostamento (Displacement Loads): dilatazione e contrazione termica, spostamenti imposti dagli ugelli delle apparecchiature. Hanno carattere auto-limitante — con la snervamento locale la tensione si rilassa. B31.3 usa un limite più permissivo per il range di tensioni da spostamento: SA = f(1,25Sc + 0,25Sh), dove f è il fattore di riduzione per cicli di carico ripetuti.

Carichi occasionali (Occasional Loads): vento, sisma, colpi d'ariete, spinta da scarico valvola di sicurezza. Limite: SL + SO ≤ 1,33Sh.

Dilatazione Termica e Flessibilità

La dilatazione termica è all'origine della maggior parte dei problemi di tensione nelle tubazioni. Il coefficiente di dilatazione lineare dell'acciaio al carbonio è circa 12 μm/(m·°C). Esempio: 50 m di tubazione in acciaio al carbonio da 20°C a 300°C: ΔL = 50 × 280 × 12 × 10⁻⁶ = 0,168 m = 168 mm.

Metodi per assorbire questa dilatazione:

• Flessibilità della tubazione (configurazioni a L, Z, U): il metodo più economico e affidabile. La tubazione si flette assorbendo la dilatazione senza elementi aggiuntivi
• Lira di dilatazione: tratto a U dedicato ad assorbire grandi dilatazioni assiali
• Giunto di dilatazione a soffietto: per spazi limitati, ma introduce problemi di tenuta e instabilità
• Supporti a molla: permettono spostamenti verticali mantenendo il supporto al peso

Fattore di Intensificazione delle Tensioni (i)

Nei gomiti, tee e raccordi, le discontinuità geometriche generano concentrazioni di tensione locali. B31.3 le considera con il fattore i: tensione reale = i × tensione nominale. Valori tipici: gomito a 90° (R = 1,5D): i ≈ 1,5÷2,0; tee di pari diametro (sul ramo): i ≈ 2,5÷3,5. I tee sono i punti più sollecitati di un sistema di tubazioni e richiedono attenzione prioritaria nell'analisi.

Carichi sugli Ugelli delle Apparecchiature

Questa è l'implicazione più importante dell'analisi delle tensioni: tutte le apparecchiature rotanti (pompe, compressori) e statiche (scambiatori, serbatoi) hanno limiti ammissibili per i carichi applicati dalla tubazione collegata. Il superamento di questi limiti causa:

• Disallineamento dell'albero e usura prematura dei cuscinetti per pompe e compressori
• Guasto della tenuta meccanica
• Tensioni locali eccessive nell'ugello di scambiatori e serbatoi

API 610 definisce i carichi ammissibili sugli ugelli delle pompe centrifughe. Soddisfare i limiti API 610 è spesso più difficile che rispettare i limiti di tensione del codice B31.3, richiedendo iterazioni sulla disposizione dei supporti e la progettazione delle lire.

Fatica su Diramazioni di Piccolo Diametro

La rottura per fatica indotta da vibrazione è la modalità di guasto più comune per le diramazioni di piccolo diametro (NPS 2 e inferiori) nelle tubazioni di processo. Scenario tipico: diramazione da NPS 12 principale a tubo NPS 1 per strumentazione, incastrata alla tubazione principale, con trasmettitore di pressione a sbalzo. Le vibrazioni della tubazione principale o i polsi della pompa eccitano la risonanza della diramazione con rottura della saldatura di attacco.

Misure preventive: supporto laterale indipendente della diramazione entro 300÷600 mm dalla tubazione principale; staffa di rinforzo laterale che collega la diramazione alla tubazione principale; supporto al capo libero (strumento).