Per un cliente del Nord Europa lo Studio Spizuoco Ingegneria ha eseguito l'analisi di flessibilità di diversi circuiti collegati a un serbatoio di stoccaggio GPL. La linea di carico presentata qui è la più istruttiva: in pochi metri di tubazione riunisce quasi tutti gli effetti che rendono impegnative le linee di serbatoio, e molti di questi richiedono scelte progettuali opposte.
- Ambito
- Analisi di flessibilità dei circuiti di un serbatoio di stoccaggio GPL
- Codice
- EN 13480-3 (tubazioni industriali metalliche)
- Software
- Hexagon CAESAR II, richiesto dal cliente
- Temperatura di esercizio
- −30 °C
- Temi principali
- Cedimento del serbatoio, contrazione del tetto, vibrazioni da flashing, derivazioni non rinforzate
Cedimento del serbatoio: componente permanente ed elastica
Come per ogni serbatoio di stoccaggio, il cedimento della fondazione va imposto alle tubazioni collegate. La difficoltà sta nei dati. Un valore di cedimento su un disegno del fornitore non dice quanta parte sia un abbassamento permanente della fondazione e quanta una deformazione elastica che segue il livello di riempimento. Le due componenti entrano nell'analisi in modo diverso: la parte permanente è uno spostamento singolo e non ripetuto, che la EN 13480-3 verifica con un proprio criterio; la parte elastica va e viene a ogni ciclo di riempimento e appartiene quindi al range ciclico delle tensioni da spostamento.
La ripartizione è stata concordata con il costruttore del serbatoio prima di fissare i casi di carico. È un piccolo investimento: considerare ciclico tutto il cedimento penalizza il progetto, considerarlo tutto permanente può nascondere un problema di fatica.
Contrazione termica del serbatoio e del tetto
A −30 °C il mantello del serbatoio si contrae radialmente e la struttura del tetto si contrae con esso. I supporti fissati al tetto vengono trascinati, quindi la tubazione non subisce un solo spostamento imposto ma la sovrapposizione di tre: contrazione termica, cedimento della fondazione e inflessione della struttura del tetto sotto carico. Ciascuno è stato calcolato o ottenuto dal fornitore e imposto ai supporti interessati e al bocchello del serbatoio, coerentemente con la condizione di esercizio analizzata.
La conseguenza pratica è che i primi supporti sul tetto non possono essere trattati come punti fissi nello spazio: farlo sottostimerebbe i carichi sul bocchello e le tensioni nelle prime curve.
Vibrazioni da flashing a valle della valvola di regolazione
Tra la valvola di regolazione di portata e il bocchello del serbatoio la pressione cala e il liquido può vaporizzare parzialmente, generando un flusso bifase che eccita la tubazione. La linea è stata quindi valutata con le Guidelines for the Avoidance of Vibration Induced Fatigue Failure in Process Pipework dell'Energy Institute, che forniscono un metodo di screening per questo meccanismo e per le connessioni di piccolo diametro più esposte.
Qui il problema progettuale diventa un vero compromesso. Le vibrazioni chiedono una linea rigida, con frequenze proprie elevate; contrazione termica e cedimento chiedono flessibilità. La disposizione dei supporti è stata sviluppata per vincolare le direzioni laterali in cui agiscono le vibrazioni lasciando la linea libera di seguire gli spostamenti termici e di cedimento — e ogni supporto è stato verificato come realizzabile sulla struttura del tetto. Quando è disponibile uno studio di processo multifase, il regime di moto si può quantificare e le forze di eccitazione possono entrare in un'analisi dinamica; in questo progetto l'approccio di screening è stato sufficiente.
Una derivazione non rinforzata ad alto SIF
La specifica di linea prevedeva derivazioni tubo-tubo non rinforzate, insieme a un collettore di spessore ridotto. Per questo tipo di raccordo il fattore di intensificazione delle tensioni cresce rapidamente al diminuire dello spessore del collettore, e si sono raggiunti valori vicini a 10. A quel livello è la derivazione, non le curve, a governare la linea: basta un momento flettente moderato per superare il range ammissibile.
Connessioni di questo tipo meritano una discussione esplicita con il cliente. Le opzioni sono un raccordo rinforzato o sagomato, un collettore più spesso, oppure una disposizione dei supporti che mantenga bassi i momenti sulla derivazione. L'analisi deve rendere visibile il problema, perché la decisione venga presa al livello giusto e non resti sepolta in una tabella di tensioni.
Punti chiave per le linee di serbatoi GPL e criogenici
- Concordare con il fornitore del serbatoio la parte permanente e quella elastica del cedimento prima di definire i casi di carico.
- I supporti sul tetto si muovono: imporre insieme contrazione, cedimento e inflessione del tetto.
- A valle delle valvole di regolazione, valutare le vibrazioni da flashing e vincolare solo le direzioni che lo richiedono.
- Controllare presto il SIF delle derivazioni non rinforzate: con collettori sottili può governare l'intera linea.
Risultato
Il risultato è stato una disposizione dei supporti rigida dove le vibrazioni lo richiedono e flessibile dove lo richiedono contrazione e cedimento, realizzabile sulla struttura del tetto e documentata in una relazione che il cliente ha potuto verificare punto per punto. Lo stesso approccio si applica con altri software e codici: lo studio lavora anche con Bentley AutoPIPE e secondo ASME B31.3.