Calcolo strutturale recipiente in pressione. Recipienti in pressione, legislazione.

Recipienti in pressione, legislazione.

Calcolo strutturale recipiente in pressione.

Gli Stati membri dell'Unione Europea adottano tutte le disposizioni utili affinché i recipienti in pressione possano essere immessi sul mercato e utilizzati soltanto se non compromettono la sicurezza delle persone, degli animali domestici o dei beni, in caso di installazione, di manutenzione adeguata e di impiego conforme alla loro destinazione. Il Regio Decreto numero 824 del 12 maggio 1927, è stato la prima norma di certificazione relativa agli apparecchi a pressione all'interno della quale venivano definite le principali regole da seguire come l'impiego della ghisa nei recipienti a vapore e calcolo delle parti di apparecchi a pressione, impiego della saldatura autogena nella costruzione e riparazione di apparecchi a pressione, regole da seguire per la costruzione ed esercizio degli apparecchi destinati a generare e contenere gas acetilene sotto pressione. L'evoluzione tecnologica nel campo delle attrezzature a pressione portò ad un primo aggiornamento del regio decreto numero 824 tramite il D.M. 21 Novembre 1972. Il decreto contiene disposizione per il calcolo delle varie parti degli apparecchi in pressione, disposizioni per l'impiego dei materiali nella costruzione e riparazione degli apparecchi a pressione, disposizioni per l'impiego della saldatura nella costruzione e riparazione degli apparecchi a pressione. Dal decreto ministeriale del 21 novembre 1972 sono state tratte le norme contenute nelle raccolte VSR, VSG, M, S: VSR"Verifica della stabilità dei recipienti a pressione". VSG "Verifica della stabilità dei generatori di vapore d'acqua". M "Impiego dei materiali nella costruzione e riparazione degli apparecchi a pressione". S "Impiego della saldatura nella costruzione e riparazione degli apparecchi a pressione".

Nell'ambito della Comunità Europea l'esigenza di realizzare leggi di carattere generale che non fossero destinate a diventare, col passare del tempo, obsolete e ad ostacolare lo sviluppo tecnologico del settore, portò, attraverso la risoluzione del Consiglio della Comunità Europea del 7/5/1985, ad un nuovo orientamento. Il nuovo approccio causò la realizzazione di una serie di direttive "armonizzate" caratterizzate da una maggiore flessibilità e volte a favorire il libero mercato di persone, beni e servizi, all'interno della Comunità stessa. In questo modo si evitò il diffondersi di direttive miranti a prodotti specifici, conferendo quindi, una maggiore omogeneità a tutto il contesto tecnico-legislativo europeo.

Il nuovo orientamento trova applicazione nel settore delle attrezzature a pressione tramite la direttiva 87/404/CEE relativa ai "Recipienti Semplici a pressione". La direttiva definisce semplici i recipienti, attrezzature e parti di essi in pressione quando la pressione massima di esercizio del recipiente è inferiore o pari a 30 bar e il prodotto di tale pressione per la capacità del recipiente (PS . V ) raggiunge al massimo 10 000 bar . litro, inoltre la temperatura minima di esercizio non deve essere inferiore a - 50 ° C e la temperatura massima di esercizio non deve essere superiore a 300 ° C per l'acciaio e 100 ° C per l'alluminio o lega di alluminio. Restano invariati i criteri di progettazione e fabbricazione, a livello nazionale, restando quelli specificati nelle raccolte VSR, VSG, M, S, mentre le procedure di certificazione si mantengono aderenti a quelle precedentemente in uso presso le singole nazioni. Un sostanziale cambio si è avuto con la direttiva 97/23/CE attuata in Italia con il decreto legislativo numero 93 del 25 febbraio 2000, nota anche come direttiva PED (Pressure Equipment Directive) relativa alla progettazione, fabbricazione e valutazione di conformità di recipienti ed attrezzature (e parti di essi) in pressione non semplici, sottoposti ad una pressione relativa maggiore di 0,5 bar. Nella direttiva 97/23/CE sono considerati attrezzatura a pressione: "recipienti, tubazioni, accessori di sicurezza e accessori a pressione ivi compresi gli elementi annessi a parti pressurizzate quali flange, raccordi, manicotti, supporti e alette mobili". Dalla direttiva risultano invece escluse, in generale, tutte le apparecchiature per cui la pressione non costituisce un fattore di rischio, oltre a pompe, compressori, turbine, motori a combustione interna e a quelle già coperte da altre direttive di prodotto (direttiva sui recipienti semplici a pressione, Direttiva Macchine, Bassa Tensione, Ascensori, etc.).

L'aspetto principale che caratterizza questa direttiva è la classificazione degli apparecchi a pressione in quattro categorie di rischio definite in base alla tipologia (recipiente a pressione, generatore di vapore, tubazioni), all'energia contenuta in essi sotto forma di pressione, al volume e fluido utilizzato. Attraverso il ricorso a 9 diagrammi viene definita la categoria di classificazione dell'apparecchiatura e, conseguentemente, vengono proposte differenti procedure (13 "moduli") con cui il fabbricante può affrontare la valutazione di conformità ai requisiti essenziali di sicurezza contemplati all'interno della direttiva. La direttiva 87/404/CEE del 25 giugno 1987, adottata con l'obbiettivo di ravvicinare le legislazioni degli Stati membri in materia di recipienti semplici a pressione, ha subito nei successivi due decenni diverse e sostanziali modificazioni causate dalla evoluzione tecnologica, dall'aumento della sicurezza richiesto per un più largo consumo degli apparati in pressione, rendendosi necessaria una codifica per razionalizzare le sostanziali modifiche tramite la direttiva 2009-105-CE, relativa ai recipienti semplici a pressione successivamente abrogata dalla direttiva 2014/29/UE concernente l'armonizzazione delle legislazioni degli Stati Membri relative alla messa a disposizione sul mercato di recipienti semplici a pressione. La direttiva 2014/29/UE viene adottata in Italia tramite il decreto legge numero 82 del 19 maggio 2016.

Anche la direttiva 97/23/CE per i recipienti ed attrezzature in pressione (non semplici) ha subito sostanziali modifiche fino all'anno 2014, anno in cui il Parlamento Europeo del Consiglio effettua una rifusione della medesima normativa e relative modifiche tramite l'adozione della direttiva 2014/68/UE per motivi di chiarezza, adottata in Italia con il decreto legge numero 26 del 15 febbraio 2016.

Nella progettazione dei recipienti in pressione, viene applicato il codice ASME "Boiler & Pressure Vessel Code". Esso nasce agli inizi del diciannovesimo secolo per iniziativa di un'istituzione privata (American Society of Mechanical Engineers), come frutto dell'esigenza di uniformare la legislazione di molti degli Stati della confederazione Americana in materia di apparecchi in pressione (soprattutto caldaie). Ad oggi, è utilizzato in oltre 100 paesi oltre gli Stati Uniti e Canada esso rappresenta lo standard mondiale più diffuso per quanto riguarda il calcolo di sicurezza dei recipienti in pressione. Il Codice ASME è diviso in dodici sezioni e ciascuno di essi, si occupano di aree particolari. Cinque sezioni del Codice ASME interessano gli apparati in pressione, recipienti in pressione:

1. Sezione I - caldaie di potenza: fornisce i requisiti per tutti i metodi di costruzione per caldaie di potenza e caldaie in miniatura, caldaie ad acqua ad alta temperatura utilizzate in servizio fisso e le caldaie di potenza utilizzate in locomotiva, portatile e servizio di trazione.

2. Sezione II - Materiali: è diviso in quattro parti: la parte A: materiale ferroso, specifiche - qualità, la composizione chimica, le previsioni di trazione, ecc. La Parte B: materiale non ferrosi, specifiche. La Parte C: specifiche di bacchette per saldatura, elettrodi e filler metalli. La Parte D: le proprietà dei materiali ferrosi.

3. Sezione V - Esame non distruttivo: determina le regole e le procedure per tutti i controlli non distruttivi: radiografico, ultrasonico, liquido penetrante, particelle magnetiche e test di perdita.

4. Sezione VIII - Recipienti a pressione: è suddivisa in tre divisioni: Division 1 - Fornisce requisiti applicabili alla progettazione, fabbricazione, ispezione, collaudo, e la certificazione di recipienti a pressione che funzionano a pressioni interne o esterne superiore a 15 psi. Divisione 2 - regole alternative, fornisce i requisiti applicabili alla progettazione, fabbricazione, ispezione, test e certificazione di apparecchi a pressione che funzionano a pressioni interne o esterne superiori 15 psi, Tuttavia, i valori di intensità più elevata delle sollecitazione di progetto sono ammessi. Division 3 - regole alternative per la costruzione in navi ad alta pressione, fornisce i requisiti applicabili alla progettazione, alla fabbricazione, all'ispezione, al collaudo e alla certificazione dei recipienti a pressione funzionanti a pressione interna o pressioni esterne generalmente sopra 10.000 psi.

5. Sezione IX - Saldatura e brasatura qualifiche: fornisce requisiti per procedure Qualifiche, la qualificazione di saldatori, operatori di saldatura e procedure di brasatura, saldatrici, brasature e operatori di saldatura e brasatura.

Nell'appendice abbiamo effettuato un calcolo di dimensionamento di un recipiente in pressione applicando l'approccio DBA previsto dalla normativa EN 13445 e nel rispetto delle normative armonizzate CE, con particolare riferimento alla direttiva 2015/68/UE che esclude la possibilità di applicazione di un metodo di progetto sperimentale e quindi senza calcoli per il dimensionamento, in applicazione dell'allegato 1 requisiti essenziali di sicurezza della medesima direttiva ai punti 2, 2.2.1, 2.1.1 e punto 2.2.2.

APPENDICE.

Recipiente in pressione.

Nel progetto di dimensionamento del recipiente in pressione vanno considerate le condizioni di carico più comuni:

·        pressione interna ed esterna, peso proprio, azioni trasmesse dal peso di eventuali equipaggiamenti: macchine, componenti interne (internals), azioni trasmesse dal moto del recipiente,

·        supporti, azioni cicliche e dinamiche prodotte da variazioni di pressione e temperatura, vento, neve,

·        azioni impulsive, come quelle dovute al “colpo d’ariete” (è un fenomeno idraulico che si presenta in una condotta quando un flusso di liquido in movimento al suo interno viene bruscamente fermato dalla repentina chiusura di una valvola oppure quando una condotta  chiusa e in pressione viene aperta repentinamente),

·    gradienti di temperatura ed espansione termica differenziale, prova di pressurizzazione.

·        È comunque responsabilità del produttore individuare tutte le azioni che è possibile ritenere agiranno durante la vita operativa, che possano risultare rilevanti ai fini della sicurezza,

·        incluse quelle derivanti da eventuali usi erronei ragionevolmente prevedibili dell’attrezzatura stessa.

Molto spesso il componente in pressione include delle giunzioni saldate, la cui presenza tende a ridurre i valori di tensione ammissibile del componente stesso tramite un coefficiente detto “efficienza” della saldatura.

L’efficienza della saldatura dipende, in generale, dai seguenti fattori: tipologia di saldatura (di testa a p.p., d’angolo, etc.), controlli NDE o NDT (“Non Destructive Examination” o “Non Destructive Testing”, es. US, X-ray, etc.)

dopo le saldature, vanno valutati gli spessori dei pezzi saldati, le temperature di esercizio, tipologia di materiale base.

Le condizioni di funzionamento determinano il coefficiente di sicurezza da adottare e possono indurre variazioni nel calcolo strutturale con variazioni.

Direttiva PED, Pressure Equipment Directive, normative per la progettazione dei recipienti in pressione

La direttiva PED rimanda, per la progettazione e costruzione degli apparecchi a  pressione, alle Norme Armonizzate (ad es. EN 13445); si intende che i requisiti  di sicurezza della PED sono ritenuti soddisfatti se si ottempera ai requisiti di  progettazione e costruzione della EN 13445.

·        Categoria I: nella quale ricadono le apparecchiature meno pericolose, è  prevista la certificazione CE in base ad «autocertificazione» del fabbricante.

·        Categoria II: è obbligatoria la certificazione CE tramite un organismo notificato, che senza entrare nel merito della progettazione, provvede ad effettuare la sorveglianza della produzione, nelle modalità scelte dal fabbricante;

·        Categoria III: è obbligatoria la certificazione CE tramite un organismo  notificato. Qualora il fabbricante non avesse certificato anche il suo sistema  qualità, inclusa la progettazione, è prevista anche l’esecuzione di prove  approfondite sul prototipo da certificare CE;

·        Categoria IV: si richiede il massimo livello di controllo della progettazione e  della produzione. 

Metodi per il dimensionamento utilizzati nel progetto

·        Design by Formulas (DBF): il dimensionamento e la verifica del recipiente  sono basati su   relazioni pre‐confezionate (formulas) ideate per coprire,  con adeguati  coefficienti di sicurezza, tutte le principali situazioni che si è  soliti incontrare  nel progetto di un recipiente in pressione; le formule sono  solitamente basate su modelli semplici o semi‐empirici non molto accurati,  per cui i coefficienti di sicurezza tendono ad essere più elevati.

·        Design by Analysis   (DBA): il dimensionamento e la verifica del recipiente  sono basati su analisi accurate dell’effettivo stato di tensione, solitamente  ottenibile solo con  medelli basati sul Finite Element Method (FEM).  L’approccio DBA si rende necessario per i casi non coperti dalle relazioni  relative al metodo DBF, ma viene impiegato anche in alternativa a  questo ultimo, salvo i casi in cui i modelli analitici semplici sono sufficienti. Fornendo l’approccio DBA una maggiore accuratezza dell’analisi per tanto i coefficienti di  sicurezza impiegati tendono ad essere più bassi.

Principali normative utilizzate per la progettazione dei recipienti in pressione

• ASME VIII

Div. 1 – Approccio DBF

Div. 2 – Approccio DBF+DBA

• EN 13445 – Approccio DBF+DBA

Criteri di verifica per la sicurezza strutturale:

Le diverse normative differiscono tra loro per il criterio di verifica adottato per il calcolo della sigma equivalente definita come nel presente calcolo:

ASME VIII - Div. 1 (DBF) : Criterio di Lamé (max. tensione normale)

 utilizzato per i materiali poco duttili.

ASME VIII - Div. 2 (DBF) : Criterio di Tresca (max. tensione tangenziale)

 

Dove  che nel presente pubblicazione è . Criterio utilizzato per i materiali duttili.

ASME VIII - Div. 2 (DBA) : Criterio di Von Mises (energia di distorsione)

Dove con si ottiene   rispetto al criterio di Tresca viene utilizzata una approssimazione per eccesso nel

calcolo di . Il criterio di verifica di Von Mises veine utlizzato per i materiali duttili.

EN13445 (DBF+DBA) : Criterio di Tresca (max. tensione tangenziale)

 

Dove  che nel presente calcolo progettuale è . Criterio utilizzato per i materiali duttili.

-------------------------------------------------------------------------------

Dimensionamento del recipiente in pressione nella vista laterale sotto riportata.

 

Il recipiente ha una configurazione cilindrica avente diametro interno D = 2100 mm è chiuso con fondi semisferici, esso è sistemato su due selle A e B poste ad una distanza LAB = 7000 mm e fuoriesce di una lunghezza L0 = 2000 mm da entrambi i lati. Contiene un gas liquefatto alla pressione p= 5 bar. La massa volumica del liquido è ρ= 0,80 kg/dm3. Viene effettuato il calcolo di progetto per il dimensionare dello spessore del mantello e dei fondi ipotizzando che il grado di sicurezza sia almeno 2.

Dati materiale  = 570         = 250 

La dovrà esserel’utimo valore prima della rottura quindi al massimo uguale a .

Calcolo della tensione ammissibile.

Essendo il grado di sicurezza non inferiore a 2 si ha che il coefficiente di sicurezza γ è pari a 2 per cui la tensione ammissibile risulta essere:

Calcolo pressione

Viene individuato il punto di maggiore sollecitazione

In una qualunque sezione del cilindro, nel punto C la pressione risulta essere:

   

Nel punto D alla pressione di sopra va sommata la pressione dovuta al peso del fluido:

Dimensionamento del mantello cilindrico

In un recipiente in pressione a pareti sottili le tensioni si possono calcolare con le relazioni che seguono

                     

Il calcolo sarà effettuato facendo riferimento alla pressione esistente sul fondo, ovvero la pressione ,  utilizzando il metodo di Tresca quale criterio di verifica per la sicurezza strutturale, si ottiene:

Nel presente dimensionamento la tensione minima è  mentre la tensione massima è 

per il calcolo dello spessore si utilizza l’equazione di stabilità strutturale

Dove   e sostituendo si ha

 

da cui si ricava lo spessore che risulta essere:

essendo il raggio la metà del diametro pari a 1050 mm, sostituendo si ottiene

per tanto risulta adeguata la scelta di uno spessore pari a 5 mm dell’applicazione della direttiva 2014/29/UE che abroga la direttiva 2009/105/CE razionalizzazione della direttiva CE 404/1987 adottata in Italia con il decreto legislativo numero 82 del 19 maggio 2016, per la presenza a realizzazione del recipiente di saldature longitudinali realizzate con un procedimento di saldatura non automatico, lo spessore viene moltiplicato per il coefficiente 1,15. Avendo, il recipiente in pressione un volare del prodotto pressione massima di esercizio per il volume superiore a 6000 bar ^. litro potrà essere realizzato a seguito progetto in cui viene calcolato lo spessore delle parti in pressione in applicazione della direttiva 2014/68/UE (adottata in Italia con decreto legge numero 26 del 15 febbraio 2016) che esclude la possibilità di applicare il metodo sperimentale (senza calcolo) che determinerebbe lo spessore in modo da permettere al recipiente di resistere, a temperatura ambiente, a una pressione uguale almeno a 5 volte la pressione massima di lavoro, con una deformazione circonferenziale permanente non oltre l’1%. Va osservato che il progetto calcolo strutturale, obbligo imposto dalla direttiva, eseguito da tecnico autorizzato (ingegnere abilitato) consente di ottenere un notevole risparmio di materiale nel rispetto dei requisiti massimi di sicurezza necessari.  

s = 5 mm

Dimensionamento fondi semisferici

In questo caso le relazioni per il calcolo delle tensioni sono:

                     

Applicando il criterio di Tresca per la verifica della sicurezza strutturale, si ottiene:

Da cui si ricava lo spessore che risulta pari a

il calcolo determina una scelta per lo spessore per i fondi semisferici pari a 2 mm.

Trattandosi di un recipiente a pareti sottili verrà utilizzato lo stesso spessore sia per i fondi che per il mantello e pari a S = 5 mm.

Nota:

Nella realizzazione dei recipienti in pressione a pareti non sottili, in assenza di vincoli strutturali viene scelto il fondo semisferico perché comporta una riduzione di metallo utilizzato potendo avere uno spessore più sottile del mantello fino alla metà; scelta che non viene utilizzata per i recipienti in pressione a pareti sottili dove si utilizza lo stesso spessore sia per il mantello che per i fondi semisferici. Da considerare che il metallo di 4 – 5 millimetri rappresenta lo spessore maggiormente utilizzato per la realizzazione dei recipienti in pressione a forma cilindrica nella pratica. Quando vincoli strutturali non consentono l’adozione di utilizzare fondi sferici, ad esempio richiedono l’utilizzo di fondi piani lo spessore da utilizzare per i fondi è circa tre volte maggiore dello spessore del mantello.

Azione del peso del fluido e del recipiente.

I pesi del fluido e del mantello operano come un carico continuo q che però risulta costante nella zona cilindrica, ma variabile nei due fondi.

  

 

Il volume di un segmento sferico, proporzionale al peso, è dato dalla relazione

il cui andamento è riportato nel grafico.

Ipotizzando i fondi come il cilindrico si ottiene un aumento della sicurezza progettuale oltre una semplificazione dei calcoli, per cui il serbatoio diventa un cilindro con una lunghezza Lt = 11 mm con diametro interno Di = 2100 mm e diametro esterno De = 2110 mm.

Il volume del fluido risulta essere:

Il relativo peso è:

dividendo il peso totale del fluido per la lunghezza totale si ottiene il carico continuo equivalente:

Il peso del mantello è:

il carico totale è la somma dei due pesi:

dividendo il peso totale per la lunghezza totale si ottiene il carico continuo equivalente:

Il sistema ai fini del calcolo strutturale viene schematizzato come una trave appoggiata con un carico continuo:

Il diagramma del momento risulta essere:

 

Calcolo delle tensioni

La sezione più sollecitata viene individuata calcolando il momento dove raggiunge la massima intensità, nelle sezioni A e B ed in quella di mezzeria che chiamiamo E.

Nelle sezioni A e B, per la simmetria del sistema, i momenti assumono la stessa intensità:

Nella sezione E si calcola:

Per calcolare la tensione massima indicata con  viene calcolato il modulo di resistenza a flessione costante in tutta la sezione:

Essendo il momento flettente massimo nella sezione E in modulo è possibile calcolare la tensione massima tramite il calcolo sotto riportato:

     

Lo stato tensionale nella sezione è rappresentato nella figura rossa, dove nel punto A genera una compressione massima di valore e nel punto B una trazione di valore .

Calcolando ora la tensione , la tensione massima generata dalla pressione del fluido si ottiene:

Per tanto nel punto B si ha una tensione massima  (sigma mantello cilindrico) calcolata come segue:

Il progetto di dimensionamento del recipiente in pressione si considera concluso perché applicando ilcriterio di Tresca

la tensione ideale risultante  risulta essere inferiore alla tensione di scorrimento, limite oltre il quale nel metallo inizia lo scorrimento plastico ovvero deformazione plastica che precede la rottura; la sigma limite è stata indicata con sigma definita come tensione di rottura.

Lo spessore S pari a 5 mm risulta essere lo spessore per cui il recipiente in pressione a pareti cilindriche e fondi semisferici rispetta i requisiti di sicurezza di progetto (condizioni di funzionamento, pressione massima di esercizio, temperatura massima e minima di esercizio, ….).

ALLEGATI: Regio Decreto n. 824 del 12 maggio 1927 - copy | Decreto Ministeriale 21-11-1972, norme per la costruzione degli apparecchi a pressione - copy | Decreto Ministeriale del 21 maggio 1974, norme integrative del R.D.824-27 - copy | Direttiva CE 404 del 25-06-1987, recipienti in pressione semplici - copy | DIRETTIVA 97-23-CE recipienti in pressione - copy | Decreto Legislativo numero 93 del 25 febbraio 2000 - copy | DIRETTIVA 2009-105-CE, recipienti semplici a pressione - copy | DIRETTIVA 29-2014 UE, mercato di recipienti semplici a pressione - copy | Decreto Legislativo numero 82 del 19 maggio 2016 - copy | DIRETTIVA 2014-68-UE, attrezzature a pressione - copy | Decreto Legslativo numero 26 del 15 febbraio 2016 - copy | EN 13445, Unfired pressure vessels, Background to the rules in Part 3, Design - copy | Appunti del Corso Costruzione di Meccaniche, Porf. ing. A. De Iorio, Università di Ingegneria, Federico II, Napoli, Italy |