Vettori caldi: perché è importante studiare gli staffaggi in fase di progettazione

In molti casi gli impianti industriali sono interessati dal trasporto di fluidi o gas ad alte temperature che cambiano anche nelle diverse fasi di esercizio dell’impianto o della produzione. In altri casi le tubazioni sono esposte a diverse condizioni climatiche. In entrambi i casi è possibile che una tubazione metallica subisca degli allungamenti dovuti alle variazioni di temperatura. Diventa quindi fondamentale studiare le eventuali espansioni della tubazione e le conseguenti forze applicate ai supporti.

Come fare a definire le espansioni termiche?

L’espansione termica è definita come la variazione di lunghezza di una tubazione che subisce una certa differenza di temperatura, dove questa differenza di temperatura è la differenza tra quella di esercizio e quella di montaggio. L’espansione termica in questo caso dipenderà da tre fattori:

• Lunghezza della tubazione a temperatura ambiente
• Coefficiente di dilatazione termica del materiale della tubazione
• Variazione di temperatura dalla temperatura di esercizio alla temperatura ambiente

Cosa può accedere nel caso di espansioni di tubazioni incontrollate?
Gli impianti interagiscono con le strutture e con gli elementi di supporto, e per questo è importante studiare e controllare le espansioni in modo da non danneggiare l’impianto stesso, gli impianti adiacenti e le strutture a cui l’impianto è collegato.
Immaginiamo di avere una tubazione che è sostenuta solo per resistere ai carichi verticali gravitazionali, e che questa tubazione sia soggetta a una certa variazione di temperatura ΔT che provoca un certo allungamento ΔL. Nel caso in cui l’espansione non venisse controllata, un effetto potrebbe essere quello rappresentato di seguito, ovvero uno spostamento in orizzontale che porta a un innalzamento della tubazione deformando anche i supporti statici e questo può provocare rotture degli elementi di giunzione della tubazione stessa in corrispondenza dei cambi di direzione, deformazione dei supporti e altri danni alla struttura.

Come fare a limitare i danni e controllare le deformazioni di una tubazione soggetta ad espansione termica?

È possibile evitare danni alle tubazioni o alle strutture a seguito di espansioni termiche andando a studiare l’impianto nella sua complessità, e valutando i punti fissi (dove il movimento viene impedito), i punti flessibili o le slitte (dove viene assecondato il movimento della tubazione in direzione assiale) ed infine le zone di compensazione.

Il principio è quello di ridurre o eliminare completamente le tensioni indotte per effetto termico nella tubazione, fissando quindi la tubazione in un punto (attraverso dei punti fissi) e compensando l’espansione attraverso elementi dedicati, che possono essere:

• Compensatori naturali: costituita da curve di tubazioni, un esempio sono i classici compensatori a lira o ad omega
• Compensatori artificiali: costituiti da elementi pre-industrializzati come compensatori a soffietto

Questo può essere effettuato nei 3 seguenti modi:

• Disporre un punto fisso da un lato della tubazione, e consentire l’espansione dall’altro lato attraverso un compensatore naturale o artificiale
• Disporre un punto fisso al centro della tubazione e consentire l’espansione sui due lati della tubazioni
• Disporre due punti fissi agli estremi della tubazione e consentire la compensazione al centro della tubazione

Dove prevedere i punti fissi?

Solitamente è una buona regola disporre un punto fisso al centro di una tratta rettilinea di una tubazione che abbia una lunghezza maggiore di 10 m, e conseguentemente definire la compensazione attraverso compensatori naturali e artificiali.

Proprio per questo è importante suddividere l’impianto in:

• Zona fissa (in prossimità dei punti fissi)
• Zona di espansione (compresa tra la zona fissa e la zona di compensazione)
• Zona di compensazione (in corrispondenza del compensatore naturale o artificiale)

Importante è considerare che nella zona di espansione bisogna considerare l’utilizzo di elementi che consentono il movimento della tubazione in direzione assiale nel tratto compreso tra la zona fissa e la zona di compensazione. Nella zona di espansione è necessario infatti sostenere staticamente la tubazione e permettere il movimento in direzione assiale attraverso delle slitte. Un esempio è riportato di seguito, dove gli elementi in rosso rappresentano i punti fissi (zona fissa), i supporti in nero sono nella zona di espansione, mentre l’elemento evidenziato in verde rappresenta il compensatore.

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