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Corso di progettazione apparecchi a pressione e scambiatori di calore a Teramo

Il 21° corso di progettazione di apparecchi a pressione, organizzato da Sant’Ambrogio in collaborazione con l’Ordine degli Ingegneri della Provincia di Teramo si è tenuto all’Università degli Studi di TERAMO nel Maggio 2016.

Il corso si è svolto come al solito in 4 giornate. I contenuti del corso, aggiornati in base all’evoluzione della normativa, sono riportati di seguito:

Modulo 1 

NOZIONI GENERALI DI PROGETTAZIONE MECCANICA – L’intenzione di questo modulo è quello di chiarire, in linea generale, quali sono i principi ai quali si ispirano i più importanti codici di progettazione: in primo luogo quelli più usati in Italia (Raccolte ISPESL, norme ASME, EN 13445 e AD 2000), con particolare riferimento ai rischi che vanno necessariamente considerati dal progettista. Il collasso di un apparecchio a pressione può infatti avvenire con modalità assai diverse (eccesso di deformazione plastica, rottura fragile, instabilità dell’equilibrio, scorrimento viscoso, fatica, ecc.) a seconda del materiale e delle condizioni di servizio: molto spesso questi rischi vengono valutati in maniera differente nei diversi codici, ed è bene che il progettista abbia idee chiare su questo punto. Parleremo poi delle principali modalità di progettazione: quella mediante le formule (DBF=Design by Formulae), che resta (e resterà anche in futuro) la più facilmente praticabile, anche per la maggior certezza dei risultati; e quella mediante l’analisi numerica (DBA=Design by Analysis), della quale non si intende esporre la teoria (per questo sarebbe necessario un corso di parecchi giorni), ma semplicemente spiegare quali sono i metodi correntemente usati (analisi elastica seguita da categorizzazione delle sollecitazioni, analisi limite e analisi elastoplastica), evidenziando anche qui le differenze tra i vari codici, ma soprattutto insegnando a chi deve poi esaminare un calcolo eseguito da altri a valutare correttamente i risultati, al di là di quello che mostrano le eleganti figure colorate che solitamente accompagnano questi calcoli (ma che spesso sono fonte di gravissimi malintesi). Particolare attenzione verrà dedicata anche alla scelta dei materiali, soprattutto in funzione della temperatura di servizio. Si chiariranno poi alcuni concetti base, come quello di spessore minimo di calcolo e relative tolleranze, e di coefficiente di saldatura, e si parlerà del calcolo (anche qui diverso nei diversi codici) della pressione di prova.

Modulo 2 

(mattino) PROGETTAZIONE MECCANICA DI SERBATOI A PRESSIONE INTERNA ED ESTERNA – In questa sezione si esamineranno i calcoli dei principali componenti (fasciami cilindrici e sferici, fondi bombati, fondi conici, fondi piani e rinforzi di apertura a pressione interna ed esterna), puntando l’attenzione soprattutto sulle differenze tra un codice e l’altro, e spiegando, mediante esempi mirati, il diverso impatto economico di alcune soluzioni (raccordi tra coni e fasciami cilindrici, diverse tecniche usate per il rinforzo delle aperture); il tutto con esempi pratici miranti soprattutto ad abituare il progettista allo studio, con l’ausilio del software, della soluzione tecnica che comporta il minore impatto economico.

(pomeriggio) PROGETTAZIONE MECCANICA DI ACCOPPIAMENTI FLANGIATI – Il calcolo delle flange e relativa bulloneria è un caso che interessa non soltanto dal punto di vista del raggiungimento del miglior risultato in termini economici (che pure è essenziale, ad esempio negli scambiatori di calore a fascio tubiero), ma anche (e soprattutto) da quello dell’ottenimento di un giunto esente (nei limiti del possibile) da perdite. Si parlerà, come sempre, delle differenti impostazioni previste nei codici di calcolo, prendendo in esame i metodi tradizionali (Taylor Forge e DIN) e mettendoli a confronto con i più moderni metodi previsti in EN 1591 ed EN 13445. Si accennerà anche a tenute di tipo particolare, usate soprattutto nel caso di alte pressioni, e in cui il serraggio avviene con mezzi diversi dai tradizionali tiranti filettati. Sarà inoltre suggerito un metodo, utilizzabile con qualunque codice di calcolo, per minimizzare il costo (non necessariamente il peso) delle flange principali degli apparecchi, corredando sempre il tutto con una serie di esempi pratici.

Modulo 3 

(mattino) PROGETTAZIONE TERMICA DEGLI SCAMBIATORI DI CALORE A FASCIO TUBIERO – Il calcolo termico degli scambiatori è un argomento che richiederebbe, da solo, un corso di parecchi giorni. Quello che si vuole insegnare qui non è pertanto la teoria, estremamente complessa, che è alla base del calcolo dei coefficienti di scambio e delle perdite di carico negli scambiatori in tutte le condizioni possibili (movimento di fluidi monofase e bifase, condensazione, ebollizione, fluidi monocomponente o miscele di fluidi diversi): ma si vuol far capire, sia al progettista termico che a quello meccanico, la ragione di alcune scelte: disposizione dei fluidi in controcorrente o in equicorrente, vantaggi e svantaggi degli apparecchi a più corpi in serie, delle tipologie di scambiatore previste dalle norme TEMA (apparecchi a piastre fisse, a testa flottante, con tubi ad U), delle diverse tipologie di diaframmi (segmento semplice, segmento doppio, senza tubi nella finestra), del passo dei tubi (30°, 60°, 90° e 45°).
Si cercherà poi di svolgere, con l’aiuto del software HTRI, una serie di esempi pratici, miranti soprattutto ad indirizzare la scelta del progettista verso la soluzione economicamente più conveniente. Si parlerà inoltre dei problemi legati alle vibrazioni e ai metodi usati per farvi fronte.

(pomeriggio) PROGETTAZIONE MECCANICA DEGLI SCAMBIATORI DI CALORE A FASCIO TUBIERO – Si prenderanno qui in esame le membrature tipiche degli scambiatori, come le piastre tubiere, e si metteranno a confronto i diversi metodi previsti dai vari standard per calcolarle, evidenziando le notevoli differenze di spessore che si ottengono (soprattutto negli apparecchi a piastre fisse) a seconda che la teoria sia quella tradizionale derivata dal metodo di Gardner (su cui si basano la maggior parte dei codici europei e americani), oppure quella assai più moderna contenuta nell’Annex J dell’EN 13445. In particolar modo si cercherà di far capire ai progettisti come spesso sia possibile, nel pieno rispetto del codice di riferimento,  diminuire lo spessore della piastra tubiera con limitati interventi sulle membrature collegate a quest’ultima.
Si parlerà anche del progetto dei giunti di dilatazione, delle teste flottanti e dei setti delle casse; il tutto cercando sempre di far capire lo stretto legale esistente tra progettazione termica e progettazione meccanica degli apparecchi.

Modulo 4 

(mattino) PROGETTAZIONE PER I CARICHI DIVERSI DALLA PRESSIONE – E’ questo un argomento particolarmente delicato, perché, qualunque siano le norme di riferimento prescritte, comporta la necessità di trovare una ragionevole sintesi tra i metodi previsti nei codici di calcolo delle strutture metalliche degli edifici (in cui si tratta di carichi aggiuntivi dovuti al peso proprio, al vento, alla neve e al sisma) e quelle dei codici di calcolo degli apparecchi a pressione: difatti, anche se spesso in questi ultimi si accenna alla necessità di sovrapporre alla pressione (interna e/o esterna) i carichi sopra elencati, non sempre vengono poi dati i criteri da usare per la loro sovrapposizione.
Le situazioni infatti possono essere estremamente variabili, sia perché in alcuni casi la sovrapposizione di carichi diversi potrebbe anche avere, almeno in determinate zone e rispetto a una determinata modalità di collasso, un effetto favorevole, sia perché i carichi diversi dalla pressione e dal peso proprio non sono tutti contemporaneamente presenti.
Si farà ovviamente riferimento soprattutto agli Eurocodici (norme EN per i prodotti da costruzione) e alle nome italiane NTC 2008, senza però dimenticare le diverse filosofie contenute nelle norme americane ASCE.
In tutti i casi dubbi (calcolo di colonne, calcolo di apparecchi orizzontali su selle) verranno proposti metodi originali, basati sulla logica e sull’esperienza,  corredati da una serie di esempi pratici.
Particolare attenzione sarà anche dedicata al problema, non sempre di facile soluzione, del calcolo delle sollecitazioni indotte sugli apparecchi dalle spinte provenienti dalle tubazioni (e qui sarà particolarmente importante evidenziare, con una serie di esempi pratici, le notevoli differenze esistenti tra i vari metodi).

(pomeriggio) IL CALCOLO A FATICA – Verranno presi in esame i metodi proposti nella norma EN 13445.3, nelle norme AD 2000 e nelle ASME VIII divisione 2, con particolare attenzione ai metodi semplificati (basati cioè sul semplice calcolo mediante formule anziché sulla Stress Analysis) previsti sia in AD 2000 che in EN 13445.3. L’uso di questi metodi (non previsti invece nelle norme americane) permette in molti casi una notevole economia. Per ciò che riguarda invece la classica Fatigue Analysis, fatta a partire da un calcolo FEM, si parlerà degli sviluppi attualmente in corso nelle norme EN (capitolo 18 di EN 13445.3), volti a spiegare i processi (non sempre evidenti) necessari per passare dai risultati del calcolo FEM alla determinazione del numero di cicli. Anche in questo caso verranno proposti esempi pratici di applicazione.