La progettazione di recipienti a pressione per i carichi sui bocchelli

Molti anni fa, quando la relazione di calcolo di un recipiente a pressione (non importa in base a quale codice di calcolo) era composta da un paio di pagine, nessuno si preoccupava realmente dei carichi sui bocchelli: o meglio, sapevamo tutti che le tubazioni collegate al recipiente potevano trasmettere alla parete del recipiente dei carichi aggiuntivi: l’unico problema era che non esistevano ancora metodi per calcolare le sollecitazioni dovute a questi carichi. Questo è il motivo per cui le norme ASME o DIN per le flange dei bocchelli erano concepite in modo tale che l’area di bulloneria prevista fosse 2 o 3 volte superiore a quella necessaria a garantire la tenuta della guarnizione: proprio allo scopo di conferire alla connessione una resistenza aggiuntiva in grado di tener conto della presenza di tali carichi (sconosciuti).

Forse fu solo una coincidenza, ma il fatto è che tutte le società di ingegneria iniziarono a considerare i carichi sui bocchelli nelle loro specifiche quando apparvero i primi Welding Research Bulletins che trattavano il calcolo delle sollecitazioni indotte dai carichi sui bocchelli. Personalmente, non ricordo segnalazioni di incidenti catastrofici causati dai carichi sui bocchelli, come invece avvenne per i carichi dovuti al vento e al terremoto, all’epoca anche questi non ancora previsti dalle norme sui recipienti a pressione (ma almeno considerati dalle norme per l’edilizia). Ricordo solo che il primo approccio seguito dalla stragrande maggioranza delle società di ingegneria fu innanzitutto quello di ordinare tutti i recipienti a pressione e gli scambiatori di calore indicando solo la temperatura e la pressione di progetto: in seguito si procedeva con il calcolo delle tubazioni e si fornivano al costruttore i carichi sui bocchelli da considerare. Purtroppo, la considerazione di questi carichi basata sui nuovi metodi di calcolo causava in molti casi un aumento degli spessori di parete già calcolati, con la necessità di modificare gli ordini di materiali già effettuati, in molti casi quando i materiali erano già arrivati in officina. Questo, ovviamente, era un buon motivo per i costruttori di richiedere ingenti costi aggiuntivi: chiunque può facilmente capire che la valutazione di tali inevitabili modifiche viene talvolta effettuata con un criterio più severo di quello utilizzato nella preparazione di un’offerta, dove si sa di essere in concorrenza con altre aziende e quindi è necessario mantenere il prezzo il più basso possibile per poter ottenere l’ordine. Ma una volta ottenuto l’ordine, per le modifiche all’ordine e i costi aggiuntivi non c’è più la concorrenza…

Per questi motivi, le società di ingegneria decisero di cambiare la loro politica in materia di carichi sui bocchelli: pertanto, non essendo possibile eseguire il calcolo delle tubazioni senza disporre già dei disegni costruttivi dei recipienti, prepararono tabelle con carichi standard sui bocchelli (forze e momenti), diversi per i diversi diametri e generalmente con direzioni ancora indefinite, chiedendo ai produttori di calcolare gli spessori di parete dei recipienti tenendo conto di questi valori specificati. Il risultato di questo cambiamento di politica fu un aumento generale degli spessori e quindi dei prezzi dei recipienti: anche perché i nuovi metodi erano ottimi per fornire un calcolo matematico ragionevolmente corretto delle tensioni causate da questi carichi presunti, ma non riuscivano a fornire risposte ad alcuni problemi particolari, come la composizione di tali sollecitazioni con le sollecitazioni locali esistenti in prossimità dell’apertura causate dalla pressione, e la determinazione delle categorie di sollecitazioni dal punto di vista della progettazione mediante analisi: primarie o secondarie? di membrana o di flessione? locali o generali? E infine, qual è la natura di questi carichi sui bocchelli previsti dalla specifica? Si tratta di sollecitazioni termiche causate dalla dilatazione termica delle tubazioni o di sollecitazioni meccaniche dovute al peso, al vento o al sisma? Inoltre, come vengono calcolati questi carichi? Si considera l’elasticità della parete, o il bocchello viene considerato un punto fisso senza possibilità di deformazione? Chiaramente, non è possibile dare una risposta corretta a queste domande utilizzando una tabella standard dei carichi sui bocchelli, che obbliga il progettista a considerare la peggiore risposta possibile in tutti i casi.

E, infine, siamo sicuri che tutto questo non sia un esercizio puramente teorico? Ebbene, negli oltre 50 anni della mia vita professionale ho sentito molte discussioni sul calcolo dei carichi sui bocchelli, ma, come ho detto prima, non ho mai visto né incidenti gravi, e nemmeno danni degni di nota causati da questi carichi fantasma: inoltre, man mano che le normative europee hanno iniziato a inventare nuovi metodi per il calcolo delle sollecitazioni dovute ai carichi sui bocchelli, la differenza tra tali metodi è diventata sempre più evidente: la forza assiale massima, o il momento flettente massimo sopportato da un bocchello, poteva diventare due o tre volte superiore, o inferiore, se calcolata con normative diverse: con variazioni significative dovute al livello di pressione presente nel recipiente. A volte i progettisti delle società di ingegneria, responsabili della verifica dei calcoli dei costruttori, sembrano essere particolarmente preoccupati non solo per i carichi, ma anche per le reazioni indotte nei supporti del recipiente da tali carichi. Naturalmente che tali reazioni esistano è certamente vero: qualsiasi carico applicato a un bocchello genererà sollecitazioni non solo nella parete su cui si attacca il bocchello, ma anche nei supporti del recipiente. Ma quando i carichi che stiamo considerando non sono il risultato di un’analisi completa delle tubazioni, ma solo valori convenzionali di cui il costruttore è obbligato a tenere conto nella determinazione dello spessore del recipiente (con l’ulteriore complicazione che la specifica non indica la direzione effettiva dei carichi, ma semplicemente indica al costruttore di considerare la direzione peggiore possibile), potete spiegarmi come è possibile calcolare le reazioni sui supporti del recipiente? Tanto per fare un esempio banale, cosa succederebbe a una colonna di distillazione contenente 50 o 60 bocchelli nel caso in cui i carichi convenzionali sugli stessi fossero tutti orientati nella stessa direzione? Beh, la trasformazione di una capacità di carico in un carico vero e proprio è un aspetto pratico di un problema più generale, di particolare importanza nel caso di recipienti verticali alti: ad esempio, quando si progetta la piattaforma in una colonna, si considera generalmente un carico di progetto, ad esempio, di 2500 N/m², ma questo non significa che tutte le piattaforme di quella colonna siano completamente caricate con quel carico, il che avrebbe gravi conseguenze anche sulle fondazioni. Pertanto, la maggior parte delle norme sui recipienti a pressione (e anche la maggior parte delle norme sulle costruzioni) cercano di dare una risposta al problema, specificando le combinazioni di carico da considerare: tuttavia, nel caso dei carichi sui bocchelli, è molto raro trovare istruzioni dettagliate nelle norme sui recipienti a pressione. Una delle norme che sembra aver preso in considerazione il problema è la norma europea armonizzata EN 13445.3:2021. Nel capitolo 22 (Analisi statica di recipienti verticali alti su gonne) si trovano le seguenti frasi:

“Additional forces from attached piping, other than weight, wind and earthquake loads, shall be considered, see …….. It is the responsibility of the designer to decide to what extent additional forces from attached piping shall be taken into account for the static analysis of columns since their influence depends on the whole behaviour of the column and piping configuration (see NOTE ………).”

E più avanti:

”In the case that multiple pipes are connected to the column the resulting horizontal reaction forces and their directions shall be vector combined at each elevation taking into account the direction of each of the single pipe forces. Where actual forces and their directions are not available it is not reasonable to assume that all horizontal forces act in the same direction. The maximum resulting shear force at the base of the column shall be vector combined from the horizontal resulting forces and their directions of all elevations. The maximum resulting bending moment at the base of the column shall be vector combined from the moments and their directions determined from these horizontal resulting forces with their directions and elevations”.

In altre parole: la decisione spetta al progettista, che dovrebbe essere una persona ragionevole e dotata di buon senso. Ebbene, il problema è che nella progettazione di recipienti a pressione c’è sempre un progettista (che lavora per il costruttore) e un responsabile del controllo (che lavora per la società di ingegneria che ha acquistato il recipiente). Il problema è che non sempre questi due professionisti possiedono lo stesso grado di buon senso.

Infine, la relazione di calcolo di qualsiasi recipiente a pressione (alto o basso) deve includere i carichi sui supporti: questi carichi sono ovviamente importanti non solo per il calcolo delle sollecitazioni nel recipiente stesso, ma anche per la progettazione delle fondazioni. Pertanto, è fondamentale che tutto ciò che non è chiaramente definito nella norma venga chiaramente definito almeno nelle specifiche di progetto, al fine di evitare discussioni inutili e dispendiose in termini di tempo.

Qualsiasi commento a questo articolo sarà molto apprezzato.

 Fernando Lidonnici            

 Convenor del WG53/CEN TC54

      Milano, 25 luglio 2025