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La verifica in prova idraulica secondo ASME VIII divisione 1

Chiedo scusa a tutti quelli che mi hanno chiesto di continuare la favola dei Topolini e delle verifiche di legge sulle trappole a molla, ma non ho elementi nuovi sull’argomento (e del resto non ce ne sono neppure sulle verifiche periodiche da fare sulle attrezzature a pressione). Preferisco pertanto affrontare, una volta tanto, un problema squisitamente tecnico, com’è appunto quello della verifica in prova idraulica di un apparecchio a pressione secondo il codice americano ASME Sezione VIII divisione 1; verifica che, se avrete la pazienza di leggere fino in fondo quanto segue, non è una cosa del tutto banale. A coloro che hanno voglia di leggere delle favole, facendosi magari anche quattro risate, raccomando caldamente la lettura della cronaca politica dei principali quotidiani nazionali, che continuano a pubblicare favole sempre nuove e divertenti (ricordo tra le più recenti “Angela e Mario, divisi dallo Spread”, “Angelino, Pierluigi e Pierferdinando amici per forza”, “Le nuove avventure di Supermario”, e molte altre ancora). A chi invece non interessano né le favole, né le prove idrauliche, consigliamo di passare immediatamente al paragrafo successivo.

Ma torniamo alla nostra pressione di prova idraulica secondo ASME VIII divisione 1. Nel lodevole tentativo di stressare in prova idraulica un apparecchio a pressione sino alle sue estreme capacità di resistenza, la pressione di prova idraulica richiesta da questo codice è stata basata sulla cosiddetta MAWP (= Maximum Allowable Working Pressure), ossia sulla massima pressione ammissibile per l’apparecchio tenendo conto degli spessori utilizzati, ovviamente sempre superiore a quella di progetto (molte volte si aggiunge l’ulteriore specificazione “hot & corroded”, per indicare che si tratta della massima pressione ammissibile alla temperatura di progetto calcolata sottraendo dallo spessore di ciascun componente dell’apparecchio il rispettivo sovraspessore di corrosione). E’ tuttavia ammesso (e, come vedrete in seguito, alle volte è l’unica soluzione possibile) basare la pressione di prova idraulica sulla pressione di progetto. Il procedimento per il calcolo della MAWP dell’apparecchio è il seguente:

  1. calcolare la MAWP “hot & corroded” di ciascun componente, rovesciando, ove possibile, le formule di calcolo in modo da ottenere la pressione massima anziché lo spessore minimo (salvo ovviamente il caso in cui, come avviene per il calcolo di un fasciame cilindrico   a   pressione   esterna,   le   formule   del  codice   non   forniscano direttamente il risultato); ove il calcolo diretto della pressione massima non fosse fattibile, la MAWP del componente andrà calcolata per tentativi, aumentando la pressione di progetto con piccoli incrementi successivi, sino a raggiungere la sollecitazione massima ammissibile del componente interessato (il che non presenta ovviamente problemi per gli utenti del nostro software, che usa automaticamente questo procedimento);
  1. detrarre dai valori così ottenuti per ciascun componente il relativo battente idrostatico in condizioni operative (normalmente inferiore a quello esistente durante la prova idraulica, sia perché la densità dell’eventuale liquido presente nell’apparecchio è generalmente inferiore a quella dell’acqua, sia perché non è detto che questo sia pieno fino all’orlo);
  1. la MAWP “hot & corroded” dell’apparecchio è il minimo tra tutti i valori trovati: è cioè la massima pressione applicabile nella parte più alta dell’apparecchio che, tenuto conto del battente idrostatico in esercizio, non mette in crisi nessuno dei componenti in pressione dello stesso;
  1. per ognuno dei componenti (fatta eccezione per la bulloneria di collegamento delleflange) determinare il rapporto tra la sollecitazione ammissibile a temperatura ambiente e quella ammissibile in condizioni di esercizio (stress ratio), scegliendo tra tutti gli stress ratio possibili quello più basso (Lsr = Lowest stress ratio);
  2. determinare la pressione di prova idraulica con la formula:

    PH   1,3   MAWP   Lsr

E’ bene chiarire il significato pratico di questa formula: essa vorrebbe garantire che in nessuno dei componenti dell’apparecchio si superi, durante la prova idraulica, una pressione maggiore di 1,3 volte la massima pressione che esso sopporterebbe a temperatura ambiente (nei casi in cui lo spessore è determinato dalla sollecitazione ammissibile, ciò equivale a dire che, in condizioni di prova, non si supera una sollecitazione maggiore di 1,3 volte quella sopportabile a temperatura ambiente; il senso di moltiplicare ulteriormente per il valore di Lsr è appunto quello di maggiorare la pressione di progetto ammissibile in funzione dell’aumento di sollecitazione ammissibile a temperatura ambiente rispetto a quella ammissibile a temperatura di progetto). Tuttavia ciò non è rigorosamente vero in tutti i casi: vi sono, infatti, alcune eccezioni.

La prima eccezione è costituita dalla bulloneria delle flange di collegamento, per la quale il relativo stress ratio (da non considerare, come già detto, nel calcolo di Lsr) è quasi sempre pari all’unità (la sollecitazione ammissibile dei bulloni in acciaio basso legato – SA 193 B7 o simili – è infatti basata sul carico di rottura del materiale diviso per 5, e non varia fino a temperature di 450°C circa); pertanto, nel caso che il valore di  Lsr sia superiore a 1, la sollecitazione nei bulloni in condizioni di prova potrebbe essere superiore a 1,3 volte quella sopportabile a temperatura  ambiente:  in  questo  caso  perciò  il Codice  prescrive  di  verificare  che  la sollecitazione dei bulloni in prova idraulica non superi il 90% del limite elastico (questo è l’unico  caso  in cui  viene previsto  specificamente  un  calcolo  in  condizioni  di  prova  e  una sollecitazione ammissibile da non superare in tali condizioni: se qualche ispettore autorizzato vi chiede di verificare tutte le altre membrature dell’apparecchio anche in condizioni di prova con un ammissibile basato sul 90% del limite elastico, sappiate che si tratta di una sua idea personale e non di una prescrizione del Codice).

La seconda eccezione si può verificare nel caso che a determinare lo spessore sia la pressione esterna e non quella interna: in questo caso, infatti, non è più vero che il rapporto tra pressione ammissibile a temperatura ambiente e pressione ammissibile a temperatura di progetto sia uguale allo stress ratio: la resistenza a pressione esterna non ha infatti niente a che fare con le  sollecitazioni  ammissibili,  ma  è  determinata  piuttosto,  nel  caso  di  membrature  sottili, dal modulo di elasticità del materiale.

La terza eccezione, sicuramente la più importante, è quella in cui la pressione idrostatica dovuta al battente liquido è sensibilmente maggiore di quella esistente in condizioni di progetto: è il caso di tutti gli apparecchi alti, o comunque quelli in cui il battente idrostatico, anche se non eccessivo, esiste soltanto in condizioni di prova idraulica, mentre manca completamente in condizioni di progetto.  In ogni caso è vero che in condizioni di progetto il livello liquido all’interno di un apparecchio è in generale inferiore alla sua altezza, mentre la densità è quasi sempre inferiore a quella dell’acqua (il battente idrostatico, espresso in bar, è dato dalla formula

PH = ρgh x 105

con densità del fluido ρ in kg/m3, accelerazione di gravità g = 9,81 m/s2, livello liquido h in m): se pertanto il battente idrostatico in prova dovesse essere superiore a 1,3 volte il battente idrostatico in progetto, si avrebbe automaticamente che la condizione di prova è più gravosa di quella di progetto.

Sorge a questo punto il problema della determinazione della massima pressione di prova idraulica sopportabile da un apparecchio, tenuto conto, come già detto più sopra, che il Codice ASME VIII divisione 1 non prevede un metodo di calcolo per la prova basato su sollecitazioni ammissibili specifiche. E’ tuttavia vero che la pressione massima sopportabile da un apparecchio in prova idraulica può essere determinata indirettamente, attraverso quella che viene definita come la “basis for calculated test pressure”. Si tratta in pratica anche qui di una Maximum Allowable Working Pressure, però calcolata a temperatura ambiente e ad apparecchio non corroso (MAWP “new  & cold”), con lo stesso procedimento adottato per trovare la MAWP “hot & corroded”, ossia determinando la massima pressione sopportabile da ciascun componente a temperatura ambiente in condizioni non corrose, e detraendo dal valore trovato l’altezza idrostatica in progetto, per poi scegliere, tra i valori trovati, il valore inferiore. In assenza di battenti idrostatici, la pressione di prova ottenuta moltiplicando per 1,3 la “basis for calculated test pressure” così determinata (Pb) è la massima pressione di prova compatibile con tutti gli spessori utilizzati. Se però esiste un battente idrostatico in prova diverso da quello in progetto, la massima pressione di prova sopportabile dal singolo componente può essere calcolata sommando a Pb il rispettivo battente idrostatico in progetto, moltiplicando il risultato per 1,3 e detraendo dal valore ottenuto il battente idrostatico in prova; la massima pressione  di  prova  sopportabile  dall’apparecchio  sarà  ovviamente il  minore  dei  valori  così ottenuti. E’ facile convincersi che, in assenza di un sovraspessore di corrosione e in presenza di un battente idrostatico in prova sensibilmente maggiore di quello in progetto (per la precisione, in presenza di un battente idrostatico in prova superiore a quello in progetto diviso per 1,3), non solo diventa determinante la condizione di prova rispetto a quella di progetto, ma può addirittura verificarsi il caso di non riuscire a trovare uno spessore di materiale sufficiente a resistere alle condizioni di prova, e ciò per il semplice motivo che la MAWP aumenta con l’aumentare dello spessore, generando così una pressione di prova che cresce al crescere dello spessore. Incredibile, non è vero?

Ebbene, agli utenti del nostro software che volessero convincersene consigliamo il seguente giochetto: prendete una virola cilindrica diametro interno 2000 e spessore 8 mm, materiale (da data base metrico) SA 240 304 HS (ossia con le sollecitazioni ammissibili più elevate), efficienza di saldatura 1, corrosione nulla, temperatura di progetto 150°C, pressione di progetto 1,035 MPa, battente idrostatico nullo in progetto e pari a 0,02 MPa in prova (dovuto all’altezza dell’acqua in prova con apparecchio orizzontale – le sollecitazioni ammissibili valgono 138 MPa a temperatura ambiente e 130 MPa a temperatura di progetto); selezionate l’opzione di basare la prova sulla MAWP anziché  sulla  pressione di progetto;  passando al calcolo,  troverete che lo spessore minimo di calcolo è uguale allo spessore adottato, ma, passando alla stampa, il software vi avviserà che la pressione di prova richiesta è 1,428 Mpa (1,035 x 138/130 x 1,3), mentre la massima pressione ammessa, visto che la MAWP new & cold è 1,099 Mpa, è data da 1,3 x 1,099 – 0,02 = 1,408 MPa; il che non comporta automaticamente il fallimento della verifica, dato che potrebbero poi esserci altri componenti che, in virtù di un eventuale abbassamento vuoi della MAWP che dello stress ratio, potrebbero abbassare la pressione di prova dell’apparecchio al disotto di 1,408 MPa (il nostro software prevede infatti un una procedura che, dopo aver fatto il calcolo di tutti i componenti, vi consente di confrontarli tra loro per selezionare la pressione di prova valida per l’apparecchio). Ma, dando per scontato che la pressione di prova da usare sia effettivamente  1,428  MPa,  qualora  voleste  cercare  di  ovviare  al  problema  aumentando  lo spessore da 8 a 9 mm, vi trovereste nuovamente di fronte a un avviso, solo che questa volta vi verrebbe richiesta una pressione di prova di 1,606 MPa, contro una pressione massima sopportabile di 1,586; aumentando ulteriormente lo spessore a 10 mm, entrambi i valori aumenterebbero (1,783 contro 1,763), ma la differenza rimarrebbe sempre di 0,02 MPa (proprio il valore del battente in prova!). E allora qual è la soluzione? La sola soluzione possibile in questo caso è quella di aumentare sì lo spessore a 9 mm, ma aggiungendo un battente idrostatico in progetto pari a 0,015 MPa: a questo punto troverete che la pressione di prova dell’apparecchio si è ridotta, e ciò perché la presenza del battente idrostatico in progetto ha ridotto il valore della MAWP hot & corroded, e quindi anche il valore della pressione di prova; in alternativa, cosa ancora più semplice, potete basare la pressione di prova sulla pressione di progetto anziché sulla MAWP hot & corroded, con il che la stessa si ridurrà nuovamente a 1,428 MPa, fermo restando che la pressione di prova sopportabile con 9 mm di spessore resta 1,586 MPa (da notare che in questo modo la virola sarebbe adatta a sopportare anche la prova idraulica secondo PED, pari a 1,43 x 1,035 = 1,48 MPa). Detto questo, non mi resta che fare i complimenti a tutti quelli che hanno avuto la pazienza di seguirmi fino in fondo.

Fernando Lidonnici