Nella progettazione di un sistema di tubazioni in pressione, l'ingegnere responsabile spesso specifica che le tubazioni del sistema devono essere conformi a una o più parti del codice ASME B31 per le tubazioni in pressione. Come fanno gli ingegneri a rispettare correttamente i requisiti del codice nella progettazione dei sistemi di tubazioni?
Innanzitutto, l'ingegnere deve determinare quale specifica di progettazione debba essere selezionata. Per i sistemi di tubazioni in pressione, la scelta non è necessariamente limitata alla norma ASME B31. Altri codici emessi da ASME, ANSI, NFPA o altri enti normativi possono essere applicati in base alla posizione del progetto, all'applicazione, ecc. Nella norma ASME B31, sono attualmente in vigore sette sezioni distinte.
ASME B31.1 Tubazioni elettriche: Questa sezione riguarda le tubazioni nelle centrali elettriche, negli impianti industriali e istituzionali, nei sistemi di riscaldamento geotermico e nei sistemi di riscaldamento e raffreddamento centralizzati e distrettuali. Sono incluse le tubazioni esterne e non esterne alla caldaia utilizzate per installare caldaie conformi alla Sezione I dell'ASME. Questa sezione non si applica alle apparecchiature coperte dal Codice ASME per caldaie e recipienti a pressione, a determinate tubazioni di distribuzione di riscaldamento e raffreddamento a bassa pressione e a vari altri sistemi descritti nel paragrafo 100.1.3 dell'ASME B31.1. Le origini dell'ASME B31.1 risalgono agli anni '20, con la prima edizione ufficiale pubblicata nel 1935. Si noti che la prima edizione, comprese le appendici, contava meno di 30 pagine, mentre l'edizione attuale ne conta oltre 300.
ASME B31.3 Tubazioni di processo: questa sezione riguarda le tubazioni nelle raffinerie, negli impianti chimici, farmaceutici, tessili, cartari, dei semiconduttori e criogenici, nonché negli impianti di processo e nei terminali associati. Questa sezione è molto simile alla ASME B31.1, soprattutto per quanto riguarda il calcolo dello spessore minimo della parete per i tubi rettilinei. Questa sezione faceva originariamente parte della B31.1 ed è stata pubblicata separatamente per la prima volta nel 1959.
ASME B31.4 Sistemi di trasporto di liquidi e fanghi tramite condotte: questa sezione riguarda le condotte che trasportano principalmente prodotti liquidi tra impianti e terminali, e all'interno dei terminali, le stazioni di pompaggio, condizionamento e misurazione. Questa sezione faceva originariamente parte della B31.1 ed è stata pubblicata separatamente per la prima volta nel 1959.
ASME B31.5 Tubazioni per la refrigerazione e componenti per lo scambio termico: questa sezione riguarda le tubazioni per i refrigeranti e i fluidi di raffreddamento secondari. Questa parte faceva originariamente parte della B31.1 ed è stata pubblicata separatamente per la prima volta nel 1962.
ASME B31.8 Sistemi di tubazioni per la trasmissione e la distribuzione del gas: questa sezione comprende le tubazioni per il trasporto di prodotti principalmente gassosi tra fonti e terminali, inclusi compressori, stazioni di condizionamento e misurazione; e le tubazioni di raccolta del gas. Questa sezione faceva originariamente parte della B31.1 ed è stata pubblicata separatamente per la prima volta nel 1955.
ASME B31.9 Tubazioni per impianti edili: Questa sezione riguarda le tubazioni comunemente presenti in edifici industriali, istituzionali, commerciali e pubblici, nonché in edifici residenziali plurifamiliari che non richiedono le dimensioni, la pressione e gli intervalli di temperatura previsti dalla norma ASME B31.1. Questa sezione è simile alle norme ASME B31.1 e B31.3, ma è meno restrittiva (soprattutto nel calcolo dello spessore minimo della parete) e contiene meno dettagli. È limitata ad applicazioni a bassa pressione e bassa temperatura, come indicato nel paragrafo 900.1.2 della norma ASME B31.9. È stata pubblicata per la prima volta nel 1982.
ASME B31.12 Tubazioni per idrogeno: questa sezione tratta le tubazioni per idrogeno gassoso e liquido e le tubazioni per idrogeno gassoso. Questa sezione è stata pubblicata per la prima volta nel 2008.
La scelta del codice di progettazione da utilizzare spetta in ultima analisi al proprietario. L'introduzione alla norma ASME B31 afferma: "È responsabilità del proprietario selezionare la sezione del codice che meglio si avvicina all'installazione di tubazioni proposta". In alcuni casi, "più sezioni del codice possono essere applicabili a diverse sezioni dell'installazione".
L'edizione 2012 della norma ASME B31.1 servirà come riferimento principale per le discussioni successive. Lo scopo di questo articolo è guidare il progettista attraverso alcune delle fasi principali della progettazione di un sistema di tubazioni in pressione conforme alla norma ASME B31. Seguire le linee guida della norma ASME B31.1 fornisce una buona rappresentazione della progettazione generale del sistema. Metodi di progettazione simili vengono utilizzati se si segue la norma ASME B31.3 o B31.9. La restante parte della norma ASME B31 viene utilizzata in applicazioni più specifiche, principalmente per sistemi o applicazioni particolari, e non verrà ulteriormente discussa. Sebbene in questo articolo vengano evidenziate le fasi chiave del processo di progettazione, questa discussione non è esaustiva e il codice completo dovrebbe essere sempre consultato durante la progettazione del sistema. Tutti i riferimenti al testo si riferiscono alla norma ASME B31.1, salvo diversa indicazione.
Dopo aver selezionato il codice corretto, il progettista del sistema deve anche esaminare eventuali requisiti di progettazione specifici del sistema. Il paragrafo 122 (Parte 6) fornisce i requisiti di progettazione relativi ai sistemi comunemente presenti nelle applicazioni di tubazioni elettriche, come vapore, acqua di alimentazione, spurgo e scarico, tubazioni di strumentazione e sistemi di sicurezza per la sovrapressione. La norma ASME B31.3 contiene paragrafi simili alla ASME B31.1, ma con meno dettagli. Le considerazioni nel paragrafo 122 includono i requisiti di pressione e temperatura specifici del sistema, nonché varie limitazioni giurisdizionali delineate tra la caldaia stessa, le tubazioni esterne della caldaia e le tubazioni esterne non della caldaia collegate alle tubazioni della caldaia ASME Parte I. La Figura 2 mostra queste limitazioni della caldaia a tamburo.
Il progettista del sistema deve determinare la pressione e la temperatura alle quali il sistema opererà e le condizioni che il sistema deve essere progettato per soddisfare.
Secondo il paragrafo 101.2, la pressione di progetto interna non deve essere inferiore alla pressione massima di esercizio continuo (MSOP) all'interno del sistema di tubazioni, incluso l'effetto della pressione statica. Le tubazioni soggette a pressione esterna devono essere progettate per la massima pressione differenziale prevista in condizioni operative, di arresto o di prova. Inoltre, è necessario considerare l'impatto ambientale. Secondo il paragrafo 101.4, se il raffreddamento del fluido può ridurre la pressione nella tubazione al di sotto della pressione atmosferica, la tubazione deve essere progettata per resistere alla pressione esterna oppure devono essere adottate misure per interrompere il vuoto. Nelle situazioni in cui l'espansione del fluido può aumentare la pressione, i sistemi di tubazioni devono essere progettati per resistere all'aumento di pressione oppure devono essere adottate misure per alleviare la pressione in eccesso.
A partire dalla Sezione 101.3.2, la temperatura del metallo per la progettazione delle tubazioni deve essere rappresentativa delle condizioni massime di esercizio previste. Per semplicità, si assume generalmente che la temperatura del metallo sia uguale alla temperatura del fluido. Se lo si desidera, è possibile utilizzare la temperatura media del metallo, purché sia ​​nota la temperatura della parete esterna. Occorre inoltre prestare particolare attenzione ai fluidi aspirati attraverso scambiatori di calore o provenienti da apparecchiature di combustione, per garantire che vengano prese in considerazione le condizioni di temperatura peggiori.
Spesso, i progettisti aggiungono un margine di sicurezza alla pressione e/o alla temperatura massime di esercizio. L'entità del margine dipende dall'applicazione. È inoltre importante considerare i vincoli del materiale quando si determina la temperatura di progetto. Specificare temperature di progetto elevate (superiori a 750 °F) può richiedere l'uso di materiali in lega anziché del più comune acciaio al carbonio. I valori di sollecitazione nell'Appendice obbligatoria A sono forniti solo per le temperature ammissibili per ciascun materiale. Ad esempio, l'acciaio al carbonio può fornire valori di sollecitazione solo fino a 800 °F. L'esposizione prolungata dell'acciaio al carbonio a temperature superiori a 800 °F può causare la carbonizzazione del tubo, rendendolo più fragile e soggetto a rotture. Se si opera a temperature superiori a 800 °F, è necessario considerare anche il danno da scorrimento accelerato associato all'acciaio al carbonio. Vedere il paragrafo 124 per una discussione completa sui limiti di temperatura dei materiali.
A volte gli ingegneri possono anche specificare le pressioni di prova per ciascun sistema. Il paragrafo 137 fornisce indicazioni sulle prove di stress. In genere, le prove idrostatiche saranno specificate a 1,5 volte la pressione di progetto; tuttavia, le sollecitazioni circonferenziali e longitudinali nelle tubazioni non devono superare il 90% della resistenza allo snervamento del materiale nel paragrafo 102.3.3 (B) durante la prova di pressione. Per alcuni sistemi di tubazioni esterne non di caldaie, le prove di tenuta in servizio possono essere un metodo più pratico per verificare la presenza di perdite a causa delle difficoltà nell'isolare parti del sistema, o semplicemente perché la configurazione del sistema consente semplici prove di tenuta durante il servizio iniziale. Concordo, questo è accettabile.
Una volta stabilite le condizioni di progetto, è possibile specificare le tubazioni. La prima cosa da decidere è quale materiale utilizzare. Come accennato in precedenza, materiali diversi hanno limiti di temperatura diversi. Il paragrafo 105 fornisce ulteriori restrizioni su vari materiali per tubazioni. La scelta del materiale dipende anche dal fluido di sistema, come ad esempio l'utilizzo di leghe di nichel in applicazioni con tubazioni per sostanze chimiche corrosive, l'utilizzo di acciaio inossidabile per fornire aria strumentale pulita o l'utilizzo di acciaio al carbonio con un alto contenuto di cromo (superiore allo 0,1%) per prevenire la corrosione accelerata dal flusso. La corrosione accelerata dal flusso (FAC) è un fenomeno di erosione/corrosione che ha dimostrato di causare un grave assottigliamento delle pareti e la rottura delle tubazioni in alcuni dei sistemi di tubazioni più critici. La mancata considerazione dell'assottigliamento dei componenti delle tubazioni può avere, e ha avuto, gravi conseguenze, come nel 2007 quando una tubazione di desurriscaldamento presso la centrale elettrica IATAN di KCP&L è scoppiata, uccidendo due operai e ferendone gravemente un terzo.
Le equazioni 7 e 9 del paragrafo 104.1.1 definiscono rispettivamente lo spessore minimo richiesto della parete e la massima pressione interna di progetto per tubi rettilinei soggetti a pressione interna. Le variabili in queste equazioni includono la sollecitazione massima ammissibile (dall'Appendice A obbligatoria), il diametro esterno del tubo, il fattore del materiale (come mostrato nella Tabella 104.1.2 (A)) e qualsiasi ulteriore tolleranza di spessore (come descritto di seguito). Con così tante variabili coinvolte, la specifica del materiale della tubazione, del diametro nominale e dello spessore della parete appropriati può essere un processo iterativo che può includere anche la velocità del fluido, la caduta di pressione e i costi di tubazione e pompaggio. Indipendentemente dall'applicazione, lo spessore minimo della parete richiesto deve essere verificato.
È possibile aggiungere uno spessore maggiore per compensare vari motivi, tra cui la corrosione indotta da fluidi (FAC). Gli spessori possono essere richiesti a causa della rimozione di filettature, scanalature, ecc., materiale necessario per realizzare giunzioni meccaniche. Secondo il paragrafo 102.4.2, lo spessore minimo deve essere pari alla profondità della filettatura più la tolleranza di lavorazione. Lo spessore può essere richiesto anche per fornire maggiore resistenza e prevenire danni al tubo, collasso, cedimento eccessivo o instabilità dovuti a carichi sovrapposti o altre cause discusse nel paragrafo 102.4.4. È inoltre possibile aggiungere spessori per tenere conto delle giunzioni saldate (paragrafo 102.4.3) e dei gomiti (paragrafo 102.4.5). Infine, è possibile aggiungere tolleranze per compensare la corrosione e/o l'erosione. Lo spessore di questo spessore è a discrezione del progettista e deve essere coerente con la vita utile prevista della tubazione in conformità al paragrafo 102.4.1.
L'allegato IV, facoltativo, fornisce indicazioni sul controllo della corrosione. I rivestimenti protettivi, la protezione catodica e l'isolamento elettrico (come le flange isolanti) sono tutti metodi per prevenire la corrosione esterna delle condotte interrate o sommerse. Per prevenire la corrosione interna si possono utilizzare inibitori di corrosione o rivestimenti. Occorre inoltre prestare attenzione a utilizzare acqua di purezza adeguata per la prova idrostatica e, se necessario, a svuotare completamente la tubazione dopo la prova idrostatica.
Lo spessore minimo della parete del tubo o la tabella di spessore richiesti per i calcoli precedenti potrebbero non essere costanti lungo il diametro del tubo e potrebbero richiedere specifiche per tabelle di spessore diverse a seconda del diametro. I valori appropriati di tabella di spessore e spessore della parete sono definiti nella norma ASME B36.10 Tubi in acciaio forgiato saldati e senza saldatura.
Quando si specifica il materiale del tubo e si eseguono i calcoli precedentemente descritti, è importante assicurarsi che i valori massimi di sollecitazione ammissibile utilizzati nei calcoli corrispondano al materiale specificato. Ad esempio, se si specifica erroneamente un tubo in acciaio inossidabile A312 304L anziché un tubo in acciaio inossidabile A312 304, lo spessore della parete previsto potrebbe essere insufficiente a causa della significativa differenza nei valori massimi di sollecitazione ammissibile tra i due materiali. Allo stesso modo, è necessario specificare correttamente il metodo di fabbricazione del tubo. Ad esempio, se per il calcolo si utilizza il valore massimo di sollecitazione ammissibile per un tubo senza saldatura, è necessario specificare un tubo senza saldatura. In caso contrario, il produttore/installatore potrebbe offrire un tubo saldato, che potrebbe comportare uno spessore della parete insufficiente a causa di valori massimi di sollecitazione ammissibile inferiori.
Ad esempio, supponiamo che la temperatura di progetto della tubazione sia di 300 °F e la pressione di progetto sia di 1.200 psig. Verrà utilizzato un filo di acciaio al carbonio (A53 Grado B senza saldatura) da 2" e 3". Determinare il piano di tubazioni appropriato da specificare per soddisfare i requisiti dell'equazione 9 della norma ASME B31.1. Innanzitutto, vengono spiegate le condizioni di progetto:
Successivamente, determinare i valori massimi di sollecitazione ammissibile per A53 Grado B alle temperature di progetto sopra indicate dalla Tabella A-1. Si noti che viene utilizzato il valore per tubi senza saldatura poiché i tubi senza saldatura sono specificati:
Occorre inoltre aggiungere la tolleranza di spessore. Per questa applicazione, si presume una tolleranza di 1/16 di pollice. Si presume una tolleranza di corrosione. Una tolleranza di fresatura separata verrà aggiunta in seguito.
3 pollici. Il tubo verrà specificato per primo. Supponendo un tubo Schedule 40 e una tolleranza di fresatura del 12,5%, calcolare la pressione massima:
Il tubo Schedule 40 è adatto per 3 pollici nelle condizioni di progetto specificate sopra. Successivamente, verificare 2 pollici. La condotta utilizza le stesse ipotesi:
2 pollici. Nelle condizioni di progettazione specificate sopra, la tubazione richiederà uno spessore di parete maggiore rispetto allo Schedule 40. Prova con 2 pollici. Tubi Schedule 80:
Sebbene lo spessore della parete del tubo sia spesso il fattore limitante nella progettazione in pressione, è comunque importante verificare che i raccordi, i componenti e i collegamenti utilizzati siano adatti alle condizioni di progetto specificate.
In linea generale, conformemente ai paragrafi 104.2, 104.7.1, 106 e 107, tutte le valvole, i raccordi e gli altri componenti a pressione fabbricati secondo gli standard elencati nella Tabella 126.1 devono essere considerati idonei all'uso in condizioni operative normali o al di sotto delle pressioni e temperature nominali specificate. Gli utenti devono essere consapevoli che, qualora determinati standard o produttori impongano limiti più severi per le deviazioni dal normale funzionamento rispetto a quelli specificati nella norma ASME B31.1, si applicheranno i limiti più severi.
In corrispondenza degli incroci delle tubazioni, si raccomanda l'utilizzo di raccordi a T, trasversali, a croce, giunti saldati di derivazione, ecc., realizzati secondo gli standard elencati nella Tabella 126.1. In alcuni casi, gli incroci delle condotte possono richiedere connessioni di derivazione specifiche. Il paragrafo 104.3.1 fornisce ulteriori requisiti per le connessioni di derivazione al fine di garantire che vi sia materiale sufficiente per le tubazioni per resistere alla pressione.
Per semplificare la progettazione, il progettista può scegliere di impostare condizioni di progetto più elevate per soddisfare la classe di pressione nominale della flangia (ad esempio ASME classe 150, 300, ecc.) come definita dalla classe di pressione-temperatura per materiali specifici specificati nella norma ASME B16.5 Pipe flanges and flange joints, o norme simili elencate nella Tabella 126.1. Ciò è accettabile purché non comporti un aumento non necessario dello spessore della parete o di altre modifiche alla progettazione dei componenti.
Una parte importante della progettazione delle tubazioni consiste nel garantire che l'integrità strutturale del sistema di tubazioni venga mantenuta una volta applicati gli effetti di pressione, temperatura e forze esterne. L'integrità strutturale del sistema viene spesso trascurata nel processo di progettazione e, se non gestita correttamente, può rappresentare una delle parti più costose del progetto. L'integrità strutturale viene trattata principalmente in due punti: il paragrafo 104.8: Analisi dei componenti della tubazione e il paragrafo 119: Espansione e flessibilità.
Il paragrafo 104.8 elenca le formule di base del codice utilizzate per determinare se un sistema di tubazioni supera le sollecitazioni ammissibili previste dal codice. Queste equazioni del codice sono comunemente denominate carichi continui, carichi occasionali e carichi di spostamento. Il carico costante è l'effetto della pressione e del peso su un sistema di tubazioni. I carichi occasionali sono i carichi continui più i possibili carichi del vento, carichi sismici, carichi del terreno e altri carichi a breve termine. Si presume che ciascun carico occasionale applicato non agisca contemporaneamente su altri carichi occasionali, quindi ogni carico occasionale sarà un caso di carico separato al momento dell'analisi. I carichi di spostamento sono gli effetti della dilatazione termica, dello spostamento delle apparecchiature durante il funzionamento o di qualsiasi altro carico di spostamento.
Il paragrafo 119 tratta di come gestire la dilatazione termica e la flessibilità delle tubazioni nei sistemi di tubazioni e di come determinare i carichi di reazione. La flessibilità dei sistemi di tubazioni è spesso più importante in corrispondenza dei collegamenti delle apparecchiature, poiché la maggior parte di questi può sopportare solo la quantità minima di forza e momento applicata nel punto di connessione. Nella maggior parte dei casi, la dilatazione termica del sistema di tubazioni ha l'effetto maggiore sul carico di reazione, quindi è importante controllare di conseguenza la dilatazione termica nel sistema.
Per adattarsi alla flessibilità del sistema di tubazioni e per garantire che il sistema sia adeguatamente supportato, è buona norma supportare i tubi in acciaio in conformità con la Tabella 121.5. Se un progettista si impegna a rispettare la spaziatura standard dei supporti indicata in questa tabella, ottiene tre risultati: minimizza la flessione dovuta al peso proprio, riduce i carichi permanenti e aumenta la sollecitazione disponibile per i carichi di spostamento. Se il progettista posiziona il supporto in conformità con la Tabella 121.5, in genere si otterrà una flessione o un abbassamento dovuto al peso proprio inferiore a 1/8 di pollice tra i supporti dei tubi. Minimizzare la flessione dovuta al peso proprio contribuisce a ridurre la possibilità di condensa nei tubi che trasportano vapore o gas. Seguire le raccomandazioni di spaziatura nella Tabella 121.5 consente inoltre al progettista di ridurre la sollecitazione permanente nella tubazione a circa il 50% del valore continuo ammissibile previsto dalla normativa. Secondo l'Equazione 1B, la sollecitazione ammissibile per i carichi di spostamento è inversamente proporzionale ai carichi permanenti. Pertanto, minimizzando il carico permanente, è possibile massimizzare la tolleranza della sollecitazione di spostamento. La spaziatura per i supporti dei tubi è mostrata nella Figura 3.
Per garantire che i carichi di reazione del sistema di tubazioni siano considerati correttamente e che le sollecitazioni previste dalle normative siano rispettate, un metodo comune consiste nell'eseguire un'analisi delle sollecitazioni del sistema di tubazioni assistita da computer. Sono disponibili diversi pacchetti software per l'analisi delle sollecitazioni delle tubazioni, come Bentley AutoPIPE, Intergraph Caesar II, Piping Solutions Tri-Flex o altri pacchetti commerciali. Il vantaggio dell'utilizzo dell'analisi delle sollecitazioni delle tubazioni assistita da computer è che consente al progettista di creare un modello agli elementi finiti del sistema di tubazioni per una facile verifica e la possibilità di apportare le modifiche necessarie alla configurazione. La Figura 4 mostra un esempio di modellazione e analisi di una sezione di tubazione.
Nella progettazione di un nuovo sistema, i progettisti specificano in genere che tutte le tubazioni e i componenti devono essere fabbricati, saldati, assemblati, ecc. secondo quanto richiesto dalla normativa di riferimento. Tuttavia, in alcuni interventi di ammodernamento o in altre applicazioni, può essere utile che un ingegnere designato fornisca indicazioni su determinate tecniche di fabbricazione, come descritto nel Capitolo V.
Un problema comune riscontrato nelle applicazioni di retrofit è il preriscaldamento della saldatura (paragrafo 131) e il trattamento termico post-saldatura (paragrafo 132). Tra gli altri vantaggi, questi trattamenti termici vengono utilizzati per alleviare le tensioni, prevenire le cricche e aumentare la resistenza della saldatura. Gli elementi che influenzano i requisiti del trattamento termico pre e post-saldatura includono, a titolo esemplificativo ma non esaustivo, i seguenti: il gruppo di numeri P, la composizione chimica del materiale e lo spessore del materiale nel giunto da saldare. A ciascun materiale elencato nell'Appendice obbligatoria A è assegnato un numero P. Per il preriscaldamento, il paragrafo 131 fornisce la temperatura minima alla quale il metallo base deve essere riscaldato prima che possa avvenire la saldatura. Per il trattamento termico post-saldatura, la Tabella 132 fornisce l'intervallo di temperatura di mantenimento e la durata del mantenimento della zona di saldatura. Le velocità di riscaldamento e raffreddamento, i metodi di misurazione della temperatura, le tecniche di riscaldamento e le altre procedure devono seguire rigorosamente le linee guida stabilite nel codice. Effetti negativi imprevisti sull'area saldata possono verificarsi a causa di un trattamento termico non corretto.
Un altro potenziale problema nei sistemi di tubazioni pressurizzate è rappresentato dalle curve. La curvatura dei tubi può causare un assottigliamento delle pareti, con conseguente spessore insufficiente. Secondo il paragrafo 102.4.5, la normativa consente le curve a condizione che lo spessore minimo della parete soddisfi la stessa formula utilizzata per calcolare lo spessore minimo della parete per i tubi rettilinei. In genere, viene aggiunto un margine per tenere conto dello spessore della parete. La tabella 102.4.5 fornisce i margini di riduzione raccomandati per le curve con diversi raggi di curvatura. Le curve possono anche richiedere un trattamento termico pre-curvatura e/o post-curvatura. Il paragrafo 129 fornisce indicazioni sulla fabbricazione dei gomiti.
Per molti sistemi di tubazioni in pressione, è necessario installare una valvola di sicurezza o una valvola di sfogo per prevenire la sovrapressione nel sistema. Per queste applicazioni, l'Appendice II facoltativa: Regole di progettazione per l'installazione delle valvole di sicurezza è una risorsa molto preziosa, sebbene a volte poco conosciuta.
In conformità al paragrafo II-1.2, le valvole di sicurezza sono caratterizzate da un'apertura completa a scatto per il servizio con gas o vapore, mentre le valvole di sicurezza si aprono rispetto alla pressione statica a monte e sono utilizzate principalmente per il servizio con liquidi.
Le valvole di sicurezza si distinguono per il tipo di sistema di scarico: aperto o chiuso. In un sistema di scarico aperto, il gomito all'uscita della valvola di sicurezza scarica solitamente nel tubo di scarico verso l'atmosfera. In genere, ciò si traduce in una minore contropressione. Se nel tubo di scarico si crea una contropressione sufficiente, una parte dei gas di scarico può essere espulsa o rifluita dall'estremità di ingresso del tubo di scarico. Il diametro del tubo di scarico deve essere sufficientemente grande da impedire il riflusso. Nelle applicazioni con sfiato chiuso, la pressione aumenta all'uscita della valvola di sicurezza a causa della compressione dell'aria nella linea di sfiato, causando potenzialmente la propagazione di onde di pressione. Nel paragrafo II-2.2.2, si raccomanda che la pressione di progetto della linea di scarico chiusa sia almeno il doppio della pressione di esercizio a regime. Le figure 5 e 6 mostrano rispettivamente l'installazione della valvola di sicurezza in posizione aperta e chiusa.
Gli impianti delle valvole di sicurezza possono essere soggetti a diverse forze, come riassunto nel paragrafo II-2. Queste forze includono gli effetti della dilatazione termica, l'interazione di più valvole di sicurezza che sfogano simultaneamente, gli effetti sismici e/o vibratori e gli effetti di pressione durante gli eventi di scarico della pressione. Sebbene la pressione di progetto fino all'uscita della valvola di sicurezza debba corrispondere alla pressione di progetto del tubo di scarico, la pressione di progetto nel sistema di scarico dipende dalla configurazione del sistema di scarico e dalle caratteristiche della valvola di sicurezza. Nel paragrafo II-2.2 sono fornite le equazioni per determinare la pressione e la velocità al gomito di scarico, all'ingresso del tubo di scarico e all'uscita del tubo di scarico per sistemi di scarico aperti e chiusi. Utilizzando queste informazioni, è possibile calcolare e tenere conto delle forze di reazione in vari punti del sistema di scarico.
Un esempio di problema per un'applicazione di scarico aperto è fornito nel paragrafo II-7. Esistono altri metodi per calcolare le caratteristiche di flusso nei sistemi di scarico delle valvole di sicurezza, e si raccomanda al lettore di verificare che il metodo utilizzato sia sufficientemente conservativo. Uno di questi metodi è descritto da GS Liao in "Power Plant Safety and Pressure Relief Valve Exhaust Group Analysis", pubblicato da ASME sul Journal of Electrical Engineering, ottobre 1975.
La posizione della valvola di sicurezza deve mantenere una distanza minima di tubo rettilineo da qualsiasi curva. Questa distanza minima dipende dal servizio e dalla geometria del sistema come definito nel paragrafo II-5.2.1. Per gli impianti con più valvole di sicurezza, la spaziatura raccomandata per i collegamenti di derivazione della valvola dipende dai raggi della derivazione e della tubazione di servizio, come mostrato nella Nota (10)(c) della Tabella D-1. In conformità con il paragrafo II-5.7.1, potrebbe essere necessario collegare i supporti delle tubazioni situati allo scarico della valvola di sicurezza alla tubazione di esercizio piuttosto che alla struttura adiacente per ridurre al minimo gli effetti della dilatazione termica e delle interazioni sismiche. Un riepilogo di queste e altre considerazioni di progettazione nella progettazione di gruppi di valvole di sicurezza è disponibile nel paragrafo II-5.
Ovviamente, non è possibile trattare tutti i requisiti di progettazione della norma ASME B31 nell'ambito di questo articolo. Tuttavia, qualsiasi ingegnere incaricato della progettazione di un sistema di tubazioni in pressione dovrebbe almeno avere familiarità con questo codice di progettazione. Ci auguriamo che, grazie alle informazioni fornite, i lettori trovino la norma ASME B31 una risorsa più utile e accessibile.
Monte K. Engelkemier è il responsabile del progetto presso Stanley Consultants. Engelkemier è membro dell'Iowa Engineering Society, della NSPE e dell'ASME, e fa parte del comitato e del sottocomitato del codice B31.1 per le tubazioni elettriche. Ha oltre 12 anni di esperienza pratica nella progettazione, progettazione, valutazione dei rinforzi e analisi delle sollecitazioni di sistemi di tubazioni. Matt Wilkey è un ingegnere meccanico presso Stanley Consultants. Ha oltre 6 anni di esperienza professionale nella progettazione di sistemi di tubazioni per una varietà di clienti del settore delle utility, municipali, istituzionali e industriali ed è membro dell'ASME e dell'Iowa Engineering Society.
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