Servizi generali di impianto

Servizi generali di impianto

Piping – principali organismi per l’emanazione di norme tecniche

• Tubi
• Elementi di raccordo e di tenuta (giunti, raccordi, deviazioni, flange, guarnizioni, ecc.)
• Organi di intercettazione o di regolazione
• Accessori (manometri, misuratori di portata, filtri, compensatori di dilatazione, scaricatori di condense, ecc.)

I principali organismi internazionali per l’emanazione di norme tecniche includono:

• ISO (International Organization for Standardization – organizzazione non governativa a livello mondiale per l’elaborazione di norme tecniche, 1947, Ginevra)
• EN (Comité Européen de Normalisation – identifica le norme del CEN, obbligatorie per i Paesi dell’Unione Europea)

Principali organismi nazionali:

• ANSI (American National Standards Institute, Stati Uniti)
• AFNOR (Association Française de Normalisation, Francia)
• DIN (Deutsche Industrie Norm, Germania)
• UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione, Italia)
• BS (British Standard, UK)

Il piping è un insieme di elementi: un insieme di tubazioni che forma un percorso, che può essere più o meno articolato e complesso grazie all’introduzione di organi di raccordo che consentono cambiamenti di percorso e di elementi di regolazione di controllo, ovvero valvole.

Diametro nominale DN

Il diametro nominale è il valore convenzionale con cui vengono individuati i diametri dei componenti meccanici assial-simmetrici, serve come riferimento univoco per individuare la grandezza dei diversi elementi accoppiabili in una tubazione (tubi, flange, valvole, ecc), ed è un valore convenzionale. DN è legato al valore del diametro interno dell’elemento per materiali metallici e cementizi, mentre DN è legato al valore del diametro esterno dell’elemento per materiali plastici. Ma il DN non coincide con nessuno dei due valori effettivi, in quanto ci si avvicina approssimativamente poiché è solo un valore convenzionale (si dice “circa”). Il valore minimo del diametro nominale non ha unità di misura poiché questo non coincide con il valore in millimetri di nessuna grandezza citata. Il vantaggio nel scegliere elementi con valore nominale sta nel fatto che in commercio è facile trovare elementi che si accoppiano.

• DN/ID 50 designa una tubazione metallica i cui elementi hanno lo stesso diametro nominale: tubo DN 50, valvola DN 50
• DN/OD 32 designa una tubazione plastica i cui elementi hanno lo stesso diametro nominale: tubo DN 32, valvola DN 32

I valori normalizzati di DN seguono in modo approssimato una serie di Renard R10 avente ragione 1,25 (arrotondamento al secondo decimale). La ragione di una serie normalizzata è il rapporto che si mantiene costante tra due elementi successivi appartenenti alla serie.

Pressione nominale PN

La pressione nominale è un’indicazione convenzionale in base alla quale vengono calcolati gli elementi delle tubazioni. Viene determinata in base alla pressione di esercizio e tiene conto, oltre che della pressione effettiva esistente nella tubazione, anche delle condizioni specifiche di esercizio, temperatura e natura (fluido pericoloso o nocivo). I valori normalizzati di PN seguono in modo approssimato una serie di Renard R5 avente ragione 1,6 (arrotondamento al secondo decimale). Il valore nominale di pressione può essere approssimato a ribasso quando il fluido è pericoloso.

La pressione nominale corrisponde alla pressione di esercizio in bar solo per il coinvolgimento di acqua – fluido non pericoloso, a temperatura non superiore a 20°C. All’aumentare della temperatura la pressione nominale diminuisce a seconda delle normative specifiche per ogni diverso tipo di fluido. Ad esempio PNXX significa che il fluido nella condotta può assumere la pressione massima di XX (bar) in condizioni normali. La pressione di esercizio si riduce al 80% di quella nominale per fluidi tra 120 e 300 °C e per fluidi pericolosi, in relazione alle caratteristiche chimiche a temperature, inferiore a 120°C. La pressione di esercizio si riduce al 64% di quella nominale (2/3 della pressione nominale) con temperatura da 300 e 400 °C per fluidi pericolosi e per fluidi pericolosi a temperature maggiori di 120°C.

La PN è usata principalmente negli standard europei (DIN, EN, BS, ISO); nel sistema standard americano si impiega la classe di pressione LB (libra):

• Intervallo di pressione: 75LB, 150LB, 300LB, 400LB, 600LB, 900LB, 1500LB, 2500LB.
• LB designava la scala di pesatura ma al tempo stesso anche la scala di valore monetario, ancora oggi nella lingua inglese si usa pound che indica sia la libra che la lira sterlina.

Diametro nominale, pressione nominale e spessore

Nel piping due elementi per essere accoppiabili devono avere il medesimo DN e la medesima PN: PN e DN sono molto importanti per il calcolo dello spessore s della tubatura utile alla stima della resistenza meccanica e alla corrosione → Formula di Mariotte.

Materiali metallici piping

• Ghisa sferoidale: impiegata nella produzione di tubi per il trasporto di acqua potabile (direttiva 98/83/CE), per impianti destinati all’approvvigionamento idrico tra DN65 e DN1000. È un materiale molto affidabile e permette interramenti anche in terreni aggressivi senza particolari protezioni da prendere sul sito, aumentando la durata della vita delle condotte (norma EN 545 per specifica requisiti). La ghisa è fragile ed è difficile gestire percorsi complessi, ma è un materiale solido e affidabile, resistente alla corrosione.
• Acciaio: grande resistenza unita alla tenacità consente di sopportare elevati valori di sollecitazioni addizionali (colpo di ariete, cedimenti di appoggi, vibrazioni, scosse telluriche). Buona affidabilità nel tempo dovuta alla conservazione delle caratteristiche meccaniche e tecnologiche tipiche anche in presenza di variazioni più o meno cicliche delle condizioni, garantendo e mantenendo sempre elevati i fattori di sicurezza. Massima adattabilità ai percorsi (per tutti i tipi di tracciati), costo e peso per unità di lunghezza inferiori rispetto alla ghisa.

Ci sono diverse classi di acciai, che dipendono dal tipo di servizio (classi di tubi diversi a seconda dell’impiego):

1. Classe commerciale: tubi senza saldatura prodotti tramite laminazione a caldo o trafilatura a freddo con successivo trattamento termico, per impieghi generali e scambiatori di calore, tubi saldabili o filettabili per trasporto gas.
2. Classe per applicazioni meccaniche: impieghi nell’ambito delle lavorazioni meccaniche utensili tramite asportazioni di truciolo.
3. Classe speciale: elevata resistenza meccanica realizzati in acciai speciali legati con aggiunta di Si, Mn, Cr, Mo e Ni, in composizione variabile.

Norma UNI EN 10224: procedure per la certificazione dei tubi di acciaio per il convogliamento di liquidi.

Materiali plastici

• Cloruro di polivinile PVC: non adatti per pressioni di esercizio superiori a PN16 e per temperature superiori a 60°C o per frequenti variazioni di temperatura.
  • Scarichi civili e industriali non in pressione conformi alla norma UNI EN1401-1 (colore mattone).
  • Condotte in pressione (acquedotti e irrigazione) conformi alla norma UNI EN ISO1452 (colore grigio).
  • Pozzi (colore azzurro).
• Polietilene ad alta intensità HDPE
  • Superficie estremamente liscia, bassa formazione di incrostazioni.
  • Trasporto e la distribuzione di acqua potabile o da potabilizzare – colore nero con strisce blu o di colore blu per condotte interrate.
  • Distribuzione di gas combustibili (metano, propano, GPL), in conformità agli standard UNI EN 1555 ed ISO 4437 – colore nero con strisce giallo-arancione o di colore arancio per condotte interrate.
• Polietilene a bassa densità LDPE o PEBD
  • Non adatte per il trasporto e la distribuzione di acqua potabile.
  • Negli impianti antincendio, per usi industriali e in tutte le applicazioni che richiedono condizioni di esercizio costantemente in pressione.
  • Sistemi di irrigazione fissi e mobili in agricoltura ed orticoltura – colore nero con strisce identificative verdi (Norme UNI 7990 ed ISO 8779).
• Polipropilene PP (Fondata, Natta, Ziegler Nobel per la chimica)
  • Ottime proprietà dielettriche.
  • Scarico di acque reflue e piovane all’interno di fabbricati adibiti ad uso civile e industriale o per la ventilazione di impianti di scarico.
• Polipropilene rinforzato multistrato PP-RCT
  • Trasporto acqua calda e fredda, sistemi di riscaldamento centralizzati, sistemi di rinfrescamento, distribuzione sanitaria e aria compressa.
• Resina poliestere rinforzata con fibre di vetro PRFV (vetroresina)
  • Peso limitato, lunga durata (rispetto a propilene e polipropilene), resistenza ai raggi UV, limitate perdite di carico.
  • Condotte di reti fognarie e di drenaggio, sistemi di accumulo anche per DN di elevate dimensioni.

Materiali cementizi

Hanno maggiore fragilità, minori caratteristiche meccaniche e idrauliche rispetto all’acciaio. Sono utilizzati per lo smaltimento di acque reflue. In aggiunta al colore, si utilizzano anche dei simboli per maggiore sicurezza.

Colore dei tubi

Sistema di etichettatura per sostanze chimiche pericolose. Il sistema GHS – globally harmonized system of classification and labelling of chemicals è utilizzato maggiormente per impianti chimici, poiché si usano le sostanze più pericolose.

Giunti, raccordi, guarnizioni

Sono gli elementi che permettono il collegamento delle parti, quindi realizzare il percorso che il piping deve coprire. Si possono distinguere:

• Collegamenti fissi: irreversibili, irremovibili una volta saldati, la saldatura può essere effettuata apportando del materiale estraneo, in questo caso viene chiamata saldatura eterogena o brasatura. Se il materiale appartiene alle parti da unire si parla di saldatura autogena. La brasatura è usata prevalentemente per materiali metallici: la norma EN 10253 per raccordi a saldare in acciaio al carbonio e in acciaio inossidabile; per materiali plastici (PP, PVC) si usa invece l’incollaggio.
• Collegamenti rimovibili: reversibili, collegamenti che possono essere rimossi senza alterare o danneggiare la struttura delle parti collegate;
  • Collegamento rimovibile mediante giunto a bicchiere.
  • Collegamento rimovibile mediante flange, il numero di fori è standard (N° fori di 4 in 4 in funzione del DN e della PN (UNI EN 1092-1)).
  • Collegamento a manicotto, filettati all’interno, utilizzato per diametri nominali piccoli (materiali metallici).
  • Collegamento mediante giunto a compressione in PP, per condotte con fluidi in pressione, sono utilizzati per esempio per distribuire dell’acqua, irrigatori, per temperature basse e pressioni basse (per tubi in PE per condotte di fluidi in pressione (PN <= 10)).
  • Collegamento mediante compensatori di dilatazione: per elevate temperature, l’acciaio ha un coefficiente di dilatazione termica elevato quindi, per temperature molto alte, il condotto tende a dilatarsi. Se le dilatazioni non venissero compensate, i punti di ancoraggio potrebbero deformare la tubazione fino a portare alla rottura, si introducono quindi giunti compensatori che contrastano la dilatazione (e compressione).
• Guarnizioni industriali: ci sono tanti tipi di materiali e tipologia di applicazione, possono essere di materiale plastico o metallo plastico, sono molto versatili e sono necessari laddove ci sono delle irregolarità sulle superfici di tenuta, per evitare fuoriuscite o perdite; esempi sono:
  • Guarnizioni ad anello o ring joint
  • Spiro metalliche o baderne (sono avvolte a spirale con riempimento a grafite: usate quando ci sono importanti sollecitazioni di temperatura).

Progettazione di un circuito di distribuzione fluidi - criteri di progetto

Perdite di carico distribuite (lineari)

La progettazione del piping ha l’obiettivo di dimensionare correttamente i parametri fisici, valore nominale di diametro e pressione, cercando di scegliere un costo che sia il giusto compromesso tra costi fissi e costi variabili. Le perdite lineari sono le perdite di pressione legate all’attrito, infatti le superfici interne non sono ad attrito nullo. Per certi materiali come metalli o vetroresina abbiamo rugosità basse, per altri materiali invece la rugosità è maggiore: tanto più è elevata la rugosità di un materiale maggiore è l’attrito. Il modo più comodo per stimare le perdite di carico è il nomogramma, uno strumento che consente di stimare le perdite di carico distribuite per unità di lunghezza del tratto lineare.

• Le rette in rosso indicano diametro costante (espresse in pollici)
• Le rette in blu indicano velocità costante, fissata la portata, diametro e velocità sono sempre legati

Scelta una certa portata, dato un diametro costante: le rette si intersecano in un punto che corrisponde alle perdite di carico su quel tratto (mca/m, millimetro di colonna d’acqua).

Perdite di carico concentrate (o accidentali)

Altre perdite di pressione che troviamo sono quelle che corrispondono agli elementi di raccordo, giunzioni, etc., nel passare attraverso questi elementi: si parla di carico accidentali o concentrate, perché sono localizzate nel punto in cui troviamo questi accidenti. Ogni tipo di elemento che incontriamo ha la sua specifica perdita di calcolo. In questo caso il dimensionamento analitico è facile: bisogna conoscere il valore del coefficiente di attrito, il calcolo dipende dalla disponibilità di quei valori.

1. Si calcola la portata per ogni tratto 1-2.
2. Le portate di ogni tratto risultano uguali, il tratto di linea più sfavorito è 1-2-3-C.
3. I valori di buona progettazione della velocità dell’aria compressa sono ricompresi nell’intervallo 5-15 m/s. Utilizzando il diagramma, è possibile ricavare il diametro della tubazione e verificare a priori il valore della velocità, parliamo di velocità economica (perché è il miglior compromesso tra costi fissi che riguardano l’installazione del piping, e costi variabili che dipenderanno dall’uso fatto del piping): si entra in orizzontale con la portata A ed in verticale con la pressione p (B) e si ricava il punto C; da C si segue una linea obliqua fin verso D, nota la lunghezza del tratto di tubazione E si ricava il punto F, da cui proseguendo lungo la linea obliqua si sceglie il diametro G al fine di garantire una caduta di pressione lineare adeguata I.
4. Verificare che una volta ipotizzato il diametro, la velocità ricada all’interno dell’intervallo della velocità economica. Si approssima il comportamento dell’aria compressa come un gas perfetto, con densità costante proporzionale alla pressione (vogliamo la portata volumetrica). La velocità effettiva nei condotti andrà calcolata usufruendo della precedente relazione, e come anticipato per buona norma progettuale deve ricadere nell’intervallo 5-15 m/s.

Osservazioni: ipotesi semplificative

• Si può trascurare il termine Tcomp/Tatm, quindi l’innalzamento della temperatura dovuto alla compressione, infatti tale rapporto vale circa 1.
• Non considerare il fattore correttivo dovuto alla presenza di umidità relativa nelle condizioni nominali in aspirazione, indicando con “phi” (%) l’umidità relativa dell’aria con pvap la pressione parziale del vapore acqueo saturo alla temperatura di aspirazione (Pa assoluti).

Dimensionamento dei rami del circuito

Tratto 1-2, Qatm= Q1-2= 10 Nm³/min, scegliamo DN 80, L=200 m, si ha un valore stimato di caduta di portata di circa 0.009 bar (diagramma), la velocità effettiva dell’aria compressa nel tratto 1-2 risultante: rientra nei limiti 5-15 m/s. (Tutti gli altri rami si dimensionano allo stesso modo).

Per le perdite concentrate si utilizzano le tabelle. Le accidentalità devono essere calcolate su ogni tratto specifico (variano di tratto in tratto). In ogni circuito viene evidenziato il ramo principale, ovvero il tratto di piping che rappresenta l’utenza più sfavorita: percorso più lungo, con più accidentalità, ecc. In questo caso il ramo principale è quello con DN80-65-50-50; restano fuori i due altri tratti, rami secondari, che sono DN25 e DN25. Si fa la verifica quando il fluido di servizio non ha particolari imbarazzi, quando percorre tutti i tratti del percorso di piping APtot 2a (secondario) <= APtot 2c (principale) condizione di bilanciamento: siamo certi che l’aria compressa può viaggiare sia nel ramo secondario che in quello principale, quindi devono essere circa uguali, ovvero dello stesso ordine di grandezza. Serve per evitare che ci siano utenze favorite e sfavorite. Quindi per ogni punto di diramazione del ramo principale, ove si origina un ramo secondario, verificare che le perdite di carico sul ramo secondario siano comparabili con le perdite di carico del tratto di ramo principale seguente, ossia “a valle” della diramazione.

Le valvole

Si possono introdurre delle valvole per bilanciare le perdite di carico, introducendo delle perdite di carico lungo il circuito.

• Valvole a saracinesca o ad intercettazione: servono per sezionare un tratto di un circuito, sono le più utilizzate perché c’è quasi sempre la necessità di dover isolare un tratto, sono costituite da un semplice otturatore che viene comandato da un volantino che regola la discesa (chiuso) o la salita (apertura) dell’otturatore, che determina valvola chiusa e valvola aperta.