di Armando Morales

Un elemento fondamentale negli impianti sono le tubazioni per il trasporto di fluidi, nelle quali, dopo lo scambio energetico avvenuto nella pompa, scorrono fluidi di processo, fluidi di servizio oppure fluidi di scarico, a temperatura e pressione determinate.

Le tubazioni, o meglio il sistema di tubazione di un impianto deve rispondere ad una serie di requisiti fissati in funzione del fluido pompato e di altri fattori operativi di interesse tecnico; le tubazioni devono quindi essere scelte con rigore tecnico e con particolare attenzione ai vincoli economici del progetto. Bisogna considerare che sul sistema di tubazioni vengono installate le valvole, gli strumenti di misura e controllo dei processi.

Criteri di scelta delle tubazioni

I principali fattori da considerare nella scelta delle tubazioni per il trasporto dei fluidi sono:

1. Criterio di economicità (contenimento dei costi operativi in esercizio);
2. Materiale
3. Natura del fluido pompato (caratteristiche fisiche e chimiche del fluido)
4. La velocità del fluido trasportato;
5. Diametro nominale (DN);
6. Campo delle pressioni operative in esercizio.

Di seguito esaminiamo alcuni di questi fattori da considerare per orientare la scelta delle tubazioni.

Il criterio di economicità è fondamentale nella scelta delle tubazioni, perciò nel progetto occorre valutare i vari aspetti che entrano in gioco e trovare il compromesso che permetta di contenere i costi. Bisogna considerare che il costo delle tubazioni è associato al diametro delle tubazioni da scegliere e ci sono dei costi operativi associati al consumo energetico per il pompaggio di un determinato fluido.

Dunque, verificando l’andamento dei costi in funzione del diametro di tubo, occorre determinare la curva dei costi totali, identificando il costo minimo e, in corrispondenza di tale valore il diametro di tubo De (diametro economico).
Questo valore verrà approssimato al valore del diametro nominale (DN) convenzionale tabulato presente sulle norme, considerando il vincolo tecnico relativo alla portata target di progetto e avendo assunto il valore di velocità del fluido in funzione del tipo di fluido pompato.

In generale, come indicazione di massima, si può assumere:

• Per un liquido v = 1 m/s
• Per un gas v = 10 m/s
• Per il vapore acqueo v = 20 ÷ 30 m/s

Nella tabella 1 sono riportati le velocità massime ammesse impiegando come fluido l’acqua per tubi in acciaio zincato; i dati di velocità devono essere considerati per il calcolo del diametro Di (dimensionamento).

Dal grafico in Figura 1 si evince che un aumento del diametro comporta una crescita significativa del costo delle tubazioni, mentre, per effetto di una minore resistenza idraulica, diminuiscono i costi operativi in esercizio legati al consumo energetico per il pompaggio del fluido.
Viceversa, per diametri di tubazioni piccoli, diminuiscono i costi associati ai tubi da acquistare, ma aumentano significativamente i costi operativi in esercizio per il pompaggio del fluido.

Diversi tipi di tubazioni

Com’è noto, esistono tubi di ogni diametro e spessore. Queste possono essere filettate agli estremi oppure possono avere le estremità lisce, ovvero non filettate e fondamentalmente possono essere costruite di diversi materiali adatti per le diverse applicazioni. In commercio sono disponibili delle tubazioni costruite con diversi materiali; fondamentalmente i materiali di suddividono in materiali metallici e non metallici.
Tubazioni metalliche:

• Tubazioni in ghisa;
• Tubazioni in acciaio al carbonio zincato;
• Tubazioni in acciai legati;
• Tubazioni in materiali non ferrosi;
• Tubazioni metalliche rivestimento protettivo;
• Tubi bimetallici.

Tubazioni non metalliche:

• Tubazioni in cemento;
• Tubazioni in materie plastiche;
•  Tubazioni flessibili in gomma.

Dei materiali sopracitati, quelli che rivestono un maggiore interesse tecnico-applicativo sono le tubazioni in acciaio legato, quelle costruite in materiale bimetallico e quelle in materiale plastico.
Com’è noto, gli acciai legati presentano un vasto campo d’impiego sia a freddo che in temperatura, determinato dalle loro caratteristiche di elevata resistenza meccanica e alla corrosione.

I tubi in materiale bimetallico offrono una doppia protezione, nel senso che uno strato resiste alla corrosione (rame, alluminium-brass, titanio) e l’altro assorbe fondamentalmente le sollecitazioni meccaniche (acciaio inox, acciaio al carbonio, titanio); questi tipi di tubi sono molto diffusi per la costruzione di apparecchiature come gli scambiatori di calore.
Nella pratica tecnica vengono impiegati anche i tubi rivestiti internamente con materie plastiche, quali PVC, PE, PVDF in funzione delle caratteristiche del fluido da pompare e dei parametri operativi in esercizio, quali pressione e temperatura.
Sia i tubi rivestiti che quelli in materie plastiche vengono molto utilizzati nell’industria chimica.

Sotto vi presentiamo il campo di applicazione fondamentali per i tubi bimetallici:

• Scambiatori di calore per centrali elettriche, geotermiche, termoelettriche;
• Impianti ad alta corrosione come condensatori, evaporatori, acidi corrosivi,
  dissalatori;
• Impianti alimentari e criogenici;
• Industria chimica e petrolchimica.

Scelta delle tubazioni in relazione al fluido pompato

Nella scelta delle tubazioni, una variabile fondamentale è costituita dal tipo di fluido che deve essere pompato, dalle sue caratteristiche fisiche e chimiche, dal suo grado di contaminazione, ecc.; queste variabili incidono sui costi energetici e sui costi totali da sostenere e determinano il grado di protezione necessaria per evitare fenomeni di corrosione interna e di usura eccessiva dovuta all’azione chimica del fluido in pressione.

Un parametro operativo fondamentale è la pressione del fluido all’interno della tubazione, la quale è identificata come la pressione nominale PN, ovvero, la pressione convenzionale in funzione della quale vengono calcolati e verificati tutti gli elementi collegati alla tubazione come valvole, flange, raccordi, ecc.

Com’è noto, tale pressione viene determinata in base a quella effettiva di impiego, ma considera le condizioni reali di esercizio, come temperatura, grado di corrosività e pericolosità dei fluidi. La pressione nominale viene nominata con l’indicazione PN (norma UNI) seguita dal valore relativo, espresso in Kg/cm2 oppure in bar o qualsiasi altra misura della pressione come Psi.

I valori unificati relativi alle pressioni nominali PN sono disponibili per diverse condizioni operative di temperatura e di grado di aggressività dei fluidi; normalmente vengono indicati i valori relativi alla pressione di prova, i quali sono di riferimento per le prove di verifica dell’integrità strutturale e la tenuta delle tubazioni.

Per identificare al campo di pressioni interna per il quale può essere impiegato il tubo si utilizza lo Schedule Number il quale si determina come viene mostrato sotto.

dove :

P = pressione effettiva interna (psi)

K = carico di sicurezza del materiale a temperatura ambiente (psi)

Esiste la serie unificata degli schedule number da scegliere in funzione del valore calcolato secondo la normativa ANSI:
5 – 10- 20 – 30 – 40 – 60 – 80 – 100 – 120 – 140 – 160.