PARTE I - PROGETTAZIONE PIPING
PARTE I - Progettazione piping
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1 INTRODUZIONE ALLA PROGETTAZIONE
1.1 CAMPO DI INTERESSE
Visto il particolare interesse strategico-economico che concerne il campo petrolchimico,
diviene sempre più indispensabile spingere al limite la progettazione. Volendo prevalere
nella sfida del mercato globale si richiedono agli impianti prestazioni sempre più elevate,
alla ricerca di un’ottimizzazione del rapporto produzione-costi.
Anche la progettazione piping vede uno sviluppo orientato verso prestazioni che tendono
a raggiungere sempre nuovi limiti. Si pone quindi la necessità di creare sistemi di adduzione
fluidi aventi caratteristiche sempre più gravose da supportare da svariati punti di vista, come
quello dimensionale o l’operare a temperature sempre più estreme.
In questo scenario rientra la progettazione del seguente impianto piping che ha la
funzione di collegamento tra un forno ed un reattore, con la necessità di trasportare una
grande quantità di fluido di processo con temperatura dell’ordine dei 650°C.
Le peculiari caratteristiche operative in gioco pongono importanti difficoltà tecniche alle
odierne società d’ingegneria, non solamente da un punto di vista del design, ma anche nella
fabbricazione stessa. La seguente trattazione abbraccerà tutti gli aspetti fondamentali della
progettazione, dal design alla definizione della supporteria, dalla stress analysis alla
fabbricazione:
⇒ Design
• Selezione del materiale
• Selezione del diametro
• Selezione dello spessore
• Layout
• Supporteria
⇒ Verifiche
• Stress analysis
• Perdite di carico
• Isolamento termico
⇒ Fabbricazione
⇒ NDE
PARTE I - Progettazione piping
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1.2 DATI DI INPUT
Tutte le informazioni di input necessarie per la progettazione della tubazione sono rese
disponibili dalle documentazioni redatte da vari dipartimenti ingegneristici. In particolare per
la seguente sono stati analizzati i seguenti documenti (tab. 1.1).
Tab. 1.1 – Docu mentazione di input
Document From
Fluid List Process Engineering Department
Process Flow Diagram (PFD) Process Engineering Department
Preliminary Piping and Instrument Diagram (P&ID) Process Engineering Department
Heater Data Sheet Equipment Department
Reactor Data Sheet Equipment Department
PLOT PLAN Plant Design & Piping Department
Vista l’impossibilità di mostrare suddetti documenti dettagliati (perché riservati), sono
state estratte tutte le informazioni utili ai fini di questo lavoro:
Condizioni operative
Composizione del fluido H
2
, CO
2
, CH
4
, Ar, H
2
O, tracce di
NH3, He, possibile presenza di
altri idrocarburi
Portata 198553 kg/h
Temperatura 650 °C
Pressione 31 bar
Stato della materia Aeriforme
Peso molecolare 16.59 kg/kmol
Densità 6.74 kg/m
3
Viscosità 0.0289 cP
Capacità termica 56.84 KJ/°K
Conducibilità termica 0.133 W/m°C
Punto di rugiada 180 °C
Condizioni di design
Temperatura di design 675 °C
Pressione di design 35 bar
Vita operativa 20 anni
Condizioni ambientali
Temperatura
Inverno, minima registrata 4 °C
Estate, massima registrata 49 °C
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Condizione di design 43 °C
Radiazione solare 970 W/m
2
Umidità relativa
Estate, media 65%
Inverno, media 88%
Condizione di design hold
Velocità del vento e direzione prevalente
Massima velocità (raffica di 3 s) 44 m/s
Massima velocità media (per un’ora) 29 m/s
Direzione prevalente N-NW
Tipo di aria circostante Tempeste di sabbia frequenti
Dimensione delle particelle di polvere/sabbia 0.001-0.3 mm
Precipitazioni
Massimo mensile 39 mm
Massimo in 24 ore 48 mm
Intensità di design (una volta in 2 anni) 12 mm/h
Design di ritenzione delle acque oleose 10 min
Pressione barometrica
Media estiva 995 mbar
Media invernale 1020 mbar
Pressione di design 1013 mbar
Evento sismico (terremoto)
Assenti
Specifiche richieste
Massima caduta di pressione ammessa 0.5 bar
Heat flow limit 75 BTU/h/ft
2
T
max
esterna alla tubazione 60 °C
Condizioni ammissibili bocchelli vedere tabella 3.10
Layout
Per la planimetria ed il layout fare riferimento al paragrafo 2.4.
Normative
Considerata la tipologia di processo e l’ubicazione dell’impianto si fa riferimento
alla normativa di Process Piping ASME B31.3 [1].
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2 DESIGN
2.1 SELEZIONE DEL MATERIALE
La scelta del materiale può essere effettuata seguendo diversi criteri. Un metodo, ad
esempio, considera le diverse tensioni ammissibili valutate alla temperatura di progetto:
resistenza a trazione, carico di snervamento, resistenza a creep e/o resistenza a rottura con
relativi fattori di sicurezza [2]. Questo metodo non tiene conto delle interazioni ambientali,
effetti d’invecchiamento causati da una lunga esposizione alle alte temperature, o la
potenziale interazione di fatica e creep. Un’altra metodologia di progettazione si basa sulla
definizione di massima temperatura ammissibile di creep o di rottura.
Nella linea presa in esame la selezione del materiale è compiuta attraverso una selezione
tra le leghe più economiche in grado di rispettare le specifiche richieste (par. 2.1.1), le quali
vagliano esclusivamente gli aspetti fondamentali che determinano l’effettiva impiegabilità di
un materiale: la resistenza a corrosione e la resistenza meccanica alla temperatura operativa
di progetto. Difatti è proprio l’alta temperatura in gioco la prerogativa che impone un’attenta
valutazione nella scelta del materiale.
Partendo dai dati di input (composizione del fluido trasportato, condizioni ambientali,
temperatura operante e pressioni in gioco) è possibile ottenere un paniere di materiali
adoperabili per la realizzazione della linea.
In questa fase sono considerati solo in maniera marginale altri fattori essenziali per una
definitiva scelta, quali: reperibilità, saldabilità, costi di manutenzione, costi di montaggio,
ecc.; ma la preselezione del materiale si limita ad esaminare gli aspetti essenziali di
resistenza a corrosione e di resistenza meccanica che consentono di effettuare una prima
scelta. Segue poi, tra i materiali che soddisfano i requisiti in precedenza espressi, una scala di
economicità.
2.1.1 SPECIFICHE RICHIESTE
- Resistenza a corrosione: è richiesta completa assenza di corrosione generalizzata
durante l’intera vita operativa.
Come pratica industriale è solitamente tollerato un limite di 6 mm di sovraspessore
di corrosione durante la vita operativa dell’impianto, ma nella presente linea non è
PARTE I - Progettazione piping
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tollerata alcuna presenza di ossidi di metallo nel fluido per rischio di avvelenamento
dei catalizzatori del reattore.
- Resistenza meccanica: vista l’importante degradazione che i materiali sono soliti
subire alle alte temperature, si ricerca una lega che mantenga una soddisfacente
1
resistenza meccanica alla temperatura di design di 675 °C.
2.1.2 CORROSIONE
La corrosione alle alte temperature gioca un ruolo fondamentale nella selezione del
materiale per la costruzione di apparecchiature industriali. Le principali forme di corrosione
alle alte temperature, che generalmente portano ingenti problematiche agli impianti, sono:
l’ossidazione, la carburazione, la nitrurazione, la corrosione ad alta temperatura, la
corrosione da sali fusi, la corrosione da metallo fuso [3].
Sono esposti, in via preliminare, gli aspetti della corrosione di interesse per la
progettazione della linea.
L’ossidazione è la reazione di corrosione più importante alle alte temperature, infatti i
metalli o le leghe sono ossidate quando scaldate ad elevate temperature in aria o in ambienti
ossidanti. Sebbene le leghe, in particolare negli ambienti ossidanti, siano ossidate
dall’ossigeno (O
2
), altri prodotti di combustione possono giocare un ruolo fondamentale
nell’influenzare il comportamento ossidativo, come l’H
2
O o CO
2
e altri composti ossigenati
presenti nel fluido trasportato. Con l’aumentare della temperatura la velocità di ossidazione
aumenta in funzione della lega selezionata.
A volte alcuni alliganti riescono ad arrestare o rallentare il processo di ossidazione
sviluppando uno strato di ossido protettivo. Infatti, gli ossidi di cromo, alluminio, silicio,
sono molto più stabili di quelli di ferro, nichel, cobalto; pertanto, se la concentrazione di
alligante è sufficientemente elevata, si può produrre uno strato di ossido esterno protettivo (si
parla di passaggio da internal oxidation ad external oxidation
2
). Protezione data ad esempio
dal Cr
2
O
3
o dall’ossido di Al (Al
2
O
3
), composti adottati abitualmente per le alte T.
Inoltre le leghe sono spesso suscettibili alla carburazione quando esposte ad ambienti
contenenti CO, CH
4
, o altri idrocarburi gassosi ad elevate temperature. La carburazione
1
Risulta ‘soddisfacente’ se in tutte le condizioni operative i carichi risultano minori della resistenza
del materiale alla temperatura data (per tutte le verifiche necessarie vedere il paragrafo 3.1).
2
Processo definito di selective oxidation, che trasforma un’inizale ossidazione disomogenea in
un’ossidazione selettiva e permette la formazione di uno strato di ossido esterno protettivo che evita
l’ossidazione del materiale sottostante.
PARTE I - Progettazione piping
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solitamente si esprime attraverso la formazione di carburi interni alla matrice, in particolare
nei bordi di grano, che causano embrittlement
3
e degradazione di altre proprietà meccaniche.
Infine, nella linea oggetto di studio non si ha presenza di elementi come zolfo, azoto,
alogeni e altri che possono produrre altri tipi di corrosione ad alta temperatura.
2.1.3 RESISTENZA MECCANICA
La valutazione della resistenza meccanica è resa possibile analizzando la tensione
ammissibile alla temperatura di esercizio di differenti materiali, considerando i dati forniti
dalla normativa di riferimento [1]. Naturalmente non è una considerazione che prende in
esame tutti i materiali esistenti, ma una scelta tra famiglie di materiali aventi caratteristiche
simili.
Per quanto concerne la resistenza dei materiali alle alte temperature bisognerebbe anche
tener conto di come il materiale si trasforma (metallurgicamente e fisicamente). Infatti
possono subentrare tutta una serie di altri fattori, come ad esempio il comportamento al
creep, che devono essere presi in esame per una corretta progettazione meccanica (in questa
fase molte considerazioni sono omesse, ma sono riproposte nella Parte II).
2.1.4 MATERIALI IMPIEGABILI
Viene esposto un breve confronto sulle famiglie di materiali commercialmente più
adottati.
Il carbon steel è l’acciaio più economico e sicuramente il più usato, anche per le medio-
alte temperature, ma solitamente non è adoperato per utilizzi a temperature superiori ai
425°C. Valore limite per non avere eccessiva velocità di ossidazione e rischio di
grafitizzazione, poiché più alte sono le temperature in gioco più veloce sono l’ossidazione e
la degradazione delle proprietà meccaniche [3].
Quindi si ha la necessità di adoperare acciai legati per aumentare sia la resistenza
all’ossidazione che quella meccanica alle alte temperature. (Per di più quando vi è la
necessità di evitare la carburazione sono ampiamente usate leghe di Fe-Ni-Cr per
apparecchiature di processo nell’industria petrolchimica, anche con altri elementi di lega
come il niobio, tungsteno, molibdeno, ecc.). Mentre le leghe al Cr-Mo sono migliori alle alte
temperature per la resistenza meccanica e al creep, quelle al Cr-Si ottengono una migliore
3
Perdita di duttilità del materiale che diventa fragile (brittle) che può essere causato da diversi fattori,
come i più conosciuti: infragilimento da idrogeno o da idrogeno solforato.
PARTE I - Progettazione piping
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resistenza all’ossidazione. Inoltre, con l’aggiunta di un consistente quantitativo di elementi di
lega si ottengono gli stainless steel (o acciai inossidabili, per definizione contenenti un
minimo di 11%
4
di Cr), i quali sono ampiamente utilizzati per applicazioni ad alte
temperature quando i carbon steel e i low-alloy steel non forniscono un’adeguata resistenza
alla corrosione e/o meccanica.
Gli stainless steel possiedono un’alta resistenza alla corrosione ottenuta da un sottile
strato di ossido di cromo che protegge l’acciaio sottostante e capace di rigenerarsi in
un’ampia varietà di ambienti. Tra le varie tipologie di stainless steel, per la realizzazione di
tubazioni operanti a temperature dell’ordine dei 650°C, sono solitamente adoperati quelli di
tipo austenitico, caratterizzati, oltre che dalla presenza di cromo, da alti tenori di nichel. Il
nichel, infatti, essendo elemento austenitizzante, ha l’effetto di allargare il campo di
esistenza dell’austenite ed aumentare la stabilità di questa fase allotropica anche alle basse
temperature.
Gli acciai inossidabili austenitici, pertanto, si distinguono per la loro particolare
composizione chimica e la loro struttura, le quali gli conferiscono loro una resistenza
meccanica a caldo che ne permette l’utilizzo a temperature nettamente superiori a quelle
d’impiego di tutti gli acciai bassolegati. Inoltre la loro saldabilità, che sarà trattata in
dettaglio in seguito (Parte II), non richiede né preriscaldi né, di regola, trattamenti termici
postsaldatura [4].
Infine, una miglior resistenza alla corrosione e meccanica alle alte temperature può essere
ottenuta con l’impiego di leghe di nichel o superleghe.
È proposta un’immagine riassuntiva con le leghe comunemente utilizzate per applicazioni
industriali, esposte in ordine crescente di costo. Inoltre sono messe in evidenza le tipologie di
lega impiegabili in questa linea piping (fig. 2.1).
4
Tutte le composizioni di leghe esposte in questa trattazione sono espresse in peso percentuale.
PARTE I - Progettazione piping
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Fig. 2.1 – Materiali metallici co muni in ordine di costo
Non sono impiegabili i carbon steel e i bassolegati per un’insufficiente resistenza
meccanica alla temperatura di design (oltre al fatto che hanno una bassa resistenza a
corrosione). Gli stainless steel ferritici e martensitici non sono invece presi in considerazione
perché non impiegati per questo tipo di applicazioni. Infine i duplex non sono utilizzabili per
temperature superiori ai 300°C (per precipitazione di fasi intermetalliche).
Di conseguenza per la produzione della linea possono essere esaminati gli austenitic
stainless steel o le leghe di nichel. Le leghe di nichel hanno un costo maggiore, ma
caratteristiche meccaniche migliori, quindi la scelta sarà determinata come il miglior
compromesso tra costo della materia prima e la quantità di materiale da impiegare (infatti
con un materiale più resistente si possono impiegare spessori minori). Quindi, nella fase di
design, è selezionato il materiale che permette il maggior risparmio in termini di costo di
acquisto della tubazione.
Selezionate le due famiglie di leghe impiegabili, vista l’importanza della specifica linea
all’interno dell’impianto, si ricercano dei materiali con alte prestazioni all’interno dei due
gruppi: tra gli austenitici è stato selezionato il 347H
5
e tra le leghe di nickel l’N08811
(variante dell’Incoloy 800 con alto tenore di carbonio). La scelta del 347H è dovuta
soprattutto alla sua buona resistenza meccanica alle alte temperature e per l’ottima saldabilità
e resistenza alla sensibilizzazione, discorso approfondito meglio in seguito (Parte II). In
particolare si preferisce il 347 ad alto contenuto di carbonio per avere migliore resistenza a
creep alle alte temperature. L’Incoloy 800 è, invece, tra le leghe di nichel più utilizzate, con
ottime proprietà meccaniche. Nelle tabelle 2.1-2.2 sono esposte le proprietà di interesse delle
due leghe.
5
Denominazione ASTM.
PARTE I - Progettazione piping
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Tab. 2.1 – Co mposizione chimica d el 347H [5] e del N08811 [6]
347H
N08811
C
0.04-0.10
0.06-0.10
Mn
2.00
1.5*
P
0.45
0.040*
S Si Cr Ni Nb + Ta Al + Ti
0.030
0.015*
1.00*
1.0*
17.0-20.0
19.0-23.0
9.0-13.0
-
***
-
-
0.85-1.20
*Contenuto massimo.
**Contenuto minimo.
***Il contenuto deve essere non meno di otto volte il contenuto di carbonio e non più dell’1.00%.
Tab. 2.2 – Proprietà fisiche di interesse d el 347H [5] e N08811 [6]
Carico di rottura
[MPa]
Carico di
snervamento
[MPa]
Tensione
ammissibile a
675°C [MPa]
Coefficiente di
dilatazione termica
[m/m/(∆°C*10
-6
)]
347H
N08811
515
450
205
170
40.7
46.2
16.5
14.2
Per quanto riguarda l’aspetto economico, la lega di nichel arriva a costare circa dieci
volte
6
lo stainless steel. Di conseguenza, una volta scelto il diametro nominale, è valutato se
l’aumento di spessore del 347H sia giustificato dal minor costo della materia prima (Fig.
2.2), questo senza considerare tutta un’altra serie di fattori, come la scelta della supporteria e
delle saldature, che incidono sulla scelta finale (che comunque favoriscono l’impiego del
347H). S’impone che il percorso non cambi a seconda del materiale selezionato, quindi il
costo è direttamente proporzionale all’area della sezione del tubo.
Fig. 2.2 – Vantaggio econo mico nell’impiego di una lega
Vista la considerevole differenza di costo tra le due leghe, è di uso comune impiegare il
materiale meno nobile quando possibile, come difatti avviene nel presente caso. Tale scelta è
comunque giustificata e verificata al paragrafo 2.3.
6
Valore orientativo ottenuto da un’indagine di mercato su costi di tubazioni fabbricate con le leghe in
questione.
PARTE I - Progettazione piping
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2.1.5 MATERIALE IMPIEGATO
La tubazione sarà realizzata in 347H con standard di riferimento ASTM A358 [5]
(Standard Specification for Electric-Fusion-Welded Austenitic Chromium-Nickel Stainless
Steel Pipe for High-Temperature Service and General Applications), con classe 1: tubazione
double welded con metallo d’apporto in tutte le passate e completamente radiografato.
2.2 SELEZIONE DEL DIAMETRO
Nella scelta del diametro della tubazione si ricerca il miglior compromesso tra costo del
materiale e caduta di pressione. Infatti: (a) un diametro piccolo comporta minori costi di
approvvigionamento del materiale ma (b) maggiori velocità di attraversamento del fluido
inducono maggiori perdite di carico, per la cui minimizzazione sarebbe necessario impiegare
diametri maggiori (la portata è un dato di input del progetto).
Il procedimento di selezione è di tipo iterativo: viene scelta una velocità di
attraversamento del fluido , quindi calcolato il diametro (essendo la portata imposta), a
questo punto si effettua la verifica delle perdite di carico , possibile dopo la scelta del
percorso e della supporteria (fig. 2.3).
Fig. 2.3 – Ciclo iterativo p er la scelta del diametro
Poiché il fluido è in fase gassosa il processo consiglia di imporre una velocità di
percorrenza di 18-20 m/s. La standardizzazione dei componenti delle condutture secondo le
norme ANSI [1] impone come diametro nominale (Nominal Pipe Size - NPS) il diametro
esterno e si preferisce, esclusivamente per questa unità di misura, l’utilizzo del pollice.
Per la selezione del diametro è considerato trascurabile lo spessore della tubazione, quindi
si impone la minima velocità accettata (18 m/s), siccome la successiva scelta dello spessore
PARTE I - Progettazione piping
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comporta un leggero aumento dell’effettiva velocità di attraversamento del fluido nel
condotto.
Si risolve la (2.1) per ottenere il diametro desiderato, (imponendo trascurabile lo
spessore):
= (2.1)
= 4
(2.2)
portata volumetrica
area frontale della tubazione
diametro
7
velocità media del fluido
Si ottiene un diametro di 29.9”, quindi viene scelto il diametro di tubazione stardardizzato
più vicino a quello calcolato:
= "
2.3 SELEZIONE DELLO SPESSORE
Lo spessore minimo impiegabile , in accordo con la normativa B31.3 [1], è ottenuto
dalla relazione (2.3):
= + (2.3)
=
2( + )
(2.4)
Con l’espressione (2.4) valida per
> 6.
spessore minimo di progetto
spessore di progetto dato dalla pressione interna
tensione massima ammissibile alla temperatura di progetto
fattore di qualità della saldatura di fabbricazione della tubazione
fattore di riduzione di resistenza della saldatura
coefficiente di riduzione per collaborazione plastica, funzione del materiale e della
temperatura
pressione di design
sovraspessore di: tolleranza di lavorazione, corrosione, ulteriori lavorazioni
7
Ogni qual volta si parli di diametro, ci si riferisce al diametro esterno, tranne dove specificato
diversamente.
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