Studio del danneggiamento meccanico di tubi per gasdotti mediante tecniche di reverse engineering

CAPITOLO 1. ANALISI DEL PROBLEMA. 
La presenza di ammaccature macroscopiche (bugne) sulle superfici delle 
tubazioni è un fenomeno piuttosto comune, la cui causa è da associare in larga 
misura ad urti accidentali esterni (in particolare legati all’azione di macchine per 
il movimento terra), a carichi imprevisti originati dai movimenti del terreno nel 
quale è posata la tubazione oppure dalla interazione con rocce localizzate in 
prossimità della linea. 
Gli esercenti delle linee di trasporto di gas hanno come principale obiettivo 
quello di assicurare l’integrità strutturale dei metanodotti, al fine di realizzare 
elevati standard di sicurezza e garantire la massima continuità del servizio.  
In quest’ottica è importante riuscire a valutare la gravità del danneggiamento 
inferto alle tubazioni da urti accidentali e programmare i necessari interventi di 
controllo, manutenzione o sostituzione della tratta. 
Se non si procede a una riparazione tempestiva, infatti, si può assistere al 
collasso della struttura, soprattutto quando siano contemporaneamente presenti 
fenomeni di corrosione, di fatica e incrementi di pressione interna che 
provocano la ciclica riespulsione e formazione della bugna (pressurecycle 
fatigue [1]). 
Il principale obiettivo di una valutazione preventiva è quindi proprio quello di 
evitare possibili rotture dagli effetti disastrosi. 
Lo scoppio accidentale di una tubazione in pressione, infatti, può causare ingenti 
problemi di sicurezza nonchØ gravi danni alle persone, come avvenne il 30 
luglio del 2004 in Belgio quando l’esplosione di un tubo in pressione (70 bar) 
della Fluxys, provocò la morte di 15 persone ed oltre 200 feriti [2]. 
I gasdotti sono realizzati per mezzo di tubi di acciaio di grande diametro (d ), di 
e
varia tipologia e differenti spessori (s), dimensionati sulla base della quantità di 
gas da trasportare e delle pressioni di esercizio nominali (p), secondo la 
relazione:   
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d
e
s = p
 
2
amm
Dove è la tensione circonferenziale ammessa durante l’esercizio della linea 
amm
e varia a seconda della normativa applicata. 
Come accennato, tra le numerose possibili cause che portano un gasdotto ad 
andare fuori servizio, quelle riconducibili ad interazione con cause esterne, sono 
le piø frequenti, come si evidenzia nella Figura 1e nella relativa Tabella 1[3]. 
Altro
Hot tap fatti per errore
Movimenti del terreno
Corrosione
Difetti di costruzione /
cedimento del materiale
Danneggiamento
meccanico
0 10 20 30 40 50 60
Percentuale
Figura 1. Frequenza e cause di fermo per linee di gas metano. 
Tabella 1. Cause di incidenti in percentuale. 
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La Tabella 2 e la Figura 2 indicano quali sono le attività che in misura maggiore 
sono causa di danneggiamento meccanico. 
Lavori di drenaggio
Agricoltura
Lavori pubblici
Lavori di superficie
Scavi
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Percentuale
Figura 2. Principali attività che causano il danneggiamento meccanico. 
Tabella 2. Principali attività che causano il danneggiamento meccanico [3]. 
 
Le statistiche appena illustrate sono valide sia per quanto riguarda il periodo di 
osservazione del quinquennio 2003 – 2007, ma anche per gli anni precedenti e 
fino al 1970, primi anni cui si riferisce il database. Ovviamente le percentuali 
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sono diverse, e anche la frequenza degli incidenti è diminuita, ma la ripartizione 
delle cause non è variata in modo sensibile. 
Anche P. Hopkins, in [4], conferma questi stessi risultati. 
I dati elaborati nel presente lavoro sono stati forniti dal Centro Sviluppo 
Materiali che da anni è impegnato nella messa a punto di prove di 
danneggiamento e resistenza su scala reale e che si è reso disponibile ad una 
consistente collaborazione volta allo sviluppo di una procedura di analisi e 
prevenzione [5]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1.1 - SIMULATOR: LA MACCHINA IMPATTANTE. 
 
Negli ultimi anni, il Centro Sviluppo Materiali S.p.A. ha portato a termine 
numerosi progetti di ricerca volti allo studio dell’interazione tra escavatori e 
tubazioni interrate. 
In quest’ambito sono state studiate, in modo molto accurato, diverse tipologie di 
escavatori, suddividendole in tre macrocategorie, in base al loro peso: 
• piccoli  circa 13 ton 
• medi circa 22 ton 
• grandi circa 33 ton  
Questa distinzione è dettata dal fatto che la forza massima sviluppabile dagli 
escavatori può essere relazionata in modo semplice e diretto alla loro massa [6]. 
In Figura 3 viene mostrato un escavatore di tipo classico. 
  
Figura 3. Escavatore. 
Al fine di conoscere bene il comportamento dinamico degli escavatori, alcuni di 
essi, rappresentativi delle categorie su individuate, sono stati strumentati con 
l’inserimento di: 
• una cella di carico 3D posta in prossimità della punta dei denti per 
ottenere informazioni sulle forze scambiate; 
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• sensori angolari tra i bracci mobili per ottenere informazioni sulle velocità 
angolari e sulla velocità del dente;  
• trasduttori di pressione in ogni martinetto idraulico, per valutare eventuali 
insorgenze di instabilità dovute al raggiungimento della pressione 
massima; 
• sensori di movimento sul corpo dell’escavatore per rilevare eventuali 
instabilità dovute allo slittamento dei cingoli sulla terra o al sollevamento 
del corpo della macchina a causa di ingenti reazioni verticali. 
In tutti i casi d’instabilità la forza massima che si misura sul dente risulta 
fortemente limitata. 
Le prove sperimentali su escavatori reali hanno evidenziato che l'operazione di 
scavo può essere generalmente suddivisa in due fasi ben distinte tra loro (Figura 
4): 
Figura 4. Posizionamento e Penetrazione. 
1. Posizionamento. 
In questa fase il movimento è essenzialmente dovuto all’avambraccio di 
sollevamento (boom) e la velocità del dente di benna può variare a 
seconda delle necessità, ma è generalmente inferiore a 1 m/s. In 
particolari situazioni questa fase può essere utilizzata per rompere degli 
ostacoli (sassi-cemento): in questi casi la velocità d'impatto aumenta fino 
a circa 3,6 m/s, si raggiungono valori elevati di forza di impatto dinamico 
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ed il dente, se si trova a contatto con un tubo, riesce a creare facilmente la 
bugna (Figura 5). 
Figura 5. Posizionamento. 
2. Penetrazione.  
Il movimento è essenzialmente composto di un’azione a due fasi: prima si 
muove il braccio penetrante e poi la benna. Durante queste azioni la 
velocità del dente rimane generalmente bassa, nell’ordine di 0,5-1,5 m/s, 
ed il valore piø elevato è associato al movimento del braccio. In questa 
fase si realizza la maggior parte della lunghezza del graffio; la forza 
massima alla punta del dente può essere limitata da instabilità dinamiche 
o dal raggiungimento della massima pressione nei martinetti del braccio 
(Figura 6). 
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Figura 6. Penetrazione. 
Dall’analisi dei danneggiamenti effettuati sul campo risulta ben evidente la 
tendenza della benna a deviare dal piano verticale contenente i due bracci; si 
assiste infatti ad una traslazione su un asse trasversale il cui risultato è un graffio 
molto ondulato. 
Osservando l’andamento delle forze nel danneggiamento di un tubo X60, 36” 
con spessore di 12mm per mezzo di un escavatore EX335 (35,6 ton) si riconosce 
che la forza verticale massima è associata alla fase di primo impatto e genera 
sostanzialmente la bugna piø grave, mentre, forze piø modeste associate a 
velocità piø basse sono responsabili della fase di penetrazione e creazione del 
graffio (Figura 7).  
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Figura 7. Forza-tempo. 
Ne deriva che durante il danneggiamento la bugna venga creata, nella prima 
fase, essenzialmente da un movimento verticale del dente dovuto all’azione 
dell’avambraccio di sollevamento; il graffio viene invece creato nella seconda 
fase, con un movimento longitudinale operato in modo concomitante dal braccio 
e dalla benna.   
Ovviamente esistono molti altri modi di danneggiare una tubazione, ma quella 
appena descritta è una condizione sufficientemente rappresentativa di una 
aggressione molto severa, con contemporanea presenza di bugna e graffio.  
Nelle prove in scala reale, per simulare le normali condizioni operative della 
macchina, il tubo è stato posizionato 1,5m al di sotto del livello della base 
dell’escavatore (p in fig. 16) e ad una distanza da esso di 7,5m (d in Figura 8). 
 
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Figura 8. Distanza di prova. 
La forza verticale massima nel punto di impatto cresce con la distanza 
dall’escavatore in quanto aumenta la velocità periferica del dente e quindi la sua 
energia cinetica (Figura 9). 
Figura 9. Forza-distanza. 
 
I risultati di tali test possono essere quindi utilizzati per valutare in che modo 
una specifica classe di escavatori è in grado di danneggiare una data tubazione 
pressurizzata. 
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