COMPENSATORI IN ACCIAIO INOX

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1 FIL-PEMTO S.p.A. (Div. GT FLEX) Sede operativa: Via Saronno, Caronno Pertusella (VA) Telefono: / Fax: commerciale@gtflex.eu Sito: COMPENSATORI IN Pagina 1 di 16

2 Scheda A GENERALITA E CARATTERISTICHE I compensatori di dilatazione sono elementi elastici costituiti nella loro parte fondamentale da un soffietto metallico multiparete, che permette di assorbire movimenti assiali, angolari e laterali, ma può essere utilizzato anche come antivibrante su motori o altri macchinari. ASSIALE LATERALE ANGOLARE Normalmente i compensatori di dilatazione vengono applicati su quelle tubazioni che a causa delle variazioni di temperatura, dilatano, provocando (se non compensate appunto) delle rotture o delle deformazioni alle tubazioni stesse o alle parti rigide ad esse collegate. La composizione del soffietto (inteso come N di pareti e spessore) varia in funzione della pressione nominale PN (pressione a 20 C); un PN 2,5 avrà meno pareti di un PN 10 e/o pareti con spessore inferiore. La costruzione dei soffietti con il metodo della multiparete garantisce al tempo stesso: - Una elevata resistenza alla pressione, in quanto tutte le pareti costituenti il soffietto, agiscono unitamente per contenerla. - Una elevata flessibilità, grazie al ridotto spessore delle singole pareti. Per un corretto dimensionamento del tipo di compensatore da utilizzare, è indispensabile conoscere esattamente le seguenti condizioni di esercizio: - Fluido convogliato - Massima pressione di esercizio (in caso di picchi, considerarli come tale). - Massima temperatura di esercizio (in caso di picchi, considerarli come tale). - Movimenti richiesti - Disposizione di guide e punti fissi - Altre forze agenti sul compensatore Infatti solo in questo modo è possibile garantire una lunga durata di lavoro al compensatore, evitando i vari fenomeni di instabilità quali: - Instabilità locale o di onda. - Instabilità assiale o di colonna. Pagina 2 di 16

3 Scheda B TEMPERATURA E PRESSIONE I compensatori sono stati progettati considerando la temperatura ambiente (20 C). Infatti la variazione di temperatura, come tutti sanno, è in grado di alterare le caratteristiche dei materiali, ed anche i compensatori, essendo in acciaio inox, diminuiscono la loro resistenza alla pressione, all aumentare della temperatura, secondo il coefficiente di correzione KP ; la stessa cosa è valida per i movimenti che può compensare coefficiente KC (vedi tabella a pagina 4 valida per l acciaio inox AISI 321). Nella tabella sono riportati oltre ai due coefficienti, altri valori indispensabili per determinare i due coefficienti menzionati: - E (Modulo di elasticità secondo EJMA ed. 93 Tab. 2 Sez. C). - Sa (Sollecitazione ammissibile del soffietto secondo ASME B31.1 Tab. A-3 Ed. 92). Riportiamo di seguito le formule per ricavare i due coefficienti, utilizzando il modulo di elasticità E e la sollecitazione ammissibile: KP = Sah / Sac Sah = Sollecitazione ammissibile alla temperatura di esercizio (Te) misurato in MPa (Mega Pascal). Sac = Sollecitazione ammissibile a temperatura ambiente (20 C) misurato in MPa (Mega Pascal). Ovviamente per un giusto dimensionamento del compensatore, la sua pressione nominale PN deve essere maggiore o uguale a Pc che è la pressione equivalente a 20 C, data dal rapporto fra la pressione di esercizio Pe (alla temperatura di esercizio Te ) ed il coefficiente correttivo KP (corrispondente alla temperatura di esercizio Te ). PN >= Pc = Pe / KP Pc = Pressione equivalente a 20 C misurata in bar. Pe = Pressione di esercizio alla temperatura di esercizio (Te) misurata in bar. Analogamente per i movimenti ammissibili: KC = (Sah / Sac) x (Ec / Eh) Eh = Modulo di elasticità alla temperatura di esercizio (Te) misurato in MPa (Mega Pascal). Ec = Modulo di elasticità a temperatura ambiente (20 C) misurato in MPa (Mega Pascal). Per un giusto dimensionamento del compensatore, la sua corsa nominale CN deve essere maggiore o uguale a Cc che è la corsa equivalente a 20 C, data dal rapporto fra la corsa di esercizio Ce (alla temperatura di esercizio Te ) ed il coefficiente correttivo KC (corrispondente alla temperatura di esercizio Te ). CN >= Cc = Ce / KC Cc = Corsa equivalente a 20 C misurata in millimetri. Pe = Corsa di esercizio alla temperatura di esercizio (Te) misurata in millimetri. Pagina 3 di 16

4 Scheda C COEFFICIENTI CORRETTIVI DELLA PRESSIONE E DEL MOVIMENTO VALIDI PER L AUSTENITICO ASTM A 240 Tp. 321 TEMPERATURA MODULO DI SOLLECITAZIONE ELASTICITÀ E AMMISSIBILE Sa COEFFICIENTI CORRETTIVI C F EJMA (ED. 93) Tab.2, ASME B31.1 Tab.A-3, Pressione Movimento Sez. C (Ed. 92) KP KC [N/mm^2] [MPa] [N/mm^2] [MPa] ,62 1,000 1, ,82 0,994 1, ,62 0,938 0, ,43 0,883 0, ,22 0,835 0, ,00 0,802 0, ,78 0,770 0, ,11 0,741 0, ,89 0,717 0, ,66 0,692 0, ,20 0,673 0, ,97 0,656 0, ,74 0,638 0, ,25 0,627 0, ,76 0,615 0, ,38 0,605 0, ,39 0,597 0, ,39 0,589 0, ,62 0,583 0, ,13 0,580 0, ,63 0,576 0, ,13 0,572 0, ,64 0,568 0, ,14 0,564 0, ,08 0,564 0, ,59 0,560 0, ,04 0,548 0, ,09 0,502 0, ,19 0,426 0, ,43 0,343 0, ,00 0,270 0, ,91 0,215 0, ,06 0,170 0, ,18 0,133 0, ,71 0,098 0, ,40 0,073 0, ,01 0,054 0, ,52 0,043 0, ,03 0,031 0, ,84 0,022 0, ,85 0,014 0,022 Pagina 4 di 16

5 Scheda D LE FORZE DI REAZIONE NEL SOFFIETTO Nell installazione dei compensatori, bisogna sempre tenere conto delle forze che si sviluppano al suo interno a causa della pressione. La più importante di queste, che è causa spesso di rotture o deformazioni considerate ingiustificate, è senza dubbio la Spinta di fondo. Questa forza che tende ad allungare il soffietto, se non contrastata da adeguati Punti Fissi o vincoli, è generata dalla pressione che agisce sulle onde interne del soffietto, tentando di appiattirle e causando in questo modo una spinta, diretta dal centro verso le due estremità del soffietto. In termini matematici questa forza è data da: F = p x Am p = Pressione (bar). Am = Area efficace (diametro medio del soffietto) (cmq). C è da considerare che la presenza della spinta di fondo, è causa di problemi di installazione quando in determinate aree di un impianto, non è possibile realizzare punti fissi aggiuntivi per contenerla. Proprio per questa ragione vi sono tipologie di compensatori, che grazie alla loro particolare costruzione, sono in grado di contenere autonomamente questa forza, senza avere bisogno di altri punti fissi. COMPENSATORI CHE CONTRASTANO AUTONOMAMENTE LA SPINTA DI FONDO - Angolare - Cardanico - Laterale - Laterale sferico - Giunto di smont. con l aggiunta di tiranti di forza COMPENSATORI CHE NON CONTRASTANO AUTONOMAMENTE LA SPINTA DI FONDO - Assiale - Universale - Giunto di smontaggio senza tiranti di forza Un altra forza di reazione che non deriva dalla pressione interna, ma dalle caratteristiche costruttive del soffietto, è la cosiddetta Rigidezza Elastica. Questa forza deriva dalla resistenza che il soffietto offre alla deformazione causata dal lavoro che deve svolgere (corsa); essa si divide in: - Rigidezza assiale (comp. assiale) è una forza assiale misurata in Newton / millimetro (N/mm). - Rigidezza angolare (comp. angolare) è una coppia misurata in Newton metro / grado (Nm/grado). - Rigidezza laterale (comp. laterale e universale) è una forza di taglio perpendicolare al movimento misurata in Newton / millimetro (N/mm). La reazione totale del soffietto si trova moltiplicando la rigidezza per la corsa da effettuare. Pagina 5 di 16

6 Scheda E TIPOLOGIE DI COMPENSATORI COMPENSATORE ASSIALE: Questa tipologia di compensatore può assorbire solo movimenti assiali e deve essere installato sempre tra due punti fissi; non è possibile installare due compensatori assiali consecutivamente, se non ci sono bisogna creare punti fissi intermedi (PFI) Inoltre è buona norma installare il compensatore il più vicino possibile al punto fisso, rendendo in questo modo una delle due estremità praticamente fissa, aumentando la stabilità totale della tratta. Un altro particolare fondamentale per la corretta installazione dei compensatori, è la predisposizione delle guide assiali, che danno garanzia di un movimento perfettamente assiale della tubazione, evitando danneggiamenti indesiderati. La distanza della prima guida assiale deve essere 4 volte il diametro nominale della tubazione, la seconda 14 volte e dalla terza in poi bisogna fare riferimento al grafico riportato a pagina 7 estratto dalle norme E.J.M.A.. Nel dimensionamento dei punti fissi che contengono un compensatore assiale, è quindi necessario considerare le seguenti forze: Punto fisso principale (PFP): - Spinta di fondo del compensatore dovuta alla pressione. - Reazione elastica del compensatore dovuta al movimento. - Sommatoria delle forze di attrito delle guide, dovute al peso della tubazione. - Azione dinamica del fluido convogliato, nel caso di punto fisso in corrispondenza di una curva. - Eventuali carichi esterni. Pagina 6 di 16

7 Scheda F GRAFICO DELLA DISTANZA DI INSTALLAZIONE DELLE GUIDE ASSIALI PER TUBAZIONI IN ACCIAIO AL CARBONIO STANDARD SECONDO LE NORM E.J.M.A. Pagina 7 di 16

8 Scheda G Punto fisso intermedio (PFI): - Forza risultante dalla composizione delle reazioni elastiche dei compensatori (a destra ne a sinistra del punto fisso intermedio). - Forza risultante dalla composizione delle forze di attrito delle tratte (a destra ne a sinistra del punto fisso intermedio). Come si può vedere i PFI non devono sostenere la spinta di fondo, in quanto i due compensatori (a destra e a sinistra del PFI) esercitano una spinta uguale e contraria sul PFI, annullandosi vicendevolmente (ciò è vero se i due compensatori sono identici sia nelle caratteristiche, che nelle condizioni di lavoro). E comunque consigliabile dimensionare il PFI in modo tale da resistere alle forze sviluppate da una delle due tratte. Esempi di installazione: COMPENSATORE ANGOLARE: Il compensatore angolare è un ottima soluzione quando le corse da assorbire sono molto elevate; infatti grazie al movimento angolare è possibile sfruttare l abbinamento di 2 o 3 compensatori installati in determinate configurazioni, per ottenere un risultato che richiederebbe un numero molto più elevato di compensatori assiali! Questo tipo di compensatore è composto da un soffietto in acciaio inox, che però a causa del tipo di movimento che svolge (angolare) deve avere un PN superiore al PN dichiarato per il compensatore. Pagina 8 di 16

9 Scheda H Esempio: se la linea necessita di un PN 16, il soffietto sarà un PN 25, ma il compensatore è dichiarato PN 16. La parte di carpenteria è composta da due coppie di tiranti piatti incernierati su perni coassiali, posizionati a metà del soffietto; questi tiranti sono dimensionati per contenere autonomamente la spinta di fondo e necessitano quindi solo di punti fissi intermedi, alle estremità iniziale e finale della tratta da compensare. Ovviamente come riportato in precedenza, la linea da compensare deve permettere delle configurazioni particolari definite ad L e a Z : Quando si utilizzano i compensatori angolari in queste configurazioni, è necessario predisporre (in prossimità dei compensatori stessi) delle guide piane, per consentire flessioni alla tubazione rigida, a causa della composizione finale dei movimenti effettuati; la soluzione migliore consiste nell utilizzare la configurazione che prevede 3 compensatori. COMPENSATORE CARDANICO: Il compensatore cardanico è costruito utilizzando la filosofia di costruzione del compensatore angolare, con la differenza che l angolare avendo solo due coppie di tiranti incernierati, permette movimenti angolari su un solo piano, mentre il cardanico grazie a 4 coppie di tiranti sfalsati montati su un anello cardanico centrale, permette movimenti su qualsiasi piano! Anche questo compensatore come l angolare, è in grado di contenere autonomamente la spinta di fondo generata dalla pressione. Nella figura sotto riportata vi è un esempio di come vanno installati i compensatori cardanici; la soluzione ottimale consiste nell utilizzo di 2 compensatori cardanici più 1 compensatore angolare; ma anche 2 cardanici in coppia, svolgono egregiamente il loro dovere. Come per gli angolari, è necessario usare guide piane in prossimità dei compensatori e configurazioni ad L e a Z. Pagina 9 di 16

10 Scheda I COMPENSATORE LATERALE: E praticamente composto da 2 angolari uniti direttamente tra loro da un tubo intermedio e da 2 coppie di tiranti incernierati più lunghi dei normali. Permette movimenti laterali su un solo piano e come per gli angolari, bisogna installare guide piane in prossimità del compensatore. Anche questo compensatore, è in grado di contenere autonomamente la spinta di fondo e per l installazione sono necessarie configurazioni ad L o a Z. Pagina 10 di 16

11 Scheda J COMPENSATORE LATERALE SFERICO: A differenza del compensatore laterale normale, quello sferico assomiglia di più nel funzionamento ad un doppio compensatore cardanico, solo che non ha tiranti incernierati, bensì dei tiranti filettati a sede sferica. Permette movimenti laterali su tutti i piani ed è in grado di contenere autonomamente la spinta di fondo. Anche per questo compensatore, sono richieste installazioni ad L o a Z. COMPENSATORE UNIVERSALE: Questo tipo di compensatore deriva direttamente dal laterale sferico, in quanto la filosofia di costruzione di base è la stessa: due soffietti e un tubo intermedio. La differenza sta nel fatto che non ha tiranti sferici e quindi non è i grado di contenere autonomamente la spinta di fondo, ma può assorbire in questo modo anche movimenti assiali dovuti alla dilatazione della tubazione, oltre ad effettuare movimenti laterali su qualsiasi piano come il compensatore laterale sferico. Nell installazione è necessario che le guide in prossimità del compensatore siano dimensionate per resistere alla spinta di fondo prodotta dai due soffietti; in questo modo il compensatore sarà in grado di assorbire anche la dilatazione assiale della tratta verticale. Pagina 11 di 16

12 Scheda K EQUIPAGGIAMENTI E MATERIALI EQUIPAGGIAMENTI OPZIONALI: Tutti i modelli di compensatori e giunti di smontaggio descritti nelle schede precedenti, possono essere forniti a richiesta di un convogliatore interno che ha la specifica funzione di evitare: - Fenomeni rumorosi dovuti all alta velocità di passaggio del fluido convogliato. - Microturbolenze dovute alle onde del soffietto. - Perdite di carico. - Abrasioni dovute al passaggio stesso del fluido (corpi solidi eventualmente presenti). Inoltre è possibile fornire i compensatori flangiati, anziché con flange fisse (saldate direttamente al soffietto), con flange girevoli, costituite da flange rettificate nel diametro di passaggio e montate su cartelle in acciaio inox, a loro volta saldate al soffietto. In questo modo la flangia è libera di ruotare sulla cartella, consentendo un facile montaggio in caso di disallineamento dei fori delle flange esistenti (tubazione o altro). La GT FLEX S.n.c. è in grado di realizzare comunque compensatori speciali, in base alle necessità della sua clientela. MATERIALI UTILIZZATI: Soffietto: Convogliatore: Flange e manicotti: Cartelle: Tiranti di smontaggio: Altri tiranti e carpenteria: Acciaio inox AISI 304 e 321 (Standard) Acciaio inox AISI 316L (A richiesta) Acciaio inox AISI 304 (Standard) Acciaio inox AISI 316 (A richiesta) Acciaio al carbonio (Standard) Acciaio inox AISI 304 (A richiesta) Acciaio inox AISI 316 (A richiesta) Acciaio inox AISI 304 (Standard) Acciaio inox AISI 316L (A richiesta) Acciaio inox AISI 304 (Standard) Acciaio inox AISI 316 (A richiesta) Acciaio al carbonio (Standard) Acciaio inox AISI 304 (A richiesta) Acciaio inox AISI 316 (A richiesta) CENNI SULLA DIRETTIVA 97 /23 / CE (P.E.D.) Riportiamo nelle pagine seguenti un articolo tratto dalla rivista IL PERITO INDUSTRIALE relativo alla direttiva 97 / 23 / CE (P.E.D.). Pagina 12 di 16

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