16/03/2017. Maurizio Giugni Titolo della lezione Tubazioni per il convogliamento a pressione ed a pelo libero: materiali metallici.

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1 # Lezione n. Parole chiave: Convogliamento a pressione ed a pelo libero. Materiali metallici. Corso di Laurea: Ingegneria per l Ambiente e il Territorio Insegnamento: Infrastrutture Idrauliche Maurizio Giugni Titolo della lezione Tubazioni per il convogliamento a pressione ed a pelo libero: materiali metallici Docente: Inserire testo A.A Generalità 1

2 Generalità Materiali sul mercato Caratteristiche principali di una condotta Criteri di scelta Criticità d uso Interventi in funzione delle condizioni ambientali Tubazioni sfilate in attesa della posa A pressione Acciaio (adduzione) Ghisa sferoidale (distribuzione) Cemento armato (adduzione) C.A.P. (adduzione) T.A.D. (adduzione) MATERIALI METALLICI MATERIALI LAPIDEI A pelo libero Ghisa sferoidale (drenaggio urbano) Generalità Cemento (spechi circolari ed ovoidali) Grés Cemento con fibra di vetro (CPC) MATERIALI PLASTICI E COMPOSITI PVC (impianti irrigui) PEAD (distribuzione) PRFV (adduzione e distribuzione) PVC PEAD PRFV A PARETE STRUTTURATA PEAD (corrugato e spiralato) PVC 2

3 Caratteristiche di una tubazione Struttura (peso specifico, modulo elastico, conduttività termica, resistività elettrica, celerità) Diametro (D) e spessore (s) Lunghezza della canna (L) Tipologia della giunzione Rivestimento interno (conducibilità idraulica) ed esterno Criteri di scelta Destinazione d uso (adduzione, distribuzione, drenaggio) Pressioni di esercizio (inclusi eventuali effetti di colpo d ariete) Caratteristiche geomorfologiche, meccaniche, chimiche ed elettrochimiche dei terreni di posa Caratteristiche chimiche e biologiche del liquido (o del refluo) da convogliare 3

4 Pressioni elevate. TUBAZIONI IN ACCIAIO: caratteristiche principali Per ogni diametro commerciale le tubazioni sono realizzate con lamiere di differente spessore. Lo spessore di utilizzo più frequente è detto spessore della serie normale, mentre lo spessore minimo caratterizza la serie leggera. La pressione di prova in officina per la serie normale e leggera è rispettivamente di 5 MPa (49,3 atm) e 4 Mpa (39,5 atm), cui corrispondono pressioni di esercizio di 3.3 MPa (32,5 atm) e 2.6 MPa (25,7 atm). Rivestimento interno in bitume (2-4 mm) o resine epossidiche (0.5-1 mm). Rivestimento esterno bituminoso (normale o pesante) o in polietilene. Giunzione per saldatura o flangiata (per pezzi speciali e apparecchi) Criticità: la necessità di un efficace protezione contro la corrosione, da attuarsi con opportuni rivestimenti (protezione PASSIVA) e/o con protezione catodica (protezione ATTIVA). Tubazioni in acciaio: caratteristiche principali Tenori di carbonio e silicio dell acciaio e della ghisa 4

5 Tipologie e processi di fabbricazione Processi di fabbricazione Il processo Mannesmann Nel 1885 Reinhard e Max Mannesmann brevettarono un laminatoio a cilindri obliqui, costituito da due cilindri rotanti nelle stesso senso e disposti con assi sghembi (angolo 10 ) giacenti su piani paralleli ed orizzontali, per la realizzazione di un tubo in acciaio senza saldatura. Processo Mannesmann La lavorazione di un tubo Mannesmann viene eseguita in due fasi: Prima fase: un massello di acciaio a sezione circolare, di opportune dimensioni, alla temperatura di circa 1300 C, viene spinto tra i cilindri del laminatoio perforatore obliquo che gli imprimono un moto di rotazione (zona a) e ne riducono il diametro al valore minimo in corrispondenza della zona b. Il materiale comincia ad aprirsi all interno del massello. Processo Mannesmann 5

6 Il processo Mannesmann A questo punto l azione combinata nella zona c dei cilindri e del mandrino C allargano e dimensionano il diametro interno, mentre quello esterno risulta determinato dalla distanza dei cilindri. Infine la zona d, di calibrazione, regolarizza lo spessore e rende uniforme la superficie esterna del forato che lascia il laminatoio perforatore obliquo sotto la forma di un cilindro cavo di grosso spessore e limitata lunghezza. Processo Mannesmann Il processo Mannesmann Seconda fase: la temperatura ancora elevata consente l ulteriore lavorazione, nel laminatoio a passo di pellegrino, di trasformazione del forato in tubo stendendolo su un mandrino calibrato con conseguente riduzione dello spessore. Il forato è sottoposto all azione di due cilindri a sagoma eccentrica, ruotanti, in questo caso, in senso opposto e sagomati in modo tale da determinare periodicamente, durante un intero giro, una fase a vuoto (BP) una fase di imbocco (PA) ed una fase di calibratura (AB). Con questo metodo si laminano tubi da mm; ulteriori lavorazioni a caldo (trafila ad espansione) consentono di raggiungere diametri fino a 900 mm. Le lunghezze del tubo variano da 8 m a 13,5 m. Processo Mannesmann 6

7 I tubi saldati I tubi a saldatura longitudinale vengono prodotti con macchine continue da lamiere di larghezza pari allo sviluppo del perimetro della sezione del tubo. I diametri in produzione sono compresi tra 400 mm e 1400 mm, con spessori massimi fino a 18 mm. Processo di saldatura longitudinale I tubi saldati I tubi a saldatura elicoidale sono ottenuti da nastri di acciaio (coils) mediante macchine continue che offrono una maggiore elasticità di produzione per un più semplice e rapido adattamento alle variazioni del diametro dei tubi da produrre, con la sola variazione del passo dell elica. I diametri in produzione sono compresi tra 300 mm e 3000 mm. La lunghezza delle canne varia tra 8 m e 13,5 m. Processo di saldatura elicoidale 7

8 I tubi Fretz-Moon Nel processo di fabbricazione dei tubi Fretz-Moon il materiale di partenza è il nastro che viene svolto, spianato e, tramite gabbia trascinatrice, inviato in forno di riscaldo a passaggio, dove i bordi vengono riscaldati con fiamma diretta fino a 1300 C. Tramite cilindri formatori il nastro viene portato ad assumere la forma cilindrica. Sui bordi avvicinati viene insufflato ossigeno che eleva la temperatura fino al calor bianco. I bordi vengono premuti l uno contro l altro da appositi rulli di pressione, ottenendo un ottima saldatura priva di cordone. Lo sbozzato così ottenuto viene fatto passare al riduttore a stiramento che ne determina il diametro e lo spessore finiti. Al termine le canne vengono tagliate da una sega volante alla lunghezza desiderata ed avviate al raffreddamento (in aria ed acqua). Processo di fabbricazione Fretz-Moon Produzione di stabilimento 8

9 Giunzioni Giunzioni saldate Il perfezionamento della saldatura elettrica ha diffuso l impiego nell acquedottistica dei giunti saldati di testa, a bicchiere cilindrico per DN 125 mm, a bicchiere sferico o di testa per DN 150 mm. L impiego del giunto sferico consente, durante la fase di posa, deviazioni plano-altimetriche fino a 5. Tipi di giunzione saldata Giunzioni flangiate Giunzioni Le estremità del tubo possono essere munite di anello di appoggio saldato per sovrapposizione o con flange, saldate di testa, all estremità del tubo. La giunzione, con interposizione di una guarnizione e serraggio dei bulloni, risulta rigida e comporta la coassialità dei pezzi. Pertanto questo tipo di giunzione male si presta nel caso di condotte interrate nelle quali, peraltro, i bulloni sarebbero esposti alla corrosione. Le giunzioni a flangia sono utilizzate all interno dei manufatti dove, per la presenza di pezzi speciali e/o apparecchi, sia necessario l assemblaggio di questi sulla condotta. Tipi di giunzione flangiata 9

10 Giunzioni Giunzioni a bicchiere Oggi utilizzate raramente, costituite da un bicchiere doppiamente scanalato in cui trova sede una guarnizione di tenuta in elastomero (limitatamente ai diametri compresi tra DN mm). Giunzione a bicchiere con anello elastomerico Giunzioni speciali a. Giunto Victaulic: di facile installazione, è particolarmente indicato per condotte provvisorie a motivo della rapidità di montaggio e smontaggio b. Giunto Gibault: con guarnizioni di tenuta in gomma che, come i similari Dresser e Viking- Johnson, non richiedendo saldature, viene utilizzato come giunto di smontaggio c. Giunto di smontaggio Giunzioni d. Giunto sferico tipo irrigazione: studiato per consentire facilità di montaggio e smontaggio e forti deviazioni plano-altimetriche, trova impiego per condotte mobili Giunzioni speciali di vario tipo 10

11 Rivestimenti RIVESTIMENTI ESTERNI Rivestimento bituminoso, di tipo normale o pesante, da realizzare in conformità alle prescrizioni della norma UNI-ISO 5256/87, che definisce le modalità di scelta delle materie prime, di preparazione delle superfici e di applicazione. Infine il rivestimento viene protetto con l applicazione di latte di calce che ha la funzione di preservarlo durante le fasi di stoccaggio e movimentazione dall azione dei raggi UV Rivestimento esterno in polietilene, applicato, in funzione del diametro del tubo, ad estrusione a banda laterale o a calza Rivestimento con nastri di polietilene applicati a freddo: il ciclo di lavorazione consiste nella preventiva sabbiatura della superficie, applicazione di primer di fondo a base butilica e successiva sovrapposizione di uno o più nastri Rivestimento esterno in poliuretano Rivestimenti RIVESTIMENTI INTERNI Il rivestimento interno svolge principalmente la funzione di ridurre fortemente la scabrezza della superficie interna della tubazione, riducendo così le resistenze al moto e, quindi, le perdite di carico. Rivestimento cementizio Rivestimento con vernici epossidiche 11

12 Corrosione La reazione anodica (di ossidazione) provoca la dissoluzione del metallo (in questo caso ferro) : Fe - > Fe e - La reazione catodica e' una reazione di riduzione dell'ossigeno ad alto ph: O 2 + 2H 2 O + 4e - -> 4OH - Sia la reazione di ossidazione che la reazione di riduzione devono verificarsi alla stessa velocità sulla superficie della tubazione. La reazione generale, ottenuta dalle reazioni di riduzione e di ossidazione, è: 2Fe + 2H 2 O + O 2 -> 2Fe OH - Corrosione Pila geologica costituita dall'interazione di un metallo unico (tubazione) immerso in ambienti di natura diversa (terreni di diverse caratteristiche) 12

13 Corrosione Pila geologica generata dalla presenza di correnti vaganti nel sottosuolo, da impianti elettrici aventi un difetto di isolamento o collegati a terra per esigenze funzionali Corrosione La reazione di corrosione dà luogo al composto chimico ferroso che viene comunemente definito ruggine. Il livello catodico di protezione è il valore potenziale sotto il quale l'acciaio non si può corrodere (-850 mv). Esempi di corrosione 13

14 Protezione passiva PROTEZIONE PASSIVA La protezione passiva è l'insieme dei provvedimenti atti ad isolare le tubazioni elettricamente e meccanicamente dall'ambiente in cui giacciono e dalle altre strutture estranee presenti. Lo scopo della protezione passiva è duplice: - impedire l'insorgere di corrosioni elettrolitiche sulle strutture - renderne possibile la protezione attiva Le principali caratteristiche che un rivestimento deve possedere per assolvere alla sua funzione di assicurare la protezione passiva di una struttura sono le seguenti: - elevata resistenza d'isolamento - minima permeabilità al vapor d'acqua e all'ossigeno - elevata aderenza alla superficie metallica alla quale esso è applicato - assenza di discontinuità o di difetti passanti - elevata resistenza meccanica (agli strappi, incisioni, urti etc.) - elevata inerzia chimico-fisica nei confronti dell'ambiente con cui è a contatto. Alcune delle caratteristiche richieste sono di particolare importanza per le tubazioni interrate, quali l'aderenza e la continuità del rivestimento isolante. Protezione catodica PROTEZIONE ATTIVA (CATODICA) Si può ricorrere essenzialmente a due metodi di protezione catodica: il sistema ad anodi galvanici (sacrificali) e il sistema a corrente impressa. Il criterio generale è di fornire elettroni alla struttura metallica (tubazione sotterranea o altro) per impedire la dissoluzione del metallo. Tipologie di protezione catodica 14

15 Sistema ad anodi galvanici (o sacrificali) Nel sistema ad anodi galvanici la struttura metallica (sotterranea) da proteggere è collegata mediante un conduttore isolato a un metallo meno nobile, quale zinco (Zn), magnesio (Mg) o alluminio (Al), formando una coppia galvanica. L'anodo sacrificale - dimensionato in base alla resistività del terreno - si corroderà a una velocità superiore a quella con cui si corroderebbe da solo, mentre la struttura metallica agirà da catodo, corrodendosi ad una velocità inferiore a quella con cui si corroderebbe da sola. Protezione catodica ad anodi sacrificali In alternativa al sistema ad anodi sacrificali, una struttura metallica può essere protetta anche mediante un sistema a corrente impressa, che sfrutta un alimentazione esterna. Il terminale negativo di un generatore di corrente è collegato al componente da proteggere, mentre il terminale positivo a un materiale inerte (anodo). In tal modo viene impresso un flusso di corrente fra la condotta e l'anodo e la corrosione viene bloccata. L intensità di corrente da imprimere al sistema varia considerevolmente a seconda della superficie e del volume da proteggere, del terreno e di altri fattori (da 50 milliampere fino a 120 ampere). Sistemi a corrente impressa Protezione catodica a corrente impressa I valori tipici di riferimento per i sistemi di tubazioni variano solitamente nella gamma di 8-30 ampere. I sistemi a corrente impressa sono usati normalmente per i sistemi idrici di adduzione, per i quali vi sono minori probabilità di interferenza con altre tubazioni. Gli anodi vengono realizzati in materiale resistente alla corrosione, quali la grafite, il ferro siliconato ad alta lega, leghe di piombo-argento o platino. 15

16 Sistemi a corrente impressa Sistemi a corrente impressa 16

17 TUBAZIONI IN GHISA Caratteristiche principali Diametri di produzione compresi tra 40 e 2000 mm. Pressioni di esercizio tra 30 e 40 atm. Tronchi di lunghezza variabile con ampia scelta : L=2, 3 e 4 m per D 50 mm; L=4, 5, 5.5, 6 m per D 500 mm; L=4, 5, 5.5, 6 e 7 m per D 1000 mm; L=6, 7 m per D 1200 mm; L=6, 7, 8 e 9 m per D>1200 mm. Giunti per lo più a bicchiere con anello elastomerico per la tenuta. I tubi, dopo la centrifugazione, sono ricotti, zincati esternamente e rivestiti internamente con malta cementizia; infine sono rivestiti all esterno con vernici bituminose. I pezzi speciali (di notevole varietà) sono trattati a bagno con vernici bituminose. Posa su letto di sabbia e ricoprimento con sabbia o terra vagliata fino a 20 cm sopra la generatrice superiore. La ghisa grigia Nella ghisa grigia a grafite lamellare, il carbonio si presenta sotto forma di lamelle nella matrice ferritica. Le suddette lamelle rappresentano degli inviti alla rottura, che rendono il materiale fragile. Ghisa grigia 17

18 La ghisa sferoidale Nella ghisa sferoidale il carbonio si cristallizza sotto forma di piccole sfere. Le linee di propagazione delle possibili rotture sono così eliminate. Ghisa sferoidale Tubazioni in ghisa grigia Acquedotto di Lucca : tubo in ghisa grigia colato in sabbia anno

19 La centrifugazione dei tubi DN > 600 Procedimento Wet spray DN 600 Procedimento De Lavaud Processo di centrifugazione delle tubazioni in ghisa sferoidale Giunzioni Estremità liscia Bicchiere Guarnizione Giunto a bicchiere tipo Rapido Gamma : DN 60 a 2000 Il giunto Rapido è un giunto automatico conforme alle Norme UNI EN UNI 9163: la tenuta è garantita dall accoppiamento, per la compressione radiale dell elastomero. 19

20 Giunzioni Giunto a bicchiere tipo Express Gamma : DN 60 a 600 (1) Guarnizione del giunto. (2) Controflangia di chiusura in ghisa sferoidale. (3) Bullone in ghisa sferoidale Tubazioni in ghisa sferoidale Rivestimento interno in malta cementizia Applicato per centrifugazione superficie liscia densa e compatta aderente alla ghisa Conforme alle norme UNI ISO 4179 UNI EN UNI EN 545 Applicazione del rivestimento interno in malta cementizia 20

21 Tubazioni in ghisa sferoidale Rivestimento esterno Zinco metallico + vernice Composizione Zinco metallico 200 g/m 2 (+50% in rapporto alle specifiche delle norme, 130 g/m 2 ) Vernice Conformità alle norme UNI ISO 8179 Parte 1 UNI EN 598 UNI EN 545 Zincatura esterna Zinco : il meccanismo di protezione Tubazioni in ghisa sferoidale Protezione attiva Formazione di una pellicola stabile di protezione Autocicatrizzazione delle lesioni Ioni Zn ++ Ghisa Prodotti di corrosione dello zinco Lesione Corrente i Protezione duratura delle condotte Zincatura esterna 21

22 Tubazioni in ghisa sferoidale Protezione dello zinco Cicatrizzazione di una lesione - Due lesioni identiche su provette in ghisa rivestita - Provette immerse 1 anno in un ambiente salino estremamente corrosivo SENZA ZINCO Corrosione oltre la lesione CON ZINCO Sali di zinco nella lesione Effetti della zincatura IPPOLITO, G., Appunti di Costruzioni Idrauliche, Liguori Editore, Napoli Materiali di studio MILANO, V., Acquedotti, Hoepli Editore Cataloghi vari 22