Recipiente in pressione: differenze tra le versioni
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Un '''recipiente in pressione''' è un recipiente progettato per contenere gas o liquidi ad una pressione differente da quella esterna. Solitamente il fluido contenuto dal recipiente è ad una pressione più alta di quella esterna.▼
Un '''recipiente in pressione'''
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Alcuni esempi di recipienti in pressione sono: polmoni smorzatori per [[compressore alternativo|compressori alternativi]], [[colonna di distillazione|colonne di distillazione]] in [[raffineria (petrolio)|raffinerie]] e impianti petrolchimici, recipienti di [[Reattore nucleare a fissione|reattori nucleari]], serbatoi di gas e di liquidi.
== Progettazione dei recipienti in pressione ==
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Nella progettazione strutturale di un componente in pressione il progettista riceve come input un "data sheet" meccanico che include tutti i dati e le specifiche di progetto e il suo compito è quello di dimensionare le membrature in pressione. Per farlo vengono utilizzati codici di calcolo che variano in funzione del Paese di destinazione. Tra i più importanti si ricordano Ispesl VSR ([[Italia]]), Asme VIII Div. 1 e Div. 2 [1, 2] (Usa), Stoomwezen ([[
I recipienti in pressione devono essere progettati in modo da essere eserciti in sicurezza ad una determinata pressione. La differenza di pressione tra interno ed esterno, infatti, crea uno stato di [[tensione (meccanica)|tensione]] nel materiale con cui il recipiente è costruito. Il progettista deve realizzare un recipiente che resista a questo stato di tensione senza sollecitazioni che possano causare perdite, rotture o situazioni di pericolo per persone e cose.
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La temperatura di esercizio influenza le proprietà meccaniche del materiale e può provocare deformazioni permanenti (fenomeni di scorrimento a caldo).
I fluidi a contatto con il recipiente sono un altro parametro dimensionante, in quanto possono determinare attacchi chimici ai materiali, tali da causare fenomeni di [[corrosione]] o di fragilizzazione.
Infine è importante valutare le condizioni di esercizio del recipiente, in quanto variazioni cicliche della pressione e della temperatura (sollecitazione a [[Fatica (scienza dei materiali)|fatica]]) tendono a ridurne la vita residua.
I parametri su cui il progettista può agire, compatibilmente con i vincoli di costo e di progetto (ingombri massimi, necessità di bocchelli, etc.), sono:
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Nella formula <math> \sigma\ </math> è la tensione, <math> p </math> la pressione, <math> r </math> il raggio, <math> s </math> lo spessore del recipiente, se raggio e spessore sono espressi nelle stesse unità la [[Tensione interna|sollecitazione]] sul recipiente è nelle stesse unità della pressione.
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Viste le difficoltà pratiche che si incontrano nel costruire un recipiente di forma sferica, la forma più comunemente adottata è quella cilindrica. In tal caso, si avrà anche tensione circonferenziale nel tratto lineare:
:<math> \
Un altro importante accorgimento relativamente alla forma è la necessità di ridurre le discontinuità geometriche, come spigoli, brusche variazioni di spessore, intagli, etc.
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Una volta selezionato il materiale di costruzione, la [[tensione ammissibile]] è fissata (è strettamente correlata alle caratteristiche meccaniche del materiale). Si osserva dalle formule
che al crescere della pressione e del raggio occorre aumentare lo spessore del recipiente affinché la tensione effettiva non superi la tensione ammissibile.
Quando lo spessore non è più trascurabile rispetto al raggio, le formule sopra menzionate non sono più abbastanza precise,
Si può dimostrare che in un recipiente di grande spessore, con pressione interna maggiore di quella esterna, la tensione varia parabolicamente nello spessore del recipiente e la regione più sollecitata è quella interna, a contatto con il fluido.
Fissato il raggio interno del recipiente, non è conveniente, dal punto di vista economico, aumentare lo spessore oltre un certo limite, per le difficoltà ed i costi che si presentano nella costruzione di recipienti di forte spessore. Per questo motivo, per la costruzione di recipienti a pressioni molto alte, vengono adottate soluzioni costruttive particolari.
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:* uso di materiali di origine controllata e certificata
:* uso di procedimenti di costruzione qualificati e verificati
:* effettuazione
Il primo requisito viene dalla rilevanza che ha la sollecitazione ammissibile, e la costanza di questo parametro, nella sicurezza di progetto del recipiente.
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Infine le verifiche ed i controlli servono a garantire che la qualità del recipiente sia quella richiesta dalle normative.
== Accorgimenti costruttivi per recipienti ad alte pressioni ==
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=== Autoforzatura per plasticizzazione ===
Una volta costruito il recipiente, prima di metterlo in esercizio, lo si sottopone ad una pressione interna, che deve essere opportunamente determinata, più elevata di quella di esercizio. In tal modo
=== Recipienti multi-strato ===
Anziché realizzare un recipiente cilindrico con
Questo accorgimento costruttivo è particolarmente benefico per recipienti che contengono fluidi chimicamente aggressivi. Infatti in tal caso è necessario che il solo strato interno, e non
=== Recipienti fasciati ===
I recipienti fasciati sfruttano lo stesso principio dei recipienti multi-strato, ma sono più semplici.
Il recipiente è costituito da un unico cilindro, sulla cui parete esterna sono avvolti alcuni nastri
== Analisi delle sollecitazioni di recipienti in pressione ==
L'[[Analisi delle sollecitazioni (ASME)|
=== Origine delle sollecitazioni ===
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Il codice [[American Society of Mechanical Engineers|ASME Boiler and Pressure Vessels]] fornisce una classificazione delle sollecitazioni, imponendo limiti diversi per le diverse categorie. In questa categorizzazione, data l'applicazione particolare per cui è stata studiata, sono presenti alcune ipotesi che non sempre possono essere estrapolate ad altri tipi di struttura.
* '''Sollecitazioni primarie di membrana (P<sub>m</sub>)''' sono le sollecitazioni dovute a carichi esterni medie nello spessore del recipiente, lontano da discontinuità. In altri termini, supponendo che lo spessore del recipiente sia infinitesimo rispetto al raggio di curvatura (da qui il nome "di membrana") sono le sollecitazioni richieste per l'equilibrio delle forze esterne agenti. Ovviamente nel caso dei recipienti a pressione queste sollecitazioni devono essere limitate a valori sufficientemente distanti dal limite imposto al materiale, che può essere sia il [[Sollecitazione di snervamento|limite di snervamento]], sia il [[Carico di rottura|limite di rottura]]. Per ogni materiale e per ogni temperatura a cui può operare, il codice ASME fornisce il valore a cui sono limitate queste sollecitazioni (S<sub>m</sub>).
* '''Sollecitazioni primarie di flessione (P<sub>b</sub>)''' sono la parte di sollecitazione variabile nello spessore del recipiente (o, in termini meccanici, la parte di sollecitazione che tiene conto che il carico agisce su una faccia del recipiente, mentre le sollecitazioni agiscono su tutto lo spessore). Limitando queste sollecitazioni si vuole limitare il rischio di una plasticizzazione completa della sezione, considerando che il rapporto fra il carico che provoca il primo snervamento della sezione ed il carico che porta alla completa plasticizzazione della sezione stessa (cerniera plastica) è una costante dipendente solo dalla geometria della sezione stessa (k), il limite per le sollecitazioni di membrana e flessione (P<sub>m</sub>+P<sub>b</sub>) è dato da k*S<sub>m</sub>, per i recipienti a pressione si assume il k di una sezione rettangolare, cioè 1.5.▼
▲*'''Sollecitazioni primarie di flessione (P<sub>b</sub>)''' sono la parte di sollecitazione variabile nello spessore del recipiente (o, in termini meccanici, la parte di sollecitazione che tiene conto che il carico agisce su una faccia del recipiente, mentre le sollecitazioni agiscono su tutto lo spessore). Limitando queste sollecitazioni si vuole limitare il rischio di una plasticizzazione completa della sezione, considerando che il rapporto fra il carico che provoca il primo snervamento della sezione ed il carico che porta alla completa plasticizzazione della sezione stessa (cerniera plastica) è una costante dipendente solo dalla geometria della sezione stessa (k), il limite per le sollecitazioni di membrana e flessione (P<sub>m</sub>+P<sub>b</sub>) è dato da k*S<sub>m</sub>, per i recipienti a pressione si assume il k di una sezione rettangolare, cioè 1.5.
<!-- Prima di correggere Pm+Pb in PL+Pb, come indicato sull'ASME, guarda quanto scritto sotto sulle PL e la tabella NB-3217-1 (ASME III Subs. B) per verificare che i bending di una sollecitazione PL sono SEMPRE classificati come Q o F - NdA -->
* '''Sollecitazioni primarie locali (P<sub>L</sub>)''' queste sollecitazioni sono le sollecitazioni dovute a carichi meccanici che si generano in presenza di bruschi cambiamenti geometrici nel recipiente a pressione (tipicamente all'attacco fra il fasciame cilindrico ed i fondi curvi ed all'attacco dei bocchelli). Queste sollecitazioni, essendo dovute alla necessità di continuità della struttura deformata, hanno le caratteristiche di sollecitazioni di congruenza, quindi non possono superare il limite di snervamento del materiale. Tuttavia, data la loro origine tipicamente meccanica, sono soggette a limiti più restrittivi delle sollecitazioni secondarie. In pratica sono sempre sollecitazioni mediate nello spessore (di membrana), e sono limitate a 1.5*S<sub>m</sub>. In questo modo viene garantita una plasticizzazione solo ai bordi estremi della sezione.
* '''Sollecitazioni secondarie (Q)''' sono le sollecitazioni di congruenza vere e proprie, dovute principalmente alle differenze di temperatura fra le varie sezioni del recipiente e, soprattutto, alle differenze di temperatura fra la faccia interna e quella esterna del recipiente. Queste sollecitazioni non possono portare al collasso del componente, nel caso di componenti realizzati con materiali che abbiano un comportamento elasto-plastico, dato che sono limitate dalla sollecitazione di snervamento. Inoltre, se queste sollecitazioni avvengono su un materiale ideale perfettamente plastico (cioè che, una volta raggiunto il [[Sollecitazione di snervamento|limite di elasticità]], non assorbe più energia per aumento di sollecitazioni, ma solo per aumento di deformazioni) e
* '''Sollecitazioni di picco (F)''' sono quelle sollecitazioni che si manifestano solo in volumi limitati di materiale, come in prossimità di intagli o all'interfaccia fra il materiale resistente del recipiente ed un rivestimento (''cladding''). Queste sollecitazioni possono arrivare a valori nominali molto elevati, ma non portano, in condizioni di esercizio normale, ad un collasso immediato della struttura. Quindi le sollecitazioni di picco sono verificate tramite un'[[analisi a fatica]]. Nelle norme ASME vengono fornite una serie di curve per le classi di materiali utilizzati per i recipienti, curve che rappresentano l'inviluppo delle curve limite dei vari tipi di cicli affaticanti. In queste curve sono già inseriti i fattori di sicurezza sia per cicli sia per sollecitazioni, quindi possono essere confrontate direttamente con le sollecitazioni ottenute dal calcolo.▼
▲*'''Sollecitazioni secondarie (Q)''' sono le sollecitazioni di congruenza vere e proprie, dovute principalmente alle differenze di temperatura fra le varie sezioni del recipiente e, soprattutto, alle differenze di temperatura fra la faccia interna e quella esterna del recipiente. Queste sollecitazioni non possono portare al collasso del componente, nel caso di componenti realizzati con materiali che abbiano un comportamento elasto-plastico, dato che sono limitate dalla sollecitazione di snervamento. Inoltre, se queste sollecitazioni avvengono su un materiale ideale perfettamente plastico (cioè che, una volta raggiunto il [[Sollecitazione di snervamento|limite di elasticità]], non assorbe più energia per aumento di sollecitazioni, ma solo per aumento di deformazioni) e se la deformazione imposta è inferiore al doppio della sollecitazione che si ha al limite elastico, si può dimostrare che avviene il fenomeno detto ''[[shakedown]]'', cioè che, dopo un numero limitato di cicli, la deformazione si stabilizza senza aumentare nel corso della vita del componente. Questo limite viene imposto limitando la massima variazione di sollecitazione (se calcolata supponendo il materiale perfettamente elastico) a 3*S<sub>m</sub>.
▲*'''Sollecitazioni di picco (F)''' sono quelle sollecitazioni che si manifestano solo in volumi limitati di materiale, come in prossimità di intagli o all'interfaccia fra il materiale resistente del recipiente ed un rivestimento (''cladding''). Queste sollecitazioni possono arrivare a valori nominali molto elevati, ma non portano, in condizioni di esercizio normale, ad un collasso immediato della struttura. Quindi le sollecitazioni di picco sono verificate tramite un'[[analisi a fatica]]. Nelle norme ASME vengono fornite una serie di curve per le classi di materiali utilizzati per i recipienti, curve che rappresentano l'inviluppo delle curve limite dei vari tipi di cicli affaticanti. In queste curve sono già inseriti i fattori di sicurezza sia per cicli sia per sollecitazioni, quindi possono essere confrontate direttamente con le sollecitazioni ottenute dal calcolo.
Nella [[Discussione:Analisi delle sollecitazioni (ASME)|discussione]] della voce [[analisi delle sollecitazioni (ASME)]] è riportato un esempio di analisi delle sollecitazioni per un recipiente a pressione.
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Come si vede questo significa che per p → σ R → ∞, mentre per p > σ non esistono soluzioni reali per R.
== Voci correlate ==
* [[Serbatoio]]
* [[Direttiva apparecchi a pressione]]
* [[Bomboletta spray]]
* [[Bombola]]
* [[Bombola (subacquea)]]
== Altri progetti ==
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== Collegamenti esterni ==
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