manuale pratico di piping stress analysis

MANUALE PRATICO DI

PIPING STRESS ANALYSIS

Manuale pratico di piping stress analysis

Ing. Tiziano Mosconicon la collaborazione di

Ing. Andrea StasiIng. Giuliano DaddarioIng. Marco Pierdicca

31 ottobre 2014

Licenza duso

Questo libro e` rilasciato con licenza Creative Commons

Attribuzione - Non commerciale - Condividi allo stesso modo 3.0 Italia(CC BY-NC-SA 3.0 IT)

Tu sei libero di:

Condividere riprodurre, distribuire, comunicare al pubblico, esporre in pubblico,rappresentare, eseguire e recitare questo materiale con qualsiasi mezzo e formato

Modificare remixare, trasformare il materiale e basarti su di esso per le tue opere

Il licenziante non puo` revocare questi diritti fintanto che tu rispetti i termini dellalicenza.

Alle seguenti condizioni:

Attribuzione Devi riconoscere una menzione di paternita` adeguata, fornire un linkalla licenza e indicare se sono state effettuate delle modifiche. Puoi fare cio` inqualsiasi maniera ragionevole possibile, ma non con modalita` tali da suggerire cheil licenziante avalli te o il tuo utilizzo del materiale.

NonCommerciale Non puoi usare il materiale per scopi commerciali.

StessaLicenza Se remixi, trasformi il materiale o ti basi su di esso, devi distribuirei tuoi contributi con la stessa licenza del materiale originario.

Divieto di restrizioni aggiuntive Non puoi applicare termini legali o misure tec-nologiche che impongano ad altri soggetti dei vincoli giuridici su quanto la licenzaconsente loro di fare.

Note:

Non sei tenuto a rispettare i termini della licenza per quelle componenti del materialeche siano in pubblico dominio o nei casi in cui il tuo uso sia consentito da unaeccezione o limitazione prevista dalla legge.

Non sono fornite garanzie. La licenza puo` non conferirti tutte le autorizzazioninecessarie per luso che ti prefiggi. Ad esempio, diritti di terzi come i diritti allim-magine, alla tutela dei dati personali e i diritti morali potrebbero restringere gli usiche ti prefiggi sul materiale.

3

Indice

1 Introduzione 91.1 Obiettivo della stress analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2 Esempio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.3 Componenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3.1 Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.3.2 Branches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

I Concetti di base 21

2 Load cases 232.1 Supporti non lineari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2 Effetti non lineari (ovvero perche` EXP 6= T1) . . . . . . . . . . . . . . . . 242.3 Effetti non lineari in sustained (ovvero hot sustained e dintorni) . . . . . . 262.4 Combinazioni di carico occasionali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.5 Simultaneita` . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.6 Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

II Concetti avanzati 31

3 Expansion Joints 333.1 Glossario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2 Reference Codes and Documentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.3 EJs basic concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.4 Tipi di Expansion Joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.4.1 Axial EJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.4.2 Pressure balanced Axial EJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.4.3 Hinged EJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.4.4 Gimbal EJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.4.5 Lateral EJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.4.6 Universal EJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.4.7 Universal Pressure Balanced EJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.5 EJs accessories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.5.1 Bellows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.5.2 Multi-Ply Bellows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.5.3 Hinges and Gimbals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.5.4 Rods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.5.5 Pantograph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.5.6 Internal Sleeve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.5.7 Purge connectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5

6 INDICE

3.5.8 EJ end connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.5.9 Locking Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.5.10 Reinforcing rings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.5.11 External Cover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.5.12 Sealable Cover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.5.13 Thermocouples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.5.14 Anchor foot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.5.15 Shipping Bars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.6 EJs DESIGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.6.1 General Design Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.6.2 Detail Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.6.3 Calculation Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.6.4 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.6.5 Bellows material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.6.6 Suggested Methodology for Computerized Modeling EJs . . . . . . 653.6.7 Expansion Selection and Placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.7 EJs PROCUREMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.7.1 Requisition for inquiry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.7.2 Preparation of EJ Data Sheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.7.3 Documents required to vendor supply . . . . . . . . . . . . . . . . . 693.7.4 BID presentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.7.5 Technical tabulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.7.6 Approval of documents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.8 EJs FABRICATION, TESTING AND INSTALLATION . . . . . . . . . . 713.8.1 General Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.8.2 Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.8.3 Drawings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.8.4 Hydraulic Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.8.5 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.9 Typical Installation Arrangements of EJs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763.9.1 APPLICATION OF EJs IN PTA UNIT . . . . . . . . . . . . . . . 773.9.2 EJ in Bromine Area & Corrosive Fluid Service . . . . . . . . . . . . 79

4 Effetto Bourdon 814.1 Pressure stiffening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.2 Stress stiffening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834.3 Pressure Elongation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.3.1 Tubo dritto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834.3.2 Stacco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.3.3 Curva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.4 Domande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.5 Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5 Creep 895.1 Cose` il creep? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.2 Perche` avviene il creep? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.3 Fasi del creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.4 La B31.3 e il creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.5 A che temperatura inizia il creep? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.6 Le difficolta` di modellare il creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

INDICE 7

5.7 Approcci normativi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935.7.1 ASME III NH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935.7.2 API 530 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935.7.3 API 579 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945.7.4 ASME B31.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 955.7.5 ASME B31.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.8 Confronto tra normative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

6 Thermal bowing 996.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 996.2 Espansione termica uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 996.3 Gradiente termico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1006.4 Sovrapposizione degli effetti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026.5 Criteri per determinare il tipo di risposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1046.6 Thermal bowing in Caesar II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1046.7 Esempio di thermal bowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1056.8 Conclusioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

7 Analisi di instabilita` dei supporti 1097.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1097.2 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1097.3 Esempio pratico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

7.3.1 Calcolo della rigidezza torsionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1147.3.2 Verifica 1/2 IPE 100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1147.3.3 Verifica 1/2 IPE 140 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

7.4 Conclusioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

8 Varie ed eventuali 1178.1 Liberal stress, storia, significato ed uso pratico . . . . . . . . . . . . . . . . 1178.2 Temperature e pressioni, quali usare? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

9 Centrali termoelettriche 1239.1 Ciclo termodinamico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

III Autopipe 125

10 Autopipe 12710.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12710.2 Primi passi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

10.2.1 Impostazioni iniziali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12710.3 Modellazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

10.3.1 Run pipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13410.3.2 Riduzioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

IV Caesar II 137

11 Calcolo di esempio 13911.1 Avvio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13911.2 Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

8 INDICE

V Altri software 143

12 Analisi FEM con applicazione a NozzlePro 14512.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14512.2 La storia del FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14512.3 Metodologia FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

12.3.1 Passo1: Pre-process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14612.3.2 Passo 2: Analisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14812.3.3 Passo 3: Post process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

12.4 Esempio di calcolo FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14912.5 Fonti di errore nei calcoli FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15212.6 NozzlePro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

12.6.1 Calcolo del SIF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15412.6.2 Verifica di un bocchello . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

13 Calcolo di resistenza della scarpetta con Fepipe 16513.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16513.2 Caso in esame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16513.3 Analisi dei supporti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16613.4 Modello Fepipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16713.5 Analisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16913.6 Osservazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

Capitolo 1

Introduzione

Un sistema di tubazioni e` il modo piu` comune ed efficiente di trasportare fluidi da unpunto allaltro. Allinterno di un impianto petrolchimico si possono vedere chilometrie chilometri di tubazioni che corrono in ogni direzione a quote diverse. Le tubazionicostituiscoo dal 25 al 35% del materiale di costruzione, richiede dal 30 al 40% delle ore dicostruzione e consuma fino al 50% delle ore di ingegneria.

Limportanza del sistema di tubazioni tuttavia eccede anche queste percentuali. Ilsistema di tubazioni ha un gran numero di componenti diversi e basta la rottura di anchesolo una di esse per causare larresto dellimpianto o, peggio ancora, gravi problemi disicurezza.

Eppure, nonostante questo, il piping e` ritenuto un argomento a basso contenuto tec-nologico. Raramente e` un argomento di insegnamento nelle universita` e gli ingegneri siritrovano ad acquisire conoscenze solo attraverso lesperienza sul campo.

Per capire in che modo la stress analysis si inserisce nel piu` ampio processo di proget-tazione piping facciamo prima una panoramica delle diverse fasi con le quali un sistemadi tubazioni viene progettato.

1. Gli ingegneri di processo, sulla base dei requisiti contrattuali, determinano i flussi dimateria e le condizioni operative dei diversi circuiti. Queste informazioni vengonocondensate in diagrammi di flusso.

2. Gli ingegneri dei materiali assegnano delle categorie di classi tubazioni (piping clas-ses) a seconda del fluido e delle condizioni operative di temperatura e pressione. Lepiping class definiscono il materiale, lo spessore in funzione del diametro, il sovra-spessore di corrosione, la classe delle flange, i tipi di valvole e di connessioni, il tipodi guarnizione etc.

3. Gli ingegneri di sistema combinano i diagrammi di flusso, le specifiche dei materialie di data sheet delle apparecchiature per creare dei diagrammi funzionali. Determi-nano il diametro di ogni linea in base ai flussi di massa e alle cadute di pressionepreviste. Questi diagrammi in genere comprendono anche i circuiti di strumenta-zione e controllo e vengono dunque definiti Piping and instrument diagrams, ovveroP&IDs. Sui P&IDs vengono indicate anche avvertenze specifiche di ogni linea, adesempio la presenza di fluido bifase o la necessita` che la linea sia in pendenza o privadi saliscendi (denominati in gergo sacche). Contestualmente ai P&IDs viene creataun elenco linee (line list) in cui vengono tabulate tutte le informazioni relative adogni tubazione.

4. I progettisti piping, in collaborazione con le altre discipline, ipotizzano un layoutgenerale per limpianto (spesso in parte ereditato dalle fasi preliminari del progetto

9

10 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE

o dagli studi di preventivo), tracciano il percorso delle tubazioni principali (il cosid-detto major piping layout) in seguito al quale e` possibile definire la posizione e latipologia delle strutture metalliche (in particolare i pipe racks). Il layout impianti-stico dipende da molteplici, e talvolta contrastanti, esigenze. Ci sono delle distanzeminime o massime da rispettare tra le apparecchiature, confini (battery limits) darispettare con unita` di impianto esistenti o con delle pertinenze da usare (ad esem-pio unarea di caricamento od un porto), aree di futura espansione da prevedere evia dicendo. Proprio per questo motivo il layout piping diventa il documento prin-cipale in cui convergono i commenti delle altre discipline. Una volta consolidato illayout principale si inizia la definizione delle piante delle specifiche aree di impianto.Infine vengono emessi degli isometrici delle varie tubazioni in cui sono presenti leindicazioni dei supporti e tutte le informazioni necessarie per la prefabbricazione edil montaggio.

5. Questo e` il momento in cui entrano in gioco gli ingegneri meccanici (colloquial-mente chiamati stressisti) che verificano la posizione dei supporti, ne definiscono latipologia e ne determinano i carichi al fine di convalidare sia il supporto acquistatoche la struttura sui cui poggiano che eventuali strutture secondarie che giaccionotra supporto e strutture civile. Gli stressisti convalidano o modificano il routingdella linea in modo da verificarla positivamente oppure, se opportuno, ottimizzarla.Contestualmente specificano le caratteristiche di tutti gli elementi aggiuntivi comemolle, smorzatori, giunti di espansione e via dicendo.

Il ruolo della stress analysis come si vede arriva relativamente tardi nella progettazionedellimpianto eppure puo` avere degli impatti enormi di costo e di tempo. In passato ilcalcolo veniva limitato ai circuiti maggiori e si trattava poco piu` che di una verificain quanto lesperienza maturata sul campo faceva si che gli impianti avessero tutti unafisionomia simile ai precedenti (della stessa tipologia sintende). Negli ultimi due decenniinvece il lavoro di stress analysis e` aumentato esponenzialmente. Questo per vari motivi.Innanzi tutto laumento di potenza computazione dei personal computer ha reso possibilecio` che fino a due decenni fa era riservato ai mainframes o comunque a personal computerdi fascia altissima. Inoltre ce` stata unimpennata nei requisiti normativi che ha portato aduna analoga crescita delle richieste contrattuali da parte di clienti sempre piu` sensibilizzatisullargomento. Non e` raro il caso che le specifiche contrattuali siano molto piu` severedei requisiti normativi. Ce` da dire che la duttilita` dellacciacio e i grandi margini disicurezza presi nelle varie fasi di progettazione hanno assicurato una ragionevole solidita`costruttiva anche agli impianti calcolati in precedenza (come si suole dire tra stressisti,il ferro e` generoso), tuttavia ormai nessun progetto impiantistico puo` prescindere da unaseria programmazione delle attivita` di stress analysis. Basti pensare che negli anni 60le attivita` di stress e supporti di un impianto petrolchimico di media taglia potevanocostare sulle 4000 ore/uomo mentre oggi un analogo impianto richiede non meno di 50000ore/uomo che possono raggiungere un ordine di grandezza ancora superiore se si tratta diun impianto sensibile (ad esempio una centrale nucleare).

Ad una crescita esponenziale delle ore richieste non e` ahime` corrisposta una analogacrescita dellofferta tecnica sul mercato. Il risultato e` che chiunque sia in grado di farmodellare un tubo nel programma di calcolo e di farlo girare con risultato positivo vieneautomaticamente promosso a stressista. Ma il lavoro di stress analysis e` molto piu` di unacruda verifica di flessibilita` termica. Lo scopo di questo libro e` proprio questo, condensarela mia piu` che decennale esperienza nel settore in un testo che sia al contempo agile,completo e pratico. Buona lettura!

1.1. OBIETTIVO DELLA STRESS ANALYSIS 11

1.1 Obiettivo della stress analysis

La piping stress analysis e`, come dice il nome stesso, lanalisi dello stress delle tubazioni.Ma cosa si intende esattamente? Cosa bisogna analizzare? Negli anni 50 e 60 del secoloscorso, quando la disciplina della stress analysis inizio` ad essere applicata alle tubazioni,lobiettivo del calcolo era solo quello di verificare lo stress del tubo in seguito allespansionetermica. Non e` un caso se allepoca si parlava di analisi di flessibilita`, termine che qualcunocon i capelli bianchi ancora usa come sinonimo di stress analysis.

Questo approccio, oltre che essere limitativo, era anche fuorviante. Infatti lasciavaintendere che aggiungere flessibilita` al sistema fosse sempre in favore di conservativita`.Ovviamente non e` cos`. Aggiungere flessibilita`, oltre ad aumentare gli spazi ed i costi, puo`causare linsorgere di altri problemi, ad esempio le vibrazioni che guarda caso sono unadelle cause piu` frequenti di rottura negli impianti. In effetti dopo la pubblicazione delleprime normative piping (le ASME B31.1 del 1955, ASME sta per American Society ofMechanical Engineers) ed i primi libri specializzati sullargomento (tra cui il mitico Designof Piping Systems del 1956 comunemente chiamato con il nome del suo autore, il Kellogg),gli impianti videro innalzarsi sensibilmente il loro livello di affidabilita` e sicurezza al puntoche le rotture per insufficiente flessibilita` si ridussero drasticamente. Piuttosto man manoche la tecnologia, le normative e lesperienza sul campo progredivano, la stress analysispasso` a comprendere un numero sempre crescente di calcoli e verifiche che hanno reso ladisciplina del piping stress analysis molto piu` complessa ma anche molto piu` interessante.

1.2 Esempio

Per capire quali siano le problematiche da tenere in considerazione prendiamo lesempiodi una tipica tubazione di impianto, una che parta da un serbatoio (tank) e attraverso laspinta di una pompa intermedia giunga ad una unita` di processo.

Partendo dal tank dobbiamo subito tenere in considerazione gli spostamenti, le rota-zioni e i cedimenti differenziali del tank. Lo vedremo piu` dettagliatamente nel libro, ovvio,ma i serbatoi di grande diametro subiscono tipicamente un abbassamento durante la provaidrostatica a cui fa seguito un abbassamento nel corso degli anni dovuto al cedimento delterreno sottostante. Entrambi i valori vengono stimati (quello dopo la prova idrostaticapuo` anche essere misurato a dire il vero) e dunque costituiscono un input da tenere inconsiderazione. I tank inoltre, non essendo in pressione ma soggetti solo alla pressione at-mosferica, hanno spessori di lamiera piuttosto sottili e dunque tendono a dilatarsi a causadella pressione del liquido contenuto allinterno, causando sia uno spostamento radiale cheuna rotazione dovuta allinarcamento delle pareti (il cosiddetto spanciamento). Entrambii dati vanno inputati nel calcolo di stress in quanto possono provocare tensioni rilevanti seil primo supporto e` eccessivamente vicino al bocchello o della tipologia sbagliata. I cari-chi sul bocchello inoltre, ridotti opportunamente grazie alla flessibilita` della connessione,vanno confrontati con gli ammissibili che possono essere forniti dal costruttore o indicatidalla normativa (sara` la specifica di progetto a definire quale dei due metodi usare).

In prossimita` del bocchello del tank ci sara` sicuramente una valvola per regolare laportata e garantire la chiusura. Le connessioni di questa valvola con il tubo, in genererealizzate tramite flange metalliche con linserto di una guarnizione, andranno verificateaffinche` non ci sia trafilamento.

La tubazione giungera` quindi alla pompa destinata a spingere il fluido proveniente daltank verso la sua destinazione. Le apparecchiature rotanti sono elementi estremamentesensibili dellimpianto. Oltre alla verifica strutturale infatti, queste apparecchiature sonointeressate da delicate procedure di allineamento tra la tubazione ed il bocchello e da


periodiche soste per la manutenzione e/o sostituzione delle parti consumabili (ad esempioi cuscinetti). A tal fine e` fondamentale che la progettazione intorno allapparecchiaturasia ben ponderata. Oltre alla verifica dei carichi sui bocchelli, infatti, occorre prevederesupporti che siano sia in grado di favorire la procedura di allineamento (dunque supportiregolabili) che supporti che contrastino le vibrazioni generate dallapparecchiatura stessa.In genere si tende ad evitare il ricorso a supporti specializzati nella soppressione dellevibrazioni (smorzatori viscosi) ma in compenso si cerca di evitare luso di supporti chelascino il tubo eccessivamente libero di vibrare. Dunque, per quanto farebbe piacereusarle per ridurre i carichi sui bocchelli, e` sconsigliabile usare supporti elastici (molle) inprossimita` delle apparecchiature rotanti.

Dopo la pompa la tubazione sara` poi accolta da unapparecchiatura di processo, chepuo` essere di volta in volta uno scambiatore, un reattore, un vessel, il quale riproponele stesse problematiche del tank con laggravante che a differenza del primo si trattera`tipicamente di unapparecchiatura in pressione e ad elevata temperatura.

A tutto questo va aggiunto cio` che interessa il tubo in ogni parte del suo percorso. Cisono da considerare i carichi dovuti al vento (funzione dellesposizione e dellelevazioneda terra), i carichi sismici (anchessi amplificati dalla risposta elastica della strutturasulla quale la tubazione appoggia), la scelta e la verifica dei supporti che deve bilanciarequestioni di opportunita` ingegneristica con esigenze di fattibilita` costruttiva.

Anche la tubazione piu` semplice e` dunque soggetta ad un gran numero di considerazionicontemporanee e talvolta contrastanti. Eproprio in questo delicato bilancio di fattori, chenon deve mai dimenticare le esigenze impiantistiche globali, che si evidenzia la competenzadello stressista.

1.3 Componenti

Abbiamo visto che lanalisi di un sistema di tubazioni puo` essere piu` complesso del pre-visto. Bene, dunque e` ora il momento di capire quali sono i componenti che fanno partedi un sistema piping. Possiamo essenzialmente distiguerli in tre categorie.

parti in pressione (tubazione e componenti in linea come flange, valvole etc) apparecchiature supporti

La questione dei supporti e` particolarmente complessa, al punto che e` anche difficilefarne un accenno preliminare. Li tratteremo in seguito, occupiamoci ora dei primi duetipi di componenti.

Tubazioni

Il tubo propriamente detto e` chiaramente il componente principale di un sistema piping.Il tubo e` un elemento geometricamente molto semplice eppure per modellarlo corretta-mente nel programma di calcolo dobbiamo conoscerne un gran numero di caratteristiche.Innanzi tutto il materiale, tipicamente espresso da un codice che fa riferimento alle tabelleASTM (American Society of Testing and Materials). Ovviamente bisogna poi conosce-re diametro e spessore del tubo, due parametri non cos` banali come sembra. Infatti iltubo viene definito da un diametro nominale che e` diverso dal diametro geometrico deltubo stesso. Prima che iniziate a dubitare della mia salute mentale permettetemi di faresubito una premessa. Come avrete forse gia` capito limpiantistica mondiale e` fortemente

1.3. COMPONENTI 13

influenzata dagli anglosassoni che ne sono stati i progenitori e tuttora ne dominano lascena. Dunque, per quanto possa sembrare anacronistico, sono ancora ampiamente usatele unita` di misura imperiali. Il diametro ad esempio e` tipicamente espresso in pollici edunque non e` immediato tradurlo in millimetri. A complicare le cose ce` il fatto che ildiametro nominale e` molto vicino al diametro interno (con spessore standard) per i tubifino a 12 pollici ma diventa pari al diametro esterno per tubi da 14 pollici in poi. Dunque,tanto per fare un esempio, un tubo da 10 pollici non ha un diametro esterno pari a 254mm (come ci si aspetterebbe da una semplice conversione) ma di 273.1 mm mentre untubo da 20 pollici ha effettivamente un diametro esterno di 508 mm. In questo caos perfortuna ce` un principio molto semplice, ovvero che per ogni diametro nominale il diame-tro esterno e` fissato ed e` invece il diametro interno a variare in funzione dello spessore.Questo serve a fare in modo che tubazioni di pari diametro possano usare elementi esternianaloghi, mi riferisco soprattutto ai supporti.

Avrete notato che prima ho parlato di spessore standard. Ecco, la definizione deglispessori e` se possibile ancora piu` barocca di quella dei diametri. Ogni diametro e` infattiprodotto in un certo numero di spessori definiti commerciali e, a meno di qualche rarissimocaso, si fa in modo di definire nelle piping class uno spessore tra questi commerciali. Sead esempio, calcoli alla mano, lo spessore calcolato di un 6 fosse di 6.5mm, tipicamentesi finisce per acquistare lo spessore commerciale immediatamente superiore, che in questocaso e` di 7.11mm. Il motivo e` presto detto. Innanzi tutto e` una questione di reperibilita`commerciale, per i produttori di tubi e` piu` facile ed economico produrre tubazioni dipredeterminati spessori piuttosto che produrre tubi diversi per ogni cliente. Inoltre e`molto piu` comodo anche per la gestione dei materiali in magazzino avere tubazioni dispessori tipici che possano essere interscambiati alloccorrenza senza eccessivo disagio (aparita` di materiale, ovvio).

Come si definiscono gli spessori? Tenetevi forte. Le ASME (American Society ofMechanical Engineers) definiscono gli spessori con dei gradi come Standard (STD), ExtraStrong (XS), Double Extra Strong (XXS) o dei numeri (definiti schedule) variabili da 10a 160. Le tubazioni in acciaio inossidabile hanno poi dei codici separati in cui lo scheduleviene preceduto dalla lettera S.

Facciamo qualche esempio per capirci. Un tubo da 6 schedule STD ha un diametroesterno di 168.3 mm e uno spessore di 7.11 mm, un 16 schedule 40 ha diametro esterno di406.4 mm e spessore di 12.7 mm, un 24 schedule 20 ha un diametro esterno di 609.6 mme uno spessore di 9.53 mm. Attenzione, lo schedule da solo non definisce alcuno spessorema lo individua solo se associato ad un certo diametro. Dunque il 6 schedule STD ha7.11 mm di spessore mentre il 16 schedule STD ha 9.53 mm di spessore ed il 24 scheduleSTD ha anchesso 9.53 mm di spessore. Ma come, vi starete chiedendo, 9.53 mm non eraanche lo spessore del 24 schedule 20? E ora e` anche quello dello schedule STD? Esatto.Lo volete un consiglio. Risparmiatevi la fatica di capirci qualcosa e dotatevi al piu` prestodi un buon programmino (se ne trovano a bizzeffe) che abbia in memoria tutte questeinformazioni e tutte le altre che incontreremo in futuro.

Oltre al materiale, diametro e spessore, dobbiamo sapere anche tante altre cose dellatubazione usata. Innanzi tutto la modalita` di fabbricazione che distingue le tubazionisulla base della presenza o meno di saldatura, sulla disposizione della saldatura stessa(longitudinale od elicoidale) e sul metodo di saldatura. Queste informazioni ci servonoperche` ogni metodo di fabbricazione si traduce in un coefficiente di sicurezza che va inclusonel calcolo di resistenza del tubo a pressione. Questo coefficiente deve essere inferiore ad1 (un coefficiente unitario rappresenta il tubo inalterato) e purtroppo non e` raro vederusato nei calcoli un valore unitario anche nei casi che non lo prevederebbero.

Infine, tra le caratteristiche principali del tubo, va tenuto conto dello spessore di


corrosione e della tolleranza di fabbricazione. Una cosa alla volta. Poiche`, a meno diesigenze particolari, nella maggior parte delle tubazioni si usa acciaio al carbonio, lacorrosione e` un effetto che va tenuto in conto. Sulla base della natura del fluido contenutoe della vita attesa dellimpianto viene calcolato uno spessore atteso di corrosione. Inmancanza di altre informazioni non vi sbagliate se lo considerate pari a 3mm. Inoltrei metodi di fabbricazione dei tubi hanno una certa tolleranza nello spessore finale che,sempre a meno di dati piu` precisi del fabbricante, si puo` considerare pari al 12.5% (inteoria in piu` o in meno, in pratica in meno e basta). Attenzione. A seconda dellanormativa in uso questi parametri possono entrare o meno in determinate verifiche dellalinea. In parole piu` semplici, alcune verifiche potrebbero richiedere lo spessore corroso edaltre invece quello non corroso, alcune normative potrebbero tener conto delle tolleranze dilavorazione negli ammissibili del materiale mentre altre potrebbero ignorare il problema.Dunque prima di aprire il programma di calcolo e buttare dentro quei numeri a casacciodocumentatevi su come la normativa ed il software gestiscono questi numeri. Sottolineolimportanza di controllare entrambi in quanto i software talvolta permettono di abilitaredelle opzioni che derogano dalla normativa in uso. In mancanza di chiarezza convieneusare il metodo rozzo ma sempre affidabile di far girare il calcolo con o senza il parametroche si intende considerare e vedere come il programma reagisce al cambiamento.

Esempio pratico

Domanda Mettiamo che la normativa che sto usando non consideri lo spessore di corro-sione in una determinata verifica. Tuttavia io ho assoluta necessita` di considerarelo spessore corroso, ad esempio perche` sto verificando una tubazione esistente che inbase a delle misurazioni in campo e` risultata essere corrosa in alcune parti. Comefaccio?

Risposta Semplice. Duplica il calcolo e sostituisci manualmente lo spessore nominalecon quello corroso nelle parti interessate. Un altro caso di sostituzione manuale del-lo spessore fu necessario nel calcolo della linea del vapore principale di una centraleelettrica. Poiche` gli spessori in gioco erano enormi (dellordine dei 100 mm per in-tenderci) una variazione del 12.5% dello spessore avrebbe comportato una variazionedi peso sensibile della tubazione che rendeva molto difficile specificare correttamentele molle da acquistare. La soluzione e` stata quella di fare due calcoli distinti, unocon lo spessore massimo e uno con lo spessore minimo, per poi acquistare modelli dimolle che potessero essere regolate in campo allinterno del range cos` definito. Seve lo state chiedendo - ebbene si, questo metodo non tiene conto del fatto che unaparte del tubo possa essere sopraspessorato ed una parte sottospessorato. Fateveneuna ragione, questa e` ingegneria, non matematica.

Saldature

Le tubazioni vengono connesse in due modi, attraverso saldature o connessioni flangiate.Le prime sono chiaramente piu` affidabili, non ci sono pericoli di trafilamento o di incorret-to serraggio dei bulloni, tuttavia luso di flange permette lo smontaggio (ad esempio permotivi di manutenzione) e cio` alla fine le rende piu` usate. Le saldature sono potenzial-mente elementi deboli della tubazione e dunque un fattore di efficienza andrebbe tenuto inconsiderazione. Nella pratica pero` questo viene ignorato per almeno due motivi. Il primoe` che il coefficiente impatta sullo stress longitudinale mentre la pressione e` controllatadallo stress circonferenziale (hoop) e per i carichi diversi dalla pressione lefficienza dellasaldatura e` compresa nei fattori di intensificazione dello stress. Inoltre luso di materiali

1.3. COMPONENTI 15

di riporto piu` nobili di quello della tubazione e i controlli effettuati sulle saldature (radio-grafie, ultrasuoni, liquidi penetranti) fanno si che nella pratica raramente la saldatura siriveli effettivamente lelemento piu` debole del sistema.

Flange

Le flange non sono altro che dischi variamente sagomati che permettono laccoppiamentodi parti di tubi mediante luso di bulloni. Unimmagine e` piu` eloquente di mille parole.

Figura 1.1: Esempio di connessione flangiata

Per lo stressista la flangia non e` altro che un elemento rigido dotato di un certo peso daapplicarsi al tubo. Le dimensioni della flangia sono abbastanza ininfluenti al punto che cisono dei programmi di calcolo che la considerando addirittura un peso puntiforme. Altriprogrammi di calcolo permettono di includere dimensioni e peso della flangia insieme allavalvola a cui fossero connesse ma io sconsiglio di usare questa scorciatoia se non altro permotivi grafici. Non sottovalutate mai il rischio che il cliente o il suo consulente venganoa chiedervi perche` avete messo tutte valvole saldate solo perche` non vedono la presenzagrafica della flangia.

Ci sono vari tipi di flange a seconda delluso che se ne deve fare, del tipo di fluidocontenuto, della criticita` della connessione. Per carita`, uno stressista puo` vivere relativa-mente bene anche senza conoscere tutti questi dettagli, in fondo anche se si sbaglia tipodi flangia i pochi chilogrammi di errore non inficiano certo la bonta` del calcolo. Tuttaviaper completezza professionale e` interessante dare unocchiata alle diverse tipologie.

Figura 1.2: Flangia welding neck

Welding neck Questa flangia e` saldata circonferenzialmente al tubo e grazie al suo collola sua integrita` puo` essere facilmente controllata mediante radiografia. Il diametrointerno del tubo e della flangia coincidono il che riduce i fenomeni di turbolenzaed erosione durante il passaggio. Le flange welding neck sono tra le piu` diffuse edapprezzate anche per usi impegnativi.


Figura 1.3: Flangia slip on

Slip-on Questa flangia e` costituita semplicemente da un disco fatto scorrere sul tubo epoi saldato. Chiaramente e` molto piu` semplice da realizzare ma anche molto menoresistente della welding neck.

Figura 1.4: Flangia socket weld

Socket Weld Questa flangia possiede una tasca che accoglie il tubo prima di effettuarela saldatura. Linclusione di questa tasca rende la flangia socket weld piu` resistentedella slip on e garantisce luniformita` di passaggio del flusso interno. Eun tipo diflangia molto usata per i tubi di piccolo diametro ma alta pressione.

Figura 1.5: Flangia threaded

Threaded Le flange filettate sono usate solamente per componenti a bassa pressione ein applicazioni non critiche. Onestamente le ho incontrate tante volte quante se nepotrebbero contare in una mano.

Figura 1.6: Flangia lap joint

Lap Joint Questa flangia e` usata in applicazioni a bassa pressione per la sua facilita`di assemblaggio e allineamento. Poiche` la tenuta e` effettuata dallo stub end e nondalla faccia della flangia e` chiaro che la sua resistenza alla pressione e` limitata.

Figura 1.7: Flangia blind

1.3. COMPONENTI 17

Blind La flangia cieca (o appunto blind) viene usata per chiudere la parte terminale diuna tubazione. Luso di una flangia cieca al posto di altre soluzioni (ad esempioun fondello bombato) puo` essere dettato da esigenze di ispezione o in previsione difuturi ampliamenti della linea.

Figura 1.8: Flangia ring joint

Ring Joint Piu` che un tipo di flangia, questo e` un metodo di garantire la tenuta appli-cabile alle flange welding neck, slip on o blind. Un anello metallico viene compressotra le facce delle flane e garantisce una migliore resistenza alla pressione.

Questultima soluzione, la ring joint, apre le porte ad un altro punto importante, laquestione della tenuta delle flange di cui parleremo nel seguito del libro.

Le flange sono poi identificate dalla loro classe. Ogni classe ha la sua tabella dipressione massima in funzione della temperatura operativa. Ovviamente per una datatemperatura occorre che la pressione massima della flangia sia superiore alla pressioneeffettivamente presente. Inizialmente le classi venivano chiamate pounds in quanto origi-nariamente la classe equivaleva proprio alla pressione massima consentita. In altri terminiuna flangia classe 300 resisteva proprio a 300 psi (pounds per square inch, libbre per polliciquadrati) alla temperatura di riferimento. Con gli anni pero` sono diventati disponibilidei dati piu` accurati sugli ammissibili dei materiali e dunque il rapporto tra la classe ela pressione non e` piu` esatto. Ad esempio per un acciaio A-105, la classe 150 ha orauna pressione massima di 170 psi alla temperatura di riferimento mentre la classe 300 hauna pressione massima di 270 psi. Tradizionalmente pero` molti continuano a chiamare leclassi come pounds ed in effetti lordine di grandezza e` piu` o meno giusto.

La maledizione del tetto di rating Quando escono i primi P&ID spesso il processonon ha tutte le informazioni di temperatura e pressione delle linee. Cosa fa allora? Mettela pressione di design a tetto di rating per la classe in uso. Da un punto di vista stressnon e` un problema ma da un punto di vista della tenuta delle flange e` una vera e propriamaledizione. Se la flangia e` gia` sottoposta allazione della massima pressione ammissibile,qualunque aggiunta di carichi esterni comportera` la perdita di tenuta. Vedremo nel seguitodel libro come risolvere questo enigma, a parte lovvia opzione di chiedere al processo diinserire pressioni piu` veritiere nella line list.

1.3.1 Curve

A quanto pare ogni tanto i tubi devono cambiare direzione ed il modo piu` diffuso per farloe` quello di usare delle curve. Le curve di distinguono per come sono create (forgiatura opiegatura) e per il raggio di curvatura. Le curve piu` diffuse sono le cosiddette long-radiuse sono forgiate con un raggio di curvatura pari a 1.5 volte il diametro del tubo. In casi di


necessita` si puo` usare delle short-radius con un raggio pari al diametro del tubo. Quandoinvece e` necessario garantire minori perdite di carico o ridurre i problemi di erosione siricorre alle curve ottenute per piegatura. Il problema di queste curve e` che durante lapiegatura si ha una riduzione dello spessore dellestradosso (la parte esterna della curva)e dunque bisogna partire da un tubo dritto di spessore superiore a quello nominale perpoi piegarlo con un raggio di curvatura non troppo stretto (almeno 3 volte il diametro mapiu` frequentemente 5 volte). Infine per risparmiare si puo` far uso delle cosiddette milterbend, ovvero di curve ottenute saldando porzioni di tubo dritto. Queste curve vannomodellate con attenzione nel calcolo di stress inserendo anche lesatto numero di tratti incui la curva e` stata divisa.

1.3.2 Branches

Oltre a curvare ogni tanto i tubi si innestano pure uno nellaltro dando vita alle connessionio branches. Queste connessioni possono essere realizzate in modi differenti. Il modo piu`semplice e` quello di usare un pezzo a tee forgiato. Pur essendo la forma di connessionepiu` costosa e` anche quella piu` affidabile.

Figura 1.9: Pezzo a tee forgiato

In alternativa si puo` semplicemente forare il tubo principale e saldare direttamente iltubo derivato dando vita a quello che viene chiamato unreinforced. Il nome non lasciapresagire nulla di buono ed in effetti lunreinforced e` la connessione piu` fragile. Perrenderla piu` resistente si usa mettere una piastra di rinforzo intorno al foro facendolo cos`diventare un reinforced. Tipicamente lo spessore della piastra di rinforzo e` pari a quellodel tubo principale e lampiezza pari al diametro dello stacco.

Figura 1.10: Innesto rinforzato

Ci sono altre forme di connessioni usate in genere per piccoli stacchi (bypass, presestrumenti etc).

Ogni connessione ha i suoi fattori di intensificazione dello stress (SIF) che dipendonodal tipo ma anche da diametri e spessori dei tubi coinvolti. In alcuni casi questi fattoripossono arrivare anche a valori prossimi alla decina, il che lascia ben intendere comesi tratti di elementi particolarmente soggetti a rottura. Dimenticare di inserire un SIFin un pezzo a tee e` uno degli errori piu` diffusi ma anche piu` pericolosi. Dimenticarlo

1.3. COMPONENTI 19

appositamente e` invece una delle furbate piu` comode a disposizione dello stressista conpochi scrupoli.

Il tipo di connessione da usare non e` ovviamente a scelta dello stressista, per ognipiping classe viene generalmente creata una branch table, ovvero una matrice che inbase al diametro del tubo principale (header) e dello stacco (branch) individua il tipo diconnessione da usare. Al piu` lo stressista puo` richiedere luso di una piastra di rinforzoanche se poi non tutte quelle richieste vengono effettivamente realizzate in cantiere...

Parte I

Concetti di base

21

Capitolo 2

Load cases

Una delle prime domande che ci si chiede quando si inizia a lavorare nella stress analysise` perche` il caso termico sia ottenuto per sottrazione tra quello operativo (W+T1+P1) equello sustained (W+P1) e non semplicemente imponendo la dilatazione termica T1.

La risposta e` ben nota, che definendo EXP = OPE SUS si riescono a cogliere glieffetti dovuti alla non linearita` dei supporti e alla presenza di altri carichi che modificanola configurazione della linea. Quello che spesso non viene detto e` che pero` questo esca-motage e` solo una delle tante attenzioni richieste alla creazione di una tabella corretta dicombinazioni di carico.

2.1 Supporti non lineari

Visto che molte delle difficolta` delle combinazioni di carico nascono dalla non linearita` deisupporti, cerchiamo di capire quali siano i supporti non lineari.

Si definiscono supporti non lineari quelli la cui rigidezza dipende dalla posizione deltubo o dalla forza che agisce sul supporto stesso.

Alcuni esempi includono

supporti unidirezionali (+Y)

supporti con gap

supporti con attrito

tiranti soggetti a rotazioni non trascurabili

supporti bilineari.

Come si vede, lassortimento dei supporti non lineari e` molto vasto e mi sento di direche praticamente quasi ogni calcolo e` soggetto ad effetti non lineari.

Vediamo il diagramma forza-spostamento per alcuni tipici supporti non lineari e noninfinitamente rigidi.

23

24 CAPITOLO 2. LOAD CASES

Figura 2.1: Guida con gap

Figura 2.2: Supporto verticale con gap

Dallandamento spezzato del diagramma forza-spostamento si capisce subito perche`tali supporti vengano definiti non lineari.

2.2 Effetti non lineari (ovvero perche` EXP 6= T1)Cosa comporta nella pratica la non linearita` dei supporti? Un esempio concreto sara`illuminante. Immaginiamo di avere una guida con gap come in figura.

Figura 2.3: Posizione neutra

Immaginiamo di applicare la temperatura e che in conseguenza di cio` il tubo espandalateralmente fino a battuta. Avremo dunque questa situazione.

2.2. EFFETTI NON LINEARI (OVVERO PERCHE` EXP 6= T1) 25

Figura 2.4: Posizione dopo T1

Lo spostamento causato dalla condizione di carico T1 sara` dunque pari alla larghezzadel gap.

T1 = - = GAP

Immaginiamo pero` ora di applicare prima i carichi sustained. Immaginiamo altres` non chiediamoci ora in che modo che peso e pressione facciano spostare il tubo indirezione opposta.

Figura 2.5: Posizione in SUS = W+P1

A questo punto, quando arrivera` la deformazione termica, agira` su una configurazioneiniziale che non e` indisturbata ma e` stata gia` modificata da peso e pressione. Il risultatosara` una dilatazione diversa, in tal caso doppia.

OPE-SUS = - = 2xGAP


Dunque il primo punto chiaro e` che per ottenere la combinazione di carico termicadobbiamo definire i load cases in questo modo

L1= W+T1+P1 (OPE)

L2= W+P1 (SUS)

L3= L1-L2 (EXP)

mentre scrivere

L3 = T1 (EXP)

sarebbe corretto solo in caso di supporti lineari (dunque praticamente mai).

2.3 Effetti non lineari in sustained (ovvero hot su-

stained e dintorni)

Lesempio che abbiamo visto era rivolto alla condizione di carico termica. Si potrebbepensare che la condizione sustained sia esente da questi effetti ma purtroppo non e` cos`.

A differenza dello stress expansion, che e` univocamente definito come quello causatodal passaggio dalla condizione di installazione a quella operativa, lo stress sustained soffredi un problema di fondo. Proprio perche` sustained, esso e` sempre presente, sia nellacondizione iniziale sia in quella operativa. Dunque quali condizioni al contorno vannoprese per calcolarlo?

A questa domanda nel corso della storia sono state date risposte varie dagli sviluppa-tori dei software che, a differenza degli autori delle normative, si trovavano nella necessita`di definire univocamente la condizione di carico sustained.

Alcuni software calcolavano lo stress sustained nella configurazione operativa ma que-sto aveva il non piccolo svantaggio di violare il rispetto della sovrapposizione degli effetti,in particolare il caso operativo (W+T1+P1) non era piu` uguale alla somma del caso su-stained (W+P1) e di quello termico (T1).

Altri programmi imponevano il fatto che tutte le condizioni di carico avessero le stessecondizioni al contorno del caso operativo, dunque veniva di nuovo rispettata la sovrappo-sizione degli effetti ma non veniva rispettato il realismo della modellazione (se un supportoveniva perso in operating, era di conseguenza eliminato in tutte le condizioni di carico,anche in quelle dove il supporto avrebbe funzionato).

Caesar II da questo punto di vista lavora correttamente in quanto ogni condizione dicarico ha il suo insieme di condizioni al contorno. Cio` e` computazionalmente gradito manon risolve il problema di fondo di quale condizione sia da ritenersi di riferimento. Infondo, a ben pensarci, e` una questione di punti di vista. Se vediamo un tubo riscaldarsisiamo portati a pensare alla condizione fredda come quella di riferimento mentre se lovediamo raffreddarsi considereremo iniziale quella calda. Eppure lo stress range termicoe` lo stesso ed i carichi sustained sono presenti nelle due condizioni estreme ed in tuttequelle intermedie.

2.4. COMBINAZIONI DI CARICO OCCASIONALI 27

Lunica soluzione che accontenta tutti e` quella di considerare sustained la condizionedi installazione ma di costruire un altro caso, generalmente chiamato hot sustained, perconsiderare i carichi sustained nella configurazione operativa.

Abbiamo dunque le seguenti combinazioni di carico.

senza hot sustained con hot sustainedL1 W+P1+T1(OPE) L1 W+P1+T1(OPE)L2 W+P1(SUS) L2 W+P1(SUS)L3 L1-L2(EXP) L3 T1 (EXP)

L4 L1-L2(EXP)L5 L1-L3(SUS)

Tabella 2.1: Combinazioni di carico

Qualcuno calcola lhot sustained rimuovendo manualmente i supporti che vengo-no perduti in condizione operativa. In questo secondo modo, pero`, non vengono conside-rati gli effetti di non linearita` dovuti allespansione termica.

In linea di principio, non solo la condizione iniziale e quella finale potrebbero es-sere considerate di riferimento per il sustained ma anche qualunque condizione intermedia.A causa delle non linearita`, non e` detto che le condizioni estreme siano piu` conservativedi quelle intermedie. Le normative non sono mai il sostituto del cervello.

2.4 Combinazioni di carico occasionali

Forti dei concetti sviluppati, affrontiamo le altre combinazioni di carico, tipicamente quelleoccasionali. Per la maggior parte delle applicazioni, il controllo dello stress richiede iseguenti passaggi

1. creare un caso operativo + occasionale

2. sottrarre al caso precedente il caso puramente operativo

3. aggiungere il risultato al caso sustained

La domanda nasce spontanea. Perche` aggiungere il contributo occasionale al caso su-stained? La risposta arriva dal paragrafo 302.3.6 delle B31.3 che recita

The sum of the longitudinal stresses, SL, due to sustained loads, such as pressure andweight, and of the stresses produced by occasional loads, such as wind or earthquake, maybe as much as 1.33 times the basic allowable stress given in Appendix A.

Di questa frase notiamo due peculiarita`. Innanzi tutto, come detto, luso del casosustained come base per laggiunta dei carichi occasionali. La seconda e` la richiesta disommare direttamente gli stress ottenuti dai due casi. Questo introduce la problematica


di come si possano combinare le diverse combinazioni di carico.

Tra i vari metodi messi a disposizione da Caesar II, quelli da usare sono principalmentedue, Algebraic e Scalar. Non si tratta solo di una questione di segni degli addendi (presiin valore assoluto o con il segno) quanto della sequenza delle operazioni che Caesar IIeffettua nel combinare i casi. In particolare

Algebraic viene usato quando si sottrae un caso dallaltro. Caesar II sottrae prima glispostamenti e a partire dalla configurazione geometrica che ottiene va a calcolare lostress.

Scalar viene invece usato per sommare due casi. In questo caso gli stress vengonosommati direttamente e non vengono invece ricalcolati a partire dagli spostamenti.

Eimportante non confondere i due metodi in quanto se usiamo algebraic per sommaredue casi consideriamo leventualita` ottimistica che i carichi occasionali possano compensa-re i carichi operativi. Se invece usiamo scalar per sommare i due casi, lo stress combinatopotrebbe essere inferiore alla somma degli stress singoli.

In generale, indipendentemente dalla tipologia del carico occasionale (vento, terremoto,blast, PSV), la combinazione di carico ha una struttura del tipo

L1 W+P+T OPE condizione operativaL2 W+P+T+F OPE condizione operativa + carico occasionaleL3 W+P SUS condizione sustainedL4 L1-L3 Algebraic EXP stress termicoL5 L2-L1 Algebraic OCC effetto di F (senza stress check)L6 L3+L5 Scalar OCC stress check


Il carico F potra` essere di volta in volta sostituito da WIN (vento), U (terremoto) oaltro carico.

2.5 Simultaneita`

Vento e terremoto vanno analizzati in ogni direzione e deve essere anche considerata lapossibilita` di simultaneita` di carichi nelle diverse direzioni. In tal senso e` utile ricorrereal metodo di combinazione SRSS (Sum of Squares).

Questo metodo afferma che la risposta totale del sistema e` pari alla radice quadra-ta della somma delle risposte individuali che vengono dunque considerate indipendenti(ortogonali) luna dallaltra.

R =

[Ni=1

R2i ]1/2

Si tratta di un metodo basato su considerazioni statistiche relative allimprobabilita`che i massimi nelle diverse direzioni si manifestino contemporaneamente. Naturalmentesi tratta di unassunzione non conservativa che pero` risulta ragionevolmente verificata apatto che i modi di vibrare nelle diverse direzioni non avvengano a frequenze simili. In

2.5. SIMULTANEITA` 29

questultimo caso, infatti, i modi di vibrare potrebbero rivelarsi in fase anche se geome-tricamente ortogonali.

Le combinazioni di carico necessarie ad unanalisi completa del terremoto con meto-dologia SRSS saranno dunque le seguenti.

L1 W+T1+P1 (OPE)L2 W+T1+P1+U1 (OPE)L3 W+T1+P1-U1 (OPE)L4 W+T1+P1+U2 (OPE)L5 W+T1+P1-U2 (OPE)L6 W+T1+P1+U3 (OPE)L7 W+T1+P1-U3 (OPE)L8 W+P1 (SUS)L9 L1-L8 (EXP)L10 L2-L1 (OCC) AlgebraicL11 L3-L1 (OCC) AlgebraicL12 L4-L1 (OCC) AlgebraicL13 L5-L1 (OCC) AlgebraicL14 L6-L1 (OCC) AlgebraicL15 L7-L1 (OCC) AlgebraicL16 L10+L12 (OCC) SRSSL17 L10+L13 (OCC) SRSSL18 L11+L12 (OCC) SRSSL19 L11+L13 (OCC) SRSSL20 L14+L12 (OCC) SRSSL21 L14+L13 (OCC) SRSSL22 L15+L12 (OCC) SRSSL23 L15+L13 (OCC) SRSSL24 L8+L16 (OCC) Scalar o ABSL25 L8+L17 (OCC) Scalar o ABSL26 L8+L18 (OCC) Scalar o ABSL27 L8+L19 (OCC) Scalar o ABSL28 L8+L20 (OCC) Scalar o ABSL29 L8+L21 (OCC) Scalar o ABSL30 L8+L22 (OCC) Scalar o ABSL31 L8+L23 (OCC) Scalar o ABS


Avrete notato che abbiamo indicato la possibilita` di usare ABS al posto di Scalar.Qual e` la differenza tra i due?

Dal punto di vista dello stress ABS e Scalar sono identici, entrambi sommano glistress dei casi combinati in valore assoluto.

In termini di forze e momenti, ABS somma di nuovo i valori dei casi combinati invalore assoluto mentre Scalar li ricalcola a partire dagli spostamenti e dalla matrice dirigidezza. (in questo caso Scalar si comporta come Algebraic)


Per quanto riguarda gli spostamenti, infine, ABS li somma di nuovo in valore assolutomentre Scalar li somma considerando il segno (anche qui come Algebraic).

Dunque ABS produce gli stessi valori di stress di Scalar (e questo e` cio` che conta)mentre produce valori maggiori di carichi e spostamenti. Al di la` del fatto che in ognicaso sono valori che non andrebbero usati per nessuno scopo, sono valori che non hannoalcun senso fisico e dunque sono inutilmente conservativi.

2.6 Output

Alcune combinazioni di carico vengono usate solo per lo stress check (EXP), altre per ilcontrollo dei carichi e degli spostamenti (OPE), alcune per entrambi (SUS). Perche` nonsi effettuano tutti i controlli su tutti i casi?

La risposta e` duplice. Gli stress check sono imposti dalla normativa ed e` la normativastessa che porge gli ammissibili. Anche volendo effettuare un controllo nel caso operativo,non avremmo un valore di stress ammissibile con cui confrontarlo.

Piu` sottile la risposta riguardo al controllo dei carichi. Facciamo questo esempio, untubo che in operativo si solleva dal supporto.

Figura 2.6: SUS-OPE

Nel caso SUS abbiamo una forza diretta verso il basso, nel caso OPE non abbiamoalcuna forza, dunque nel caso EXP avremmo per differenza una forza diretta verso lalto!Tale forza e` necessaria al software per calcolare la configurazione geometrica corretta (ineffetti il tubo si alza) ma non agisce direttamente sul supporto. Equindi del tutto inutile,se non addirittura fuorviante, considerare i carichi e gli spostamenti nei casi ottenuti persottrazione di altri casi.

Parte II

Concetti avanzati

31

Capitolo 3

Expansion Joints

3.1 Glossario

Active Length (Live Length): The portion of the flexible part of the joint that isfree to move.

Allowable Pressure: The pressure that initiates permanent deformation. With inter-nal pressure this is reduced by the tendency to Squirm.

Bellows: That portion of an expansion joint which accommodates the movement ofthe joint. The flexible portion of an expansion joint consisting of one or moreconvolutions/corrugations, generally including collars at each end for attachment toend fittings.

Concurrent Movements: Combination of two or more types (axial or lateral) ofmovements.

Convolution:The smallest flexible unit of a bellows. The total movement capacity of abellows is proportional to the number of convolutions.

Corrosion Considerations: Bellows are usually exposed to the same corrosion condi-tions as the assembly of which they are a component. The relatively thin wall ofthe bellows makes them susceptible to damage if precautions are not taken. Mate-rial selection is the key to preventing bellows damage from corrosive elements. Thecorrosive areas of concern are intergranular, which involves carbide precipitationacross the grain boundaries; pitting due to exposure to harsh substances such ashalides and hypochorites; and stress corrosion. It is important to know exactly whatenvironment a bellows will be used in order to determine an appropriate material.

Corrugation: A single member of either a hydraulically or mechanically formed typebellows

Deflection:The movement in compression from the free length an active convolution ofa bellows will sustain without noticeable distortion.

Effective Area: The cross sectional area upon which an applied pressure appears toact to produce a given thrust. The effective area is approximately equal to the areaof a circle lying halfway between the convolutions inside and outside diameters.

Expansion Joints Movements: The dimensional changes that the expansion joint isrequired to absorb, such as those resulting from thermal expansion or contraction.

33

34 CAPITOLO 3. EXPANSION JOINTS

Axial movement:Is the change in dimensional length of the bellows from its freelength in a direction parallel to its longitudinal axis. Compression is alwaysexpressed as negative (-) and extension as positive (+).

Lateral movement:Is the relative displacement of one end of the bellows to theother end in a direction perpendicular to its longitudinal axis (shear). Lateralmovement can be imposed on a single bellows, but to a limited degree. Abetter solution is to incorporate two bellows in a universal arrangement. Thisresults in greater offset movements and much lower offset forces.

Angular movement: Is the rotational displacement of the longitudinal axis ofthe bellows toward a point of rotation. The convolutions at the inner mostpoint are in compression (-) while those furthest away are in extension (+).

Torsional movement: Is the rotation about the axis through the center of abellows (twisting). TORSIONAL ROTATION OF METAL BELLOWS arestrongly discouraged. Torsion destabilizes an EJ reducing its to contain pres-sure and absorb movement. If torsion is present in a piping system, hinges,slotted hinges or gimbals are recommended to combat the torsion. Maximumtorsional limits are expressed in degrees for computational modeling only.

Flow Direction: Direction of media movement through the system.

Installed Face-to-Face Distance: The distance between the expansion joint flangesafter installation when the system is in the cold position.

Misalignment: The out-of-line condition that exists between the adjacent faces of thebreech or duct flanges during ductwork assembly.

Nominal Size: An approximate size, used because it is more convenient or meaningfulthan the actual dimension.

Overall Length: The total length of a bellows, including necks or ends, or the totallength of an assembly including the bellows and fittings.

Pitch: The approximate free length per active convolution. Also the distance betweenthe crests of two adjacent convolutions.

Ply: Individual wall thickness. Multi-ply is description of a bellows made from tubes oftwo or more plies.

Pre-Compression: Compressing the expansion joint (shortening the F/F) so that ina cold position the joint has a given amount of compression set into the joint. Thepurpose of pre-compression is to allow for unexpected or additional axial extension.

Pre-Set: Dimension that joints are deflected to insure that desired movements will takeplace. See Lateral Offset and Manufactured F/F.

Pressure thrust: Is the force created by pressure acting on a bellows. When a pipingsystem without EJs is pressurized, the system will not move because the pipe iscountering the force in tension. When an unrestrained EJ is introduced in thenetwork, the force tends to pull the ends away from the EJ causing damage to itselfand the pipe. This pressure thrust must be contained with either main anchorsor restrained EJs designed to carry pressure thrust loads. The main anchors mustbe able to resist the pressure thrust force and a small amount of force due to thedeflection of the bellows.

3.2. REFERENCE CODES AND DOCUMENTATION 35

Figura 3.1: Pressure thrust

case a) Pressure Thrust contained by pipe

case b) Pressure Thrust no longer contained by pipe

case c) System now requires main anchors

Seal Gasket: A gasket that is placed between two adjacent metal parts to make agaslight connection.

Spring Rate: The spring rate is the force or moment required to move a bellows in theaxial, lateral or angular direction. The data units for axial and lateral spring ratesare specified in N/mm or N/m. The data units for angular and torsional springrates are specified in N m/deg or N mm/deg.

Welding Blanket: A fire-resistant blanket that is placed over the expansion joint toprotect it from weld splatter during welding operations.

3.2 Reference Codes and Documentation

All EJs must be designed, fabricated, inspected, tested, shipped and installed in accor-dance with the following Codes, Standards and General Supply Rules.

ASME B31.3 Appendix X (Process Piping) ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section IX Welding and Brazing Qualifi-

cation

EN 10204 (Metallic products Types of Inspection Documents) EJMA Standards (Standards of the EJs Vendors Association) General Supply Rules

3.3 EJs basic concepts

Pipe EJs are necessary in systems that convey high temperature commodities such assteam or exhaust gases connected to sensitive Equipment in order to absorb movementand vibration.


Pipe EJs are also known as compensators, as they compensate for the thermal mo-vement.

EJs with metal bellows are designed to accommodate one or more of the followingmovements while minimizing the transfer of forces to sensitive components in the system.

Figura 3.2: Tipi di expansion joints

There are three basic movements that can be applied to a bellows. These are Axial,Lateral, Angular. Torsional rotation shall be minimized .

A bellows is made up of a series of one or more convolutions, with the shape of theconvolution designed to withstand the internal pressures of the pipe, but flexible enoughto accept the axial, lateral, and/or angular deflections.

Figura 3.3: Esempio di expansion joint

Bellows behave like springs in a piping system. When the bellows are moved, theyresist the movement the same as a spring would. The spring rate of a bellows is enti-rely dependent on bellows geometry and material properties. Bellows geometry such asconvolution height, pitch, thickness and number of plies will affect the EJ spring rate,movement compensation capability and cycle life .

A typical type of EJ for pipe systems is a bellows which can be manufactured frommetal (most commonly stainless steel), plastic (such as PTFE), or an elastomer such asrubber.

3.4. TIPI DI EXPANSION JOINTS 37

3.4 Tipi di Expansion Joints

Figura 3.4: Tipi di expansion joints


3.4.1 Axial EJ

Figura 3.5: Axial EJ

Axial compression and extension lateral and angular movement can be accommodated.These EJs do not restrain the internal pressure thrust. The piping designer must providethe system with separate anchoring and guiding to resist the pressure thrust. Where smallthermal movements are involved and proper anchoring and guiding is feasible, a single EJis the most economical installation.

3.4.2 Pressure balanced Axial EJ

Figura 3.6: Pressure balanced Axial EJ

When axial deflections exist, and anchoring is impractical for structural or economic rea-sons, such as high in the air or short straight pipe runs between two large vessels, thein-line pressure balanced EJ is a powerful solution to a difficult design problem.

The principle of this type of unit is essentially that the axial pressure thrust is reac-ted by the pressure acting on a cross-sectional area equal to the area of the working orprimary bellows.

Since this unit is entirely axial, and there are no directional changes in the pipe, suchas with the elbow in the previous discussion, the cross-sectional area needed to balancethe pressure is placed around the outside of the unit.


Since the pressure forces are generated by the pressure acting on the annular surfacebetween the primary and outer, or balancing bellows, the arrangement of the tie rodstransfers and balances the pressure thrust created in the pipe on each end.

Now the forces needed to compress or extend the unit are only the result of the springresistance of the bellows, and main anchoring of the pipe or vessels is not required.

3.4.3 Hinged EJ

Figura 3.7: Hinged EJ

Hinged / Angular EJs have a single bellows with overall length restrained by hinge hard-ware designed to accommodate pressure thrust.

A hinged EJ allows angular movement in a single plane.

Some hinge types can be provided with hinge pin holes which are slotted to permitlimited axial travel. These slotted hinge types will not resist pressure thrust forces, andanchoring must be provided.

3.4.4 Gimbal EJ

Figura 3.8: Gimbal EJ

Gimbal EJs have a single bellows and gimbal hardware designed to resist pressure thrust.

The gimbal EJ hardware operates like the universal joint on a drive shaft to accom-modate angular movements in any plane.

A system consisting of two gimbals and a hinge can accommodate very large move-ments with very low reaction loads on the adjacent equipment. This is a very attractive


application for large diameter hot piping systems even if the movements are complex andnot in a single plane.

A three-hinge system can accommodate very large movements with very low reactionloads on the adjacent equipment. This is a very attractive application for large diameterhot piping systems if the movements are in the same plane.

3.4.5 Lateral EJ

Figura 3.9: Lateral EJ

Axial movement is restrained by tie rods designed to contain pressure thrust.

A tied Axial is usually designed for lateral offset so that the tie rods can remain fullyengaged and loaded with the pressure thrust force.

A two tie rod design can accept angular deflection in a single plane.

In it is required to accommodate large lateral movement, they are design with twobellows separated by a pipe spool and tie rods designed to contain the pressure thrustforce.

A lateral EJ with two bellows can be designed to have a very low lateral spring forceto minimize forces on adjacent equipment.

The tie rods are usually at or near ambient temperatures and, therefore, do not expandand contract as a function of the temperature of the media within the pipe. As a result,the thermal expansion of the length of pipe between the tie rod end plates is forced intothe bellows as an axial movement.

The bellows design must accommodate this axial thermal expansion as well as thespecified lateral movement.

Sometimes a lateral EJ has a very heavy centre spool that can exert excessive weighton the bellows elements. To protect the bellows elements from excessive lateral loads,a support system such as a slotted hinge can be installed across the individual bellowselements to support the dead weight of the centre spool.


3.4.6 Universal EJ

Figura 3.10: Universal EJ

Universal EJs consist of two bellows separated by a pipe spool.

This configuration accommodates large lateral movements, in addition to axial com-pression and extension and angular deflection.

These EJs have no restraints / Tie rods to resist pressure thrust and like the singleaxial, the piping designer must provide separate anchoring to handle pressure thrust.

3.4.7 Universal Pressure Balanced EJ

Figura 3.11: Universal Pressure Balanced EJ

This type of EJ is really a combination of several types. Its purpose is to retain andbalance the pressure thrust so that main anchoring of the pipe or adjacent equipmentis not required, and forces and movements on attachment flanges of delicate equipment,such as turbines, are kept to acceptably low levels. The deflections to be accepted arehandled by the proper type of EJ, which normally is a tied universal type to acceptlateral movements. However, the pressure balanced elbow is usually required becauseaxial deflections are also present. In order to accept these movements, a bellows is addedbeyond the elbow with the same cross-sectional area as the ones in the universal section.This balancing bellows is connected by the tie rods to the pipe beyond the universalsection; in this way the pressure thrust is contained as tension in the tie rods. The sectionof the EJ between the tie rods, which includes the elbow, is now free to move axially, withthe only resistance being a function of the spring rates of the bellows. Because of theirarrangement, however, the spring rate of the entire EJ is the sum of the spring rates of thebalancing and the universal bellows. This is a constant volume system, in that when the


universal end compresses, the balancing end extends the same amount. All of the lateraldeflection is absorbed by the universal end, and there is no lateral deflection imposed onthe balancing end. Therefore, the balancing bellows is almost always a single bellows type

These assemblies shall be avoided in piping system configuration when:

A sufficient number of guides, near EJ and between anchors points cannot beprovided or not possible to install.

Excessive internal pressure may cause a multi-convolution bellows to become un-stable and squirm. The two most common forms are column squirm and in-planesquirm. This condition is most associated with bellows or inside spool pipe whichhave a relatively large length, to diameter ratio, and is analogous to the buckling ofa column under compressive load.

3.5 EJs accessories

3.5.1 Bellows

The bellows element is the most important component of an EJ. This thin-walled, cor-rugated membrane adds flexibility in a piping system allowing growth in a piping systemwhile containing the pressure and media flowing through it.

Each bellows has a unique working pressure, spring rate, and cycle life that are entirelydependent on its geometry and material.

The EJMA standard ensures that the bellows is designed and manufactured to a setof minimum requirements developed from empirical data and years of experience.

The bellows has several corrugations called convolutions that allow movement in axial,lateral and angular directions.

Figura 3.12: Bellows

A bellows is defined by the following terms used in the industry:

3.5. EJS ACCESSORIES 43

Pitch, (q) Convolution height, (w) Thickness, (t) Number of plies, (n) Bellows convoluted length, (Lb) Skirt length, (Lt) Bellows inside diameter, (Db)

3.5.2 Multi-Ply Bellows

Figura 3.13: Multi-Ply Bellows

Bellows can be manufactured in multi-ply. This is achieved by nesting thin tubes insideeach other before the initial punch stage of manufacture.

Multi-ply bellows have the distinct advantage of containing the same pressure as anequivalently thick single ply design, but with much lighter spring rates and much highercycle life. For example, a high pressure application might require a 0.060 in. thick bellowsto contain hoop stress. A single ply of 0.060 in. thick or three plies of 0.020 in. thickmaterial will both handle the hoop stress in the bellows, but each ply in the multi-plybellows will act individually where sidewall bending is concerned. This drops the springrate and significantly increases cycle life.

Figura 3.14: Two ply testable bellows


Sometimes referred to as a two ply testable bellows, redundant ply designs are usedwhen it is necessary to monitor the integrity of the bellows inner or outer ply. Not to beconfused with the multi-ply design, both bellows plies are designed for the full pressure andtemperature cycles. If one ply fails, the second one will take its place until a scheduledrepair can be made. The first style, referred to as passive, only monitors the pressurebetween the bellows plies. If the inner ply is breached, then the incident is detected as anincrease in pressure on the measuring device. Pressure gauges and pressure transducersare the most common types of measuring devices. The second style, referred to as active,requires a vacuum between the plies. Depending on the pressure reading, an inner orouter ply failure can be detected.

3.5.3 Hinges and Gimbals

Figura 3.15: Hinges

The hinge hardware is designed to carry the pressure thrust of the system, and oftentimes, used to combat torsional movement in a piping system.

Slotted Hinged EJs are a variant of the standard Hinged EJs that allow axial andangular movement. Be careful!

Once a Slotted Hinge is introduced, torsion in the piping system is still resisted butthe hinge no longer carries pressure thrust.

Pins, hinge and gimbals are typically designed to accept full pressure thrust.

Also, because of the hinge/gimbal mechanisms design, shear loads, such as from theweight of adjacent piping, can be accepted by this EJ, relieving the piping designer ofhaving to provide additional supports and anchors.


Figura 3.16: Gimbal

3.5.4 Rods

Tie-rods

Figura 3.17: Tie rods

Figura 3.18: Tie rods

Ties rods are devices, usually in the form of bars or rods, attached to the EJs assemblyand are designed to absorb pressure loads and other extraneous forces like dead weight.

When used on a Lateral Style EJ, the ability to absorb axial movement is lost.

Limit rods may be used in an EJ design to limit the axial compression or expansion.


They allow the EJ to move over a range according to where the nut stops are placedalong the rods.

Double acting tie-rods shall be provided with knuckles.

Limit-rods

Figura 3.19: Limit-rods

Figura 3.20: Limit-rods

Limit rods are used to protect the bellows from movements in excess of design that occa-sionally occurs due to plant malfunction or the failure of an anchor.

LIMIT RODS DO NOT CONTAIN THE PRESSURE THRUST DURING NORMALOPERATION.

Limit rods are designed to prevent bellows over-extension or over-compression whilerestraining the full pressure loading and dynamic forces generated by an anchor failure.

During normal operation the rods have no function.


Control-rods

Figura 3.21: Control-rods

Control rods are devices attached to the EJ assembly whose primary function is to distri-bute the movement between the two bellows of a universal EJ.

CONTROL RODS ARE NOT DESIGNED TO RESTRAIN BELLOWS PRESSURETHRUST.

3.5.5 Pantograph

Figura 3.22: Pantograph equalizing axial movement with lateral movement in one plane

Pantographic linkages are devices used to equally distribute movement between the twobellows of a universal style EJ. The devices work like scissors and do not contain pressurethrust. The pantograph seen above is designed to equalize axial movement with lateralmovement in one plane.

If lateral movement exists in two planes, the addition of a gimbal and hinge to thepantograph will compensate for the out-of-plane lateral movement. The pantograph seenabove is designed to equalize axial movement with lateral movement in one plane.


Figura 3.23: Pantograph equalizing axial movement with lateral movement in two planes

3.5.6 Internal Sleeve

Figura 3.24: Weld end with liner Flanged with liner

The EJ internal sleeves should be used in the following cases:

When it is necessary to minimize pressure drops and to minimize flow turbulences. When turbulent flow is generated upstream of the EJ by changes in flow direction When the fluid velocities are high and could produce resonant vibration of the bel-

lows.

For Air, Steam and other Gases

Up to 6 in. diameter - 4 ft/sec/in. of diameter

Over 6 in. diameter - 25 ft/sec.

For Water and other Liquids

Up to 6 in. diameter - 2 ft/sec/in. of diameter

Over 6 in. diameter - 10 ft/sec.

When it is necessary to protect the bellows from media carrying abrasive materialssuch as catalyst or slurry

In high temperature applications to reduce the temperature of the bellows. Theliner is a barrier between the media and the bellows.


Pressure drop through the liner is minimal because the flow is necked down tempora-rily, then expanded back to the original duct diameter almost instantly.

The internal sleeve shall be long enough to extend past the bellows sections throu-ghout the full range of movement.

The internal sleeve shall not restrict the bellows from moving throughout all the spe-cified EJ movement, whether such movements are lateral, axial or angular.

Flow liners can trap liquid if the EJ is installed with the flow vertical up. WhenEJs are fitted with liners or internal sleeves, the unit is marked with an arrow indicatingthe direction of flow. The EJ must be installed in the system with flow in the correctdirection.

3.5.7 Purge connectors

Figura 3.25: Purge connectors

Purge connections are used in conjunction with internal liners to lower the skin tempe-rature of the bellows in high temperature applications such as catalytic cracker bellows.The purge media can be air or steam which helps flush out particulate matter betweenbellows and the liner. This also prevents the build up of harmful solids in the convolutionsthat may stop the bellows from performing.

Figura 3.26: Purge connectors


3.5.8 EJ end connection

Flange

Figura 3.27: Flange end connection

Any flange style can be added to a bellows for bolting into a system. Forged steel or plateflanges to match the pressure and temperature ratings of ANSI Class 150 or ANSI Class300 are standard from 3 in. nominal diameter to 24 in. nominal diameter. Special flanges,slip-on, or angle style are available in sizes from 12 in. diameter to 72 in. diameter. Anycustom flange dimensions can be manufactured.

During EJ installation flanged assemblies shall be correctly aligned with their matingflanges (vanstone flanges permit some rotational misalignment). If a bellows is subjectedto torsional forces due to hole misalignment, then reduced cycle life and/or bellows failurecan occur.

Vanstone

Figura 3.28: Vanstone end connection

Vanstone ends are modified flanged ends with the added flexibility for resolving bolt-holemisalignment or wetted surface corrosion.

Because torsional twisting of the bellows is to be discouraged, Vanstone is an econo-mical solution without compromising the integrity of the EJ.


Weld end

Figura 3.29: Weld end connection

Any pipe or duct can be attached to a bellows for welding into a system. Pipe in ac-cordance with ASTM A53 Gr. B or A106 Gr. B is used for standard sizes 3 in. to 24in. nominal diameter. Plate to ASTM A36 or A516 Gr. 70 rolled and welded is used forcustom sizes 26 in. through 18 ft. in diameter. Stainless steel or other alloy pipe can alsobe provided.

ATTENTION: During installation the bellows elements should always be protectedduring the welding process with flame retardant cloth or other shielding material. Weldsplatter, arc strikes, or cutting torch sparks can cause serious damage to the thin bellowselement.

Angle Flange

Angle flange ends are available in sizes from 12 in. diameter and above. These flangesare normally used for low pressure applications and can be bolted together or weldedtogether. The flanges are manufactured from structural angle rolled either the easy wayor hard way. Any custom flange dimensions can be manufactured.

Landing Bars

Figura 3.30: Landing Bar

Landing bars ends are used on a variety of EJs. The most common application is on steamturbine exhaust to condenser inlet. These are usually large diameter (6 ft or greater) witha possibility of duct out-of-roundness. The landing bar provides a welding surface for amating duct that is slightly out-of-round. The landing bar can also double as a stiffenerin a full vacuum ducting system.


3.5.9 Locking Device

A locking device shall be provided in order to fix the required EJ installation length, topreserve the geometric stability of the assembly and to prevent damage to the bellowsduring transportation. Locking devices shall be clearly marked as temporary and shallbe designed for be easy removed.

3.5.10 Reinforcing rings

Figura 3.31: Various root ring styles

As design pressure, diameter and temperature increase for an EJ, convolutions often requi-red reinforcement to contain the hoop stress in the thin-walled bellows. These reinforcingmembers are known as reinforcing rings (or root rings).

Reinforcing rings come in many forms and materials depending on the design condi-tions. The figure above shows several styles of root rings.

3.5.11 External Cover

Figura 3.32: Weld end with cover Flanged with cover

External covers are also used to prevent damage during installation and operation orwhen welding is going to be performed in the immediate vicinity. If the EJ is going to beexternally insulated, a cover should be considered.

Covers can either be designed as removable or permanent accessories.


Fixed types are used where high velocity external steam conditions exist such as incondenser heater connections.

The removable type of cover permits periodic in service inspection.

Covers for any EJ is recommended. The small cost increase is just economical insu-rance when compared to a complete joint replacement.

3.5.12 Sealable Cover

Figura 3.33: Sealable Cover

Sealable covers are used to box in a leaking bellows either online or off line. A ring is tackwelded to the smaller of the two covers and during an emergency, the ring can be movedto fill the gap between the covers.

Once all the covers are welded shut, the leak is contained.

Caution must be taken because when the unit cools down, the welds may break. Arepair or replacement plan must be in place.

3.5.13 Thermocouples

Thermocouples for EJs are used to monitor the temperature of the bellows. They givevaluable information on overheating situations that can damage the bellows as well astemperatures that are below the dew point causing possible corrosion of the bellows.

Thermocouples are most often used in pairs to get an idea of the difference in tempe-rature on upstream and downstream end of the bellows.


3.5.14 Anchor foot

Figura 3.34: Anchor foot

An anchor foot is an integral intermediate anchor designed to withstand any loads pro-duced by the deflection of the bellows.

ATTENTION: The anchor foot is not designed to carry pressure thrust.

3.5.15 Shipping Bars

Figura 3.35: Universal EJ with shipping bars

Shipping bars are temporary attachments that hold the EJ at its correct installed lengthduring shipping and installation.

Angle iron or channel section is used and is always painted bright yellow.

Shipping bars must never be removed until after the unit has been correctly weldedor bolted into the piping system.

CAUTION: Tie rods or limit rods are sometimes mistaken for shipping bars. NEVERTAMPER WITH THESE ATTACHMENTS.

NOTE: Great care must be taken when removing the shipping bars. If a welding orburning torch is used, ALWAYS protect the bellows element from burn splatter with aflame-retardant cloth or other shielding material.

3.6. EJS DESIGN 55

3.6 EJs DESIGN

3.6.1 General Design Notes

The use of EJs shall be minimized. Line flexibility requirements shall be fulfilled, as faras possible, by the use of loops, etc.

Defective joints are usually the cause of collapse, gas leakages, and instability of struc-tures.

The use of EJs shall be limited to those cases for which routing modifications are morecomplicated or impracticable due to the following reasons:

Excessive pressure drop The absence of flow turbulence from the elbows and piping is required by process

flow conditions.

Space is inadequate for a pipe loop with sufficient flexibility. Excessive loads on structures or terminal sensitive equipment The pipe loop is impractical as in an application of low pressure or large diameter There is no adequate support structure to support the size, shape, and weight of a

pipe loop.

The fluid is abrasive and flows at a very high velocity.

The following employment hierarchy shall be observed for metal bellows type EJs:

Hinged EJs Gimbal EJs Lateral EJs Universal EJs Axial EJs.

The use of EJs without tie rods requires guides, stops and anchors in order to constrainthe piping system against the effect of pressure trust (pressure thrust can be calculatedby multiplying the effective area shown in the catalog by the working pressure). I