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L’analisi e la scelta delle tubazioni. Il diametro ottimale della tubatura

Le tubature per il trasporto di liquidi di diversa natura sono parte integrante dei sistemi e degli impianti in cui avvengono i processi di lavoro, relativi a diverse aree di applicazione. Quando si scelgono i tubi e la configurazione della tubazione hanno grande importanza sia il costo dei tubi stessi che quello dei raccordi delle tubazioni. Il costo finale del pompaggio della materiale di lavoro attraverso la tubazione è in gran parte determinato dalle dimensioni dei tubi (diametro e lunghezza). Il calcolo di queste grandezze avviene tramite formule specifiche, appositamente create per determinati tipi di utilizzo.

Il tubo è un cilindro cavo di metallo, di legno o di altro materiale, utilizzato per il trasporto di materiali liquidi, gassosi e solidi. In qualità di materiale che passa attraverso la tubazione possiamo trovare l’acqua, il gas naturale, il vapore, prodotti petroliferi, ecc. I tubi sono utilizzati ovunque, a partire da una vasta varietà di rami dell’industria e terminando con utilizzi a livello quotidiano.

Per la produzione di tubi possono essere utilizzati i più diversi materiali come l’acciaio, il ferro, il rame, il cemento, la plastica come la plastica ABS, il PVC, il cloruro di polivinile, il polibutene, il polietilene, ecc.

I principali indici di misura dei tubi sono il diametro (esterno, interno, ecc.) e lo spessore della parete, che sono misurati in millimetri o in pollici. Viene utilizzato anche quel valore noto come diametro o larghezza nominale: anche il valore nominale del diametro interno del tubo viene misurato in millimetri (indicato con Du) o pollici (indicato con DN). I valori dei diametri nominali sono standardizzati e sono il criterio principale per la selezione di un tubo di raccordo e delle guarnizioni.

Conformità dei valori del passaggio nominale in mm e pollici:

Du, mm DN, pollici  Du, mm DN, pollici
15 ½ 400 16
20 ¾ 450 18
25 1 500 20
40 600 24
50 2 650 26
80 3 700 28
100 4 750 30
150 6 800 32
200 8 900 36
250 10 1000 40
300 12    
350 14    

Si preferisce il tubo a sezione circolare rispetto ad altre sezioni geometriche per una serie di motivi:

  • il cerchio possiede il minimo rapporto tra il perimetro e l’area. Applicato al tubo questo significa che a parità di capacità di portata di materiale, i tubi di forma rotonda avranno un rapporto minimo rispetto ai tubi di altra forma. Da qui ne conseguono anche possibili spese minori di isolamento e rivestimento protettivo;
  • la sezione trasversale circolare, dal punto di vista dell’idrodinamica, è più vantaggiosa per spostare un materiale liquido o gassoso. Inoltre, data la minima area interna possibile del tubo per unità di lunghezza, si ottiene la minimizzazione dell’attrito tra il materiale di lavoro spostato e il tubo.
  • La forma rotonda è più resistente all’azione di pressioni interne ed esterne;
  • Il processo di fabbricazione di tubi di forma rotonda è abbastanza semplice e facile da eseguire.

I tubi possono variare di molto per quel che riguarda il diametro e la configurazione, a seconda dello scopo e del campo di utilizzo. Così i collettori per lo spostamento di acqua o di prodotti petroliferi sono in grado di raggiungere quasi mezzo metro di diametro con una configurazione abbastanza semplice, mentre le serpentine di riscaldamento, anch’esse tubi, in presenza di un diametro piccolo hanno una forma complessa con molte curve.

È impossibile immaginare una qualsiasi industria senza una rete di tubazioni. La valutazione di una qualunque di tali reti comprende la selezione del materiale dei tubi, la redazione delle specifiche tecniche dove sono elencati i dati circa lo spessore, la dimensione dei tubi, il percorso, ecc. La materia prima, il prodotto intermedio e/o il prodotto finito passano la fase di produzione spostandosi tra i vari apparecchi e impianti che sono collegati mediante tubazioni e raccordi. Il calcolo corretto, la selezione e l’installazione del sistema di tubazioni sono necessari per una realizzazione affidabile di tutto il processo, per garantire la sicurezza di pompaggio del materiale di lavoro, nonché per la tenuta ermetica del sistema e per evitare perdite di liquidi sostanze nell’atmosfera.

Non esiste un'unica formula o delle regole che potrebbero essere utilizzate per la selezione delle tubazioni per ogni loro possibile applicazione e per ogni materiale di lavoro. In ogni campo specifico di applicazione delle tubazioni è presente una serie di fattori che devono essere presi in considerazione e capaci di avere un impatto significativo sui requisiti richiesti della conduttura. Così, quando si lavora con il fango, ad esempio, una tubatura di grandi dimensioni non solo aumenterà il costo di installazione ma anche creerà difficoltà di lavoro.

Di solito i tubi vengono scelti dopo l'ottimizzazione dei costi per il materiale e dei costi di esercizio e manutenzione. Maggiore è il diametro della condotta, cioè maggiore è il costo dell’investimento iniziale, minore sarà la differenza di pressione e, di conseguenza, minori saranno i costi di esercizio. Al contrario, piccole dimensioni della condotta permetteranno di ridurre i costi iniziali per i tubi stessi e per i componenti accessori ma l'aumento della velocità comporta un aumento delle perdite che porterà alla necessità di utilizzare ulteriore energia per il pompaggio del materiale di lavoro. Le norme per la velocità, che sono fisse per i diversi campi di applicazione, si basano su condizioni di calcolo di progettazione ottimali. La dimensione delle tubazioni viene calcolata utilizzando queste regole considerando le aree di applicazione.

La progettazione delle tubazioni

Per la progettazione delle tubazioni si prendono come base i seguenti parametri costruttivi principali:

  • Il rendimento richiesto;
  • Il luogo d’entrata e luogo d’uscita della tubazione;
  • La composizione del materiale di lavoro, compresi la viscosità e il peso specifico;
  • Le condizioni topografiche del percorso della tubazione;
  • La pressione di lavoro massima tollerata;
  • Il calcolo idraulico;
  • Il diametro della tubazione, spessore delle pareti, limite di snervamento del materiale delle pareti in trazione;
  • Il numero delle stazioni di pompaggio, la distanza tra loro e il fabbisogno di potenza.

L’affidabilità delle tubazioni

L’affidabilità nella costruzione delle tubazioni viene garantita con il rispetto di adeguate norme di progettazione. Anche la formazione del personale è un fattore chiave per garantire una lunga durata di funzionamento della condotta, della sua tenuta ermetica e della sua affidabilità. Il controllo permanente o periodico del funzionamento della condotta può essere effettuato con sistemi di controllo, calcolo, gestione, regolazione e automazione, dispositivi individuali di controllo sulla produzione, con dispositivi di sicurezza.

Il rivestimento aggiuntivo della tubazione

Un rivestimento resistente alla corrosione viene applicato sulla parte esterna della maggior parte dei tubi per evitare gli effetti dannosi della corrosione da parte dell'ambiente esterno. In caso di pompaggio di ambienti corrosivi, il rivestimento protettivo può essere applicato anche sulla superficie interna dei tubi. Tutti i nuovi tubi progettati per il trasporto di liquidi pericolosi, prima della messa in funzione, vengono sottoposti alla verifica della presenza di difetti e di perdite.

Le disposizioni di base per il calcolo del flusso nella tubazione

Il carattere del flusso del materiale di lavoro nella tubazione e in presenza di ostacoli di flusso è in grado di variare notevolmente, da liquido a liquido. Uno degli indici più importanti è la viscosità del materiale di lavoro, caratterizzato dal parametro del coefficiente di viscosità. L’ingegnere-fisico irlandese Osborne Reynolds eseguì nel 1880 una serie di esperimenti tramite i cui risultati riuscì ad ottenere il valore adimensionale che descrive il flusso di un fluido viscoso, chiamato criterio di Reynolds e identificabile con Re.

Re = (v·L·ρ)/μ

dove:
ρ — densità del liquido;
v — velocità del flusso;
L — lunghezza specifica dell’elemento di flusso;
μ – coefficiente dinamico di viscosità.

Il criterio di Reynolds caratterizza cioè il rapporto tra le forze di inerzia e le forze di attrito viscoso in un flusso di liquido. Il cambiamento il valore di questo criterio rispecchia il cambiamento del rapporto di questi tipi di forze, che, a sua volta influenza il carattere del flusso di liquido. A questo proposito è di norma individuare tre modalità di flusso a seconda del valore del criterio di Reynolds. Quando Re < 2300 si osserva il cosiddetto flusso laminare, in cui il fluido si muove in strati sottili che quasi non si mischiano l'uno con l'altro e in presenza di cui si osserva un graduale aumento della velocità del flusso con una direzione che va dalla parete del tubo al suo centro. Un ulteriore aumento del numero di Reynolds porta alla destabilizzazione della struttura del flusso e ai valori 2300 <Re< 4000 corrisponde una modalità di transizione in cui i singoli strati cominciano a mescolarsi l’uno con l'altro. Se Re > 4000 si osserva già una modalità costante che si caratterizza per il suo tumultuoso cambio della velocità e della direzione del flusso in ogni suo punto separato, cosa che alla fine porta ad un allineamento delle velocità di flusso in tutto il volume. Tale modalità si chiama turbolenta. Il numero di Reynolds dipende dalla pressione specificata dalla pompa, dalla viscosità del materiale di lavoro alla temperatura di esercizio, nonché dalle dimensioni e dalla forma della sezione trasversale del tubo attraverso il quale passa il flusso.






Il criterio di Reynolds è il criterio della similitudine per il flusso di un fluido viscoso. Con il suo aiuto, è cioè possibile la simulazione del processo reale in dimensioni ridotte comoda per lo studio. Questo è estremamente importante poiché è spesso veramente difficile, a volte addirittura impossibile, studiare il flusso di fluidi in apparecchi reali a causa delle loro grandi dimensioni.

Analisi della tubazione. Il calcolo del diametro della tubazione

Se la tubazione non è termoisolata, ed è quindi possibile lo scambio di calore tra il materiale in trasferimento e l'ambiente esterno, allora il carattere del flusso in esso può variare anche in presenza di una velocità costante (portata). Questo è possibile se in ingresso il materiale di lavoro pompato ha una temperatura abbastanza alta e scorre a regime turbolento. Per la lunghezza del tubo la temperatura del materiale di lavoro in spostamento cadrà a causa della perdita di calore nell'ambiente esterno, cosa che può portare ad un cambiamento di regime di flusso in laminare oppure di transizione. La temperatura alla quale avviene il cambio di regime si chiama temperatura critica. Il valore della viscosità del fluido dipende direttamente dalla temperatura e pertanto, per questi casi, viene utilizzano il parametro della viscosità critica, corrispondente al punto di cambio di regime del flusso in presenza del valore critico del criterio di Reynolds:

Vcr = (v·D)/Recr = (4·Q)/(π·D·Recr)

dove:
νcr – viscosità cinematica critica;
Recr – valore critico del criterio di Reynolds;
D – diametro del tubo;
v – velocità del flusso;
Q – portata.

Un altro fattore importante è l'attrito che si genera tra le pareti del tubo e il flusso in movimento. È da considerare che il coefficiente di attrito dipende molto dalla ruvidità delle pareti del tubo. Il rapporto tra il coefficiente di attrito, il criterio di Reynolds e la ruvidità è stabilito dal diagramma di Moody che permette di identificare uno dei parametri conoscendo gli altri due.






La formula di Colebrook-White si applica anche per calcolare il coefficiente di attrito del flusso turbolento. Sulla base di questa formula è possibile costituire dei grafici tramite cui stabilire il coefficiente di attrito.

(√λ)-1 = -2·log(2,51/(Re·√λ) + k/(3,71·d))

dove:
k – coefficiente di ruvidità relativa;
λ – coefficiente di attrito.

Esistono anche altre formule di calcolo approssimativo delle perdite per attrito durante il flusso di mandata del liquido nei tubi. Una delle equazioni più utilizzate in questo caso è considerata l'equazione di Darcy-Weisbach. Essa si basa su dati empirici e viene utilizzata principalmente per la simulazione di sistemi. Le perdite per attrito consistono nella funzione tra la velocità del fluido e la resistenza del tubo al movimento del fluido, espressa attraverso il valore di ruvidità delle pareti della conduttura.

∆P = λ · L/d · v²/(2·g)

dove:
ΔP – perdite di pressione;
λ – coefficiente di attrito;
L – lunghezza del tratto di tubo;
d – diametro del tubo;
v – velocità del flusso;
g – accelerazione di gravità.

La perdita di pressione a causa dell’attrito per l'acqua viene calcolata secondo la formula di Hazen — Williams.

∆P = 11,23 · L · 1/С1,85 · Q1,85/D4,87

dove:
ΔP – perdite di pressione;
L – lunghezza del tratto di tubo;
С – coefficiente di ruvidità di Hazen — Williams;
Q – portata;
D – diametro del tubo.

La pressione

La pressione di lavoro della condotta è la sovrappressione massima che il dato regime di lavoro della tubatura può fornire. La decisione circa la dimensione della tubatura e il numero di stazioni di pompaggio è di solito presa basandosi sulla pressione di lavoro dei tubi, sul rendimento della pompa e le portate. La pressione massima e minima della tubatura, così come le proprietà del materiale di lavoro, determinano la distanza tra le stazioni di pompaggio e il fabbisogno di potenza.

La pressione nominale PN è un valore nominale corrispondente alla massima pressione del materiale di lavoro a 20 °C, con cui è possibile un funzionamento di lunga durata della conduttura delle date dimensioni.

Con l'aumentare della temperatura, la capacità di carico del tubo si abbassa e di conseguenza anche la sovrappressione accettabile. Il valore di Pe,zul indica la pressione massima (sovr) in un sistema di tubazioni in presenza di un aumento della temperatura di lavoro.

Grafico delle sovrappressioni ammesse:






Calcolo dello sbalzo di pressione nella tubatura

Il calcolo dello sbalzo di pressione nella tubatura avviene secondo la formula:

∆p = λ · L/d · ρ/2 · v²

dove:
Δp – sbalzo di pressione nel tratto di tubo;
L – lunghezza del tratto di tubo;
λ – coefficiente di attrito;
d – diametro del tubo;
ρ – densità del materiale pompato;
v – velocità del flusso.

Materiali di lavoro trasportabili

Il più delle volte i tubi vengono utilizzati per il trasporto di acqua ma possono anche essere usati per spostare fanghi, sospensioni, vapori, ecc. Nel settore petrolifero le tubazioni servono per il pompaggio di una vasta gamma di idrocarburi e di loro composti, molto diversi per le loro proprietà chimiche e fisiche. Il petrolio greggio può essere trasportato a grande distanza dai giacimenti a terra o dalle piattaforme petrolifere in mare aperto fino ai terminal, punti intermedi e raffinerie.

Tramite tubazioni vengo anche trasportati:

  • prodotti di raffinazione del petrolio come benzina, carburanti, cherosene, gasolio, olio combustibile, etc.;
  • materie prime della raffinazione del petrolio: il benzene, stirene, propilene, ecc.;
  • idrocarburi aromatici: xilene, toluene, cumene, ecc.;
  • combustibile liquefatto come gas naturale liquefatto, gas di petrolio liquefatto, propano (gas con temperatura e pressione standard ma sottoposto a liquefazione con l'applicazione di pressione);
  • l'anidride carbonica, l'ammoniaca liquida (trasportati come liquido sotto pressione);
  • il bitume e il carburante viscoso sono troppo viscosi per il trasporto tramite tubazioni e pertanto vengono utilizzati frazioni distillate di petrolio per la diluizione di queste materie prime per ottenere come risultato una miscela che può essere trasportata mediante gasdotti;
  • idrogeno (su brevi distanze).

Qualità del materiale trasportato

Le proprietà fisiche e i parametri dei materiali trasportati determinano in gran parte il progetto e i parametri di funzionamento della conduttura. Il peso specifico, la compressibilità, la temperatura, la viscosità, il punto di solidificazione e la pressione dei vapori sono i principali parametri del materiale di lavoro che devono essere considerati.

Il peso specifico del liquido è il suo peso per unità di volume. Molti gas si trasportano per le tubazioni sotto pressione incrementata e al raggiungimento di una certa pressione alcuni gas possono addirittura essere soggetti a liquefazione. Pertanto il grado di compressione del materiale è un parametro fondamentale per la progettazione di tubazioni e determinare il rendimento di portata.

La temperatura direttamente e indirettamente influisce sul rendimento della conduttura. Questo si manifesta nel fatto che il liquido aumenta di volume dopo l'aumento di temperatura, a condizione che la pressione rimanga costante. L'abbassamento della temperatura può anche avere un impatto sul rendimento e sul coefficiente complessivo di rendimento del sistema. Di solito, quando la temperatura del liquido si abbassa, ciò è accompagnato da un aumento di viscosità. Questo crea un’ulteriore resistenza di attrito lungo la parete interna del tubo, richiedendo più energia per il pompaggio della stessa quantità di liquido. I materiali molto viscosi sono sensibili agli sbalzi di temperatura. La viscosità si presenta sotto forma di materiale di resistenza al flusso e viene misurata in centistokes, cSt. La viscosità determina non solo la scelta della pompa ma anche la distanza fra le stazioni di pompaggio.

Non appena la temperatura del materiale scende al di sotto del punto di perdita di fluidità, l’utilizzo della condotta diventa impossibile e per riprendere il suo funzionamento vengono adottate alcune opzioni:

  • il riscaldamento del materiale o l'isolamento termico delle tubazioni per mantenere la temperatura di lavoro del materiale superiore al suo punto di snervamento;
  • modifica della composizione chimica del composto del materiale prima di entrare nella tubazione;
  • diluzione con l’acqua del materiale da spostare.

Tipi di condotti principali

Le tubazioni principali vengono costruite con o senza saldature. I tubi d'acciaio senza saldature vengono realizzati senza saldature longitudinali con tagli d’acciaio sottoposti ad un trattamento termico per raggiungere la dimensione e le proprietà desiderate. Il tubo con saldature è realizzato con l'utilizzo di alcuni processi di produzione. Questi due tipi differiscono per la quantità di giunzioni longitudinali presenti nel tubo e per il tipo di attrezzature utilizzate per la saldatura. Il tubo di acciaio con saldature è il tipo più comunemente usato nel settore petrolchimico.

Ogni taglio dei tubi viene collegato con sezioni saldate insieme per formare una condotta. Nelle tubazioni principali, a seconda del campo di applicazione, vengono inoltre utilizzati tubi realizzati in fibra di vetro, di vari tipi plastica, di amianto, ecc.

Per il collegamento di tubi rettilinei, e anche per lo spostamento tra i tagli della tubazione di diverso diametro, vengono utilizzati elementi di giunzione appositamente realizzati (gomiti, curve, valvole a farfalla).






Per il montaggio delle singole parti delle tubazioni e dei raccordi vengono utilizzati speciali elementi di collegamento.






Utilizzo delle giunture:

Saldatura – giuntura non scomponibile, applicabile per tutte le pressioni e le temperature;
Flangia – raccordo ad innesto, applicabile per alte pressioni e alte temperature;
Filettatura – raccordo ad innesto, applicabile per medie pressioni e medie temperature;
Manicotto – raccordo ad innesto, applicabile per basse pressioni e basse temperature.

L’ovalità e la differenza di spessore dei tubi non devono essere maggiori del valore della tolleranza ammissibile del diametro e dello spessore della parete.

Allungamento termico della tubatura

Quando la tubazione è sotto pressione, tutta la sua superficie interna è esposta ad un carico uniformemente distribuito da cui derivano degli sforzi longitudinali interni sul tubo e dei carichi aggiuntivi sugli appoggi di estremità. Le variazioni di temperatura hanno anche un impatto sulle tubazioni, causando cambiamenti nelle dimensioni dei tubi. In presenza di variazioni di temperatura, gli sforzi su una tubazione fissata possono superare il valore di tolleranza valido e portare ad un eccesso di tensione, pericoloso per la solidità della tubazione sia in termini di materiale dei tubi che delle giunture. L'oscillazione della temperatura del materiale pompato crea anche una tensione termica nella tubatura che può essere trasmessa alla guarnizione, alla stazione di pompaggio, ecc. Questo può comportare una depressurizzazione dei giunti delle tubazioni, guasti delle guarnizioni o di altri elementi.

Il calcolo delle dimensioni della tubatura in presenza di una variazione della temperatura

Il calcolo del cambio delle dimensioni lineari della tubatura in presenza di una variazione della temperatura avviene secondo la seguente formula:

∆L = a·L·∆t

a – coefficiente di allungamento termico, mm/(m°C) (guardare la tabella sotto);
L – lunghezza della tubazione (distanza tra i supporti fissi), m;
Δt – differenza tra la temperatura massima e minima del materiale, °С.

Tabella della dilatazione lineare di tubi costruiti con diversi materiali:

Materiale Coefficiente di dilatazione lineare, mm/(m&de;C)
Ghisa 0,0104
Acciaio inossidabile 0,011
Acciaio nero e zincato 0,0115
Rame 0,017
Ottone 0,017
Alluminio 0,023
Metalloplastica 0,026
PVC 0,08
Polibutilene (PB) 0,13
Polipropilene (PP-R 80, PN 10, PN 20) 0,15
Polipropilene (PP-R 80, PN 25, alluminio) 0,03
Polipropilene (PP-R 80, PN 20, fibra di vetro) 0,035
Polietilene reticolato (PEX) 0,024

I numeri riportati rappresentano gli indici medi per i materiali elencati e per il calcolo della condotta costruita con altri materiali; i dati di questa tabella non devono venire considerati come fondamentali. Nel calcolo della tubatura si consiglia di utilizzare il coefficiente di allungamento lineare, specificato dal costruttore del tubo nelle specifiche tecniche o nella scheda tecnica che accompagnano il prodotto.

L’allungamento termico delle tubazioni viene eliminato sia con l'applicazione di speciali fasi di compensazione nei tratti della tubatura che con l'aiuto di compensatori, che possono essere costituiti da parti flessibili o mobili.

I componenti di compensazione sono costituiti da parti di tubo dritte e flessibili, perpendicolari tra loro e fissate mediante gomiti. In presenza di allungamento termico, l’ingrandimento di una parte viene compensato da una deformazione della curvatura di un’altra parte sul piano o con la deformazione della curvatura e della torsione nello spazio. Se la conduttura stessa compensa l'espansione termica, allora si chiama autocompensazione.

La compensazione avviene anche grazie a gomiti elastici. La parte dell'allungamento viene compensata dall’elasticità dei gomiti, un'altra parte viene eliminata grazie alle proprietà elastiche del materiale del tratto che si trova dietro allo scarico. I compensatori vengono installati dove non è possibile l'utilizzo di tratti di compensazione della tubatura oppure quando l’autocompensazione della tubatura non è sufficiente.

Ci sono quattro tipi di esecuzione costruttiva e principi di lavoro dei compensatori: a forma di U, a lente, ondulati, a premistoppa. Nella pratica molto spesso vengono utilizzati compensatori piani a forma di L, Z o U. Nel caso dei compensatori dimensionali, essi si presentano di solito come 2 tratti piani perpendicolari tra di loro e hanno un braccio in comune. I compensatori elastici vengono prodotti dai tubi oppure dai dischi elastici o dai soffietti.

La determinazione della misura ottimale del diametro della tubatura

Il diametro ottimale della tubatura può essere trovato sulla base di calcoli tecnici ed economici. Le dimensioni della condotta, comprese le dimensioni e le possibilità funzionali dei vari componenti, nonché le condizioni alle quali deve avvenire il funzionamento della conduttura, determina la capacità di trasporto del sistema. I tubi di dimensioni più grandi sono adatti per un più intenso flusso di massa del materiale di trasporto a condizione che gli altri componenti nel sistema siano scelti e progettati a queste condizioni in modo appropriato. Di solito più è lungo il tratto di tubo principale tra le stazioni di pompaggio maggiore è lo sbalzo di pressione nella conduttura. Inoltre, anche la modifica delle caratteristiche fisiche del materiale pompato (viscosità, ecc.) può avere una grande influenza sulla pressione sulla conduttura principale.

La dimensione ottimale è la più piccola delle dimensioni del tubo adatte all’applicazione concreta ed economicamente efficiente per tutta la durata di servizio e funzionamento del sistema.

Formula per il calcolo del rendimento del tubo:

Q = (π·d²)/4 · v

Q – portata del liquido pompato;
d – diametro della tubatura;
v – velocità di flusso.

Nella pratica per calcolare il diametro ottimale della tubatura si usano i valori delle velocità ottimali del materiale pompato, tratti da materiali di riferimento formulati sulla base di dati sperimentali:

Materiale pompato Intervallo ottimale di velocità nella tubatura, m/s
Liquidi Movimento per gravità:
Liquidi viscosi 0,1 – 0,5
Liquidi poco viscosi 0,5 – 1
Pompaggio con la pompa:
Lato di aspirazione 0,8 – 2
Lato di scarico 1,5 – 3
 
Gas Tiraggio naturale 2 – 4
Piccola pressione 4 – 15
Grande pressione 15 – 25
 
Vapori Vapore surriscaldato 30 – 50
Vapore saturo sotto pressione:
Più di 105 Pa 15 – 25
(1 – 0,5) · 105 Pa 20 – 40
(0,5 – 0,2) · 105 Pa 40 – 60
(0,2 – 0,05) · 105 Pa 60 – 75

Da qui otteniamo la formula per il calcolo del diametro ottimale del tubo:

dо = √((4·Q) / (π·vо))

Q – portata data del liquido di pompaggio;
d – diametro ottimale della tubatura;
v – velocità ottimale del flusso.

In presenza di un’alta velocità di flusso vengono di solito utilizzati tubi di diametro più piccolo, il che significa la riduzione dei costi per l'acquisto della tubatura, per la sua manutenzione e per i lavori di montaggio (indichiamo con K1). All'aumentare della velocità si verifica un aumento delle perdite di carico per attrito anche nelle resistenze localizzate. Questo porta ad un aumento dei costi per il pompaggio del liquido (indichiamo con K2).

Per tubazioni di grandi diametri i costi K1 saranno più alti, mentre le spese durante l’utilizzo K2 saranno inferiori. Se si sommano i valori di K1 e K2 avremo i costi totali minimi K e il diametro ottimale della conduttura. I costi K1 e K2 in questo caso sono riportati in uno stesso intervallo di tempo.

Il calcolo (formula) delle spese di investimento per la conduttura

K1 = (m·Cm·Km)/n

m – massa della tubatura, т;
Cm – costo 1 т, RUR/т;
Km – coefficiente che aumenta il costo dei lavori di montaggio, per esempio 1,8;
n – periodo di servizio, anni.

Le spese di manutenzione indicate sono associate al consumo di energia:

K2 = 24·N·ng·Cen RUR/anno

N – potenza, W;
ng – quantità di giorni lavorativi all’anno;
Сen – spese per un kWh di energia, RUR/W*h.

Formule per la definizione delle misure della conduttura

Un esempio di formule generali per la determinazione delle dimensioni dei tubi senza tener conto di eventuali ulteriori fattori di impatto, come l'erosione, solidi sospesi e altro:

Denominazione Equazione Possibili limitazioni
Flusso di liquido e gas sotto pressione
Perdita di pressione per attrito di Darcy-Weisbach d = 12·[(0,0311·f·L·Q2)/(hf)]0,2 Q – portata volumetrica, gpm;
d – diametro interno del tubo;
hf – perdita di pressione per attrito;
L – lunghezza della tubazione, piedi;
f – coefficiente di attrito;
V – velocità del flusso.
Equazione del flusso totale del liquido d = 0,64·√(Q/V) Q – portata volumetrica, gpm.
Dimensione della linea di aspirazione della pompa per limitare le perdite di carico per attrito   d = √(0,0744·Q) Q – portata volumetrica, gpm.
Equazione del flusso totale di gas d = 0,29·√((Q·T)/(P·V)) Q – portata volumetrica, piedi³/min.
T – temperatura, K
Р – pressione, psi² (abs);
V – velocità
Flusso per gravità
Equazione di Manning per il calcolo del diametro del tubo per il flusso massimo d = [1525·(Q·n)/√S]0,375 Q – portata volumetrica;
n – coefficiente di ruvidità;
S – inclinazione.
numero di Froude, il rapporto tra le forze d'inerzia e la forza di gravità Fr = V / √[(d/12)·g] g – forza di gravità;
v – velocità di flusso;
L – lunghezza del tubo o diametro.
Vapore e evaporazione
Equazione per la determinazione del diametro del tubo per il vapore d = 1,75·√[(W·v_g·x) / V] W – portata di massa;
Vg – volume relativo del vapore pompato;
x – qualità del vapore;
V – velocità.

La velocità ottimale del flusso per vari sistemi di tubazioni

La dimensione ottimale del tubo viene scelta dalla condizione di costi minimi di pompaggio del materiale attraverso la conduttura e il costo dei tubi. Tuttavia, è necessario considerare anche i limiti di velocità. A volte la dimensione della linea di condotte deve soddisfare i requisiti del processo tecnologico. Spesso, inoltre, la dimensione della conduttura è associata allo sbalzo di pressione. Nei calcoli preliminari di progetto, dove le perdite di pressione non vengono prese in considerazione, la dimensione della tubatura tecnologica viene determinata attraverso la velocità tollerata.

Se nella tubatura ci sono cambiamenti nella direzione del flusso, questo porta ad un aumento significativo delle pressioni localizzate sulla superficie perpendicolare alla direzione del flusso. Di questo tipo di aumento sono la funzione della velocità del fluido, la densità e la pressione iniziale. Dato che la velocità è inversamente proporzionale al diametro, i liquidi ad alta velocità richiedono una particolare attenzione quando si sceglie la dimensione e la configurazione della condotta. La dimensione ottimale del tubo, ad esempio per l’acido solforico, limita la velocità dell’acido fino al punto in cui non posa avvenire l'erosione delle pareti nei gomiti del tubo, in modo da evitare danni alla struttura del tubo.

Il flusso del liquido a gravità

Il calcolo della dimensione della condotta, nel caso di un flusso in movimento per forza di gravità, è piuttosto complicato. Il carattere del movimento nel tubo in presenza di questa forma di flusso può essere monofase (tubo pieno) e bifasica (riempimento parziale). Il flusso bifase si forma quando nel tubo sono simultaneamente presenti del liquido e del gas.

A seconda del rapporto del liquido e del gas, ma anche tra le loro velocità, la modalità di flusso bifase può variare da una fase a bolle fino ad una dispersa.






La forza motrice del liquido, quando si muove per gravità, fornisce una differenza di altezza tra il punto iniziale e quello finale con una condizione essenziale che consiste nella posizione del punto iniziale più alta di quella del punto finale. In altre parole la differenza di altezza determina la differenza di energia potenziale del liquido in queste posizioni. Questo parametro viene inoltre preso in considerazione per la selezione della tubatura. Oltre a ciò influenzano la grandezza della forza motrice i valori della pressione nel punto iniziale e quello nel punto finale. L'aumento dello sbalzo di pressione comporta un aumento della velocità del flusso del liquido, che a sua volta, consente di scegliere la tubatura di diametro inferiore e viceversa.

Nel caso in cui il punto finale sia collegato al sistema sotto pressione, ad esempio in una colonna di distillazione, è necessario sottrarre la pressione equivalente dalla differenza di altezza di cui si è in possesso. Questo serve per valutare in modo reale la pressione differenziale effettiva creata. Inoltre, se il punto di partenza della condotta sarà sotto vuoto, allora anche il suo impatto sulla pressione differenziale totale deve essere considerato quando si sceglie una tubazione. La scelta finale dei tubi avviene con l'uso della pressione differenziale, tenendo in considerazione tutti i fattori sopra elencati e non si basa solo sullo sbalzo verticale tra il punto iniziale e il punto finale.

Il flusso di un liquido caldo

Negli impianti tecnologici in genere si devono affrontare diversi problemi quando si lavora con materiali caldi o bollenti. Il motivo si ritrova in gran parte nell’evaporazione di parte del flusso di un liquido caldo, cioè la fase di trasformazione del liquido in vapore all'interno della condotta o dell'apparecchiatura. Un esempio tipico è il fenomeno di cavitazione della pompa centrifuga che accompagna l’ebollizione a tratti del liquido con conseguente formazione di bolle di vapore (cavitazione a vapore) o il rilascio di gas disciolti in bolle (cavitazione a gas).

Una tubatura di maggiori dimensioni, grazie alla riduzione della velocità del flusso, è preferibile rispetto ad una tubazione di piccolo diametro con una portata costante. Questo porta al raggiungimento di un più alto indice di NPSH sulla linea di aspirazione della pompa. I punti di cambio improvviso di direzione del flusso oppure la riduzione della dimensione della tubazione possono essere motivo di creazione di cavitazione, in caso di perdita di pressione. La miscela di aria-vapore che ne risulta, crea un ostacolo al passaggio del flusso e può causare danni alla conduttura, il che rende il fenomeno della cavitazione estremamente indesiderato per il funzionamento della conduttura.

La conduttura di diramazione per l’attrezzatura/strumentazione

Attrezzature e dispositivi, in particolare quelli che possono creare notevoli sbalzi di pressione come scambiatori di calore, valvole di controllo e così via, sono dotati di tubazioni di by-pass (per avere la possibilità di non interrompere il processo persino durante i lavori tecnici per la manutenzione). Tali tubazioni di solito hanno 2 valvole di esclusione installate sulla linea dell’impianto e una valvola di regolazione del flusso in parallelo a questa impianto.

Durante il normale funzionamento il flusso di liquido, passando attraverso i principali nodi dell’apparato, subisce un ulteriore calo di pressione. In base a questo viene calcolata la sua pressione di mandata, creata da apparecchiature collegate, come ad esempio una pompa centrifuga. La pompa viene scelta sulla base del differenziale totale di pressione nell'impianto. Durante il movimento attraverso la conduttura di diramazione questa ulteriore caduta di pressione è assente, mentre la pompa in funzione pompa il flusso con la forza precedente secondo le sue caratteristiche di lavoro. Per evitare differenze nelle caratteristiche di flusso nell’impianto e nella linea di diramazione si consiglia di utilizzare una linea di by-pass di dimensioni più piccole con una valvola di regolazione, per creare una pressione equivalente a quella dell’impianto principale.

La linea di campionamento

Di solito una piccola quantità di liquido viene prelevata per l'analisi, per determinare la sua composizione. Il prelievo può essere effettuato in qualsiasi fase del processo per determinare la composizione delle materie prime, quella del prodotto intermedio, del prodotto finito o semplicemente delle sostanze trasportate, come le acque reflue, il liquido di raffreddamento, ecc. Le dimensioni del tratto di tubazione su cui avviene il campionamento, di solito dipende dal tipo di materiale di lavoro analizzato e dalla posizione del punto di campionamento.

Ad esempio, per i gas in condizioni di pressione elevata sono sufficienti delle piccole condotte con delle valvole per il prelievo della quantità di campioni necessaria. L'aumento del diametro della linea di campionamento consentirà di ridurre la quota di materiale prelevabile per le analisi ma questo tipo di prelievo diventa più difficile da controllare. Contestualmente una piccola linea di campionamento non è adatta per l'analisi di sospensioni diverse, in cui le particelle solide possono ostruire la parte corrente. In questo modo, la dimensione di una linea di campionamento per l'analisi di sospensioni in gran parte dipende dalla dimensione delle particelle e delle caratteristiche del materiale. Analoghe conclusioni valgono anche per i liquidi viscosi.

Per la scelta delle dimensioni della conduttura per il campionamento, di solito si considerano:

  • le caratteristiche del liquido, destinato al campionamento;
  • la perdita di materiale di lavoro durante il campionamento;
  • i requisiti di sicurezza durante il campionamento;
  • la semplicità d’uso;
  • il posizionamento del punto di campionamento.

La circolazione del liquido di raffreddamento

Per tubazioni con circolazione del liquido di raffreddamento sono preferibili alte velocità. Ciò è dovuto principalmente al fatto che il liquido di raffreddamento nella torre di raffreddamento è sottoposto all’influenza della luce solare, che crea le condizioni per la formazione di uno strato di acqua contenente alghe. Parte di questo volume di acqua e alghe entra nel liquido di raffreddamento circolante. Ad una bassa velocità di flusso le alghe iniziano a crescere nella tubatura e dopo un po’ di tempo creano delle difficoltà per la circolazione del liquido di raffreddamento oppure per il suo passaggio nello scambiatore di calore. In questo caso si consiglia un’alta velocità di circolazione per evitare la formazione di ostruzioni di alghe nella tubatura. Di solito l’uso intensivo del liquido di raffreddamento circolante si incontra nell'industria chimica, per la quale sono necessarie tubazioni di grandi dimensioni e lunghezze necessarie a fornire l’alimentazione di diversi scambiatori di calore.

Il traboccamento del serbatoio

I serbatoi vengono dotati di tubi per il travaso per le seguenti motivazioni:

  • evitare la perdita di liquidi (i liquidi in eccesso entrano in un altro serbatoio e non si riversano al di fuori del serbatoio iniziale);
  • evitare perdite indesiderate di liquidi;
  • mantenimento del livello di liquido nei serbatoi.

In tutti i casi sopra elencati i tubi per il travaso sono calcolati sul flusso massimo tollerabile del fluido che entra nel serbatoio, indipendentemente dalla portata del fluido in uscita. Gli altri principi di selezione dei tubi sono simili alla scelta delle tubazioni per i liquidi a gravità, e cioè in conformità alla presenza di altezza verticale disponibile tra il punto iniziale e il punto finale della tubazione di travaso.

Il punto più alto del tubo di travaso, che è anche il suo punto di partenza, si trova in un luogo collegato ad un serbatoio (raccordo di travaso del serbatoio) di solito quasi nel punto più alto, mentre il punto finale più basso può essere vicino alla grondaia di scarico quasi al livello della terra stessa. Tuttavia, la linea di travaso può finire anche ad un’altezza più alta. In questo caso si ha un la pressione differenziale sarà inferiore.

Il flusso di fanghi

Nel caso dell'industria mineraria, il minerale viene di solito estratto in zone difficili da raggiungere. In tali aree, in genere, non ci sono comunicazione ferroviarie oppure stradali. Per tali situazioni il trasporto idraulico di materiale con particelle solide è considerato come il più plausibile, tra cui anche nel caso di localizzazione di impianti di raffineria abbastanza isolati. Le tubazioni per i fanghi liquami vengono utilizzate in vari settori industriali per il trasporto di materiali solidi tritati insieme al liquido. Tali condotte hanno dimostrato di essere economicamente più vantaggiose rispetto ad altri metodi per il trasporto di grandi volumi di materiali solidi. Oltre a questo, si può aggiungere ai loro vantaggi un'adeguata sicurezza grazie all'assenza di alcuni tipi di trasporto e l’ecosostenibilità.

Le sospensioni e le miscele di solidi sospesi in liquidi vengono conservate in condizione di agitazione periodica per mantenere l’omogeneità. In caso contrario, avviene il processo di stratificazione in cui le particelle sospese, a seconda delle loro proprietà fisiche, galleggiano sulla superficie di un liquido o si depositano sul fondo. L'agitazione viene garantita da un’apparecchiatura, ad esempio un serbatoio con agitatore, mentre nelle tubazioni ciò è ottenuto attraverso il mantenimento di condizioni turbolente di movimento del flusso di materiale.

La riduzione della velocità del flusso durante il trasporto di particelle sospese in un liquido non è auspicabile, poiché nel flusso può iniziare il processo di separazione delle fasi. Questo può portare ad un intasamento della condotta e a delle variazioni nella concentrazione della sostanza solida trasportata nel flusso. Il regime di flusso turbolento favorisce la miscelazione intensa nel volume del flusso.

D'altra parte, l'eccessiva riduzione delle dimensioni della conduttura spesso porta anche alla sua ostruzione. La scelta della dimensione della condotta è perciò un passo importante e di responsabilità che richiede analisi e calcoli preliminari. Ogni caso va valutato singolarmente in quanto diversi tipi di sedimenti si comportano in modo diverso alle varie velocità del liquido.

La riparazione delle tubazioni

Nel corso dell'utilizzo della condotta, in essa possono verificarsi diversi tipi di perdite che richiedono la loro rimozione immediata per il mantenimento dell'integrità del sistema. La riparazione della condotta principale può essere effettuata in diversi modi. Può avvenire sia con la sostituzione di un intero segmento di tubo o di una piccola area in cui si è verificata la perdita oppure con il rattoppo del tubo esistente. Prima di scegliere un qualsiasi metodo di riparazione è però necessario effettuare uno studio approfondito della causa della perdita. In alcuni casi può essere necessaria non solo la riparazione ma anche il cambio del percorso del tubo per evitare il suo danneggiamento.

La prima fase dei lavori di riparazione è la determinazione della posizione del tratto di tubo che richiede l'intervento. In seguito, a seconda del tipo di condotta si definisce l'elenco delle attrezzature e delle attività necessarie per l'eliminazione delle perdite; si svolge inoltre la raccolta dei documenti e delle autorizzazioni necessrie, se il tratto di tubo da riparare si trova nel territorio di un altro proprietario. Dato che la maggior parte dei tubi è localizzata sotto terra, può verificarsi la necessità di estrarre una parte del tubo. In seguito viene controllato lo stato generale del rivestimento della condotta e dopo di che parte del rivestimento viene eliminato per procedere con i lavori di riparazione direttamente sul tubo. Dopo la riparazione possono essere eseguiti varie attività di controllo: la prova ultrasonica, prova radiografica a colori, prova radiografica a fluido magnetico, ecc.

Anche se alcuni lavori di riparazione richiedono una completa interruzione della condotta, spesso è sufficiente solo l'interruzione temporanea del lavoro per isolare il pezzo da ristrutturare oppure la preparazione di un percorso di deviazione. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, il lavoro di riparazione viene effettuato con la completa disattivazione della tubazione. L’isolamento di un tratto di conduttura può essere effettuato con l'aiuto di tappi o di valvole di esclusione. In seguito si stabiliscono le attrezzature necessarie e si realizzano direttamente le riparazioni. I lavori di riparazione vengono effettuati sul tratto danneggiato, liberato dal materiale di lavoro e senza pressione. Al termine della riparazione vengono aperti i tappi e viene ripristinata l'integrità della tubazione.

Compressori e ventilatori

Calcolo e selezione delle attrezzature di base