Come si comportano i tubi saldati negli ambienti industriali ad alta pressione?

Introduzione

I sistemi industriali ad alta pressione richiedono tubazioni in grado di resistere alla pressione interna, alle variazioni di temperatura, allo stress meccanico e all’esposizione a fluidi di processo impegnativi. Un guasto di una tubazione può causare fermo della produzione, perdite di fluido, danni agli impianti o gravi rischi per la sicurezza. Per tale motivo, la scelta del materiale e la progettazione delle tubazioni sono fondamentali nei settori del petrolio e del gas, della lavorazione chimica, della generazione di energia, della petrolchimica e della manifattura industriale.

Tubo senza saldatura è ampiamente considerato per applicazioni ad alta pressione perché viene prodotto senza saldatura longitudinale. La sua struttura continua può ridurre le preoccupazioni legate ai difetti nella zona saldata e renderlo adatto a servizi di pressione impegnativi, purché il materiale, lo spessore della parete, lo standard di produzione e le condizioni di progettazione siano scelti correttamente.

Tuttavia, la costruzione senza saldature da sola non garantisce prestazioni sicure. Il tubo deve essere abbinato alla pressione operativa effettiva, alla temperatura, all’ambiente corrosivo, alle dimensioni e al codice ingegneristico applicabile.

Che cos’è un tubo senza saldatura?

Il tubo senza saldature è prodotto partendo da un billetta di acciaio solida. La billetta viene riscaldata e forata per creare una sezione cava, che viene quindi laminata, calibrata, trattata termicamente o lavorata a freddo secondo le specifiche richieste.

A differenza del tubo saldato, il tubo senza saldature non presenta una linea di saldatura longitudinale. Ciò garantisce una struttura metallica continua lungo la circonferenza del tubo ed elimina la necessità di valutare una saldatura longitudinale come parte del confine di pressione.

Il tubo senza saldature è disponibile in diversi materiali e classi, tra cui:

• Acciaio al carbonio
• Acciaio legato
• Acciaio inossidabile austenitico
• Acciaio inox ferritico
• Acciaio inossidabile duplex
• Super Duplex Stainless Steel
• Alleghi a base di nichel

Il materiale appropriato dipende dalla pressione, dalla temperatura, dal fluido di processo, dall’esposizione alla corrosione e dalla durata di servizio richiesta.

1. Costruzione continua per resistenza alla pressione

Uno dei principali vantaggi dei tubi senza saldatura è la loro costruzione continua. Poiché non presenta una saldatura longitudinale, il tubo non ha una zona saldata che potrebbe rappresentare un problema in determinate condizioni di pressione, temperatura, corrosione o fatica.

Ciò può essere particolarmente utile nei sistemi esposti a:

• Alta pressione interna
• Cicli ripetuti di pressione
• Espansione e contrazione termiche
• Vibrazione
• Sollecitazione meccanica
• Più corrosivi

Una struttura senza saldatura può offrire prestazioni più costanti sotto pressione, purché venga prodotta e ispezionata correttamente. Tuttavia, la reale capacità di sopportare la pressione dipende ancora dallo spessore della parete, dal diametro esterno, dalla resistenza del materiale, dalla temperatura di esercizio e dal codice di progettazione.

I tubi senza saldatura devono quindi essere scelti sulla base di calcoli ingegneristici, non semplicemente in base alla parola «senza saldatura».

2. I tubi senza saldatura funzionano bene sotto cicli di pressione

I sistemi di tubazioni industriali non operano sempre a una pressione costante. Alcuni sistemi subiscono cicli ripetuti di avviamento e arresto, picchi di pressione, pulsazioni o variazioni nelle condizioni di flusso.

Queste modifiche ripetute possono generare sollecitazioni di fatica nella parete del tubo. Con il tempo, la fatica può causare crepe o rottura se il tubo non è progettato correttamente.

Il tubo senza saldatura può risultare vantaggioso negli ambienti soggetti a cicli di pressione, poiché evita una saldatura longitudinale che potrebbe richiedere una valutazione aggiuntiva. La sua struttura continua può contribuire a ridurre alcuni rischi legati alle saldature, in particolare quando il tubo è prodotto secondo una specifica adeguata.

Le prestazioni in condizioni di ciclo di pressione dipendono anche da:

• Materiale del tubo
• Spessore della parete
• Qualità della superficie
• Concentrazione di tensione
• Saldatura durante l’installazione
• Spaziatura di supporto
• Controllo delle Vibrazioni
• Temperatura di funzionamento
• Frequenza delle fluttuazioni di pressione

Anche un tubo senza saldatura può rompersi se il sistema non è adeguatamente supportato o se è esposto a condizioni di pressione superiori alla sua portata progettuale.

3. Lo spessore della parete determina la capacità di pressione

La resistenza alla pressione del tubo senza saldatura è fortemente influenzata dallo spessore della sua parete. Una parete più spessa generalmente offre una maggiore resistenza alla pressione interna, ma lo spessore da solo non è sufficiente a determinarne l’idoneità.

Gli ingegneri devono inoltre considerare:

• Diametro esterno
• Diametro interno
• Pressione di progettazione
• Temperatura di progettazione
• Tensione ammissibile del materiale
• Margine di corrosione
• Tolleranza di produzione
• Carichi esterni
• Codice di progettazione applicabile

Per alcuni progetti industriali, le dimensioni delle tubazioni vengono scelte in base alla dimensione nominale della tubazione (NPS) e al relativo schedule. Altre applicazioni richiedono un calcolo dettagliato dello spessore della parete basato sulle effettive condizioni di progetto.

Una tubazione con una classe di pressione adeguata a temperatura ambiente potrebbe presentare una pressione ammissibile inferiore a temperature elevate, poiché la resistenza del materiale può diminuire all’aumentare della temperatura.

Per questo motivo, gli acquirenti B2B devono fornire informazioni complete relative a pressione e temperatura al momento della richiesta di preventivo.

4. L’impiego del grado di materiale influenza le prestazioni ad alta pressione

Diversi gradi di acciaio inossidabile e di leghe offrono combinazioni differenti di resistenza meccanica, resistenza alla corrosione, tenacità e comportamento termico.

acciaio inossidabile 304 e 304L

i gradi 304 e 304L sono comunemente impiegati in applicazioni industriali generali e in ambienti corrosivi. Possono risultare idonei per numerosi impianti di processo, applicazioni idriche, linee di lavorazione alimentare e attrezzature industriali.

Tuttavia, potrebbero non essere la scelta migliore per ogni ambiente contenente cloruri o ad alta temperatura.

acciaio inossidabile 316 e 316L

i gradi 316 e 316L contengono molibdeno, che generalmente migliora la resistenza a determinate condizioni di corrosione legate ai cloruri rispetto ai gradi 304.

Sono spesso presi in considerazione per:

• Trasformazione chimica
• Ambienti legati al settore marittimo
• Attrezzature farmaceutiche
• Trasformazione alimentare
• Trattamento dell'acqua
• Sistemi industriali di fluidi

La scelta finale del grado deve comunque basarsi sul mezzo di processo reale e sulle condizioni operative.

Acciaio inossidabile duplex

I gradi duplex combinano le caratteristiche degli acciai inossidabili austenitici e ferritici. Possono offrire una resistenza meccanica superiore e una migliore resistenza a determinati meccanismi di corrosione.

I gradi duplex e super duplex possono essere presi in considerazione per:

• Sistemi di petrolio e gas
• Attrezzature offshore
• Trasformazione chimica
• Desalinizzazione
• Ambienti ad Alta Cloruro
• Tubazioni per pressione ad alta resistenza

I materiali con lega più elevata possono aumentare il costo iniziale, ma risultano appropriati quando i requisiti di resistenza alla corrosione o di resistenza meccanica superano le capacità dei gradi standard.

5. Per servizi ad alta temperatura è necessaria una selezione accurata

I sistemi ad alta pressione sono spesso esposti a temperature elevate. Esempi includono tubazioni per vapore, impianti di raffineria, scambiatori di calore, apparecchiature per caldaie e unità per la lavorazione petrolchimica.

La temperatura influisce sia sulla resistenza dei materiali sia sul comportamento corrosivo. Con l'aumento della temperatura, la tensione ammissibile di un materiale può variare. Alcuni materiali possono inoltre subire:

• Ossidazione
• Fatica termica
• Creep
• Embrittlement
• Accelerazione della corrosione
• Variazioni dimensionali

I tubi senza saldatura possono essere utilizzati in applicazioni ad alta temperatura quando il materiale selezionato e la relativa specifica sono adeguati. Ad esempio, la norma ASTM A312 riguarda tubi in acciaio inossidabile austenitico per servizi ad alta temperatura e in ambienti generalmente corrosivi, mentre altre norme si applicano agli acciai legati o ai prodotti specializzati per caldaie e scambiatori di calore.

L’acquirente deve verificare:

• Temperatura massima di esercizio
• Temperatura di progettazione
• Servizio continuo o intermittente
• Ciclo termico
• Trattamento termico richiesto
• Tensione ammissibile
• Codice applicabile per le tubazioni soggette a pressione

Un tubo ad alta pressione non deve mai essere scelto in base esclusivamente alla pressione, trascurando la temperatura.

6. La resistenza alla corrosione contribuisce a mantenere prestazioni a lungo termine

La corrosione interna può ridurre lo spessore della parete e indebolire, nel tempo, il confine di pressione. Anche la corrosione esterna può verificarsi in ambienti umidi, marini, chimici o all'aperto.

Il tubo senza saldatura in acciaio inossidabile può offrire resistenza alla corrosione grazie alla sua composizione legata, in particolare al suo contenuto di cromo. Alcuni gradi contengono anche nichel, molibdeno, azoto o altri elementi leganti per migliorare le prestazioni in ambienti specifici.

La resistenza alla corrosione è importante perché un tubo che inizialmente soddisfa i requisiti di pressione potrebbe diventare pericoloso se la corrosione ne riduce progressivamente lo spessore della parete.

Il grado corretto dipende dalle condizioni di processo, tra cui:

• Concentrazione di cloruro
• Acidità o alkalinità
• Umidità
• Composizione chimica
• Velocità del fluido
• Temperatura di funzionamento
• Esposizione all'ossigeno
• Prodotti chimici per la pulizia
• Condizioni atmosferiche esterne

Per servizi gravosi, gli acquirenti potrebbero necessitare di ulteriori valutazioni sulla corrosione, prove sui materiali o di una tolleranza per la corrosione.

7. Il tubo senza saldatura può supportare applicazioni industriali critiche

Il tubo senza saldatura viene utilizzato in una vasta gamma di ambienti industriali esigenti, purché la specifica applicabile lo consenta.

Le applicazioni comuni includono:

Petrolio e gas

I tubi senza saldatura possono essere utilizzati nelle tubazioni di processo, nei sistemi di raccolta, nelle linee di fluido ad alta pressione e nei collegamenti agli impianti. La scelta del materiale deve tenere conto della pressione, della temperatura, degli idrocarburi, del solfuro di idrogeno, dei cloruri e di altre condizioni operative.

Trasformazione chimica

Gli impianti chimici possono richiedere tubazioni in grado di resistere sia alla pressione sia a mezzi di processo aggressivi. I tubi senza saldatura in acciaio inossidabile e in lega possono essere presi in considerazione quando sono fondamentali la resistenza alla corrosione e le prestazioni meccaniche.

Produzione di energia

Le centrali elettriche utilizzano tubazioni soggette a pressione per vapore, acqua, acqua di alimentazione e altri servizi ad alta temperatura. I tubi devono rispettare i requisiti delle norme pertinenti relative alle tubazioni per impianti energetici e ai materiali.

Processi petrolchimici

Le raffinerie e gli impianti petrolchimici operano spesso a temperature elevate, con variazioni di pressione e sostanze corrosive. I tubi senza saldatura possono essere selezionati per specifiche linee di processo e di servizio.

Attrezzature industriali

I tubi senza saldatura possono essere impiegati nei sistemi idraulici, negli scambiatori di calore, negli apparecchi a pressione, nelle macchine e negli insiemi industriali specializzati.

L'applicazione corretta dipende dallo standard del prodotto e dalla progettazione ingegneristica. Non ogni tubo senza saldatura è adatto a ogni sistema di pressione.

8. La qualità della produzione influisce sull'affidabilità

Le prestazioni del tubo senza saldatura dipendono fortemente dalla qualità della produzione. Anche in assenza di una saldatura, il tubo potrebbe presentare difetti causati da una scarsa qualità del billetto, da una deformazione impropria, da un trattamento termico non adeguato o da una finitura insufficiente.

I controlli importanti durante la produzione possono includere:

• Ispezione delle Materie Prime
• Verifica della composizione chimica
• Piercing e laminazione controllati
• Controllo del trattamento termico
• Ispezione dimensionale
• Ispezione Superficiale
• Test Meccanici
• Prova idrostatica
• Controllo non distruttivo
• Tracciabilità dei materiali

I requisiti di qualità devono essere concordati prima della produzione. Gli acquirenti dovrebbero inoltre verificare se il produttore è in grado di fornire rapporti di ispezione, certificati di materiale e documentazione dei test.

Un fornitore affidabile deve essere in grado di identificare il numero di caldaia del materiale e collegare il tubo consegnato ai relativi registri di produzione e ispezione.

9. I test aiutano a verificare le prestazioni sotto pressione

I test forniscono prove che il tubo soddisfa i requisiti tecnici concordati. I test esatti dipendono dallo standard di prodotto, dalla classe, dalle dimensioni, dall’applicazione e dalle specifiche del progetto.

I test possibili includono:

Analisi chimica

L’analisi chimica verifica se la composizione del materiale corrisponde alla classe specificata.

Test di trazione

La prova di trazione valuta proprietà come la resistenza a trazione e la resistenza allo snervamento.

Test di durezza

La prova di durezza può essere richiesta per determinati materiali o applicazioni.

Prova idrostatica

La prova idrostatica utilizza pressione liquida per verificare l’integrità sotto pressione e identificare perdite o difetti inaccettabili.

Controllo non distruttivo

Le prove non distruttive possono includere metodi a correnti parassite, ad ultrasuoni o altri metodi per rilevare discontinuità senza danneggiare il prodotto.

Ispezione dimensionale

I controlli dimensionali confermano il diametro esterno, lo spessore della parete, la lunghezza, l’ovalità e altre tolleranze richieste.

Verifica del trattamento termico

I registri del trattamento termico possono essere importanti per acciaio inossidabile, acciaio legato e applicazioni specializzate ad alta temperatura.

ASTM A312, ad esempio, include i requisiti relativi alla composizione chimica, alle proprietà meccaniche, al trattamento termico e ai test idrostatici o ai test elettrici non distruttivi per i prodotti tubieri in acciaio inossidabile ricoperti.

10. Le norme applicabili definiscono i requisiti del prodotto

Gli acquirenti industriali dovrebbero specificare la norma corretta anziché ordinare semplicemente "tubi senza saldatura ad alta pressione".

A seconda dell'applicazione, le norme rilevanti possono includere:

• ASTM A312 per tubi in acciaio inossidabile austenitico
• ASTM A213 per tubi per caldaie, surriscaldatori e scambiatori di calore
• ASTM A269 per alcune applicazioni di tubi in acciaio inossidabile
• ASTM A790 per tubi in acciaio inossidabile duplex
• ASTM A106 per tubi in acciaio al carbonio senza saldatura per servizi ad alta temperatura
• API 5L per tubi per linee petrolifere e del gas
• EN 10216-5 per determinati tubi in acciaio inossidabile senza saldatura
• ASME B31.1 per tubazioni per impianti di generazione di energia
• ASME B31.3 per tubazioni per processi industriali
• ASME B31.4 per oleodotti
• ASME B31.8 per gasdotti

Lo standard corretto dipende dal tipo di tubazione e dall’impiego previsto. Tubazioni, tubi, apparecchiature a pressione e condotte possono avere requisiti diversi in termini di dimensioni, prove e documentazione.

L’edizione applicabile più recente deve essere confermata durante le fasi di ingegnerizzazione e approvvigionamento.

11. Anche la qualità dell’installazione è fondamentale

Anche un tubo senza saldatura di alta qualità può riscontrare problemi se l’installazione non è adeguatamente controllata.

I potenziali rischi legati all’installazione includono:

• Procedure di saldatura errate
• Allineamento impreciso
• Flessione eccessiva
• Supporti per tubazioni inadeguati
• Montaggio improprio delle flange
• Scelta errata della guarnizione
• Stress residuo
• Vibrazione
• Limitazioni dovute all’espansione termica
• Contaminazione durante la fabbricazione

Anche se il tubo in sé non presenta alcuna saldatura longitudinale, potrebbe comunque essere necessario eseguire saldature in cantiere per collegarlo ad altri componenti. Le procedure di saldatura, l’apporto di calore, il trattamento post-saldatura e le ispezioni devono rispettare i requisiti del progetto.

L’intero sistema di tubazioni deve essere valutato, non soltanto il singolo tubo.

12. Un supporto adeguato riduce lo stress meccanico

La pressione interna è solo un tipo di carico che agisce sulle tubazioni industriali. Il sistema di tubazioni può inoltre subire:

• Peso della tubazione
• Peso del fluido
• Espansione termica
• Carichi del vento
• Vibrazione
• Carichi sismici
• Movimento delle apparecchiature
• Picco di pressione
• Impatto esterno

Un’interdistanza impropria dei supporti può generare sollecitazioni flessionali e deformazioni locali. Vibrazioni eccessive possono inoltre contribuire a rotture per fatica.

Gli ingegneri devono valutare la posizione dei supporti, degli ancoraggi, delle guide, dei raccordi a U di espansione e dei collegamenti flessibili, ove opportuno.

Una tubazione senza saldatura scelta per alte pressioni deve essere integrata in un sistema completo progettato per sopportare tutti i carichi previsti.

Cosa dovrebbero includere gli acquirenti B2B in una richiesta di quotazione (RFQ)?

Quando si acquista una tubazione senza saldatura per servizi industriali ad alta pressione, la richiesta di preventivo deve includere quante più informazioni tecniche possibile.

I dettagli importanti includono:

• Tipo di prodotto
• Costruzione senza saldatura o trafilata a freddo
• Classe del materiale
• Norma applicabile
• Diametro esterno
• DIMENSIONE NOMINALE DELLA TUBAZIONE
• Spessore della parete o tabella di spessori
• Lunghezza del tubo
• Pressione di progettazione
• Temperatura di progettazione
• Mezzo di processo
• Condizioni di corrosione
• Finitura superficiale richiesta
• Requisiti di trattamento termico
• Requisiti idrostatici o di prova non distruttiva (NDT)
• Test Meccanici
• Certificati dei Materiali
• Documentazione delle ispezioni
• Requisiti di Imballaggio
• Luogo di consegna
• Quantità richiesta

Più completa è la richiesta di preventivo (RFQ), più facile sarà per il produttore consigliare un prodotto adeguato e preparare un preventivo preciso.

Conclusione

Il tubo senza saldatura può funzionare efficacemente in ambienti industriali ad alta pressione, poiché la sua costruzione continua elimina la saldatura longitudinale e garantisce prestazioni affidabili sotto pressione anche in condizioni gravose. È ampiamente impiegato nelle applicazioni di estrazione e trasporto di petrolio e gas, lavorazione chimica, industria petrolchimica, generazione di energia ed equipaggiamenti industriali.

Tuttavia, la costruzione senza saldatura rappresenta soltanto una parte di una soluzione sicura per le tubazioni. Le prestazioni finali dipendono dalla qualità del materiale, dallo spessore della parete, dalla temperatura di esercizio, dalla resistenza alla corrosione, dalla qualità produttiva, dalle prove effettuate, dall’installazione e dal codice di progettazione applicabile.

Per gli acquirenti industriali, l’approccio migliore consiste nella selezione di tubi senza saldatura in base alle specifiche complete del servizio, anziché basarsi esclusivamente sulle classi di pressione o sui nomi dei materiali. Un produttore qualificato deve essere in grado di fornire le dimensioni richieste, i gradi, le prove, la documentazione e il supporto per personalizzazioni specifiche del progetto.