Caratteristica ASME VIII AD 2000 EN 1591-1
Forma circolare della flangia X X X
Altre forme (ovale, rettangolare) X Tipo guarnizione - interna al cerchio
dei tiranti
X X X
Tipo guarnizione - faccia piena X
Flange in più parti X X
Flange inverse X X X
Calcolo rotazioni flangia (solo
raccomandato) X
Pressione interna X X X
Pressione esterna X X
Momenti esterni e forze X X
Determinazione della deformazione connessione flangiata
X
Blind bolt holes X
Influenza del metodo di assemblaggio
X Ottimizzazione dello stress sulla
guarnizione
X X
Parametri della guarnizione inclusi nella norma
X X (EN 1591-2)
Controllo della massima pressione sulla guarnizione
X
Creep della guarnizione X
Calcolo della efficienza della larghezza della guarnizione
(2-step reduction)
X Possibilità di contatto dell'anello di
centraggio con le flange
X Guarnizioni auto energizzanti X
Guarnizione saldata X
Figura 1. Comparazione dei tre metodi di calcolo
4. Modello analitico di flangia
Il modello più semplice di flangia è una rappresentazione uni-dimensionale con due o tre molle. Le molle rappresentano le flange, guarnizioni e rigidezza dei tiranti. Quando la flangia è relativamente rigida in confronto ai tiranti ed alla guarnizione, può essere rappresentata con un elemento rigido.
SAFAP 2016 Progettazione e Costruzione 1
Figura 2. Modello analitico più semplice di flangia
Ognuno dei valori di rigidezza può essere calcolato analiticamente ed i carichi della flangia possono così essere determinati nelle condizioni di serraggio ed operative. In dipendenza della rigidità relativa dei tre elementi, un carico aggiuntivo risulterà in un incremento parziale del carico dei bulloni ed un decremento della pressione sulla guarnizione. Quando la guarnizione è molto più flessibile della flangia o dei tiranti, il bilancio dei carichi varierà ben poco con i carichi esterni.Un diagramma tipico è mostrato nella figura sotto. La rigidezza tra i tre elementi può essere selezionata in modo tale da ottenere un giunto ottimale.
Figura 3. Diagramma flangia
Modelli più complessi includono la rotazione della flangia come un ulteriore grado di libertà.Alcuni di tali modelli includono anche effetti quali creep della guarnizione o dei tiranti ed incompatibilità di temperatura tra flangia/tiranti/guarnizione.
SAFAP 2016 Progettazione e Costruzione 1
Il metodo Taylor-Forge
Verso il 1930 fu sviluppato un metodo da quattro ingegneri della ditta Taylor-Forge a Chicago per la progettazione di giunti flangiati. Da allora fino ad oggi questo è il metodo più usato per il calcolo dei giunti flangiati ed è parte di diversi codici di progettazione (ASME VIII 1 e 2, EN13445). Il metodo si basa sull'assunzione di uno stress minimo della guarnizione durante il serraggio (valore Y) ed uno stress minimo della guarnizione durante l'esercizio (m*p) per ottenere una tenuta appropriata. Selezionando tali pressioni sulle guarnizioni, i carichi della flangia e dei tiranti seguono dall’equazione di equilibrio, come mostrato a sinistra sulla figura 4. Il calcolo di questi carichi è relativamente semplice e si richiede di determinare gli stress sulla flangia.
Figura 4. Bilancio dei carichi nell’analisi Taylor-Forge di una flangia
Il metodo di calcolo Taylor - Forge è adatto per verificare la stabilità di un giunto flangiato a pressione interna, ma non è inteso per predire deflessioni o portate di trafilamenti per un giunto flangiato imbullonato. Per tale motivo l’applicabilità di tale metodo è chiaramente limitata.
5. Metodi alternativi di calcolo
Il nuovo metodo di calcolo europeo per connessioni flangiate circolari è introdotto come alternativa al metodo Taylor-Forge ed è previsto in diversi codici e norme europei di apparecchiature a pressione. Tale metodo non considera semplicemente una certa pressione sulla guarnizione per rendere i carichi del giunto flangiato staticamente determinati. Viene considerata l’interazione pienamente elastica tra i tiranti, la flangia e la guarnizione, permettendo di esaminare i carichi e le deformazioni nel giunto flangiato durante il serraggio e tutte le condizioni operative. Inoltre, tali carichi e deformazioni possono essere considerati come un punto di partenza per ulteriori casi di carico.
SAFAP 2016 Progettazione e Costruzione 1
Figura 5. Il metodo di calcolo per flange EN1591-1
La reologia della flangia e dei tiranti è descritta matematicamente usando le equazioni di interazione elastica. Le proprietà della guarnizione sono tipicamente ottenute tramite test.
Un risultato tipico di test è mostrato nella figura sotto. Le proprietà di una guarnizione si suddividono in proprietà di carico iniziali (rigidezza) rappresentate dalla linea (a-b) e condizioni di carico successive (b-c). Nei codici europei sono forniti valori di default, ma i produttori di guarnizioni stanno iniziando ed eseguire i propri test.
Figura 6. Proprietà di carico e scarico di una guarnizione
Questo metodo permette di progettare i giunti flangiati per impieghi ad alta temperature.
Inoltre, è possibile prevedere le portate dei trafilamenti e la deformazione delle flange. Ciò permette di ottimizzare agevolmente i giunti flangiati, raggiungere la tenuta ottimale e minimizzare gli stress.
6. Problemi di tenuta per flange ad alta temperatura
Alte temperature e transizioni termiche sono stati da tempo riconosciuti come fattori chiave per la tenuta negli accoppiamenti flangiati imbullonati. Problemi di tenuta dovuti ad effetti termici possono essere riscontrati anche se i componenti del giunto (flange, tiranti e guarnizione) sono all'interno dei loro limiti di rating e non soggetti ad alcun tipo di failure meccanica. La caratterizzazione degli effetti della temperatura coinvolge leggi fisiche complesse ed è stato sempre e rimane tutt'ora un importante argomento per i progettisti e gli utilizzatori finali. La temperatura impatta direttamente su tutti i differenti elementi dell'accoppiamento flangiato. Alcuni problemi comuni che possono verificarsi in impieghi ad alta temperatura sono:
SAFAP 2016 Progettazione e Costruzione 1
Creep dei tiranti
Creep della guarnizione
Snervamento dei tiranti dovuto a differenza eccessiva di temperatura tra questi e le flange
Ecessiva rotazione delle flange dovuta gradienti termici
Resistenza ridotta ad alte temperature
Questi effetti, osservati in condizioni stazionarie sono enfatizzati ed aumentati in situazioni cicliche quali start-up/stop di impianti o in condizioni dinamiche di processo.
Figura 7. Creep dei tiranti in funzione della temperatura
In alcuni casi i giunti flangiati si dimostrano essere inadeguati per impieghi ad alta temperatura con trafilamenti residui. In tali casi è necessaria una completa riprogettazione.
Le figure sotto mostrano i risultati ottenuti da test termici transitori su un giunto flangiato.
Mostrano il decremento dello stress sui tiranti in funzione del tempo. A t=0 la flangia è riscaldata dall'interno velocemente. Tipicamente lo stress sui tiranti subirà prima un decremento dovuto alla rotazione della flangia e successivamente in incremento causato dalla differenza di temperatura tra questa ed i tiranti.
Figura 8. Carico dei tiranti e rotazione della flangia durante il riscaldamento ad alte temperaturee
Metodi tradizionali di calcolo delle flange come il Taylor - Forge non sono in grado di determinare gli effetti dei carichi termici sul giunto flangiato.
SAFAP 2016 Progettazione e Costruzione 1
7. Selezione della guarnizione
La scelta di una guarnizione appropriata è la chiave per rendere un giunto flangiato a prova di tenuta. Una guarnizione appropriata dovrebbe possedere le seguenti caratteristiche:
Compensabile / flessibile
Il materiale della guarnizione deve essere morbido, in modo che possa essere compresso nelle irregolarità della faccia della flangia.
Tenuta a Gas / liquidi La guarnizione non deve causare emissioni.
Recupero Anche nelle flange statiche c'è dinamica, dovuta ali stress, temperatura e pressione. La resilienza della guarnizione dovrebbe compensare ciò.
Resistenze al
rilassamento da creep
La guarnizione non dovrebbe essere soggetta a scorrimento viscoso sotto l'influenza dello stress e della temperatura. Questo potrebbe condurre ad abbassare la tensione nei bulloni con possibile trafilamento.
Resistenza alla pressione
Deve resistere alla pressione senza perdite Resistenza alla
temperatura
Deve mantenere le sue caratteristiche affinché faccia tenuta anche ad elevate temperature.
Resistenza chimica Deve essere resistente agli attacchi chimici del fluido contenuto senza inquinarlo.
Anti-incollaggio Quando si apre la flangia, la guarnizione deve potersi distaccare facilmente.
Facile da montare Deve essere rigida abbastanza da rendere il montaggio più facile possibile.
Tabella 1. Proprietà richieste per le guarnizioni
I materiali più comuni per guarnizioni nei giunti flangiati sono:
Morbide Semi-metalliche Metalliche Gomma
Tessuto Grafite PTFE Plastiche
Spiral Wound Kamprofile O e C ring metalliche
Ring Joint Lip-seal
Tabella 2: guarnizioni più comunemente usate
L'industria petrolchimica ha assistito negli ultimi decenni una ampia applicazione delle guarnizioni Kamprofile, che hanno buone proprietà di tenuta con pressioni sulla guarnizione relativamente basse. La loro applicazione copre principalmente le apparecchiature a pressione. Nonostante queste guarnizioni abbiano delle buone proprietà a tenuta, la loro efficienza viene meno se comparate con le spiral wound gasket ad alte temperature e condizioni cicliche; ciò a causa della loro resistenza limitata.
SAFAP 2016 Progettazione e Costruzione 1
Le guarnizioni spiral wound sono ampiamente e principalmente usate su giunti di tubazioni. Particolare attenzione deve essere prestata nell'applicare sufficiente forza nel serraggio dei tiranti, in particolar modo nel range 6÷12” 150# e 300# ASME B16.5. Per tali flange la larghezza della guarnizione è relativamente ampia rispetto alla sezione dei tiranti e la guarnizione può essere montata solo a carichi di serraggio elevati. Questo è mostrato nella figura sotto, dove la pressione di serraggio della guarnizione (69MPa) è divisa per la pressione reale, quando è applicato uno stress di serraggio del 60% dello snervamento dei tiranti (B7).
Figura 9. Rapporto tra stress reale sulla guarnizione e stress richiesto. Barre arancio flange B16.5 300# flange, barre azzurre flange B16.5 150#
8. Montaggio delle flange
Un montaggio corretto delle flange è un fattore chiave per ottenere un giunto privo di perdite. Molte sono le flange che presentano trafilamenti a causa di una procedura di serraggio impropria. Alcune procedure comuni di serraggio sono elencate di seguito:
coppia di serraggio controllata (chiave manuale, diametro tiranti <7/8” oppure chiave idraulica 1”-1.5”)
Tensionamento (tipicamente applicato per tiranti grossi >1.5”)
Uncontrollata, quando si usano guarnizioni spiral wound con anello guida (tiranti
<7/8”)
I primi due metodi si basano sullo specificare una coppia di serraggio e di applicarla ai tiranti della flangia in maniera più uniforme possibile, con il minio attrito possibile. Tiranti non lubrificati possono perdere anche 30-50% della coppia di serraggio applicata causa dell'attrito. Una lubrificazione impropria ed un serraggio non uniforme può portare a differenze fino al 30-40% tra i tiranti del giunto. Il grafico sotto mostra un tipico schema di sequenza di serraggio tipico raccomandato per un giunto flangiato (preso dalle ASME PCC-1).
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
0,50 0,75 1,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 16,00 24,00 Presssione sulla guarniz. presente / pressione sulla guarnizione richiesta
Diametro
SAFAP 2016 Progettazione e Costruzione 1
Figura 10. Tipico schema di sequenza di serraggio per flange di tubazioni ASME PCC-1 Il disallineamento delle flange è un altro importante fattore da tenere conto nell'assemblaggio. Disallineamenti tipici tollerabili sono mostrati nelle figure sotto (ASME PCC-1).
Figura 11: disallineamenti massimi raccomandati per giunti flangiati ASME PCC-1
9. Accorgimenti particolari
Per controllare la tensione nei tiranti o per migliorare la resilienza dei giunti flangiati si possono considerare degli accorgimenti particolari. I tiranti possono essere selezionati con la capacità di indicare perdite di carico, come ad esempio i “Rotabolt” o anche in grado di indicare il carico (vedi le figure sotto).
Figura 12. Sinistra rotabolt, destra tirante indicante il carico
SAFAP 2016 Progettazione e Costruzione 1
L'uso di rondelle elastiche (Belleville, Chesterton), da inserire sotto i dadi, si rivela in alcuni casi molto effica. Le rondelle coniche si comportano come una molla quando vengono compresse, migliorando sostanzialmente la flessibiltà del giunto. Si veda sotto il diagramma del giunto: la pressione sulla guarnizione tende a variare meno quando vengono applicati carichi esterni o spostmenti.
Figura 13. Diagramma della flangia con rondelle elastiche e senza
Figura 14. Esempio di flangia con rondelle elastiche per una tubazione ad alta temperatura
Bibliografia
[1] Brown W. Thermal Analysis of Bolted Joints, Safety Harbor, Florida 06-07 February 2002
[2] Payne J. PVRC Bolted Flange Connection Workshop, Safety Harbor, Florida 06-07 February 2002
SAFAP 2016 Progettazione e Costruzione 1