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Maurizio Giugni » 6.Tubazioni per il convogliamento a pressione ed a pelo libero: materiali metallici


Convogliamento a pressione

Materiali sul mercato.

Caratteristiche principali di una condotta.

Criteri di scelta.

Criticità d’uso.

Interventi in funzione delle condizioni ambientali.


Materiali


Caratteristiche di una tubazione

  • Struttura (peso specifico, modulo elastico, conduttività termica, resistività elettrica, celerità)
  • diametro (D) e spessore (s)
  • lunghezza della canna (L)
  • tipologia della giunzione
  • rivestimento interno (conducibilità idraulica) ed esterno

Criteri di scelta

  • Destinazione d’uso (adduzione, distribuzione, drenaggio)
  • pressioni di esercizio (inclusi eventuali effetti di colpo d’ariete)
  • caratteristiche geomorfologiche e meccaniche dei terreni di posa
  • caratteristiche chimiche, biochimiche ed elettrochimiche dei terreni di posa
  • caratteristiche chimiche e biologiche del liquido (o del refluo) da convogliare

Tubazioni in acciaio: caratteristiche principali

Pressioni elevate.

Per ogni diametro commerciale le tubazioni sono realizzate con lamiere di differente spessore. Lo spessore di utilizzo più frequente è detto spessore della serie normale, mentre lo spessore minimo caratterizza la serie leggera.

La pressione di prova in officina per la serie normale e leggera è rispettivamente di 5MPa (49,3 atm) e 4 MPa (39,5 atm), cui corrispondono pressioni di esercizio di 3.3 MPa (32,5 atm) e 2.6 MPa (25,7 atm).

Rivestimento interno in bitume (2-4 mm) o resine epossidiche (0.5-1 mm). Rivestimento esterno bituminoso o in polietilene.

Giunzione per saldatura o flangiata

Criticità: la necessità di un’efficace protezione contro la corrosione, da attuarsi con opportuni rivestimenti (protezione PASSIVA) e/o con protezione catodica (protezione ATTIVA).

Tubazioni in acciaio: caratteristiche principali

Tenori di carbonio e silicio dell’acciaio e della ghisa

Tenori di carbonio e silicio dell'acciaio e della ghisa


Tipologie e processi di fabbricazione


Il processo Mannesmann

Nel 1885 Reinhard e Max Mannesmann brevettarono un laminatoio a cilindri obliqui, costituito da due cilindri rotanti nelle stesso senso e disposti con assi sghembi (angolo 10°) giacenti su piani paralleli ed orizzontali.

La lavorazione di un tubo Mannesmann viene eseguita in due fasi:
prima fase: un massello di acciaio a sezione circolare, di opportune dimensioni, alla temperatura di circa 1300 °C, viene spinto tra i cilindri del laminatoio perforatore obliquo che gli imprimono un moto di rotazione (zona a) e ne riducono il diametro al valore minimo in corrispondenza della zona b. Il materiale comincia ad aprirsi all’interno del massello.

Prima fase processo Mannesmann

Prima fase processo Mannesmann


Il processo Mannesmann (segue)

A questo punto l’azione combinata nella zona c dei cilindri e del mandrino C allargano e dimensionano il diametro interno, mentre quello esterno risulta determinato dalla distanza dei cilindri. Infine la zona d, di calibrazione, regolarizza lo spessore e rende uniforme la superficie esterna del forato che lascia il laminatoio perforatore obliquo sotto la forma di un cilindro cavo di grosso spessore e limitata lunghezza.

Prima fase processo Mannesmann

Prima fase processo Mannesmann


Il processo Mannesmann (segue)

Seconda fase: la temperatura ancora elevata consente l’ulteriore lavorazione, nel laminatoio a passo di pellegrino, di trasformazione del forato in tubo stendendolo su un mandrino calibrato con conseguente riduzione dello spessore. Il forato è sottoposto all’azione di due cilindri a sagoma eccentrica, ruotanti , in questo caso, in senso opposto e sagomati in modo tale da determinare periodicamente, durante un intero giro, una fase a vuoto (BP) una fase di imbocco (PA) ed una fase di calibratura (AB).

Con questo metodo si laminano tubi da 50 ÷ 650 mm; ulteriori lavorazioni a caldo (trafila ad espansione) consentono di raggiungere diametri fino a 900 mm. Le lunghezze del tubo variano da 8 m a 13,5 m.

Seconda fase processo Mannesmann

Seconda fase processo Mannesmann


I tubi saldati

I tubi a saldatura longitudinale vengono prodotti con macchine continue da lamiere di larghezza pari allo sviluppo del perimetro della sezione del tubo.

I diametri in produzione sono compresi tra 400 mm e 1400 mm, con spessori massimi fino a 18 mm.

Tubi a saldatura longitudinale

Tubi a saldatura longitudinale


I tubi saldati (segue)

I tubi a saldatura elicoidale sono ottenuti da nastro di acciaio (coils) mediante macchine continue che offrono una maggiore elasticità di produzione per un più semplice e rapido adattamento alle variazioni del diametro dei tubi da produrre, con la sola variazione del passo dell’elica.
I diametri in produzione sono compresi tra 300 mm e 3000 mm. La lunghezza delle canne varia tra 8 m e 13,5 m.

Tubi a saldatura elicoidale

Tubi a saldatura elicoidale


I tubi Fretz-Moon

Nel processo di fabbricazione dei tubi Fretz-Moon il materiale di partenza è il nastro che viene svolto, spianato e, tramite gabbia trascinatrice, inviato in forno di riscaldo a passaggio, dove i bordi vengono riscaldati con fiamma diretta fino a 1300°C. Tramite cilindri formatori il nastro viene portato ad assumere la forma cilindrica. Sui bordi avvicinati viene insufflato ossigeno che eleva la temperatura fino al calor bianco. I bordi vengono premuti l’uno contro l’altro da appositi rulli di pressione, ottenendo un’ottima saldatura priva di cordone. Lo sbozzato così ottenuto viene fatto passare al riduttore a stiramento che ne determina il diametro e lo spessore finiti. Al termine le canne vengono tagliate da una sega volante alla lunghezza desiderata ed avviate al raffreddamento (in aria ed acqua).

Tubi Fretz-Moon

Tubi Fretz-Moon


Giunzioni saldate

Il perfezionamento della saldatura elettrica ha diffuso l’impiego, nell’acquedottistica, dei giunti saldati di testa, a bicchiere cilindrico per DN ≤ 125 mm, a bicchiere sferico o di testa per DN ≥ 150 mm.
L’impiego del giunto sferico consente, durante la fase di posa, deviazioni plano-altimetriche fino a 5°.

Giunzioni saldate. Fonte: Catalogo

Giunzioni saldate. Fonte: Catalogo


Giunzioni flangiate

Le estremità del tubo possono essere munite di anello di appoggio saldato per sovrapposizione o con flange, saldate di testa, all’estremità del tubo. La giunzione, con interposizione di una guarnizione e serraggio dei bulloni, risulta rigida e comporta la coassialità dei pezzi. Pertanto questo tipo di giunzione male si presta nel caso di condotte interrate nelle quali, peraltro, i bulloni sarebbero esposti alla corrosione.
Le giunzioni a flangia sono utilizzate all’interno dei manufatti dove, per la presenza di particolari valvolismi, sia necessario l’assemblaggio di questi sulla condotta.

a. flange libere con anelli di appoggio saldati

a. flange libere con anelli di appoggio saldati

b.flange saldate di testa

b.flange saldate di testa


Giunzioni speciali

a. Giunto Victaulic: di facile installazione, è particolarmente indicato per condotte provvisorie a motivo della rapidità di montaggio e smontaggio .
b. Giunto Gibault: con guarnizioni di tenuta in gomma che, come i similari Dresser e Viking- Johnson, non richiedendo saldature, viene utilizzato come giunto di smontaggio.
c. Giunto di smontaggio.
d. Giunto sferico tipo irrigazione: studiato per consentire facilità di montaggio e smontaggio e forti deviazioni plano-altimetriche, trova impiego per condotte mobili.

Giunzioni speciali. Fonte: Catalogo

Giunzioni speciali. Fonte: Catalogo


Giunzioni a bicchiere

Bicchiere doppiamente scanalato in cui trova sede una guarnizione di tenuta in elastomero (limitatamente ai diametri compresi tra DN 150 ÷ 500 mm)

Bicchiere doppiamente scanalato in cui trova sede una guarnizione di tenuta in elastomero (limitatamente ai diametri compresi tra DN 150 ÷ 500 mm)


Corrosione

La reazione anodica (di ossidazione) provoca la dissoluzione del metallo (in questo caso ferro):
Fe -> Fe2+ + 2e-

La reazione catodica e’ una reazione di riduzione dell’ossigeno ad alto pH:
O2 + 2H2O + 4e- ->  4OH-

Sia la reazione di ossidazione che la reazione di riduzione devono verificarsi alla stessa velocità sulla superficie della tubazione. La reazione generale, ottenuta dalle reazioni di riduzione e di ossidazione, è:
2Fe + 2H2O + O2 ->  2Fe2+ + 4OH-

Corrosione (segue)

Questa reazione da’ luogo al composto chimico ferroso che viene comunemente definito ruggine

Questa reazione da' luogo al composto chimico ferroso che viene comunemente definito ruggine

Il livello catodico di protezione è il valore potenziale sotto il quale l’acciaio non si può corrodere (-850 mV)

Il livello catodico di protezione è il valore potenziale sotto il quale l'acciaio non si può corrodere (-850 mV)


Tipi di Protezione catodica

Si può ricorrere essenzialmente a due metodi di protezione catodica: il sistema ad anodi galvanici (sacrificali) ed il sistema a corrente impressa.
Il criterio generale è di fornire elettroni alla struttura metallica (tubazione sotterranea o altro) per impedire la dissoluzione del metallo.

Protezione catodica. Fonte: Catalogo

Protezione catodica. Fonte: Catalogo


Sistema ad anodi galvanici (o sacrificali)

Nel sistema ad anodi galvanici la struttura metallica (sotterranea) da proteggere è collegata mediante un conduttore isolato ad un metallo meno nobile, quale zinco (Zn), magnesio (Mg) o alluminio (Al), formando una coppia galvanica.

L’anodo sacrificale – dimensionato in base alla resistività del terreno – si corroderà ad una velocità superiore a quella con cui si corroderebbe da solo, mentre la struttura metallica agirà da catodo, corrodendosi ad una velocità inferiore a quella con cui si corroderebbe da sola.

Sistema ad anodi galvanici. Fonte: Catalogo

Sistema ad anodi galvanici. Fonte: Catalogo


Sistema a corrente impressa

In alternativa al sistema ad anodi sacrificali, una struttura metallica può essere protetta anche mediante un sistema che sfrutta un’alimentazione esterna.
Il terminale negativo di un generatore di corrente è collegato al componente da proteggere, mentre il terminale positivo ad un materiale inerte (anodo). In tal modo viene impresso un flusso di corrente fra la condotta e l’anodo e la corrosione viene bloccata.
L’intensità di corrente da imprimere al sistema varia considerevolmente a  seconda della superficie e del volume da proteggere, del terreno e di altri fattori (da 50 milliampere fino a 120 ampere).
I valori tipici di riferimento per i sistemi di tubazioni variano solitamente nella gamma di 8-30 ampere. I sistemi a corrente impressa sono usati normalmente per i sistemi idrici di adduzione, per i quali vi sono minori probabilità di interferenza con altre tubazioni.
Gli anodi vengono realizzati in materiale resistente alla corrosione, quali la grafite, il ferro siliconato ad alta lega, leghe di piombo-argento o  platino.

Sistema a corrente impressa. Fonte: Catalogo

Sistema a corrente impressa. Fonte: Catalogo


Tubazioni in ghisa

Caratteristiche principali

Diametri di produzione compresi tra 40 e 2000 mm.

Pressioni di esercizio tra 30 e 40 atm.

Tronchi di lunghezza variabile con ampia scelta: L=2, 3 e 4 m per D≤50 mm; L=4, 5, 5.5, 6 m per D ≤500 mm; L=4, 5, 5.5, 6 e 7 m per D ≤1000 mm; L=6, 7 m per D ≤1200 mm; L=6, 7, 8 e 9 m per D>1200 mm.

Giunti per lo più a bicchiere con anelli elastomerici per la tenuta.

I tubi, dopo la centrifugazione, sono ricotti, zincati esternamente e rivestiti internamente con malta cementizia; infine sono rivestiti all’esterno con vernici bituminose. I pezzi speciali (di notevole varietà) sono trattati a bagno con vernici bituminose.

Posa su letto di sabbia e ricoprimento con sabbia o terra vagliata fino a 20 cm sopra la generatrice superiore.

La ghisa grigia

Nella ghisa grigia a grafite lamellare, il carbonio si presenta sotto forma di lamelle nella matrice ferritica.

Le suddette lamelle rappresentano degli inviti alla rottura, che rendono il materiale fragile.


La ghisa sferoidale

Nella ghisa sferoidale il carbonio si cristallizza sotto forma di piccole sfere.

Le linee di propagazione delle possibili rotture sono così eliminate.


Tubazioni in ghisa grigia

Acquedotto di Lucca: tubo in ghisa grigia colato in sabbia anno 1800

Acquedotto di Lucca: tubo in ghisa grigia colato in sabbia anno 1800


La centrifugazione dei tubi

DN > 600 Procedimento Wet spray. DN < 600 Procedimento De Lavaud

DN > 600 Procedimento Wet spray. DN < 600 Procedimento De Lavaud


Giunzioni

Il giunto Rapido è un giunto automatico conforme alle Norme UNI EN 545 – UNI 9163: la tenuta è garantita dall’accoppiamento, per la compressione radiale dell’elastomero

Il giunto Rapido è un giunto automatico conforme alle Norme UNI EN 545 - UNI 9163: la tenuta è garantita dall'accoppiamento, per la compressione radiale dell'elastomero


Tubazioni in ghisa sferoidale

Rivestimento interno in malta cementizia.

  • Applicato per centrifugazione:
    • superficie liscia
    • densa e compatta
    • aderente alla ghisa
  • Conforme alle norme
    • UNI ISO 4179
    • UNI EN 598 – UNI EN 545

Tubazioni in ghisa sferoidale (segue)

Rivestimento esterno Zinco metallico + vernice.

  • Composizione:
    • zinco metallico 200 g/m2 (+50% in rapporto alle specifiche delle norme, 130 g/m2)
    • vernice
  • Conformità alle norme:
    • UNI ISO 8179 Parte 1
    • UNI EN 598 – UNI EN 545

Tubazioni in ghisa sferoidale (segue)

Zinco: il meccanismo di protezione

Zinco: il meccanismo di protezione


Tubazioni in ghisa sferoidale (segue)

Protezione dello zinco . Cicatrizzazione di una lesione.

- Due lesioni identiche su provette in ghisa rivestita.

- Provette immerse 1 anno in un ambiente salino estremamente corrosivo.

SENZA ZINCO – Corrosione oltre la lesione

SENZA ZINCO - Corrosione oltre la lesione

CON ZINCO – Sali di zinco nella lesione

CON ZINCO - Sali di zinco nella lesione


Tubi acqua e fognatura

Tubazione con rivestimento esterno in poliuretano e/o polietilene coestruso o ad avvolgimento, per terreni con livelli di corrosività elevati

Tubazione con rivestimento esterno in poliuretano e/o polietilene coestruso o ad avvolgimento, per terreni con livelli di corrosività elevati


Tubi acqua e fognatura (segue)

Rivestimento interno in poliuretano per il convogliamento di effluenti aggressivi (pH da 1 a 13) o di acque molto dolci o leggermente mineralizzate (pH < 5.5)

Rivestimento interno in poliuretano per il convogliamento di effluenti aggressivi (pH da 1 a 13) o di acque molto dolci o leggermente mineralizzate (pH < 5.5)


I materiali di supporto della lezione

Ippolito, G., Appunti di Costruzioni Idrauliche, Liguori Editore, Napoli

Milano, V., Acquedotti, Hoepli

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