Compensatori di dilatazione

Compensatori di dilatazione Compensatori di dilatazione
Compensatori di dilatazione

Compensatori di dilatazione


NOZIONI TECNICHE GENERALI SUI COMPENSATORI DI DILATAZIONE
 E LORO DIMENSIONAMENTO
 
                                                                                            
                                                                                            
 
 
GENERALITA’
 
 
La dilatazione termica nelle linee di piping ,attraversati da fluidi caldi o freddi o esposte a brusche variazioni di temperatura , ha sempre costituito uno dei maggiori problemi con i quali l’ingegneria si è dovuta confrontare nel tempo.
 
Così come la temperatura di una linea di piping cresce o decresce , così la lunghezza varia secondo la sua dilatazione o compressione termica provocando alte sollecitazioni indotte e sforzi meccanici che si scaricano sugli ancoraggi , connessioni ed equipaggiamenti della linea di pipino.
 
I compensatori di dilatazione termica , di tipo metallico a soffietto, sono generalmente impiegati per contrastare le sollecitazioni derivanti dalle escursioni termiche in una linea di piping , rispetto ad Omega , lire o loop che risultano molto più ingombranti.
  
 
 
 
ELEMENTI ESSENZIALI NEL DIMENSIONAMENTO
 
 
Ø Fluido vettore : Rappresenta la sostanza che viene a diretto contatto con il compensatore e ne deve essere sempre verificata la compatibilità con il materiale dello stesso.
 
 
Ø Pressione : Costituisce uno dei fattori più importanti nella progettazione di un compensatore e devono sempre essere accuratamente determinate nei valori massimi e minimi.
 
 
Ø Temperature : La temperatura di esercizio di un compensatore ha effetti importanti sulla propria capacità di resistere alla pressione , di lavorare e sulla propria durata (cicli) ; nel determinare le temperature minime e massime , è necessario considerare ogni possibile fonte di calore posta nelle immediate vicinanze della zona in cui sarà installato il compensatore.
 
 
Ø Movimenti : Le escursioni termiche oppure movimenti meccanici devono essere accuratamente valutati ed individuati per definire la tipologia di compensatore più idoneo.
La varietà di cambiamenti dimensionali che un compensatore può assorbire sono i seguenti :
 
 

                                                                            
                                       
MOVIMENTO ASSIALE
 


E'  un movimento parallelo all’asse centrale del compensatore e può essere sia positivo (estensione) che negativo (compressione)
 
 
                                                                                                
 
 
DEFLESSIONE LATERALE


E’ un movimento perpendicolare rispetto all’asse centrale del compensatore

 

 
  
 ROTAZIONE ANGOLARE

E’ una torsione rispetto all’asse centrale del compensatore
 
 
 
 
ACCESSORI DEL COMPENSATORE

 
  • Soffietto : Rappresenta l’elemento flessibile del compensatore di dilatazione ed è costituito da una o più pareti sottili    Monoparete – Pluriparete)
 
  • Convogliatore : Soluzione utilizzata per ottimizzare il passaggio del fluido vettore con effetto di riduzione dell’erosione/turbolenza causate dalla velocità e /o viscosità del fluido.
 
  • Terminali a saldare : Rappresentano dei manicotti per collegarlo , mediante saldatura , a tubazioni o apparecchiature.
 
  • Terminali flangiati : Rappresentano delle connessioni a tubazioni o apparecchiature mediante flange
 
  • Collare : E’ costituito da un anello spessorato usato per rinforzare la tangente del soffietto oppure la sua estremità da tagli dovuti alla pressione.
 
  • Anelli di rinforzo : Soluzione impiegata in alcuni compensatori per aumentare i valori di resistenza del soffietto alla pressione interna ; l’anello di rinforzo è costituito da tubo che può essere vuoto o pieno.
 
  • Anelli equalizzanti : Costruiti in acciaio inossidabile o materiale similare sono utilizzati per migliorare le caratteristiche di resistenza alla pressione interna , equalizzando i movimenti di compressione.
  • Barra di controllo : In acciaio , applicata al compensatore tipo “Universale” , destinata a distribuire in maniera uniforme il movimento tra i due soffietti ; la barra di controllo , in questo caso non è in grado di contrastare la forza di spinta dovuta alla pressione.
 
  • Limitatori di corsa : Costituiti generalmente da barra di acciaio applicata al compensatore ; la sua funzione primaria è quella di limitarne la corsa ( assiale,laterale o angolare) durante il normale funzionamento.
Nella eventualità di una rottura di un punto fisso principale , il limitatore di corsa preserverà il compensatore da eccessivi allungamenti o compressioni causati dalle forze di spinta della pressione a seguito di tale rottura.
                                    
 
 
TIPOLOGIA DI COMPENSATORI DI DILATAZIONE

 
     Esistono differenti tipologie di compensatori , ognuno di questi , destinati ad operare con specifiche
     condizioni di progetto.
     Di seguito vengono descritti i modelli più comuni e maggiormente utilizzati :
 
 
Compensatore a singolo soffietto :  E’ la tipologia più semplice di compensatore ed è composta da un singolo soffietto o
                                                  elemento flessibile capace di assorbire tutti i movimenti di una sezione di linea nella quale
                                                  è installato.
 


                                                                      
                                         

 
 
COMPENSATORE A SINGOLO SOFFIETTO
                                      
  


                                                                                        



 
 
 Compensatore universale : E’ un compensatore che contiene due elementi flessibili aventi un comune collettore.
 
                                                 é in grado di assorbire ogni combinazione dei tre movimenti elementari ; impiegato in genere per
                                      assorbire importanti movimenti laterali in assenza di pressione interna.
 


                                                                                                   

 
COMPENSATORE UNIVERSALE
 
 
                               
  
 Compensatore laterale sferico : E’ un compensatore simile ai precedenti (doppio elemento flessibile) , oltre a contrastare la
                                             spinta dovuta alla pressione interna , permette movimenti assiali nel tratto posto tra i tiranti.
                                                            Le sfere poste alle estremità dei tiranti permettono movimenti laterali su qualsiasi piano.
 


                                                                                     
 
 
COMPENSATORE LATERALE SFERICO
 
 
  

                                                                     
      
                         
 
 
 
Compensatore angolare : E’ un compensatore che contiene un solo elemento flessibile ed è progettato per assorbire solo 
                                   movimenti rotatori angolari su un solo piano;il suo utilizzo ne prevede ,in genere, l’impiego in gruppi
                                   di due o tre.
 

                                                                                     

 
COMPENSATORE ANGOLARE
 
 


                                                                                  
                                         
 
 
 
Compensatore cardanico : E’ un compensatore che contiene un solo elemento flessibile ed ha la caratteristica di consentire
                                    movimenti cardanici angolari su ogni piano ; il suo utilizzo ne prevede ,in genere, l’impiego in gruppi
                                    di due o tre.
 
 

                                                                                    
 
COMPENSATORE CARDANICO
 
 


 
                                                                                         
 
                                                  
 
Compensatore a spinta bilanciata : E’ un compensatore progettato per assorbire movimenti assiali e/o laterali ; esso elimina
                                                  le spinte dovute alla pressione interna riducendo i carichi sui punti fissi.
 

                                                                                                                     

   
COMPENSATORE A SPINTA BILANCIATA
 
 

 
  
                                                                           
                     
 
 

 
 
IMPARIAMO A CONOSCERE MEGLIO I COMPENSATORI DI DILATAZIONE
 
Quando sono state acquisiti i parametri tecnici essenziali che definiscono le condizioni di esercizio del compensatore ( pressione , temperatura max e minima , movimenti) è importante passare alla schematizzazione del sistema in modo da definire bene i punti di ancoraggio che costituiranno parte essenziale del sistema nonché del corretto funzionamento del compensatore.
 
                        
 SEZIONI STANDARD
 
In generale è opportuno ancorare la linea in modo tale che le sezioni derivanti da essa siano conformi a quelle “ standard “ riportate in figura ; nella pratica elementi d’equipaggiamento quali turbine, pompe, compressori ,etc. possono essere considerati ancoraggi fissi.
 
 
 
                                                                           
  
 
ESEMPIO DI ANCORAGGI
 
 
ANALISI DELLE FORZE CHE SOLLECITANO UN COMPENSATORE
 
Gli ancoraggi delle tubazioni e i vari sistemi di fissaggio devono essere progettati per resistere a tutte le forze in gioco che agiscono su di essi.
In una linea di piping che prevede l’applicazione di compensatori , agiscono sostanzialmente due differenti forze ossia FORZA ELASTICA DEL COMPENSATORE e FORZA DI SPINTA dovuta alla pressione.
 
 
REAZIONE ELASTICA DEL COMPENSATORE
 
Rappresenta la rigidezza ossia l’espressione della forza necessaria a comprimere/ distendere un compensatore per una determinata ampiezza (corsa) ; essa varia sulla base delle condizioni operative a cui il compensatore è destinato e sul materiale utilizzato nella costruzione.
 
   
    
                                                                                                     
   
 
 
Fe = R x c (N)
 

 
 
Fe= Reazione elastica del soffietto (N)
 
R= Rigidezza assiale del soffietto (N/mm)
 
c = Corsa assiale del compensatore (mm)
 
   


                                 
 
 
 
 
FORZA DI SPINTA DOVUTA ALLA PRESSIONE INTERNA
 
La spinta dovuta alla pressione interna è  funzione della pressione del sistema e del diametro medio del soffietto (dp).
La misura del diametro medio è spesso superiore al diametro della tubazione e l’effetto provocato dalla pressione interna , convogliata nel soffietto , è schematizzata nella figura sotto riportata.
 


                                                                          
                   SPINTA
 
 
In caso di pressione interna (positiva) , le onde del soffietto tendono a distendersi provocando un incremento della lunghezza del soffietto stesso ; il contrario avviene nel caso in cui la pressione è (negativa) oppure esterna.
La forza necessaria affinché il soffietto mantenga la sua lunghezza iniziale è uguale alla SPINTA dovuta alla pressione interna ; questa può risultare significatamene più grande di tutte le altre forze del sistema combinate.
La FORZA DI SPINTA dovuta alla pressione interna è determinata dalla seguente equazione :
 
F = P x Am
 
 
 
F = Forza di spinta di fondo del compensatore (daN)
P = Pressione (bar)
Am = Sezione efficace del soffietto (cm2 )
 
La forza di spinta è trasmessa dal compensatore di dilatazione verso la tubazione ; in uno stato di pressione zero , non esistono forze di spinta.
 
Allo scopo di evitare che il compensatore si estenda o si comprima durante l’azione delle forze di spinta dovute alla pressione , è importantecollocare un punto fisso ad ogni estremità della tratta da compensare in modo tale da contrastare queste forze e mantenere la lunghezza naturale del compensatore inalterata.
 
 

                              
 
     
 
 
 
 
PUNTI FISSI PRINCIPALI
 
L’ancoraggio principale deve essere appropriamente progettato affinché sia in grado di contrastare le forze e i momenti che agiscono su questo da ogni sezione di linea a cui è collegato.
Nel caso in cui la sezione di linea preveda uno o più compensatori senza limitatori, questi punti fissi principali dovranno essere progettati tenendo conto della sommatoria delle forze impresse dai compensatori dovuta alla pressione, dalle forze necessarie per fare estendere o comprimere il compensatore , dalla forza media di spinta della pressione e dalle forze di attrito causate dalle guide dei tubi ; in alcuni casi si renderà altresì necessario tenere conto del peso della tubazione e del suo contenuto nonché di ogni altra forza e/o movimenti.
 
S = Fe + F + Fa
 
 
S = Spinta assiale totale (N)
F = Forza di spinta di fondo del compensatore (daN)
Fe= Reazione elastica del soffietto (N)
Fa= Sommatoria delle forze d’attrito delle guide assiali comprese tra i due punti fissi (N)
 
Fa = f x Q
 
Con f (dimensionale) coefficiente di attrito delle guide assiali e Q (N) peso globale della tratta di tubazione considerata ( valutata piena d’acqua e completa di eventuale isolante termico , flange ,valvole , etc.)
Il coefficiente di attrito f dipende dal tipo di guida assiale utilizzata ; ad esempio con supporto acciaio-acciaio il coefficiente f varia da 0,2 -0,5.
Con supporto a rullo Emiflex ( a seconda del tipo) f può variare da 0,040 a 0,075
 
 
In un sistema che contiene compensatori di dilatazione i punti fissi principali dovranno essere previsti ogni qualvolta si verifichino condizioni del tipo :
 
(A) Ad ogni cambio di direzione del fluido
(B) Tra due compensatori di dilatazione di differente diametro quando collocati su una linea retta.
(C) In ingresso di una diramazione contenente un compensatore nella linea principale
(D) Dove una chiusura o una valvola di riduzione di pressione è installata in un tratto di tubo rettilineo tra due compensatori
(E) Al termine di una tubazione

 
                                                                                                    
   
UBICAZIONE DEI PUNTI FISSI
A-B-C-D-E
 
 


 
PUNTI FISSI INTERMEDI
 
Il punto fisso intermedio non ha la funzione di contrastare la forza di spinta dovuta alla pressione poiché questa è totalmente assorbita dai punti fissi principali , da congegni montati sui compensatori come ad esempio cardani , limitatori di corsa, snodi oppure da compensatori a spinta bilanciata che oppongono una forza uguale e contraria.
Il punto intermedio resiste a tutte le forze trasmesse da ogni sezione di linea al quale questo è collegato tranne quelle di spinta dovuta alla pressione.
In un tratto di linea , il punto intermedio resisterà alle forze necessarie per far lavorare il compensatore e alle forze d’attrito dovute alle guide.
 


                                                                      
           

 
G U I D E
 
 
L’allineamento delle tubazioni vicino al compensatore è di importanza fondamentale per il buo funzionamento dello stesso.
Sebbene il compensatore sia progettato e costruito per garantire nel tempo la buona funzionalità , per ottenere il massimo servizio è raccomandabile inserire un certo numero di guide , ancoraggi e supporti.
Le guide sono necessarie per assicurare un perfetto allineamento dei movimenti del compensatore e per prevenire deformazioni della linea di piping.
  

                                                
 

 
Quando si procede alla localizzazione del punto nel quale collocare le guide , in una tubazione che preveda l’inserimento di un compensatore di dilatazioni che esegue solo movimenti assiali, è buona norma ricordare che questo sia collocato vicino ad un punto di ancoraggio e che la prima guida sia posta ad una distanza pari a 4 volte il diametro della linea.
La posizione della seconda guida dovrà essere a circa 14 volte il diametro della linea
 
 
  
 
                                  
 
 
                                                  


                
                                                          





                                        







                                






                               


Compensatore assiale DN 500 PN 40
By-Pass di Caltanissetta



                               






CALCOLO DELLA DILATAZIONE TERMICA
 
La dilatazione termica della singola tratta si calcola sommando il coefficiente a temperatura minima a quello a temperatura massima e moltiplicandone il prodotto per la lunghezza della tratta (L) espressa in metri.
 
 
 Coefficienti di dilatazione (mm/m)
°C
°F
Acciaio
Carbonio
Basso legati
Acciaio
Carbonio
medio legati
Acciai
inox
Acciai
Legati
Monel
-200
-328
1,87
1,85
3,21
2,05
2,17
-180
-292
1,83
1,72
2,96
2,31
2,04
-160
-256
1,67
1,58
2,68
2,11
1,90
-140
-220
1,52
1,43
2,40
1,90
1,76
-120
-184
1,35
1,28
2,13
1,70
1,62
-100
-148
1,19
1,13
1,87
1,49
1,47
-80
-112
1,0
0,95
1,39
1,24
1,10
-60
-76
0,82
0,78
0,92
0,99
0,72
-40
-40
0,64
0,06
0,54
0,75
0,42
-20
-4
0,43
0,04
0,36
0,50
0,28
0
32
0,20
0,19
0,17
0,24
0,13
20
68
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
40
104
0,22
0,21
0,32
0,27
0,27
60
140
0,44
0,42
0,66
0,55
0,55
80
176
0,67
0,64
1,00
0,83
0,83
100
212
0,09
0,86
1,33
1,11
1,12
120
248
1,15
1,08
1,67
1,40
1,41
140
284
1,40
1,31
2,01
1,68
1,70
160
320
1,66
1,55
2,36
1,99
2,01
180
356
1,93
1,79
2,72
2,30
2,33
200
392
2,19
2,03
3,08
2,61
2,65
220
428
2,47
2,20
3,45
2,92
2,97
240
464
2,75
2,58
3,81
3,22
3,29
260
500
3,02
2,79
4,17
3,53
3,61
280
536
3,31
3,05
4,53
3,86
3,95
300
572
3,60
3,32
4,91
4,18
4,28
320
608
3,89
3,58
5,28
4,51
4,62
340
644
4,21
3,86
5,66
4,84
4,98
360
680
4,52
4,13
6,04
5,18
5,33
380
716
4,83
4,41
6,42
5,52
5,69
400
752
5,15
4,69
6,81
5,86
6,05
420
788
5,47
4,98
7,20
6,21
6,41
440
824
5,80
5,27
7,59
6,57
6,79
460
860
6,14
5,57
7,99
6,93
7,18
480
896
6,48
5,86
8,39
7,29
7,56
500
932
6,80
6,15
8,79
7,64
7,95
520
968
7,12
6,45
9,20
7,98
8,33
540
1004
7,44
6,74
9,60
8,33
8,72
560
1040
7,79
7,03
10,0
8,68
9,13
580
1076
8,14
7,32
10,4
9,03
9,54
600
1112
8,48
7,61
10,84
9,38
9,94
620
1148
8,79
7,91
11,24
9,74
10,35
640
1184
9,11
8,20
11,65
10,09
10,77
660
1220
9,44
8,50
12,05
10,44
11,22
680
1256
9,77
8,82
12,46
10,79
11,63
700
1292
10,11
9,14
12,87
11,14
12,03
720
1328
10,44
9,44
13,28
11,49
12,46
740
1364
10,77
9,74
13,68
11,84
12,90
760
1400
11,11
10,04
14,02
12,20
13,11
 










 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                               
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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