L'API 5L definisce un valore nominale di pressione per il tubo?
No. La Specifica API 5L è una specifica di prodotto: fissa grado, composizione chimica, limiti di trazione e snervamento, dimensioni, tolleranze, ispezione e marcatura. Non assegna una valutazione di pressione a un tubo. La pressione che un tubo può sopportare è un risultato di progetto, calcolato dalla geometria del tubo e dalla resistenza allo snervamento minima specificata dal codice di progettazione della tubazione in vigore per il progetto, normalmente ASME B31.4 per condotte per liquidi, ASME B31.8 per gasdotti o un codice nazionale equivalente come GB 50251 e GB 50253.
La distinzione è importante dal punto di vista commerciale. Due fornitori possono offrire "API 5L X52, 12 pollici, parete 9,5 mm" ed entrambi sono pienamente conformi, tuttavia la pressione operativa consentita differisce una volta applicati il fattore di progettazione, il fattore del giunto longitudinale e il fattore di declassamento della temperatura del progetto specifico. Una "pressione nominale" citata che ignora questi tre fattori non è comparabile tra le offerte e non dovrebbe mai essere utilizzata come base per una decisione di acquisto.
Questo articolo definisce le equazioni che governano, i fattori che vi entrano, la differenza tra la pressione di progettazione del tubo e la pressione nominale della flangia e l'elenco dei parametri che un acquirente dovrebbe scambiare con un'acciaieria in modo che lo spessore della parete nell'offerta corrisponda all'intento progettuale.
Equazione di Barlow: la base della pressione di progettazione delle tubazioni
Quasi ogni codice di tubazione deriva la propria equazione della pressione interna dalla relazione del cilindro a parete sottile, comunemente chiamata formula di Barlow. Nella forma utilizzata da ASME B31.8 la pressione di progetto è:
P = (2 S t / D) x F x E x T
dove P è la pressione interna di progetto in MPa o psi, S è il carico di snervamento minimo specificato del grado nella stessa unità, t è lo spessore della parete specificato, D è il diametro esterno specificato, F è il fattore di progettazione, E è il fattore del giunto longitudinale e T è il fattore di declassamento della temperatura. Si noti che lo spessore della parete al numeratore e il diametro esterno al denominatore indicano che la capacità di pressione aumenta quasi linearmente con la parete e diminuisce con il diametro, quindi raddoppiando il diametro a parete costante si dimezza la valutazione.
Un esempio pratico con unità metriche: API 5L X52 PSL2, diametro esterno 323,9 mm, spessore della parete 9,5 mm, carico di snervamento minimo specificato 359 MPa, fattore di progettazione 0,72 per un'ubicazione del gas di Classe 1, tubo senza saldatura o saldato a resistenza elettrica con E pari a 1,00 e una temperatura di progettazione inferiore a 121 C, quindi T pari a 1,00.
Fase uno, termine di sollecitazione del cerchio: 2 x 359 x 9,5 / 323.9=21.06 MPa. Passaggio due, applica i fattori: 21,06 x 0,72 x 1,00 x 1.00 =15.2 MPa, circa 152 bar o 2200 psi. Lo stesso tubo in un luogo di Classe 3 con F pari a 0,50 fornisce 10,5 MPa, una riduzione di circa il 30% puramente rispetto alla classe di luogo.
I quattro fattori che convertono il limite di snervamento in pressione ammissibile
Il fattore di progettazione F è impostato dal codice e riflette le conseguenze del guasto. Per i gasdotti secondo ASME B31.8 i valori convenzionali sono 0,72 in Classe 1, 0,60 in Classe 2, 0,50 in Classe 3 e 0,40 in Classe 4, con valori inferiori consentiti per attraversamenti stradali e ferroviari non rivestiti. Per le condotte per liquidi conformi ad ASME B31.4 si applica un unico fattore di 0,72 alla maggior parte delle sezioni della linea principale onshore, con riduzioni nelle aree popolate e nelle stazioni.
Il fattore del giunto longitudinale E tiene conto del cordone di saldatura. Un tubo senza saldatura impiega 1,00; la resistenza elettrica e il tubo elettrosaldato richiedono normalmente 1,00 per gradi fino a X42 e valori inferiori per gradi superiori a seconda dell'edizione del codice e del livello di specifica; Al tubo saldato ad arco sommerso viene generalmente assegnato 1,00 per PSL2 con test definiti. Poiché E moltiplica l'intera espressione, un fattore di giunzione di 0,80 rimuove il 20% della capacità anche se la metallurgia del tubo è perfetta, motivo per cui il fattore di giunzione dovrebbe sempre essere indicato nell'offerta tecnica.
Il fattore di declassamento della temperatura T riduce la pressione ammissibile al di sopra di circa 121 C, poiché il carico di snervamento diminuisce con la temperatura. Per i tipici tubi in carbonio e manganese il fattore rimane 1,00 fino a 121 C e poi diminuisce in passaggi definiti per temperature più elevate. Laddove un tubo trasporta olio caldo, una temperatura superiore a 200 C può ridurre la pressione consentita del 15% o più e deve essere applicata al progetto, non al risultato del test di fabbrica.
| Ingresso | Fonte | Valore tipico | Effetto se ignorato |
|---|---|---|---|
| Carico di snervamento minimo specificato S | Tabella dei gradi API 5L | Da 245 MPa (GR.B) a 555 MPa (X80) | Sopravvaluta la capacità utilizzando la resa effettiva anziché quella minima |
| Spessore parete t | Minimo specificato, non nominale | Tolleranza di fresatura negativa consentita | Il muro nominale sovrastima la capacità del 5-12%. |
| Diametro esterno D | Tabella dimensionale API 5L | da 60,3 a 1219 mm | Utilizzando il diametro interno si gonfia la pressione calcolata |
| Fattore di progettazione F | ASME B31.4 o B31.8 per classe di ubicazione | da 0,40 a 0,72 | Causa più comune di offerte non comparabili |
| Fattore congiunto E | Tabella codici per tipo di saldatura e PSL | 0,80-1,00 | Sottovaluta o sovrastima il margine di cucitura |
| Fattore di temperatura T | Tabella dei codici sopra 121 C | 1.00 sotto 121 C | Valutazione non sicura per il servizio caldo |
Perché è necessario utilizzare il muro minimo specificato e non quello nominale
API 5L consente una tolleranza sullo spessore della parete che dipende dal percorso di produzione e dalle dimensioni. Per i tubi senza saldatura la tolleranza sulla parete è generalmente espressa come percentuale del valore nominale con un limite minimo, mentre per i tubi saldati viene spesso specificata solo una tolleranza positiva, il che significa che la parete fornita non è mai inferiore al valore nominale. Laddove le specifiche consentano una tolleranza negativa, il progetto deve utilizzare lo spessore di parete minimo consentito, poiché questo è il valore presente nel punto più sottile del tubo più leggero consentito.
Questo singolo punto modifica regolarmente una valutazione calcolata di oltre il 10%. Un acquirente che dimensiona un tubo da una parete nominale di 9,5 mm mentre l'acquisto consente uno spessore inferiore del 12,5% sta progettando contro 8,31 mm, quindi la valutazione reale è inferiore del 12,5% rispetto al calcolo. Il rimedio è semplice: indicare lo spessore della parete nel calcolo del progetto e, nell'ordine d'acquisto, richiedere che la parete minima sia registrata sul certificato di prova del mulino per ogni serpentino o batteria.
Valutazione della pressione del tubo rispetto alla pressione nominale di flange e raccordi
I valori nominali di tubi e flange vengono calcolati da sistemi diversi e devono essere riconciliati ad ogni connessione. La pressione di progetto del tubo deriva dall'equazione di Barlow come sopra; il valore nominale della flangia deriva da una tabella di temperatura e pressione. ASME B16.5 assegna numeri ai gruppi di materiali e calcola la pressione massima consentita a ciascuna temperatura per le Classi 150, 300, 600, 900, 1500 e 2500. Per l'acciaio al carbonio del Gruppo 1.1 la pressione di esercizio consentita a 38 C è di circa 19,6 bar per la Classe 150, 51,1 bar per la Classe 300, 102 bar per la Classe 600, 153 bar per Classe 900, 255 bar per Classe 1500 e 425 bar per Classe 2500.
Le designazioni metriche PN secondo EN 1092-1 utilizzano una base di riferimento diversa ma un intento comparabile: PN 16, PN 25, PN 40, PN 63 e PN 100 sono i passaggi comuni per le flange in acciaio e la pressione consentita diminuisce con la temperatura secondo la tabella dei gruppi di materiali.
| Valutazione della connessione | Temperatura di riferimento | Acciaio al carbonio approssimativo consentito | Pressione tipica di progettazione del tubo corrispondente |
|---|---|---|---|
| Classe ASME 150 | 38 C | 19.6 bar | Fino a circa 19 bar |
| ASME Classe 300 | 38 C | 51.1 bar | Da 20 a 50 bar |
| ASME Classe 600 | 38 C | 102 bar | da 51 a 100 bar |
| ASME Classe 900 | 38 C | 153 bar | Da 101 a 150 bar |
| ASME Classe 1500 | 38 C | 255 bar | Da 151 a 250 bar |
| EN PN 16 fino a PN 100 | 20 C secondo tabelle EN 1092-1 | Da 16 a 100 bar al riferimento | Selezionato per superare la pressione di progettazione del tubo |
La regola pratica è che la classe della flangia deve essere selezionata in modo tale che la sua pressione ammissibile alla temperatura di progetto superi la pressione di progetto del tubo e la parete del tubo deve quindi essere sufficientemente spessa da sviluppare tale pressione con il fattore di progetto applicabile. Laddove una tubazione con fattore di progettazione elevato incontra una flangia di classe bassa, la flangia governa il sistema e una parete più pesante aggiunge costi senza aggiungere funzionalità.
Calcolo dello spessore della parete nella direzione inversa
La maggior parte dei progetti inizia dalla pressione operativa richiesta e risolve lo spessore della parete. Riorganizzando la stessa equazione:t = P x D / (2 x S x F x E x T). Utilizzando i dati precedenti con una pressione di progetto richiesta di 15 MPa, X52, diametro esterno 323,9 mm, F 0,72 ed E e T pari a 1,00: t=15 x 323,9 / (2 x 359 x 0,72)=4858.5 / 516.96=9.40 mm. Viene selezionata la successiva parete disponibile in commercio al di sopra di questo valore, quindi arrotondata alla parete standard più vicina nella tabella dimensionale.
Successivamente vengono applicati due perfezionamenti. Innanzitutto viene aggiunta una tolleranza per la corrosione o l'erosione per la durata prevista; una tolleranza di 3 mm su una parete calcolata di 9,4 mm corrisponde ad un aumento del 32% nell'acciaio e deve essere indicata separatamente dal calcolo della pressione. In secondo luogo, viene controllata la sollecitazione circolare e longitudinale combinata, poiché le tubazioni vincolate e quelle con notevoli variazioni di temperatura subiscono una compressione assiale che consuma parte del margine di snervamento e può regolare l'instabilità in tubi di grande diametro a parete sottile.
Pressione di prova idrostatica e perché non è la valutazione
Un test idrostatico in fabbrica è una verifica di qualità, non una valutazione. API 5L richiede un test idrostatico per la maggior parte dei tubi, con la pressione di prova mantenuta per un tempo definito e calcolata in base alle dimensioni e alla pendenza del tubo, e con un tappo che limita la sollecitazione circolare nella parete del tubo. Una pressione di prova pari a 1,25 o 1,5 volte la pressione di progetto è comune nelle specifiche di progetto e il test di intensità di campo in ASME B31.4 o B31.8 utilizza il proprio moltiplicatore e tempo di tenuta.
Superare un test idrostatico a 1,5 volte la pressione di progetto non significa che il tubo sia sicuro a quella pressione in esercizio: il test dura un numero definito di secondi, a temperatura ambiente, senza cicli, corrosione o ritenzione del terreno. La pressione di progettazione è una condizione sostenuta per decenni, quindi il fattore di progettazione esiste proprio per mantenere la sollecitazione del telaio operativo ben al di sotto dello snervamento.
Informazioni da scambiare affinché il tubo offerto corrisponda al design
Poiché la capacità di pressione è un calcolo e non una proprietà di catalogo, la parte tecnica di un ordine di tubi dovrebbe contenere i seguenti elementi in modo che l'acciaieria e l'acquirente calcolino lo stesso numero. Diametro esterno e spessore minimo della parete specificato, con base di tolleranza. Grado e livello delle specifiche del prodotto e se il carico di snervamento è il minimo specificato o un intervallo ristretto. Tipo di saldatura e fattore di giunto longitudinale presupposto. Codice ed edizione del progetto, fattore di progettazione e classe di ubicazione. Temperatura di progetto e fattore di declassamento associato. Tolleranza alla corrosione e durata di progetto. Temperatura ed energia richieste per la prova di impatto. Rivestimento interno ed esterno conforme a ISO 21809-2 per resina epossidica fusion bond o DIN 30670 e GB/T 23257 per polietilene a tre strati, poiché lo spessore del rivestimento non altera la pressione nominale ma i danni al rivestimento ad alta pressione influiscono sulla gestione dell'integrità.
Quando questi elementi compaiono sulla scheda tecnica, le offerte diventano comparabili sulla base della massa dell'acciaio e dell'ambito del test piuttosto che su un numero di pressione principale che ciascun fornitore ha derivato in modo diverso.
Domande frequenti
D: La pressione nominale di un tubo API 5L è uguale alla pressione di prova idrostatica?
No. Il test idrostatico è un controllo di qualità di breve durata presso la cartiera, in genere effettuato per pochi secondi o decine di secondi, mentre la pressione di progetto è un limite prolungato calcolato con un fattore di progettazione che mantiene la sollecitazione del telaio a una frazione definita di snervamento, comunemente 0,72 o inferiore. Un tubo può superare un test di fabbrica a 1,5 volte la pressione di progetto e avere comunque una pressione di progetto ben al di sotto del valore di prova.
D: Quale limite di snervamento dovrebbe essere utilizzato nel calcolo, minimo o effettivo?
Il carico di snervamento minimo specificato del grado, poiché il progetto deve essere sicuro per il tubo conforme più debole. Per X52 il valore è 359 MPa, per X65 è 450 MPa e per X80 è 555 MPa. L'utilizzo del risultato di un test di cartiera che mostri una resa effettiva più elevata sovrastimerebbe la valutazione e non è consentito dai codici di progettazione.
D: Perché la tolleranza dello spessore della parete modifica così tanto la valutazione calcolata?
Perché la valutazione è direttamente proporzionale allo spessore della parete. Un acquisto che consente il 12,5% di spessore inferiore su una parete nominale di 9,5 mm consente di fornire 8,31 mm, il che riduce la capacità del 12,5% rispetto al calcolo nominale. I calcoli di progettazione dovrebbero sempre utilizzare la parete minima consentita dalle specifiche, non il valore nominale stampato sul disegno.
D: Una qualità superiore può sostituire uno spessore di parete maggiore?
Entro certi limiti, sì. L'aumento della pendenza da X52 a X70 aumenta la resa minima specificata da 359 MPa a 483 MPa, circa il 35% in più di capacità sulla stessa parete. Tuttavia, i tubi di qualità superiore in genere comportano limiti più severi in termini di carbonio equivalente, qualificazione della procedura di saldatura e test di tenacità e potrebbero non essere disponibili nella combinazione richiesta di parete e diametro, pertanto il confronto dei costi deve includere tali elementi.
D: In che modo la pressione nominale PN è correlata alle classificazioni della classe ASME?
Sono sistemi paralleli con diverse temperature di riferimento e diverse tabelle di gruppi di materiali, quindi non sono direttamente intercambiabili. Una flangia in acciaio PN 40 è sostanzialmente paragonabile a una flangia di Classe 300 per acciaio al carbonio a temperatura ambiente, ma l'equivalenza viene meno a temperatura elevata e per altri gruppi di materiali. Selezionare il rating dalla tabella della norma effettivamente richiamata dal progetto.
D: Cos'altro limita la pressione oltre allo stress circonferenziale nella parete del tubo?
Sollecitazione combinata da vincolo assiale e movimento termico, deformazione locale in tubi di grande diametro a parete sottile, pressione nominale di valvole, flange e raccordi alla temperatura di progetto e contenimento della pressione dei cordoni di saldatura in servizio ciclico. Un progetto completo controlla tutti questi aspetti, motivo per cui un singolo output di Barlow è un punto di partenza piuttosto che una valutazione finale.
