Come evitare danni alle tubazioni quando si utilizzano gli espansori?

In che modo l'espansione termica influisce sull'integrità delle tubazioni durante l'utilizzo dell'espansore

La fisica dell'espansione termica lineare nei materiali più comuni per tubazioni (acciaio, rame, PVC)

Tutti i materiali per tubazioni tendono a espandersi quando la temperatura aumenta e a contrarsi quando diminuisce, seguendo un principio fondamentale descritto dall’equazione ΔL = αLΔT (che sostanzialmente significa: variazione di lunghezza uguale al coefficiente di espansione moltiplicato per la lunghezza originale moltiplicata per la variazione di temperatura). Tuttavia, i diversi materiali si comportano in modo molto diverso. L’acciaio si allunga di circa 0,0000065 pollici per ogni pollice di tubo per ogni grado Fahrenheit di aumento di temperatura. Il rame non è molto distante, con un valore di circa 0,0000090 pollici per pollice per grado. Ma consideri il PVC: l’allungamento sale a circa 0,00003 pollici per pollice per grado, rendendolo quasi cinque volte più deformabile dell’acciaio. Per mettere questo fenomeno in prospettiva, immagini un tubo d’acciaio lungo 100 piedi riscaldato di 150 gradi Fahrenheit: esso si allungherebbe di circa 1,2 pollici. La stessa lunghezza di tubo in PVC, nelle medesime condizioni, si espanderebbe di oltre 5,4 pollici. Queste differenze generano punti di sollecitazione critici in tutti i punti in cui materiali diversi si incontrano. Ciò diventa particolarmente problematico durante le operazioni che prevedono l’uso di espansori, poiché l’accumulo locale di calore amplifica tali movimenti. Le forze risultanti possono talvolta superare i 20.000 libbre, un valore tutt’altro che trascurabile per gli ingegneri che progettano sistemi di tubazioni.

Perché l'espansione incontrollata genera tensioni, disallineamenti e guasti ai giunti nelle zone degli espansori

Quando il movimento termico è impedito, le tubazioni esercitano forze estreme sugli ancoraggi, sulle flange e sui giunti. Nelle vicinanze degli espansori—dove il riscaldamento e il raffreddamento ciclici concentrano i carichi meccanici e termici—prevale tre modalità di guasto:

• Concentrazione di tensione alle curve e alle saldature, superando il limite di snervamento
• Disallineamento Angolare delle flange, causando lo schiacciamento delle guarnizioni
• Separazione dei giunti a campana nei sistemi a innesto a spinta, provocando perdite

Secondo uno studio recente dell’Istituto Ponemon del 2023, circa i due terzi di tutti i guasti alle tubazioni negli impianti industriali sono effettivamente riconducibili a una gestione inadeguata delle sollecitazioni termiche. Quando le tubazioni subiscono cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento, ciò comporta uno sviluppo accelerato della fatica. Il problema peggiora nelle zone in cui le tubazioni sono fissate troppo rigidamente o non sono adeguatamente supportate. Ad esempio, quando su tubi a parete sottile agisce una forza di compressione eccessiva, questi tendono a instabilizzarsi (buckling). D’altra parte, le forze di trazione possono causare la propagazione di crepe nei materiali fragili, come il PVC. Se le tubazioni non sono adeguatamente supportate, queste sollecitazioni non rimangono localizzate: si trasmettono direttamente ad altri componenti dell’impianto, quali valvole, pompe e vari strumenti. Ciò genera rischi seri per ciò che gli ingegneri definiscono «guasti catastrofici dei flangi». Anche sistemi con classificazione standard potrebbero subire un cedimento completo a pressioni sorprendentemente basse, intorno a 740 psi, se sottoposti a tali forze non controllate nel tempo.

Scelte corrette dell’espansore e migliori pratiche per l’installazione

Abbinamento del tipo di espansore e del profilo di forza al materiale della tubazione e allo spessore della parete

La scelta di un espansore adeguato si riduce essenzialmente a far corrispondere la forza applicata con la resistenza meccanica offerta dalla tubazione. I tubi in acciaio presentano una resistenza a trazione molto maggiore rispetto a quelli in rame o in PVC, pertanto possono sopportare forze radiali di espansione più elevate. Tuttavia, non bisogna dimenticare nemmeno lo spessore della parete, poiché questo fattore gioca un ruolo fondamentale nell’intero processo. Per i sistemi HVAC con tubazioni a parete sottile o per applicazioni industriali più leggere, in genere è necessario mantenere bassi i rapporti di espansione per prevenire problemi come l’instabilità a flessione (buckling) o la deformazione in forma ovale (ovalizzazione). Parlando di materiali, il PVC diventa piuttosto fragile quando la temperatura scende al di sotto dei 40 gradi Fahrenheit (circa 4 gradi Celsius). L’uso di espansori pneumatici con pressioni superiori a 800 psi sul PVC aumenta effettivamente il rischio che le crepe si propaghino nel materiale. Il rame, invece, si comporta in modo diverso, essendo più duttile e consentendo quindi uno spostamento maggiore senza danneggiarsi, quando si utilizzano espansori meccanici. Durante la realizzazione di qualsiasi progetto, è fondamentale verificare congiuntamente diversi aspetti: la specifica qualità del materiale della tubazione impiegata, i dettagli relativi allo spessore della parete (wall schedule) e le indicazioni del produttore riguardo ai valori di coppia raccomandati. Questo aspetto assume un’importanza particolare nelle zone adiacenti ai giunti saldati, dove le tensioni residue derivanti dalla saldatura possono rendere le tubazioni più soggette a deformazioni sotto pressione.

Evitare l'eccessiva espansione: calcolo dei limiti sicuri di spostamento secondo ASME B31.1/B31.9

L'eccessiva espansione rimane una delle principali cause di guasto dei giunti nei sistemi in pressione. ASME B31.1 (tubazioni per impianti di potenza) e B31.9 (tubazioni per impianti di servizio negli edifici) definiscono l'espansione massima ammissibile in base al materiale, alla temperatura e alla geometria. La taratura degli espansori entro tali limiti garantisce che la deformazione rimanga nel campo elastico, evitando deformazioni permanenti o microfessurazioni:

La verifica post-espansione è essenziale: la profilometria laser deve confermare che il diametro interno (ID) rimanga entro ±0,5% del valore nominale. Deviazioni oltre questa soglia aumentano il rischio di perdite sotto carichi termici ciclici.

Strategie di supporto e ancoraggio per proteggere le tubazioni intorno agli espansori

Posizionamento strategico di ancoraggi, guide e supporti scorrevoli per assorbire i movimenti indotti dall’espansore

Buoni sistemi di supporto gestiscono effettivamente il movimento termico durante l'intero processo di utilizzo degli espansori, non agendo semplicemente come vincoli passivi, ma distribuendo attivamente le forze sull'intero sistema. Gli ancoraggi sopportano la spinta assiale e impediscono qualsiasi movimento assiale in quei punti fissi. Le guide limitano il movimento laterale, consentendo comunque un certo movimento in avanti/indietro. I supporti scorrevoli sono progettati per gestire lo spostamento previsto grazie alle loro superfici a basso attrito, solitamente posizionati a una distanza di 4–10 diametri del tubo dalle giunzioni e dalle zone di espansione. Questi tre componenti operano in sinergia in modo piuttosto efficace per risolvere i principali problemi riscontrati dagli ingegneri sul campo: accumulo di tensioni nei punti di saldatura, giunzioni che perdono allineamento e tubazioni che si deformano lateralmente sotto pressione.

Ottenere un posizionamento corretto richiede di considerare i tassi di espansione termica insieme alla disposizione complessiva dell’intero sistema, anziché basarsi su stime approssimative per le distanze. I supporti primari hanno il compito di impedire il cedimento e di mantenere l’allineamento di tutti gli elementi sotto il peso dei componenti stessi. I supporti secondari contribuiscono invece a ridurre le vibrazioni e a tenere sotto controllo quelle fastidiose frequenze di risonanza. Anche i rivestimenti isolanti interni ai dispositivi di fissaggio svolgono una funzione ben precisa: evitano il contatto diretto tra parti metalliche, consentendo così un movimento libero lungo l’asse pur controllando le forze generate dall’espansione. Nei punti fissi in cui è assolutamente inaccettabile qualsiasi movimento — ad esempio negli ingressi delle pompe o nelle flange delle valvole — si utilizzano supporti non regolabili che bloccano rigidamente l’intera struttura. Talvolta, tuttavia, sono necessari aggiustamenti in loco; pertanto i produttori realizzano versioni regolabili che non compromettono le prestazioni complessive. L’esperienza industriale dimostra che, quando tutti questi elementi operano correttamente in sinergia, le sollecitazioni meccaniche e termiche vengono distribuite uniformemente sull’intera installazione. Questo approccio ingegneristico si è dimostrato efficace nel prolungare significativamente la vita utile delle apparecchiature, con registri di manutenzione che evidenziano miglioramenti pari a circa il 70% nel tempo.

Domande frequenti

Qual è l'importanza dell'espansione termica nei sistemi di tubazioni?

L'espansione termica svolge un ruolo fondamentale nei sistemi di tubazioni, poiché può causare un'espansione o una contrazione significativa delle tubazioni in seguito a variazioni di temperatura, generando punti di sollecitazione, disallineamenti e potenziali guasti strutturali.

Perché il PVC è più suscettibile all'espansione termica rispetto all'acciaio?

Il PVC presenta un coefficiente di espansione termica superiore rispetto all'acciaio, espandendosi quasi cinque volte di più sotto lo stesso salto termico. Ciò può determinare effetti di espansione più marcati nel PVC, in particolare in condizioni di alta temperatura.

Quali sono alcuni metodi per mitigare gli effetti dell'espansione termica nelle tubazioni?

La scelta corretta degli espansori, l'adeguamento del tipo di espansore al materiale e allo spessore della parete della tubazione, nonché il posizionamento strategico dei sistemi di supporto e di ancoraggio costituiscono metodi fondamentali per gestire e mitigare gli effetti dell'espansione termica.

Come si può evitare un'eccessiva espansione nei sistemi in pressione?

Rispettando norme come ASME B31.1/B31.9 e calibrando gli espansori in base ai limiti definiti per materiale e temperatura, è possibile evitare l’eccessiva espansione, garantendo che la deformazione rimanga nel campo elastico.