SAFAP 2012, Napoli 14-15 giugno
ISBN 978-88-7484-230-8
VERIFICA AGLI ELEMENTI FINITI DI SCAMBIATORI DI CALORE AD ARIA SECONDO API 661/ISO 13706
A. Iacino*, F. Giacobbe** *Iacino Progetti srl, **INAIL Dipartimento Territoriale di Messina
1. Sommario Lo standard costruttivo API 661/ISO 13706 per gli scambiatori di calore refrigerati ad aria (air cooler), in servizio presso le raffinerie di petrolio ed industrie petrolchimiche, definisce anche il valore minimo dei carichi esterni applicati ai singoli bocchelli di ingresso ed uscita dalle casse. Nessuna normativa prevede un procedimento analitico di calcolo specifico per la valutazione dei carichi esterni su dette apparecchiature a pressione. I costruttori di scambiatori ad aria, storicamente, si sono sempre basati su un know how interno, basato sull’esperienza costruttiva dei modelli fabbricati, garantendo all’acquirente il rispetto dei
requisiti API/ISO o, come più spesso richiesto, la resistenza al doppio dei carichi esterni minimi sui bocchelli voluti dalla normativa. Essendo apparecchiature soggette potenzialmente a corrosione sia interna che esterna, può essere necessario dover ricalcolare il margine di corrosione residuo effettivo per prolungare l’esercibilità dell’attrezzatura. In questo caso il progettista, a meno di non ricorrere alla consulenza del fabbricant e originario dell’attrezzatura, può trovarsi in difficoltà a stabilire se con un aumentato margine di corrosione, pur verificando la stabilità a pressione secondo il codice di progetto (es. Raccolta VSR 1.S oppure ASME VIII div. 1 App. 13), vengono ancora rispettate le prescrizioni API/ISO per i carichi esterni sui bocchelli. In questi casi il ricorso ad una analisi agli elementi finiti è di fatto obbligata. In questo articolo ci si propone di analizzare, con metodo agli elementi finiti, dei casi reali di diverse tipologie di scambiatori ad aria secondo la normativa API 661/ISO 13706, evidenziando le criticità per ogni tipologia costruttiva e confrontando i risultati ottenuti con quanto invece risulta dalla verifica di stabilità per sola pressione in accordo al codice di calcolo originario. 2. Introduzione Gli scambiatori di calore refrigerati ad aria, brevemente chiamati “aircooler”, sono delle apparecchiature a pressione comunemente esercite presso le raffinerie di petrolio e le industrie petrolchimiche. Realizzate secondo lo standard costruttivo API 661/ISO 13706 per gli scambiatori di calore refrigerati ad aria, essi si compongono essenzialmente da due cassoni a pareti piane che fungono da distributori e un banco di tubi interposto, generalmente alettato. Il grande vantaggio di questi scambiatori è di sfruttare l’aria dell’ambiente quale mezzo refrigerante, che viene soffiata da appositi ventilatori direttamente sul banco di tubi, realizzando uno scambio termico a convezione forzata. La particolare forma costruttiva dei cassoni Figura 1 – Vista dei diversi elementi costituenti lo scambiatore “air cooler”
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degli aircooler è dovuta ad esigenze costruttive e di manutenzione (ripristino del fascio tubiero). Possedendo solo pareti piane e spigoli vivi, ad essi non si applicano le ordinarie regole di calcolo per le apparecchiature a pressione con membrature cilindriche o sferiche, basate su tensioni puramente membranali, ma si effettua una verifica di stabilità secondo un annesso dedicato in accordo al codice di calcolo scelto. Nel caso del codice italiano ISPESL Raccolta VSR, alla verifica dei cassoni è dedicato il capitolo 1.S, dove il codice americano ha invece dedicato l’appendice 13 delle ASME VIII div. 1.
Plug header
Cover plate header
1 Tubesheet 2 Removable cover plate 3 Removable bonnet 4 Top and bottom plates 5 Tube 6 Pass partition 7 Gasket 8 Nozzle
9 Side frame 10 Tube spacer 11 Tube support cross-member 12 Tube keeper 13 Vent 14 Drain 15 Instrument connection
1 Tubesheet 2 Plug sheet 3 Top and bottom plates 4 End plate 5 Tube 6 Pass partition 7 Stiffener 8 Plug
9 Nozzle 10 Side frame 11 Tube spacer 12 Tube support cross-member 13 Tube keeper 14 Vent 15 Drain 16 Instrument connection
Figura 2 - Tipologie di air cooler. Plug header - utilizzato normalmente nel caso di pressioni di esercizio elevate (max 350 bar). Cover plate header – utilizzato principalmente nei casi di fluidi corrosivi.
Lo standard costruttivo API 661/ISO 13706, oltre alla verifica di stabilità dovuta alla pressione interna, fornisce una tabella di combinazioni di carichi esterni non da pressione sui bocchelli, indotti dalle tubazioni ad essi connesse, che devono essere in grado di sostenere.
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Figura 3 - Massimi carichi ammissibili sul bocchello (API 661 par 7.1.10)
Tali carichi massimi ammissibili sono piuttosto bassi, se paragonati a quelli ammessi su classiche apparecchiature, con membrature cilindriche o sferiche; la rigidezza della parete piatta del top di un cassone è diversa da quella di una membratura cilindrica o sferica. Ciò è ben noto ai progettisti piping, che in prossimità dei bocchelli di aircooler sono obbligati a conferire particolare flessibilità alle linee connesse. Sia le VSR che le ASME, tuttavia, non prevedono un procedimento analitico specifico per la verifica dei carichi non da pressione sui bocchelli. In passato si è sopperito alla mancanza di tali codici facendo riferimento ai ben noti WRC 107 (adesso anche WRC 568) e WRC 297 oppure all’appendice G del PD5500 (ex BS5500). Oggi, assieme ai suddetti riferimenti, disponiamo anche di modelli più affidabili quali il codice europeo armonizzato EN 13445-3 § 16, che ufficialmente integra le VSR per tutte le sezioni mancanti. Sfortunatamente tutti questi metodi sono specifici per bocchelli su membrature sferiche e cilindriche e in particolare non risultano applicabili ai cassoni degli aircooler. I costruttori di scambiatori ad aria, storicamente, si sono sempre basati su un know how interno, basato sull’esperienza costruttiva dei modelli fabbricati, garantendo all’acquirente
il rispetto dei requisiti API/ISO o, come più spesso richiesto, la resistenza al doppio dei carichi esterni minimi sui bocchelli voluti dalla normativa. Gli aircooler, normalmente realizzati in acciaio al carbonio, sono tuttavia apparecchiature soggette a corrosione sia interna che esterna; può quindi capitare, in seguito al rilevamento di sottospessori nelle pareti dei cassoni, di dover ricalcolare il margine di corrosione residuo effettivo per prolungare l’esercibilità dell’attrezzatura.
In questo caso, se si tratta di corrosione generalizzata della membratura, si può effettuare un ricalcolo dell’apparecchiatura secondo il codice originario. Se invece si tratta di
corrosione localizzata sono possibili due alternative: a) si effettua un ricalcolo dell’apparecchiatura seguendo il codice originario e supponendo lo spessore minimo rilevato quale corrosione generalizzata sull’intera
membratura interessata; b) si esegue una verifica FFS (Fitness For Service) in accordo alla parte 5 della API 579. In nessuno di questi casi, tuttavia, il calcolista è in grado di valutare l’influenza sui carichi massimi ammissibili sui bocchelli. Neanche la consulenza del fabbricante originario dell’attrezzatura è spesso sufficiente per stabilire se l’attrezzatura rispetta ancora le prescrizioni API/ISO. L’unica possibilità, di fatto obbligata, in questi casi è il ricorso ad una analisi agli elementi finiti.
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In questo articolo ci si propone di analizzare, con metodo agli elementi finiti, dei casi reali di diverse tipologie di scambiatori ad aria secondo la normativa API 661/ISO 13706, evidenziando le criticità per ogni tipo e confrontando i risultati ottenuti con quanto invece risulta dalla verifica di stabilità per sola pressione in accordo al codice di calcolo originario. Sono stati presi in esame 22 casi reali, scelti in maniera tale da avere una casistica il più possibile varia della tipologia costruttiva. I parametri di selezione sono stati: tipologia dei bocchelli (diritti, tapered e obslowage), altezza delle camere, condizioni di progetto e rapporto larghezza top/diametro bocchelli. Nel dettaglio sono stati analizzati n° 12 cassoni con bocchelli diritti, n° 4 con bocchelli del tipo tapered (tronchetto tronconico) e n° 6 con bocchelli del tipo obsolwage (tronchetto ellittico).
Figura 4 – a) Bocchello diritto, b) Bocchello tapered, c) Bocchello obslowage
Per ogni cassone è stato effettuato un calcolo di stabilità secondo il codice originario, in particolare VSR.1.M, determinando lo spessore minimo esercibile per ogni membratura. Adottando tali spessori è stato quindi creato un corrispondente modello agli elementi finiti tramite software FE661 ed analizzato sia alla sola pressione che in combinazione con i carichi esterni sul bocchello richiesti da API 661. I risultati sono stati valutati secondo Annesso 4 delle ASME Figura 5 – Modellizzazione di air cooler agli elementi finiti utilizzando il software FE661
VIII div. 2. Per quanto riguarda il tronchetto del bocchello, rivelandosi lo spessore di
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quest’ultimo determinante ai fini della stabilità, sono stati distinti due casi:
1) spessore del tronchetto pari al valore di progetto (al netto del sovraspessore di corrosione); 2) spessore del tronchetto pari al minimo ammesso dal codice di progetto. Relativamente a quest’ultimo caso, c’è da dire che causa gli spessori elevati delle pareti
dei top ed i fori più piccoli rispetto a quelli su membrature curve, la compensazione dell’apertura per il bocchello risulta presto verificata, anche senza il contributo
determinante della parete del tronchetto. Ciò porta ad uno spessore minimo necessario del bocchello assai ridotto, spesso sotto i tre millimetri, che vengono in ogni caso assunti come spessore minimo ammesso. 3. Casi studio 3.1
caso 1) bocchello con sovraspessore originario
L’analisi alla sola pressione delle condizioni limite per un DBF (design by formula) ha evidenziato l’esistenza di ampi margini di verifica sugli spessori delle pareti piane, spesso superiori al 50%. In nessun caso l’aggiunta dei carichi da API 661 sui bocchelli determina
il superamento dei valori ammissibili in nessuna combinazione di carico analizzata. I vari modelli analizzati non reagiscono tuttavia allo stesso modo all’aumentare dei carichi esterni, ad esempio raddoppiando o triplicando i valori richiesti da API 661. I più stabili, come ci si attendeva, sono risultati i cassoni con bocchelli di tipo tapered, seguiti dal tipo cilindrico e per finire il tipo obslowage. Le differenze non sono comunque così marcate come ci si potrebbe attendere e tra un tipo tapered e cilindrico, conservando la stessa geometria del cassone, si osserva solo un moderato incremento degli stress secondari. In nessun caso esaminato i carichi esterni ammissibili sono risultati inferiori a due volte API. I picchi di stress sono stati riscontrati sempre sui tronchetti dei bocchelli o sulla giunzione top-bocchelli; nel tipo tapered si riscontrano in particolare sul raccordo tra parte cilindrica e troncoconica, mentre nel tipo obslowage è la sezione sagomata dove si concentrano gli stress massimi.
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Figura 6 – Distribuzione tipica della somma degli stress primari più secondari nelle tre tipologie di aircooler
3.2
Caso 2) bocchello con sovraspessore minimo
Nelle condizioni di massima corrosione ammessa dalle VSR.1.M per il solo cassone, gli aircooler studiati sono in grado di resistere, in molti casi, a carichi sui bocchelli anche oltre cinque volte API, ma tale condizione cambia drasticamente non appena si diminuisce, anche moderatamente, lo spessore utile dei bocchelli. Lo spessore minimo necessario per la compensazione dell’apertura e resistenza a pressione, determinato col codice origina rio VSR, si rivela in generale molto basso, con valori compresi tra 1 e 4 mm; in ogni caso si è scelto di considerare spessori non inferiori a 3 mm come minimo ammissibile per i calcoli. Sui 22 casi esaminati solo 2 non verificano secondo API (101% e 103%), dove nessuno riesce però a soddisfare il doppio degli ammissibili, i rimanenti 20 si attestano su una media di 1,3 volte API. I casi che non rientrano in almeno una volta API sono tutti con bocchelli cilindrici, posizionati sul fondo dei cassoni, di diam etro minore dei corrispondenti bocchelli d’entrata posizionati sul top, con sporgenza elevata ed un elevato rapporto larghezza cassone/diametro bocchello, compreso tra 2,4-2,5, che contribuisce a far innalzare gli stress secondari in corrispondenza della giunzione top-bocchello. L’incremento dello spessore del top non contribuisce a migliorare la situazione, in quanto un irrigidimento della parete su cui è attaccato il bocchello non fa altro che fare aumentare i picchi di tensione su quest’ultimo.
Figura 7 – Confronto tra: a) Caso bocchello con sovraspessore originario e b) Caso bocchello con sovraspessore minimo
Il confronto degli stress primari più secondari con carichi applicati pari a due volte API, rivela un massimo di 174 N/mm 2 in corrispondenza dell’attacco bocchello-top nel caso a) ed un valore massimo di 363 N/mm 2 sul tronchetto nel caso b).
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Figura 8 – Andamento della percentuale al variare delle condizioni di verifica strutturale (caso sovraspessore originario)
Come rappresentato nella fi gura 8 i bocchelli di tipo “tapered” presentano le migliori prestazioni a livello strutturale. Dalle simulazioni nel caso di sovraspessore minimo si determina, come già indicato, che in nessun caso risulta verificata la condizione 2xAPI (tabella 1). Tipologia
Sovraspessore
Originario Obslovage
Minimo Originario
Tapered
Minimo Originario
Cilindrico
Minimo
Resistenza a carichi esterni secondo API 661 1xAPI 2xAPI 3xAPI 4xAPI 5xAPI 6xAPI 6
6
5
3
0
0
100%
100%
83%
50%
0%
0%
6
0
0
0
0
0
100%
0%
0%
0%
0%
0%
4
4
4
3
1
1
100%
100%
100%
75%
25%
25%
4
0
0
0
0
0
100%
0%
0%
0%
0%
0%
12
12
11
8
3
0
100%
100%
92%
67%
25%
0%
10
0
0
0
0
0
83%
0%
0%
0%
0%
0%
Tabella 1 – Risultati riassuntivi di verifica a carichi esterni secondo API 661
4. Conclusioni L’analisi FEM per i diversi casi esaminati ha evidenziato una condizione piuttosto
rassicurante, dovuta alla presenza di ampi margini residui per la stabilità a pressione interna sugli spessori dei cassoni rispetto a quanto si ottiene con una tradizionale DBF. L’aggiunta dei carichi esterni sui bocchelli determina un moderato incremento degli stress primari e secondari, che non supera mai gli ammissibili, se non per carichi superiori ad almeno tre volte API 661, a meno di non andare a diminuire in maniera consistente anche lo spessore del bocchello. È Possibile concludere che una verifica FEM è prescindibile se non si incrementa in maniera significativa il margine di corrosione sul bocchello e si limita la resistenza a carichi esterni ad una volta API 661. Negli altri casi, una verifica FEM è almeno consigliata.
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5. Bibliografia [1] API 661: “ Air-Cooled Heat Exchangers for General Refinery Services ”, American Petroleum Institute, 6° edizione, 2006 [2] ASME VIII D1 MA APP.13, “Vessels of noncircular cross section ”, American Society of Mechanical Engineers, 2010 [3] ASME VIII Section VIII Division 1: “Boiler and Pressure Vessel Code. Rules for Construction of Pressure Vessels”, American Society of Mechanical Engineers, 2010 [4] GS 126-2, Guidance for Specification 126-2: “Air cooled heat exchangers to API 661 ”, The British Petroleum Company, 1995 [5] Cook, E. M.: “Air Cooled Heat Exchangers,” Chemical Engineering, vol. 71, n.16, 1964, p. 99.
