La flangia è utilizzata da tempo nella realizzazione di collegamenti meccanici tra diverse parti e/o tipologie di impianti e appare come un mezzo semplice il cui funzionamento è facilmente comprensibile. Ma l’uso dei sistemi flangiati è veramente così semplice? Quali sono gli aspetti che caratterizzano questa giunzione meccanica, così famigliare e apparentemente in uso da sempre e per questo erroneamente ritenuta alla portata di tutti?
Plastitalia S.p.A. ha dato vita ad una collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi di Messina per portare avanti uno studio sulle giunzioni flangiate, con lo scopo di determinare quanti e quali fattori sono in grado di influenzare la giunzione tra differenti componenti in polietilene (PE100), utilizzati nel settore idraulico, e come essi interagiscono tra loro. L’obiettivo principale è quello di ottenere dei modelli per la progettazione dei sistemi (adattatori per flange – chiamati comunemente “cartelle” – più flange metalliche) tali da garantire il buon esito della giunzione per un tempo che sia in linea con le aspettative di chi gestisce gli impianti.
Progettazione ottimizzata delle tubazioni in materiale plastico
di Giacomo Risitano e Dario Santonocito
Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi di Messina
La progettazione di collegamenti flangiati per tubazioni di grandi dimensioni in PE100 rappresenta una vera e propria sfida ingegneristica, il cui obiettivo è quello di ridurre al minimo le perdite di fluido e garantire la continuità di servizio delle condotte. Questo tipo di giunzioni flangiate presenta l’accoppiamento tra due diversi materiali, l’acciaio ed il polietilene, il cui comportamento meccanico differisce in modo sostanziale. In particolare, il polietilene (nel caso di specie: PE100), come tutti i materiali termoplastici, è caratterizzato dal comportamento visco-plasto-elastico. Questo particolare comportamento, che è ben conosciuto nel caso delle tubazioni in pressioni, non è altrettanto ben conosciuto nella relazione esistente tra la flangia metallica e il corrispondente adattatore in PE (in genere chiamato: cartella). La ragione di questo studio è determinata da un quadro normativo che risulta essere non allineato con una moderna attività progettuale volta a fornire la garanzia di funzionamento del sistema. È necessario pertanto fornire una metodologia di progettazione capace di dimensionare adeguatamente la giunzione, definendone nello specifico la geometria ed il precarico dei bulloni.
Grazie alla collaborazione tra Plastitalia S.p.a. ed il Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi di Messina si sta portando avanti una campagna di prove sperimentali atte ad investigare le caratteristiche meccaniche della giunzione nel tempo.
Sono stati inizialmente eseguiti dei test di trazione monoassiale, con tre diverse velocità di allungamento secondo la UNI EN 572-2, su provini di PE100 ricavati dalla materia prima di quattro differenti produttori. I risultati hanno evidenziato come le proprietà del materiale, modulo elastico e tensione di snervamento, differiscano da produttore a produttore pur rimanendo all’interno della forchetta caratterizzante, secondo quanto prescritto nelle norme di prodotto. Una seconda fase dello studio ha visto la realizzazione di un modello parametrico agli elementi finiti capace di prevedere il comportamento della giunzione al variare della geometria, delle proprietà del materiale, del pretensionamento dei bulloni e della pressione di esercizio della tubazione. È stata dunque eseguita l’analisi di sensitività di alcuni parametri geometrici dell’adattatore al fine di stabilire l’influenza degli stessi sui campi di deformazione e stress della giunzione flangiata.
Attualmente sono in corso dei test sperimentali con metodi di indagine a tutto campo, quali Termografia e Digital Image Correlation, al fine di caratterizzare a fatica il PE100. Tra le future attività di ricerca rientra la determinazione sperimentale delle proprietà meccaniche del PE100 invecchiato, con l’obiettivo di prevedere attraverso modelli numerici il comportamento dell’intera giunzione flangiata nel tempo, e la progettazione ottimizzata della giunzione con tecniche di soft – computing quali, ad esempio, algoritmi genetici.