Analisi FEM di apparecchiature

Questo metodo di progettazione è molto diffuso ed utilizzato, grazie allo sviluppo dei sistemi informatici (hardware e software).

Il FEM (Finite Element Method) ha un grande potenziale applicativo anche in ambito industriale per la progettazione di apparecchiature e strutture in carpenteria. Aiuta a delineare strategie per ottimizzare i costi di produzione e manutenzione, con oggetti ben progettati e concepiti. Possono essere studiate soluzioni costruttive, con opportuni materiali e fatte scelte che allungano la vita operativa, facilitano la manutenzione e minimizzano la necessità di ricambi

Apparecchiatura

Le potenzialità di questo strumento di progettazione sono state evidenziate nell'ambito della realizzazione chiavi in mano di un' atomizzatore con diametro che varia da 5000 mm a 10500 mm, per poi diminuire nuovamente a 3000 mm, lungo l'asse verticale ed avente un'altezza totale di circa 32000 mm (Fig.1).

Questa apparecchiatura è soggetta, in fase di esercizio, all'azione combinata di carichi meccanici e carichi termici. Nello specifico caso, i carichi meccanici sono il peso proprio e la pressione interna dovuta ai fluidi di esercizio; mentre i carichi termici sono dovuti al flusso di calore, interno all'apparecchiatura, dovuto ai fluidi di processo. Tale flusso di calore genera un profilo di temperatura variabile non linearmente lungo l'asse verticale dell'apparecchiatura, i cui valori passano da 800°C in testa all'apparecchiatura a 100°C - 200°C nella parte bassa.

A questi carichi di processo e strutturali, vanno aggiunte le sollecitazioni dovute all'azione del vento e del sisma, che sono state quantificate in funzione dell'area di installazione dell'apparecchiatura e in funzione delle normative vigenti.

In particolare, l'involucro dell'apparecchiatura è stato realizzato con due differenti materiali in funzione del profilo termico lungo l'asse verticale. Nella parte alta, fino a circa metà dell'apparecchio, si è usato un acciaio inossidabile austenitico per alte temperature che ha buona resistenza

? all'ossidazione

? alla corrosione

? meccanica alle elevate temperature

Mentre per la parte bassa, si è usato un normale acciaio inossidabile AISI 304L.

Gli spessori ipotizzati per questa prima modellazione sono stati definiti nell'intervallo tra 3 e 4 mm. Per garantire un'idonea resistenza strutturale dell'apparecchio, sono stati previsti dei rinforzi a T circonferenziali, equi-distanti tra loro, lungo l'asse verticale. Queste prime scelte progettuali sono state fatte per ridurre al minimo il costo dell'acquisto dei materiali e i costi di realizzazione.

Modello e pre-analisi

La prima fase dell'attività di progettazione con analisi FEM prevede la realizzazione del modello 3Ddell'apparecchiatura, completo dei dettagli, tramite un idoneo software (Fig.2).

Il modello è stato creato sulla base delle specifiche iniziali del Cliente e dell' esperienza.

L'impostazione ha richiesto una semplificazione del modello per la risoluzione di alcune non convergenze a livello di contatto tra superfici e per evitare tempi lunghi per i calcoli.

Inizialmente sono state eseguite due analisi FEM applicando separatamente i carichi meccanici e i carichi termici, per verificarne l'influenza su sollecitazioni e deformazioni. Il risultato delle due pre-analisi ha mostrato che i carichi termici (profilo di temperatura lungo l'asse verticale dell'apparecchiatura) sono la causa di maggiori sollecitazioni e deformazioni, con i seguenti aspetti critici:

? Dilatazione radiale e assiale

? Sollecitazioni nei punti di variazione della geometria

? Sollecitazioni del collegamenti mensole-mantello

L'apparecchiatura presenta spostamenti dovuti alle dilatazioni lungo l'asse verticale (l'origine del sistema di riferimento è all'altezza delle mensole di supporto dell'apparecchiatura, poste circa nel mezzo di quest'ultima) che raggiungono valori fino a 150 mm in testa all'apparecchio; mentre radialmente, sul diametro massimo, in prossimità dei supporti, si hanno valori di spostamenti pari a 18 mm. Nella parte alta, in prossimità della tubazione di ingresso del fluido caldo di processo, si hanno spostamenti lungo l'asse della tubazione pari a 80 mm.

Importanti sollecitazione nei punti di cambiamento della geometria: ulteriori punti critici sono stati individuati nella parte alta dell'apparecchiatura, dove la temperatura varia tra gli 800°C e 350°C e dove avviene un cambio di geometria (nel caso specifico, variazione di diametro dell'apparecchio). In questi punti le sollecitazioni raggiungono valori notevolmente superiori ai valori massimi ammissibili secondo le normative (tra 42 MPa e 297 MPa per l'acciaio inossidabile austenitico per alte temperature, nel range operativo di temperatura).

Analisi finale

Dopo la pre-analisi,nel FEM sono stati applicati tutti i carichi in gioco contemporaneamente (termici, meccanici, di sisma e di vento) , con l'aggiunta delle elevate sollecitazioni nel collegamento mensole- mantello. La combinazione dei carichi termici e meccanici ha evidenziato sollecitazione fuori dai limiti ammissibili e importanti deformazioni delle aree di giunzione tra le mensole di supporto dell'apparecchio e il mantello dello stesso (Fig.3).

Inoltre le stesse mensole risultano eccessivamente sollecitate a causa soprattutto degli effetti della dilatazione termica radiale.

A questo punto, l'analisi tramite metodo agli elementi finiti è stato sfruttato anche per valutare le possibili soluzioni agli aspetti critici sopra citati. In particolare, è stato possibile eseguire successivi run di analisi al fine di individuare la soluzione per ciascuna delle problematiche riscontrate che, ottimizzando i costi di realizzazione e di acquisto dei materiali, permettesse al sistema di rientrare nei limiti imposti dalle normative di progettazione.

SOLUZIONI

Dilatazioni Termiche

Per quanto riguarda la dilatazione termica, si è lasciato l'apparecchio libero di muoversi lungo l'asse verticale (Fig.4).

L'apparecchiatura è appoggiata e vincolata solo tramite le mensole di supporto, mentre la tubazione di ingresso dei fluidi caldi è stata munita di tre compensatori per assorbire gli spostamenti relativi tra condotto stesso e apparecchio. Questo garantisce che l'apparecchiatura possa "muoversi" e "respirare" liberamente, seguendo i cicli produttivi e le condizioni di esercizio, limitando eventuali danni dovuti a fenomeni da fatica e da stress termico. Quest'ultimo aspetto porta alla riduzione dei costi di manutenzione e all'allungamento della vita dell'apparecchiatura.

Variazioni Geometriche

Una criticita'e' la giunzione tra la parte alta con diametro 5000 mm e il cono superiore con diametri 5000/10500 mm. La giunzione e' stata realizzata prolungando la parte cilindrica superiore e sbordandola con idoneo raggio di curvatura, per raccordarsi con il cono superiore senza spigoli vivi. Inoltre è stata adottata una fascia di rinforzo circonferenziale di pari spessore e con uguale curvatura. In questo modo la giunzione è stata rinforzata dalla fascia, ma anche resa più resistente e flessibile dalla curvatura, ottenendo così il rientro dei valori delle sollecitazioni nei limiti dettati dalla norma, senza dover approvvigionare materiali di maggior spessore e potendone così ottimizzare il processo di acquisto.

Nella giunzione cono superiore-corpo cilindrico centrale con diametro 10500 mm, si e' prolungata la parte cilindrica e sbordata con idoneo raggio di curvatura. La giunzione risulta più resistente e flessibile, con sollecitazione nei limiti richiesti. Questa semplice soluzione, validata dall'analisi FEM, permette di utilizzare gli stessi materiali e gli stessi spessori, senza aggravio sui costi di realizzazione. Entrambe le soluzioni migliorano la risposta agli stress termici e di fatica, riducendo interventi e costi di manutenzione e aumentando la vita dell'apparecchiatura.

Sollecitazioni mensole-mantello

E'stata inserita una fascia circonferenziale di larghezza idonea e spessore minimo tra mensole e mantello dell'apparecchiatura, per distribuire su una più ampia superficie gli sforzi trasmessi dai supporti e rinforzare il mantello. Le mensole sono state progettate con un vincolo verticale (di appoggio), ma essere libere di muoversi solidalmente con l'apparecchiatura in senso radiale, per non generare sollecitazioni e deformazioni eccessive (seguendo i movimenti dell'apparecchio in esercizio.

Gabriele Cercignani, Responsabile Ufficio Tecnico, La Toscana Impianti

Simone Battiato, Direttore Tecnico, La Toscana Impianti