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Valutazione Particolari dei Materiali, in arte PMA – Parte 2

Qualche tempo fa ho avuto uno scambio di opinioni con un ispettore riguardo a quando le PMA siano davvero necessarie o, più nel dettaglio, su quali RES (Requisiti Essenziali di Sicurezza) debbano essere considerati in una PMA.
Tutto è partito dal fatto che solo alcuni RES sono coperti negli standard armonizzati di materiali.

Che tutti i RES necessari per capire l’utilizzabilità di un materiale in una applicazione non siano elencati è quasi vero: nell’allegato ZA (come è chiamato di solito l’allegato con la dichiarazione di armonizzazione alle direttive) degli standard rilevanti (ad esempio EN 10216-2, o EN 10222-4, tra gli altri) è descritta la conformità ai RES della PED.

Le vecchie edizioni degli standard armonizzati includevano una dichiarazione generale, senza riferimenti specifici, che rendeva difficile capire quali ESR fossero applicabili (e soddisfatti).
Questo, ad esempio, è l’estratto dalla norma EN 10216-2 edizione 2005:

Older compliance statement

Le edizioni recenti, invece, includono riferimenti ben dettagliati, con una tabella che mette in relazione le sezioni dello standard del materiali con le i RES pertinenti della direttiva.
Questo è l’estratto dalla EN 10216-2:2002+A2:2007:

PMA - part 2 - fig. 2

Il secondo esempio mostra che i RES della sezione 4 dell’allegato I della direttiva sono soddisfatti: questa è una condizione sufficiente a dispensare dalla redazione di una PMA?
Personalmente, credo di sì.
Ma c’è anche chi pensa di no e afferma che la corrosione, non essendo possibile armonizzarne i requisiti negli standard materiali, debba essere considerata in una PMA.
Questo è il testo della sezione 2.6.

2.6. Corrosione e altre aggressioni chimiche
Ove occorra, va previsto un maggiore spessore o una protezione adeguata contro la corrosione o altre aggressioni chimiche tenendo conto del tipo di utilizzo previsto e ragionevolmente prevedibile.

Così, apparentemente, anche i materiali armonizzati hanno bisogno di PMA, per via del RES 2.6.

Allora, serve davvero la PMA?

Facciamo un passo indietro, al paragrafo della direttiva in cui le PMA sono citate per la prima volta:

4.2 Il fabbricante dell’attrezzatura a pressione deve:
[…]
(b) allegare alla documentazione tecnica gli elementi che attestano il rispetto delle prescrizioni della presente direttiva riguardo ai materiali in una delle seguenti forme:
– mediante l’utilizzazione di materiali in base alle norme armonizzate,
– mediante l’utilizzazione dei materiali che hanno formato oggetto di un’approvazione europea di materiali per attrezzature a pressione in base all’articolo 15,
– mediante una valutazione particolare dei materiali;
[…]

Possiamo vedere subito due cose:
1. le PMA sono date come alternativa agli standard armonizzati, e
2. tutti i RES per i materiali sono raggruppati ai paragrafi 4 e 7.5.

Inoltre: i requisiti per la corrosione sono dati in 2.6, che è un sottosezione della sezione 2, in cui si regolamenta la fase di progettazione.

Quindi?

Come scritto sopra, la mia opinione è che le PMA non debbano essere redatte per materiali armonizzati.
É comunque vero che i requisiti della sezione 2.6 debbano essere presi in considerazione: semplicemente, la PMA non è il posto giusto.

Quando non si usa uno standard armonizzato per un apparecchio in pressione (ad esempio ASME BPVC sect. VIII, ASME BPVC sect. I, ASME B31.1, ASME B31.3, AD 2000, PD5500, ISPESL Raccolta VSR), allora c’è l’obbligo della redazione della checklist dei RES.
Quello può essere il posto giusto.

Quando invece si usa uno standard armonizzato (quello applicabile tra EN 13445, EN 13480, EN 12952, EN 12953), il RES è certamente preso in carico nella norma.
Ad esempio, in EN 13480, il RES 2.6 è considerato in:
parte 2, sezione 4.2.1.1, con prescrizioni generiche sul fatto che gli effetti avversi sul materiale (inclusa la corrosione) debbano essere considerati;
parte 3, sezione 4.3, che definisce le tolleranze di corrosione/erosione da usare nei calcoli;
parte 6, per le tubazioni interrate, sezioni da 8.1 a 8.3, che tratta in modo esteso l’argomento (per le tubazioni interrate è davvero una grossa grana!).

Indipendentemente dal fatto che la checklist dei RES ci sia o meno, il costruttore deve redigere una Analisi del Rischio: questo è decisamente il posto giusto per ogni considerazione extra sui materiali (come la corrosione, appunto).

Cosa più importante di tutte, in generale penso che i dettagli sulla protezione dalla corrosione debbano essere considerati, qualsiasi sia il in documento cui sono elencati, nella Documentazione Finale.
In questo modo, anche il costruttore “impreparato”, che non è in grado di redigere una Analisi del Rischio, ha una via di fuga: ogni standard armonizzato per apparecchi in pressione include una sezione in cui è definita la struttura della Documentazione Finale e, generalmente, è richiesto un documento intitolato Riepilogo delle condizioni di progetto e operative.
Il mio consiglio è, in mancanza dell’Analisi del Rischio e della checklist dei RES, di descrivere le condizioni al contorno, le ipotesi iniziali e le scelte finali lì (ad esempio, il Riepilogo delle condizioni di progetto e operative è richiesto da EN 13480 indipendentemente dalla categoria dell’attrezzatura nella parte 5, paragrafo 9.5, Tabella 9.5-1).

Infine, qualsiasi indicazione all’utente finale relativa alla corrosione (controlli periodici dello spessore residuo di verniciatura, controllo visivo dello stato della vernice, applicazione di ritocchi, …) deve essere inclusa nel Manuale di Uso e Manutenzione.

Questo è tutto.
La prima parte di questo articolo è pubblicata qui.

La libreria per excel Saturated Water & Steam

Ho il grande piacere (e la piccola presunzione) di pubblicare una libreria di funzioni per excel: Saturated Water & Steam, o in breve la “S” library.

É disponibile come addin per le versioni da 97 a 2003 e per le edizioni più recenti.
É sufficiente posizionare il file nella cartella appropriata e attivare l’estensione.

Queste le funzioni disponibili nella libreria:

pressione di vapore saturo: S_SatP (temperature)
temperatura di saturazione: S_SatT (pressure)
densità del liquido: S_RhoLiqT (temperature) & S_RhoLiqV (pressure)
densità del vapore: S_RhoVapT (temperature) & S_RhoVapV (pressure)
entalpia del liquido: S_hLiqT (temperature) & S_hLiqP (pressure)
entalpia del vapore: S_hVapT(temperature) & S_hVapP(pressure)
entropia del liquido: S_sLiqT(temperature) & S_sLiqP(pressure)
entropia del vapore: S_sVapT(temperature) & S_sVapP(pressure)
entalpia di evaporazione: S_DhEvT(temperature) & S_DhEvP(pressure)

La temperatura è in K, la pressione in Pa, la densità in kg/m3, l’entalpia in J/kg, l’entropia in J/kgK.
Le funzioni restituiscono i relativi valori numerici dal punto triplo (0.01 °C = 273.16 K) al punto critico (373.95 °C = 647.096 K).

C’è anche un foglio di calcolo di esempio in cui la “S” library è inclusa come moduli VBA, perciò è necessario attivare le macro perché funzioni.

Alcuni dettagli tecnici
La libreria implementa le formule in:

International Equations for the Saturation Properties of Ordinary Water Substance.
Revised according to the International Temperature Scale of 1990.
Addendum to J. Phys. Chem. Ref. Data 16, 893 (1987)

W. Wagner and A. Pruss
Institut für Thermo und Fluiddynamik, Ruhr-Universität Bochum, D 44780 Bochum, Germany

Received October 2, 1992; revised manuscript received January 29, 1993

Testo scaricabile da questo indirizzo: http://www.nist.gov/srd/upload/jpcrd457.pdf.

Il valore di riferimento dell’entalpia è 0.611786 J/kg al punto triplo, mentre il valore di riferimento dell’entropia è 0 J/kgK sempre al punto triplo.
La temperatura di saturazione è calcolata numericamente dalla pressione di vapore saturo con il metodo di bisezione, perciò c’è un certo errore nelle funzioni che hanno la pressione come parametro di ingresso.

Tutto il codice nei moduli VBA è rilasciato sotto GPLv3.

Valutazione Particolari dei Materiali, in arte PMA – Parte 1

Sia la vecchia 97/23/EC, sia la nuova direttiva sulle attrezzature a pressione 2014/68/UE includono requisiti relativi ai materiali nell’Allegato I, paragrafi 4 e 7.5, che devono essere soddisfatti:

4.2. Il fabbricante dell’attrezzatura a pressione deve:
[…]
b) allegare alla documentazione tecnica gli elementi che attestano il rispetto delle prescrizioni della presente direttiva riguardo ai materiali in una delle seguenti forme:
— mediante l’utilizzazione di materiali in base alle norme armonizzate,
— mediante l’utilizzazione dei materiali che hanno formato oggetto di un’approvazione europea di materiali per attrezzature a pressione in base all’articolo 15,
— mediante una valutazione particolare dei materiali;
[…]

La Valutazione Particolare dei Materiali – o il suo acronimo inglese PMA – è il metodo usato quando un materiale non è né armonizzato (o se preferite, in accordo a uno standard armonizzato), né preso dalla (brevissima) lista di materiali oggetto di un’approvazione europea.

In soldoni, una PMA altro non è che una lista dei Requisiti Essenziali di Sicurezza (o RES) applicabili ai materiali, con le relative misure intraprese per soddisfare i requisiti stessi.
Considerando che nel mondo moderno i materiali non sono creati nelle forge oscure di magici alchimisti, ma sono conformi a qualche tipo di specifica scritta (in genere americana, come ASME, ASTM o API), ogni requisito, con la corrispettiva misura, è correlata a doppio filo con qualcuna delle prescrizioni nella specifica materiale considerata.
Perciò, la struttura di ogni elemento della PMA è all’incirca questa:

Requisito Essenziale di Sicurezza (RES) ⬇︎ Paragrafo rilevante nella specifica (esotica) del materiale ⬇︎ Misure (aggiuntive) per il soddisfacimento del RES

La PMA è fatta di tanti elementi quanti i requisiti applicabili ai materiali.
Come scontato, e peraltro scritto, le PMA devono essere incluse nella documentazione tecnica finale.

Inoltre, entrambe le edizioni – vecchia o nuova – della PED richiedono che, per le attrezzature in categoria III o IV, la PMA sia validata dall’Organismo Notificato incaricato della valutazione dell’attrezzatura:

4.2. (c) per le attrezzature a pressione delle categorie III e IV, una valutazione particolare dello specifico materiale è effettuata dall’organismo notificato incaricato delle procedure di valutazione della conformità dell’attrezzatura a pressione.

Perciò, le PMA devono anche includere uno spazio per data, timbro e firma dell’ispettore.

Giusto per capirci, ecco qualche esempio di applicazione e materiale che richiedono PMA:
– serbatoi e scambiatori in acciaio al carbonio SA-516 gr. 70, SA-105, SA-350 gr. LF2, SA-106 gr. B, SA-333 gr. 6, SA-240 gr. WPB, SA-420 gr. WPL6;
– serbatoi e scambiatori in acciaio inossidabile: 316, 316L, 316Ti, 304, 304L
– materiali di colata per valvole: SA-216 gr. WCB or WCC, SA-351 gr. CF8 or CF8M
– viteria: SA-193 gr. B7, SA-193 gr. 2H, SA-320 gr. L7, SA-320 gr. 8

Per il momento è tutto.
Puoi approfondire l’argomento leggendo anche la seconda parte.

Attrezzature in pressione

Una grossa fetta del mio lavoro quotidiano la passo a occuparmi di attrezzature in pressione. E di questa, una larga frazione la spendo su attrezzature soggete alla direttiva PED.
Così ho deciso che avrei potuto condividere qualcosa, dal momento che le risorse su internet sull’argomento sono piuttosto scarse.

Per lo più, cercherò di pubblicare ogni articolo in doppia lingua italiano, e inglese.
I lettori nella lingua di Dante, più fortunati, avranno materiale probabilmente più comprensibile. Per ogni dubbio, comunque, contattatemi pure (sempre ammesso che qualcuno legga questa robaccia).

Lista delle pubblicazioni

Valutazione Particolare dei Materiali, in arte PMA – Parte 1
Valutazione Particolare dei Materiali, in arte PMA – Parte 2
Categorizzazione delle attrezzature in pressione

Formula per il nome del foglio di lavoro in Excel e Calc

Non c’è una funzione per inserire il nome del foglio di lavoro attivo in Excel o Calc, ma con una formula magica il gioco è presto fatto…

In Excel

La formula è:

=DESTRA(CELLA("nomefile");LUNGHEZZA(CELLA("nomefile"))-TROVA("]";CELLA("nomefile")))

La funzione CELLA("nomefile") restituisce il nome del file completo, fatto di percorso, nome del foglio di calcolo e nome del foglio di lavoro. Attenzione! Se il file non è salvato il risultato è una stringa vuota.

La funzione DESTRA(str;n) restituisce gli ultimi n caratteri della stringa str.

Poiché il nome del file ha la forma \[nomefile.xsls], trovo la posizione del carattere speciale “]”, ultimo carattere prima dell’inizio del nome del foglio, con la formula TROVA("]";CELLA("nomefile")).

Il numero di caratteri dell’intero percorso è dato da LUNGHEZZA(CELLA("nomefile")) e, perciò, la differenza tra i due numeri è proprio il numero di caratteri impegnati dal nome del foglio di lavoro alla fine della stringa. Così, nella funzione DESTRA il valore di n è proprio LUNGHEZZA(CELLA("nomefile"))-TROVA("]";CELLA("nomefile")).

In LibreOffice Calc

Il carattere che separa il percorso completo del file (incluso il nome) dal foglio di lavoro corrente è “#”. Perciò la formula diventa:

=RIGHT(CELL("filename");LEN(CELL("filename"))-FIND("#";CELL("filename")))

I nomi delle funzioni sono in inglese (perché uso una versione non localizzata di LibreOffice). In soldoni:
CELL corrisponde a CELLA
LEN corrisponde a LUNGHEZZA
FIND corrisponde a TROVA
RIGTH corrisponde a DESTRA

A differenza di excel, la formula in Calc funziona anche su un nuovo file non salvato.

I materiali nella direttiva PED

Rendo disponibile il contenuto di un minicorso tenuto da me e un collega nell’azienda in cui lavoro relativo all’utilizzo di materiali europei o americani in apparecchi soggetti alla direttiva PED.
Il testo completo della direttiva PED è reperibile sul sito della Comunità Europea.

Introduzione

Mentre codici come l’ASME Boiler and Pressure Vessel Code, forniscono in un unico testo tutte le informazioni necessarie per la scelta dei materiali destinati ad apparecchi in pressione, la direttiva PED fornisce pochi e semplici requisiti che lasciano una certa libertà d’azione.
Se da una parte, questa libertà, porta a un’elevata flessibilità, dall’altra parte permette errori che possono divenire critici in sede certificativa.

Questo articolo, non esaustivo dell’argomento, è una sorta di guida consolidata alla valutazione dei requisiti dei materiali (ma non alla scelta!).

I RES relativi ai materiali

La direttiva fornisce pochissime indicazioni sui materiali. Nell’allegato I, che elenca i Requisiti Essenziali di Sicurezza, al punto 4, sono date queste indicazioni:

I materiali utilizzati per la costruzione di attrezzature a pressione devono essere adatti per tale applicazione durante la durata di vita prevista, a meno che non si preveda una sostituzione.

Questa osservazione lascia piena libertà al progettista di scegliere materiali convenzionali o meno, a patto che sia verificata l’idoneità all’applicazione e, nel caso in cui i materiali si deteriorino nel tempo, ne sia espressamente richiesta (nel manuale d’uso e manutenzione) la sostituzione.
La differenza rispetto al codice ASME non è sottile: la PED non esclude alcun materiale (ASME richiede l’utilizzo dei materiali in ASME II e, in Italia, la Raccolta VSR limitava la scelta ai materiali contenuti in Raccolta M), lasciando al progettista l’onere consapevole della selezione.
Ovviamente ciò non significa che è possibile progettare attrezzature a pressione in pongo. I codici di calcolo, armonizzati o meno, tipicamente limitano le scelte a una classe piuttosto ristretta di materiali. Tuttavia, in caso di necessità, è possibile ricorrere a materiali non standardizzati.

Duttilità e tenacità

Al punto 4.1, lettera a), sono contenute le prescrizioni più importanti relative ai materiali, che:

devono avere caratteristiche adeguate a tutte le condizioni di prova e di esercizio ragionevolmente prevedibili, e soprattutto possedere duttilità e tenacità sufficienti; se del caso, le caratteristiche di questi materiali dovranno rispettare i requisiti del punto 7.5; inoltre, si dovrà procedere in particolare ad un’appropriata selezione dei materiali in modo da prevenire, se necessario, una frattura di fragilità; ove per motivi specifici si debba far ricorso ad un materiale fragile, devono essere previste idonee misure;

Innanzitutto, le caratteristiche dei materiali devono essere verificate tanto in esercizio quanto in prova. Niente meglio di un esempio può indicare cosa si intende in questo punto:

Serbatoietto in acciaio
Condizioni di progetto:
     PS = 10 bar g = 11 bar a = 1,1 MPa
     TS = 250 °C
Materiale:
     EN 10216-2 P195GH
Dimensioni:
     De = 406,4 mm
     t = 3 mm
Codice di calcolo:
     EN 13480-3 e EN 13480-5

Sollecitazioni ammissibili del materiale:
     f250 = 81,5 MPa
     ftest = 185,3 MPa

Pressione di prova:
     Ptest = 30 bar g = 31 bar a = 3,1 MPa

Verifica dello spessore minimo richiesto in esercizio
(coefficiente di giunzione z = 1):
     t = (PS · De) / (2 · f250 · z + PS) = 2,7 mm
Il materiale scelto è adatto all'utilizzo in esercizio

Verifica dello spessore minimo richiesto in prova
(coefficiente di giunzione z = 1):
     t = (Ptest · De) / (2 · ftest · z + Ptest) = 3,4 mm
Il materiale scelto non è adatto all'utilizzo in prova idraulica.

In secondo luogo, il materiale deve essere sufficientemente duttile e tenace; la necessità di buone caratteristiche è rimarcata poche parole dopo, con la richiesta di considerare il rischio della rottura fragile. A tale proposito, alcuni requisiti numerici sono elencati al punto 7.5 dell’allegato I.
Prima di vedere quali sono le indicazioni quantitative, notiamo che la direttiva specifica un se del caso, evidentemente ritenendo che l’applicabilità dei requisiti del punto 7.5 sia oggetto di valutazioni da parte del progettista. La direttiva permette anche l’eventuale uso di materiali fragili allo stesso modo (libertà utile quando serve installare, ad esempio, specole visive).

I requisiti numerici, in linea con lo stile generale della direttiva, sono pochi ed essenziali:

Qualora non siano richiesti altri valori in base ad altri criteri da prendere in considerazione, per essere conforme al punto 4.1, lettera a) un acciaio è considerato sufficientemente duttile se l’allungamento dopo la rottura, in una prova di trazione effettuata secondo un procedimento standard, è pari almeno al 14 % e se l’energia di flessione da urto, misurata in provetta ISO V, è pari almeno a 27 J ad una temperatura al massimo pari a 20 °C, ma non superiore alla temperatura minima di esercizio prevista.

Come anticipato al punto 4, i requisiti sono relativi a duttilità e tenacità, appunto. Si rimarca ancora che la loro applicabilità è soggetta a eventuali richieste alternative valutate dal progettista.

Allungamento minimo
Un allungamento minimo del 14 % è richiesto in garanzia di una sufficiente duttilità.
Un esempio permette di capire il motivo della presenza del requisito:

Serbatoio sferico di raggio R in pressione P
Se la pressione P causa il raggiungimento del limite di snervamento e la conseguente deformazione del metallo (a stato di sforzo costante), un allungamento del 14 % porta a un aumento del volume della sfera:
   Vi = 4/3 · π · R3
   Vf = 4/3 · π · Rf3 = 4/3 · π · 1,143 · R3
Perciò:
   Vf = 1,143 π Vi = 1,48 π Vi

Supponiamo di essere in prova idraulica a pressione p.
Il serbatoio si deforma e la pressione interna al serbatoio decresce.
Valutiamo di quanto, considerando costante l'energia interna al serbatoio (una parte della pressione se ne va in energia di deformazione):
   Ei = P · Vi = Pf · Vf = Pf · 1,48 · Vi = Ef
otteniamo:
   P = Pf · 1,48
o meglio:
   Pf = 0,67 · P
Significa che un allungamento del 14 % è in grado di ridurre di 1/3 la pressione interna del serbatoio sovraccarico, con buone probabilità di evitare la rottura per sovrasollecitazione.

Supponiamo di avere un sistema di alimento che mantiene costante la pressione p
L'energia finale contenuta nel volume dilatato sarà:
   Ef = Vf · P = 1,48 · Vi · P = 1,48 · Ei
o meglio:
   Ef = 1,48 · Ei
Significa che prima di giungere a rottura, il serbatoio è in grado di assorbire un aumento di energia interna del 50 % rispetto all'energia contenuta a inizio deformazione.

Resilienza minima
I metalli hanno generalmente un temperatura, detta di transizione, raggiunta la quale il comportamento del metallo diventa duttile da fragile (in salita) o viceversa (in discesa).
Al fine di evitare un comportamento fragile (caratterizzato da rotture di schianto, causate da un apporto di energia anche basso, senza evidenti deformazioni), è richiesta al metallo base una prova di resilienza, con valore di energia assorbita pari almeno a 27 J alla temperatura minima cui il metallo può trovarsi in esercizio (considerando anche i transitori). In ogni caso, la temperatura cui effettuare il test, non deve essere superiore a 20 °C.

Anche qui il requisito deve essere valutato dal progettista: ad esempio, una pentola a pressione inizierà a contenere pressione relativa (e quindi sollecitazione nel materiale) quando la sua temperatura raggiungerà quella di ebollizione dell’acqua, cioè 100 °C. A questa temperatura, infatti, la pressione di saturazione dell’acqua sarà pari a quella atmosferica. Con l’aumentare della temperatura oltre i 100 °C, aumenterà anche la pressione e, di conseguenza, anche lo stato di sollecitazione.
In queste condizioni, è inutile prevedere verifiche di resilienza dell’acciaio, poiché a 100 °C, certamente, il materiale sarà oltre la sua temperatura di transizione e il rischio di rottura fragile è inesistente.

Requisiti legati al processo

Proseguendo, al punto 4.1, lettera b), sono presenti ulteriori prescrizioni, relative alla resistenza chimica:

I materiali delle parti pressurizzate […] devono possedere una resistenza chimica sufficiente al fluido che sarà contenuto nell’attrezzatura a pressione; le proprietà chimiche e fisiche necessarie per la sicurezza operativa non devono essere influenzate in modo rilevante nel corso della durata di vita prevista dell’attrezzatura;

Il RES è banale, ma vale la pena di chiarire comunque con un esempio:
– un recipiente per azoto potrà essere fabbricato in A106, A105 e A234 oppure in P235 e P245: tutti acciai dolci al carbonio con buone proprietà meccaniche e molto diffusi, ma non particolarmente pregiati.
– una tubazione per acqua calda o per vapore potrà essere fabbricata in A304 o A316: acciai inossidabili abbastanza comuni e molto resistenti, ma non eccessivamente costosi.
– una tubazione per acqua geotermica (più corrosiva dell’acqua di rete) o una vasca per la produzione di fertilizzanti (che dovrà contenere acido fosforico o solforico) potranno essere realizzate in 904L: meno comune e più costoso del citato A316, ma comunque più economico di un superduplex.
– una valvola per applicazioni marine potrà essere realizzata in superduplex A182 F61: acciaio molto costoso, ma resistente ai cloruri, alla vaiolatura e alla corrosione sotto sforzo.
I siti dei produttori, le specifiche dei materiali o le norme europee (divise per campi di applicazione), oltre che l’esperienza, forniscono molte utili indicazioni per la scelta del materiale adatto all’applicazione in considerazione.

Alle lettere c), d) ed e) sono riportati ulteriori requisiti abbastanza ovvi:

c) non devono subire in modo rilevante l’influenza dell’usura;
d) devono essere adatti alle procedure di trattamento previste;
e) devono essere selezionati in modo da evitare effetti negativi rilevanti in caso di assemblaggio di materiali diversi.

Fenomeni di usura potrebbero, ad esempio, essere presenti in apparecchi che trattano acqua geotermica o apparecchi per la preparazione di miscele saline. In casi come questi potrebbe essere sufficiente scegliere un materiale con una maggiore durezza (il requisito c risolve il problema), oppure potrebbe rendersi necessario un trattamento diverso, come la nitrurazione o il rivestimento (il requisito d risolve il problema).
Particolare attenzione va prestata al requisito e: ad esempio, una giunzione tra acciaio al carbonio e acciaio inossidabile può condurre al deterioramento delle caratteristiche meccaniche dell’acciaio inossidabile, oppure un cladding tra materiali incompatibili può portare al distacco dello stato protettivo, vanificando l’effetto del rivestimento.

Requisiti per la progettazione

Il punto 4.2, lettera a), relativamente alla progettazione, prescrive che:

Il fabbricante dell’attrezzatura a pressione deve definire adeguatamente i valori necessari per i calcoli di progettazione di cui al punto 2.2.3 nonché le caratteristiche essenziali dei materiali e della loro utilizzazione, di cui al punto 4.1

Il punto 2.2.3 elenca i metodi di calcolo che è possibile impiegare per la progettazione di una attrezzatura:
– progettazione mediante formule
– progettazione mediante analisi
– progettazione mediante meccanica della rottura
In ognuno dei casi, il materiale scelto entra nelle relazioni di calcolo con caratteristiche numeriche:

– limite di elasticità, 0,2 % o 1 %, a seconda dei casi, alla temperatura di calcolo,
– resistenza alla trazione,
– resistenza riferita al tempo, cioè resistenza allo scorrimento plastico,
– dati relativi alla fatica,
– modulo di Young (modulo di elasticità),
– appropriato livello di sollecitazione plastica,
– resistenza alla flessione dovuta agli urti,
– resistenza alla rottura;
– idonei coefficienti di giunzione, da applicare alle caratteristiche dei materiali e in funzione, ad esempio, del tipo di prove non distruttive, delle proprietà dei materiali assemblati e delle condizioni di esercizio previste;

A proposito dell’elenco delle caratteristiche, vale la pena di fare un’osservazione: mentre, generalmente, carico di rottura e snervamento a temperatura ambiente, analisi chimica (utile per determinare i coefficienti di giunzione), energia assorbita in prove di urto sono sempre riportati sia sugli standard, sia sui documenti di controllo del materiale, non è così per la trazione a caldo. Il che potrebbe portare il fornitore del materiale a non garantire le caratteristiche a caldo.
Al fine di evitare disaccordi, sarebbe meglio chiedere espressamente all’acciaeria o al distributore che le caratteristiche a caldo siano oggetto di prove specifiche e gli esiti siano riportati sui documenti di controllo (oltre che sulle specifiche).
Tuttavia, la prassi normale di non chiedere prove a caldo e fidarsi dei valori tabulati su specifiche o norme, fornisce comunque garanzie di affidabilità sufficienti, a patto di impiegare materiali europei o americani.
Le caratteristiche a caldo, tabulate nelle norme (per i materiali europei) o in ASME II – Y1 (per i materiali americani), godono di una certa affidabilità legata a una lunga storia di utilizzi di successo. Diverso sarebbe il discorso per materiali definiti da specifiche esotiche (che so? indiane o brasiliane?), non convenzionalmente usati per attrezzature in pressione e magari di scelta piuttosto infrequente.

Rispetto dei RES

Alle lettere b) e c) del punto 4.2 sono date indicazioni relative alla documentazione che mostra evidenza del rispetto dei RES:

b) il fabbricante allega alla documentazione tecnica gli elementi che attestano il rispetto delle prescrizioni della direttiva riguardo ai materiali in una delle seguenti forme:
— mediante l’utilizzazione di materiali in base alle norme armonizzate;
— mediante l’utilizzazione dei materiali che hanno formato oggetto di un’approvazione europea di materiali per attrezzature a pressione in base all’articolo 11;
— mediante una valutazione particolare dei materiali.

c) Per le attrezzature a pressione delle categorie III e IV, la valutazione particolare di cui al terzo trattino della lettera b) è effettuata dall’organismo notificato incaricato delle procedure di valutazione della conformità dell’attrezzatura a pressione.

Molto spesso vengono utilizzati materiali americani (elencati in ASME II). Il rispetto dei RES per questi materiali deve essere evidenziato in un documento chiamato valutazione particolare dei materiali che, come prescritto alla lettera c), per le attrezzature nelle due categorie di rischio più elevate, deve essere valutato dall’organismo notificato scelto per la certificazione.
Come redigere una PMA (acronimo dell’inglese particular material appraisal) è descritto in una sezione dedicata sul sito dell’Unione Europea.

Documenti a supporto

Il punto 4.3 descrive quale documentazione deve essere presentata supporto di tutte le considerazioni effettuate in precedenza:

Il fabbricante dell’attrezzatura deve prendere le opportune misure per accertarsi che il materiale impiegato sia conforme ai requisiti richiesti. In particolare, per tutti i materiali il fabbricante deve fornire documenti che ne attestino la conformità ad un determinato requisito.

Per quanto riguarda le parti pressurizzate principali delle attrezzature delle categorie II, III e IV, tale attestato deve essere costituito da un certificato che prevede un controllo specifico sul prodotto.

Allorché un fabbricante di materiali ha un sistema di garanzia qualità appropriato certificato da un organismo competente stabilito nella Comunità e che è stato oggetto di una valutazione specifica per i materiali, si presume che gli attestati da esso rilasciati assicurino la conformità ai corrispondenti requisiti del presente punto.

Generalmente si utilizzano documenti di controllo redatti e rilasciati secondo la norma europea EN 10204.
Questa norma prevede due classi di documenti:
– materiali soggetti a controlli di tipo non specifico, cioè a controlli non effettuati direttamente sul materiale consegnato, ma su un campione generico (che non è necessariamente quello fornito) e secondo una specifica definita dal fabbricante.
– materiali soggetti a controlli di tipo specifico, cioè a controlli effettuati direttamente sul materiale consegnato oppure su un campione rappresentativo (perché prelevato direttamente nel corso del processo produttivo) e secondo una specifica di prodotto (come, ad esempio, norme europee, specifiche ASME o specifiche redatte dal cliente).

Ciascuna delle classi ha, poi, due gruppi.
Si hanno quindi quattro tipi di documento:
– 2.1, controllo non specifico che non riporta risultati di prove;
– 2.2, controllo non specifico che riporta i risultati delle prove effettuate su un campione generico;
– 3.1, controllo specifico che riporta i risultati delle prove effettuate su un campione rappresentativo;
– 3.2, controllo specifico che riporta i risultati delle prova effettuate su un campione rappresentativo ed è validato anche da un rappresentate del cliente o da un ispettore designato.

Per le attrezzature delle categorie II, III e IV, il documento di controllo deve essere di tipo 3.1 o 3.2. Normalmente si chiede un 3.1, poiché l’emissione di un 3.2 ha costi aggiuntivi che non sono giustificati da un reale beneficio pratico. Il 3.2 viene riservato a richieste esplicite che possono provenire, ad esempio, dal cliente finale oppure dal codice di calcolo e costruzione adottato (AD Merkblatt lo richiede per alcuni particolari componenti).

Indicazioni più puntuali relative al tipo di documento di controllo da presentare per i diversi materiali impiegati nella costruzione di apparecchi in pressione sono fornite nelle linee guida, disponibili sul sito dell’Unione Europea:

Linea guida 7/5
È una linea guida generale che esplicita il riferimento alla norma europea armonizzata EN 10204.
Nelle note contiene una sorta di indice che elenca i riferimenti alle altre linee guida rilevanti della serie.

Linea guida 7/6
Definisce quali sono le parti pressurizzate principali. L'indicazione di usare, per queste parti, documenti di tipo 3.1 o 3.2 è data nella linea guida 7/5.

Linea guida 7/8
Fornisce indicazioni relative alla bulloneria (viti, tiranti, dadi).
Generalmente, la rottura di un bullone di una flangia provoca problemi di tenuta del fluido interno all'attrezzatura (e non il rilascio di tutta l'energia interna), perciò non sono considerati parti pressurizzate principali, bensì componenti per le giunzioni. Vista la linea guida 7/5, per essi è normalmente accettato un documento di tipo 2.2; ciononostante è meglio, se possibile, chiedere un documento di tipo 3.1.

Linea guida 7/10
Chiarisce i requisiti per i materiali d'apporto di saldatura. Specificando per essi la richiesta di un documento di tipo 2.2, li accomuna di fatto alla bulloneria, classificandoli come componenti per le giunzioni.

Linea guida 7/19
Chiarisce quali tipi di documento devono essere emessi per materiali o componenti (forgiati, stampati, saldati, ...) immessi sul mercato come tali e destinati a essere montati in un'attrezzatura.
È più utile se "letta al contrario": i tipi di documento definiti in EN 10204 sono validi essenzialmente per materiali o componenti (forgiati, stampati, saldati, ...) e il loro utilizzo in luogo di protocolli di accettazione (documenti in cui è registrato l'esito positivo di prove svolte durante fasi della costruzione, come FAT o SAT test) è scorretto (pratica a volte perseguita dai TÜV tedeschi).

Linea guida 7/23
Chiarisce quali requisiti devono avere le guarnizioni. Causando la loro rottura problemi di tenuta (e non il rilascio dell'energia accumulata), sono accomunate ai componenti per le giunzioni; pertanto è richiesto un certificato di tipo non specifico.

L’ultimo punto del paragrafo contiene indicazioni per i fabbricanti di materiali: in presenza di un sistema di gestione per la qualità certificato, i documenti rilasciati in accordo a EN 10204 dai fabbricanti sono ritenuti validi ai fini della direttiva. Per questo motivo, una buona modalità operativa per verificare la validità di un documento di controllo, è verificare se il fabbricante è in possesso di una certificazione di sistema ISO 9001 in corso di validità.

Raccomandazioni relative all’indicazione dei materiali
Vediamo, in ultimo, come devono essere definiti e ordinati i materiali al fine di vedersi consegnata merce e documentazione utilizzabile in costruzioni soggette alla direttiva PED.

Materiali europei
Supponiamo di dovere realizzare una tubazione:

PSmax = 10 barg
PSmin = -1 barg
TSmax = 200 °C
TSmin = -20 °C
Materiale: P235GH
Diametro: 168,3 mm
Spessore: 8 mm

Ordinando il materiale con queste informazioni, probabilmente otterremmo un materiale non adatto alle condizioni di utilizzo. Vediamo quali sono i problemi.

Innanzitutto, è d’obbligo indicare la norma di riferimento per il materiale. Nel caso particolare si tratta della EN 10216-2 Seamless steel tubes for pressure purposes – Technical delivery conditions – Part 2: Non-alloy and alloy steel tubes with specified elevated temperature properties.
Non è necessario citare l’intero titolo, ma l’indicazione EN 10216-2 P235GH non è comunque sufficiente: i materiali europei, molte volte, possono essere acquistati specificando numerose opzioni aggiuntive.
Di queste opzioni, scelte dal progettista, è necessario fornire una indicazione precisa.
Fortunatamente le norme europee includono esempi di indicazioni da fornire durante l’ordine.

Vediamo, nel nostro caso di studio, quali opzioni sarà necessario attivare.
L’elenco completo è sempre disponibile nei primi punti della norma. Per i materiali considerati nello standard citato, ad esempio, troviamo queste opzioni:

1) Cold finishing (see 7.3.2).
2) Restriction on copper and tin content (see Table 2).
3) Product analysis (see 8.2.2).
4) Impact testing (see Table 4).
5) Longitudinal impact testing at -10° C for non-alloy steel grades (see Table 4).
6) Tensile testing at elevated temperature (see 8.3.2).
7) Selection of leak-tightness test method (see 8.4.2.1).
8) Non-Destructive Testing for test category 2 tubes for detection of transverse imperfections (see
8.4.2.2).
9) Non-Destructive Testing for test category 2 tubes for detection of laminar imperfections (see 8.4.2.2).
10) Special ends preparation (see 8.6).
11) Set of dimensions other than D and T (see 8.7.1).
12) Exact lengths (see 8.7.3).
13) The type of inspection document other than the standard document (see 9.2.1).
14) Test pressure for hydrostatic leak-tightness test (see 11.8.1).
15) Wall thickness measurement away from the ends (see 11.9).
16) Non-Destructive Testing method (see 11.11.1).
17) Additional marking (see 12.2).
18) Protection (see 13).

Supponiamo che il tubo possa essere effettivamente posto in pressione a bassa temperatura, perciò avremo bisogno di verificarne la resilienza alla temperatura minima di progetto (cioè di provare i 27 J a -20 °C).
Se il codice di calcolo è EN 13480, è possibile riferirsi a tre metodi, descritti in EN 13480-2 – Allegato B, per la verifica dei requisiti di resilienza: senza entrare nel dettaglio, supponendo di avere utilizzato il secondo (applicabile ad alcune classi di materiali europei), visti gli spessore in gioco, risulta sufficiente provare i 27 J a una temperatura di 0 °C. Perciò sarà necessario attivare l’opzione 4), ma non l’opzione 5).

Per quanto detto relativamente alla documentazione a corredo, è necessario avere un documento di ispezione di tipo 3.1. Perciò sarà necessario attivare l’opzione 13, specificando il tipo.

Supponiamo di volerci cautelare chiedendo anche l’esecuzione di prove di trazione a caldo (attenzione! il fornitore dovrebbe comunque garantire i valori minimi tabulati nella norma), attivando così l’opzione 6, per cui va specificata anche la temperatura.

Infine, la norma chiede di specificare una classe di controlli cui il tubo è soggetto. Si tratta di decidere se applicare una classe standard (denominata TC1) o una classe che comprende anche controlli non distruttivi atti a verificare l’assenza di difetti di colata o laminazione (denominata TC2). Nel nostro caso, riteniamo sufficiente una classe TC1.

L’esatta indicazione del materiale deve, quindi, essere data come nell’esempio seguente:

12 m - Tube - 168,3 x 8 - EN 10216-2 - P235GH - TC1 - Options 4, 6: 200 °C, 13: 3.1

Quasi ogni norma europea contiene indicazioni ed esempi. Fanno eccezione le norme i cui materiali non hanno opzioni da specificare.

Materiali ASME
Supponiamo di avere scelto, per il nostro scambiatore dell’esempio precedente, anziché un materiale europeo, un materiale americano: ASME A333 gr. 6, con il medesimo diametro esterno, ma con spessore uguale a 10,97 mm (lo spessore immediatamente superiore a quello scelto nell’esempio europeo, disponibile nella schedula extra strong o XS).

Le specifiche materiali ASME sono molto più rigide di quelle europee e non prevedono opzioni selezionabili dal cliente, tuttavia dispongono di classi predefinite che ampliano la varietà disponibile (qualche volta sono chiamate classi, altre volte gradi, altre ancora tipi).

Iniziamo valutando i problemi già considerati nel caso europeo:
– la resilienza, nelle specifiche ASME, non è detto che farà riferimento ai 27 J previsti dalla direttiva PED, perciò sarà necessario verificare il requisito e incrociare il dato con le esigenze del progettista europeo. Nell’esempio, A333 gr. 6 viene fornito con una resilienza minima di 18 J a -45 °C: mentre la temperatura è sufficiente a coprire le esigenze, la resilienza garantita è troppo bassa. Fortunatamente questi acciai possono arrivare a resilienza molto alte, perciò sarà ragionevole chiedere al fornitore che sia rispettato il termine aggiuntivo 27 J a -45 °C. Il fornitore non garantirà il valore, ma sarà in grado di reperire un materiale il cui documento di accompagnamento riporterà l’esito di tre prove di resilienza con valore medio finale superiore a 27 J.
– le specifiche americane possono anche non prevedere documenti di accompagnamento, perciò sarà necessario specificare oltre al tipo di documento, anche la norma di riferimento. La maggior parte delle acciaiere fornisce automaticamente certificati di tipo EN 10204 – 3.1, spesso anche quando non esplicitamente richiesto.
– l’esecuzione di prove di trazione a caldo per materiali americani è sempre piuttosto problematica: le specifiche non le prevedono mai e, sebbene in ASME II siano presenti tabelle di riferimento da usare nei calcoli, non solo non è condotta la prova di trazione, ma i valori delle tabelle ASME II nemmeno sono garantiti. Perciò è meglio lasciare perdere, pena la necessità di commissionare all’acciaieria un materiale su specifica cliente, con notevole incremento di costi e tempi di consegna. In caso di stretta necessità, una alternativa valida è di fare effettuare le prove a caldo sul materiale acquistato, con il rischio che parte del materiale non risulti adatto e debba essere smaltito o ridestinato.

Sfortunatamente i materiali americani, impongono di fare attenzione a due ulteriori aspetti: le caratteristiche meccaniche e la composizione chimica.
La direttiva PED vincola (in pratica) esplicitamente all’utilizzo del sistema di norme di saldatura della serie EN 15607 ed EN 287-1. In queste norme (ma anche in EN 13480), vige il sistema di classificazione dei metalli definito in ISO 15608.
Nell’esempio europeo, il P245GH ricade nella classe 1.1, definita da alcune limitazioni sul carico di snervamento e sulla analisi chimica. L’A333 gr. 6 soddisfa pienamente le limitazioni sul carico di snervamento, ma non quelle sulla analisi chimica. La richiesta, in particolare, è che il contenuto in carbonio e silicio siano limitati: C ≤ 0,25% e Si ≤ 0,60%. Il materiale americano, invece, può contenere tenori di carbonio fino a 0,30% e di silicio fino a 0,60%, ricadendo così nella classe di materiali 11, il che comporta molte difficoltà e un impegno economico maggiorato per quanto riguarda la saldatura.
Per questo motivo è sempre necessario incrociare i dati della specifica del materiale con quanto prescritto dalle norme del sistema di saldatura e dirimere i problemi fornendo le opportune limitazioni in corso d’ordine.

Le specifiche ASME non regolano il modo di indicare opzioni aggiuntive. Perciò l’esempio seguente è semplicemente un consiglio:

12 m di tubo ASME A333 gr. 6, ASME B36.10 O.D. 168,3 schedula XS, con opzioni aggiuntive:
- C ≤ 0,25%, Si ≤ 0,60%
- impact test 27 J a -45 °C
- certificato EN 10204 - 3.1

Poiché i tubi in schedula americana sono molto diffusi, generalmente è sufficiente indicare tubo 168,3 x sch. XS in ASME 333 gr. 6 omettendo l’indicazione della specifica dimensionale.

Va infine ricordato che per materiali non europei, deve essere redatto un documento di Approvazione Particolare dei Materiali o PMA.
Questo documento riassume le azioni intraprese ai fini del soddisfacimento dei RES della direttiva relativi ai materiali, risultanti nelle note esplicitate in fase di ordine. Una PMA, fondamentalmente, elenca i problemi considerati nella scelta del materiale e indica come la questione è stata risolta, facendo eventualmente riferimento alle sezioni rilevanti dei documenti di ispezione del materiale ordinato.