Guangzhou Lvyuan Water Purification Equipment Co., Ltd. è un produttore di filtri industriali fondato nel 2009 che progetta e produce alloggiamenti per filtri in acciaio inossidabile, serbatoi per acqua sterile in acciaio inossidabile, elementi filtranti, sacchi filtranti, materiali ultrapolimerici e prodotti filtranti sinterizzati. Gli acquirenti scelgono Lvyuan per il supporto OEM/ODM, il controllo qualità ISO9001 e le certificazioni multinazionali.
Guangzhou Lvyuan Water Purification Equipment Co., Ltd.
Fattori di sicurezza degli alloggiamenti dei filtri per applicazioni a 10-15 bar
Un alloggiamento del filtro con una pressione nominale di “10 bar” o “16 bar” indicata in un preventivo fornisce all’acquirente pochissime informazioni sul margine effettivo di cui dispone il serbatoio. A 10–15 bar, il guscio dell’alloggiamento spesso non è la parte più debole. Il vero limite può essere determinato dalla chiusura, dalla guarnizione, dal raccordo, dal manometro o da un picco di pressione imprevisto. Il termine “fattore di sicurezza” assume inoltre significati diversi a seconda dei documenti: può indicare il margine di sicurezza del materiale, la differenza tra pressione di esercizio e pressione di progetto, oppure il moltiplicatore utilizzato nella prova di pressione in fabbrica.
Questa guida distingue tali significati e illustra in quali punti si verifica una perdita di margine in un alloggiamento per filtro in acciaio inossidabile. Spiega come vengono calcolate le pressioni di prova, quando si applicano le normative relative alle apparecchiature a pressione e cosa includere in una richiesta di offerta (RFQ), in modo che i team di approvvigionamento e di progettazione possano confrontare gli alloggiamenti a parità di condizioni.
Cosa significa “fattore di sicurezza” per un alloggiamento del filtro?
Non esiste un unico fattore di sicurezza per un alloggiamento del filtro. Gli acquirenti si imbattono in almeno quattro margini diversi, e un opuscolo che ne riporta solo uno può nascondere gli altri.
Termine
Cosa descrive
Chi lo stabilisce?
Cosa chiedere al fornitore
Pressione di esercizio
Pressione di esercizio normale nella linea
Progettista di processi o sistemi
Valori normali e massimi, compresa la pressione di spegnimento della pompa
Pressione di progetto (PS o MAWP)
Pressione per la quale l'alloggiamento è stato progettato e certificato, a una temperatura specificata
Produttore di alloggi, secondo un codice di progettazione
Quale codice, quale temperatura, quale margine di corrosione
Pressione di regolazione del dispositivo di sicurezza
Pressione alla quale scatta la protezione
Progettista di sistemi
Se la pressione di progetto dell’alloggiamento è superiore a tale valore
Pressione di prova
Pressione applicata a ciascun alloggiamento finito per verificarne la resistenza e la tenuta
Codice di progettazione o specifiche del committente
Fattore di prova, tempo di mantenimento, mezzo di prova, formato del rapporto
Pressione di scoppio
Pressione alla quale un campione cede
Prove di tipo, solitamente distruttive
A prescindere dal fatto che i dati relativi ai picchi provengano da un test reale o da una stima
Il margine di progettazione del materiale, ovvero la differenza tra la sollecitazione ammissibile prevista dalla normativa e la resistenza alla trazione o allo snervamento del metallo, è determinato dalla pressione di progetto e varia a seconda della normativa. Secondo una Guida alle prove idrauliche della Sezione VIII, Divisione 1 dell'ASME a cura di EPCLand, i recipienti ASME prodotti dopo il 1999 utilizzano un margine di sicurezza pari a 3,5 per la resistenza alla trazione, in calo rispetto al precedente valore di 4,0. Un “fattore di sicurezza 4:1” riportato in una scheda tecnica non può quindi essere confrontato direttamente tra codici di progettazione diversi. Chiedete a quale codice si riferisce tale valore.
Perché una pressione nominale più elevata non equivale a un margine maggiore
Si tende comunemente a ritenere che un alloggiamento da 16 bar sia automaticamente più sicuro di uno da 10 bar nelle stesse condizioni di esercizio. Ciò vale solo se la pressione nominale è determinata dallo stesso componente in entrambi i modelli e se il divario tra la pressione massima credibile e la pressione di progetto è quello che si pensa.
Si consideri un sistema esemplificativo, non un progetto reale. La pressione di esercizio normale è di 7 bar. La pressione di spegnimento della pompa è di 12 bar e la valvola di sicurezza si apre a 13 bar. Un alloggiamento con una pressione di progetto di 10 bar non presenta alcun margine in questo sistema, anche se 7 bar sembrano sufficienti. Un alloggiamento progettato per 15 o 16 bar presenta invece un margine reale. Il valore determinante è la pressione massima credibile, non quella normale.
Vale anche il contrario. Specificare 16 bar per una linea alimentata per gravità o a bassa pressione comporta un aumento dello spessore del corpo, del peso delle flange e dei costi, senza migliorare in alcun modo la sicurezza del processo. È necessario adeguare la pressione di progetto alla pressione massima che il sistema è in grado di produrre, quindi verificare che ogni componente sia omologato per tale valore. Leggere la pressione nominale dell’alloggiamento di un filtro senza tenere conto di tale contesto può portare a un acquisto errato in entrambi i casi.
A titolo di riferimento, laddove le pagine dei prodotti collegate da Lvyuan riportano un valore di pressione nominale, questo è pari o inferiore a 10 bar. Il alloggiamento sanitario a cartucce multiple è omologato per un massimo di 145 psi (10 bar) e 150 °C, mentre il carrello di filtrazione mobile descritto di seguito è omologato per 6 bar. Nessuna delle pagine dei prodotti collegate riporta una pressione nominale di 15 bar. Per un impiego al di sopra dei valori nominali indicati, richiedere una conferma di progettazione specifica per il progetto, anziché dare per scontato che il modello standard possa essere adattato.
Dove si trova il margine reale: controlli componente per componente
Un involucro è un involucro a pressione costituito da diverse parti. La sua pressione di esercizio di sicurezza è determinata dalla parte più debole tra queste alla temperatura di progetto.
Gusci, testate e saldature
Lo spessore delle pareti, la forma della testa e la qualità delle saldature determinano la capacità del corpo. Le superfici lucidate o elettrolucidate migliorano la facilità di pulizia, ma non aumentano la resistenza alla pressione. Un corpo sanitario lucidato a pareti sottili può essere perfettamente adatto a un impiego igienico, ma richiede comunque un calcolo della pressione e non può basarsi su supposizioni derivanti dal suo aspetto. Richiedete il calcolo progettuale o una relazione di progettazione basata sulle norme, oltre ai verbali di ispezione delle saldature.
Chiusure: dove si concentra il carico di pressione
Il carico di chiusura cresce con il quadrato del diametro di tenuta. A 15 bar (1,5 MPa), un diametro di tenuta di 300 mm sopporta una forza di separazione di circa 106 kN. A 10 bar, un diametro di 100 mm sopporta circa 7,9 kN. Gli alloggiamenti più grandi sottoposti a pressioni più elevate richiedono quindi una progettazione mirata della chiusura, non solo una parete più spessa.
I diversi tipi di chiusura si comportano in modo diverso:
Chiusure a fascetta adatti a progetti sanitari, come ad esempio il alloggiamento per filtro a cartuccia sanitario in acciaio inossidabile con raccordi a morsetto e chiusura a sgancio rapido. Verificare la portata del morsetto, le superfici di tenuta e il materiale della guarnizione in relazione alla pressione e alla temperatura in questione.
Morsetti a sgancio rapido con attacchi filettati sono comuni su unità compatte come la alloggiamento per filtro a cartuccia singola con raccordi filettati. Le porte filettate in un corpo in acciaio inossidabile richiedono valori di pressione nominale confermati e un metodo di tenuta adeguato al fluido.
Coperture con flangia imbullonata come quello presente sul alloggiamento per filtro a cartuccia sinterizzata con flangia Il carico viene distribuito su più bulloni e il sistema è adatto all’impiego con gas, vapore e liquidi, ma la tenuta dipende dalla coppia di serraggio dei bulloni e dalla scelta delle guarnizioni.
Le flange rappresentano spesso un elemento limitante. Secondo Spiegazione di Forgepoint Engineering sulle classi di flange ASME B16.5, un numero di classe come 150 è una designazione, non un valore nominale di pressione. La pressione ammissibile dipende dal gruppo di materiali, dalla temperatura e dalla normativa applicabile. Anche i gradi a basso tenore di carbonio contrassegnati con la lettera “L” presentano valori nominali inferiori rispetto agli standard 304 o 316. In un Tabella pressione-temperatura ASME B16.5 riprodotta da Unified Alloys, la Classe 150 a temperatura ambiente è pari a 275 psi (circa 19 bar) per i tipi 304 e 316, mentre è pari a 230 psi (circa 15,9 bar) per i tipi 304L e 316L. Si tratta di un valore appena superiore a una pressione di progetto di 15 bar prima del declassamento termico, e molti alloggiamenti per uso sanitario sono realizzati in 316L. A 10–15 bar, una flangia di Classe 150 o PN16 può lasciare poco margine di sicurezza una volta che la temperatura aumenta. Verificate i dati rispetto alla norma vigente e richiedete i valori di pressione-temperatura del materiale effettivo della flangia alla temperatura di progetto.
Anche i raccordi Tri-Clamp per uso sanitario richiedono la stessa attenzione. La pressione nominale dipende dalle dimensioni della ghiera, dal tipo di morsetto e dalla guarnizione, e in genere diminuisce all’aumentare del diametro. È necessario richiedere i dati relativi alla pressione nominale dell’intero raccordo, non solo del corpo del raccordo.
Manometri, sfiati e scarichi
Queste piccole porte fanno parte del circuito a pressione. Anche il campo di misura è importante. Secondo Sintesi di Tameson sulla scelta dei manometri secondo la norma EN 837-2, la pressione massima di esercizio non deve superare i 75% del fondo scala in caso di pressione costante, oppure i 65% in caso di pressione ciclica. Un manometro da 0–10 bar montato su un alloggiamento da 10 bar non rispetterebbe tali indicazioni. Un manometro da 0–16 bar rappresenta la combinazione più adeguata per un impiego a 10 bar.
Elementi interni
I valori nominali dell'alloggiamento non si riferiscono all'elemento filtrante. Le cartucce, i sacchi e i cestelli hanno ciascuno un limite di pressione differenziale distinto; un elemento ostruito aumenta la caduta di pressione mentre la pressione a monte rimane invariata. I valori nominali dell'alloggiamento e dell'elemento sono indipendenti, pertanto è necessario verificarli entrambi.
Come vengono calcolate le pressioni di prova?
La pressione di prova è un multiplo della pressione di progetto, stabilita dalla norma di progettazione. Sono comunemente utilizzati due punti di riferimento.
PED (Direttiva 2014/68/UE): L'allegato I specifica una pressione di prova idrostatica pari al maggiore dei due valori seguenti. Il primo è pari a 1,25 volte il carico massimo in servizio, tenendo conto della pressione e della temperatura massime ammissibili. Il secondo è pari alla pressione massima ammissibile moltiplicata per 1,43, come stabilito nella Testo della direttiva sulle attrezzature a pressione su EUR-Lex.
ASME Sezione VIII, Divisione 1: La prova idraulica standard prevista dalla norma UG-99 deve essere pari ad almeno 1,3 volte il MAWP, corretta in base al rapporto di sollecitazione più basso tra la temperatura di prova e quella di progetto, secondo la guida EPCLand citata sopra. Poiché la guida costituisce una fonte secondaria, è necessario verificare la clausola confrontandola con l’edizione attuale del codice.
La tabella sottostante riporta i valori aritmetici minimi per le pressioni di progetto tipiche. Si tratta di valori minimi calcolati, non di dati forniti dal produttore, e il valore PED può risultare più elevato a temperature di progetto elevate.
Pressione di progetto
Pavimento PED (1,43 × PS)
Limite ASME (1,3 × MAWP, prima del rapporto di sollecitazione)
10 bar
14,3 bar
13,0 bar
12 bar
17,2 bar
15,6 bar
15 bar
21,5 bar
19,5 bar
16 bar
22,9 bar
20,8 bar
Ne derivano due conseguenze pratiche. Innanzitutto, la pressione di prova di un alloggiamento da 15 bar è superiore al valore nominale di molti componenti comuni della linea; pertanto, l’alloggiamento deve essere sottoposto a prova in isolamento, con l’elemento rimosso e le aperture tappate. In secondo luogo, alcuni documenti dei fornitori riportano fattori di prova che non corrispondono ai valori previsti dalle norme; è quindi opportuno chiedere a quale norma si riferisca il fattore indicato. Una prova idrostatica deve essere effettuata con acqua, con successivo drenaggio e asciugatura. Per l’acciaio inossidabile, la guida EPCLand consiglia inoltre di verificare i livelli di cloruro nell’acqua di prova e di asciugare tempestivamente il serbatoio.
Un piccolo alloggiamento per liquidi deve recare il marchio CE PED?
Spesso no, ma la risposta dipende dal fluido, dal volume e dalla temperatura. Articolo 4 della direttiva 2014/68/UE stabilisce i valori limite; le apparecchiature che non li superano rientrano nelle “buone pratiche ingegneristiche” e non devono recare il marchio CE PED.
Per i recipienti contenenti liquidi a bassa pressione di vapore del Gruppo 2 (in linea di massima, fluidi non classificati come pericolosi), i requisiti completi della PED si applicano solo quando la pressione di servizio (PS) supera i 10 bar e il prodotto tra PS e volume supera i 10.000 bar·L. Un contenitore per acqua da 15 bar dovrebbe avere un volume superiore a circa 667 L per raggiungere tale soglia. I contenitori per cartucce e sacche sono di dimensioni molto inferiori.
In altri casi i limiti sono molto più bassi:
Gas e vapori del Gruppo 2: PS × V superiore a 50 bar·L, che a 15 bar corrisponde a circa 3,3 L.
Liquidi del gruppo 1 (pericolosi): PS × V superiore a 200 bar·L.
I liquidi la cui pressione di vapore alla temperatura massima supera di 0,5 bar quella atmosferica vengono considerati alla stregua dei gas; tra questi può rientrare l'acqua calda a temperature superiori a circa 110 °C.
Pertanto, un alloggiamento destinato a vapore, gas compresso o liquidi di processo caldi potrebbe richiedere una valutazione di conformità completa, mentre un alloggiamento per acqua fredda delle stesse dimensioni potrebbe non richiederla. La “buona pratica ingegneristica” non è una scappatoia. Significa che l’alloggiamento necessita comunque di una base di progettazione documentata, di una prova di pressione e di istruzioni per l’uso. Considerate la mancanza del marchio CE su un piccolo alloggiamento per liquidi come un fatto normale, mentre la mancanza dei calcoli di progettazione e del rapporto di prova come un problema.
Effetti di sovratensione, pulsazioni e temperatura
Tre fattori erodono il margine senza risultare evidenti nei dati relativi allo stato stazionario.
Picco di pressione. La chiusura rapida di una valvola o l’interruzione di una pompa generano un’onda di pressione. La relazione di Joukowsky stima l’onda di pressione come il prodotto tra la densità del fluido, la velocità dell’onda e la variazione di velocità. In un tubo d’acciaio riempito d’acqua, le velocità delle onde sono tipicamente dell’ordine di 1.000 m/s, pertanto una variazione improvvisa della velocità di 1 m/s può comportare un aumento di pressione dell’ordine di 10 bar. Si tratta di una stima indicativa; i picchi di pressione effettivi dipendono dal tempo di chiusura, dalla rigidità del tubo e dalla lunghezza della linea. In presenza di valvole a chiusura rapida o di avviamenti della pompa, specificare il picco di pressione o le misure di controllo dello stesso.
Sistemi azionati da pompa. I modelli a slitta e a carrello integrano gli alloggiamenti con pompe, valvole e strumenti, per cui il componente con la portata nominale più bassa determina il limite del sistema. Il carrello mobile per la filtrazione in acciaio inossidabile è specificato a 87 psi (6 bar) e 80 °C al massimo, quindi la portata nominale di un carrello può essere inferiore a quella dei singoli alloggiamenti montati su di esso. Richiedete la portata nominale a livello di sistema.
Detriti e incrostazioni. I filtri a monte proteggono l'alloggiamento, la pompa e le guarnizioni dalle particelle. A filtro a cestello in acciaio inox specificato a 150 psi (10 bar), oppure un filtro a cestello industriale con coperchio ad accesso rapido indicato fino a 10 bar, garantisce la prefiltrazione grossolana, ma introduce un’ulteriore componente di limite di pressione che richiede una propria classificazione alla temperatura di progetto.
Temperatura e cicli. La sollecitazione ammissibile e i valori nominali delle flange diminuiscono all’aumentare della temperatura, mentre le guarnizioni in elastomero si ammorbidiscono o si gonfiano. Le linee sanitarie con cicli di pulizia a caldo o di sterilizzazione comportano cicli termici e, in presenza di pulsazioni, carichi di fatica. Indicare nell’Richiesta di Offerta l’intero intervallo di temperatura e lo schema di ciclo previsto.
Compromessi: quali sono i costi aggiuntivi del margine
Una pressione di progetto più elevata comporta un aumento dei costi a causa dello spessore maggiore del materiale, delle flange più pesanti, dei dispositivi di chiusura più grandi, di una pressione di prova più elevata e, a seconda della normativa, di un numero maggiore di ispezioni. Inoltre, aumenta il peso dell’alloggiamento e dei relativi supporti. È preferibile prevedere un margine di sicurezza per rischi specifici, quali l’arresto della pompa, i picchi di pressione o la riduzione della potenza in condizioni di esercizio ad alta temperatura, anziché aggiungere una classe di pressione generica.
Opzione
Vantaggio
Limitazione
La soluzione più adatta
Pressione di progetto corrispondente alla pressione massima credibile più un margine definito
Costo minimo per un margine giustificato
Richiede dati di sistema precisi
Sistemi ben caratterizzati dotati di protezione contro il rilievo
Classe di pressione standard successiva (ad esempio 16 bar)
Facili da specificare; classi di flange standard
Più pesante e più costoso; potrebbe non risolvere il problema del componente più debole
Profili di pressione variabili o poco noti
Progettazione personalizzata oltre la gamma standard
Adatto a compiti insoliti
Tempi di consegna più lunghi; richiede la verifica del progetto e il collaudo
Pressione superiore ai valori nominali standard del prodotto
Quali documenti dovrebbe richiedere un acquirente?
Per gli alloggiamenti da 10–15 bar, richiedere i seguenti articoli prima di effettuare l'ordine:
Codice di progettazione e sintesi dei calcoli di progettazione, comprese la pressione e la temperatura di progetto.
Certificati di collaudo dei materiali per i componenti a pressione e registri delle saldature.
Rapporto di prova idrostatica con indicazione della pressione di prova, del tempo di mantenimento, del fluido utilizzato e dei dettagli relativi al manometro tarato.
Valori nominali di pressione e temperatura per flange, morsetti, attacchi e guarnizioni.
Materiale delle guarnizioni e della tenuta e sua compatibilità con il fluido e i prodotti chimici utilizzati per la pulizia.
Documentazione relativa alle prove di scoppio o alle prove di tipo, qualora il fornitore dichiari una resistenza allo scoppio.
Cosa dovrebbero specificare gli acquirenti prima di richiedere un preventivo?
Una richiesta di preventivo accurata consente al fornitore di definire le dimensioni del progetto e di proporre un piano di collaudo realistico. Includere:
Fluido e gruppo: Nome, concentrazione e se si tratta di una sostanza pericolosa, di un gas, di vapore o di un liquido prossimo al proprio punto di ebollizione.
Pressioni: Condizioni di funzionamento normale, condizioni di funzionamento massimo, arresto della pompa, pressione di regolazione della valvola di sicurezza ed eventuali picchi di pressione noti.
Temperatura: Valori minimi e massimi, oltre a eventuali cicli CIP o SIP.
Codice di progettazione e mercato: La normativa richiesta (ad esempio ASME, progettazione conforme alla PED o altra normativa nazionale) e il paese di destinazione.
Requisiti di prova: Fattore di prova, tempo di mantenimento, se si desidera assistere alla prova e il formato del rapporto.
Collegamenti: Standard e classe della flangia, dimensione del Tri-Clamp o tipo di filettatura.
Formato a cartuccia o a sacchetto: Tipo di elemento, lunghezza, grado di filtrazione in micron e limite di pressione differenziale.
Durata di vita: Con quale frequenza viene aperta la camera di contenimento e se la pressione è costante o pulsante.
Documentazione: Certificati dei materiali, registri delle saldature, rapporto sulla finitura superficiale.
Se in un preventivo sono indicati solo “10 bar” o “16 bar”, chiedete quale componente fa da riferimento e a quale temperatura si applica tale valore.
Domande frequenti
Quale fattore di sicurezza dovrebbe avere un alloggiamento del filtro a una pressione compresa tra 10 e 15 bar?
Non esiste un valore unico applicabile. Le norme prevedono un margine di sicurezza nella progettazione dei materiali, a cui si aggiunge una prova idrostatica, in genere pari a 1,3-1,43 volte la pressione di progetto. Gli acquirenti dovrebbero fissare la pressione di progetto al di sopra della pressione massima credibile dell’impianto, tenendo conto delle impostazioni di spegnimento della pompa e di scarico di sicurezza, e richiedere una prova conforme alle norme.
È necessario un alloggiamento da 16 bar per una pressione di esercizio di 10 bar?
Non necessariamente. Se la pressione di spegnimento della pompa, la pressione di scarico o i picchi di pressione possono superare i 10 bar, è giustificato un modello progettato per 16 bar. Se la pressione massima prevedibile è pari o inferiore a 10 bar, può essere sufficiente un alloggiamento con una pressione nominale adeguata di 10 bar. Verificare i componenti più deboli, non solo l’involucro.
Qual è la pressione di prova idrostatica applicabile a un alloggiamento da 15 bar?
Secondo la norma PED, la pressione di prova deve essere pari ad almeno 1,43 volte la PS, ovvero 21,5 bar a 15 bar. Secondo la norma ASME VIII-1, la prova standard deve essere pari ad almeno 1,3 volte la MAWP, ovvero 19,5 bar prima della correzione del rapporto di sollecitazione. Verificare sempre la norma di riferimento.
Un corpo filtro in acciaio inossidabile da 10 bar deve recare il marchio CE PED?
Spesso non sono adatti per piccoli contenitori di liquidi, poiché i recipienti per liquidi del Gruppo 2 rientrano nelle categorie PED solo al di sopra di 10 bar e 10.000 bar·L. Il gas, il vapore, i fluidi pericolosi e i liquidi caldi presentano soglie molto più basse. Verificare il gruppo di appartenenza del fluido e il volume con il fornitore.
È necessario disporre dei dati relativi alla prova di scoppio per un alloggiamento del filtro?
Non è destinato alla produzione di serie. Una prova di scoppio è distruttiva e viene solitamente eseguita su modelli o prototipi. Ogni alloggiamento di serie dovrebbe invece superare una prova idrostatica non distruttiva. Verificate se il valore di scoppio indicato deriva da un vero e proprio rapporto di prova o da un calcolo.
La temperatura riduce la pressione nominale di un alloggiamento del filtro?
Sì. La sollecitazione ammissibile nel metallo, i valori nominali di pressione e temperatura delle flange e la capacità di tenuta diminuiscono tutti all’aumentare della temperatura. Un valore come “10 bar” ha senso solo se accompagnato dall’indicazione della temperatura, pertanto è necessario specificare sempre la temperatura di progetto nella richiesta di offerta.
