L’imperativo della progettazione sismica
Un impianto idrometallurgico in una regione sismicamente attiva-Zona sismica 4 per UBC o ASCE 7-installa scambiatori di calore in PTFE nei serbatoi di lisciviazione. Gli scambiatori di calore devono rimanere strutturalmente intatti durante e dopo un terremoto-di base. Un cedimento del telaio di supporto che fa cadere una serpentina riscaldata a vapore in un serbatoio di soluzione corrosiva mentre l’impianto sta rispondendo ai danni del terremoto crea un rischio aggravato.
I telai di supporto standard per scambiatori di calore in PTFE sono progettati per carichi statici-peso proprio-, espansione termica e normali forze di agitazione. La progettazione sismica aggiunge carichi dinamici orizzontali e verticali che possono superare i carichi statici di un fattore 3-5. Il telaio di supporto deve resistere a questi carichi mantenendo una flessibilità sufficiente per accogliere l'elevata dilatazione termica dei tubi in PTFE senza vincolarli eccessivamente.
La progettazione sismica del telaio di supporto è governata dagli stessi principi di qualsiasi componente non-strutturale in un'applicazione sismica: il telaio deve trasferire i carichi inerziali dalla massa dello scambiatore alla struttura dell'edificio attraverso un percorso di carico definito e deve farlo senza cedimenti fragili o perdita del limite di pressione dello scambiatore.
Il calcolo del carico sismico
La forza di progetto sismica sullo scambiatore di calore è calcolata in base alla normativa edilizia applicabile (ASCE 7, Eurocodice 8 o equivalente). La forza sismica orizzontale Fp è:
Fp=(0,4 × ap × SDS × Wp) / (Rp / Ip)
Dove ap è il fattore di amplificazione del componente (tipicamente 2,5 per i componenti rigidi), SDS è l'accelerazione spettrale di progetto a brevi periodi, Wp è il peso operativo del componente, Rp è il fattore di modifica della risposta del componente e Ip è il fattore di importanza.
Per uno scambiatore di calore in PTFE del peso di 50 kg (in funzione, compresi vapore e condensa contenuti) in una zona ad alta-sismica con SDS=1.5g, ap=2.5, Rp=2.5, Ip=1.5, la forza sismica di progetto è di circa 1,5 × Wp=75 kg di forza orizzontale equivalente. Questa forza viene applicata al centro di massa dello scambiatore, creando momenti ribaltanti e forze di taglio in corrispondenza dei collegamenti di supporto.
| Parametro di progettazione sismica | Valore per l'esempio di progettazione | Sorgente/Calcolo |
|---|---|---|
| Peso operativo del componente (Wp) | 50 kg (490 N) | Scambiatore di calore + tubi-riempiti d'acqua |
| Accelerazione spettrale di breve-periodo (SDS) | 1.5g | Analisi della pericolosità sismica specifica del sito- |
| Fattore di amplificazione del componente (ap) | 2.5 | ASCE 7 Tabella 13.6-1 (componente rigido) |
| Fattore di modifica della risposta del componente (Rp) | 2.5 | ASCE 7 Tabella 13.6-1 (telaio in acciaio saldato) |
| Fattore di importanza (Ip) | 1.5 | Struttura essenziale (contiene sostanze chimiche pericolose) |
| Forza sismica orizzontale di progetto (Fp) | 735 N (75 kg equivalenti) | Formula Fp secondo ASCE 7 Sezione 13.3 |
| Progettazione della forza sismica verticale | ±0,2 × SDS × Wp=±147 N | ASCE 7 Sezione 13.3 |
| Numero di punti di ancoraggio del telaio di supporto | 4 (minimo) | Distribuisce il carico sismico alla struttura del serbatoio |
| Tipo di ancoraggio | Passante-imbullonato con dadi di bloccaggio; nessun ancoraggio di espansione | Ancoraggi ad espansione inaffidabili sotto carico sismico ciclico |
| Materiale di ancoraggio | Acciaio inossidabile 316 con manicotti isolanti in PTFE | Resistenza alla corrosione; isolamento galvanico dal telaio in PTFE |
Il bilancio di flessibilità-della resistenza sismica
I tubi in PTFE si espandono di circa 12-15 mm per metro di lunghezza quando riscaldati dalla temperatura ambiente a una temperatura operativa di 140 gradi. Il telaio di supporto deve consentire questa espansione liberamente in direzione longitudinale per evitare deformazioni del tubo. Ciò richiede connessioni scorrevoli o elementi flessibili nel telaio che assecondano il movimento termico.
La progettazione sismica in genere preferisce connessioni rigide che trasferiscono direttamente i carichi. Una connessione rigida che impedisce l'espansione termica risolve il percorso del carico sismico ma crea un problema di stress termico. Una connessione scorrevole che asseconda la dilatazione termica lascia lo scambiatore libero da vincoli sotto carichi sismici.
La soluzione è un sistema di ritenuta multi-direzionale. Il telaio di supporto è ancorato ad un'estremità (il punto fisso) con collegamenti rigidi che trasferiscono i carichi sismici in tutte le direzioni. L'estremità opposta (il punto scorrevole) utilizza connessioni asolate che consentono l'espansione termica longitudinale fornendo allo stesso tempo un contenimento trasversale e verticale per i carichi sismici. La connessione scorrevole incorpora un cuscinetto in PTFE a basso-attrito che consente un movimento termico regolare mentre i fori asolati dei bulloni si innestano durante lo spostamento sismico, fornendo un contenimento laterale dopo che è stato recuperato un piccolo spazio iniziale.
L'incasso dell'ancora nella struttura del serbatoio
Gli ancoraggi del telaio di supporto devono trasferire i carichi sismici nella struttura del serbatoio senza estrarre o fratturare il materiale del serbatoio. Per i serbatoi in acciaio, le connessioni tramite-bullonate con piastre di supporto distribuiscono il carico dell'ancoraggio su un'area più ampia. Per i serbatoi in cemento, vengono utilizzati bulloni di ancoraggio gettati sul posto o ancoraggi epossidici post-installati (qualificati per il servizio sismico secondo ACI 355.2).
La progettazione dell'ancoraggio prevede un fattore di sicurezza pari a 4 sulla capacità di estrazione massima per tenere conto del degrado ciclico della capacità dell'ancoraggio sotto carichi sismici ripetuti. La distanza dal bordo dell'ancoraggio e la spaziatura soddisfano i requisiti minimi previsti dalla normativa per prevenire la rottura del calcestruzzo.
Riepilogo
I telai di supporto degli scambiatori di calore in PTFE nelle zone sismiche sono progettati per forze sismiche orizzontali pari a 3-5 volte il peso proprio statico-, utilizzando un sistema di vincolo multi-direzionale che fornisce un percorso di carico rigido a un'estremità e una connessione scorrevole che accoglie l'espansione termica all'altra. L'ancoraggio nella struttura del serbatoio avviene tramite-connessioni bullonate o post-installate qualificate sismicamente con un fattore di sicurezza pari a 4 sulla capacità massima.
La progettazione sismica garantisce che lo scambiatore rimanga strutturalmente intatto e che il limite della pressione del vapore venga mantenuto durante e dopo un terremoto-di base, prevenendo un ulteriore rilascio di materiale pericoloso durante un evento già critico.
Il supporto tecnico per la progettazione del telaio di supporto dello scambiatore di calore in PTFE sismico è disponibile previa presentazione dei parametri sismici specifici del sito-, dei dettagli costruttivi del serbatoio, delle dimensioni e del peso dello scambiatore e dell'edizione del codice edilizio applicabile.
