trasporto idrocarburi e stoccaggio gas

Transcription

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TRASPORTO IDROCARBURI
E STOCCAGGIO GAS
7.1
Trasporto in condotta
7.1.1 Generalità sul trasporto
di idrocarburi
Introduzione
A partire dalla seconda metà del 20° secolo il livello di sviluppo della società è correlato e condizionato
dalla disponibilità di energia, per la quale viene richiesta una distribuzione capillare soprattutto nelle aree ad
alta densità di popolazione del mondo occidentale. In
questo contesto gli idrocarburi liquidi e il gas naturale
giocano un ruolo preminente, e il loro trasporto dalle
aree di produzione verso il mercato è un fattore di rilevanza strategica, cui vengono talvolta attribuite responsabilità di instabilità politica nelle regioni attraversate
(Rifkin, 2002).
La necessità di trasportare gli idrocarburi su lunghe
distanze viene solitamente affrontata proponendo due
soluzioni: il trasporto mediante cisterna, via terra (su
strada e su ferrovia) e via mare (su nave); il trasporto
mediante condotta attraverso il territorio, lungo le direttrici del mercato ‘disponibilità-domanda’. La scelta tra
le due tecnologie di trasporto dipende dal costo di investimento e di esercizio e dalla sicurezza dell’approvvigionamento di energia nel tempo, sia in termini tecnici
(con particolare riguardo all’affidabilità della infrastruttura), sia in termini strategici, in relazione alle crisi
politiche verificatesi all’inizio del terzo millennio nelle
regioni della Terra più ricche di idrocarburi (Medio Oriente, Russia e altri paesi ex sovietici). La soluzione cisterna si presenta flessibile, con costi di investimento contenuti, in particolare grazie alla disponibilità di infrastrutture quali strade e ferrovie sufficientemente adeguate,
cui fanno comunque riscontro costi di esercizio molto
elevati (Kennedy, 1984). La flessibilità, in particolare la
libertà di scelta dei mercati cui accedere per l’approvvigionamento degli idrocarburi, e un certo grado di libertà
nella locazione dei terminali di ricevimento e stoccaggio del prodotto sono certamente aspetti rilevanti nella
VOLUME I / ESPLORAZIONE, PRODUZIONE E TRASPORTO
scelta, cui però possono contrapporsi problemi di sicurezza e di impatto ambientale che talvolta presentano
aspetti molto critici. La soluzione cisterna è spesso adottata per trasportare su distanze terrestri medio-brevi gli
idrocarburi liquidi e, sempre più estensivamente in questi ultimi anni, sulle lunghe distanze oceaniche il gas
naturale liquefatto mediante processi termofisici. La
soluzione cisterna è necessariamente adottata per trasporti terrestri su lunga distanza di prodotti liquidi, tra
le regioni continentali remote e l’utenza costiera, predisponendo le infrastrutture dedicate per trasporto su ruota
e rotaia. La soluzione condotta è certamente un’opzione rigida rispetto alla precedente e richiede un investimento iniziale molto elevato, a fronte di costi di esercizio non particolarmente onerosi. In ragione della staticità della infrastruttura di trasporto, un fattore decisivo
nella scelta della opzione condotta è rappresentato dalla
stabilità politica dell’area attraversata. Infatti, se pur interrata o sottomarina (in misura minore), una condotta risulta sempre vulnerabile, essendo fissa, riconoscibile ed
estesa in lunghezza, il che rende inapplicabile una protezione attiva efficace attraverso territori ostili.
L’attenzione corrente della tecnologia è rivolta soprattutto al trasporto di idrocarburi su lunga distanza, in quanto le nuove risorse risultano quasi sempre lontane dai
mercati, per esempio, in zone artiche e subartiche o nelle
aree più interne dei continenti. Il trasporto su lunga distanza diventa un aspetto cruciale della stessa strategia esplorativa delle compagnie petrolifere operanti su scala internazionale, in relazione alla fattibilità tecnica e alla competitività economica della soluzione di trasporto a
disposizione. Una menzione particolare merita lo sfruttamento del gas naturale, argomento molto discusso nei
vari contesti internazionali dell’energia in questo inizio
di 21° secolo, in quanto c’è consenso nel ritenere che
la politica energetica degli Stati si stia spostando dall’impiego dell’olio combustibile verso un uso sempre
più massivo del gas naturale, per coprire la domanda
771
TRASPORTO IDROCARBURI E STOCCAGGIO GAS
crescente di energia e la contemporanea riduzione delle
scorte liquide, anche in relazione a un impatto sull’ambiente derivante dalla combustione del gas naturale, ritenuto sostenibile.
L’industria per la ricerca e l’estrazione degli idrocarburi ha sempre ritenuto non competitivo il trasporto su
lunga distanza del gas naturale, a causa dell’elevato costo
di trasporto dell’unità di massa (e quindi di energia) rispetto agli idrocarburi liquidi, che a parità di volume sono
decisamente a più alto contenuto calorifico. Ciò ha portato a limitare l’attività di esplorazione per la ricerca dei
giacimenti di gas naturale, sulla cui disponibilità le cifre
attualmente presentate dall’industria del petrolio risultano di conseguenza approssimate per difetto. La crisi energetica e le tensioni internazionali nei mercati tradizionali della fine del 20° secolo hanno però portato a rivedere la posizione delle compagnie petrolifere. Il trasporto
del gas, in particolare di grandi quantità (per esempio,
10-20 miliardi di metri cubi all’anno) su lunga distanza,
attraverso una condotta ottimizzata nei costi e affidabile
nel tempo, sta diventando argomento centrale nei piani
di sviluppo di trasporto del gas da regioni remote, quali
le regioni artiche e le regioni più interne del continente
eurasiatico. La fig. 1 mostra le opzioni ottimali per portare il gas naturale sul mercato, in funzione di distanza e
volume. È uno schema condiviso da molte compagnie
petrolifere, che proviene da studi approfonditi svolti in
vari contesti (energia, finanza, politica) per individuare
le tecnologie più opportune per lo sfruttamento di giacimenti di gas presenti in regioni remote.
Esiste quindi una contrapposizione attiva tra la flessibilità del sistema di trasporto mediante cisterna, basato su impianti di liquefazione e rigasificazione costieri,
e la economicità del trasporto del gas naturale su lunga
distanza mediante condotta. Il trasporto in condotta impiega non più del 10% dell’energia contenuta nel gas trasportato, rispetto al 30% impiegato nella opzione gas
volume gas (109 Sm3/anno)
25
gasdotti
20
GNL
15
10
liquidi da gas
syndiesel, dimetiletere, metanolo
corrente elettrica
alternata e continua
5
0
0
1.000
2.000
3.000
4.000
distanza (km)
fig. 1. Le opzioni dell’industria per il trasporto
del gas al mercato, in funzione di distanza
e volume.
772
5.000
6.000
liquefatto. Un’analisi comparativa dei costi evidenzia
inoltre che per le condotte su lunga distanza il costo attualizzato del trasporto nel 2000 varia tra 1,4 e 1,8 dollari
USA per unità di energia trasportata (1 milione di BTU),
mentre il costo del trasporto di gas naturale liquefatto è
dell’ordine di 2,5-2,7 dollari USA a parità di energia trasportata.
Brevi cenni storici
Il trasporto di idrocarburi in condotta non è particolarmente conosciuto dall’opinione pubblica, in quanto
le condotte sono in genere interrate o sottomarine e non
interferiscono, o almeno non dovrebbero interferire, con
le attività umane. Esso viene alla ribalta esclusivamente quando un’interferenza accidentale provoca danni al
patrimonio o alla salute pubblici. Per chi opera nell’industria degli idrocarburi, le condotte risultano un investimento da gestire con grande cura, in quanto sono elementi portanti della politica energetica di uno Stato, sia
quando sono direttrici principali dell’importazione dai
mercati esteri, sia quando contribuiscono alla distribuzione capillare del prodotto finito sul territorio.
L’impiego della condotta per il trasporto di fluidi ha
una lunga storia. In Mesopotamia e in Egitto, 5.000 anni
prima di Cristo, condotte in argilla venivano impiegate
per scopi di irrigazione e drenaggio. In Cina, nel 5° secolo a.C., condotte di bambù fasciate da tele impregnate di
cera venivano impiegate per trasportare il gas naturale
verso la capitale dell’impero, Pechino, a scopo di illuminazione. I Romani, durante la fase aurea dell’impero,
impegnati a realizzare grandi infrastrutture quali gli
acquedotti, impiegavano condotte in piombo nei raccordi più importanti della rete. Fino al 18° secolo, in particolare nell’architettura e nell’urbanistica dell’età rinascimentale, si possono riscontrare molti esempi di impiego di condotte per collegamenti idraulici tecnicamente
interessanti, sia per il trasporto dell’acqua sia per il trasporto di idrocarburi impiegati nell’illuminazione pubblica, ma con tecnologie che non si discostavano molto
da quelle impiegate dai Romani. Un contributo significativo è rappresentato, nel 18° secolo, dall’introduzione di tubi e componenti in ferro fuso, per acquedotti e
scarichi, talvolta per il trasporto del gas per l’illuminazione. Nel 1879, a seguito della scoperta di un giacimento di petrolio in Pennsylvania, fu realizzata una prima
condotta, con un diametro di 15 cm, per il trasporto del
petrolio attraverso lo Stato su una distanza di circa 180
km. Nella stessa area, nove anni più tardi fu realizzata
un’altra linea, di 20 cm di diametro, per il trasporto del
gas naturale dalla Pennsylvania allo Stato di New York,
di circa 120 km di lunghezza. Erano gli inizi di una
industria che, a cavallo tra il 19° e il 20° secolo, adottava le soluzioni più innovative principalmente negli
Stati Uniti, in Venezuela e nell’area a ovest del Mar
Caspio. In quegli anni l’industria meccanica pesante
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
TRASPORTO IN CONDOTTA
cominciava a produrre tubi in acciaio ad alta resistenza,
che al tempo prevedevano giunzioni filettate, complesse e poco efficienti per condotte adibite al trasporto di
idrocarburi su lunga distanza. L’introduzione della saldatura ad arco sommerso, all’incirca nel 1920, ha cambiato sostanzialmente lo scenario ed è iniziata da allora
la realizzazione di condotte di grande diametro, che
potremmo definire moderne.
La maggior parte delle condotte oggi in esercizio è
stata realizzata a partire dalla Seconda Guerra Mondiale, in molte circostanze per rispondere a esigenze molto
particolari di uno Stato. Così è avvenuto, per esempio,
negli Stati Uniti dove, durante la Seconda Guerra Mondiale, tra il 1942 e il 1943, vennero realizzati il Big Inch
e il Little Big Inch per il trasporto dell’olio combustibile dal Texas ai porti sulla costa nord-orientale, allo scopo
di evitare il pericolo di attacchi alle navi cisterna costiere da parte dei sottomarini tedeschi. L’embargo del petrolio arabo del 1974, a seguito della crisi medio-orientale
provocata dalla Guerra del Kippur, ha accelerato la realizzazione della condotta per trasportare olio combustibile dai ricchi giacimenti di Prudhoe Bay, nella parte settentrionale dell’Alaska bagnata dal Mare di Beaufort,
fino al terminale di Valdez, nella estremità meridionale
dell’Alaska sull’Oceano Pacifico, dove le navi cisterna
potevano avere accesso anche nella stagione invernale
(Williams, 1999). Attualmente, data l’instabilità politica nel Medio Oriente, le compagnie petrolifere si stanno muovendo verso lo sfruttamento dei giacimenti di gas
(in mare) dell’Artico Canadese, con trasporto verso gli
Stati Uniti mediante condotte che attraversano aree difficili e particolarmente sensibili da un punto di vista
ambientale (Cope, 2004).
Mentre nel primo caso ci si trova di fronte a una semplice accelerazione dello sviluppo di una infrastruttura
comunque pianificata, nel secondo e nel terzo caso si
tratta di una sfida per la tecnologia del tempo. Nel caso
del cosiddetto ‘oleodotto trans-alaskano’, per la prima
volta tecnologia e ingegneria sono state impiegate intensivamente nella realizzazione di una condotta, con la
finalità di superare le difficoltà previste dal progetto,
quali permafost, aree montuose e vulcaniche, alto rischio
sismico, ambiente molto vulnerabile, ecc. Il risultato è
stato certamente soddisfacente (30 anni circa di esercizio lo confermano), al di là dei costi più elevati richiesti dalla realizzazione di una simile infrastruttura. Si ritiene che da questo progetto sia partita la sfida delle condotte sottomarine attraverso i fondali profondi, come
risulta evidente dalla iniziativa tecnologica intrapresa
negli anni Settanta in questo settore dell’industria petrolifera (sfociata nella realizzazione di tre condotte nel
Mediterraneo che toccano la profondità, allora ritenuta
abissale per le condotte sottomarine, di circa 600 m).
Lo sviluppo della rete di condotte in Europa (Russia
compresa) è stato molto più graduale di quanto non sia
stato negli Stati Uniti, e non necessariamente vincolato
a vicende politiche importanti. Come caso particolare va
menzionata l’Italia, che negli anni Settanta si è mossa,
per prima nel mondo occidentale, verso una politica energetica basata sul gas metano, con la realizzazione delle
prime dorsali di trasporto del gas attraverso i fondali
profondi del Mediterraneo (canale di Sicilia e stretto di
Messina).
Quando si parla di condotte sottomarine, solitamente ci si riferisce a:
• linee dedicate al trasporto del prodotto (in genere
multifase od olio), da una piattaforma a un terminale marino per il trattamento per successiva esportazione, ovvero da una piattaforma a un terminale a
terra (olio e gas, talvolta multifase); le lunghezze
sono inferiori a 100 km, per diametri che vanno da
12'' a 18'' (30,5-45,7 cm ca.);
• linee dedicate all’attraversamento di grandi bacini
marittimi, quali il Mediterraneo e il Mare del Nord,
tra una sponda e l’altra (per esempio, tra l’Africa settentrionale e la Sicilia, tra la Norvegia e il resto dell’Europa settentrionale); sono lunghe linee per il trasporto del gas, su distanze tra 100 e 1.000 km, per
grandi diametri, tra 20'' e 44'' (50,8-112 cm ca.).
Esistono anche condotte sottomarine che mettono in
comunicazione le diverse aree in cui è suddivisa la produzione di un giacimento di grande estensione, trasportano olio e/o gas (talvolta un prodotto multifase), sono
di piccolo diametro, tra 4'' (10,2 cm ca.) e 16'' (40,6 cm
ca.), e di lunghezza inferiore a 10 km.
Le più antiche condotte sottomarine sono state per
gli scarichi a mare, i primi realizzati nel 19° secolo. I
primi impieghi nell’industria degli idrocarburi sono stati
brevi linee di carico-scarico, che venivano costruite a
terra e quindi trainate in galleggiamento e posizionate
sul fondale del mare con l’ausilio di mezzi navali ed equipaggiamenti non particolarmente sofisticati. Questa è
una tecnologia ancora oggi impiegata per tali scopi, arricchita ovviamente da equipaggiamenti più dedicati e potenti. L’industria per lo sfruttamento delle risorse sottomarine è comunque relativamente recente. Le prime condotte sottomarine sono state installate nell’immediato
dopoguerra, nel Golfo di Maracaibo (Venezuela) e nel
Mar Caspio. Erano brevi, di piccolo diametro e poste in
acque relativamente basse. L’esigenza di muoversi su
distanze più lunghe e fondali più profondi venne immediatamente dopo. A tale proposito è rilevante quanto realizzato durante la Seconda Guerra Mondiale, in concomitanza con lo sbarco in Normandia delle truppe angloamericane. I militari chiesero a una compagnia petrolifera
britannica, che successivamente sarebbe diventata la British Petroleum, di installare una condotta tra la Gran Bretagna e la Francia attraverso il Canale della Manica. Nello
studio del progetto denominato PLUTO (Pipe Line Under
The Ocean) furono individuati due tipi di condotta, uno
773
simile a un cavo sottomarino con un tubo in piombo,
rinforzato esternamente da strati di fili in acciaio immersi in una matrice resinosa, l’altro costituito da una normale tubatura in acciaio, con saldature di testa e senza
protezione anticorrosiva (Searle, 1995). La scelta cadde
sul primo tipo: le prove furono eseguite rapidamente nel
giro di qualche settimana e il tubo di piombo rinforzato
venne realizzato a terra e arrotolato su rocchetti galleggianti, che furono trainati da alcuni rimorchiatori da cui
si operava per srotolarlo e appoggiarlo sul fondale. La
condotta collegava l’isola inglese di Wight con la penisola Cotentin in Francia. L’operazione di varo durò in
totale solo 10 ore (una prestazione eccellente anche per
i tempi correnti), e ancora oggi si discute sulla efficacia
che ha avuto la soluzione PLUTO nel trasporto mediante navi cisterna, nei porti che immediatamente dopo lo
sbarco erano stati riportati, dal genio militare degli alleati, alla funzionalità.
Quando oggi si parla di trasporto di idrocarburi in
condotte sottomarine in acque profonde e su lunghe
distanze, solitamente si fa riferimento al gas, che viene
trasportato ad alta pressione, sempre maggiore di 10
MPa, per garantire portate significative, con diametri
non particolarmente grandi e quindi non difficili da installare con l’equipaggiamento a disposizione (Bruschi,
2002). Il trasporto dell’olio, se pur trattato per evitare
problemi di corrosione, su lunghe distanze sottomarine
è limitato dagli aspetti di pompaggio, che impongono la
presenza di stazioni intermedie, e quindi costi che rendono tale trasporto non competitivo rispetto a quello tradizionale con navi cisterna. Il problema della spinta diventa quasi insormontabile quando il fondale da attraversare è particolarmente irregolare, con discese profonde e
salite ripetute (esempio tipico sono i profili delle condotte che attraversano il Mediterraneo), al punto che gli
unici esempi di condotte per l’olio sottomarine di lunghezza significativa si incontrano nel Mare del Nord, su
percorsi che prevedono una risalita particolarmente regolare tra i 70 m del bacino di produzione di Ekofisk, nel
settore norvegese del Mare del Nord, e il terminale a terra
in Gran Bretagna.
le varie discipline che partecipano allo sviluppo di un
progetto di condotta di esportazione.
Le condotte principali o di esportazione che partono
dall’impianto di spinta possono essere classificate sulla
base di:
• ambiente attraversato, per esempio condotte di terra
o condotte sottomarine, con sottoclassi che qualificano ulteriormente le principali caratteristiche quali
il profilo altimetrico, la natura dei terreni, ecc.;
• prodotto trasportato, se liquido o gassoso o multifase, con sottoclassi che qualificano i parametri fluidodinamici del trasporto quali pressione, temperatura, velocità, ecc.;
• materiale con il quale vengono realizzate, il tipico
acciaio al carbonio-manganese o leghe speciali resistenti alla corrosione, e saldature con cui vengono
assemblate;
• tecnologie impiegate nella costruzione, in particolare quelle relative alla posa in opera e ai lavori richiesti per l’interramento, sia per le condotte a terra che
per le condotte sottomarine.
La peculiarità che una condotta ha rispetto agli altri
sistemi di trasporto riguarda:
• l’esercizio, in relazione al costo del trasporto delle unità
di energia e delle capacità di trasporto attraverso ambienti che possono risultare particolarmente ostili;
pozzi
stazioni di compressione
linee di raccolta reiniezione
e raccordo
utilizzatori
terminale
utilizzatori
trattamento
olio/gas
distribuzione
Tipologia e classificazioni delle condotte
La condotta è un sistema che prevede diverse componenti quali valvole, elementi di raccordo, pompe (liquidi) e compressori (gas), misuratori di portata, dispositivi per l’ispezione, trasduttori, protezione catodica, sistemi di controllo, ecc. La fig. 2 mostra uno schema del
sistema di trasporto in condotta, con le varie componenti
messe in evidenza. Le figg. 3 e 4 mostrano il flusso del
processo decisionale che porta alla realizzazione di una
condotta per l’esportazione del prodotto da un giacimento
in fase di sfruttamento: la prima mostra lo sviluppo delle
varie fasi dell’ingegneria che portano alla realizzazione
di una condotta di esportazione; l’altra l’interazione tra
774
linea di impianto
condotte esportazione
distribuzione
utilizzatori
utilizzatori
fig. 2. Schema elementare di un sistema
di trasporto con le varie componenti.
fase di definizione
fase esecutiva
ingegneria di base
ingegneria di dettaglio
piani di sviluppo
ingegneria concettuale
fornitura di materiali
budget di progetto
tempistica di progetto
fabbricazione
basi per ingegneria
di dettaglio
specifiche di progetto
installazione
valutazione dei rischi
sviluppo della strategia
contrattuale
collaudi
processo di offerta
strategia tecnica
pre-qualifiche
strategia commerciale
contenuti e struttura
dell’offerta
strategia della tempistica
valutazione dell’offerta
strategia dell’interfaccia
fig. 3. Le fasi dello sviluppo di un progetto di trasporto in condotta.
•
l’ambiente, in relazione al fatto che, una volta terminate le operazioni relative alla fase di costruzione
di una condotta (che richiedono particolari attenzioni soprattutto negli ambienti più vulnerabili), quest’ultima non ha alcun impatto durante l’esercizio;
• la sicurezza, evidenziata da ratei di guasto soddisfacenti sia per quanto concerne il trasporto di prodotti liquidi che per quelli gassosi; il trasporto di gas ad
alta pressione può comunque presentare problemi
nelle aree densamente popolate, superabili esclusivamente con l’impiego di materiali di elevata qualità, con costruzione accurata pianificata nel tempo
e nel rispetto del territorio, e con la gestione del trasporto ad alto controllo a garanzia dell’ambiente,
della proprietà e della salute.
L’ingegneristica coinvolta nella realizzazione delle
condotte riguarda:
• l’ottimizzazione del sistema di spinta, in ragione del
profilo altimetrico del percorso, dei diametri installabili, della distanza da percorrere, della portata da
garantire;
rotta
sicurezza
disponibilità
idraulica
ambiente
meccanica
corrosione
e protezione
materiali
attraversamenti
terminali
e stazioni
collaudi
controllo
strumentale
soluzione
di progetto
soluzione
di gestione
fig. 4. Le discipline che intervengono
nella realizzazione di una condotta
per il trasporto di idrocarburi.
775
•
l’analisi dell’ambiente, per quanto concerne l’idromorfogeosismologia, i suoli attraversati e la loro stabilità, le condizioni ambientali in prossimità del fondo;
• il dimensionamento di massima e la scelta dei materiali, in ragione del prodotto trasportato e delle prestazioni meccaniche richieste dall’esercizio e dall’ambiente;
• la progettazione dell’installazione, che riguarda sia
la capacità di seguire un certo profilo del letto di posa,
sia l’integrità della condotta durante le operazioni di
posa, particolarmente per le condotte sottomarine,
per le quali l’installazione prevede elevate sollecitazioni da sommare alla pressione esterna, e talvolta
fondali accidentati ove la condotta deve risultare
appoggiata, evitando che rimanga sospesa per lunghi tratti;
• la progettazione dell’esercizio che, sulla base dei profili di pressione e temperatura ipotizzabili per il fluido trasportato, verifica la capacità della condotta di
sostenere i carichi operativi e i carichi ambientali
aggiuntivi;
• la progettazione del sistema di controllo del processo di trasporto e la programmazione razionale delle
procedure e degli equipaggiamenti per l’ispezione e
la manutenzione ordinaria e straordinaria della condotta.
Il livello della progettazione è sempre correlato al
livello di approfondimento della conoscenza delle condizioni ambientali e dipende dalla vulnerabilità dell’ambiente attraversato, dalle peculiarità del percorso
ottimale, dalla difficoltà delle condizioni di esercizio,
dalla rilevanza strategica.
Sicurezza, conseguenze di rilascio
del prodotto, rischio
La sicurezza del trasporto di idrocarburi in condotta
è misurata in base alla probabilità di occorrenza di danneggiamenti che possano implicare una perdita di contenuto, da fessurazioni parziali che si formano sulla parete (riscontrabili immediatamente durante la costruzione
o in concomitanza della prova di collaudo idraulico, durante l’esercizio a seguito di misurazioni strumentali ordinarie di controllo della portata nella stazione di spinta e
al terminale di ricevimento, a conclusione di una ispezione ordinaria ovvero straordinaria perché motivata da
eventi ambientali eccezionali o da attività umane), o anche
da evidenze macroscopiche di rottura e/o scoppio.
Le conseguenze del rilascio di un prodotto riguardano l’ambiente; quelle legate al rilascio di prodotti liquidi (inquinamento paesaggistico e della falda freatica,
impatto su flora e fauna, danno alle attività umane localmente interessate dal passaggio della condotta o globalmente legate alla disponibilità del prodotto, ferimento o
morte di addetti alla condotta o terze parti accidentalmente coinvolte, ecc.) sono particolarmente critiche. Nel
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caso di rilascio gassoso, il pericolo di esplosione e incendio incrementa significativamente il potenziale coinvolgimento delle attività umane circostanti, quindi le conseguenze sulla salute di addetti e di chi opera nelle vicinanze (episodi di rilascio gassoso con esplosione e/o
incendio si sono verificati negli Stati Uniti e in Europa).
Il rischio di un trasporto in condotta viene definito
come prodotto tra la probabilità di perdita o rottura e
l’entità delle conseguenze della stessa:
• nel caso del trasporto di gas, tale entità è misurata
dal volume di gas che può essere rilasciato nell’ambiente, pertanto lungo la condotta vengono poste delle
valvole di intercettazione del gas a distanze regolari
in relazione alle caratteristiche ambientali e sociali
delle aree attraversate;
• nel caso del trasporto di liquido, l’entità delle conseguenze è legata al volume rilasciato nell’unità di
tempo, alle condizioni atmosferiche e idrauliche della
località dove avviene il rilascio (quale per esempio
la distanza dalla costa per le condotte sottomarine),
alla tempestività e alla tecnologia disponibile per
interventi di mitigazione e recupero ambientale, sempre in relazione alle caratteristiche naturali e sociali
delle aree attraversate.
Vanno anche considerate le conseguenze che un incidente può avere sulla reputazione della compagnia responsabile del trasporto, che possono tradursi in un impatto
economico pari al costo dell’incidente stesso e che pertanto possono risultare argomento primario nelle analisi di rischio eseguite dall’operatore della condotta. Le
analisi quantitative di rischio (definito, come già detto,
dal prodotto tra la probabilità di occorrenza di un incidente e l’entità delle conseguenze che ne derivano) sono
diventate, negli anni Novanta, una fase necessaria nella
progettazione di una condotta e coinvolgono competenze multidisciplinari, quali:
• fluidodinamica ambientale, chimica e termodinamica delle reazioni;
• fisica della diffusione del prodotto per lo studio delle
conseguenze; meccanica dei processi di interferenza e danneggiamento, geotecnica e fisica/chimica
dell’ambiente ove si verifica il danneggiamento, analisi dell’integrità strutturale, metallurgia e suscettibilità all’ambiente dei materiali, delle protezioni attive e passive, ecc., per lo studio della sicurezza e quindi dell’integrità strutturale.
La sicurezza del trasporto degli idrocarburi in condotta è di pertinenza della progettazione, e viene valutata in due modi:
• analiticamente, quando si identificano i requisiti
quantitativi di sicurezza da perseguire in un progetto (nelle verifiche di funzionamento, espresse con
equazioni dedicate, i requisiti minimi sono correlati tramite una serie di coefficienti di sicurezza alla
probabilità di occorrenza di malfunzionamento che
conduce a danneggiamento misurabile e/o rottura con
associata perdita del prodotto), in relazione al tipo di
prodotto trasportato, alle tecnologie di fabbricazione e di costruzione previste, alle condizioni di esercizio e controllo dei parametri rilevanti, alle condizioni ambientali e sociali delle regioni attraversate;
• consuntivamente, quando sono raccolte ed elaborate le risultanze, per tipologia e frequenza, di incidenti
verificatisi durante la costruzione e l’esercizio negli
anni di condotte simili, nei vari contesti tecnologici,
operativi e ambientali.
Facendo riferimento al metodo analitico, una progettazione basata su norme che perseguano esplicitamente obiettivi di sicurezza quantitativi, attraverso una
serie di fattori di sicurezza calibrati sulla probabilità di
non superamento della condizione di funzionamento,
garantisce una sicurezza nominale al progetto. Talvolta
la richiesta di verifiche specifiche non coperte dalla normativa, ovvero la necessità di verificare il livello di sicurezza di una condotta in esercizio, comporta un’analisi
probabilistica completa, ove:
• vengono identificate le condizioni di funzionamento rilevanti, e quindi le relazioni funzionali tra i parametri di progetto, che consentono di interpretare le
prestazioni attraverso modelli;
• vengono analizzate le incertezze che influenzano i
parametri rilevanti, per ciascuna delle relazioni funzionali identificate, nel descrivere il passaggio da una
condizione di funzionamento a una condizione di non
funzionamento e vengono definiti le distribuzioni
statistiche e i parametri rilevanti sulla base di informazioni quali riscontri sperimentali, prove di qualifica e progettazione;
• le misure di incertezza vengono utilizzate sia per calcolare la probabilità di superamento di una condizione di funzionamento limite, sia per calibrare fattori di sicurezza da applicare ai singoli parametri di
progetto, perché le probabilità di superamento della
condizione di funzionamento limite risultino inferiori a un certo valore di obiettivo.
Gli argomenti suddetti sono stati introdotti negli anni
Novanta, in particolare per le condotte sottomarine, e sono
diventati attuali nello sviluppo dei progetti di frontiera
pianificati nella prima decade del terzo millennio (i progetti nell’isola di Sakhalin e in America Settentrionale).
Per quanto riguarda la verifica della prestazione delle
condotte nel tempo, basata sulle analisi dei dati di incidenti verificatisi in circa 30 anni di esercizio delle condotte moderne (1970-2000), enti governativi e privati si
occupano da anni di raccogliere tali dati e di omogeneizzarli per una analisi critica. In Europa (Bruschi,
2002) e negli Stati Uniti, i dati raccolti consentono di
avere un quadro completo sull’adeguatezza della tecnologia impiegata dall’industria nel settore in oggetto,
consistentemente con quanto viene ritenuto accettabile
nell’industria. In generale l’unità di misura della prestazione è espressa in numero di incidenti per anno e
per chilometro di condotta. Per esempio, nella banca
dati di EGIG (European Gas pipeline Incident data
Group; Bruschi, 2002) sono documentati all’incirca
1.060 incidenti per una esposizione totale di 2,4 milioni di km all’anno. Nella banca dati di CONCAWE (CONservation of Clean Air and Water in Europe) è documentato un totale di 394 incidenti, per una esposizione
totale di 700.000 km all’anno. La banca dati statunitense del DOT/OPS/RSPA (Department of Transport, Office of Pipeline Safety, Research and Special Program
Administration) comprende incidenti su condotte per il
trasporto di olio e gas, sia sottomarine sia terrestri, incluse le stazioni di spinta e di misura. Per le condotte a terra,
l’interferenza esterna con attività umane (scavi per lavori di utilità civile, aratura e pozzi idrici nell’attività agricola) è di gran lunga la causa più frequente di incidenti, soprattutto nel caso di condotte con diametri piccoli.
La copertura è un parametro determinante, insieme allo
spessore della condotta e alla localizzazione, rurale, suburbana o urbana. Altre cause rilevanti sono la corrosione, le cause meccaniche (principalmente in fase di costruzione), gli errori operativi e gli eventi naturali.
È difficile fare analisi comparative tra le varie banche dati, sia in quanto spesso la definizione di incidente non è omogenea e i dati di incidente non sono disponibili allo stesso livello di dettaglio, sia a causa della
diversità di ciascuna condotta in termini di tecnologia,
criteri di progetto, equipaggiamento per la costruzione
e la gestione, condizioni di esercizio e condizioni ambientali. Una media pesata delle prestazioni di trasporto, ricavata dalle statistiche di incidente delle varie banche dati,
fornisce le seguenti indicazioni in termini di incidenti
per anno per km di condotta durante il periodo 19702000: nel caso di condotte per gas, il rateo di guasto si
è abbassato da 0,8-1,5 a 0,15-0,21 per 1.000 km di condotta; nel caso di condotte a olio, il rateo di guasto si è
abbassato da 1,2-1,8 a 0,3-0,6 per 1.000 km di condotta. Questi valori, quando vengono paragonati con quelli derivanti da altre attività dell’industria chimica o dell’energia, risultano molto soddisfacenti e testimoniano
il ruolo attribuito negli anni alla innovazione tecnologica dall’industria del trasporto dei prodotti petroliferi.
Per le condotte sottomarine, la banca dati predisposta dall’ente governativo britannico HSE (Health, Safety
and Environment), riguardante le condotte sottomarine
nel Mare del Nord, è molto dettagliata, soprattutto per
quanto riguarda gli incidenti occorsi dagli anni Novanta in poi. Sono documentati in totale 542 incidenti: 396
riguardanti condotte in esercizio (dei quali 209 in condotte rigide in acciaio e gli altri in condotte flessibili,
realizzate con plastica rinforzata da carcassa metallica,
e in punti di discontinuità quali valvole e flange); 65 di
questi incidenti hanno portato a perdita di prodotto. Così
777
come per il caso delle condotte a terra, gran parte degli
incidenti è dovuta a corrosione (40%) e interferenza
esterna (39%), mentre solo il 6% a cause ambientali,
malgrado le severe condizioni climatiche del Mare del
Nord. Questa statistica si riferisce a una esposizione di
circa 100.000-1.000.000 di km all’anno e, sebbene molto
più dettagliata della corrispondente per le condotte a
terra, è comunque insufficiente a definire un rateo di
guasto oggettivo per un’applicazione di natura generale
alle analisi di rischio, in quanto limitato da:
• disomogeneità del campione in termini di tecnologia, materiali ed equipaggiamento per la costruzione, di criteri di progetto, di condizioni di esercizio e
di condizioni ambientali (acque basse, acque profonde, ecc.);
• definizione di rottura (perdita o interruzione del trasporto) e/o disponibilità del trasporto a seguito dell’incidente.
Si può comunque captare un segnale molto forte da
questi dati, riscontrabile anche da quelli relativi alle condotte a terra, riguardante il ruolo dello spessore del tubo
nella capacità della condotta di superare gli incidenti più
frequenti: condotte di grande diametro, alta pressione ed
elevato spessore risultano molto sicure, ma l’aumento di
spessore, solitamente adottato in prossimità delle zone di
sicurezza ovvero ove si svolgono le attività da parte degli
addetti, non garantisce di per sé sicurezza. Il significato
è che un elevato spessore di acciaio evita lungo gran parte
del percorso perdite del prodotto a causa di incidenti, ma
non è sufficiente a evitare incidenti dove un’attività umana
congestionata risulti povera di procedure adeguate.
7.1.2 Il percorso attraverso
gli ambienti
Selezione del percorso
per le condotte terrestri
La realizzazione di una condotta per il trasporto di
idrocarburi è condizionata dalle caratteristiche del territorio che dovrà attraversare e dall’esigenza di minimizzare l’impatto ambientale, in particolare durante la costruzione. Le tematiche ambientali relative all’area interessata riguardano gli aspetti idrogeomorfologici, la vegetazione
e il paesaggio, ma anche i vincoli legislativi presenti sul
territorio. La scelta del percorso ottimale deve coniugare
le esigenze di carattere tecnico-economico con quelle della
tutela dei luoghi attraversati, all’interno del campo di variazione dei parametri che caratterizzano la fattibilità tecnico-economica di un attraversamento.
Il processo di ottimizzazione si svolge attraverso una
serie di fasi di proposta, controllo e verifica (Mohitpour
et al., 2000), che includono la scelta preliminare di minima percorrenza basata sullo studio di carte e foto aeree,
778
la valutazione critica e il perfezionamento dei tracciati
proposti, la definizione del percorso più promettente, il
sopralluogo visivo e strumentale dello stesso, l’analisi
ingegneristica, le operazioni legali finalizzate all’ottenimento dei vari permessi. Un aspetto critico del processo di scelta riguarda i vincoli presenti sul territorio
che impongono l’esclusione di certi passaggi e obbligano a soluzioni non ottimali da un punto di vista economico e tecnico, benché entro limiti comunque accettabili. La raccolta della cartografia disponibile dell’area
in esame, possibilmente in scala 1:50.000, oltre che delle
foto aeree, risulta determinante. La tecnologia più recente mette a disposizione una cartografia da satellite estremamente sofisticata, con vari livelli di dettaglio, che
rende la fase di ingegneria sulle carte molto più efficace di quanto fosse precedentemente. Sono disponibili
mappe, oltre che di tipo geografico, anche a carattere
tematico (Champlin, 1973) che consentono di descrivere la condizione complessa del territorio attraversato sotto
diversi punti di vista, evidenziando la presenza degli elementi vincolanti. La selezione preliminare conduce in
genere al tracciamento di varie rotte possibili, che evitano le aree critiche e sfruttano al meglio i percorsi caratterizzati da condizioni favorevoli alla realizzazione e
all’esercizio della condotta.
Gli elementi che condizionano la scelta sono molteplici e di varia natura, di carattere sia restrittivo-legale
sia tecnologico. Nel caso di fiumi, torrenti, laghi e paludi è, per esempio, imperativo evitare la realizzazione di
attraversamenti in aree potenzialmente soggette all’azione erosiva o in zone in cui la naturale evoluzione può
coinvolgere nel tempo la condotta. Dal punto di vista
morfologico e fisiografico, va evitato l’attraversamento
di pendii molto ripidi ovvero di terreni erodibili o troppo duri per le normali operazioni di scavo della trincea
di posa della condotta. La sismicità del territorio e la presenza di eventuali faglie (Champlin, 1973) possono risultare vincolanti. In relazione alle tematiche ambientali,
devono essere evitati le aree di riproduzione faunistica
e gli habitat delle specie protette, così come le aree e i
siti di interesse storico, archeologico e paesaggistico.
Fattori critici che condizionano la selezione del tracciato di una condotta sono inoltre l’attraversamento di strade, ferrovie o condotte, di aree densamente popolate o
sottoposte a vincolo (parchi nazionali, riserve naturali,
boschi di pregio e aree di ripopolamento), ma anche la
facilità di accesso temporaneo e permanente per la costruzione e la gestione (Passey e Wooley, 1980). Ciascun
tracciato preliminare viene analizzato in dettaglio attraverso un processo ingegneristico iterativo di controllo e
modifica successivi, basato sulla valutazione dei vari
aspetti, sia restrittivi sia favorevoli, fino a ottenere una
nuova versione riveduta e corretta.
L’attività di ingegneria viene seguita da un sopralluogo
visivo del sito, e le aree critiche vengono caratterizzate
fig. 5. Esempio di immagine digitale
del territorio da carta satellitare
(per cortesia di R. Bruschi).
con apposite indagini che includono una topografia di
dettaglio, l’analisi dei pendii e dei percorsi di drenaggio,
l’identificazione delle eventuali implicazioni geotecniche di stabilità dei suoli, l’analisi delle condizioni superficiali dell’area quali le forme, il tipo di terreno, la localizzazione della roccia, la presenza di corsi d’acqua e la
vegetazione. Nelle aree rurali viene identificata la presenza di zone agricole, specificandone la tipologia di
coltura. Vengono inoltre identificate le aree sensibili dal
punto di vista ambientale o di particolare interesse storico e archeologico, la presenza di manufatti, strutture o
servizi, la disponibilità di corridoi esistenti e la possibilità di accesso per i mezzi di cantiere, tenendo conto
anche delle problematiche della costruzione legate alle
stagioni. Su questa base vengono verificati tutti gli angoli di attraversamento e le distanze di rispetto da strade e
servizi. Il rilievo visivo e la preparazione alla fase di progettazione definitiva sono oggi supportati dall’utilizzo di
un sistema informativo geografico (GIS, Geographic
Information System), che consente di determinare la posizione e di analizzare oggetti ed eventi presenti sulla superficie terrestre (fig. 5). Questa tecnologia unisce la capacità di memorizzazione e immagazzinamento dei dati alla
possibilità di trattamento degli stessi attraverso l’analisi
statistica, permettendo la restituzione degli elaborati sotto
forma di carte tematiche o tabelle sovrapponibili alla cartografia. Una volta rilevate in sito le aree critiche, si procede con le analisi ingegneristiche di dettaglio come l’analisi geotecnica degli attraversamenti fluviali, degli attraversamenti di pendii e versanti e le valutazioni di impatto
ambientale (fig. 6). In caso di attraversamento di aree soggette a dissesto idrogeologico, i pendii che presentano
fenomeni di instabilità attivi possono essere identificati
rilevando alcuni segnali superficiali in fase di sopralluogo: gli eventuali problemi di interazione con la condotta
devono essere risolti in dettaglio per predisporre le necessarie misure preventive. Nel caso in cui siano evidenti i
segni di una instabilità recente, bisogna analizzare e comprendere la natura del movimento franoso. In presenza di
movimenti profondi, spesso si rende necessaria la ricerca di un percorso alternativo, in quanto una eventuale
opera di stabilizzazione risulterebbe troppo costosa o non
fattibile. Talvolta, invece, in presenza di movimenti poco
profondi gli interventi di stabilizzazione risultano relativamente semplici ed è possibile modificare la situazione per renderla conforme alle esigenze di progetto.
Il caso degli attraversamenti fluviali ha un effetto rilevante sia sui costi sia sulla lunghezza complessiva della
condotta, in quanto è essenziale trovare il tratto in cui il
letto fluviale è più idoneo. La presenza di roccia particolarmente dura implica spese elevate per la sagomatura,
mentre i letti sabbiosi possono comportare grossi volumi
di scavo. È preferibile realizzare un attraversamento ad
angolo retto per minimizzare le lunghezze ed evitare percorsi in pendenza all’approdo. L’attività erosiva degli argini può condurre al danneggiamento della condotta e alla
sua esposizione all’impatto con l’ambiente esterno. I tratti con corrente a velocità elevata vanno evitati perché ren-
fig. 6. Realizzazione di una condotta su un pendio:
l’asse della condotta è parallelo al profilo
di massima pendenza del versante
779
dono difficoltosa la costruzione, mentre sono da preferire gli attraversamenti nei tratti rettilinei dei fiumi in modo
da ridurre la probabilità di erosione degli argini.
Le varie analisi di dettaglio consentono di adottare
l’approccio migliore mediante un’accurata valutazione
dei costi e dei benefici. I costi delle eventuali opere di
stabilizzazione, degli sbancamenti o del controllo del
drenaggio (sia superficiale sia sotterraneo) devono essere confrontati con quelli di un percorso alternativo che
attraversi zone stabili o che non necessitino di tali interventi. Le operazioni di costruzione prevedono la realizzazione di una fascia di lavoro pianeggiante che consenta
la buona esecuzione dell’opera e faciliti il transito dei
mezzi di servizio e di soccorso. In aree morfologicamente accidentate e in presenza di pendenze molto elevate, ciò comporta la realizzazione di opere di sbancamento dei versanti attraversati e quindi, in fase di definizione del percorso, si dovrebbe cercare di minimizzare
questa operazione contenendo il più possibile l’entità
delle modifiche apportate ai profili originali. La preparazione dei disegni tecnici necessari alla costruzione
richiede la definizione del profilo, specificando le dimensioni e la lunghezza della trincea necessaria, e la presenza di strade, ferrovie e attraversamenti di servizi. Questa operazione si svolge attraverso la suddivisione del
tracciato in intervalli regolari e l’indicazione di tutte le
situazioni particolari, fornendo tutte le quote e le misure lineari e angolari necessarie a definire completamente e nel dettaglio la geometria dell’asse della condotta.
Va prodotto il profilo di dettaglio di ogni attraversamento
e di ogni situazione particolare che richiede uno studio
dedicato in fase di progetto. L’indagine ingegneristica
può essere condotta contemporaneamente a quella legale e ha lo scopo di produrre la documentazione di supporto per le eventuali operazioni di acquisto o concessione necessarie per l’utilizzo del terreno ai fini della
costruzione della condotta e del suo futuro esercizio.
Georischi per le condotte a terra
Una condotta per il trasporto di idrocarburi è una
struttura con uno sviluppo lineare che copre distanze dell’ordine di alcune centinaia di chilometri. La sua realizzazione comporta l’attraversamento di intere regioni con
situazioni ambientali e territoriali completamente diverse da zona a zona che devono essere affrontate nell’ambito dello stesso progetto. In particolare, trattandosi di
una struttura a diretto contatto con il terreno, gli aspetti
geomorfologici, geotecnici, idraulici e sismici sono fondamentali e fortemente condizionanti per il progetto.
Frane e dissesti idrogeologici
Una frana è un movimento verso il basso di una massa
di terreno in pendio soggetta all’azione della forza di gravità. L’innesco del movimento è dovuto alla variazione di
780
una qualsiasi condizione in grado di perturbare l’equilibrio temporaneo del sistema, come la variazione del livello della falda freatica, la presenza di materiali che perdono le proprie caratteristiche di resistenza in presenza
di acqua, la struttura del materiale, la topografia, l’azione sismica, ecc. (Abramson et al., 1996).
In fase di selezione del percorso, è fondamentale identificare tutti i pendii instabili o potenzialmente instabili
per poterne evitare l’attraversamento. La tipologia e la
distribuzione delle frane naturali sono molto varie e dipendono dalla morfologia del terreno e dalle sue caratteristiche locali, oltre che dalle condizioni idrauliche del sottosuolo. Anche se la fotografia aerea può essere utile nel
riconoscimento delle aree a rischio franoso, molti dissesti sono troppo piccoli o comunque difficili da identificare con questa tecnica. Il sopralluogo visivo è sempre
necessario e ha lo scopo di rilevare tutti i segnali tipici
associati a un movimento attivo del terreno o a frane
avvenute in passato che potrebbero essere riattivate con
l’installazione della condotta (Abramson et al., 1996).
Sono segnali tipici di un dissesto idrogeologico la presenza di scarpate ripide, crepe e fessure a monte di un
pendio, rigonfiamenti e accumuli al piede del versante,
la presenza di alberi curvi, la rottura o la modifica dell’assetto di manufatti (strade, pali delle linee telefoniche
o elettriche, condotte). Questi e altri segnali possono
anche contribuire al riconoscimento dei limiti dell’area
in frana.
La peggiore tipologia di frana per il progetto di una
condotta è quella profonda, in cui la superficie di rottura è situata molto al di sotto del piano di posa. Questa
situazione andrebbe evitata, anche se tecnicamente è possibile progettare e costruire una condotta che attraversi
un’area potenzialmente instabile senza innescare nuovi
movimenti. In questo caso lo studio della stabilità del
versante interessato è fondamentale e presuppone un’analisi accurata dell’area in termini morfologici, geologici e geotecnici, fisici e idraulici con lo scopo di comprendere la fenomenologia che regola il movimento. Una
volta noti le forze in gioco e i processi che intervengono a migliorare o perturbare le condizioni di equilibrio
esistenti, è possibile iniziare la progettazione della condotta e delle eventuali opere di stabilizzazione del pendio. Il riconoscimento della presenza di potenziali dissesti idrogeologici influisce in modo determinante anche
in fase di esercizio della condotta, condizionando le attività di gestione e manutenzione che spesso devono essere supportate da un opportuno e attento programma di
monitoraggio per il controllo delle condizioni geotecniche e fisiche alla base dei fenomeni di instabilità (fig. 7).
In particolare si fa uso di inclinometri per la misura diretta dello spostamento del terreno e di piezometri per la
misura della variazione della falda freatica sotterranea,
associati a un pluviometro per la misura dell’entità delle
precipitazioni meteoriche nell’area in esame. Lo studio
di una frana si avvale molto spesso della modellizzazione numerica che, attraverso una serie di simulazioni basate su valori diversi dei parametri fondamentali del modello, contribuisce alla ricerca del valore più probabile dei
parametri in gioco e alla comprensione della fenomenologia che caratterizza il movimento franoso. La modellizzazione numerica trova largo impiego anche nella fase
gestionale della condotta: associata all’attività di monitoraggio, può contribuire alla prevenzione del danneggiamento conseguente a eventi disastrosi, permettendo
un’analisi anticipata della possibile risposta strutturale
della condotta alle sollecitazioni indotte.
Esiste una nomenclatura internazionale che classifica le frane in base alla tipologia in maniera uniforme in
tutto il mondo (Abramson et al., 1996). Per quanto riguarda il comportamento di una frana, i fattori principali che
regolano l’equilibrio del sistema sono: a) le forze destabilizzanti che causano il moto, per esempio il peso del
materiale; b) le forze dovute al moto dell’acqua nei pori
all’interno di un pendio; c) la pendenza della superficie
di rottura; d) la resistenza del terreno lungo la superficie di rottura; e) la riduzione di resistenza lungo la superficie di rottura dovuta alla pressione interstiziale. I primi
tre fattori contribuiscono alla destabilizzazione, mentre
gli ultimi due (forze resistenti) tendono a mantenere l’equilibrio. Per quanto riguarda le forze destabilizzanti, il
peso del materiale coinvolto è in genere noto o comunque può essere stimato con sufficiente precisione. Più
difficile risulta quantificare le forze dovute al flusso dell’acqua sotterranea e quelle causate da un terremoto. Una
buona banca dati di eventi sismici precedenti, se disponibile, consente di formulare una previsione di eventi
attesi e stimare il grado di rischio a essi associato. La
variabile più importante nel definire le forze destabilizzanti è la pendenza della potenziale superficie di scorrimento. Maggiore è la pendenza, maggiore è la probabilità che si verifichi una frana. Le forze resistenti sono
legate alla capacità di resistenza al taglio del materiale
nella zona di rottura e, in particolare, all’angolo di attrito efficace del terreno lungo la superficie di scorrimento. La resistenza alla rottura del materiale diminuisce per
effetto della pressione dell’acqua interstiziale presente
sulla superficie di scorrimento, poiché causa la riduzione dello stato tensionale efficace del terreno e quindi
della capacità di resistenza meccanica (principio delle
tensioni efficaci; Terzaghi, 1925).
fig. 7. Interazione
tra dissesto idrogeologico
e condotta che attraversa
il pendio.
Le cause dei dissesti sono quindi varie e diverse. Gli
eventi naturali possono agire in modo da aumentare le
forze destabilizzanti (per esempio, accumuli deposizionali, forze sismiche) o da ridurre quelle resistenti (per
esempio, erosione al piede di un versante, aumento della
pressione interstiziale, ecc.). In particolare i grandi eventi piovosi possono determinare un’infiltrazione massiccia di acqua nel sottosuolo, aumentando la pressione interstiziale nel terreno e riducendone le caratteristiche di resistenza, creare una forte erosione per effetto del
ruscellamento superficiale e dell’aumento della portata
dei corsi d’acqua e costituire un potenziale sovraccarico, saturando il terreno stesso. Anche le attività connesse con la realizzazione della condotta possono perturbare l’equilibrio di un versante. L’apertura di una pista di
lavoro per le normali operazioni di costruzione comporta spesso lo sbancamento di un tratto di terreno in pendenza e quindi presuppone un’accurata selezione dei luoghi di smaltimento o deposito dei materiali prelevati, i
quali potrebbero costituire un sovraccarico per il suolo,
tale da riattivare un movimento quiescente. Le operazioni
di ripristino del profilo originale del terreno prima dell’installazione della condotta, per ridurre l’impatto ambientale visivo, possono dare origine a ulteriori fenomeni di
instabilità quando si sostituisce o si riporta il terreno precedentemente asportato e quindi alterato.
Un aspetto fondamentale del progetto di una condotta
a terra è quello del controllo del drenaggio superficiale
e sotterraneo nell’area che si trova nella fascia di rispetto della condotta stessa e dei fenomeni erosivi associati
al flusso idrico. La corretta progettazione di opere specifiche in grado di controllare il regime idraulico è generalmente efficace nell’evitare che si verifichino gravi
fenomeni erosivi che possono esporre la condotta all’ambiente esterno o dare origine a fenomeni di instabilità.
Opere di questo tipo sono i canali di diversione, i gabbioni, gli sbarramenti e i drenaggi.
Faglie
Le faglie sono fratture nelle masse rocciose associate a spostamenti differenziali delle due parti a contatto. I movimenti deformativi non si limitano al semplice scorrimento lungo una o più superfici di frattura
ma possono essere accompagnati anche da distorsioni,
rottura e frantumazione delle rocce sulle superfici di
contatto, dando origine alle brecce di faglia o miloniti.
Gli spostamenti possono avvenire improvvisamente, a
seguito di un terremoto, o sommarsi gradualmente nel
tempo e costituiscono una seria minaccia per l’integrità
di una condotta che attraversa una faglia. La lunghezza
delle fratture e l’entità dello spostamento dipendono dalla
magnitudo del sisma e dalla sua profondità focale, mentre
la classificazione delle varie tipologie di faglia si basa sulle
caratteristiche geometriche dello scorrimento (Bonilla,
1970). Da un punto di vista dell’interazione con una
781
fig. 8. Interazione
tra una faglia e la condotta
che l’attraversa.
condotta, l’attraversamento di una faglia è da evitare in
quanto può causare stati di sollecitazione inaccettabili
per l’integrità strutturale e l’efficienza operativa della
condotta stessa (fig. 8). Per eseguire correttamente la progettazione di una condotta in grado di resistere alle deformazioni che può subire nell’attraversamento di una faglia
è necessario conoscere la geometria e la tipologia della
faglia e la larghezza della zona interessata, sapere se si
tratta di un movimento dovuto a un terremoto o all’accumulo di tensioni nel tempo (creep) e, ovviamente, esaminare le caratteristiche del terreno. Sicuramente il fattore più importante è rappresentato dal tipo e dall’entità
dello spostamento che può essere stimato sulla base delle
caratteristiche dell’evento sismico associato.
Attività sismica
Una delle conseguenze di un evento sismico è l’instabilità dei versanti. Durante un terremoto un sistema
di onde di accelerazione attraversa il terreno, propagandosi dal punto di origine nel sottosuolo verso la
superficie. Il carico dinamico transitorio che ne consegue modifica istantaneamente il regime tensionale
che caratterizza l’equilibrio di un versante, causando
contemporaneamente un aumento della forza di taglio
agente e una diminuzione della capacità di resistenza
del terreno, dovuta all’improvviso aumento delle pressioni interstiziali. Altri fattori che influenzano la risposta di un pendio durante un evento sismico sono la
magnitudo del sisma, la sua durata, le caratteristiche di
resistenza in condizioni di sollecitazione dinamica del
materiale interessato e le dimensioni del pendio. Esistono vari metodi per analizzare la stabilità di un pendio in condizioni sismiche. I più comuni sono il metodo pseudostatico dell’equilibrio limite e il metodo degli
spostamenti messo a punto da Nathan M. Newmark
(Kramer, 1996). Il primo modifica l’analisi all’equilibrio limite convenzionale aggiungendo alle forze in
gioco una componente dovuta all’azione sismica che
viene assunta come frazione del peso della potenziale
massa interessata dalla frana moltiplicata per l’accelerazione. Il metodo di Newmark fa riferimento agli spostamenti di un terrapieno durante un sisma. Si tratta di
una combinazione di procedure convenzionali pseudostatiche con una base di considerazioni dinamiche sul
movimento del suolo.
782
L’azione sismica non influenza soltanto la stabilità
dei versanti. La riduzione della resistenza al taglio del
terreno associata all’aumento delle pressioni interstiziali può portare alla fluidizzazione del materiale, specie
nel caso di sabbie sciolte sature, con sviluppo di grandi
deformazioni permanenti in grado di danneggiare seriamente qualunque tipo di struttura che giaccia sul terreno coinvolto. Si possono identificare tre tipologie di
movimenti o rotture del terreno associate al fenomeno
della fluidizzazione (Youd, 1978): deformazione laterale diffusa, flusso gravitativo e perdita della capacità portante del terreno. Altri effetti sono la subsidenza, e soprattutto il sollevamento di condotte originariamente interrate per effetto del loro galleggiamento nella massa di
terreno temporaneamente fluidizzata. La deformazione
laterale diffusa riguarda lo spostamento orizzontale di
strati superficiali di terreno causato dalla fluidizzazione
del suolo sottostante. È un fenomeno che si verifica in
aree poco pendenti, quasi pianeggianti, e gli spostamenti
associati sono dell’ordine delle decine di centimetri. Tali
spostamenti possono avere un effetto particolarmente
distruttivo sulle condotte, anche se il livello del danno
dipende dall’entità del movimento e dalle caratteristiche
della condotta stessa. Dal punto di vista dell’analisi progettuale lo studio della condotta, rispetto alle deformazioni superficiali diffuse, presenta problematiche simili
a quelle emerse nel caso delle faglie. Le deformazioni
si concentrano nelle zone di scorrimento, come avviene
per i movimenti di una faglia diretta o normale. Alla base
della massa si verifica invece una compressione, simile
a quella di una faglia inversa.
I flussi gravitativi riguardano la mobilizzazione di
masse fluidizzate, talvolta contenenti massi o blocchi
che scorrono su pendenze elevate. Molti di questi fenomeni sono comunque più frequenti nell’ambiente sottomarino. La perdita di capacità portante del terreno può
causare cedimenti gravi di una struttura fondata su di
esso, come per esempio un terrapieno, e quindi può indurre sforzi di trazione elevati su una condotta che lo attraversa o di compressione nelle zone adiacenti. Per evitare il galleggiamento delle condotte interrate nella massa
fluidizzata si ricorre invece a sistemi di ancoraggio e
appesantimento della condotta.
Condotte sottomarine
I fondali marini possono presentare morfologie irregolari e il loro attraversamento impone sforzi tecnologici notevoli. La determinazione del tracciato non si può
avvalere della visione diretta dell’area, né dell’osservazione delle foto aeree o del sopralluogo visivo come nel
caso delle condotte a terra. La fase conoscitiva è completamente strumentale, affidata a tecnologie molto sofisticate. Per esempio, il prelievo di campioni per la caratterizzazione del profilo stratigrafico del fondo è sempre
difficile e, spesso, addirittura impossibile (acque molto
profonde, pendenze del fondo molto elevate). Pertanto
la caratterizzazione morfologica, geotecnica e fisica dell’area sottomarina è di solito derivata dall’interpretazione di misure geofisiche (fig. 9) e dalla misura della
resistenza del terreno alla penetrazione di strumenti predisposti per questo scopo (prova penetrometrica). Le difficoltà ambientali e la necessità di impiegare tecnologie
sofisticate per ottenere i dati di progetto rendono la selezione del percorso una fase cruciale nell’ambito del progetto di un attraversamento sottomarino, base per una
realistica analisi tecnico-economica della realizzazione
dell’opera (Palmer e King, 2004). Una scelta iniziale
poco attenta può causare una serie di imprevisti in fase
di costruzione, la cui soluzione ha sempre implicazioni
economiche considerevoli. Per esempio, l’attraversamento di fondali irregolari non è sempre possibile dal
punto di vista tecnico ed economico, per cui è fondamentale identificare un percorso che li eviti.
Le fasi salienti del processo di selezione del percorso sottomarino possono riassumersi come segue:
• ottimizzazione del percorso della condotta con definizione degli allineamenti che rappresentano il compromesso ottimale tra la minima lunghezza del tracciato, la minima sollecitazione agente sulla condotta in fase di installazione o di esercizio e il minor
numero di tratti di condotta che risultano sospesi sul
fondo a causa delle irregolarità dello stesso;
• identificazione dell’entità e delle tipologie dei lavori di intervento e preparazione del fondo necessari
alla soluzione di problemi relativi alla sovrasollecitazione della condotta e alla formazione di campate
non supportate nelle aree a fondo irregolare;
• definizione delle modalità costruttive e dimensionamento dei cantieri per le relative stime di costo e programmazione dei lavori.
L’esperienza maturata negli anni sulla realizzazione
di condotte sottomarine ha portato ad alcune considerazioni fondamentali. Per quanto riguarda la preparazione
fig. 9. Immagine del profilo del fondo
da prospezioni geofisiche (per cortesia di R. Bruschi).
del fondo, a esclusione dei requisiti minimi necessari per
l’approdo costiero, lo scavo non rappresenta una soluzione conveniente da un punto di vista economico; esso
deve infatti essere molto esteso dato il livello di precisione raggiungibile durante la posa, della quale talvolta
rallenta le operazioni. Il programma di posa dipende dalla
preparazione del fondo e la rotta scelta per la condotta
deve essere tale da non indurre sollecitazioni che possano compromettere l’integrità strutturale. La configurazione della condotta nell’attraversamento di fondali irregolari può essere opportunamente mantenuta o modificata utilizzando apposite metodologie, in modo da garantire
il raggiungimento delle condizioni di progetto nelle fasi
di collaudo idraulico e di funzionamento. In acque profonde la correzione delle campate rappresenta un approccio
più affidabile della preparazione del fondale. In ogni caso,
la scelta della soluzione progettuale più adatta a risolvere i vari problemi della condotta e della sua interazione
con il fondale marino avviene sulla base di modelli di
simulazione tarati sulle varie esperienze di progetto.
Dal punto di vista esecutivo, la prima fase è costituita dalla raccolta e dalla elaborazione dei dati relativi
all’area di interesse. La scelta del percorso per una condotta sottomarina comporta, come già detto, una conoscenza profonda e dettagliata della morfologia e della
litologia del fondale. L’acquisizione dei dati avviene attraverso un programma di indagini geomorfologiche e geologico-geotecniche che portano alla definizione delle
caratteristiche del fondo. Il primo approccio si basa sull’osservazione di carte convenzionali batimetriche che
diventano sempre più dettagliate man mano che affluiscono i risultati delle indagini condotte con mezzi di
superficie e sottomarini (fig. 10). Più il rilievo delle caratteristiche del fondo è accurato, più sono affidabili i risultati dell’analisi del percorso e delle sue successive simulazioni. Per assicurare il necessario livello di dettaglio
nel rilievo di aree a morfologia molto irregolare si fa uso
di minisommergibili. I dati vengono raccolti, elaborati e
memorizzati su appositi supporti da unità periferiche
situate a bordo dei mezzi di superficie e dei sottomarini, e vanno a costituire l’archivio preliminare dell’indagine conoscitiva. L’interpretazione dei dati raccolti si
avvale anche dell’ausilio di riprese visive del fondo marino. Il risultato di questa fase è la redazione di carte batimetriche specifiche che costituiranno il punto di riferimento per la successiva analisi del percorso e per le operazioni di selezione della rotta. Con l’aiuto di un sistema
integrato software/hardware in grado di trattare i dati di
base in tempo reale, il tecnico può analizzare percorsi
alternativi e, sulla base di valutazioni tecnico-economiche, effettuare la scelta del corridoio preliminare. Il corridoio selezionato viene poi sviluppato nel suo profilo
morfologico lungo il proprio asse (v. ancora fig. 10) e
vengono studiati anche profili a esso paralleli, in modo
da caratterizzare l’area del corridoio ed evidenziare anche
783
carta batimetrica
profilo del fondale
profondità (m)
250
300
350
400
450
500
550
54.400
56.400
58.400
60.400
distanza (m)
62.400
64.400
66.400
fig. 10. Raffigurazione di un tracciato tipico di una condotta sottomarina.
le variazioni laterali del profilo marino, nel caso in cui
l’asse della condotta risulti spostato rispetto a quello
del corridoio. Il profilo del fondo è il punto di riferimento del processo di selezione del percorso, poiché
a esso sono correlati l’affidabilità strutturale della condotta, il numero delle campate libere e l’entità dei lavori di intervento.
La fase successiva prevede l’utilizzo di modelli matematici per la valutazione della qualità del percorso. Il
percorso selezionato definisce le caratteristiche del profilo ottimale per l’equilibrio elastico della condotta
posata sul fondo irregolare, in modo da ridurre al minimo gli interventi di preparazione del fondo e i lavori di
aggiustamento della configurazione necessari a garantire condizioni di stabilità e sicurezza alla condotta nel
corso della sua vita operativa. In generale i fattori chiave che influiscono sulla scelta del percorso per una condotta sottomarina e sulla sua progettazione sono legati agli aspetti politici e alle problematiche ambientali,
ma anche a fattori particolari come il collegamento con
eventuali piattaforme e riser (collettore verticale per galleggianti) o l’attraversamento di condotte già esistenti
e di cavi. Occorre evitare le aree di ancoraggio delle
navi e quelle in cui il rischio di caduta di oggetti dalle
navi è elevato, i campi minati, le aree di dragaggio e i
relitti. Si effettuano studi specialistici per analizzare l’interazione con l’attività di pesca e valutare i rischi, conseguenti a un eventuale impatto, per l’integrità della
784
condotta. Da un punto di vista geotecnico gli elementi più condizionanti per il progetto di una condotta sottomarina sono l’attraversamento di aree rocciose o di
zone in cui il terreno è troppo soffice e la presenza di
massi, di depressioni dovute a fuoriuscita di gas dal terreno e di solchi creati dall’azione di grandi blocchi di
ghiaccio alla deriva. Gli approdi costieri rappresentano senza dubbio un aspetto critico del progetto: la scelta sbagliata della zona di approdo può comportare costi
eccessivi e dispute legali. Il progettista deve conoscere e comprendere oltre alla geologia del fondo, i fattori geomorfologici che caratterizzano la costa e prevedere le implicazioni ambientali connesse all’installazione della condotta, come la rifrazione e il frangimento
delle onde e il trasporto dei sedimenti lungo la costa.
La geotecnica marina è una materia molto complessa
e le forme geomorfologiche e topografiche sono varie
quanto quelle incontrate sulla terraferma. La condizione ideale per la posa di una condotta sottomarina è,
ovviamente, quella di un fondale piatto (in modo che
non si formino sezioni in campata libera) composto di
argilla mediamente consistente; affondando in un fondale di questo tipo, la condotta acquisisce una maggiore
stabilità. Se il fondo è irregolare e roccioso, si creano
molte campate libere e la condotta attraversa come un
ponte le aree depresse. Spesso la lunghezza della campata è tale da richiedere un supporto, mentre nei punti
di appoggio le forze si concentrano sulla condotta e
possono danneggiare il rivestimento esterno (fig. 11).
Un terreno duro è difficile e costoso da scavare, mentre in un fondo troppo soffice la condotta può sprofondare completamente rendendo difficoltose le successive operazioni di giunzione con altri segmenti di condotta, di ispezione o di riparazione.
Alcuni fondali presentano problemi di mobilità poiché sono in continua evoluzione sotto l’azione di onde
e correnti, che danno origine alle tipiche configurazioni increspate e ondulate (Komar, 1976; Sleath, 1984).
Le barre di sabbia si muovono continuamente sul fondale durante la vita operativa della condotta, così che
una condotta che poggiava sulla cresta di un accumulo di sabbia al momento della costruzione può restare
sospesa per l’avvenuta traslazione dell’accumulo stesso. I movimenti sono irregolari e difficili da prevedere con sufficiente certezza: per questo motivo è preferibile evitare l’attraversamento di aree in cui il fondale presenta ondulazioni in continua evoluzione.
Quando ciò non è possibile si provvede a scavare una
trincea che resti al di sotto della ‘gola’ delle ondulazioni sabbiose. Questa soluzione è stata spesso adottata nel caso di condotte posate nel Mare del Nord, dove
condizioni di acque poco profonde, forti correnti di
marea, moto ondoso e sabbie sciolte facilmente mobilizzabili danno origine a una situazione complessa e in
continua evoluzione del fondale marino. Nelle zone in
cui la velocità di sedimentazione è elevata l’accumulo
di materiale depositato sovraccarica il suolo sottostante e può dare origine a frane sottomarine in pendii non
necessariamente ripidi. Anche un evento sismico può
innescare un movimento franoso in un pendio parzialmente stabile. Quando una condotta è investita trasversalmente da una frana, può subire spostamenti tali
da generare forze di trazione in grado di romperla. Se
la frana investe la condotta longitudinalmente la situazione è meno grave, in quanto le sollecitazioni indotte sono di minore entità.
Alcune aree (come la parte norvegese del Mare del
Nord) sono caratterizzate dalla presenza di grossi massi
sulla superficie del fondo marino che possono essere
anche parzialmente (o completamente) sepolti nel fondale argilloso. Questi massi sono stati trasportati dagli
iceberg e sono caduti sul fondale durante lo scioglimento; le loro dimensioni lineari possono essere anche dell’ordine del metro o più e la loro presenza rappresenta
un serio ostacolo per le macchine che devono realizzare la trincea. Nelle stesse aree marine, la fuoriuscita di
gas dal sottosuolo crea tipiche depressioni nel terreno.
Nelle zone tropicali le formazioni coralline danno origine a pinnacoli che possono avere altezze anche di 15
m. Il corallo è molto resistente e difficile da tagliare;
inoltre costituisce un elemento naturale di grande interesse ecologico e la sua conservazione va garantita e protetta. Le aree tropicali sono caratterizzate generalmente
da sedimenti di origine carbonatica che, per effetto dei
processi diagenetici che avvengono nel tempo, tendono
a diventare più resistenti e quindi più difficoltosi per le
operazioni di scavo.
Nelle zone artiche la progettazione delle condotte
sottomarine deve affrontare ulteriori problemi. Durante la stagione primaverile il disgelo dei corsi d’acqua
fig. 11. Immagine
di condotta posata
su un fondale irregolare
con sviluppo di campate
libere e realizzazione
di opere di supporto
785
che raggiungono il mare ancora gelato crea flussi di acqua
fluviale che scorre attraverso il ghiaccio marino. In presenza di cavità o crepe nel ghiaccio, l’acqua fluviale si
infiltra, creando vortici e getti verso il basso in grado di
scavare profonde buche nel fondo (Palmer, 2000). Grandi masse di ghiaccio si muovono in acque basse spinte
dal vento e dalla pressione di altre masse di ghiaccio,
solcando il fondale con scavi che possono avere anche
una profondità di 10 m e una larghezza di 100 m. Evitare il rischio di danneggiamento per l’azione degli iceberg in movimento è uno degli obiettivi primari della
progettazione di una condotta sottomarina in zone artiche (Woodworth-Lynas et al., 1996; Palmer, 2000).
Anche i fattori idrodinamici influenzano la scelta
di un percorso. È preferibile evitare le zone in cui esistono correnti molto forti in grado di spostare la condotta lateralmente e complicare la posa. Forti correnti
di marea si verificano in acque poco profonde, in
prossimità degli estuari e degli stretti. Spesso è preferibile scegliere un percorso più lungo con correnti
minori piuttosto che attraversare la parte più breve di
uno stretto. Le aree in cui l’azione del moto ondoso è
particolarmente intensa devono essere evitate sia per
problemi di stabilità della condotta, sia per le difficoltà che si creano nelle operazioni di varo (Komar,
1976). Poiché gli effetti del moto ondoso sono maggiori in acque basse, si tende ad accorciare il più possibile questi tratti di percorso, preferendo la posa in
acque più profonde. La differenza di densità tra le
varie profondità della colonna d’acqua può comunque
dare origine a forti correnti sul fondo.
Ambiente meteomarino
Le condizioni meteomarine hanno un’importanza
rilevante per le implicazioni che possono avere su diversi aspetti della funzionalità di una condotta quali la installabilità, la stabilità e l’integrità nel tempo. I fenomeni
meteomarini che interessano più direttamente sono quelli dinamici associati ai movimenti delle masse d’acqua:
correnti e moto ondoso. La distinzione fra essi è giustificata sia dalle differenti scale spaziali e temporali che
dalle diverse caratteristiche fisiche. Mentre per il moto
ondoso il trasporto di materia è modesto ed è soprattutto l’energia del moto ondoso stesso che si propaga a lunghe distanze, nelle correnti si osserva soprattutto il trasporto di massa, cioè di acqua (fig. 12). Non sono comunque trascurabili altre caratteristiche dell’ambiente
meteomarino quali il vento e la pressione atmosferica,
le variazioni del livello marino (marea) e le caratteristiche chimico-fisiche dell’acqua (Csanady, 1982).
Per poter pervenire a un’adeguata caratterizzazione
dell’area in cui la condotta sottomarina viene posata è
necessaria una stima affidabile dei parametri meteomarini di progetto. L’analisi va condotta secondo un approccio
786
metodologico che si avvale di dati sperimentali, di procedure di elaborazione statistica e di simulazione matematica dei processi dinamici; di volta in volta adattata
alla situazione fenomenologica specifica del sito in esame
e alla natura del progetto, tale analisi consta di: a) analisi fenomenologica tendente a identificare le caratteristiche meteomarine rilevanti per il progetto; b) raccolta
dei dati storici disponibili; c) esecuzione di campagne
meteoceanografiche per il rilevamento di misure integrative; d) analisi dei dati e determinazione delle proprietà statistiche dei parametri condizionanti il progetto; e) ricostruzione mediante modelli matematici dei
fenomeni fisici rilevanti per l’opera; f ) stima dei valori
estremi dei parametri meteoceanografici influenti sulla
stabilità della struttura e determinazione dei parametri
di progetto; g) analisi degli effetti dell’opera sull’ambiente, per la Valutazione di Impatto Ambientale (VIA).
L’analisi meteomarina fornisce informazioni su due
categorie di condizioni: condizioni meteomarine normali ed estreme. Le informazioni sulle condizioni
meteomarine normali, necessarie per la verifica di persistenza nel tempo delle condotte, per la scelta dei
mezzi e del periodo di costruzione, per la stima del
funzionamento dell’opera, ecc. derivano dalle distribuzioni statistiche dei parametri meteoceanografici e
delle grandezze che li caratterizzano. Le informazioni
sulle condizioni meteomarine estreme, necessarie per il
dimensionamento e la verifica della stabilità dell’opera,
si basano sulle stime dei valori estremi, cioè associati a
eventi rari, che i diversi parametri meteoceanografici
possono raggiungere durante la vita dell’opera, e del
rischio di superamento di tali valori. A partire da tali
informazioni e sulla base dei criteri di progettazione
adottati, generalmente stabiliti dalle normative vigenti,
vengono definiti i parametri ambientali di progetto,
profilo
di corrente
profilo velocità
orbitale (onda) sforzo di trazione
del moto orbitale
sforzo di trazione
della corrente
fig. 12. Azione contemporanea di onde
e corrente su fondale sabbioso.
cioè i dati sulla base dei quali verrà progettata l’opera
(Herbich, 1990). L’analisi meteomarina fornisce inoltre
una serie di informazioni di ausilio all’ingegneria nella
scelta delle soluzioni progettuali da adottare, o di integrazione della documentazione da presentare alle autorità
competenti per l’approvazione del progetto, quale per
esempio la valutazione della dispersione del sedimento
messo in sospensione durante l’esecuzione degli scavi
per l’interramento della condotta negli approdi costieri.
Vento e pressione atmosferica
Nonostante i fenomeni meteorologici non influenzino direttamente la progettazione delle condotte, se non
per gli aspetti relativi all’operatività dei mezzi di posa,
la conoscenza delle condizioni di vento e di pressione
atmosferica è fondamentale per una corretta valutazione
delle onde e delle correnti che sono generate dal vento
stesso. Infatti le scale spazio-temporali e l’intensità dei
fenomeni idrodinamici marini sono correlate alle scale e
all’intensità dei fenomeni meteorologici che le determinano e pertanto un’approfondita conoscenza delle caratteristiche meteorologiche permette di ricostruire,
mediante l’impiego di modelli matematici o empirici, i
fenomeni idrodinamici. Tale possibilità è di particolare
importanza quando, come spesso accade, non si dispone
di misure dirette del moto ondoso e delle correnti, o
quando queste non risultano rappresentative della variabilità spaziale e/o temporale dei fenomeni. L’atmosfera,
come ogni altro fluido turbolento, presenta una varietà
di moti su tutte le possibili scale spazio-temporali.
Alcuni di questi moti si ripetono con caratteristiche
abbastanza simili, tanto da poter essere considerati
appartenenti a famiglie di sistemi dinamici con caratteristiche e scale spazio-temporali ben definite. La quasi
totalità delle scale atmosferiche spazio-temporali è di
interesse per la progettazione delle condotte sottomarine. Trascurando i fenomeni a piccola scala (scala del
tempo inferiore a 1 ora, scala spaziale inferiore a 1 km),
che hanno un interesse marginale, l’interesse si estende
dai fenomeni a mesoscala (scala del tempo inferiore a 1
giorno, scala spaziale inferiore a 100 km) fino a quelli a
scala planetaria (scala del tempo superiore a 1 mese,
scala spaziale superiore a 1.000 km).
Correnti
Le correnti marine agiscono a vari livelli sull’integrità
di una condotta posata sul fondo marino: si comportano
come forza laterale e verticale, con implicazioni sulla stabilità della condotta; causano vibrazioni laterali e verticali
su sezioni di condotta non appoggiate sul fondo, con conseguenti problemi di affaticamento; determinano complessi fenomeni di movimento dei sedimenti in prossimità della condotta stessa, che possono causare l’erosione della base di appoggio e conseguenti problemi di affaticamento e stabilità. Conseguentemente, l’intensità e la
direzione delle correnti e la associata frequenza di occorrenza sono fra i principali fattori ambientali di cui tener
conto nella progettazione delle condotte sottomarine.
Le correnti sono determinate da varie forze: forze
primarie, che generano e mantengono il movimento
della massa d’acqua, e secondarie, che modificano soltanto i moti già esistenti. Le forze primarie si distinguono a loro volta in forze interne ed esterne. Le forze interne sono causate dalle variazioni di pressione all’interno
della massa d’acqua; tipici esempi sono le forze generate dall’accumulo di acqua in prossimità della costa,
determinato dall’azione di trascinamento del vento, o le
forze conseguenti a differenze di densità delle masse
d’acqua. Esempi di forze esterne sono lo sforzo tangenziale del vento alla superficie, le forze di marea, le
variazioni di pressione atmosferica, ecc. Lo sforzo tangenziale del vento è la forza principale. Esso produce
correnti di deriva alla superficie del mare e influenza le
forze interne di pressione in quanto determina l’accumulo di acqua in prossimità delle coste. Le forze di
marea generano moti periodici e non causano spostamenti a grande scala della massa d’acqua. Le forze
secondarie non generano alcun moto ma modificano il
moto esistente. Forze secondarie sono la forza d’attrito,
che riduce la velocità della corrente, e la forza di
Coriolis, determinata dalla rotazione terrestre, la quale
causa una variazione della direzione della corrente.
Il moto del fluido nel mare è governato dalle leggi fisiche di conservazione e dall’equazione di stato (Neumann
e Pierson, 1966). Queste leggi fisiche si traducono
matematicamente in un sistema di equazioni con incognite costituite dalle componenti della velocità, dalla
pressione, dalla densità, dalla salinità e dalla temperatura. Le equazioni del moto sono risolte numericamente mediante l’applicazione di modelli numerici che
riproducono, con necessarie semplificazioni e approssimazioni, le condizioni batimetriche e meteomarine
dell’ambiente che si vuole studiare. L’applicazione dei
modelli numerici, previa calibratura ottenuta utilizzando misure eseguite in mare, permette di estendere
la casistica ottenuta dalle misure stesse, che è necessariamente limitata nel tempo a causa dei costi e dei
tempi, e quindi di calcolare le condizioni estreme di
corrente da cui deriva la ‘corrente di progetto’ per la
condotta sottomarina.
Onde
Il moto ondoso marino è costituito dalle oscillazioni
(onde) generate dall’azione del vento sulla superficie del
mare, che possono mantenersi e propagarsi anche quando
il vento cessa. A prescindere dalle forze di attrito (del vento
sulla superficie del mare, del fondale sul moto dell’onda
stessa), la sola forza agente su queste onde è la gravità, da
cui deriva il nome di ‘onde di gravità’. Nella fase di generazione in cui il vento trasferisce energia alla superficie del
787
mare e la fa crescere di dimensione, le onde hanno forme
complesse e instabili, caratterizzate da fenomeni di frangimento e da processi non lineari. In assenza di vento le onde
tendono a divenire più regolari e più facilmente descrivibili con strumenti matematici (Goda, 1985). Nelle onde marine si identificano le gole e le creste; l’altezza d’onda è intesa come la distanza verticale fra gola e cresta, la lunghezza d’onda l come la distanza fra due creste successive, il
periodo d’onda come l’intervallo di tempo che intercorre
fra il passaggio di due creste per un punto fisso nello spazio. Altri parametri di interesse del moto ondoso sono la
velocità di propagazione dell’onda e la velocità delle particelle d’acqua durante il passaggio dell’onda. La prima è
generalmente superiore alla seconda; soltanto in fase di
frangimento la velocità delle particelle d’acqua supera quella di propagazione e l’onda collassa. La velocità delle particelle d’acqua è il parametro che più interessa nella progettazione di condotte sottomarine perché definisce le condizioni di carico dinamico al passaggio dell’onda. In
superficie, le particelle d’acqua compiono nel tempo di un
periodo un’orbita quasi circolare, il cui diametro è pari all’altezza d’onda (z0), sicché la velocità orbitale è maggiore in
un’onda corta ma alta rispetto a una lunga ma bassa. Con
il progredire della profondità, le orbite delle particelle si
riducono, secondo una legge esponenziale (aekz0, dove a e
k sono due costanti) che controlla il relativo raggio (a), e si
appiattiscono in prossimità del fondo dove il moto orbitale è esclusivamente orizzontale (fig. 13).
Fra le onde marine di superficie si distinguono due
tipi: le onde prodotte dal vento e le onde residue. Le onde
prodotte dal vento hanno dimensioni e periodo che dipendono dall’intensità del vento, dalla sua durata e dall’area
di mare aperto su cui esso agisce. Hanno una forma molto
irregolare e possono essere considerate come la sovrapposizione di un gran numero di onde elementari (sinusoidali), ciascuna avente propria altezza, periodo e direzione di propagazione. Queste onde elementari formano
lo ‘spettro ondoso’, la cui larghezza di banda è una indicazione di quanto siano differenziate le componenti elementari. Il moto ondoso permane anche in assenza di vento
e si propaga dall’area di generazione in altre aree di mare.
Nel processo di propagazione le onde più basse e con
periodo breve si attenuano più rapidamente delle onde più
alte con periodi lunghi; ne risulta un moto ondoso più
regolare, con larghezza spettrale ridotta e direzionalmente più focalizzato. Una caratteristica del moto ondoso è la
capacità di propagarsi su lunghe distanze con una minima dispersione di energia. Si pensi, per esempio, che su
tutta la costa dell’Africa occidentale, dove le calme equatoriali determinano basse condizioni di onde prodotte dal
vento, le onde sono dovute al moto ondoso proveniente
dalla fascia dei cosiddetti roaring forties dell’Atlantico
meridionale, distante alcune migliaia di chilometri.
Per la progettazione di condotte sottomarine sono
particolarmente importanti i fenomeni di interazione tra
788
a
z0
aekz0
l/2
acque basse
acque intermedie
acque profonde
fig. 13. Traiettorie orbitali dell’onda in funzione
della profondità.
fondo marino e moto ondoso, che diventano significativi quando la profondità è minore di metà della lunghezza d’onda. Infatti, nelle acque poco profonde, il moto
ondoso ha un effetto dinamico in prossimità del fondo e
agisce direttamente come carico sulla condotta. Tali effetti crescono con il diminuire della profondità e raggiungono la massima intensità nella zona dei frangenti, quella del cosiddetto shore approach (avvicinamento alla
costa), dove occorre generalmente ricorrere all’interramento per proteggere la condotta dai carichi idrodinamici
troppo intensi (Tucker, 1991). Fra i principali fenomeni
di interazione tra fondo marino e moto ondoso ricordiamo la rifrazione (rotazione dei fronti d’onda che tendono ad allinearsi con le isobate), lo shoaling (variazione
della concentrazione dell’energia o della ripidità dell’onda), la diffrazione (generazione di fronti d’onda semicircolari in corrispondenza di ostacoli sommersi), la riflessione dell’onda, l’assorbimento (perdita di energia per
azione del fondo o di un ostacolo) e infine il frangimento. Quest’ultimo fenomeno occupa un ruolo di primaria
importanza nella progettazione di condotte sottomarine,
in quanto la zona dei frangenti è sicuramente il tratto con
più alta dinamicità nel tracciato di una condotta. La zona
dei frangenti è caratterizzata da condizioni altamente turbolente, correnti litoranee intense dovute al frangimento
delle onde e violenti impatti della massa dell’onda che si
frange; tale dinamicità determina condizioni estreme sia
di carichi idrodinamici, sia di trasporto di sedimenti. Ne
consegue che, in fase di progettazione, lo studio delle
caratteristiche dinamiche della surf zone (zona dei frangenti) è focalizzato alla determinazione della estensione
del tratto di condotta da interrare e alle condizioni temporanee di carico nel lasso di tempo che intercorre tra la
posa della condotta e il suo interramento.
Caratteristiche chimico-fisiche dell’acqua di mare
Le caratteristiche chimico-fisiche dell’acqua di mare
di maggiore interesse nella progettazione di condotte sottomarine sono la composizione (essenzialmente la salinità, il contenuto di ossigeno disciolto e il pH) che ha
influenza sui processi corrosivi, la temperatura che regola gli scambi termici fra la condotta e l’ambiente marino,
con implicazioni sui processi corrosivi, le caratteristiche
idrauliche del fluido all’interno della condotta e la densità che influenza tutti i fenomeni dinamici di interazione fra l’ambiente marino e la condotta stessa (Neumann
e Pierson, 1966).
Quasi tutte le sostanze note sono presenti nell’acqua di mare, almeno in tracce; gli elementi presenti in
maggior misura sono il cloro e il sodio. L’acqua di mare
è debolmente alcalina (pH8,1-8,2) e si comporta praticamente come una soluzione tampone, conservando
cioè inalterato il suo pH indipendentemente dalle sostanze in essa sversate. Inoltre, a causa della notevole quantità di ioni presenti, l’acqua di mare è un elettrolita con
una conduttanza relativamente elevata che cresce quasi
linearmente con la salinità. Altra caratteristica dell’acqua del mare è la costanza dei rapporti tra le concentrazioni delle principali sostanze in essa disciolte. Grazie a tale costanza è possibile esprimere la salinità totale, cioè la percentuale in peso dei sali disciolti nell’acqua
del mare, come funzione della concentrazione del cloro
o clorinità. Mentre le proporzioni tra le principali sostanze sono praticamente costanti, le concentrazioni assolute variano sia nello spazio sia nel tempo, seguendo le
variazioni della salinità. Negli oceani aperti la salinità
varia dal 34‰ al 38‰; la media è vicina al 35‰. Le
acque dei mari interni, aventi uno scambio ridotto con
l’oceano aperto, hanno una salinità minore nelle zone
caratterizzate da intense precipitazioni e considerevoli apporti fluviali. Esempi tipici sono le parti interne
del Mar Baltico e alcuni fiordi, dove la salinità può
scendere a valori dell’ordine dello 0,5-1‰. Nelle zone
dove l’evaporazione predomina sulle precipitazioni,
l’acqua dei mari interni presenta valori di salinità molto
più elevati, come nel Mar Rosso dove la salinità raggiunge il 43-45‰. Poichè le variazioni della salinità
sono legate essenzialmente alle variazioni della differenza tra precipitazione ed evaporazione, si ha una variabilità della salinità in funzione sia della latitudine sia
delle stagioni. La variabilità stagionale è esaltata nei
mari interni a causa dello scarso ricambio e del contributo degli apporti fluviali.
La temperatura dell’acqua è determinante per la maggior parte dei processi fisici, chimici e biologici che
avvengono nel mare. Negli oceani la temperatura varia
da circa 2 °C a circa 30 °C. Il limite inferiore è determinato dalla formazione di ghiacci, mentre il limite superiore è regolato dai processi di radiazione e scambio termico con l’atmosfera. Nei mari interni con scarso ricambio la temperatura può essere più alta, ma raramente
questo si verifica nell’oceano aperto. La temperatura
delle acque di fondo degli oceani è sempre relativamente bassa, variabile da circa 1 °C a circa 4 °C. La
variabilità spaziale e temporale della temperatura è
influenzata da diversi fattori, ma comunque si possono individuare alcune caratteristiche generali. Per quanto riguarda la distribuzione spaziale, i valori più alti di
temperatura si registrano leggermente a nord dell’equatore; inoltre le temperature superficiali dell’emisfero meridionale sono leggermente inferiori, a parità di
latitudine, di quelle dell’emisfero settentrionale. Ciò
può essere attribuito alle differenze nelle caratteristiche
della circolazione atmosferica nei due emisferi, all’effetto della minor estensione delle terre emerse nell’emisfero boreale e alla presenza del continente antartico. La temperatura dell’acqua presenta anche una variabilità annuale che dipende da numerosi fattori,
principalmente dalle variazioni della radiazione solare
incidente e dal regime delle correnti e dei venti. Le oscillazioni periodiche della temperatura sono anche presenti negli strati più profondi, anche se esse tendono ad
attenuarsi rapidamente con la profondità.
La densità dell’acqua del mare dipende dalla temperatura e dalla salinità e anche, come risultato della leggera compressibilità dell’acqua, dalla pressione. Quest’ultimo effetto risulta comunque molto debole e diviene significativo solo alle grandi profondità. La densità
aumenta con l’aumentare della salinità e con il diminuire della temperatura. Il range di densità dell’acqua di
mare varia da 1.005 kg/m3 a 1.030 kg/m3. La distribuzione spaziale della densità delle acque oceaniche presenta due caratteristiche principali: nella direzione verticale la stratificazione è generalmente stabile, nella direzione orizzontale differenze di densità relativamente
stabili sono possibili in presenza di correnti.
Georischi per le condotte sottomarine
Come già accennato i fondali marini sono morfologicamente vari e complessi quanto la superficie terrestre (fig. 14) e i fenomeni fisici che li interessano sono
spesso complicati dall’azione di onde e correnti oltre che
dalla impossibilità di studiarli direttamente (Poulos, 1988).
In particolare, se gli ambienti costieri sono in continua
e rapida evoluzione, soggetti all’influenza del moto ondoso e delle correnti (Sumer e Fredsoe, 2002), negli alti
fondali le scarpate e i margini continentali sono caratterizzati da condizioni geologicamente molto complesse
e presentano problemi di instabilità di vario genere, la
cui natura a volte è molto difficile da identificare.
Alcune delle problematiche geomorfosismiche che
regolano l’equilibrio dei fondali marini sono molto simili a quelle tipiche dell’ambiente terrestre, sia nella tipologia sia nella trattazione analitica. Per questo tipo di aspetti si rimanda alla trattazione delle analoghe problematiche relative alle condotte terrestri. Fenomeni specifici
dell’ambiente marino sono le frane sottomarine, alcuni
aspetti dell’attività sismica e l’azione delle onde (fig. 15).
Frane sottomarine
Un pendio sottomarino, come nel caso di condizioni terrestri, è soggetto alla forza di gravità che tende a
789
fig. 14. Immagine tridimensionale di fondale
marino: scarpata e margine continentale
molto irregolare con presenza di pendii ripidi
e canyon favorevoli allo sviluppo di flussi
gravitativi (per cortesia di R. Bruschi).
spingere le masse verso il basso. La sua stabilità quindi
è strettamente legata alla pendenza, al peso e alla resistenza del suolo. Lo studio della stabilità di un’area si
basa sulla conoscenza della batimetria (in particolare di
tutte le forme ‘superficiali’ locali come canyon, avvallamenti, ecc.), della stratigrafia e delle proprietà meccaniche dei sedimenti. Le frane sottomarine rappresentano uno dei rischi principali connessi all’ambiente subacqueo. Le cause che le scatenano possono essere molteplici
e si distinguono in due tipologie fondamentali: cause che
tendono ad aumentare lo stato di sforzo agente sul sistema in esame e cause che tendono a ridurre la capacità di
resistenza del suolo. Tra le cause di aumento dello stato
fig. 15. Schema
delle varie tipologie
di rischio geomorfosismico
che caratterizzano
l’ambiente sottomarino.
di sforzo nel terreno vi sono la deposizione e l’accumulo a monte (o l’erosione al piede) di un versante. Su grande scala, in genere, si tratta di fenomeni che avvengono
lentamente e quindi non interferiscono con la vita operativa di una condotta per il trasporto di idrocarburi. Tuttavia essi possono influire in maniera significativa sulla
stabilità generale dell’area e vanno tenuti in considerazione specie nel caso di rapido aumento della pendenza
o di formazione di canali causati dall’erosione.
La fuoriuscita di gas e di fluidi dal sottosuolo causa
depressioni nel fondale marino che spesso sono associate alla presenza di faglie. Le pendenze di tali depressioni possono risultare localmente elevate dando origine a piccoli dissesti. I fenomeni intrusivi di materiale
salino o fangoso, come pure i vulcanelli di fango, esercitano una forte pressione laterale nel terreno circostante e, se localizzati a monte di un versante, possono indurre notevoli deformazioni con espulsione di materiale che
potrebbe investire un’eventuale condotta situata a valle,
danneggiandola o ricoprendola.
I terremoti influiscono sulla stabilità dei pendii sottomarini allo stesso modo che nei versanti a terra. L’azione dei ghiacciai e degli iceberg può essere invece molto
importante sul fondale marino e si evidenzia attraverso
la presenza di suoli molto sovraconsolidati e di profondi
solchi scavati. Ai fini dello studio della stabilità di un’area vanno considerati anche gli effetti legati all’installazione della condotta e alla possibile subsidenza conseguente allo sfruttamento di giacimenti sottomarini per la
compattazione associata alla produzione.
Tra le cause in grado di ridurre le capacità di resistenza del terreno sono da annoverare tutti quei fattori
che provocano variazioni dello stato tensionale totale nel
terreno in modo non drenato o solo parzialmente drenato, vale a dire tutte quelle variazioni di carico che avvengono in maniera tanto rapida, rispetto alla permeabilità
del terreno, da non consentire la contemporanea fuoriuscita dell’acqua dai pori e quindi causare l’aumento delle
generazione
di onde
flusso
gravitativo
frana
retrogressiva
maremoto
potenziale
linea di
scorrimento
vulcanello
di fango
fuoriuscita
di gas
azione
sismica
intrusione
di materiale
790
pressioni interstiziali. Una deposizione troppo rapida di
sedimenti (fenomeno tipico alla foce dei grandi fiumi)
dà origine alla formazione di materiale sottoconsolidato,
il cui comportamento in termini di stabilità deve essere
necessariamente analizzato di volta in volta attraverso
l’uso di appositi modelli. Alcuni terreni presentano un
comportamento di tipo fragile o contrattivo (Poulos, 1988),
cioè subiscono una forte compattazione quando sono sottoposti ad azioni di taglio superiori a quella limite (o di
picco) del materiale. Il carico dovuto a un sisma sottopone il terreno a una serie di variazioni cicliche dello sforzo (Kramer, 1996) che può causare la compattazione di
materiali normalmente consolidati o debolmente consolidati, con aumento della pressione interstiziale e diminuzione della resistenza. Le argille soffici e normalmente consolidate sono particolarmente sensibili a questo
fenomeno e possono subire un notevole rimaneggiamento
con conseguenze importanti per il loro comportamento
meccanico, di cui è fondamentale tenere conto in sede di
studio e modellizzazione. La diminuzione di tensioni efficaci, e quindi di resistenza, può essere dovuta anche alla
dissoluzione o alla espansione del gas contenuto nei pori.
I suoli contenenti gas rappresentano uno dei temi più
importanti nello studio della stabilità dei fondali marini.
La presenza di idrati nel terreno è un altro aspetto dello
stesso problema. In determinate condizioni di pressione
e temperatura le formazioni cristalline tendono a sciogliersi liberando grandi quantità di gas e inducendo un
aumento della pressione interstiziale.
Terremoti e azioni sismiche
I terremoti rappresentano uno dei fattori più importanti tra le cause naturali in grado di innescare grandi
fenomeni di instabilità. La letteratura specializzata riporta innumerevoli episodi catastrofici di frane sottomarine (Poulos, 1988). Uno degli effetti associati a un evento sismico in grado di innescare grandi fenomeni di instabilità è la fluidizzazione del terreno. Durante un sisma
le sabbie sciolte e i limi tendono a compattarsi trasferendo il carico sull’acqua che riempie i pori, con conseguente aumento della pressione interstiziale e creazione
di flussi verso l’alto. Ciò comporta la riduzione delle tensioni efficaci mentre il gradiente di flusso verso l’alto
può raggiungere un valore tale da fluidizzare gli strati
più superficiali. In acque molto profonde il fondale si
presenta generalmente composto di argilla o sedimenti
argillosi. La maggior parte dei terreni coesivi non è soggetta alla fluidizzazione, tuttavia alcuni tipi di materiali (argille sensitive), caratterizzati da basso contenuto di
argilla, bassa plasticità ed elevato contenuto di acqua,
possono subire grandi perdite di resistenza (Seed et al.,
2003). Molte argille marine possono subire questa perdita di resistenza anche a causa delle alterazioni chimiche provocate dal dilavamento delle sostanze saline e
dalla perdita dei contatti intergranulari. In presenza di
materiali soggetti al rischio di fluidizzazione è necessario effettuare analisi dettagliate del problema, stimando
il rischio di occorrenza degli eventi, ed eventualmente
prevedere le opportune contromisure (Kramer, 1996).
Anche se i materiali deposti in acque profonde generalmente non sono soggetti a fluidizzazione, un evento
sismico può comunque causare fenomeni di instabilità
attraverso la somma di spostamenti verso il basso conseguenti a riduzioni cicliche della resistenza. La valutazione della stabilità dei pendii in condizioni sismiche è
simile alla soluzione dell’analogo problema a terra. Per
la comprensione dei fenomeni, ai fini della progettazione di una condotta sottomarina in un fondale argilloso,
è importante stabilire se le deformazioni che si generano nella massa di terreno sono di tipo elastico (e quindi
recuperate alla fine dell’evento sismico) o plastico (cioè
consistenti in una deformazione residua permanente). In
quest’ultimo caso, interessa stabilire quale sia l’entità di
tale deformazione e se il terreno è in grado di conservare le proprie caratteristiche meccaniche alla fine dell’evento sismico oppure subisce una degradazione.
In particolari condizioni morfologiche (pendenze elevate, disponibilità di materiale, presenza di canyon o
canali di trasporto) ai fenomeni di instabilità può seguire l’innesco di flussi gravitativi e correnti di torbida
(Bughi e Venturi, 2001). Nel caso generico dei flussi gravitativi si tratta di flussi di materiale più o meno grossolano trasportato da una matrice più fine che, da un
punto di vista meccanico, si comporta come un materiale viscoplastico che si muove su pendii piuttosto ripidi. Le velocità di moto sono approssimativamente dell’ordine delle decine di metri al secondo e le distanze
percorse dell’ordine di alcuni chilometri. È relativamente
facile rilevare i segni di un flusso gravitativo avvenuto
su un fondale marino attraverso le prospezioni geofisiche, ma non esistono misure dirette del movimento. Data
la massa dei materiali, i volumi coinvolti e, soprattutto,
la velocità del moto, i flussi gravitativi rappresentano
una seria minaccia per la sicurezza delle condotte sottomarine. Le correnti di torbida si riferiscono a un miscuglio di materiale fine e acqua che, una volta mobilizzato, è in grado di svilupparsi e autoalimentarsi anche in
fondali a pendenze molto basse. La densità del materiale in questo caso è poco superiore a quella dell’acqua e
la velocità media è di circa 10 m/s; le distanze percorse possono essere di varie decine o centinaia di chilometri. Anche le correnti di torbida possono influenzare
la stabilità della condotta sul fondo e date le distanze
percorse da queste, come pure dai flussi gravitativi generici, si comprende come lo studio dell’ambiente per la
progettazione di una condotta sottomarina deve necessariamente riguardare aree molto estese e non può limitarsi al corridoio costituito dal suo tracciato (Bughi e
Venturi, 2001). A differenza del caso dell’ambiente terrestre, l’esplorazione e la raccolta di dati morfologici e
791
soprattutto geotecnici per la modellizzazione e l’analisi
dei fenomeni che avvengono sul fondale è molto difficile e spesso impossibile. Maggiori sono le incertezze
relative ai parametri misurati, più elevato è il grado di
interpolazione delle informazioni applicate nell’area.
riduzione delle prestazioni richieste alla stazione di pompaggio/compressione), e che i requisiti necessari di sicurezza nei confronti dell’ambiente circostante siano rispettati.
Fluidizzazione prodotta dal moto ondoso
Il fluido trasportato all’interno di una condotta può essere in fase singola o multifase. Un flusso in fase singola può
essere gassoso oppure liquido, senza particelle solide e senza
nessun altro tipo di liquido o di gas insolubile. Il flusso di
gas naturale e di olio trattati sono esempi di flusso in fase
singola. Un flusso multifase contiene almeno due fasi separate, per esempio: a) una fase liquida e una solida; b) una
gassosa e una solida; c) una liquida e una gassosa; d) due
fasi liquide immiscibili. Flussi multifase sono spesso presenti nelle condotte che collegano il giacimento di petrolio
con la centrale di trattamento, posta in prossimità del giacimento dove gli idrocarburi estratti sono trattati prima di
essere trasportati alla raffineria. Il fluido multifase in generale comprende una fase gassosa, una o più fasi liquide (olio
e acqua) e qualche volta una fase solida (sabbia); è incomprimibile se la densità di ciascuna particella presente nel
flusso, sia essa fluida oppure solida, rimane costante, ed è
omogeneo se la densità è costante lungo il flusso stesso.
Le proprietà fisiche necessarie per un’analisi ingegneristica sono: a) fasi presenti e loro percentuale; b) peso
molecolare; c) densità; d) compressibilità; e) viscosità;
f ) capacità termica; g) conduttività termica; h) tensione
superficiale (per flussi multifase). Nella letteratura del settore sono disponibili diverse correlazioni che permettono
di legare le proprietà fisiche sopra indicate. Per descrivere il comportamento del sistema fluido sono utilizzate
equazioni di stato, che legano tra loro la pressione, il volume e la temperatura. Per descrivere il comportamento dei
fluidi reali sono state sviluppate delle relazioni semiempiriche che legano i vari parametri, utilizzando costanti
determinate sperimentalmente. Tali equazioni sono chiamate in genere con il nome dei ricercatori che le hanno
sviluppate, quali l’equazione di Peng-Robinson, l’equazione di Soave-Redlich-Kwong, l’equazione di BenidictWeb-Rubin-Starling e l’equazione di Chao-Seader-Grayson-Streed (Katz et al., 1959; Mohitpour et al., 2000). I
parametri fondamentali di un fluido sono la densità, la
viscosità e la compressibilità (importante per i fluidi gassosi). Nei fluidi newtoniani, la resistenza al movimento è
direttamente proporzionale alla velocità del fluido attraverso la viscosità dinamica che è costante; nei fluidi non
newtoniani, la viscosità varia al variare dello sforzo di
taglio e il loro comportamento è notevolmente più complesso. Le proprietà fisiche di un sistema fluido dipendono generalmente dalla pressione e dalla temperatura. Un
aumento di temperatura ha un effetto positivo per le condotte che trasportano idrocarburi liquidi poiché diminuisce la viscosità e la densità abbassando, pertanto, la perdita di carico (Mohitpour et al., 2000). Al contrario, un
Il fenomeno della fluidizzazione può essere anche
conseguente a un carico diverso da quello dovuto a un
terremoto. In particolare, nelle zone costiere e dove la
profondità dell’acqua è sufficientemente bassa da trasmettere l’effetto del moto ondoso fino al fondo, l’azione ciclica che ne deriva può causare la fluidizzazione del
terreno se le caratteristiche di quest’ultimo sono tali da
renderlo sensibile a tale fenomeno (Rahman e Jaber,
1986; Madsen, 1989). Analogamente alla fluidizzazione da sisma, quella conseguente all’azione del moto ondoso riduce la resistenza del materiale e crea le condizioni ideali per l’innesco di fenomeni di instabilità. In particolare, nei casi in cui la condotta, per motivi costruttivi
o naturali, si trova interrata o parzialmente immersa nel
terreno, la fluidizzazione del fondo può portare al suo
galleggiamento generando configurazioni geometriche
tali da indurre stati tensionali anomali per la condotta,
che possono comprometterne seriamente l’integrità.
7.1.3 Fluidodinamica del trasporto
Una corretta progettazione idraulica di una condotta e dei
suoi componenti richiede l’utilizzo di modelli fluidodinamici per predire le proprietà del fluido e come esse possano modificarsi al variare della temperatura e della pressione. A seconda del tipo di condotta in esame, terrestre o
marina, e della tipologia del fluido trasportato, liquido o
gassoso, ecc., le analisi fluidodinamiche possono essere
eseguite con diversi obiettivi (Mohitpour et al., 2000;
Palmer e King, 2004); per esempio, è possibile determinare: la massima portata, una volta noti lunghezza della
condotta, rotta seguita, pressione di ingresso, pressione di
arrivo, proprietà del fluido e diametro della condotta; il
diametro della condotta, una volta definite portata massima, pressione di ingresso, pressione di uscita, proprietà del
prodotto trasportato, lunghezza della condotta e rotta; la
pressione di ingresso o di arrivo, una volta definite le altre
variabili in gioco ma con altre variabili da ottimizzare.
Il primo esempio è tipico delle condotte marine, il secondo sia delle condotte a terra sia delle condotte marine,
il terzo delle condotte a terra. Questi obiettivi devono essere
perseguiti assicurando che la condotta sia stata progettata
correttamente, in maniera tale da ottimizzare i costi di
costruzione (che aumentano con l’aumentare del diametro
della condotta) e i costi operativi (che diminuiscono con
l’aumentare del diametro della condotta, a causa della diminuzione delle perdite di pressione e della conseguente
792
Proprietà fisiche del fluido
aumento di temperatura ha un effetto negativo per le condotte a gas poiché, abbassando la trasmissibilità, cresce
la perdita di pressione. Il valore assoluto della viscosità
del gas aumenta con il crescere della pressione e della
temperatura; tale aumento provoca un incremento della
perdita di pressione d’attrito lungo la condotta e, quindi, una crescita netta della potenza necessaria per realizzare una data portata (Mohitpour et al., 2000).
Analisi idraulica
L’analisi idraulica di una condotta può essere eseguita nell’ipotesi di condizioni stazionarie e non. Nel
caso di flusso stazionario si ipotizza che le proprietà
del fluido quali pressione, temperatura e velocità all’interno della condotta, non varino nel tempo oppure varino lentamente (McAllister, 1988; Kern, 1990). Per un
flusso non stazionario (transitorio) si prende in esame
il comportamento del sistema nel caso in cui varino con
il tempo alcuni parametri fondamentali quali, per esempio, la pressione di mandata, la velocità del fluido, ecc.
(Mohitpour, 1991).
Generalmente i sistemi di condotte sono progettati
assumendo condizioni di flusso stazionarie, considerate sufficienti per ottimizzare i parametri progettuali di
una condotta. Tuttavia, esistono situazioni che richiedono analisi più sofisticate rispetto a quelle convenzionali che si presentano in condizioni di flusso stazionario.
Queste situazioni includono condizioni di esercizio molto
severe (per esempio, pressione e temperatura elevate) e
rapide variazioni della portata, quali quelle che precedono e seguono il collaudo della condotta. In questa e in
altre circostanze, analisi idrauliche transitorie (dette anche
dinamiche o non stazionarie) sono necessarie per verificare le capacità della stazione di pompaggio/compressione, scegliere i suoi componenti ausiliari e assicurare
un certo grado di sicurezza.
Fin dagli inizi del 19° secolo è stato portato avanti
un grande lavoro per sviluppare modelli interpretativi
al fine di predire accuratamente le condizioni di flusso di fluidi monofase liquidi e gassosi (Mohitpour et
al., 2000). Escludendo i flussi multifase, i modelli matematici disponibili sono evoluti a tal punto che nella
maggior parte delle equazioni l’errore intrinseco è trascurabile rispetto all’errore causato dall’incertezza dei
dati di input quali la rugosità superficiale della parete,
la temperatura operativa, ecc. Per esempio, l’analisi
idraulica di una condotta a gas in condizioni stazionarie può predire la perdita di pressione con un’accuratezza inferiore al 3%; i parametri usati come input nelle
equazioni di flusso, quali portata, temperatura e pressione operative e rugosità interna delle pareti, hanno
invece un impatto ben più grande sull’errore totale. I
modelli idraulici che descrivono la dinamica del trasporto di fluidi nelle condotte sono basati generalmente
su tre equazioni/relazioni fondamentali riguardanti
la conservazione della massa, il bilancio delle forze
e la conservazione dell’energia (Katz et al., 1959;
Mohitpour et al., 2000).
Condizioni di flusso stazionario
In generale, i risultati delle analisi idrauliche in
condizioni stazionarie sono utilizzati nella progettazione di una condotta. In particolare, si analizzano il
flusso e le cadute di pressione per determinare la
capacità, il diametro della condotta, la lunghezza dei
circuiti chiusi e la potenza necessaria alla stazione di
compressione/pompaggio.
Secondo la formulazione di Bernoulli (Mohitpour
et al., 2000), in tutte le sezioni di una condotta percorsa da un fluido incomprimibile di densità r in
moto stazionario, quando siano trascurabili i fenomeni d’attrito, assume lo stesso valore il trinomio
seguente
p v2
z1313
rg 2g
dove, in corrispondenza di una data sezione, z è la quota
rispetto a una quota di riferimento, p è la pressione del
fluido, g l’accelerazione di gravità e v la velocità del
fluido.
In realtà, nelle condotte sono presenti fenomeni
d’attrito e pertanto sono state proposte varie modificazioni alla formulazione di Bernoulli. In particolare, la
perdita di pressione per unità di lunghezza della condotta dovuta all’attrito esercitato dalla parete della
condotta sul fluido al suo interno è data da
frv2
hf1322
2D
dove D è il diametro interno della condotta e f il fattore
di attrito, per il quale sono state proposte varie formule
(una delle più comuni è quella di Darcy-Weisbach; in
alternativa è spesso usata la formula di Fanning). Per
calcolare il fattore d’attrito è necessario valutare il
regime di flusso: laminare o turbolento. Questo si
determina calcolando il numero di Reynolds
rVD VD
Re132313
m
v
che rappresenta il rapporto tra le forze d’inerzia, rV 2,
mV dove m è la viscosità dinae le forze viscose, 13
D
m
13
mica e v , la viscosità cinematica. Per numeri di
D
Reynolds inferiori a 2.000 il flusso è laminare e il fattore di attrito è pari a
64
f13
Re
Per numeri di Reynolds superiori a 2.300 f può essere
calcolato utilizzando l’equazione empirica di Colebrook-
793
White, nella quale interviene la rugosità e della parete
interna della condotta:
1
2e 18,7
11
1 1,742log 1111
1
D Re f
f
Per valori del numero di Reynolds molto elevati, il
secondo termine tra parentesi diventa trascurabile, il
che semplifica notevolmente il calcolo di f. L’equazione di Colebrook-White è usata per costruire il diagramma
di Moody (fig. 16), che permette di valutare graficamente i fattori d’attrito. Valori tipici di rugosità per tubi in
acciaio sono: acciaio ripulito, massimo 0,005 mm; acciaio
leggermente corroso, circa 0,01 mm; acciaio fortemente
corroso, fino a 1,0 mm. Questi valori sono indicativi e
generalmente dipendono dal metodo di fabbricazione, dai
processi di pulitura che possono essere eseguiti e dalla
storia del tubo dalla fabbricazione all’utilizzo. Durante
la vita operativa possono verificarsi cambiamenti, per
esempio un aumento del fattore di attrito dovuto alla corrosione o al deposito di cere nelle condotte offshore che
trasportano fluidi corrosivi e parzialmente trattati. Le
velocità del fluido all’interno di una condotta variano
secondo la fase della vita operativa. Valori tipici della
velocità sono: idrocarburo in fase liquida, da 1,0 fino a
4,5 m/s; idrocarburo in fase gassosa, minore di 18,0 m/s
(al limite del rumore); idrocarburo bifase (liquido e gas),
maggiore di 3,0 m/s e minore della velocità alla quale si
verificano consistenti fenomeni di erosione, pari a
122
1
ve111
r
(Palmer e King, 2004).
0,100
0,090
0,080
0,070
zona a
zona
flusso zona
di
laminare critica transizione
.
. .
Condizioni di flusso non stazionario
Per valutare le differenze tra flussi stazionari e transitori si deve analizzare il comportamento di base dei flussi comprimibili e incomprimibili. Tutti i fluidi sono comprimibili, tuttavia i gas lo sono molto più dei liquidi, come
riflesso nel calcolo delle cadute di pressione e di portata.
Per prevedere accuratamente le cadute di pressione, le
proprietà del fluido devono essere determinate al variare
.
turbolenza completa
0,060
are
0,030
0,01000
0,00800
0,00600
0,00400
Rcr
0,025
tu
bi
fattore di attrito (f)
0,02000
0,01500
lamin
0,040
ru
0,020
tu
0,015
0,010
0,009
0,008
0,05000
0,04000
0,03000
flusso
0,050
.
bi
go
0,00200
si
lis
ci
0,00100
0,00080
0,00060
0,00040
rugosità relativa (e/D)
fig. 16. Diagramma
di Moody.
Perdite di pressione localizzate sono associate a riduzioni della sezione o a un cambiamento di direzione del
flusso lungo la condotta. Nel trasporto su lunga distanza, questa perdita non è generalmente importante, ma
nel caso di condotte corte e di molti raccordi questa perdita può essere significativa. Le perdite di pressione nei
raccordi possono essere determinate mediante una combinazione di formulazioni teoriche e prove sperimentali; esse possono essere considerate come perdita di pressione data da un coefficiente di resistenza, o da una lunghezza equivalente di tubazione diritta. L’energia termica
del fluido trasportato può essere considerata come una
parte dell’energia totale del sistema condotta, applicando la prima legge della termodinamica. Tuttavia, la trasformazione di energia meccanica in energia termica non
è significativa nel calcolo idraulico; è invece importante l’effetto della temperatura sulle proprietà fisiche e chimiche del fluido trasportato: questa infatti può influenzare la viscosità, la stabilità della fase liquida/gassosa,
la corrosione o la formazione degli idrati. Nei gas, la
temperatura è una variabile fondamentale nel calcolo
della portata; quindi è importante predire il profilo di
temperatura lungo la condotta.
0,00020
0,00010
0,00005
103
0,00001
2 3 4 56 104 2 3 4 56 105 2 3 4 56 106 2 3 4 56 107 2 3 4 56 108
numero di Reynolds (Re = VD/n)
794
della pressione e della temperatura lungo la condotta. Nei
liquidi, le proprietà variano poco con la pressione e la
temperatura, quindi non c’è necessità di calcolare le proprietà del fluido lungo la condotta. Nel caso dei gas, la
comprimibilità del fluido non modifica solo le proprietà
dello stesso. In condizioni di flusso transitorio, si manifestano fenomeni legati alla variazione di pressione e alla
comprimibilità del fluido, quali l’impaccamento (accumulo) del gas nella condotta, con conseguente lento
aumento della pressione, e le sovrapressioni dinamiche
collegate a processi rapidi; di questi fenomeni bisogna
tenere conto nella progettazione della condotta.
Per le condotte che trasportano liquidi, gli obiettivi
delle analisi dinamiche possono essere: a) l’ottimizzazione economica di una condotta, che comprende l’utilizzo del sistema di controllo della sovrapressione dinamica in relazione a uno spessore di acciaio più elevato;
b) il controllo del colpo di ariete e il dimensionamento
e il posizionamento di valvole di scarico della sovrapressione indotta dalla sovrapressione dinamica; c) la
progettazione e l’utilizzo del sistema di controllo, che
considera la progettazione della valvola di controllo della
stazione di compressione per ridurre l’aumento di pressione e proteggere la condotta da eccessive sovrapressioni dinamiche; d) l’effetto di una rapida chiusura delle
valvole; e) l’effetto di rapide fluttuazioni di flusso; f ) la
progettazione del sistema di rilascio della sovrapressione dinamica; g) la determinazione di possibili rotture e
perdite lungo la condotta (Mohitpour et al., 2000).
Per le condotte che trasportano gas, gli obiettivi delle
analisi dinamiche possono riguardare: a) la determinazione di possibili perdite di gas lungo la condotta; b) la
risposta della condotta a variazioni rapide di portata o di
compressione; c) l’apertura e la chiusura di valvole; d) la
determinazione delle condizioni di impaccamento della
condotta; e) le pulsazioni generate dal flusso interno;
f ) l’ottimizzazione della posizione delle stazioni di compressione lungo la rotta della condotta; g) la progettazione della capacità della condotta di garantire la quantità di gas richiesta in un sistema complesso/articolato
di condotte (Mohitpour et al., 2000).
Trasporto di gas
Parete interna
Le condotte sono rivestite internamente tutte le volte
che i fluidi trasportati hanno un’azione corrosiva o ossidante che deve essere contrastata o controllata. La scelta
del tipo di rivestimento va compiuta in funzione del tipo
di fluido da trasportare (acqua, gas, olio, ecc.), delle caratteristiche del fluido (composizione chimica, fisica, batteriologica, temperatura e pressione di esercizio) e della
modalità di esercizio (funzionamento temporaneo o non,
condotte parzialmente riempite o non, ecc.). Spesso, all’interno della condotta è applicato un rivestimento allo scopo
di ridurre le rugosità della superficie interna e quindi le
perdite di carico di alcuni punti percentuali. La riduzione
della perdita di pressione, dovuta alla comprimibilità del
gas, aumenta la quantità di gas trasportato all’aumentare
della pressione di trasporto e quindi ha delle implicazioni sui costi di trasporto di condotte a gas che operano su
lunghe distanze (5.000-6.000 km).
Il flusso in una condotta a gas è generalmente turbolento, ovvero caratterizzato da un elevato numero di
Reynolds (1,0·107) dovuto alla bassa viscosità e all’elevata densità del gas, il quale è soggetto a pressioni operative d’esercizio che variano da 10 a 30 MPa (il primo
valore rappresenta un limite superiore per le condotte
terrestri, il secondo per quelle sottomarine). Per valori
così alti del numero di Reynolds, l’equazione di Colebrook-White predice un fattore d’attrito elevato anche
in presenza di rugosità minime (1 mm). Negli ultimi
anni è stata portata avanti una serie di attività di ricerca
sperimentale e teorica al fine di quantificare in maniera
più accurata la resistenza di tubi con e senza rivestimento
interno, utilizzati per il trasporto di gas, e di definire rivestimenti interni adatti a ridurre le perdite di carico durante tutta la vita operativa della condotta.
Compressori
La compressione del gas trasportato è necessaria nelle
condotte a gas per superare le perdite di pressione che
avvengono lungo la condotta e per garantire certe condizioni di portata e pressione al punto di arrivo (Pfleiderer
e Petermann, 1985; Mukherjee, 1997). Le perdite di pressione sono dovute all’espansione del gas, all’attrito contro la parete interna della condotta, a variazioni di quota,
o a variazioni di temperatura. I compressori possono essere raggruppati in tre diverse categorie: compressori volumetrici, compressori dinamici e iniettori (fig. 17).
I compressori volumetrici intrappolano una certa
quantità di gas all’interno di un volume chiuso: riducendo il volume, essi aumentano la pressione del gas
intrappolato; il gas compresso viene poi rilasciato al
punto di scarico del compressore. Tali compressori si
dividono a loro volta in compressori alternativi e rotativi. Nei primi, un pistone riduce il volume del gas all’interno del cilindro e sono necessarie valvole per l’ingresso
e l’uscita del gas compresso e per ovviare all’inversione del flusso. Nei compressori rotativi, i rotori hanno
delle cavità che intrappolano il gas in un volume fisso o
variabile tra le cavità stesse e la carcassa esterna fissa
del compressore. Il gas si muove dal punto di ingresso
(detto anche mandata) al punto di scarico. Questo tipo
di compressore non necessita di valvole e viene generalmente utilizzato per comprimere l’aria negli impianti. I compressori dinamici, detti anche continui, si dividono a loro volta in due grandi categorie: compressori
centrifughi (o radiali) e compressori assiali. Nei primi,
le palette della girante aumentano l’energia cinetica del
795
gas in ingresso: quando le palette ruotano, le forze centrifughe spingono il gas verso l’esterno e quindi aumenta la velocità tangenziale del gas. La compressione del gas
avviene in parte nell’elica e in parte nel diffusore radiale
che avvolge la girante, o nel diffusore di scarico del compressore. Nei compressori assiali, invece, un rotore trasferisce la sua energia al gas che passa attraverso di esso
durante la compressione. In questo tipo di compressore,
il flusso del gas è parallelo all’albero del motore. Gli iniettori utilizzano l’energia cinetica di un flusso di fluido per
comprimere un altro fluido. Questi tipi di compressori non
sono utilizzati nei sistemi di trasporto di gas.
A volte, per ottenere la pressione di scarico richiesta
per trasportare il gas, si può utilizzare un certo numero
di compressori in serie (ovvero lo scarico di ogni compressore è collegato con la mandata del compressore successivo) per superare le limitazioni sui rapporti di compressione di un singolo compressore a gas. Le limitazioni principali sono:
• sul rapporto di compressione; per ragioni di sicurezza, il rapporto di compressione è generalmente
inferiore a 6 per compressori di gas. Rapporti di
compressione elevati aumentano significativamente le forze applicate sull’albero e sugli altri elementi
meccanici del compressore, rendendone la progettazione complicata e costosa e l’esercizio del compressore potrebbe risultare in certe condizioni non
sicuro. Specialmente a pressioni e a portate elevate, tipiche di condotte lunghe e con grandi diametri, il valore del rapporto di compressione varia da
1,2 a 2,0;
• sulla temperatura; i costruttori di compressori raccomandano una temperatura di scarico massima di
circa 100 °C.
Sistemi di raffreddamento
I sistemi per il raffreddamento sono ampiamente utilizzati nell’industria del trasporto del gas e possono essere impiegati come sistemi di preraffreddamento (all’aspirazione/ingresso di una stazione di compressione) o
di interraffreddamento (tra compressori in serie) per proteggere il gasdotto dal riscaldamento eccessivo. Essi possono essere utilizzati anche come sistemi di postraffreddamento (all’uscita della stazione di compressione)
per proteggere il rivestimento anticorrosivo esterno della
condotta dal danneggiamento a temperature elevate. Il
raffreddamento del gas all’uscita delle stazioni di compressione riduce anche la caduta di pressione lungo la
condotta, in quanto il gas viene trasportato a una temperatura inferiore. I sistemi di postraffreddamento riducono anche la potenza necessaria alla stazione di compressione successiva che riceve il gas a una temperatura di ingresso inferiore.
Esistono due tipi di sistemi di raffreddamento per i
gas: gli scambiatori di calore ad aria e gli scambiatori di
796
compressori
volumetrici
dinamici
iniettori
alternativi
rotativi
centrifughi
assiali
eiettori
monostadio
polistadio
a palette
a lobi
a vite
ecc.
monostadio
polistadio
polistadio
con palette
rotore
fisse o
regolabili
monostadio
polistadio
fig. 17. Classificazione dei compressori.
calore ad acqua. Secondo le condizioni climatiche e geografiche, entrambi i tipi (o una combinazione di entrambi) possono essere utilizzati per garantire il raffreddamento richiesto. I costi operativi degli scambiatori di
calore ad acqua sono molto più elevati di quelli degli
scambiatori di calore ad aria. Se le condizioni ambientali lo permettono, specialmente nelle aree remote, gli
scambiatori di calore con raffreddamento ad aria vengono utilizzati nei sistemi di trasporto di condotte a gas.
I componenti principali di uno scambiatore di questo tipo
sono: a) le ventole di raffreddamento; b) i motori collegati alle ventole di raffreddamento; c) il sistema di controllo della velocità delle ventole; d) la struttura di supporto; e) i collettori del gas da raffreddare.
Macchine motrici
I compressori sono generalmente accoppiati con altre
macchine motrici collegate all’albero del compressore,
come turbine a gas, motori elettrici, turbine a vapore
(Pfleiderer e Petermann, 1985; Wilson, 1991; Mohitpour
et al., 2000; Palmer e King, 2004).
Le turbine a gas sono le macchine motrici più comunemente utilizzate in aree remote, soprattutto nei sistemi di
trasporto del gas, e sono generalmente accoppiate con i
compressori centrifughi a gas. In esse la turbina di potenza è collegata direttamente all’albero del compressore
della condotta. Le turbine a gas sono relativamente compatte, hanno un rapporto potenza/peso elevato e sono
molto adatte per le alte velocità richieste dai compressori
centrifughi. Generalmente sono molto flessibili e si adattano bene alle condizioni d’esercizio dei compressori.
Trasporto di liquidi
Riduttori di resistenza
Il requisito principale del trasporto di un idrocarburo in fase liquida è che la pressione alla stazione di
pompaggio sia tale da garantire la pressione d’arrivo e
la portata di fluido richieste. Un altro fattore importante è che non ci siano punti lungo la condotta in cui
la pressione interna scenda sotto la tensione di vapore
del liquido. Il comportamento di un liquido dipende
esclusivamente dalla densità e dalla viscosità. La viscosità di tutti i liquidi varia con la temperatura; per esempio, nelle linee corte la temperatura all’ingresso è elevata e può avere una grande influenza sulla perdita di
pressione.
Per aumentare la capacità di un sistema di condotte
che trasportano liquidi, si possono inserire condotte parallele lungo le sezioni che fanno da ‘collo di bottiglia’ e/o
si può aumentare la potenza del sistema di pompaggio.
Qualche volta un’alternativa interessante può consistere nell’iniezione di un additivo, detto ‘riduttore di resistenza’ (drag reducer), che riduce l’attrito. L’additivo è
un polimero con peso molecolare elevato e catena molecolare lunga. L’effetto di un riduttore di resistenza è quello di sopprimere i vortici che si formano in prossimità
della parete della condotta e che dissipano energia; pertanto i riduttori di resistenza funzionano solamente in
condizioni di flusso turbolento completamente sviluppato. L’effetto di riduzione della resistenza diminuisce
nella direzione del flusso a causa della graduale rottura
dei legami molecolari della lunga catena del polimero.
Nelle stazioni ausiliarie con pompe centrifughe, il polimero viene distrutto ed è pertanto necessario reiniettare
nuovo additivo per mantenere l’effetto a valle della stazione (le pompe volumetriche sono meno dannose per
l’additivo). Il riduttore di resistenza per sua natura è un
liquido molto viscoso e deve essere iniettato a valle della
pompa tramite una piccola pompa volumetrica. La sua
efficacia e la quantità richiesta possono essere calcolate una volta note le caratteristiche del polimero e dell’idrocarburo liquido trasportato, ma le predizioni attuali non sono sempre attendibili. Una prima indicazione
(Palmer e King, 2004) delle quantità richieste è: 4-10
g/m3 per un aumento del 5% della portata; 8-25 g/m3 per
un aumento del 10% della portata; 13-40 g/m3 per un
aumento del 15% della portata.
I riduttori di resistenza sono generalmente più efficaci a elevate velocità (1,8 m/s) e a basse viscosità
cinematiche (10 cSt) e per brevi tratti di condotte
(75 km). L’efficacia diminuisce con l’aumentare della
percentuale d’acqua contenuta, poiché il riduttore di
resistenza è solubile solamente nella fase olio. I riduttori di resistenza sono inefficaci con idrocarburi liquidi contenenti cere a temperature sotto il punto di scorrimento.
Pompe
La fase di compressione è necessaria nelle condotte che trasportano idrocarburi liquidi, per superare le
perdite di pressione che avvengono lungo la condotta
e per garantire certe condizioni di portata e pressione
al punto d’arrivo. Le perdite di pressione sono dovute
all’attrito sulla parete interna della condotta e alle variazioni di quota.
Le pompe possono essere raggruppate in due diverse categorie: pompe volumetriche e pompe cinetiche
(fig. 18).
Le pompe volumetriche sono a loro volta classificate in pompe rotative e pompe alternative (Karassik, 1976).
Le pompe rotative consistono di una carcassa fissa contenente ingranaggi, viti, stantuffi, palette o elementi simili, comandati dalla rotazione dell’albero motore; le pompe
alternative sono a loro volta suddivise in pompe ad azione diretta e pompe con volano e manovella, entrambe
movimentate da sistemi di potenza a vapore.
Le pompe cinetiche più importanti sono quelle centrifughe che a loro volta si dividono in pompe con flusso radiale, misto e assiale (Pfleiderer e Petermann, 1985;
Lobanoff e Ross, 1987). Le pompe con flusso radiale
sono quelle in cui la pressione è sviluppata principalmente dall’azione di una forza centrifuga: il liquido
entra nella girante in prossimità del mozzo e si muove
radialmente verso la periferia della pompa; le pompe
con flusso misto sono quelle in cui la pressione è sviluppata in parte dalla forza centrifuga e in parte dalla
portanza delle palette sul liquido: il liquido entra nella
girante in prossimità del mozzo e viene scaricato sia
nella direzione assiale sia in quella radiale; le pompe
con flusso assiale, qualche volta chiamate pompe a elica,
sviluppano la maggior parte della loro pressione attraverso la rotazione e la portanza delle palette sul liquido: il liquido entra nella girante assialmente e viene
scaricato assialmente.
Le pompe centrifughe possono essere a stadio singolo, ovvero la pressione totale è sviluppata in una sola
girante, o multistadio, oppure con due o più giranti che
agiscono in serie all’interno della carcassa del diffusore. Le pompe più usate nelle stazioni di compressione di
condotte di idrocarburi liquidi sono quelle centrifughe e
quelle volumetriche. Quelle centrifughe sono pompe a
elevato numero di giri, collegate attraverso moltiplicatori di velocità a motori a combustione interna o a motori elettrici. Nelle grosse stazioni di pompaggio esse sono
collegate in serie, di modo che ciascuna pompa tratti tutto
il flusso, aumentando la pressione del liquido da trasportare.
Le pompe centrifughe offrono una serie di vantaggi:
primo fra tutti il fatto che il flusso di liquido che esce
dalla pompa non presenta pulsazioni significative; se
vengono installate e fatte funzionare in modo corretto
non sono soggette a vibrazioni significative; possono
operare all’esterno o in piccoli edifici; hanno bisogno
solamente di fondazioni leggere e possono essere pulite facilmente. Inoltre hanno costi ridotti e sono di costruzione e funzionamento semplici, oltre a richiedere uno
spazio relativamente piccolo.
797
fig. 18. Classificazione
delle pompe.
pompe
cinetiche
volumetriche
alternative
a pistone
a stantuffo
a diaframma
rotative
a camme
a ingranaggi
a vite
a palette
a semplice effetto
a doppio effetto
centrifughe
a flusso
radiale
a flusso
misto
aspirazione singola
e doppia
speciali
a flusso
assiale
a getto
elettromagnetiche
ecc.
aspirazione
singola
a un solo corpo
a corpi multipli
a un solo corpo
a doppio corpo
a triplo corpo
a corpi multipli
autoadescante e
non autoadescante
Trasporto multifase
Regimi
In un flusso in fase singola, la velocità media è il
rapporto tra la portata volumetrica e l’area della sezione interna della condotta. Se sono presenti più fasi, la
velocità di ciascuna di esse è espressa dalla velocità in
corrispondenza alla superficie di separazione tra le fasi,
la quale rappresenta la velocità che ogni fase avrebbe
se fosse l’unica a essere trasportata all’interno della
condotta. Si noti che tale velocità non esprime la velocità con cui la fase si muove all’interno della condotta, ma rappresenta la portata volumetrica relativa di
quella fase.
L’idrodinamica di un flusso multifase è assai più complicata di quella di un flusso in fase singola, perché le
diverse fasi hanno densità e proprietà meccaniche molto
diverse tra loro e perché all’interno della condotta possono generarsi regimi di flusso differenti. Il flusso multifase è stato ed è tuttora oggetto di studi specialistici.
La fig. 19 riporta i diversi regimi per un flusso bifase gas
e liquido, dove sull’asse delle ascisse è riportata la velocità in corrispondenza alla superficie della fase gassosa
e sull’asse delle ordinate quella della fase liquida. L’estremità inferiore sinistra corrisponde al trasporto a bassa
velocità di entrambe le fasi; l’estremità inferiore destra
corrisponde a un gas che si muove velocemente o in grande quantità e a un liquido che si muove molto lentamente
o in piccola quantità. Le figure all’interno del grafico
mostrano una breve sezione della condotta e del regime
di flusso instauratosi.
Per comprendere meglio i diversi regimi presenti nel
caso di un trasporto bifase è sufficiente fare riferimento
798
monostadio
polistadio
monostadio
polistadio
a esempi di flusso bifase che osserviamo molto spesso,
per esempio l’acqua che scorre lentamente attraverso il
collo di una bottiglia. In questo caso, l’acqua rappresenta
la fase liquida e l’aria quella gassosa; il peso specifico
dell’acqua è circa ottocento volte più grande di quello
dell’aria e il flusso è stratificato perché, essendo entrambe le velocità basse in corrispondenza della superficie
delle due fasi, il fluido più pesante, l’acqua, va a occupare la parte bassa del collo della bottiglia e il fluido più
leggero, l’aria, la parte alta (v. ancora fig. 19). Se la velocità superficiale del gas aumenta, il gas si muove più
velocemente del liquido. Ciò accade quando il vento soffia sopra la superficie del mare: a meno che la velocità
relativa sia molto piccola, si formano delle onde sulla
superficie e il flusso stratificato diventa anche ondulato. Quando la velocità del gas aumenta ulteriormente,
l’effetto può essere paragonato a un vento molto forte
che soffia sopra la superficie del mare: il vento intrappola acqua e la nebulizza. Questo è un regime misto in
cui la fase gassosa è continua e il liquido è trasportato
sotto forma di gocce: se la quantità di liquido aumenta,
la parete del tubo può venire coperta completamente dal
liquido trasportato lungo la condotta dal gas e si ha un
flusso misto anulare. Un altro caso importante si verifica quando la velocità superficiale del liquido è alta e
quella del gas è bassa. Il gas forma delle bolle separate
in un flusso liquido continuo. Le bolle tendono a muoversi lungo la parte superiore del tubo, poiché sono più
leggere del liquido.
L’ultimo caso da considerare è rappresentato da un flusso che inizia come un flusso stratificato ondulato; quando
però le velocità superficiali aumentano e le onde crescono in altezza fintanto che non riempiono completamente
la sezione trasversale della condotta, il flusso diventa un
flusso intermittente (slug flow) in cui, lungo la condotta,
sono presenti sacche liquide (slug) intervallate da tratti gassosi. I flussi intermittenti possono essere molto pericolosi
poiché il processo di trattamento all’estremità d’arrivo del
flusso deve essere in grado di gestire l’arrivo irregolare di
volumi elevati di liquido con poco gas e di volumi elevati
di gas con poco liquido. L’esistenza di flussi intermittenti
richiede generalmente la presenza di dispositivi particolari all’estremità del flusso prima della stazione d’arrivo.
Attualmente sono disponibili diversi modelli teorici
semiempirici, ovvero basati su equazioni i cui coefficienti sono stati calibrati attraverso prove sperimentali
in scala ridotta e con prototipi di condotte che trasportano flussi bifase. L’analisi idraulica dei flussi multifase
è complicata da diversi fattori che hanno un’importanza maggiore di quanto ne abbiano in quello dei flussi in
fase singola. Per esempio, le variazioni di quota hanno un
effetto piccolo nei flussi in fase singola, mentre nei flussi stratificati hanno un effetto importante (con il fluido
più denso sul fondo del tubo e il gas più leggero sopra il
liquido). Il regime di flusso su un tratto di condotta in
discesa, con una pendenza di 2 m/km, può essere completamente diverso dal flusso su un tratto di condotta in
salita, con la stessa pendenza. Nel primo caso, la forza di
gravità tende ad agevolare il fluire del liquido e, quando
le pompe alla stazione di pompaggio che spingono il fluido vengono fermate, il liquido continua a fluire per un
certo periodo di tempo. Nel caso di un tratto di condotta
in salita, la gravità tende a rallentare il liquido e il liquido può essere trascinato in avanti solamente dalla forza di
trascinamento esercitata dal flusso di gas che fluisce più
velocemente del liquido. Il liquido, che si muove più lentamente, tende ad accumularsi e a formare slug che riempiono l’intera sezione del tubo. La pressione dinamica che
si genera quando il gas è isolato dagli slug spinge violentemente questi ultimi in avanti. Un’altra complicazione è
velocità superficiale del fluido
bolle
intermittente
anulare misto
fluttuante
misto
stratificato
velocità superficiale del gas
fig. 19. Regimi di flusso per sistemi bifase.
data dal fatto che, al variare della pressione e della temperatura, varia la composizione delle fasi. In condizioni
in cui le variazioni di flusso avvengono molto rapidamente, le diverse fasi presenti possono non raggiungere
le condizioni d’equilibrio.
Dispositivi
Quando un flusso bifase arriva alla stazione di trattamento, deve passare attraverso un separatore (chiamato
slug catcher; v. cap. 5.4), il quale deve avere un volume
maggiore di quello dello slug più grande che può formarsi
nella condotta durante il trasporto. Il separatore è progettato in maniera che il gas continui a fluire, mentre il liquido è intrappolato e drenato attraverso un opportuno sistema di scarico prima dell’arrivo dello slug successivo; altrimenti deve essere considerata una trappola più grande.
Generalmente sono impiegati due tipi di separatori:
a recipiente e a tubo. I primi sono dei recipienti in pressione in grado di resistere alla stessa pressione della condotta; pertanto lo spessore della parete può essere molto
grande. Per questa ragione, spesso sono utilizzati i separatori a tubo, costituiti da piccoli e lunghi tubi con una
pendenza negativa (ovvero opposta al verso del flusso),
con un solo ingresso e due uscite: una per il gas e una
per il liquido. I separatori a tubo generalmente hanno un
ingombro maggiore di quelli a recipiente.
7.1.4 Materiali
Selezione
La scelta dei materiali per i tubi impiegati nel trasporto degli idrocarburi passa attraverso un processo
decisionale che prevede diversi tipi di analisi.
Analisi della composizione chimica
del prodotto trasportato
I requisiti che portano alla selezione del materiale
più adatto per il trasporto del prodotto specifico vengono definiti, in relazione ai parametri progettuali ipotizzabili al momento, fin dalle fasi preliminari di un
progetto. L’esperienza maturata negli ultimi due decenni, omogenei dal punto di vista dello sviluppo tecnologico dei materiali, consente quindi di effettuare una
classificazione delle condotte in base ai materiali utilizzati.
Acciai al carbonio. Gli acciai al carbonio sono impiegati per il trasporto di gas trattato, di gas acidi e di olio.
Per gli ultimi due sono state sviluppate specifiche per le
caratteristiche di reattività chimica, ma anche tecniche
di previsione della corrosione in modo da definire gli
extraspessori di acciaio necessari per la vita operativa
prevista alla pressione di esercizio indicata (Palmer e
King, 2004).
799
Acciai al carbonio ad alta resistenza. Gli acciai di
questo tipo sono ottenuti attraverso processi termomeccanici di laminazione e raffreddamento strettamente controllati. L’impiego di questi materiali nasce dall’esigenza di riduzione dei costi di investimento associata alla
scelta degli spessori della parete della condotta, sia per
il trasporto a pressioni di esercizio molto elevate, sia in
condizioni di installazione molto gravose (condotte su
fondali a elevata profondità).
Acciai speciali. Tali materiali (Inox, Duplex, Super
Duplex, 13% Cromo) sono impiegati per il trasporto di
prodotti corrosivi (Corrosion Resistant Alloys, CRA,
ovvero leghe resistenti alla corrosione) e in condizioni
di esercizio particolarmente severe. In alcuni casi sono
stati sviluppati specifici rivestimenti (cladded), e relative tecnologie di fabbricazione e saldatura, ove si utilizza un acciaio resistente alla corrosione applicato, per piccoli spessori, a contatto con il prodotto trasportato e
accoppiato internamente a un tubo in acciaio tradizionale, la cui parete viene dimensionata in funzione della
resistenza meccanica richiesta dalle condizioni di esercizio e ambientali.
Tubi flessibili. Per il trasporto di fluidi particolarmente aggressivi con tubi di piccolo diametro su brevi
distanze, si ricorre spesso a tubi flessibili (fig. 20). Da
un punto di vista strutturale, i tubi flessibili vengono
costruiti utilizzando una sequenza concentrica di fogli
metallici e polimeri termoplastici applicati, dall’interno
verso l’esterno del tubo, in funzione dello specifico utilizzo del prodotto finale e del prodotto trasportato. I tubi
flessibili vengono quindi avvolti su tamburi per poi essere installati. Questo tipo di tubi costa circa 5 o 6 volte
più di un normale tubo di acciaio, anche se tale costo
viene parzialmente compensato da tempi e costi di installazione ridotti, oltre che da una maggiore flessibilità operativa. I mezzi generalmente utilizzati per l’installazione di tubi flessibili risultano meno sofisticati, e quindi
meno costosi, rispetto a quelli utilizzati per l’installazione di una condotta tradizionale. In alcuni casi, si possono raggiungere velocità di installazione (500 m/h)
impensabili nel caso di tubi rigidi, aspetto sicuramente
non trascurabile se si pensa che nella maggior parte dei
progetti esecutivi i costi legati all’installazione della condotta sono paragonabili a quelli derivanti dall’acquisto
dei materiali. A questo si aggiunge la possibilità di recuperare la condotta per ispezione, manutenzione o anche
per un diverso futuro utilizzo. La progettazione e l’installazione di tubi flessibili vengono in genere realizzate diversamente rispetto al caso di una condotta tradizionale (Palmer e King, 2004), in quanto il produttore si
occupa del progetto di dettaglio del tubo ed è spesso
responsabile anche della sua installazione. Nel caso di
tubi in acciaio, invece, il futuro operatore si occupa in
genere della fase progettuale e il produttore viene raramente coinvolto durante l’installazione.
800
Analisi dell’impiego della condotta
La crescente richiesta di idrocarburi da parte dell’industria e la diffusa convinzione che l’utilizzo delle
condotte per il trasporto sia una soluzione economica, e
allo stesso tempo strategica, hanno dato impulso a nuovi
progetti in cui gli ambienti attraversati sono sempre più
difficili, spesso estremamente sensibili a eventuali incidenti che comportino il rilascio del prodotto nell’ambiente. Tali scenari vengono resi ancor più critici in quanto spesso caratterizzati da soluzioni complesse che richiedono elevate condizioni di utilizzo dei materiali. A questo
si aggiunge l’esigenza di minimizzare il quantitativo di
acciaio e di interventi, e quindi i costi di investimento.
Gli attuali studi di mercato portano a ritenere di grande attualità sia il trasporto di gas ad alta pressione su lunghe distanze, sia l’attraversamento di bacini idrici caratterizzati da profondità mai raggiunte (oltre i 2.000 m).
L’industria si sta pertanto muovendo nella direzione di
sviluppare sia tecnologie e metodologie che consentano
di proporre il trasporto di gas a pressioni molto più elevate di quelle attualmente impiegate (100 bar), per
esempio 200 bar che sono uno standard nel trasporto sottomarino, sia di tecnologie che consentano la fabbricazione di condotte di alta qualità e con spessori elevati
per l’installazione su fondali molto profondi, per esempio, nel Mar Nero (più di 2.000 m) o nell’Oceano Atlantico (fino a 3.000 m).
Analisi dei processi di fabbricazione
Negli ultimi anni, per la quantità di progetti in corso,
ma anche per la necessità di condotte ad alto diametro e
spessore con caratteristiche meccaniche e geometriche
definite sulla base di specifiche molto restrittive, si è posta
attenzione su quanto è ottenibile in termini di caratteristiche meccaniche e tolleranze geometriche in relazione
ai criteri di progettazione e dimensionamento delle linee.
Si è discusso in particolare: a) su quanto può essere ottenuto a fronte di un processo di fabbricazione che preveda (solitamente per diametri maggiori di 16-18 pollici) o
meno (solitamente per diametri minori di 16-18 pollici)
la saldatura longitudinale (v. oltre); b) sulle tolleranze
geometriche specificabili e ottenibili nei due casi; c) sulla
omogeneità delle caratteristiche meccaniche all’interno
sia del singolo tubo, sia dei vari tubi prodotti; d) sulla
necessità, nei due casi, del collaudo idraulico (v. par. 7.1.6)
in fase di fabbricazione e sul conseguente condizionamento della distribuzione statistica delle caratteristiche
meccaniche impiegate in fase di progettazione; e) sulla
opportunità di impiego dei tubi saldati elicoidalmente in
condizioni di esercizio tradizionale (riduzione dei costi
di materiale) o per applicazioni speciali (per esempio, il
casing esterno in tubi coibentati).
Particolare attenzione è stata inoltre dedicata ai problemi associati al controllo della composizione chimica e dei processi di realizzazione dei masselli/billette
nell’ottenimento di prodotti caratterizzati da prestazioni particolari (per esempio, per ridurre la caduta di resistenza meccanica alle alte temperature, caso reso particolarmente critico negli eventuali processi di fabbricazione successivi, che in generale possono produrre una
caduta di resistenza a temperature inferiori ai 100 °C).
Notevole enfasi è stata posta anche sullo studio di quanto il processo di fabbricazione possa influenzare la resistenza meccanica del tubo in condizioni particolari. Un
esempio tipico, nel caso di condotte sottomarine a profondità elevate, viene fornito dalla tecnologia UOE (U press,
O press and cold Expansion), solitamente impiegata per
ottenere tubi a grande diametro (20-30 pollici) ed elevato spessore (30-40 mm), dove non vengano previsti
trattamenti termici successivi alla fase di espansione. In
particolare, i livelli di deformazione circonferenziale raggiunti durante la fase di espansione (circa 1-2%) comportano, per l’effetto Bauschinger, una perdita di resistenza circonferenziale alla compressione tale da pregiudicare la resistenza al collasso a pressione esterna.
Analisi dei modi di rottura imputabili
al materiale
L’attenzione imposta dalla società civile alle conseguenze degli incidenti industriali ha generato l’esigenza
di analizzare le principali cause che possono portare alla
guaina protettiva esterna
rottura di una condotta e, in particolare, i termini di sicurezza in funzione di una scelta appropriata e specifica
dei materiali. In particolare, si è potuto appurare fino a
che punto incidono sulla statistica degli incidenti gli eventi prodotti da:
• interazione esterna con mezzi meccanici operanti in
prossimità della condotta (escavatrici in caso di condotte a terra e dispositivi per la pesca nel caso di condotte in mare);
• corrosione interna e corrosione esterna (per esempio, tra protezione catodica, danneggiamento della
protezione passiva e fattore di utilizzo, oppure in presenza di sinergie tra ambiente esterno, materiale e
fattore di utilizzo);
• difetti del materiale o difetti di saldatura (in realtà
tali eventi sono diventati molto rari a seguito dell’impiego di nuovi materiali, ovvero dell’impiego
delle moderne tecnologie di controllo non distruttivo delle saldature);
• condizioni ambientali estreme quali tempeste, nel
caso delle condotte sottomarine e, nel caso delle condotte a terra, terremoti o condizioni pluviometriche
tali da innescare instabilità idrogeologiche e conseguenti frane e cedimenti del terreno.
Pertanto, in ragione dell’interazione della condotta con ambienti sempre più congestionati dall’attività
rivestimento resistente allo sforzo longitudinale
rivestimento resistente allo
sforzo circolare
rivestimento resistente allo
sforzo circolare
tubo termoplastico
tubo termoplastico
carcassa
tubo flessibile con foro rugoso
tubo flessibile con foro liscio
tubo termoplastico secondario
rivestimento resistente allo sforzo circolare
tubo termoplastico
carcassa
fig. 20. Tubi flessibili
per il trasporto di fluidi
ad alta pressione.
riser flessibile con foro rugoso
801
umana, e quindi con potenziali cause di interferenza
esterna, particolare attenzione è stata dedicata allo studio dei modi di rottura in corrispondenza di difetti superficiali, ovvero di ammaccature con o senza difetti, allo
scopo di definire quelle specifiche di resistenza e duttilità del materiale che consentano di affrontare al meglio
tali situazioni. È stata studiata approfonditamente la
propagazione della frattura duttile/fragile, in particolare per quelle applicazioni ove la perdita del prodotto
e lo scoppio della condotta interagiscono pesantemente con l’ambiente esterno interessato, poiché determinano un’indisponibilità del prodotto, indispensabile alla
comunità.
Analisi delle caratteristiche meccaniche
del materiale prescelto
Al momento l’industria sta proponendo criteri di progettazione basati su un approccio agli stati limite (v. par.
7.1.5) in alternativa al tradizionale dimensionamento
basato sulla sollecitazione ammissibile; ciò viene messo
in evidenza nelle recenti normative (Germanischer Lloyd,
1995, e DNV, 2000, per le condotte sottomarine e CSA,
2002, per le condotte a terra). In tale approccio si cerca
di correlare il dimensionamento della condotta con i reali
modi di rottura della stessa (il tutto espresso in una relazione – la cosiddetta funzione di stato limite – che lega
gli effetti del carico con la resistenza per il modo di rottura analizzato) e di associare gli effetti del carico e della
resistenza a fattori parziali di sicurezza, che consentano
di rispettare un livello prefissato di sicurezza associato
alle conseguenze del superamento di quello stato limite. In questa analisi è molto importante poter stabilire
con una certa precisione quanto il materiale sia in grado
di resistere all’interno di un campo di variazione specifico e in relazione alla tecnologia di fabbricazione, ma
anche quanto la tecnologia di fabbricazione possa garantire in termini di tolleranze geometriche.
A titolo di esempio, gli standard DNV (2000) per
le condotte sottomarine propongono fattori di utilizzo
circonferenziali a pressione interna, diversificati a
seconda della disponibilità di informazioni sulle caratteristiche meccaniche del materiale prescelto. Va anche
sottolineato che gli sviluppi degli ultimi anni hanno
principalmente riguardato le condotte sottomarine, per
le quali sono spesso impliciti un trasporto ad alta pressione e grandi spessori in acciaio; un affinamento dell’approccio progettuale poteva quindi effettivamente
comportare grosse implicazioni economiche. Di conseguenza, gli stati limite investigati sono quelli tipici
dell’applicazione sottomarina e gli effetti dei carichi
imposti sono stati analizzati nel contesto degli spessori elevati e dell’ambiente sottomarino. L’estensione alle
condotte terrestri deve sicuramente passare attraverso
studi specifici, nei quali i loro spessori tipici e gli
ambienti attraversati possono determinare situazioni
802
del tutto nuove rispetto a quelle precedentemente affrontate. In particolare l’utilizzo di nuovi materiali e di
acciaio ad alta resistenza comporta implicazioni piuttosto importanti nello sviluppo di un approccio agli
stati limite, in relazione alla diversità della curva che
lega la sollecitazione alla deformazione per impieghi
spinti del materiale e quindi alle sostanziali implicazioni sull’attivazione dei modi di rottura. Per esempio,
nel campo degli acciai per impieghi tradizionali oppure nel campo degli acciai ad alta resistenza, viene posta
grande attenzione al rapporto tra la sollecitazione di
snervamento e la sollecitazione a rottura, al punto che
attualmente alcune linee guida di progetto limitano
l’applicazione dei criteri proposti a materiali per i quali
tale rapporto non supera determinati valori (0,85 nelle
normative olandesi ed europee, 0,80 nelle normative
tedesche).
Analisi delle problematiche connesse con i collaudi
Quanto sopra porta a riconsiderare sia la scelta e la
caratterizzazione del materiale in relazione al processo di fabbricazione, sia la progettazione e il dimensionamento sulla base di criteri che consentano di garantire un adeguato livello di sicurezza, sia infine la costruzione e i successivi collaudi atti a garantire un’ adeguata
qualità del prodotto. D’altro canto, a fronte dell’esigenza di ridurre i costi imposti dal collaudo, anche in
relazione alla sua efficacia spesso non dimostrabile,
l’industria sta affrontando da un lato il problema di una
migliore qualificazione della resistenza dei materiali e
dei prodotti, dall’altro quello delle modalità di prova
dei manufatti, tradizionalmente eseguita su tutte le condotte. In particolare, si sta cercando di quantificare
come il collaudo possa condizionare la progettazione
e in particolare i processi impiegati per qualificare l’integrità strutturale di una condotta. In sintesi, il collaudo consente di troncare la distribuzione statistica della
resistenza caratteristica, in quanto il superamento del
collaudo consentirebbe di affermare che comunque,
fino al livello previsto nel collaudo, la condotta ha resistito. Ma è anche evidente che l’introduzione di nuovi
materiali impone una certa attenzione su questo tema,
che va al di là di quanto potrebbe essere pensato sulla
base delle esperienze avute sui materiali e sulle applicazioni tradizionali.
Materiali tradizionali
Nella maggior parte dei paesi del mondo le specifiche
dei materiali utilizzati per la costruzione di condotte per
il trasporto di idrocarburi fanno riferimento alle specifiche API 5L (American Petroleum Institute; Palmer e King,
2004). Nella sua formulazione originale, la specifica API
5L identificava il grado di un acciaio, cioè la sua resistenza
meccanica, attraverso il suo carico di snervamento, per
esempio X52 o X60, dove il numero identificava il carico di snervamento del materiale espresso in migliaia di
libbre per pollice quadrato (kpsi). In pratica, la sigla
X52 identifica un materiale con carico di snervamento
di 52.000 libbre per pollice quadrato, pari a 358 MPa.
La revisione più recente della normativa API 5L si è
adeguata agli standard ISO adottando le unità di misura del Sistema Internazionale, anche se in realtà è ancora di uso corrente utilizzare la vecchia nomenclatura.
Nonostante la prima versione dell’API 5L risalga al
1920, tale documento venne adottato come specifica di
riferimento solo a partire dal 1948. In quel periodo, il
materiale con grado più elevato incluso nella specifica
era un X42, mentre attualmente la normativa include
acciai fino al grado X80. Nel 1999 l’API 5L è stata convertita nella specifica internazionale ISO 3183, che
riguarda la scelta e l’utilizzo dei materiali per la costruzione di condotte con e senza saldatura longitudinale e
tubi a spirale.
L’evoluzione nel tempo dell’API 5L verso materiali di grado sempre più elevato segue di pari passo lo sviluppo tecnologico dei processi metallurgici e termomeccanici finalizzati al miglioramento delle prestazioni dei materiali. All’inizio della seconda metà del 20°
secolo, i tubi per il trasporto degli idrocarburi erano prodotti mediante i processi UOE e SAW (Submerged Arc
Weld) a partire da lamiere, in acciaio basso-legato, laminate a caldo e poi sottoposte a un trattamento termico
di normalizzazione. La microstruttura ottenuta era costituita da ferrite poligonale e perlite, spesso disposta a
bande. Le caratteristiche meccaniche ottenibili potevano raggiungere il grado API X60 e la tenacità a bassa
temperatura non era sempre soddisfacente. Le crescenti richieste dei mercati hanno generato nel tempo l’esigenza di investigare sulla possibilità di aumentare la
resistenza meccanica senza aumentare il contenuto di
elementi leganti, al fine di evitare effetti negativi sulla
tenacità, la saldabilità e sui costi in generale. A tali requisiti si aggiungeva, considerando anche la specificità dei
prodotti trasportati, la necessità di garantire un’ottima
resistenza all’attacco da idrogeno (danneggiamento da
idrogeno). Una certa quantità di atomi di idrogeno può
infatti essere presente nel fluido all’interno delle tubazioni (ambiente acido), ma anche derivare da reazioni
chimiche nell’ambiente esterno alla tubazione o da errori di progettazione nella protezione catodica delle tubazioni interrate o sottomarine (sovraprotezione catodica). Tale idrogeno atomico si trasforma in idrogeno molecolare all’interno delle microporosità del materiale, in
particolare in prossimità delle inclusioni di solfuro di
manganese. La trasformazione in idrogeno molecolare
negli spazi intergranulari genera elevate sovrapressioni
interstiziali che portano il materiale a fessurarsi in maniera tale da pregiudicarne le prestazioni meccaniche (Nicodemi, 1986).
Risulta quindi facile intuire come, a fronte di tutte
queste esigenze, si sia reso necessario mettere a punto
un processo tecnologico che accoppiasse a un’accurata
composizione chimica una particolare procedura di laminazione. L’obiettivo principale era realizzare acciai a
basso tenore di carbonio con microstruttura mista ferritica-bainitica, o addirittura completamente bainitica,
che consentissero di ovviare al problema del danneggiamento da idrogeno. In questo ultimo caso è risultato indispensabile abbattere il tenore di zolfo fino a livelli molto bassi, per eliminare possibili inneschi causati
dalla formazione di solfuri di manganese, estremamente deformabili, per controllare la forma delle inclusioni tramite l’utilizzo di trattamenti al calcio (CAB), zirconio o terre rare e per diminuire il tenore di carbonio
e di manganese.
Successivamente, l’introduzione del processo di
laminazione termomeccanica e raffreddamento accelerato (TMCP, Thermo-Mechanical Control Process)
ha facilitato la produzione di acciai ferritico-bainitici,
senza richiedere consistenti aggiunte di elementi leganti, con effetti vantaggiosi sia sui costi sia sulla saldabilità. Alla fine del ciclo di produzione si ottiene una
microstruttura mista ferritica-bainitica, o totalmente
bainitica, con caratteristiche microstrutturali variabili
(bande di dislocazioni all’interno dei grani di ferrite,
substrutture, precipitati) a seconda della composizione chimica e dei parametri di TMCP adottati. L’efficacia del processo di TMCP dipende dall’accurata scelta
degli elementi microleganti in relazione alle variabili
legate al processo di laminazione e dalla significativa
riduzione del fenomeno della segregazione centrale.
Dal momento che gli acciai prodotti con processo TMCP
richiedono un contenuto di elementi leganti minore, o
al più pari a quello degli acciai da laminazione termomeccanica della prima generazione, soprattutto per
quanto riguarda il tenore di carbonio, presentano valori di carbonio equivalente (CE0,42%) tali da garantire una buona saldabilità e valori accettabili di durezza nella zona termicamente alterata (HAZ, Heat Affected Zones) nelle saldature circonferenziali.
Lo sviluppo degli acciai a elevate caratteristiche
meccaniche (grado API X70, X80 e X100) per la realizzazione di condotte ha subito quindi una notevole
accelerazione a partire dagli anni Settanta con l’introduzione del processo di laminazione in controllo e di
raffreddamento accelerato in linea. Numerosi produttori hanno svolto un’intensa attività di ricerca sulla progettazione di un’adeguata composizione chimica che,
accoppiata alla definizione delle variabili di processo
di laminazione in controllo, consentisse di produrre tubi
in acciaio a basso tenore di carbonio (0,07-0,09%)
con tre requisiti fondamentali: caratteristiche meccaniche elevate, fondamentali al fine di sopportare gli alti
livelli di sollecitazione imposti, soprattutto nel caso di
803
condotte per il trasporto a pressioni molte elevate; ottimi livelli di tenacità a bassa temperatura, proprietà indispensabile al controllo della propagazione della frattura fragile; buona saldabilità in campo. Tubi in acciaio
di grado API X70 rappresentano oggi un prodotto consolidato di cui sono disponibili criteri di qualificazione e messa in opera: sul territorio europeo sono note
numerose realizzazioni in questo tipo di acciaio. La
produzione di acciai da tubo di grado API X80 ha subito una sensibile accelerazione a partire dal 1980. A tale
proposito esistono alcune pubblicazioni che riportano i
risultati conseguiti nella messa a punto di prodotti sperimentali (Dillinger Huttenwerke SG, Hoesch, Sumitomo
Metal Industries, Nippon Steel Corporation, Stelco,
ILVA ILP) e nella realizzazione delle prime condotte
di trasporto con questo materiale.
I requisiti degli acciai a elevata resistenza sono specificati in diverse normative esistenti fino al grado di
X80. Non esistono attualmente indicazioni relative al
grado API X100 e quindi i relativi requisiti sul materiale per le condotte in tale tipo di acciaio dovrebbero
essere concordati col produttore in fase di definizione
del prodotto. Benché tubi in acciaio di grado API X100
non siano ancora commercialmente disponibili, numerosi produttori di livello internazionale (Nippon Steel,
NKK, Kawasaki, Europipe) hanno realizzato produzioni sperimentali di condotte, con caratteristiche che
sembrano soddisfare i requisiti per il trasporto di gas
naturale ad alta pressione. La produzione di tubi in
acciaio di grado API X100 è un’evoluzione del grado
API X80: le caratteristiche di resistenza meccanica del
grado API X100 sono ottenute a partire dalla composizione chimica del grado X80, con aggiunte mirate di
elementi microleganti (manganese, niobio, titanio) e
attraverso un processo di laminazione in controllo e raffreddamento accelerato in linea al limite superiore delle
potenzialità dei più moderni impianti di laminazione.
Le velocità di raffreddamento accelerato impiegate nella
produzione di lamiere di grado API X100 sono superiori ai 20-25 °C/s, da confrontare con i 15 °C/s caratteristici della produzione dell’API X80 e con i 5-10
°C/s tipici dei gradi medio-bassi. I tubi prodotti su scala
sperimentale presentano caratteristiche meccaniche in
linea con il grado API X100, determinate su provette
cilindriche a causa dell’elevato effetto Bauschinger. I
valori di tenacità del materiale base appaiono soddisfacenti, sia dal punto di vista dell’energia CharpyV
(200-300 J) sia da quello della transizione duttile/fragile. Si ritiene che un valore di energia CharpyV di 300 J
costituisca un limite superiore per gli acciai da laminazione termomeccanica. Sulla base delle produzioni
sperimentali di tubi in acciaio di grado API X100 è possibile assumere che questi possano essere prodotti con
una composizione chimica che soddisfa il requisito di
carbonio equivalente massimo pari a 0,45%.
804
Il processo di laminazione adottato (temperature di
fine laminazione e fine raffreddamento molto basse) fa
sì che i tubi in acciaio di grado API X100 presentino valori molto elevati del rapporto snervamento/rottura (>0,90).
Le saldature
La realizzazione dei gasdotti e degli oleodotti passa
attraverso la saldatura dei singoli tubi, all’incirca lunghi
12 m, che costituiscono la condotta, realizzata saldando
i tubi uno dopo l’altro e avanzando progressivamente
lungo la rotta designata in fase di progetto (fig. 21). Oggi
la tecnologia mette a disposizione numerose tecniche di
saldatura, pertanto occorre effettuare una scelta per individuare quella più idonea: i parametri che guidano tale
scelta generalmente sono il diametro e lo spessore del
tubo, ma anche le caratteristiche del luogo stabilito per
la sua posa e le condizioni operative. La velocità di avanzamento durante la posa è cadenzata dall’esecuzione
della saldatura circonferenziale tra un tubo e quello successivo; di conseguenza, maggiori sono i tempi richiesti per eseguire tale saldatura, più lungo sarà il tempo
necessario per completare la condotta. Per tali ragioni la
ricerca tecnologica tende a sviluppare nuovi metodi di
saldatura che consentano di incrementare la velocità di
installazione e di diminuire i costi complessivi di realizzazione dei progetti.
Classificazione delle saldature
La saldatura è utilizzata per unire i lembi di corpi
distinti che alla fine del processo diventano parte integrante di un’unica struttura. Esistono numerose tecniche di saldatura, ma quelle più frequentemente impiegate nel campo delle condotte sono le saldature ad arco.
La caratteristica comune a questa tipologia di tecniche
è che i due lembi vengono uniti portando il materiale che
li costituisce a fusione, mediante riscaldamento fino a
una adeguata temperatura. Il calore necessario a tale
scopo viene generato facendo scoccare un arco elettrico
tra il materiale base dei due lembi e un elettrodo. A seconda della tecnica di saldatura impiegata, l’elettrodo può
fungere da materiale di apporto, dato che fondendo finisce nel bagno di fusione oppure l’apporto viene introdotto separatamente sotto forma di fili. Talvolta, comunque, il processo può essere tale da non richiedere l’introduzione nel bagno di un materiale di apporto. Un altro
aspetto fondamentale del processo di saldatura è la necessità di proteggere il materiale fuso dai gas presenti nell’aria, per esempio l’ossigeno e l’azoto, dannosi per le
caratteristiche meccaniche del giunto.
Nella tecnologia le saldature vengono spesso classificate in base ad acronimi: di seguito sono riportati i più
frequenti.
SMAW (Shielded Metal Arc Welding). La saldatura
ad arco con elettrodi rivestiti è tra le prime a essere stata
impiegata nel campo delle saldature e viene eseguita
manualmente. Essa prevede l’impiego di elettrodi sotto
forma di bacchette metalliche rivestite da un materiale a
base di cellulosa. Durante il processo di saldatura la decomposizione dell’elettrodo da una parte genera una grande
quantità di gas che va a proteggere la zona interessata dal
processo, e dall’altra provoca anche la fusione del materiale metallico della bacchetta che finisce nel bagno.
SAW (Submerged Arc Welding). La saldatura ad arco
sommerso viene in genere utilizzata per la saldatura longitudinale dei tubi ottenuti piegando una lastra di acciaio
fino a farle assumere la forma circolare, facendone combaciare i due lembi. In questo caso l’elettrodo, non rivestito, costituisce anche il materiale di apporto; la protezione dell’arco e del bagno di fusione è affidata a una
coltre di materiale granuloso che ricopre il giunto separandolo dall’aria. Questo procedimento è completamente
automatizzato.
GMAW (Gas Metal Arc Welding). Nella saldatura ad
arco a filo continuo in atmosfera protettiva, l’arco scocca tra un filo metallico avvolto su un rocchetto e il materiale base. La protezione del bagno di fusione è affidata a una miscela di gas introdotta esternamente che va a
investire con continuità la zona interessata. La sequenza delle diverse operazioni è stata accorpata in un unico
dispositivo chiamato torcia, consentendo di dare al processo una notevole flessibilità di impiego senza la necessità di ripetute interruzioni per il rinnovo del materiale
di apporto.
GTAW (Gas Tungsten Arc Welding). Nella saldatura
ad arco con elettrodo di tungsteno il calore necessario a
portare a fusione il materiale viene prodotto da un elettrodo di tungsteno che grazie alla sua elevata temperatura di fusione non si consuma durante il processo di saldatura. La protezione del bagno è affidata a una miscela di gas, mentre l’eventuale materiale di apporto può
essere introdotto esternamente.
Il processo di saldatura
I tubi impiegati nella costruzione delle condotte hanno
spessori che difficilmente consentono di realizzare la saldatura in un’unica passata; pertanto è necessario effettuare
una serie di passate fino a ottenere la completa giunzione lungo tutto lo spessore. Prima della saldatura le due
estremità dei tubi da unire devono essere preparate. Tale
operazione prevede la pulizia da tutte le impurità o dai
residui di lavorazioni precedenti e la successiva ispezione per verificare l’eventuale presenza di difetti. A questo
punto le due estremità subiscono una lavorazione meccanica, detta cianfrinatura, che consiste nell’asportazione di
materiale lungo tutta la circonferenza del tubo affinché lo
spessore assuma una sagoma appropriata. Si noti che l’angolo di inclinazione del cianfrino dipende dal tipo di processo impiegato, e in particolare dallo spessore dell’elettrodo utilizzato durante la saldatura. Infatti, poiché la fusione deve poter arrivare fino alla base del cianfrino, per le
saldature manuali eseguite con elettrodi rivestiti si adotta
un angolo di circa 30°, mentre l’angolo si riduce fino a
20°, o persino a 10° circa se la saldatura è di tipo semiautomatico o automatico, in cui l’elettrodo è un filo di soli
pochi millimetri di spessore. Tale geometria risulta ideale per garantire la completa penetrazione del bagno di
fusione fino alla superficie interna dei tubi; per contro,
maggiore è l’angolo di apertura del cianfrino, maggiore
sarà la quantità di materiale che occorre depositare, con
relative conseguenze in termini di tempi e di costi.
Dopo la cianfrinatura i due tubi devono essere avvicinati l’uno all’altro e allineati. Questa operazione viene
eseguita con l’ausilio di attrezzature di accoppiamento
che, a seconda delle dimensioni dei tubi, possono essere interne o esterne. I valori tipici degli scostamenti massimi ammessi nell’allineamento dei tubi non possono
essere superiori a un millimetro.
Prima di esssere saldati, i due lembi vengono preriscaldati in maniera tale da evitare che il primo cordone
fig. 21. Accoppiamento tramite mandrino interno tra due tubi prima della fase di saldatura (per cortesia di R. Bruschi).
805
depositato si raffreddi troppo velocemente, altrimenti
potrebbe danneggiarsi. Il preriscaldamento, da questo
punto di vista, lascia a disposizione dell’operatore un
arco di tempo maggiore durante il quale eseguire le passate successive alla prima. Infine il preriscaldamento
asciuga i due lembi evitando la formazione di idrogeno
durante la saldatura che, come già detto, può causare la
rottura a freddo del giunto. La realizzazione della prima
passata di saldatura è la fase più critica del processo.
Convenzionalmente essa viene eseguita partendo dalla
parte superiore del tubo per terminare nel punto più basso,
con due saldatori che lavorano contemporaneamente.
Nel caso di saldatura semiautomatica su tubi di grande
diametro si possono utilizzare tre o anche quattro torce
che lavorano contemporaneamente lungo la circonferenza, riducendo così drasticamente i tempi richiesti per
la realizzazione del giunto. La seconda passata deve essere eseguita appena possibile, poiché ogni movimento
incontrollato dei due tubi, seppur minimo, potrebbe sollecitare il piccolo cordone appena saldato e portarlo a
rottura. Il processo termina con l’esecuzione delle saldature di riempimento che andranno a colmare completamente lo spazio che separa i due lembi dei tubi. Per
fare questo occorre imporre alla torcia un movimento
oscillatorio, spostandola da un lato all’altro del giunto,
e pulire il cordone appena saldato dalla scoria che si
forma a mano a mano che si procede. L’ultima passata è
quella che va a generare il cosiddetto cappello della saldatura, che ha uno spessore tale da superare la superficie esterna del tubo di qualche millimetro.
Metallurgia della saldatura
Durante la saldatura l’arco elettrico provoca la fusione del metallo base che in tal maniera va a giuntare i due
lembi da unire. In questa zona le temperature sono molto
alte (circa 1.600 °C), mentre la parte di tubo adiacente
si trova a una temperatura decisamente inferiore. Questa variazione di temperatura così repentina provoca la
formazione di diversi componenti metallurgici in una
zona limitata in prossimità della saldatura: la HAZ. In
particolare in quei punti dove il calore è stato sufficientemente elevato da consentire al metallo base di cristallizzare, i grani della matrice metallica subiscono una
modifica, generando grani più fini, a vantaggio delle
carattersitiche meccaniche del materiale; al contrario,
laddove il calore non è stato così elevato, i grani della
matrice metallica si ingrossano, dando luogo a un netto
peggioramento delle caratteristiche meccaniche del materiale. Questa zona risulta essere particolarmente sensibile alla corrosione e caratterizzata da una scarsa tenacità. Le sue dimensioni dipendono dallo spessore del
tubo, dal preriscaldamento effettuato e dalla quantità di
materiale depositato durante la saldatura, proporzionale alla quantità di calore che si sviluppa durante il processo (Lancaster, 1993).
806
Un altro problema che interessa le saldature è da associare alla porosità che si genera se le molecole di gas
disciolte all’interno del cordone appena depositato vi
rimangono intrappolate. Infatti, mentre il metallo è ancora allo stato fuso, i gas possono disciogliersi nella fase
liquida ma anche fuoriuscirne, mentre quando esso solidifica difficilmente tali gas potranno uscire dalla fase
solida. Questo problema non va sottovalutato, poiché
circa la metà dei cedimenti delle saldature è da associare a fenomeni di porosità. L’idrogeno è sicuramente il
gas più pericoloso da questo punto di vista, poiché la sua
elevata solubilità nel bagno di fusione può consentirgli
di penetrare fino alla HAZ e dar luogo a sollecitazioni
in una zona resa fragile dalla sua microstruttura termicamente alterata. Infine, particolare attenzione deve essere rivolta alla saldatura degli acciai con alto tenore di
zolfo. Questi metalli, infatti, possono dar luogo a produzione di solfuri i quali, al termine della saldatura, solidificano per ultimi rimanendo al centro dei grani del
metallo. Questi composti a base di zolfo sono molto più
deboli del metallo base e pertanto contribuiscono a ridurre la resistenza meccanica del giunto.
Definizione di saldabilità
Con il termine saldabilità si indica la facilità con cui
il metallo può essere saldato in maniera da soddisfare gli
standard di qualità attesi dalla saldatura. Gli acciai con
basso tenore di carbonio, per esempio, hanno una buona
saldabilità mentre gli acciai inossidabili hanno una saldabilità decisamente inferiore. Il contenuto di carbonio
degli acciai è uno dei parametri tipicamente utilizzati per
classificare questa caratteristica; essa dipende, però,
anche dal contenuto di elementi microleganti che si trovano dispersi nella matrice metallica. Pertanto, per definire univocamente la saldabilità del metallo in esame, si
ricorre a una quantità di carbonio fittizia chiamata Carbonio Equivalente (CE). Le formule usate per calcolare
il CE si basano tutte sullo stesso principio: al contenuto
in percentuale di carbonio si aggiungono le quantità degli
altri leganti in base a un peso diverso a seconda del tipo
di legante. Più è elevato il valore del CE, minore è la saldabilità del materiale.
Tecniche di ispezione delle saldature
Tutte le saldature delle condotte messe in esercizio ad
alta pressione sono sottoposte a diversi tipi d’ispezione,
al fine di assicurare che il risultato ottenuto nel processo
di saldatura rispetti gli standard richiesti. La tipologia più
comune tra le tecniche d’ispezione è la radiografia. Alcune attrezzature portatili sono state sviluppate in maniera
tale che, una volta terminata la saldatura, si installano sul
tubo e fotografano ai raggi X il cordone di saldatura: eventuali difetti presenti su di esso sono facilmente identificabili nelle immagini registrate su pellicola. Questa tecnica è molto veloce e permette di ottenere buoni risultati
in termini di affidabilità nella rilevazione dei difetti; per
contro, richiede grandi quantità di energia per il suo funzionamento e gli operatori devono essere protetti accuratamente dalla sorgente delle radiazioni.
Un’altra tecnica, il cui utilizzo ha visto negli ultimi
anni un netto incremento, è l’esame agli ultrasuoni. Essa
si basa sulla propagazione di un’onda ultrasonora attraverso lo spessore del tubo, che viene riflessa quando nel
suo cammino incontra una brusca variazione di densità
come, per esempio, la superficie interna del tubo oppure un difetto. Il vantaggio di questa tecnica consiste nel
fatto che essa fornisce informazioni sulle tre dimensioni del difetto, definendone sia la completa geometria, sia
l’orientamento all’interno della saldatura. La radiografia, invece, permette di avere solo una visione bidimensionale del difetto, ma risulta sicuramente più accurata
rispetto alla tecnica agli ultrasuoni. Molto efficace per
l’individuazione di difetti superficiali è la tecnica di ispezione con polveri di materiale ferromagnetico. Queste
polveri, miscelate in un liquido, vengono cosparse sulla
superficie esterna della saldatura, successivamente immersa in un campo magnetico. In condizioni normali le particelle tendono a posizionarsi secondo le linee di flusso
del campo magnetico, mentre le eventuali discontinuità
presenti sulla superficie, cioè i difetti, provocano delle
discontinuità nel campo magnetico, rese visibili dall’orientamento assunto dalle particelle di ferro.
Un’altra tecnica impiegata sia sui materiali magnetici sia su quelli amagnetici è quella che utilizza i fluidi
penetranti. Questi fluidi sono generalmente fluorescenti, in modo da essere ben visibili con una luce ultravioletta. Essi vengono cosparsi sulla superficie della saldatura e lasciati penetrare per capillarità negli eventuali
difetti presenti. La superficie quindi viene pulita e cosparsa con una polvere assorbente che richiama il liquido
penetrato nei difetti, rendendone visibile la posizione.
Questa tecnica è di facile applicazione e utilizzabile in
qualsiasi luogo avvenga l’ispezione; è sicuramente economica, ma richiede tempi abbastanza lunghi.
Una volta individuata la presenza dei difetti, si può
decidere di lasciarli oppure di rimuoverli mediante la
riparazione della saldatura. I criteri adottati a tale scopo
sono di due tipi: i primi definiscono dei limiti di accettabilità del grado dei difetti, sulla base di quelli che ci si
attende di trovare su una saldatura eseguita correttamente
da un buon saldatore. Questi criteri sono puramente empirici e vengono individuati dall’acronimo WMS (WorkManship Standard). Il secondo tipo di criteri di accettabilità si basa sulla meccanica della frattura, che consente di stabilire se una struttura contenente un difetto possa
ancora operare in sicurezza o meno. Ogni riparazione
apportata alle saldature impone tempi lunghi e quindi
elevati costi di realizzazione, ma soprattutto non è possibile garantire che il risultato della riparazione sia migliore della saldatura difettata iniziale.
7.1.5 Resistenza meccanica
Una condotta è costituita da diversi componenti: a) un
tubo di acciaio atto a resistere a tutte le sollecitazioni
meccaniche cui la condotta è sottoposta; b) un sistema
di protezione anticorrosione costituito normalmente da
una guaina in asfalto, polietilene, polipropilene o resine
epossidiche (protezione passiva) e da anodi sacrificali
in zinco o alluminio (protezione catodica); c) un rivestimento interno generalmente in resine epossidiche che
ha il compito di ridurre l’attrito tra il fluido trasportato
e la parete di acciaio; d) il rivestimento esterno in cemento (armato di una rete metallica) avente lo scopo di fornire alla condotta il peso necessario per la sua stabilità
nel letto di posa, oltre che una protezione meccanica contro interferenze esterne.
Il primo obiettivo del progettista è di definire qual è
il diametro della tubazione necessario per trasportare una
determinata portata nell’unità di tempo (quantità) di prodotto (principalmente olio o gas o una miscela dei due)
da un luogo a un altro. Durante questa fase, considerando diversi parametri ingegneristici, quali per esempio le
perdite di carico lungo la condotta, viene definita anche
la pressione interna necessaria per il trasporto. Una volta
definiti il diametro e la pressione interna, è necessario
stabilire il tipo di materiale da usare, che dipende principalmente dal fluido trasportato (gas o liquido, corrosivo o meno, ecc.). È quindi necessario definire qual è
la resistenza meccanica richiesta al tubo in funzione dei
carichi applicati. Una tubazione per il trasporto di prodotti petroliferi, quali olio e gas naturale, deve essere
sufficientemente resistente da sopportare le sollecitazioni dovute ai carichi che saranno applicati sia in fase
di costruzione sia durante la vita operativa (Bruschi et
al., 1982a).
Durante la costruzione, in funzione del metodo adottato, il tubo sarà soggetto a carichi flessionali, assiali e
torsionali (questi ultimi generalmente trascurabili rispetto ai primi due). Questi carichi sono rilevanti sia per i
tubi a terra sia per quelli a mare. Nel caso delle tubazioni
sottomarine un altro carico di costruzione è la pressione idrostatica dovuta alla colonna d’acqua corrispondente al sito prescelto: in funzione della profondità del
sito marino la pressione esterna può arrivare anche a
valori molto elevati (Torselletti et al., 2003b). Una prima
distinzione tra tubazioni a terra e sottomarine, dal punto
di vista dei carichi esterni applicati durante la fase di
costruzione, è sostanzialmente legata al valore di questi
ultimi, che generalmente sono molto più elevati per le
tubazioni a mare. D’altra parte, le tubazioni a terra, nel
caso di attraversamenti di terreni particolarmente scoscesi, allo scopo di adattare il tubo al profilo del suolo,
vengono costruite curve in campo applicando elevate
deformazioni plastiche flessionali a freddo (Bruschi et
al., 1995).
807
Durante la fase operativa il tubo è caricato con l’azione dovuta alla pressione interna e con forze assiali
dovute a una impedita dilatazione termica, entrambe legate al trasporto del fluido interno (gas od olio). Altri criteri di progetto, che considerano gli altri carichi presenti sulla condotta quali il peso proprio, i carichi termici,
da traffico, da movimenti del terreno, da vento, da onda,
da interferenze esterne, ecc., generalmente hanno poca
influenza sulla scelta dello spessore della parete, ma intervengono sulle misure atte a mitigare gli effetti di queste
condizioni di carico di solito considerate secondarie,
salvo casi eccezionali. Tra questi casi, sono degne di nota
le verifiche che sono peculiari delle condotte sottomarine, ove la pressione esterna o la condizione di installazione possono modificare un dimensionamento della
parete di acciaio basato esclusivamente sul contenimento della pressione interna.
Dimensionamento alla pressione interna
Lo spessore della parete di acciaio di una condotta è
il fattore che ha maggior rilevanza nella capacità della
tubazione a sostenere i carichi imposti dalle condizioni
di installazione e di esercizio. Dato che lo spessore di
parete ha un impatto considerevole nei costi di realizzazione, è molto importante avere un criterio di progetto
ottimale che bilanci requisiti di sicurezza e costi (Bruschi et al., 1997). Il criterio di progetto tradizionale, codificato in tutte le normative e pratiche industriali, è generalmente basato sulla capacità richiesta alla condotta di
contenere la pressione interna in condizioni di esercizio.
Considerando il carico della pressione interna, si richiede che la sua sollecitazione sia minore della resistenza
caratteristica del materiale ridotta di un fattore di utilizzo, spesso chiamato genericamente fattore di sicurezza.
È evidente come tale fattore d’uso intenda coprire le incertezze presenti sia sui carichi applicati sia sulla resistenza del tubo. Le formule proposte dalle normative per calcolare la tensione circonferenziale, sh, agente in una condotta con pressione interna Dp, hanno all’origine quella
di Mariotte per i tubi con parete sottile (cioè tubi aventi
rapporto diametro/spessore, D/t, maggiore di 10):
DpD
sapplicatash112
2t
ove i valori attribuiti al diametro D e allo spessore t da
usare nel calcolo cambiano da normativa a normativa
(fig. 22). Nel caso di tubi spessi (D/t<10) si deve ricorrere a formule più sofisticate.
La tensione applicata deve essere confrontata con la
cosiddetta sollecitazione ammissibile. La tensione ammissibile viene definita in funzione dei possibili modi di rottura o malfunzionamento che si vogliono evitare. Il metodo degli ‘stati limite’ nasce dalla analisi delle rotture che
si sono verificate nelle condotte esistenti o che si possono sviluppare nei differenti scenari di progetto e nelle
808
diverse condizioni operative. Uno ‘stato limite’ costituisce il limite tra una condizione accettabile e una inaccettabile, espresso da un legame funzionale tra i parametri di resistenza della condotta e gli effetti dei carichi,
per ciascun modo di rottura. La capacità di resistenza è
in questo modo caratterizzata attraverso la sua resistenza nei confronti di ciascun effettivo meccanismo di rottura (Bruschi et al., 1997). Le modalità di rottura o malfunzionamento possono essere classificate secondo due
categorie.
SLS (Serviceability Limit State). Stato limite di servizio che denota l’incapacità a svolgere la funzione richiesta; come tale non comporta il rilascio del prodotto trasportato e generalmente richiede coefficienti di sicurezza meno severi. Tipicamente sono SLS il raggiungimento
dello snervamento, l’eccessiva ovalizzazione della sezione del tubo, l’instabilità euleriana (quest’ultima purché
non causi rottura, scoppio o collasso, che implica la loro
classificazione come ULS).
ULS (Ultimate Limit State). Stato limite ultimo che
denota la rottura della parete e quindi il rilascio del prodotto; per questo motivo generalmente richiede fattori
di sicurezza più elevati. Gli ULS sono relativi alla capacità della tubazione di sopportare sia carichi di contenimento della pressione sia carichi secondari (rottura, collasso locale, fatica).
La tensione circonferenziale generata dalla pressione interna, a mano a mano che la pressione aumenta, raggiunge il cosiddetto limite elastico (tensione di snervamento), superato il quale si sviluppano deformazioni plastiche residue. Queste deformazioni plastiche sono tali
da accrescere il diametro della tubazione e conseguentemente ridurre lo spessore della parete nonché aumentare la tensione applicata. Continuando ad aumentare la
pressione interna, lo spessore della parete arriverà a un
livello per cui le sue capacità di resistenza non saranno
più sufficienti e, quindi, questo porterà allo scoppio del
tubo stesso. La sollecitazione ammissibile è legata alla
resistenza caratteristica del materiale attraverso i coefficienti di sicurezza definiti sulla base di un preciso obiettivo di sicurezza.
Criterio di sicurezza
Nel razionalizzare i criteri di progetto viene richiesta una definizione quantitativa del livello di sicurezza che si vuole perseguire, per definire il quale sono
stati introdotti i concetti di affidabilità strutturale e di
probabilità di rottura. Il livello di sicurezza richiesto è
definito come la massima probabilità annuale che gli
effetti dei carichi possano superare la capacità di resistenza della condotta, in relazione al modo di rottura
innescato nello scenario specifico e ai carichi agenti. Gli
enti certificatori, dovendo definire gli obiettivi di sicurezza in ambiti non tradizionali, solitamente svolgono
una serie di attività preliminari volte sia a confrontarsi
con quanto è già stato definito per ambiti assimilabili,
sia a determinare il livello di sicurezza implicito nelle
normative generalmente riconosciute, tenendo in debita considerazione le misure di incertezza relative al
periodo in cui la normativa è stata emessa. La definizione finale della probabilità di rottura annuale è abitualmente volta ad assicurare un livello di rischio accettabile ove sono considerati sia il tipo di rottura sia le
conseguenze che da esso derivano in termini di rischio
per la salute e la sicurezza delle persone, danno all’ambiente, perdite economiche. Il rischio è dato dal prodotto tra la probabilità che si verifichi un evento e le
sue conseguenze. Pertanto, riconosciuto un livello di
rischio accettabile, è possibile identificare il livello di
sicurezza richiesto sulla base delle conseguenze associate a un eventuale incidente.
I parametri generalmente usati per valutare le conseguenze di una rottura sono: a) la fase della vita della
condotta (fase di costruzione, temporanea o di esercizio); b) il tipo di fluido trasportato; c) le caratteristiche
della zona attraversata; d) il tipo di rottura. Altri parametri, generalmente trascurati, che hanno un impatto
sulle conseguenze associabili a una rottura, sono il diametro e la pressione della condotta in esame. Questo è
un problema che diventa rilevante quando si pensa di
impiegare, per esempio, il trasporto di gas ad alta pressione nelle condotte a terra. Tale applicazione può risultare strategica in condizioni di produzione remota per
utenti. Il tipo di fluido trasportato è classificato sulla
base della sua pericolosità; la zona è generalmente classificata sulla base delle unità abitative; entrambe, tramite uno schema a matrice, consentono di definire le
classi di sicurezza associabili a un dato fluido trasportato e alla zona attraversata. A ogni classe di sicurezza
è associata una massima probabilità di rottura (superamento dello stato limite) ammessa (ISO 2004). È opinione diffusa che una probabilità annua pari a 104 per
km sia accettabile per i tratti di condotta in condizioni
operative attraversanti zone remote. Tale valore può scendere di diversi ordini di grandezza quando le potenziali conseguenze a persone, cose e ambiente, associate a
un dato modo di rottura, aumentano in modo considerevole, per esempio quando aumenta la densità di popolazione della zona attraversata e/o il tipo di gas trasportato è particolarmente pericoloso. In genere si individua un intervallo di accettabilità compreso tra 103 e
107 per la massima probabilità annuale di rottura per
chilometro, a seconda delle caratteristiche abitative della
zona attraversata e del tipo di fluido (gas, olio, acqua,
ecc.) trasportato. Sull’aspetto quantitativo più adeguato
alla sicurezza e relative documentazioni, argomento di
accesa discussione in molti paesi, da alcuni anni in Europa è in fase di sviluppo una nuova legislazione, che richiede di documentare che una condotta sia stata progettata
adeguatamente al suo scopo per tutta la vita operativa e
t
sh
sh
Dp
Dp
D
fig. 22. Schema esemplificativo
delle tensioni sviluppate in un tubo soggetto
a pressione interna.
che le conseguenze di eventuali rotture, in termini di
rischio per la vita umana, per l’ambiente e per le cose,
siano state ridotte al valore più basso ragionevolmente
praticabile. Tralasciando in questa sede ogni approfondimento su cosa si intenda per ‘più basso ragionevolmente praticabile’, è importante sottolineare come questo fatto abbia costretto dapprima le industrie operanti
nel Mare del Nord e ora anche quelle operanti nel Mar
Mediterraneo ad aggiornare e rivedere il loro approccio
alla sicurezza. Con questa normativa diventa responsabilità delle società che gestiscono le tubazioni definire
il livello di rischio praticabile e documentare che tale
rischio è stato ridotto al minimo praticabile. Pur potendo far riferimento alla pratica di progettazione codificata nelle normative riguardanti gli aspetti ben conosciuti, il livello di affidabilità implicito nelle normative tradizionalmente non è quantificato. Definire e
documentare una probabilità di rottura consistente e
uniforme per tutti i modi di rottura è diventato pertanto un obiettivo primario. Una considerazione doverosa
riguarda le difficoltà di quantificare e razionalizzare
fenomeni di rottura legati ad attività umane quali gli
scavi e le perforazioni di pozzi a terra, ovvero all’ancoraggio in mare di navi in aree non dedicate. Pur dovendo inserire necessariamente tali attività tra i carichi che
possono causare la rottura di una tubazione, appare molto
più adeguato e razionale identificare, ove l’analisi delle
frequenze di occorrenza lo richieda, misure di protezione ovvero procedure e/o attività di segnalazione e
sorveglianza che evitino che tali attività possano avvenire in prossimità di una condotta (ISO 1999).
Per completare il processo di dimensionamento dello
spessore della tubazione per il contenimento della pressione interna, il metodo dello stato limite permette, per
esempio, la definizione di un formato di progetto che
garantisce un obiettivo di sicurezza rispetto sia allo scoppio sia allo snervamento, cioè:
809
gasapplicatasammissibilemin{hgsy; husu}
dove hg è il fattore parziale di sicurezza associato allo
SLS relativo al superamento della tensione di snervamento, hu è il fattore parziale di sicurezza associato allo
ULS relativo al superamento della tensione ultima, ga è
il fattore di sicurezza parziale associato all’incertezza
intrinseca nel calcolo della tensione applicata e dei parametri che entrano nella formulazione usata. La tensione
di snervamento del materiale, sy, è generalmente definita come la tensione per la quale la struttura non manifesta deformazioni residue significative, cioè quelle presenti una volta che la struttura stessa venga scaricata. La
tensione di rottura ultima, su, del materiale rappresenta
il valore della sollecitazione oltre la quale è assente ogni
capacità di resistenza (nel caso del contenimento della
pressione interna, il suo superamento implica lo scoppio della tubazione).
Il comportamento del materiale appena descritto è
anche evidenziato dall’equazione di progettazione precedente. Infatti il materiale sarà tanto più vicino allo
scoppio, quanto più la sua tensione ultima di rottura, su,
è prossima alla tensione di snervamento, sy: tanto più il
valore del rapporto tra tensione di snervamento e tensione di rottura (indicato come Y/T) è vicino a uno, quanto più la tubazione sarà prossima alla possibilità di scoppiare. L’equazione di progetto precedente può essere semplificata riducendo i coefficienti di sicurezza fino ad
averne solo uno, cioè:
sapplicatasammissibilehs
Questa ultima forma è la più diffusa tra le normative vigenti in campo internazionale (tab. 1). A tale proposito, è possibile rilevare come, dal punto di vista delle
normative vigenti, diverse interpretazioni di uno stesso
problema strutturale (quello del contenimento della pressione interna da parte di un tubo) abbiano portato a proporre criteri di progetto differenti, a cui corrispondono
risultati anche molto diversi tra loro. Se si considerano,
per esempio, i criteri di dimensionamento proposti da
alcune normative internazionali, riportate nella tab. 1,
fra quelle maggiormente in uso oggi nell’ingegneria
delle condotte, si osserva che il medesimo concetto di
contenimento della tensione circonferenziale si esprime in modo diverso. Infatti, nella formula di Mariotte
sopra riportata ogni normativa assegna un preciso e particolare significato ai vari termini in essa contenuti. Queste differenze possono portare a variazioni anche del
10% sullo spessore di parete necessario per una data
pressione interna e un dato diametro nominale. La normativa ASME B31 del 1958 definisce direttamente come
massima pressione di esercizio la pressione alla quale
la tensione circonferenziale corrispondente non deve superare il 72% della tensione di snervamento del
materiale. In altre parole definisce un coefficiente di
810
sicurezza, h, uguale a 0,72. Il coefficiente di sicurezza
è stato rivisto negli ultimi anni dalle diverse normative
e attualmente si arriva fino a valori pari a 0,87 in condizioni operative.
Le tubazioni a terra sono caratterizzate da pressioni interne relativamente basse (in Italia e in Europa la
pressione massima generalmente usata è intorno a 7090 bar, ossia 7-9 MPa) se confrontate con le tubazioni
sottomarine dove, per esigenze operative, si usano pressioni che oscillano tra 200 e 300 bar (20-30 MPa). Considerando che i coefficienti di sicurezza utilizzati sono
simili, i tubi a terra hanno spessori relativamente bassi
(variano tra 12 mm e 20 mm in funzione del diametro)
se confrontati con le tubazioni sottomarine, i cui spessori variano tra 15 mm e 35 mm in funzione della pressione interna e del diametro.
Va ricordato che, nella definizione dei criteri di progetto, e quindi dei coefficienti di sicurezza, un certo margine, generalmente circa il 10% dello spessore, è lasciato per coprire la possibilità di avere dei difetti localizzati (come difetti di corrosione, denti, ovalizzazioni, ecc.)
che potrebbero diminuire la capacità di resistenza del
tubo. Le condotte a terra per il trasporto di olio sono
caratterizzate da pressioni più basse di quelle per il gas
e da temperature più elevate. Infatti, le condotte che trasportano olio per evitare la condensazione di cere che
potrebbero ostruire la condotta operano a temperature
relativamente alte (anche sopra i 100 °C). Ciò implica
che, nella definizione dello spessore del tubo, si deve
tener conto dell’abbassamento della capacità di resistenza
del materiale legato alla temperatura elevata. Nelle condotte in mare per il trasporto di gas, le alte pressioni
richieste per effettuare il trasporto sono spesso associate ad alte temperature conseguenti al processo di compressione del gas stesso. Nelle tubazioni a terra per il
trasporto di gas, un tipo di rottura molto pericoloso consiste nel possibile scoppio legato a un evento accidentale e nella conseguente propagazione lungo l’asse del tubo
di una rottura che può avere conseguenze pesantissime
sia sulle persone e sull’ambiente sia sui costi (fig. 23).
Nelle tubazioni per il trasporto di olio questo fenomeno
non è rilevante a causa della caduta pressoché istantanea della pressione interna a fronte di una rottura.
Effetti secondari
In molte condizioni insieme alla pressione interna
agiscono altri carichi, generalmente chiamati secondari, che possono avere effetti rilevanti (Bruschi et al.,
1982a). Essi sono: azioni flettenti dovute a cedimenti differenziali ovvero a una curvatura presente sul profilo del
suolo ove è adagiata la tubazione; azioni assiali, generalmente dovute a una impedita dilatazione termica o a fenomeni di scorrimento del terreno (in alcuni casi tali azioni
possono innescare fenomeni di instabilità euleriana che
comportano lo sviluppo di azioni flettenti incontrollate);
tab. 1. Normative per la progettazione delle tubazioni
sottomarine e a terra
Normativa
Nazione
DNV OS-F101
Norvegia
stati limite
USA
tensioni ammissibili
Regno Unito
Olanda
stati limite
ASME B31.4
e B31.8
BS 8010
NEN 3650
C.S.a.R. 2.06.05.85
Formato
ex URSS
CSA Z662
Canada
stati limite
ISO
Europa
stati limite
Italia
DM 24-11-84
del Ministero
dell’Interno
azioni locali, dovute a impatti o ad affioramenti di materiale rigido su cui va incidentalmente a poggiare la condotta, che generano deformazioni molto localizzate della
parete del tubo (denti, graffi, ecc.). Queste azioni secondarie possono portare all’innesco di fenomeni di malfunzionamento o di rottura.
Collasso locale della sezione. È associabile a fenomeni di instabilità locale, dovuta al superamento della
capacità di resistenza nella sezione di tubo ove sono presenti sollecitazioni longitudinali di compressione assiale e circonferenziale.
Apertura di un difetto presente su una saldatura circonferenziale. È dovuta al raggiungimento della capacità di resistenza nella zona della sezione di tubo ove
sono presenti tensioni longitudinali di trazione (Bruschi
et al., 1984) molto elevate o fluttuanti con conseguenti
problemi di fatica strutturale (Celant et al., 1982). Tale
apertura può innescare uno scoppio o limitarsi a causare una perdita di gas. Questa modalità di rottura è rilevante per tutte le fasi della vita del tubo (dalla installazione alla fase operativa) ed esistono criteri di resistenza specifici che servono a definire le dimensioni
accettabili dei difetti delle saldature a fronte dei carichi
applicati o, per dati difetti, ad accettare carichi ammissibili tali da evitare l’apertura instabile dei difetti stessi
con conseguente rilascio del fluido interno. Una normativa specifica applicata a livello internazionale è la
BS7910-1999 della British Standards Institution.
Rottura istantanea da danneggiamento locale o incipiente. È legata alla propagazione di un danno locale iniziale sull’intero spessore per fatica o per corrosione associata alla combinazione carico-ambiente.
Per prevenire ognuno dei modi di rottura legati ad
azioni secondarie esistono criteri di progettazione specifici, come quello discusso per il dimensionamento della
parete del tubo (v. ancora tab. 1). L’obiettivo è quello di
mantenere la sollecitazione applicata al di sotto di una
ben determinata sollecitazione ammissibile. È evidente
che la progettazione cerca di evitare che tali modi di rottura possano essere innescati, identificando i rimedi necessari. Questi sono spesso legati a misure di protezione del
tubo atte a ridurre l’entità dei carichi esterni e non alla
modifica dello spessore del tubo stesso. Quando però si
è in ambienti che presentano caratteristiche idrogeologiche in evoluzione (terreni soggetti a movimenti franosi)
o che possono essere interessati da fenomeni sismici rilevanti, le azioni secondarie possono divenire critiche e
l’ingegnere in fase di progetto ha a disposizione pochi
mezzi per determinare la natura e l’entità delle azioni
secondarie che si possono sviluppare. In questi casi in
fig. 23. Effetto della propagazione longitudinale della frattura a seguito di uno scoppio locale (per cortesia di R. Bruschi).
811
genere la compagnia che esercisce la condotta dispone
una serie di attività di sorveglianza e controllo strumentale per tenere sotto osservazione le zone potenzialmente critiche e avviare gli opportuni interventi di mitigazione atti a evitare l’evolvere verso condizioni che potrebbero portare alla rottura delle condotte (Bruschi et al.,
1995). La scarsa attenzione rivolta alle condizioni di carico secondarie, in pratica risolta con verifiche su un livello di sollecitazione equivalente che poco è correlabile alle
reali condizioni di rottura, è una carenza delle normative attuali. Solo alcune normative vigenti in paesi caratterizzati da ambienti particolarmente difficili, come per
esempio il Giappone, ove i terreni sono esposti a condizioni termiche e sismiche molto severe, contemplano verifiche articolate dedicate ai carichi secondari. Tra gli effetti secondari non specificatamente legati a carichi esterni, si può annoverare la possibilità di corrosione della
parete di acciaio del tubo, dovuta a due eventualità:
• ambiente esterno (correnti indotte per le tubazioni a
terra, terreni corrosivi, acqua marina con elevato contenuto in cloro, ecc.); per questa tipologia di danneggiamento la progettazione prevede, come già
accennato precedentemente, la ricopertura totale del
tubo con materiale plastico (polietilene, polipropilene, ecc.) isolante (protezione passiva) e l’installazione di anodi (per esempio di zinco o di manganese) su cui innescare l’eventuale azione corrosiva al
posto della parete di acciaio del tubo accidentalmente
in contatto con l’ambiente corrosivo esterno (protezione attiva);
• fluido trasportato che può essere corrosivo; per questa tipologia di corrosione generalmente si utilizzano materiali resistenti alla corrosione (acciai inossidabili) o si pretratta il fluido da trasportare prima
della sua immissione nella condotta stessa per ridurre al minimo la presenza di agenti corrosivi quali
biossido di carbonio (CO 2), solfuro di idrogeno
(H2S), ecc.
Le condotte a terra sono generalmente interrate in
modo da evitare possibili interferenze con altre attività
umane, come l’agricoltura, la costruzione di strade e
altro. Nondimeno, alcune tipologie di carichi secondari
sono comunque possibili (Bruschi et al., 1995), come
per esempio: carichi statici e dinamici in tubazioni interrate dovuti a movimenti di terreno (smottamenti, frane
e terremoti), tipologia di carico che genera sia flessione
della condotta sia trazione e compressione assiale (figg. 24
e 25); carichi accidentali legati alla interferenza con attività umane, tipologia nella quale si collocano i danni
locali, come il dente superficiale e il graffio generato
sulla parete del tubo durante l’impatto con la benna di
una ruspa, tipico delle attività di costruzione, o con l’aratro durante le attività agricole.
Le condotte sottomarine, contrariamente a quelle a
terra, sono soggette a carichi significativi durante la
812
costruzione. Questo implica che lo spessore della parete può anche essere definito tenendo conto che la tubazione deve resistere ai carichi di costruzione (Torselletti
et al., 2003b). Inoltre, a causa degli elevati costi di interramento legati alla necessità di lavorare a profondità
anche molto elevate (500 m), la tubazione è spesso
appoggiata sul fondale marino. Questo significa che il
tubo rimarrà soggetto alle asperità del fondale, all’interferenza con le attività umane, alle azioni idrodinamiche legate a correnti e onde marine, a carichi accidentali innescati da terremoti (frane, correnti di torbida, ecc.). Le condotte sottomarine sono soggette ai
seguenti carichi secondari: a) carico dovuto alla pressione idrostatica dell’acqua circostante, tipologia di carico particolarmente importante nelle tubazioni costruite a elevata (1.000 m) ed elevatissima (2.000 m)
profondità, per le quali viene definito lo spessore della
parete del tubo; b) carichi combinati di pressione (interna o esterna), di flessione (legata a carichi funzionali
come il peso proprio e il peso del fluido trasportato, alle
asperità del fondale, ecc.) e assiali (legati a carichi funzionali come la temperatura operativa che tende a dilatare il tubo); c) carichi dinamici dovuti a onde di superficie e a correnti sottomarine che possono innescare
instabilità laterali e vibrazioni della tubazione quando
quest’ultima è in una configurazione sospesa (campata) tra due appoggi (Bruschi et al., 1982b); d) carichi
statici e dinamici in tubazioni interrate dovuti a movimenti di terreno (come smottamenti, frane e terremoti;
Bruschi et al., 1995), tipologia di carico che genera sia
flessione della condotta che trazione e compressione
assiale; e) carichi accidentali legati alla interferenza con
attività umane, tipologia nella quale si collocano i danni
locali come il dente superficiale e il graffio generato
sulla parete del tubo durante l’impatto con le reti a strascico dei pescatori o le ancore delle navi.
I carichi di installazione applicati alle condotte a terra
sono relativamente bassi a causa della tecnologia usata,
che permette una preparazione ottimale del percorso della
tubazione. Al contrario, l’installazione di tubazioni sottomarine richiede analisi molto sofisticate di previsione
dei carichi applicati e della risposta strutturale del tubo.
Di seguito vengono descritti i criteri di progettazione che
servono a garantire l’integrità di una tubazione durante
la fase di installazione.
Contenimento della pressione esterna
nelle condotte sottomarine
L’installazione delle condotte in mare prevede spesso
la presenza di aria alla pressione atmosferica all’interno
dei tubi (Torselletti et al., 2003b). L’elevata pressione idrostatica esterna, frequentemente presente durante l’installazione dei tubi in mare, tende a ovalizzare la sezione trasversale del tubo (non perfettamente circolare sin dalla
sua produzione in acciaieria) fino allo stato limite ultimo
fig. 24. Frana parallela all’asse del tubo.
fig. 25. Frana laterale all’asse del tubo.
di collasso (completo schiacciamento) della sezione stessa. L’instabilità della sezione trasversale del tubo soggetto a pressione esterna è raggiunta quando quest’ultima è
uguale alla pressione di collasso, pcollasso, definita dalla
seguente formula:
pcollasso
111
pel, d 1
pcollasso 2
pcollasso D
0
111
111
13
py, d 1 f0 py, d
t
dove
DmaxDmin
f0111123
D0
2E
t
pel, d112 13
1v D0
3
t
py, d2sy 13
D0
D0 è il diametro esterno, t lo spessore di acciaio, f0 l’ovalizzazione iniziale della sezione trasversale, Dmax e
Dmin sono rispettivamente il diametro esterno massimo
e minimo. Il carico della pressione esterna, nel caso di
tubi da installare a profondità molto elevate (1.200 m)
può anche essere determinante nella definizione dello
spessore del tubo in luogo del criterio di contenimento
della pressione interna. Il criterio di sicurezza è simile a
quello usato per la pressione interna e si esprime come:
pesternahppcollasso
dove hp è un coefficiente che stabilisce il livello di sicurezza, cioè quanto sia improbabile lo schiacciamento
della sezione trasversale del tubo.
Un eventuale collasso localizzato può propagarsi lungo
la condotta se la pressione esterna supera un certo valore critico (che può essere la pressione di collasso o un
valore più basso in funzione di difetti locali, quale un
dente, o di una combinazione di carichi che enfatizza l’effetto della pressione esterna). In questo caso la sezione
collassata di tubo può propagare lo schiacciamento lungo
la tubazione alle sezioni adiacenti (Torselletti et al., 2003a).
Questa propagazione si arresta solo se la pressione esterna è più bassa di un valore massimo capace di fornire l’energia sufficiente a sostenere la propagazione o se la
sezione di tubo è sufficientemente resistente per sostenere la pressione esterna, cioè lo spessore è più alto di
quello legato al collasso di un tubo senza difetto locale.
Il primo caso va evitato per non rischiare lo schiacciamento di lunghi tratti di tubo. Il secondo caso viene
ottenuto aumentando lo spessore di tutto il tubo (soluzione molto costosa) o inserendo delle sezioni di tubo
più spesso (4-12 m di lunghezza) a intervalli regolari che
blocchino l’eventuale propagazione dello schiacciamento.
Le tubazioni in mare sono soggette a carichi di installazione relativamente elevati rispetto a quelle a terra.
Infatti il tubo è soggetto contemporaneamente a carico
flessionale, assiale e di pressione esterna. In aggiunta,
durante la costruzione delle condotte a mare, a causa
della necessità di sostenere il peso della campata di varo,
il tubo è appoggiato su supporti discontinui (roller) che
possono applicare delle azioni trasversali anche relativamente elevate. Nella costruzione delle condotte a terra
tutte e quattro le suddette sollecitazioni sono assenti. In
casi particolari si presenta la necessità di installare curve
predeformate a freddo in campo, così da ottenere un raggio di curvatura ben definito. Questa tipologia di carico
è però applicata sporadicamente in modo molto controllato, così da evitare possibili rotture o sezioni danneggiate in fase operativa.
Nel caso dell’installazione delle condotte in mare,
l’effetto dei carichi combinati è quello di innescare un
modo di rottura legato all’instabilità della sezione trasversale con conseguente suo schiacciamento (fig. 26).
Per esprimere analiticamente questo modo di rottura le
diverse normative utilizzano equazioni differenti (Torselletti et al., 2003b). Sono due le equazioni più usate.
Nella prima vengono presi in considerazione direttamente i carichi esterni applicati alla parete di acciaio del
tubo attraverso una disequazione del tipo:
Mapplicato a
Napplicato b
pesterna g
11123
11123
111
g
N
p
Mcritico
critico
collasso
dove M è il momento flettente, N è la forza assiale e
pesterna è la pressione esterna. I termini a denominatore
sono i valori critici di rottura/instabilità dei singoli carichi
813
fig. 26. Formazione di un dente locale a seguito di una forza concentrata esterna e collasso della sezione
trasversale del tubo (per cortesia di R. Bruschi).
presi separatamente, g è il coefficiente di sicurezza ed è
minore dell’unità. La pressione di collasso, pcollasso, è
una funzione della geometria del tubo (che include le
imperfezioni come la sezione trasversale non perfettamente circolare, cioè l’ovalizzazione, o la presenza di un
dente localizzato) e delle caratteristiche del materiale.
Nella seconda equazione vengono usate le tensioni
conseguenti ai carichi esterni applicati attraverso la definizione della cosiddetta tensione equivalente. La tensione equivalente applicata a fronte di uno stato ammissibile, che può essere definito sia rispetto allo snervamento (sy) sia rispetto alla rottura (su), è definita da uno
o più coefficienti di sicurezza (Bruschi et al., 1982a;
DNV, 2000).
L’obiettivo dei criteri riportati sopra è quello di installare una condotta capace di sopportare i carichi operativi
e ambientali che si susseguiranno durante la vita operativa. In particolare l’irregolarità del fondale marino potrebbe indurre sulla condotta posata su di esso dei carichi esterni flessionali inaccettabili, con riferimento ai criteri riportati sopra. In questa situazione o si modifica il fondale con
appositi interventi o, se questi sono troppo costosi, si modifica la rotta seguita dal tubo in modo da ridurre l’effetto
dei carichi applicati (tensione equivalente e criterio di
instabilità sezionale) al di sotto della tensione ammissibile. Alcune tipologie di installazione delle condotte in mare
sono tali da controllare in modo molto accurato il livello
di deformazione indotta nella parete del tubo. In questi
casi i criteri di progettazione permettono di usare coefficienti di sicurezza meno restrittivi o, in modo equivalente, introducono il concetto di deformazione ammissibile
per definire il limite di instabilità/schiacciamento della
sezione trasversale del tubo. Il criterio è simile a quello
basato sui carichi esterni riportato sopra, ma il momento
M e la forza assiale N sono sostituiti dalla deformazione
longitudinale corrispondente.
814
Per tutti i criteri sopra descritti esistono equazioni per
la progettazione basate sugli stati limite, come per il contenimento della pressione interna. Nel caso dei carichi
di installazione delle condotte in mare le incertezze più
elevate sono legate ai carichi esterni dovuti all’ambiente. In particolare la nave-cantiere, durante la costruzione della condotta, può essere soggetta a tempeste marine con onde anche molto elevate, i cui effetti sulla integrità strutturale della campata di varo possono essere
catastrofici con conseguente perdita in mare del tubo
stesso. È chiaro quindi che, rispetto alla situazione operativa, i coefficienti di sicurezza adottati per la fase di
costruzione sono generalmente più bassi.
Resistenza ai carichi ambientali
e da interferenza esterna
La pressione interna non è il solo carico presente
sulle tubazioni marine e terrestri. Nei paragrafi precedenti sono state descritte alcune situazioni tipiche di
interazione di più carichi applicati alla condotta (Bruschi et al., 1982a). L’analisi della resistenza della tubazione ai carichi di esercizio (peso proprio, pressione,
temperatura, ecc.) e ambientali (onde marine e correnti sottomarine, frane, ecc.) si può suddividere in due fasi:
l’analisi della risposta del tubo, cioè il calcolo delle sollecitazioni applicate, e il confronto di queste sollecitazioni applicate con una tensione limite attraverso un criterio di resistenza.
La configurazione di equilibrio di una condotta posata su fondali irregolari dà generalmente luogo a una serie
di campate libere, separate tra loro da tratti di diversa
lunghezza, lungo i quali il tubo posa sul fondo (fig. 27).
Questa situazione è tipica delle condotte sottomarine. Le
condotte a terra sono invece generalmente posate in una
trincea che segue suoli abbastanza regolari opportunamente scelti per evitare carichi di flessione elevati. La
fig. 27. Configurazione
di equilibrio
di una condotta posata
su fondali marini irregolari.
m
flessione nominale / flessione limite
2
1
0
1
2
configurazione post-intervento
configurazione pre-intervento: non ammissibile
appesantimenti locali
discontinuità dei punti di supporto induce momenti flettenti che possono essere inaccettabili da un punto di vista
statico (cioè sotto i carichi funzionali) e dinamico (cioè
sotto i carichi funzionali e ambientali). In particolare,
l’irregolarità del fondale deve essere compresa entro limiti che permettono la posa del tubo senza pregiudicarne
la resistenza.
Una volta posata la condotta, si dovrà considerare che:
la configurazione di equilibrio sotto le azioni statiche potrebbe essere non accettabile, per esempio durante la fase di
collaudo idraulico (v. par. 7.1.6) o nella successiva fase
operativa, qualora il peso complessivo della tubazione e il
fluido interno, la pressione interna e quella esterna sollecitino i punti di appoggio della condotta causando momenti flettenti che superano i valori ammissibili; la configurazione di equilibrio potrebbe essere inammissibile da un
punto di vista dinamico, qualora le correnti del fondo, agenti trasversalmente al tubo, siano tali da indurre oscillazioni idroelastiche autoesaltanti di ampiezza tale da pregiudicare la resistenza a fatica della condotta durante la vita
operativa (Bruschi et al., 1982b; Celant et al., 1982).
Le due situazioni di carico descritte sopra vanno confrontate con criteri strutturali atti a garantire l’integrità del
tubo per tutta la vita operativa (Vitali et al., 2003), in particolare: il momento flettente limite combinato all’azione
della pressione interna e della forza assiale oltre il quale la
tubazione perde ogni capacità di resistenza (si tratta di criteri simili a quelli riportati in precedenza, dove sono discussi i carichi di installazione); il superamento della resistenza a fatica sotto carichi ciclici legati sia alle fluttuazioni di
pressione interna che ai carichi dinamici dovuti all’ambiente esterno (criteri di resistenza specifici per questo stato
limite sono riportati nelle normative della tab. 1).
A fronte del superamento del valore ammissibile della
tensione o del momento flettente è necessario eseguire
dei lavori di intervento atti a modificare la configurazione di equilibrio della tubazione, come per esempio il livellamento delle asperità lungo la rotta della condotta (scavando trincee o usando rocce e materiale di scavo per
riempire gli avvallamenti), come mostrato nella fig. 27.
riempimento con ghiaia
supporti artificiali
L’introduzione del metodo degli stati limite ha reso
necessaria l’analisi dettagliata della risposta strutturale
del tubo sotto l’azione combinata di momento flettente, pressione interna e forza assiale. Le normative esistenti fanno spesso riferimento a criteri di progettazione basati su prove sperimentali in scala 1:1 e sull’applicazione di modelli numerici (FEA, Finite Elements
Analysis, analisi agli elementi finiti), come evidenziato dalle figg. 28 e 29.
Le condotte per il trasporto di fluidi pericolosi per
l’ambiente o per le persone (quali l’olio o il gas naturale che possono incendiarsi o esplodere o comunque inquinare) devono anche essere progettate per resistere ai carichi accidentali, cioè a carichi la cui probabilità di occorrenza è remota ma non trascurabile dal punto di vista dei
rischi. Infatti l’obiettivo è quello di progettare una struttura sicura anche rispetto a carichi accidentali remoti,
che però possono avere conseguenze gravi sia dal punto
di vista ambientale e di perdite di vite umane sia da quello economico (v. sopra).
Le condotte a terra, passando per luoghi dove le attività umane (abitazioni, industrie, colture, ecc.) sono considerevoli, devono essere in grado di sostenere carichi
accidentali anche elevati. Si ricorda ancora una volta che
carichi accidentali tipici sono quelli legati all’ambiente
(terremoti, frane, ecc.) o alle attività umane. Ciò richiederebbe spessori della parete d’acciaio molto elevati. Per
limitare lo spessore entro valori economicamente accettabili, si adottano, come già accennato, misure di protezione quali l’interramento del tubo in trincee di opportuna profondità. Ci sono tuttavia attività umane che possono ancora interferire (per esempio, come già detto,
l’interferenza con le benne delle ruspe, con le lame degli
aratri, ecc.). Ciò significa che la parete d’acciaio deve
avere uno spessore adeguato a resistere anche ad alcuni carichi accidentali la cui frequenza sia molto elevata o le cui conseguenze siano molto gravi. Tuttavia questa misura può non essere sufficiente. Infatti alcune
situazioni di danno locale possono diventare pericolose nel tempo anche se non lo sono nell’immediato. Resta
815
questa è la prima e più importante distinzione per la realizzazione di tubazioni, dato che i due diversi ambienti
richiedono una progettazione e una tecnologia di costruzione diverse. In genere le condotte sottomarine esigono un livello tecnologico elevato sia durante la costruzione, per via dei mezzi impiegati, sia in seguito, per la
gestione e la manutenzione delle linee.
fig. 28. Determinazione del momento flettente limite
tramite prove sperimentali (per cortesia di R. Bruschi).
Condotte a terra
La tendenza attuale nella costruzione delle condotte
a terra (Institution of Gas Engineers, 1984) è quella di
prevederle interrate, con pochissime eccezioni in casi
particolari; ciò consente sia di aumentare la sicurezza
sia di ridurre l’impatto sull’ambiente. Le attività per la
costruzione di una condotta sulla terraferma si possono schematizzare come segue: a) logistica e pista di lavoro; b) scavo della trincea e attraversamento di punti particolari; c) montaggio meccanico; d) ripristini e avviamento.
Logistica
fig. 29. Determinazione del momento flettente limite tramite
analisi numeriche agli elementi finiti
quindi fondamentale la pianificazione di una attività di
ispezione e conseguente monitoraggio e/o riparazione di
eventuali danneggiamenti presenti sulla tubazione (denti
locali e/o graffi sulla parete di acciaio, corrosione localizzata o generalizzata). Una delle attività principali di
monitoraggio consiste nella verifica di eventuali attività
corrosive della parete di acciaio dovute al deterioramento/danneggiamento della protezione passiva (rivestimento anticorrosivo) e nella conseguente attivazione
della protezione attiva (protezione catodica).
Un altro problema, che è generalmente innescato da
carichi accidentali esterni che deteriorano nel tempo la
resistenza meccanica della parete del tubo, è la cosiddetta
propagazione duttile di una frattura longitudinale che
porta a conseguenze spesso disastrose (perdite di vite
umane e ingenti danni economici); questo problema è
tipico delle tubazioni per il trasposto di gas. Generalmente
il criterio di progettazione è legato alla scelta di un materiale sufficientemente tenace da impedire tale propagazione. Anche se l’innesco può essere legato a interferenze locali con attività umane, l’attività di monitoraggio
preventivo di danneggiamenti locali resta fondamentale.
7.1.6 Costruzione
La costruzione di una condotta è realizzata saldando tra
loro i tubi opportunamente preparati e adagiandoli lungo
un percorso predefinito. A seconda dell’ambiente attraversato, si hanno condotte a terra o condotte sottomarine;
816
•
•
•
Le attività di logistica includono:
dislocazione del personale, dei macchinari e degli
strumenti in cantieri disposti lungo la condotta, a una
distanza che è in funzione delle caratteristiche del
territorio interessato e della presenza di infrastrutture e servizi (trasporti, acqua, elettricità, ecc.);
preparazione della pista di lavoro (Gray, 2004);
lungo tutto il tracciato della linea viene preparata
una pista per il passaggio dei mezzi meccanici, per
la movimentazione e per la posa della condotta.
Generalmente con l’aumentare del diametro della
tubazione aumentano anche le dimensioni dei mezzi
meccanici utilizzati e della sezione di scavo. Pertanto si prepara una pista di larghezza crescente proporzionalmente al diametro della tubazione, fino a
una larghezza di circa 30 m per un diametro di 1,2
m. In situazioni difficili o per ridurre al minimo
l’impatto ambientale, si possono adottare restringimenti di pista con aumento della complessità del
lavoro di montaggio. Dopo i lavori di rimozione
della vegetazione e di asporto dello strato di humus
dall’area di passaggio, si procede a un livellamento del terreno per facilitare i lavori di scavo e di
montaggio della condotta. L’humus viene abitualmente accantonato per essere successivamente
rimesso in posto;
trasporto e stoccaggio dei tubi; i tubi per condotte
(di lunghezza variabile tra 10 e 17 m) sono spesso
prodotti in stabilimenti molto lontani dalla zona di
utilizzo e, per opere importanti, da più fornitori.
Dagli stabilimenti di produzione, la prima parte del
trasporto si compie su nave o su treno; in seguito si
utilizzano camion per raggiungere le aree di raccolta vicine ai cantieri; a volte è quindi necessario realizzare strade di accesso. I costi associati al trasporto
•
•
a terra hanno un’importanza significativa e vengono in genere stabiliti mediando tra i vantaggi offerti dai tubi lunghi (prodotti con lunghezze fino a 17
m), che presentano minor numero di saldature e
minor costo di costruzione, e gli svantaggi dei maggiori costi di trasporto a essi associati (in genere
per lunghezze sopra i 13 m occorre organizzare un
trasporto eccezionale). Un compromesso diffuso
consiste nel prevedere tubi di circa 12 m che vengono saldati a coppia direttamente in cantiere, trasportando successivamente il pezzo di tubo realizzato (doppio giunto) lungo la pista fino al punto di
saldatura finale alla condotta. La sovrapposizione
delle fasi di saldatura consente così un aumento di
produttività molto importante. Durante la fase di
movimentazione, trasporto e stoccaggio dei tubi, è
importante non danneggiare né il tubo né il rivestimento anticorrosivo applicato sull’esterno dell’acciaio (il rivestimento può essere comunque riparato senza difficoltà); danneggiamenti al tubo di
acciaio possono essere ripristinati solo in alcuni
casi meno gravi;
una movimentazione accurata dei tubi fino alla loro
installazione nella trincea; infatti è importante non
porre attrezzature metalliche in contatto diretto con
il rivestimento del tubo, evitare di adagiare i tubi trasportati lungo la linea direttamente sulla terra, maneggiare la condotta (soprattutto quando assemblata) in
modo da non provocare deformazioni plastiche, ovalizzazioni e ammaccature;
sfilamento dei tubi lungo la pista; questa è la parte
conclusiva del trasporto: i tubi sono allineati lungo la
pista di lato alla trincea in modo da essere pronti per
l’accoppiamento. Le sezioni ove occorrono curve si
identificano in fase di progettazione e si predispongono appositi pezzi curvati direttamente negli stabilimenti e trasportati in sito. Altre curvature si realizzano sul campo come parte del montaggio meccanico.
Scavi e attraversamenti
Le condotte sono generalmente interrate, con uno
spessore di ricoprimento tale da evitare interferenze con
le attività superficiali, in particolare quelle agricole, e
assicurare protezione dal passaggio di mezzi meccanici; il ricoprimento deve tener conto anche della possibilità di erosione nel tempo a causa di eventi naturali o provocati da attività umane.
L’attività di scavo prevede la preparazione di una trincea, di forma, profondità e larghezza adeguate alla condotta e alle varie problematiche legate ai suoli attraversati; la trincea è realizzata tramite macchine scavatrici
di vario tipo, abbinate a uso di esplosivo in presenza di
roccia dura.
Il fondo della trincea è realizzato in modo che la
condotta vi appoggi con continuità. Inoltre il fondo e
le pareti dello scavo sono rifiniti in modo da non presentare asperità che possano danneggiare la condotta o il
suo rivestimento. Si controlla quindi che il fondo dello
scavo non contenga corpi estranei o massi o spuntoni duri
e, quando serve, si crea un letto di posa sicuro, ricoprendo l’area intorno alla tubazione con materiale scelto (sabbia), spesso selezionato da quello dello scavo stesso.
Nell’ambito della realizzazione di condotte, l’attraversamento di ostacoli naturali (corsi d’acqua, dossi e
pendii rocciosi) e artificiali (ferrovie, strade e autostrade) ha sempre rappresentato una peculiarità dal punto di
vista sia progettuale sia costruttivo. Esiste un’ampia gradualità di intervento a seconda della difficoltà presentata dall’attraversamento. Gli attraversamenti dei corsi
d’acqua e delle loro infrastrutture vengono realizzati con
piccoli cantieri, che operano contestualmente all’avanzamento della linea. In questo ambito va ricordato che
in casi particolari, come nelle aree di alta montagna, vengono realizzate anche gallerie.
Si possono realizzare numerose classificazioni delle
metodologie costruttive disponibili, basate sui criteri di
perforazione, sulla tipologia di scavo o sul tipo di macchine operanti; le due metodologie principali sono quelle a cielo aperto e quelle con tecnologie sotterranee, dette
anche trenchless (Vescovo e Lazzarini, 2002). L’esigenza di un più accurato rispetto ambientale nelle zone interessate da condotte e l’importante sviluppo tecnologico
acquisito negli ultimi anni, hanno spinto sempre più verso
l’adozione di tecnologie trenchless alternative all’uso di
scavi a cielo aperto.
Le metodologie trenchless più utilizzate sono: il microtunnel e la Trivellazione Orizzontale Controllata (TOC).
La metodologia del microtunnel consiste nell’avanzamento progressivo di una testata di perforazione cilindrica posizionata in testa a un treno di tubi di rivestimento. L’avanzamento contemporaneo della testata e dei
tubi in coda è dato dalla spinta di martinetti idraulici
posizionati in coda, presso la postazione di spinta. Il
microtunnel viene realizzato con sistemi di controllo
sofisticati, a volte telecomandati (remote controlled), che
consentono geometrie curvilinee, elevata precisione e
sicurezza. All’interno del microtunnel, dopo il suo completamento, viene installata la condotta mediante ‘varo’
con argani e funi di tiro. Le dimensioni dei microtunnel
sono variabili a seconda della condotta da posare; il loro
diametro va da 1 a 3,5 m, salvo casi particolari.
La TOC è un sistema di trivellazione derivato dai
metodi di perforazione direzionale per pozzi petroliferi. In una prima fase viene realizzato un foro pilota di
piccolo diametro lungo il profilo di progetto prestabilito, generalmente curvo, utilizzando una testata di perforazione a getto in pressione – o in alternativa un motore a fanghi – collegata in testa ad aste di perforazione.
La testata di perforazione effettua sia l’azione di taglio
meccanico del terreno sia le deviazioni necessarie per
817
seguire la direzione di progetto. La seconda fase è quella dell’alesaggio del foro pilota fino al diametro idoneo per l’alloggiamento della condotta. Il numero di
passaggi di alesaggio dipende da diversi fattori (natura dei terreni, diametro della condotta, sforzi di tiro
ammissibili, ecc.).
Infine viene effettuato il ‘tiro’ della condotta tramite le aste di perforazione, in coda alle quali è collegato
con apposita giunzione un tratto della condotta stessa già
saldato in tutta la sua lunghezza all’esterno.
Montaggi meccanici
Qualifica delle procedure di costruzione. Le principali procedure di costruzione sono la saldatura, il rivestimento anticorrosivo sui giunti saldati, i controlli non distruttivi e le riparazioni delle saldature; tutte queste operazioni sono da eseguire al campo. Tali procedure sono anche
testate per verificare che il personale, i macchinari e il
materiale impiegati siano tali da garantire la riuscita della
lavorazione secondo quanto previsto nelle specifiche. Le
qualifiche si eseguono direttamente in cantiere all’avvio
della lavorazione specifica, se non presentano particolari
difficoltà. Le procedure di saldatura sono qualificate con
un certo anticipo sull’inizio della costruzione, per aver
modo di eseguire i test distruttivi previsti e poter adottare le eventuali misure correttive nel caso non siano soddisfatti i requisiti richiesti. Se si prevede di eseguire i controlli non distruttivi con sistemi a ultrasuoni automatici,
alla qualifica del procedimento di saldatura segue la costruzione dei blocchi di calibrazione.
Collegamento dei tubi tramite saldatura dei giunti e
controlli non distruttivi. La saldatura dei giunti è l’attività principale nella costruzione di una condotta. Si usano
tecniche manuali, semiautomatiche e automatiche. Per
condotte importanti si usano soprattutto tecniche semiautomatiche che garantiscono la maggiore produttività,
anche se molti sforzi sono incentrati sullo sviluppo di
macchine automatiche che consentano una produttività
più elevata; le saldature manuali sono comunque sempre previste per collegamenti fuori linea di stringhe di
condotta (tie-in) e sono applicate nei collegamenti di
pezzi particolari (valvole, derivazioni, curve prefabbricate, trappole), o in tubi con diverso spessore di parete;
sulle condotte minori la saldatura manuale è ancora privilegiata a causa della sua maggiore semplicità.
Le tecnologie sono varie: in genere le saldature sono
ad arco elettrico (v. par. 7.1.4) e si differenziano per il
tipo di schermatura della zona fusa: saldature ad arco
sommerso (a filo continuo, di tipo automatico e semiautomatico, usate spesso sui doppi giunti), e saldature con
protezione a gas (a filo continuo, generalmente di tipo
semiautomatico, usate sulle giunzioni delle condotte). Il
completamento della saldatura si fa per ‘passate’ successive, usando anche metodologie diverse per le singole passate.
818
La procedura tipica prevede, come già detto, l’accoppiamento meccanico dei giunti da saldare con un
apposito equipaggiamento ‘a clampe’ che viaggia all’interno della condotta (v. ancora fig. 21; in alcuni casi si
usa anche un accoppiatore esterno), il quale ha lo scopo
di accostare i due lembi in maniera stabile; si procede
quindi a un controllo sui disallineamenti, si effettua un
preriscaldamento dei lembi da collegare e si opera la saldatura con controllo delle temperature intermedie tra le
passate.
Tutte le saldature sono controllate per identificare
difetti che possano compromettere l’integrità della condotta. Negli anni passati si usavano, come già accennato, mezzi radiografici coadiuvati da mezzi a ultrasuoni
di tipo manuale. Attualmente si tende a usare sistemi a
ultrasuoni automatici, che garantiscono meglio l’identificazione dei difetti più pericolosi e forniscono informazioni più accurate sulle caratteristiche dimensionali
dei difetti.
Rivestimento con materiale protettivo dei giunti di
saldatura e controllo dell’integrità del rivestimento
esterno. Normalmente i tubi arrivano ai cantieri già
rivestiti, mentre la realizzazione del rivestimento del
giunto saldato si effettua necessariamente sulla linea.
A questo scopo si predispone il giunto saldato per le
operazioni di pulizia, sabbiatura e riscaldamento, quindi si procede all’applicazione del materiale di protezione, generalmente dello stesso tipo di quello usato
per proteggere il resto della tubazione (strati di polietilene o polipropilene sopra materiale epossidico). Si
verifica poi l’isolamento elettrico del giunto e del resto
della tubazione tramite strumentazione ad alto voltaggio (5-25 kV) denominata cercafalle.
Posa delle stringhe di tubazione nella trincea e loro
collegamento. Dopo che i tubi sono stati saldati tra loro
sulla pista (raramente nello scavo), vengono posate all’interno della trincea stringhe lunghe centinaia di metri. Per
far ciò si usa una serie di macchine di sollevamento-posa
con braccia laterali e contrappeso (sideboom), che operano in modo coordinato per ottenere la discesa all’interno della trincea senza sollecitazioni e curvature (S
curve) eccessive sulla condotta (fig. 30). Una volta posate, le stringhe sono saldate tra loro all’interno della trincea con saldatura manuale (tie-in). A completamento
della fase di posa, nelle condotte più importanti spesso
viene posato nello stesso scavo anche un cavo a fibre
ottiche per la trasmissione di dati di funzionamento e
comandi alle valvole e alle altre apparecchiature operanti sulla condotta.
Attrezzature di completamento della condotta. Il
completamento della condotta consiste nella installazione dei punti di sezionamento, delle stazioni per il
lancio e ricevimento (trappole) di apparecchiature (pig)
in grado di percorrere all’interno tutta la condotta. Questi impianti ‘di linea’ sono provvisti di valvole, sistemi
di by-pass, sistemi per lo svuotamento e scarico dei
tratti sezionati di condotta e strumentazione per il controllo di trasmissione di dati sul funzionamento della
condotta. Sono generalmente realizzati in piccole aree
recintate con cabine all’interno delle quali sono ubicati pannelli con la strumentazione di controllo.
In alcune di queste stazioni sono previsti anche il
sistema di alimentazione per la protezione catodica, la
strumentazione di controllo e monitoraggio e il sistema
di trasmissione dei dati. Tali stazioni vengono rese accessibili alla viabilità esistente e a volte prevedono generatori di elettricità autonomi.
Installazione della protezione elettrica (catodica).
La condotta è protetta dalla corrosione, oltre che dal
rivestimento esterno della tubazione, anche grazie a
una protezione attiva (catodica) mediante un sistema di
correnti elettriche generate con apparecchiature poste
lungo la linea, il che rende il metallo della condotta
elettricamente negativo rispetto all’elettrolito circostante (terreno, acqua, ecc.). Lungo la condotta sono
installati punti di monitoraggio per poter verificare l’efficacia del sistema stesso.
Ripristini e avviamento
Rinterro e ripristini vengono attuati al completamento
dei lavori meccanici e di posa. Il rinterro viene effettuato con lo stesso materiale dello scavo (salvo casi molto
particolari di condizioni geologiche non idonee): viene
steso un nastro di segnalazione e in punti particolari vengono interposte anche beole di protezione o diaframmi
in sacchi di sabbia. L’ultimo strato di rinterro è particolarmente curato al fine del ripristino della morfologia e
dell’uso del suolo precedenti ai lavori.
In alcuni punti particolari alla fine dei lavori si deve
procedere alla costruzione di opere di ripristino che
possono essere finalizzate agli aspetti geotecnici (stabilità delle aree acclivi, controllo idraulico sugli attraversamenti fluviali, mitigazione morfologica paesaggistica) e agli aspetti ambientali, con interventi che tendono alla ricostituzione del manto vegetale o arboreo
preesistente e alla rigenerazione del livello di fertilità
originario.
Per ogni tratto di condotta completamente collegata e posata, si procede al collaudo idraulico che è eseguito riempiendo la condotta con acqua (in caso di
notevoli difficoltà a reperire acqua è possibile usare
aria o gas) e pressurizzandola al di sopra della pressione di esercizio. Le fasi di riempimento e svuotamento dell’acqua del collaudo idraulico sono eseguite utilizzando idonei scovoli a tenuta, comunemente
denominati pig, che vengono impiegati anche per operazioni di pulizia e messa in esercizio della condotta
e per la verifica dimensionale. Si installano a tal proposito degli equipaggiamenti provvisori, chiamati ‘piatti di prova’, saldati alle estremità del tratto costruito;
completato il collaudo idraulico, l’acqua è evacuata
meccanicamente con l’utilizzo di pig, spinti con aria
compressa, allo scopo di eliminare l’acqua rimasta
nella condotta, specialmente in corrispondenza dei
punti bassi.
Completata l’asportazione dell’acqua residua rimane inevitabilmente sulla superficie interna della condotta una certa quantità d’acqua in forma di pellicola.
Si deve procedere quindi a lavaggio ed essiccamento
della condotta per evitare che il fluido trasportato incorpori parti di umidità dannose. L’essiccamento avviene
con vari metodi (mediante azoto, aria secca o vuoto
pneumatico).
La costruzione e la manutenzione di una condotta
sono normalmente legittimate da una servitù il cui esercizio, lasciate inalterate le possibilità di sfruttamento
agricolo dei fondi attraversati, limita la fabbricazione
nell’ambito di una fascia di rispetto (asservimento) a
cavallo della condotta (servitù non aedificandi). I limiti di fabbricazione sono in relazione alla categoria di
opera e alle normative a cui è sottoposta.
Terminata la fase di realizzazione e di collaudo dell’opera, la condotta è messa in esercizio. La funzione
di coordinare e controllare le attività riguardanti il trasporto degli idrocarburi tramite condotte è affidata a
unità organizzative sia centralizzate, sia distribuite sul
territorio. L’attività consiste nel percorrere il tracciato
delle condotte o controllarlo da posizioni idonee per
rilevare la regolarità delle condizioni di interramento,
la funzionalità e la buona conservazione dei manufatti e della segnaletica e le eventuali azioni di terzi che
possano interessare le condotte e le aree di rispetto. Il
controllo della condotta può essere eseguito anche con
un aereo o un elicottero.
Condotte sottomarine
Per la costruzione delle condotte sottomarine, l’ambiente di posa spesso richiede l’uso di mezzi specifici,
le navi posatubi, di notevoli dimensioni e costi; si tratta
di vere officine di lavoro galleggianti ove trovano alloggio anche centinaia di persone, che abitualmente lavorano a ciclo continuo sulle 24 ore.
Le attività seguono lo stesso schema funzionale delle
condotte a terra; il maggior numero possibile di attività
preparatorie si svolge sulla terraferma e la parte di varo
e di eventuale lavoro sul fondo ha una grande importanza
(Matteelli et al., 1976). La necessità di evitare sollecitazioni e deformazioni eccessive che possano compromettere l’integrità presente e futura della condotta ha
portato allo sviluppo di tecnologie e mezzi di posa sempre più potenti. I vari sistemi di installazione delle condotte sottomarine sono: a) il varo a ‘S’ e a ‘J’; b) la tubazione avvolta su tamburo; c) la saldatura in linea; d) i
lavori sul fondo; e) il collaudo; f ) la preparazione alla
messa in esercizio.
819
fig. 30. Esempio di posa di una tubazione: sono visibili sia la trincea sia i tipici mezzi usati per la posa (sideboom)
che sostengono la tubazione (per cortesia di R. Bruschi).
Varo a ‘S’ e a ‘J’
Il metodo di posa più usato è il sistema a ‘S’, così
chiamato per la forma tipica che assume la condotta
lungo la campata di varo (fig. 31). In tale metodo sul
pontone della nave, tramite tensionatori e clampe scorrevoli, si applica una forza longitudinale alla tubazione per sostenerla sia ove essa abbandona la rampa di
varo sia dove ha il contatto sul fondo. Per acque profonde e diametri elevati, al fine di garantire l’integrità della
tubazione le forze longitudinali da applicare diventano
via via crescenti; il sistema di ancoraggio e posizionamento della nave basato su ancore diventa poco efficace e occorrono motori molto potenti (e affidabili) per
sostenere la condotta.
Per tali motivi in acque molto profonde in questi
ultimi anni si sta cominciando a utilizzare il metodo di
posa a ‘J’, caratterizzato da una rampa di varo quasi
verticale. La prima linea di trasporto giacente a oltre
2.000 m di profondità nel Mar Nero, formata da due
tubazioni di 24 pollici (610 mm) di diametro lunghe
circa 350 km ciascuna, è stata realizzata tra il 2000 e il
2002 utilizzando una nave per costruzioni marine
820
(fig. 32) modificata appositamente e munita di una torre
per il varo a ‘J’.
Tubazione avvolta su tamburo
Esistono varie classi di navi posatubi a seconda della
tipologia di condotta che si vuole realizzare. Per condotte di modesto diametro, fino a 14-16 pollici (35,640,6 cm), si possono usare tubi già saldati insieme e
avvolti su tamburi in un cantiere a terra. Durante la posa
tali tubi sono svolti dal tamburo, raddrizzati e calati in
mare. Su un tamburo si possono avvolgere circa 8-20
km di tubazione, a seconda del diametro del tubo. Tale
sistema di installazione richiede tubi con elevato spessore di parete, per sostenere le deformazioni indotte
dall’avvolgimento-svolgimento e raddrizzatura della
tubazione, e può lasciare residui di deformazione sulla
condotta.
Tubazione saldata in linea
Le tubazioni di diametro superiore ai 400 mm non
sono mai avvolte su tamburo e i tratti di tubo sono collegati tra loro con saldatura eseguita sulla linea di varo.
Con lo stesso sistema si possono installare anche diametri inferiori.
Sul pontone della nave si preparano varie stazioni di
lavoro, ognuna specializzata per svolgere una data attività.
La saldatura in linea viene suddivisa in più parti, ognuna
delle quali è assegnata a una diversa stazione di lavoro. Vi
sono inoltre una o due stazioni per i controlli non distruttivi e le riparazioni di eventuali difetti individuati sulle saldature. L’ultima stazione è generalmente dedicata al rivestimento del giunto di saldatura. Per rispettare le aree di
lavoro sul ponte di varo, i tubi sono tutti di lunghezza all’incirca costante e prossima a 12,5 m.
Le tecniche di saldatura sono sostanzialmente uguali a quelle usate per le condotte a terra, con l’unica differenza che le saldature manuali sono eseguite solo per
collegare tratti di linea varati in momenti diversi o per
collegare pezzi speciali. Se lo spazio sul ponte di varo
lo consente e i mezzi di sollevamento sono adeguati, si
utilizzano doppi giunti. In alcuni casi, per aumentare
la produttività, si utilizzano anche giunti quadrupli.
Lavori sul fondo
I lavori preparatori del fondo marino sono molto
costosi e si tende a evitarli, anche per mantenere le
tolleranze di posa all’interno di un corridoio che sia il
più ampio possibile. Se in un’area occorre installare
una condotta in un corridoio ristretto generalmente vengono posizionati uno o più trasponditori in prossimità
dell’area e sulla condotta. Il rispetto dei vincoli posti
da un corridoio ristretto può essere difficile e richiedere
tempi di posa molto lenti; dipende inoltre dalla profondità del mare e dalle condizioni meteomarine che si
incontrano.
Le condotte sottomarine di diametro adeguato, abitualmente a partire dai 16 pollici (406 mm), sono adagiate sul fondo del mare senza particolari lavori preparatori o successivi alla posa, salvo interventi localizzati per
motivi specifici. Per diametri inferiori, si valuta caso per
caso se occorre proteggerle (da interferenze con dispositivi di pesca) o meno. Agli ‘approdi’ le condotte sono
generalmente poste in trincea e ricoperte, nelle altre zone
questo avviene solo quando le analisi ne mostrano la
necessità. Talvolta occorre intervenire su una condotta
posata sul fondo del mare. Gli interventi sono fondamentalmente di tre tipi: di sostegno, di appesantimento
o di scavo e ricoprimento (v. ancora fig. 27). Gli interventi di sostegno si attuano su tratti sospesi con vari metodi: si può realizzare un supporto con ghiaia o con sacchi di sabbia o con dispositivi meccanici oppure installare un dispositivo meccanico di sostegno attivo (in grado,
tramite dispositivi idraulici, di fornire un supporto alla
condotta sollevandola dal punto ove è arrivata con la
posa). Gli interventi di appesantimento possono essere
continui, realizzati scaricando materiale di appesantimento sul tubo (ghiaia), o localizzati, realizzati con
punto di
contatto
rampa
fondale marino
fig. 31. Posa in opera di una tubazione a mare.
sovrappesi (materassi di ghiaia) o con materiale sciolto
(ghiaia). Gli interventi di scavo e ricoprimento sono eseguiti con mezzi specifici, dipendenti dalla natura del
fondale, dalla profondità del mare e dalla profondità
richiesta alla trincea; si realizza lo scavo al di sotto della
tubazione posata sul fondo, che gradatamente vi si adagia. Talvolta è necessario ripetere più volte l’operazione
per ottenere la profondità di scavo desiderata: il successivo ricoprimento è abitualmente eseguito con il materiale asportato dalla stessa trincea o con ghiaia se vi sono
necessità particolari. I sistemi di realizzazione di tali
interventi sul fondo possono essere molto avanzati, come
quando occorre scavare una trincea sotto alla tubazione
oltre i 1.000 m di profondità. Le operazioni di intervento, soprattutto con il tubo già posato, sono controllate attentamente, sia per essere sicuri che conseguano
lo scopo richiesto, sia per evitare di recare danno alla
condotta.
Collaudo e preparazione alla messa in esercizio
Una condotta, dopo essere stata posata sul fondo
del mare e una volta eseguiti i lavori di intervento previsti con il tubo pieno d’aria, viene riempita di acqua.
Con tale operazione si eseguono anche una pulizia e un
fig. 32. Nave per costruzioni marine adattata
per la posa di condotte con sistema a ‘J’
821
controllo delle dimensioni della sezione di passaggio, tramite appositi strumenti (pig) inseriti nelle condotte per
mezzo di trappole disposte a monte e a valle della condotta. Si esegue quindi una prova di collaudo idraulico
della condotta stessa, sottoponendola a una pressione
interna che al livello del mare va da circa 1,15 a 1,25 volte
la pressione di progetto e che in acque molto profonde
può essere anche notevolmente superiore alla pressione
di progetto. Una volta verificata la tenuta idraulica, si procede allo svuotamento della condotta, tramite un treno di
pig e una stazione di compressione dell’aria di potenza
sufficiente, e all’asciugatura della linea tramite aria (Haun,
1986a, 1986b). Tali operazioni interessano la tubazione
nella sua interezza, mentre sui tubi a terra si eseguono le
stesse operazioni su tratti più corti, di lunghezza massima pari alla distanza tra due valvole di sezionamento.
7.1.7 Ispezione, manutenzione,
riparazione
Le condotte, sia terrestri sia sottomarine, operano in un
contesto che ne comporta il deterioramento nel tempo,
per ragioni a volte identificabili in sede di progetto e a
volte inaspettate. Pertanto la progettazione di una condotta prevede la realizzazione sia di equipaggiamenti sia
di programmi di gestione basati sulle ispezioni, viste come
garanzia di funzionalità delle condotte nel tempo.
Queste ispezioni periodiche hanno l’obiettivo di verificare l’integrità strutturale delle condotte e di pianificarne eventuali interventi di manutenzione per garantire la continuità dell’esercizio e per controllare le eventuali situazioni anomale che potrebbero verificarsi nel
corso della vita operativa della condotta. Gli alti costi di
investimento richiedono che il grado di affidabilità dell’opera sia mantenuto ai più alti livelli per tutta la vita
prevista del sistema. La minimizzazione dei rischi di danneggiamento non cessa quindi a seguito della fase di progettazione e di costruzione, ma va perseguita anche durante la vita operativa del sistema di trasporto, tramite un
programma di ispezioni periodiche che permettano di
acquisire tutti gli elementi necessari a definire sia lo stato
del sistema sia la sua tendenza evolutiva. È evidente che
un’indagine finalizzata alla manutenzione assume valore e significato solamente se viene confrontata con le
risultanze di un’analoga indagine svolta in precedenza
al fine di evidenziare le eventuali variazioni.
In generale le ispezioni sono eseguite più frequentemente nel periodo iniziale e in quello finale della vita prevista dell’impianto. All’inizio le ispezioni sono molto ravvicinate per seguire l’adattamento dell’impianto all’ambiente, mentre in seguito diventano più frequenti solo quando
le rotture dovute a usura si sommano a quelle casuali.
Un approccio relativamente nuovo (detto RBI, Risk
Based Inspection), ancora in via di sviluppo, è la
822
pianificazione delle ispezioni basata sul rischio che si
manifesti una certa criticità. Questo metodo consente di
stabilire le strategie di ispezione delle condotte sulla base
di principi di rischio, all’interno dei quali il ruolo giocato dalle ispezioni è principalmente focalizzato sulla riduzione del pericolo di danneggiamento. Il rischio associato a un componente è il prodotto della sua probabilità di
guasto per le conseguenze di tale evenienza. Il piano d’ispezione basato sull’approccio RBI utilizza la valutazione del rischio legato alla incolumità delle persone, al
danno ambientale e al danno economico come base per
decidere dove ispezionare, cosa ispezionare, come ispezionare e quando ispezionare (Bjørnøy et al., 2001).
L’approccio generale tipico del programma di ispezione/manutenzione consiste nei seguenti punti principali: a) un programma di ispezione basato su un efficiente (per metodi di ispezione ed equipaggiamenti) sistema di acquisizione dati; b) un sistema automatico per la
memorizzazione dei dati e la loro elaborazione; c) un
processo decisionale per l’esecuzione degli interventi;
d) un programma di manutenzione. Per una scelta preliminare dei metodi di ispezione utilizzabili vanno presi
in considerazione i dati storici disponibili sulle linee esistenti integrati con i dati statistici relativi alle cause più
probabili di danneggiamento delle condotte; infatti un’adeguata comprensione dei possibili meccanismi di danno
relativi a una data condotta e della loro importanza in
relazione alle possibili conseguenze è fondamentale per
stabilire un corretto programma di ispezione e per scegliere gli strumenti più idonei.
Una condotta in esercizio può degradarsi a causa dell’interazione con il fluido trasportato e con l’ambiente
esterno, e il rischio di rottura aumenta con l’età. Inoltre
la statistica mostra che, per le condotte di trasporto di
gas e olio, le maggiori cause di incidenti che hanno provocato perdite di fluido sono state identificate in: a) danno causato da forze esterne; b) difetti del materiale e di
costruzione; c) corrosione/erosione dovuta al tipo di fluido trasportato o all’ambiente esterno; d) inefficienza
della protezione catodica; e) movimenti del terreno. Nel
caso delle linee posate da molto tempo, per le quali, però,
non esiste un’adeguata documentazione di progetto, è
necessario effettuare la valutazione dello stato attuale
della rete con individuazione della posizione planimetrica, dello stato e dello spessore del ricoprimento, della
definizione delle aree rese pericolose dalla possibilità di
frane e di fenomeni di erosione del terreno e dalla presenza di corpi estranei.
Durante l’impostazione di un programma di indagini
di manutenzione vi è sempre una ricerca dei dati di tipo
qualitativo (dati visivi) e quantitativo (dati strumentali) sugli
elementi del sistema ritenuti fondamentali. Più precisamente dovranno essere valutati nel dettaglio le caratteristiche generali della condotta, i pezzi speciali, gli interventi di stabilizzazione, le campate, i danni alla condotta,
la presenza di oggetti pericolosi, le situazioni significative. Tra queste ultime vanno citati sicuramente i casi di attraversamenti di altre condotte, di cavi telefonici e/o elettrici.
Questi dati devono essere forniti anche alla compagnia
che segue i lavori; se essi non sono disponibili, l’indagine
da svolgere ha anche lo scopo di creare il percorso di riferimento per eventuali indagini future, cercando di raccogliere nella maniera più precisa possibile tutte le informazioni e prestando particolare attenzione a quelle che
difficilmente si modificheranno nel tempo. In base agli
elementi a disposizione si procederà alla definizione del
percorso base interpolando i dati tra punti di riferimento
noti oppure semplicemente tra i punti iniziali e finali della
condotta. Tanto più preciso sarà il percorso, tanto più facilmente potranno essere controllati eventuali aspetti critici,
per esempio la lunghezza e l’altezza delle campate, in previsione di un’eventuale azione di manutenzione.
Tecniche di ispezione esterna a terra
La condotta viene normalmente individuata attraverso un’opportuna segnaletica infissa nel terreno in corrispondenza dell’asse longitudinale della tubazione. Nel
caso in cui la segnaletica sia carente o non affidabile, a
causa di interventi successivi alla posa della tubazione,
si deve procedere alla sua localizzazione. L’individuazione dell’esatta ubicazione della condotta viene fatta
mediante squadre topografiche munite di strumentazione e dispositivi GPS (Global Positioning System) o effettuando una campagna di rilievi topografici tradizionale.
La definizione della posizione planimetrica e la determinazione della profondità d’intervento della condotta
sono quindi definite con i metodi sopra citati vincolando i dati del rilievo a una rete geodetica di inquadramenti
appositamente definiti.
Durante l’ispezione del tracciato vengono evidenziate le aree a rischio geologico, per esempio le zone soggette a fenomeni di frane e di erosione del terreno, che
pertanto verranno controllate e incluse in un piano di manutenzione e monitoraggio (fig. 33). Eventuali movimenti
franosi del terreno possono infatti essere causa di sollecitazioni sulla condotta, fino a provocarne, in alcuni casi,
anche la rottura. Pertanto, se si manifestano segnali di probabile formazione franosa, quali per esempio crepe in
superficie o rigonfiamenti del terreno, o se si attraversano aree collinari a mezza costa, è indispensabile eseguire
rilevamenti periodici atti a definire l’entità degli spostamenti del terreno e la loro velocità di avanzamento.
Le erosioni del terreno, di varia natura, possono provocare la riduzione della copertura della tubazione e addirittura il suo scoprimento, con tutti i rischi che ne derivano. È necessario quindi un periodico controllo sulla
condotta, soprattutto a seguito di allagamenti per alluvioni, ma anche sui corsi d’acqua a carattere torrentizio
che la incrociano. Quando si evidenziano fenomeni di
erosione superficiale, è possibile intervenire realizzando
palizzate, fascinate, canalette di raccolta e convogliamento delle acque superficiali, ecc.; quando invece è
necessario contenere l’erosione dei corsi d’acqua, si possono utilizzare gabbionate, briglie, scogliere, muri in calcestruzzo, ecc.
Non meno importante è l’impostazione di un censimento delle zone abitate utilizzando strisciate planimetriche in scala 1:25.000, individuando le zone edificate
o di espansione edilizia vicine alla condotta. Bisogna
inoltre verificare le previsioni di sviluppo edilizio programmate per una stima della popolazione prevista nei
successivi cinque anni. Esaminando le planimetrie in
scala 1:25.000, le immagini delle foto aeree disponibili
e i dati censuari degli abitanti, può emergere che alcuni
tratti di condotta sono difformi anche solo potenzialmente alle prescrizioni di legge. Questi tratti vengono
evidenziati al fine di individuare gli interventi atti a riportare la situazione a norma.
Il rilevamento con cercatubi può per esempio indicare tratti di condotta con profondità di interramento
inferiore alla normativa vigente. Questi casi vengono
risolti con ricariche di terreno o ricorrendo alla protezione meccanica della condotta. Generalmente, comunque, è buona norma ridurre al minimo le attività di intervento eseguite in prossimità della condotta. Infatti gli
scavi o i movimenti di terra sono potenzialmente molto
pericolosi, in particolare le attività agricole presenti nell’area in esame; infatti, a seconda della coltura praticata, possono essere eseguiti scassi con aratri che raggiungono profondità dell’ordine dei 60-80 cm ed eccezionalmente 90-100 cm. Unica soluzione a questa fonte
di pericolo è la vigilanza attenta affinché lavori pericolosi per la condotta non vengano eseguiti o vengano svolti sotto supervisione.
Tecniche di ispezione esterna per condotte
sottomarine
Nell’impostazione di un’attività di indagine di manutenzione in mare gli elementi principali sono la profondità delle acque e la distanza dalla costa; pertanto vengono in questo modo a distinguersi due tipologie di
indagine: in acque basse (shallow water) e in mare aperto (offshore). Le ispezioni nelle acque basse, comprese tra la battigia e una profondità massima fino a 1520 m, necessitano di piccole imbarcazioni a limitato
pescaggio e con una tipologia di strumentazione prevalentemente al traino (Anselmi et al., 1990). Le aree offshore, invece, comprese tra una profondità di 15-20 m
e un massimo di circa 800 m e solitamente distanti
dalla costa, necessitano di mezzi navali forniti di particolari attrezzature, quali per esempio mezzi subacquei a controllo remoto (ROV, Remotely Operated Vehicle) in grado di operare continuativamente nell’arco
delle 24 ore anche in condizioni meteorologiche estreme (fig. 34).
823
Tecniche di ispezione interna
ponte radio
cavo
scanner
modem
computer
123
456
condotta
1
2
3
4
5
6
stazioni estensimetriche
fig. 33. Sistema di supporto per la gestione
e il monitoraggio delle condotte nelle zone
a pericolo di frane.
Gli obiettivi di una indagine di manutenzione di una
condotta sottomarina generalmente sono: a) la determinazione della posizione planimetrica; b) la determinazione del profilo tubo/fondale; c) il controllo dello stato
di ricoprimento; d) la determinazione delle condizioni
esterne del rivestimento di consolidamento (con evidenziazione di eventuali danni), dello stato degli interventi di stabilizzazione presenti e dello stato della protezione catodica; e) l’identificazione di oggetti pericolosi in prossimità della condotta.
Nella programmazione di un’indagine in mare un
aspetto determinante è il confronto tra le differenti indagini di acquisizione ed elaborazione dei dati eseguite in
tempi diversi. Per ottenere tale condizione di confronto,
è richiesta la maggior quantità possibile di informazioni sulle caratteristiche generali della condotta e dell’area scelta per la sua posa, nonché sui dati delle operazioni di posa e stabilizzazione sul fondo della condotta.
Qualora tali informazioni siano disponibili solo parzialmente, è necessario eseguire un’indagine iniziale atta a
fornire le informazioni mancanti le quali, insieme a quelle già a disposizione, costituiranno i dati di confronto
(Cherubini et al., 2001).
Una delle difficoltà delle misure in mare è la necessità di determinare con precisione e ripetibilità la posizione geografica in cui è avvenuta tale misura. A tale
scopo generalmente vengono adottati due tipi di posizionamento: uno di tipo assoluto e l’altro di tipo relativo. Solitamente in un’indagine di manutenzione occorre
conoscere i parametri di interesse riportati rispetto alla
posizione chilometrica progressiva (posizionamento relativo). La posizione assoluta, invece, è indispensabile per
tutte le necessità connesse all’ubicazione delle strutture
in un contesto più ampio, come per esempio la cartografia per ottenere permessi di lavoro, il trasferimento dati
a organismi predisposti oppure la correlazione tra le misure svolte e la cartografia nazionale (Iovenitti et al., 1994).
824
L’ispezione interna della condotta viene eseguita attraverso l’utilizzo di speciali attrezzature denominate pig;
questo termine si riferisce a ogni strumento che possa
essere inserito in una condotta e spinto dal fluido trasportato (fig. 35). I pig sono utilizzati per raccogliere
informazioni sulle condizioni e sulla configurazione del
tracciato della linea, sulla presenza di difetti nella condotta e sulla sua geometria.
I pig ‘intelligenti’ sono particolarmente indicati nel
campo delle condotte interrate nel fondo marino, per le
quali l’ispezione visiva, o effettuata con metodi non
distruttivi convenzionali, non è possibile. L’ispezione
interna è un’attività molto importante ai fini della valutazione dell’integrità strutturale e della quantificazione
del rischio di rottura. Essa consente infatti di rilevare,
identificare, localizzare e dimensionare correttamente
una serie di difetti e/o anomalie, quali ammaccature,
deformazioni (buckle), ovalizzazioni, intagli, aree di corrosione generalizzata (interne ed esterne), difetti di saldatura, cricche (da stress corrosion, da idrogeno, da fatica) e difetti di laminazione. Nel caso di linee posate da
molto tempo, per le quali non esista un’adeguata documentazione di progetto, o per verificare eventuali spostamenti incontrollati delle linee posate in trincea, è inoltre necessario disporre di strumenti che consentano di
verificare la geometria dell’asse della linea, individuando curve e cambi di direzione.
Allo stadio attuale di sviluppo della tecnologia per
l’ispezione in linea, non è possibile rilevare, discriminare e dimensionare accuratamente tutti i possibili difetti utilizzando un solo tipo di pig. Nessuna delle tecniche di controllo non distruttivo disponibili è infatti adatta per tutte le categorie di difetti. Esistono diversi tipi
di veicoli, intelligenti o semi-intelligenti, che comprendono: a) pig calibratori (caliper pigs), per ottenere dettagli del profilo della parete interna, inclusa la
ovalizzazione. Sono raccomandati per la rilevazione di
difetti geometrici/meccanici; b) pig magnetici (MFL,
Magnetic Flux Leakage) e pig a ultrasuoni (UT, Ultrasonic Test), per difetti del tipo metal loss; c) pig per la
rilevazione di fessure (cricche); d) pig per identificare
falle e crepe; e) pig dotati di dispositivi GSM e inerziali per la rilevazione delle caratteristiche geometriche del tracciato della linea.
In aree di instabilità del terreno di posa è importante rilevare se e quando una linea subisce movimenti tali
da indurre sforzi eccessivi. I movimenti possono essere
causati da fenomeni sismici, fenomeni di subsidenza,
correnti ed erosioni del fondale. Per un esercizio sicuro
e affidabile delle condotte nelle aree a pericolo di instabilità è indispensabile sorvegliare i movimenti della linea
e, qualora sia registrata una riduzione nei margini di sicurezza, valutare la sua integrità strutturale allo scopo di
definire gli interventi opportuni. Naturalmente occorre
possibili problematiche di impiego, da effettuarsi anche
in collaborazione con le compagnie che svolgono questo specifico servizio (Palmer e King, 2004).
Bibliografia generale
fig. 34. Ispezione di condotta sottomarina con ROV.
verificare la possibilità di ispezionare la linea, quindi
devono essere fatti accertamenti sulla geometria delle
linee, per garantire il passaggio del pig, sulla presenza
delle trappole di lancio e ricevimento e infine sulle condizioni operative, per garantirne la compatibilità con i
requisiti dell’ispezione. La scelta del tipo di pig per l’ispezione deve tener conto delle peculiarità della linea,
in particolare se questa è caratterizzata da notevoli variazioni dello spessore luntgo il tracciato e dalle caratteristiche dei fluidi di processo.
Nel caso di pig magnetico, la tipologia più impiegata è sicuramente quella ad alta risoluzione. I pig MFL di
tipo convenzionale sono infatti più adatti per un’indagine iniziale delle linee sulle quali ci si attenda un numero molto elevato di difetti. Una notevole variazione di
spessore potrebbe costituire un problema nel caso si
impieghi un pig magnetico, in quanto la piena funzionalità del sistema e quindi l’affidabilità dell’ispezione
sono legate alla possibilità di un’adeguata magnetizzazione della parete. L’impiego della tecnica ispettiva ultrasonora permette invece la misura diretta dello spessore
residuo del tubo e delle possibili variazioni di spessore causate da eventuali fenomeni corrosivi. Occorre
tuttavia considerare che il pig UT risulta notevolmente sensibile rispetto allo stato superficiale della parete, per cui è indispensabile effettuare un’accurata pulizia preventiva. La scelta del tipo di strumento da impiegare si basa, pertanto, su un’attenta valutazione delle
fig. 35. Ispezione di condotta con pig
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