Le flange in acciaio proposte da Intertubi

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Con la parola flangia si intende solitamente un anello che va collegato ad un tubo, mediante giunzione saldata e più raramente filettata, e che è forato con un numero standardizzato di fori che mediante l’uso di bulloni permette il collegamento ad un’altra flangia di dimensioni uguali.
Nella progettazione di sistemi di tubazioni il metodo di giunzione più economico è sicuramente la saldatura di testa, ma per una corretta manutenzione e per un facile montaggio e smontaggio è fondamentale l’utilizzo di flange in acciaio che permettono di realizzare giunzioni bullonate smontabili con facilità. Questo permette la realizzazione anche in outsourcing di moduli che poi vengono assemblati in loco.
E’ necessario in questa fase un corretto processo di progettazione delle interfacce, ovvero dei collegamenti realizzati con le flange per evitare in fase di montaggio situazioni in cui possano verificarsi delle perdite che in impianti come quelli chimici o petroliferi potrebbero avere conseguenza anche catastrofiche.
 

La costruzione delle flange in acciaio può avvenire in due modi differenti:
1. la microfusione, ovvero mediante colata di acciaio in uno stampo realizzato mediante la tecnica della cera persa
2. la forgiatura, ovvero mediante lo stampaggio di uno sbozzato che viene scaldato a temperatura adeguata.

Delle due soluzioni quella preferibile è la seconda ovvero la forgiatura. Il motivo di questa scelta è il fatto che rispetto alla microfusione la forgiatura permette di mantenere la compattezza nella struttura del materiale ed evitare la comparsa di inclusioni che possono nella fase successiva dare luogo a perdite di fluido specialmente in condizione di pressione elevata.
Una volta forgiate le flange vengono lavorate mediante macchine utensili che realizzano le superfici di tenuta e le forature per la giunzione imbullonata. La lavorazione viene fatta su macchine a controllo numerico che permettono ripetibilità, velocità e precisione. In questa fase ricopre particolare importanza anche la lavorazione della faccia che assieme alla guarnizione provvede alla tenuta, infatti questa non è semplicemente liscia ma ha una particolare rigatura detta “fonografica” che ha come scopo quello di trattenere il materiale della guarnizione ed evitarne l’espulsione che potrebbe avvenire per le forti pressioni in gioco.

Abbiamo tre normative che fanno da riferimento nel settore, due di prodotto mentre la terza e di filiera:

La EN 1092 è la norma che specifica i tipi di flange e le loro superfici di tenuta, nonché le dimensioni e le relative tolleranze, le eventuali  filettature, le dimensioni che devono avere i bulloni di collegamento, la finitura superficiale delle superfici di tenuta delle giunzioni a flangia, la necessaria marcatura dei pezzi, ed i materiali.

La ASME B16.5 invece è riferimento per il mercato anglosassone e  comprende sia le flange che i raccordi flangiati e contiene i dati relativi a rateo pressione temperatura importantissimo in fase di progettazione, i materiali utilizzabili, e come in precedenza dimensioni, tolleranze, marcatura e tutto quanto necessario a validare i test di conformità.

Esiste inoltre una terza norma che in realtà non è di prodotto ma è importantissima nel settore per garantire la filiera del prodotto stesso ed è la EN10204, infatti questa norma definisce la documentazione e i metodi di prova che ogni particolare in acciaio deve avere o superare per garantire la sicurezza del pezzo all’utente finale. In effetti si parla di certificazione in questo caso vista la tipologia dei vicoli che impone.

Sono disponibili a catalogo tutte le figure previste nella norma che si riassumono nelle seguenti categorie. In particolare, il collegamento al tubo delle flange sotto presentate avviene sempre tramite il processo di saldatura e deve essere effettuato da personale specializzato per evitare danni e malfunzionamenti in esercizio.

I modelli più semplici di flange che si può incontrare sul mercato sono le flange piane. Infatti, tale tipologia di componenti non presenta variazione di sezione lungo il raggio oltre a presentare la simmetria assiale classica delle flange di collegamento.
Le caratteristiche principali sono:
- il diametro nominale (DN): che identifica le flange e le differenzia tra loro;
- il diametro interno (d): diametro del cerchio cavo interno;
- il diametro esterno (D): diametro esterno della flangia;
- interasse fori (a): è il diametro su cui giacciono i fori per il collegamento;
- diametro dei fori (f): diametro dei fori di collegamento;
- numero dei fori di collegamento;
- spessore (b): è lo spessore della flangia che, come detto in precedenza, è costante lungo tutta la sezione;
- peso [kg]: è il peso della flangia. Tale dato può essere interessante in fase di analisi strutturale per determinare la resistenza di una struttura.

Inoltre, bisogna tener conto anche della pressione nominale che differenzia le sottocategorie di flange piane tra loro.

Rispetto alle flange piane semplici presentano un gradino centrale che svolge un ruolo fondamentale in fase di accoppiamento con il tubo. Le grandezze caratteristiche, eccenzion fatta per il diametro nominale e il diametro esterno, sono differenti:
- F è lo spessore del gradino;
- C1 è lo spessore della flangia considerando anche il gradino;
- ØG è il diametro della zona rialzata con gradino;
- ØK è il diametro su cui giacciono i fori di accoppiamento;
- ØB1 è il diametro interno della flangia;
- ØL è il diametro dei fori di collegamento;
- N è il numero dei fori di collegamento.

Anche in questo caso svolge un ruolo centrale la pressione nominale nel differenziare le varie sottocategorie e il peso del componente.

Le flange piane con collarino presentano, oltre al gradino, anche un collarino di imbocco per il collegamento tramite tubazioni. Le grandezze principali sono:
- H2 è l’altezza della flangia;
- H3 è l’altezza della zona non raggiata del collarino;
- C2 è l’altezza della flangia piana (simile a C1 per le flange piane con gradino);
- R è il raggio tra la parte piana e il collarino;
- S è lo spessore del collarino all’apice;
- ØN1 è il diametro del collarino prima della raggiatura;
- ØA è il diametro del collarino a fine raggiatura (ØN1 > ØA);
- N è il numero dei fori;

Come nei casi precedenti, bisogna tenere in considerazione la pressione nominale e il peso del componente soprattutto in fase di progettazione iniziale.

Presentano le medesime grandezze dimensionali delle flange piane tranne che per il diametro interno che non c’è in quanto le flange cieche costituiscono l’elemento terminale di una derivazione e non consentono il passaggio del flusso.

La tradizione di INTERTUBI parte dalla realizzazione commercializzazione di raccordi, valvole e flange in acciaio inox, utilizzando materiali rispondenti alle esigenze di mercato come gli acciai AISI 304, 304L, 316 e 316L che fanno parte della famiglia degli acciai austenitici, leghe contenenti Nikel Cromo, e Molibdeno che vanno a conferire le ben note caratteristiche la resistenza all’ossidazione a caldo, la resistenza alla corrosione, e un buon grado di saldabilità.

L’AISI 316 viene impiegato dove c’è la presenza di alte temperature perché presenta una buona resistenza alla corrosione, è particolarmente indicato per la sua resistenza all’azione di ambienti salini, ma è in grado di sopportare in modo efficacie anche l’azione di acidi, sali e altri reagenti chimici di vario tipo. Questo permette di utilizzarlo nei campi più disparati compresa la nautica e l’industria alimentare dove la resistenza ai prodotti di pulizia aggressivi è importante.

L’utilizzo del AISI 304 è indicato invece nell’industria alimentare, in quella chimica, e nel settore della petrolchimica, ma anche in quella farmaceutica e questo anche per il fatto che la resistenza alla corrosione a caldo è tale da mantenere buone le caratteristiche chimiche e meccaniche durante l’esercizio continuo fino a circa 800 °C.

Ma non abbiamo articoli realizzati solo in acciaio inox, ma anche in acciai al carbonio per costruzione e anche qui la scelta è decisamente ampia a seconda dell’utilizzo a cui sono destinati. Gli acciai da costruzione sono quelli che la nuova normativa ISO identifica in funzione delle loro caratteristiche meccaniche con il suffisso P che sta ad indicare materiali adatti per un utilizzo in pressione, con carichi di snervamento che partono da 235 Mpa a temperatura ambiente. Se la scelta delle flange cade sulla normativa anglosassone la classificazione degli acciai è diversa ma concettualmente simile.

Le flange in acciaio proposte da Intertubi rappresentano una delle principali tipologie di connessione tra parti meccaniche all’interno di strutture di complessità più o meno elevata.

Le caratteristiche principali sono:

La struttura stessa di questi collegamenti, sia che siano incorporati nei tubi sia che siano dei componenti a sé stanti, ne definisce anche i vantaggi e gli svantaggi rispetto ad un collegamento saldato. Infatti, se da una parte il rischio di usura (sia di contatto che di accoppiamento) ed allentamento di tali componenti rappresentano rischi notevoli, dall’altra vi è una maggiore flessibilità di applicazione, oltre alla rapidità di intervento qualora si verifichino guasti.
Emerge, quindi, il ruolo fondamentale di ciascuna fase operativa, dalla progettazione alla messa in opera con manutenzione, per riuscire ad ottenere un prodotto conforme alle normative introdotte in precedenza ma che possa garantire anche le caratteristiche sopra elencate.  L’assenza di uno solo di questi aspetti può compromettere tutto ciò che le flange possono fornire, trasformando i vantaggi in svantaggi notevoli.

Come anticipato nei paragrafi precedenti, le flange sono una tipologia di collegamento che può presentare sia un giunto saldato sia un giunto filettato. Entrambe queste tipologie portano con sé alcuni vantaggi e alcuni svantaggi che possono renderle preferibili rispetto alle altre sulla base delle singole applicazioni:
- La saldatura rappresenta un tipo di collegamento permanente che consente l’unione delle flange con le tubature mediante la creazione di un giunto saldato che può essere generato mediante diverse tecniche. Tale metodo consente di creare un’unione strutturale che non si allenta nel tempo ma risulta più difficile da manutenere qualora si verifichino guasti o cedimenti di una sola delle parti coinvolte. Inoltre, non sempre è possibile svolgere la saldatura direttamente in loco e bisogna ricorrere ad espedienti ed accorgimenti particolari;
- D’altro canto, il collegamento filettato consente un accesso migliore in caso di malfunzionamenti e guasti permettendo lo smontaggio rapido e l’azione o sostituzione di una parte. Questo però può portare anche all’allentamento del giunto nel tempo con la perdita di funzionalità e di integrità della struttura stessa.

Sulla base di quanto esposto, è immediato notare che non è possibile fare una scelta a priori, ma è necessario valutare ogni singola applicazione e capire quali sono le criticità di esercizio o i punti di forza maggiormente importanti del giunto da utilizzare: l’esperienza e la conoscenza del progettista dell’impianto aiutano a scegliere la tipologia di flange più corretta.
 

La microfusione a cera persa è una tecnica notevolmente diffusa nel mondo industriale e che presenta una serie di caratteristiche e vantaggi non secondari rispetto agli altri processi. Le flange, dal canto loro, sono componenti molto utilizzati e importanza rilevante nel panorama tecnologico. La combinazione di prodotto e processo può, per questo, fornire proprietà che non si riescono ad ottenere con la forgiatura.

I passaggi fondamentali per la realizzazione sono i seguenti:
1. Ottenimento dei modelli in cera mediante l’utilizzo di stampi in alluminio che vengono appositamente costruiti per svolgere questa funzione;
2. I vari modelli in cera vengono uniti tra loro realizzando la famosa configurazione “a grappolo” che consente di ottenere più componenti uguali tra loro;
3. Tale struttura viene immersa continuamente in bagni refrattari andando ad ottenere un guscio esterno in materiale ceramico che costituirà il contenitore per la colata dell’acciaio resistendo al calore e alle pressioni in gioco;
4. Tramite cottura in autoclave, con pressioni e temperature controllate, si va ad eliminare la cera e a rinforzare il guscio;
5. Dopo cottura del guscio, si procede a colare l’acciaio nella forma;
6. Infine, vengono eliminati sia il guscio che gli attacchi di colata ottenendo così il particolare richiesto.

A seguire si possono eliminare molte operazioni secondarie rispetto alla forgiatura e si procede solamente con fasi di sbavatura e pulizia, oltre al controllo dimensionale del getto.
I prodotti ottenuti saranno dipendenti sia dal processo produttivo sia dallo studio e dell’attenzione posta dallo stampatore in fase di realizzazione: Intertubi, grazie alla sua esperienza, consente di ottenere prodotti privi di porosità e con proprietà idonee all’applicazione, sia dal punto di vista chimico che meccanico e resistenziale.