ASME VIII: metodi computazionali nella verifica delle norme tecniche

La norma ASME VIII è dedicata alla definizione dei requisiti di progettazione dei recipienti a pressione. Per oltre un secolo, le norme descritte nel suo campo di applicazione hanno fornito sicurezza per lo sviluppo di caldaie, serbatoi di stoccaggio e persino sistemi di condotte. Anche se più recenti, i modelli di analisi con il metodo degli elementi finiti sono diventati una parte importante della valutazione secondo le regole del Codice ASME. Il suo utilizzo è legato a due fattori chiave di qualsiasi processo di sviluppo: l'agilità del progetto e la riduzione dei costi.

È ora possibile modellare tridimensionalmente la geometria del recipiente in pressione da valutare, generando una mesh a elementi finiti in pochi secondi ed elaborando l'analisi in pochi minuti. Con un clic, le sollecitazioni risultanti vengono suddivise in sollecitazioni di membrana, di flessione e di picco. Con la stessa agilità, è possibile modificare qualsiasi spessore di lamiera, valutando il componente con una nuova condizione geometrica. Tuttavia, questo progresso è il risultato di decenni di progressi del Codice ASME e dello sviluppo informatico.

E tutto inizia, purtroppo, con una tragedia in una fabbrica di scarpe...

ASME Standard VIII

Brockton, Massachusetts, inverno 1905. Un'esplosione distrugge i quattro piani dell'azienda americana R. B. Grover. L'incendio sta consumando i detriti e gli edifici vicini, impedendo ai dipendenti intrappolati nelle macerie di essere salvati. Il disastro, uno dei più gravi dell'industria americana, causò 58 morti e 150 feriti. La causa dell'esplosione è stata accertata come un guasto alla caldaia responsabile del riscaldamento della fabbrica.

Questa tragedia è il capitolo finale di una storia che si ripete innumerevoli volte. Tra il 1880 e il 1890, solo negli Stati Uniti si sono verificate circa 2.000 esplosioni di recipienti a pressione. All'inizio del XX secolo, più di 1.600 esplosioni hanno ucciso circa 1.200 persone. Il ripetersi di questi eventi, ora unito a un incidente di dimensioni mai viste prima, era il segno che era necessario prendere qualche misura per eliminare questo rischio imminente. Nel 1911 è stato quindi creato il Codice ASME per caldaie e recipienti a pressione (BPVC), una serie di norme che forniscono linee guida per la produzione di componenti di caldaie e recipienti a pressione.

Consiglio del Codice ASME (1914).

La prima edizione fu lanciata nel 1915 (edizione 1914) con sole 114 pagine, ma fu salutata come una pietra miliare nella ricerca della protezione e della sicurezza della popolazione. Ad ogni aggiornamento del codice vengono apportati progressi e aggiunte agli standard, con il risultato di 28 libri attualmente dedicati a diversi segmenti di valutazione, come i materiali, i processi di produzione, le prove non distruttive, ecc. La versione 2011, ad esempio, ha raggiunto le 16.000 pagine di linee guida, diventando così il più grande standard ASME mai reso disponibile!

All'interno del BPVC, la Sezione VIII Divisione 1 si distingue per essere specifica per il calcolo strutturale dei recipienti a pressione. Con regole semplici e facili da valutare, questa sezione rimane ancora oggi una delle più utilizzate. Questa semplicità, tuttavia, si basa su ipotesi conservative, che danno luogo a prodotti con un elevato fattore di sicurezza e, di conseguenza, a costi più elevati per le materie prime e i processi produttivi.

In risposta alle nuove richieste del mercato, l'ASME ha sviluppato la Sezione VIII Divisione 2 nel 1975. Queste nuove normative cercano di equiparare il mantenimento della sicurezza del progetto con la riduzione dei costi di produzione, combinando il processo di valutazione con le nuove tecnologie sviluppate nel corso del XX secolo.

Metodi computazionali nella verifica della norma ASME

Nonostante l'aggiornamento della Sezione VIII, la fine del secolo porta ad un bivio per l'ASME: come utilizzare gli strumenti di simulazione strutturale, che stanno diventando ogni anno più veloci ed efficienti nelle valutazioni strutturali, pur mantenendo i requisiti stabiliti dal suo codice? La risposta è la ristrutturazione del Codice ASME VIII Divisione 2.

Nel 2007, solo nove anni dopo la decisione di riscrivere la Divisione 2, è stata resa disponibile la versione moderna dello standard ASME. Utilizzando criteri di esecuzione attraverso il metodo degli elementi finiti, i recipienti a pressione possono essere valutati in modo più approfondito. I risultati diventano più complessi e rigorosi, ma la loro verifica virtuale è semplice e veloce.

È inoltre evidente che i costi di produzione possono essere ridotti, poiché i criteri di accettazione delle tensioni residue vengono estesi, rendendo possibile, ad esempio, la riduzione dello spessore delle pareti di questi recipienti a pressione. L'articolo "Investigation into the Benefits of using ASME BPVC Section VIII Division 2 in Lieu of Division 1 for Pressure Vessel Design", pubblicato nel 2013, afferma che la riduzione dei costi finali supera il 10%, mentre la riduzione del peso del componente può raggiungere oltre il 20%!

Risultati verificati in un articolo relativo allo standard ASME per l'acciaio SA-516-70.

Inoltre, vi è una comprensione della riduzione dei costi del progetto. Ottimizzando il modello in esame, diventa possibile valutare contemporaneamente diversi formati virtuali dello stesso prodotto. In questa fase, l'obiettivo è verificare il modello ideale in un breve lasso di tempo, che sarà definito per la successiva validazione e produzione.

A questo proposito, Ansys Workbench - una delle principali piattaforme di simulazione informatica utilizzate in tutto il mondo - dispone di strumenti eccellenti per eseguire l'intera fase di preparazione della geometria da analizzare. È inoltre efficiente nella generazione di mesh e nella definizione di carichi e restrizioni imposte. Infine, dispone di strumenti specifici per la valutazione della linearizzazione delle tensioni residue, un requisito fondamentale per la verifica dei risultati specificati nel Codice ASME Sezione VIII Divisione 2.

Serbatoio di stoccaggio valutato con il software Ansys secondo i criteri ASME VIII Divisione 2.

La ricerca dell'eccellenza nella progettazione e nello sviluppo dei recipienti a pressione è incessante. Tre giorni dopo il disastro di Brockton, Edwardt H. Keith, il sindaco della città, ha pronunciato una frase emblematica: "Possa Dio concedere che mai più, in tutta la nostra storia futura, saremo chiamati ad assistere a un'esperienza così terribile". Questo compito, però, non è divino, ma è un obbligo di ogni ingegnere, che deve basare le sue scelte su standard e software riconosciuti come efficienti, nell'incessante ricerca di sicurezza, protezione e benessere della popolazione.