Analisi FEM per serbatoi atmosferici: valutazione strutturale avanzata su geometrie reali
Le deformazioni geometriche dei serbatoi atmosferici, come possono essere i cedimenti del fondo, le ovalizzazioni del mantello o le perdite di verticalità, pongono interrogativi critici sulla capacità residua della struttura. Il confronto dimensionale con le tolleranze delle normative API 653 può risultare insufficiente quando è necessario valutare quantitativamente i margini di sicurezza effettivi. Si rivela altresì carente in presenza di alterazioni che eccedono formalmente i limiti normativi, in quanto richiedono una verifica ingegneristica rigorosa prima di effettuare interventi costosi o fermi impianto.
In Donegani Anticorrosione integriamo l’acquisizione laser scanner 3D con l’analisi agli elementi finiti (FEM) ed eseguiamo internamente l’intero processo dalla scansione sul campo fino alla valutazione Fitness for Service secondo API 579-1/ASME FFS-1 di III livello. Così, forniamo valutazioni strutturali complete basate sulla geometria effettiva della struttura.
Acquisizione laser scanner 3D: il rilievo della geometria reale
La tecnologia laser scanner 3D acquisisce la geometria tridimensionale del serbatoio mediante generazione di nuvole di punti ad alta densità. Un fascio laser scansiona sistematicamente la superficie rilevando milioni di coordinate spaziali con precisione millimetrica. In questo modo, viene documentata la configurazione effettiva comprensiva di tutte le deformazioni accumulate durante l’esercizio.
Il rilievo verifica i parametri richiesti dalle normative API 653: verticalità del mantello con scostamenti su ciascuna virola, ovalizzazione del profilo circolare, cedimenti del fondo, planarità della base di appoggio.
Questa acquisizione costituisce il punto di partenza per la modellazione computazionale che permette l’analisi strutturale avanzata.
Dal rilievo al modello computazionale: elaborazione delle nuvole di punti
La nuvola di punti generata viene inizialmente processata per rimuovere rumore, punti anomali e dati relativi a elementi non strutturali. Questa pulizia mantiene esclusivamente i punti che rappresentano la geometria portante del serbatoio: mantello, fondo e strutture di rinforzo.
Queste coordinate spaziali discrete vengono trasformate in una griglia tridimensionale (mesh) composta da elementi geometrici interconnessi (tipicamente triangoli o quadrilateri per le superfici) che ricoprono l’intera superficie del serbatoio. Questo processo di suddivisione (discretizzazione) converte la rappresentazione fisica della struttura in un modello matematico analizzabile, su cui verranno calcolate tensioni e deformazioni.
A differenza degli approcci che ricostruiscono una geometria CAD idealizzata, la mesh viene generata direttamente dalla nuvola di punti preservando tutte le deformazioni reali misurate. Ogni elemento finito di questo modello tridimensionale rappresenta una porzione della superficie effettiva del serbatoio, includendo ovalizzazioni, fuori piombo e irregolarità locali.
La mesh viene composta tipicamente da elementi shell bidimensionali per rappresentare mantello e fondo, con densità variabile secondo le necessità: più fitta nelle zone con gradienti geometrici elevati o dove si prevedono concentrazioni di tensione, più rada nelle aree regolari. Agli elementi vengono assegnate le proprietà meccaniche dei materiali (modulo elastico, coefficiente di Poisson, limite di snervamento) sulla base delle certificazioni originali o di prove meccaniche su campioni, insieme agli spessori effettivi rilevati mediante controlli ultrasonici.
Analisi FEM: valutazione strutturale avanzata
Il metodo degli elementi finiti (FEM) risolve le equazioni di equilibrio strutturale sul modello discretizzato calcolando tensioni e deformazioni in ogni punto della struttura sotto le condizioni di carico specificate. Applicato al modello derivato dalla geometria reale, fornisce una valutazione accurata del comportamento meccanico effettivo del serbatoio.
Tipologie di analisi FEM
L’indagine con il metodo FEM può essere condotta con diversi livelli di complessità secondo le necessità valutative.
L’analisi lineare elastica costituisce l’approccio base e simula il comportamento del materiale verificandone la capacità di tornare al suo stato originale, senza danni permanenti, dopo una sollecitazione intensa. Questo metodo assume che le deformazioni rimangano piccole e che il materiale lavori sempre in regime elastico, senza superare il limite di snervamento. Fornisce risultati rapidi ed è adeguata per svolgere valutazioni preliminari o quando si vuole accertare che le tensioni restino ben al di sotto dei limiti critici.
L’analisi elastoplastica considera anche ciò che accade quando il materiale viene sollecitato oltre il limite elastico e inizia a deformarsi permanentemente (snervamento). Quando non ritorna più alla forma originale, le tensioni si ridistribuiscono nelle zone adiacenti. È una prova essenziale per determinare fino a che punto la struttura può essere spinta prima del collasso vero e proprio, valutando quindi i margini di sicurezza ultimi disponibili.
L’analisi di stabilità (buckling) stima la possibilità che il mantello del serbatoio collassi improvvisamente per instabilità. Questo tipo di cedimento può verificarsi anche quando le tensioni nel materiale sono ancora relativamente basse, soprattutto in presenza di ovalizzazioni significative o di zone del mantello sottoposte a compressione.
Condizioni al contorno e carichi
Le condizioni di vincolo devono rappresentare realisticamente le modalità di appoggio del serbatoio sulla fondazione. Se si riscontrano cedimenti differenziali col rilievo geometrico (si è creato un dislivello non uniforme alla base), queste deformazioni vengono imposte al modello di calcolo. In tal modo, l’analisi FEM può calcolare le tensioni che si sono generate nella struttura proprio a causa di questi smottamenti non uniformi, simulando la condizione reale in cui si trova il recipiente.
Anche i carichi applicati vengono aggiunti alla simulazione, al fine di riprodurre correttamente le condizioni operative del serbatoio. Essi comprendono il peso proprio della struttura, la pressione idrostatica del prodotto stoccato alla massima altezza di riempimento prevista, eventuali sovrapressioni o depressioni operative, gradienti termici e azioni ambientali (quali vento e sisma) secondo le specifiche di sito. La combinazione di queste forze viene definita secondo gli scenari operativi critici da verificare.
Risultati dell’analisi FEM
L’output dell’analisi fornisce informazioni quantitative dettagliate sullo stato tensionale e deformativo della struttura:
- le mappe di tensioni visualizzano la distribuzione delle sollecitazioni su tutta la superficie del serbatoio, evidenziando in scala cromatica le zone con valori elevati. Le tensioni principali, le tensioni di Von Mises (criterio di snervamento) e le tensioni di membrana vengono calcolate per ogni elemento della mesh;
- le mappe di deformazioni mostrano gli spostamenti della struttura sotto carico, distinguendo tra quelle elastiche reversibili e, nelle analisi elastoplastiche, quelle plastiche permanenti;
- il fattore di sicurezza viene espresso dal rapporto tra la resistenza ammissibile del materiale e le tensioni effettivamente agenti. Può essere valutato puntualmente (fattore di sicurezza locale minimo) o mediato su zone specifiche, fornendo un’indicazione quantitativa dei margini disponibili.
L’identificazione delle zone critiche evidenzia le aree soggette a concentrazioni di tensione, rischio di fatica ciclica, instabilità locale o condizioni prossime allo snervamento. Queste informazioni determinano l’esecuzione di interventi di rinforzo o la definizione di limitazioni operative che mantengano le sollecitazioni entro limiti accettabili, in base ai criteri stabiliti dallo standard API 653 e API 579.
Fitness for Service di III livello secondo API 579
Lo standard API 579-1/ASME FFS-1 definisce tre livelli di valutazione dell’idoneità al servizio di attrezzature con danneggiamenti o deformazioni. Il livello III, il più avanzato, impiega analisi numeriche FEM per recipienti con geometrie complesse o condizioni non standard, permettendo di considerare comportamenti elastoplastici, redistribuzioni di tensione e fenomeni di instabilità che metodi semplificati non colgono.
La valutazione fornisce una determinazione quantitativa: idoneità al servizio alle condizioni originali, necessità di limitazioni operative (riduzione pressione, temperatura, velocità di riempimento), oppure prescrizione di interventi di riparazione quando i margini di sicurezza risultano insufficienti.
Il processo integrato in Donegani
Donegani Anticorrosione esegue internamente l’intero processo di valutazione strutturale: dal rilievo laser scanner 3D sul campo all’elaborazione delle nuvole di punti, dalla generazione del modello FEM alle analisi strutturali secondo API 579-1 livello III, fino alla redazione del report tecnico finale con raccomandazioni ingegneristiche.
Questa integrazione verticale garantisce coerenza tra le fasi, ottimizza la qualità del modello computazionale e permette la valutazione su geometria reale anziché idealizzata, fornendo risultati significativamente più accurati. Le decisioni operative sono supportate da quantificazioni rigorose dei margini di sicurezza disponibili.
Quando le deformazioni eccedono le tolleranze API 653, l’analisi FEM può dimostrare l’idoneità al servizio con adeguati fattori di sicurezza, evitando fermi impianto non necessari. Gli interventi manutentivi, quando richiesti, vengono dimensionati sulle effettive necessità strutturali identificate, concentrando risorse sulle zone critiche e supportando la pianificazione anticipata delle manutenzioni.
Per informazioni sui servizi di analisi strutturale FEM e valutazione Fitness for Service, visita la sezione servizi del nostro sito o contattaci direttamente. Il team di Donegani Anticorrosione è a disposizione per valutare le specifiche esigenze del tuo impianto.