MCA Strumentazione Industriale – Guida tecnica
Vibrazioni indotte dal flusso, frequenza naturale, sollecitazioni statiche e dinamiche
Guida tecnica · 12 minuti di lettura
Il pozzetto termometrico (thermowell) è un componente apparentemente semplice: un cilindro cavo in metallo che protegge la sonda di temperatura dal contatto diretto con il fluido di processo, permettendone la sostituzione senza fermare l'impianto. Ma è proprio questa "semplicità" che ha causato negli anni numerosi incidenti gravi: pozzetti rotti per fatica meccanica indotta dalle vibrazioni del flusso, con conseguente rilascio di fluidi pressurizzati, emergenze, fermo impianto.
Il caso più famoso è l'incidente di Monju (1995) in Giappone, dove la rottura di un pozzetto in linea sodio liquido di una centrale nucleare causò la fuoriuscita di centinaia di chilogrammi di refrigerante. Fu uno degli eventi che spinsero la ASME (American Society of Mechanical Engineers) a sviluppare nel 2010 lo standard ASME PTC 19.3 TW (revisione 2016) per il dimensionamento sistematico dei pozzetti.
Oggi il calcolo ASME PTC 19.3 TW è il riferimento globale nei capitolati pharma, oil & gas, energia, petrolchimica. Saltarlo significa rischiare la rottura del pozzetto, con perdita del fluido in pressione, fermo impianto e potenziale danno a persone. Questa guida copre i fondamenti del fenomeno, i 4 criteri di verifica, gli input necessari e i casi tipici.
Quando un fluido scorre attorno a un cilindro (il pozzetto immerso nella tubazione), si formano vortici alternati a valle del cilindro. Questi vortici si staccano periodicamente, prima da un lato poi dall'altro, generando forze laterali oscillanti che agiscono sul pozzetto come un'eccitazione meccanica. Il fenomeno è chiamato vortex shedding (distacco dei vortici) o von Kármán vortex street, dal nome del fisico che lo studiò sistematicamente.
La frequenza dei vortici si calcola con la formula di Strouhal:
Dove:
Esempio quantitativo: pozzetto D = 22 mm in linea vapore con velocità 40 m/s → fv = 0,22 × 40 / 0,022 ≈ 400 Hz. Una frequenza alta come questa, se si avvicina alla frequenza naturale del pozzetto, causa risonanza: le oscillazioni si amplificano fino al cedimento per fatica del materiale.
Il rischio di rottura per vortex shedding è particolarmente alto in: linee vapore (velocità 30-50 m/s), linee gas (gas naturale, gas combustibili), fluidi multifase con pulsazioni. Per linee con liquidi a bassa velocità (acqua di processo a < 3 m/s) il rischio è basso ma non nullo.
Lo standard ASME PTC 19.3 TW (Performance Test Code 19.3, Thermowells) è stato pubblicato per la prima volta nel 2010 e revisionato nel 2016. È pubblicato dalla American Society of Mechanical Engineers e definisce:
Lo standard è stato adottato globalmente dalle major oil & gas, energia e pharma. Le società di ingegneria (Bechtel, Fluor, Wood, Saipem, Maire Tecnimont) lo richiedono come prerequisito nei capitolati. Labom dispone di software dedicato per il calcolo ASME PTC 19.3 TW e fornisce il report di calcolo completo per ogni pozzetto critico.
Il calcolo ASME PTC 19.3 TW verifica quattro criteri che devono essere soddisfatti contemporaneamente per validare il pozzetto:
Se anche un solo criterio non è soddisfatto, il pozzetto è non valido. Le modifiche tipiche per ottenere validazione sono: riduzione della lunghezza immersa, aumento del diametro alla radice, cambio del materiale (Inconel ha limiti di fatica superiori a AISI 316L), installazione di helical strake (alette elicoidali che disturbano i vortici), oppure cambio della geometria da cilindrica a conica.
Per eseguire il calcolo ASME PTC 19.3 TW servono i seguenti dati:
| Dimensioni pozzetto | Lunghezza immersa U, diametro radice A, diametro punta B, diametro foro d, lunghezza filettata o saldata |
| Materiale del pozzetto | AISI 316L, Inconel 625, Hastelloy C276, Monel 400, ecc. |
| Geometria del pozzetto | Cilindrico, conico (tapered), a passo (stepped) |
| Tipo di installazione | Filettato, saldato, flangiato, weld-in |
| Diametro tubazione | DN 50, DN 100, DN 200, ecc. |
| Tipo di fluido | Liquido, gas, vapore, multifase |
| Velocità del fluido | Min, normale, max (m/s) |
| Densità del fluido | kg/m³ alla temperatura operativa |
| Pressione operativa | Min, normale, max (bar) |
| Temperatura operativa | Min, normale, max (°C) |
| Considerazioni speciali | Pulsazioni, transitori, fluidi reattivi |
Il report di calcolo tipico fornisce:
Diametro costante per tutta la lunghezza immersa. Geometria più semplice ed economica.
Diametro decrescente dalla radice alla punta. Migliora la frequenza naturale e riduce il momento flettente.
Diametro decrescente a gradini. Compromesso tra cilindrico e conico, lavorazione semplificata.
Pozzetto con alette elicoidali sul corpo che disturbano i vortici. Soluzione per casi critici.
Il materiale del pozzetto influenza la frequenza naturale (modulo di Young), il limite di fatica e la compatibilità chimica con il fluido. I materiali più diffusi sono:
Il materiale deve essere certificato secondo EN 10204 3.1 per tracciabilità e, per oil & gas in servizio sour, secondo NACE MR0175 / ISO 15156. Il certificato accompagna il pozzetto per audit e tracciabilità.
| Applicazione | Velocità | Geometria + materiale tipici |
|---|---|---|
| Linea vapore industriale 10 bar | 30-40 m/s | Conico AISI 316L con calcolo verificato |
| Linea vapore surriscaldato | 40-60 m/s | Conico Inconel 625 + helical strake possibile |
| Linea gas naturale | 15-25 m/s | Conico AISI 316L NACE MR0175 |
| Reattore chimico (agitatore) | Variabile, turbolento | Conico Hastelloy + lunghezza ottimizzata |
| Loop WFI pharma | 1-2 m/s | Cilindrico AISI 316L EHEDG, no calcolo critico |
| Linea acqua di processo | 2-3 m/s | Cilindrico AISI 316L, calcolo standard |
| Servizio sour H2S | 5-15 m/s | Conico Inconel 825 NACE MR0175 |
| Reattore polimerizzazione | Variabile | Conico AISI 316L con membrana protettiva |
MCA fornisce pozzetti termometrici Labom completi di calcolo ASME PTC 19.3 TW eseguito in fabbrica con software dedicato e report di calcolo allegato. Il calcolo è incluso senza sovrapprezzo per applicazioni critiche (vapore, gas, oil & gas, energia). Per la richiesta servono i dati di input descritti in questa guida.
ASME PTC 19.3 TW è lo standard pubblicato dalla American Society of Mechanical Engineers nel 2010 (revisione 2016) per il dimensionamento meccanico dei pozzetti termometrici. Definisce i criteri di calcolo per verificare che un pozzetto resista alle sollecitazioni di processo (pressione statica) e dinamiche (vibrazioni indotte dal flusso, vortex shedding) senza rompersi. Saltare questa verifica significa rischiare la rottura del pozzetto in linea con perdita del fluido in pressione.
Il vortex shedding è il fenomeno per cui un fluido che scorre attorno a un cilindro genera vortici alternati a valle, con frequenza proporzionale alla velocità del flusso. Questi vortici creano forze laterali oscillanti sul pozzetto. Se la frequenza dei vortici si avvicina alla frequenza naturale del pozzetto (risonanza), le oscillazioni si amplificano fino alla rottura per fatica. La frequenza si calcola con la formula di Strouhal: fv = St × V / D.
Il calcolo è obbligatorio in capitolati pharma, oil & gas, energia, petrolchimica per pozzetti installati in linee con velocità del fluido elevate. È particolarmente critico per: vapore industriale (velocità 30-50 m/s), gas naturale e gas combustibili, fluidi multifase, applicazioni con pulsazioni o transitori. Per applicazioni a bassa velocità il calcolo è raccomandato ma non sempre richiesto formalmente.
Il calcolo verifica quattro criteri principali: (1) Frequency limit: fn > 1,6 × fv; (2) Dynamic stress limit: sollecitazione massima dinamica sotto il limite di fatica; (3) Static stress limit: sollecitazione statica per pressione e flusso sotto il limite del materiale; (4) Hydrostatic pressure limit: resistenza alla pressione idrostatica. Tutti e quattro devono essere soddisfatti contemporaneamente.
Servono: dimensioni del pozzetto (lunghezza immersa, diametri, foro), materiale, condizioni di processo (velocità, densità, pressione, temperatura), tipo di flusso (gas, liquido, multifase). Output: frequenza naturale, frequenza dei vortici, fattore di sicurezza per ognuno dei 4 criteri, raccomandazione se il pozzetto è adatto o se serve modifica.
MCA Strumentazione Industriale è distributore Labom in Italia e fornisce pozzetti termometrici dimensionati ASME PTC 19.3 TW a Milano, in Lombardia e in tutta Italia, con report di calcolo allegato.