Guida all’installazione sotterranea delle tubazioni per gas in HDPE: migliori pratiche per lo scavo delle fosse, la saldatura, i collaudi e l’ingegneria

 

Sotto quasi ogni strada costruita negli ultimi decenni, le condotte del gas interrate sono probabilmente realizzate in polietilene ad alta densità (HDPE). Dall’impiego iniziale delle tubazioni in polietilene per il trasporto del gas negli anni ’60, le condotte in HDPE per il gas sono diventate la scelta standard per la distribuzione sotterranea del gas naturale. Oggi, in Nord America, in Europa e in gran parte dell’Asia, la classe di polietilene con le prestazioni più elevate—PE100—costituisce la base della stragrande maggioranza delle nuove condotte principali e secondarie per il gas. Questa reputazione è stata conquistata nell’effettivo ambiente sotterraneo, non soltanto su cataloghi. Una condotta interrata per il gas deve funzionare in sicurezza per 50 anni o più in terreni umidi e chimicamente corrosivi, e il polietilene si adatta meglio a tale ambiente rispetto a qualsiasi materiale convenzionale per tubazioni. L’acciaio e la ghisa sferoidale subiscono corrosione nella maggior parte dei terreni e richiedono rivestimenti anticorrosivi, protezione catodica e ispezioni periodiche per mantenere la loro durata operativa. Al contrario, le condotte in HDPE per il gas non presentano tali debolezze. Sono completamente immuni alla corrosione che distrugge lentamente le tubazioni metalliche; pertanto, gli enti di distribuzione che rispettano gli standard ISO 4437 e ASTM D2513 indicano ormai le tubazioni in PE come materiale preferito per la stragrande maggioranza dei nuovi progetti di distribuzione del gas.

 

La fiducia delle persone nel polietilene va ben oltre la sua resistenza alla corrosione. I suoi giunti vengono saldati a fusione, non assemblati meccanicamente. La saldatura a testa permette di unire tratti di tubo in un unico materiale continuo e monolitico, mentre la saldatura elettrofusione ottiene lo stesso risultato sui raccordi. Di conseguenza, i giunti di tubazioni per gas in polietilene ad alta densità (HDPE) correttamente prodotti sono resistenti quanto la parete stessa del tubo e non contengono guarnizioni, filettature o sigilli meccanici che potrebbero allentarsi, invecchiare o perdere nel tempo. È per questo che gli ingegneri del gas affermano che una rete PE100 correttamente installata può praticamente raggiungere zero perdite. Il materiale è anche facile da maneggiare per gli operatori: i tubi HDPE possono curvarsi per adattarsi ai profili delle trincee e alle curve a grande raggio senza richiedere raccordi aggiuntivi e possiedono sufficiente flessibilità per assorbire gli spostamenti del terreno causati da assestamenti del suolo, sollevamenti dovuti al gelo e terremoti—fattori che possono provocare crepe o rotture nei tubi metallici rigidi. In combinazione con tecniche di posa senza scavo, come la perforazione direzionale orizzontale, il polietilene è diventato il metodo a minor rischio e minor costo per fornire gas alle comunità. Queste quattro caratteristiche ne spiegano il predominio: resistenza alla corrosione, giunti saldati a fusione privi di perdite, flessibilità e resistenza agli spostamenti del terreno. Nei capitoli seguenti esploreremo una per una queste caratteristiche dal punto di vista dell’applicazione pratica: cosa significano nelle trincee, negli ambienti sotterranei e durante i prossimi 50 anni di servizio.

 

Perché i tubi in polietilene ad alta densità (HDPE) sono ampiamente utilizzati nei sistemi di trasmissione e distribuzione del gas naturale sotterranei ?

Prima dell’installazione, gli ingegneri del gas devono prendere due decisioni che influenzano direttamente la durata della rete di tubazioni: la qualità del materiale e lo spessore della parete. I tubi in PE (polietilene) sono classificati in base alla loro "Resistenza Minima Richiesta" (MRS), ovvero la capacità di resistere a sollecitazioni circonferenziali per 50 anni a 20 °C (secondo la norma ISO 9080). Il PE80 ha un valore MRS di 8,0 MPa, mentre il PE100 raggiunge 10,0 MPa; pertanto, con lo stesso spessore di parete, i tubi in gas PE100 SDR11 offrono prestazioni nominali superiori e una maggiore resistenza alla propagazione lenta delle fessure — il modo di guasto più critico per le tubazioni interrate per gas. Per questo motivo, i tubi in gas PE100 SDR11 sono diventati la configurazione predefinita per le nuove reti principali di gas a media pressione, mentre il PE80 continua a essere utilizzato nelle reti più vecchie a bassa pressione. La scelta del materiale e l’SDR (rapporto dimensionale standard) devono inoltre rispettare le attuali normative sul gas: in Europa si applicano le norme ISO 4437/EN 1555, mentre in Nord America è in vigore la ASTM D2513.

 

Per i sistemi sotterranei di trasmissione e distribuzione del gas, la seconda decisione riguarda lo spessore della parete. L’SDR (Surface Diameter Ratio) è definito come il rapporto tra diametro esterno e spessore della parete; la sua pressione nominale è calcolata mediante la formula: MOP = 2 × MRS / (C × (SDR − 1)), dove MOP è la pressione operativa massima e C è il fattore di utilizzo complessivo. Il settore del gas utilizza tipicamente C = 2; pertanto, la pressione nominale di una tubazione per gas in PE100 con SDR11 è di circa 10 bar, mentre le tubazioni con SDR17 o SDR17,6 (pareti più sottili e costo inferiore) sono adatte alla trasmissione e distribuzione a bassa pressione. Inoltre, vanno considerati due fattori correttivi spesso trascurati negli articoli generali. Il primo è il fattore di progetto, che limita la tensione circonferenziale a circa la metà della resistenza a 50 anni (C = 2; il regolamento statunitense 49 CFR 192 ne fissa un limite superiore pari a 0,4), al fine di prevenire la propagazione lenta di crepe durante decenni di funzionamento. Il secondo fattore è la riduzione della pressione ammissibile in funzione della temperatura, poiché tutti i valori nominali si riferiscono a 20 °C: quando la temperatura supera i 20 °C, la MOP deve essere moltiplicata per il fattore di riduzione indicato nella norma ISO 4437-5 (fino a 40 °C); se il valore ridotto risulta inferiore alla pressione di esercizio richiesta, va selezionata una tubazione con un valore di SDR minore (ovvero con uno spessore di parete maggiore). Per le condotte principali a media pressione, la specifica finale deve essere una tubazione per gas in PE100 con SDR11, il cui SDR, fattore di progetto e riduzione della pressione ammissibile in funzione della temperatura sono stati tutti verificati conformemente alle attuali normative.

 

Controllo qualità durante l’installazione delle tubazioni in polietilene ad alta densità (HDPE) per il gas naturale ?

Come garantire la sicurezza dell’installazione delle tubazioni in polietilene ad alta densità (HDPE) per il gas? Il controllo qualità si concentra su quattro aspetti fondamentali, che costituiscono spesso la causa di perdite: giunti di saldatura a fusione, posa su letto ghiaioso, prove di pressione e scelta dell’SDR (Standard Draw Reduction). Questi problemi possono essere completamente evitati mediante un’operazione corretta.

Gli errori di installazione comuni sono diffusi in tutto il mondo. Parametri di saldatura errati: una temperatura o un tempo di riscaldamento non corretti possono far apparire i giunti integri, ma questi potrebbero cedere a causa dei movimenti del terreno nel lungo periodo; pertanto, la saldatura deve essere eseguita rigorosamente secondo le tabelle di parametri certificate. Lettiera della trincea inadeguata: durante il riempimento, pietre appuntite e vuoti possono danneggiare la parete della tubazione; per questo motivo, per la lettiera e il riempimento intorno alla tubazione devono essere utilizzati materiali finemente granulati e ben compattati. Prove di pressione insufficienti: ogni tubazione deve essere sottoposta a prove per soddisfare le specifiche richieste; le procedure non devono mai essere abbreviate né alcun passaggio saltato. Scelta errata dell’SDR: prima della posa della tubazione, la specifica SDR11 o SDR17.6 deve essere scelta in base alla pressione di esercizio effettiva. Controllando questi quattro punti chiave, è possibile garantire un’installazione sicura e affidabile delle tubazioni in polietilene ad alta densità (HDPE) per gas naturale.

 

Installazione di tubazioni in HDPE per gas: confronto tra metodo con trincea e metodo senza trincea ?

Il metodo appropriato per l’installazione della tubazione in polietilene ad alta densità (HDPE) per gas deve essere scelto in base alle condizioni del sito. La posa a cielo aperto è adatta per le opere sotterranee convenzionali; la tecnologia di perforazione orizzontale direzionale (HDD) consente di attraversare strade e fiumi senza danneggiare la superficie. Il materiale HDPE è naturalmente adatto ai requisiti delle costruzioni senza scavo: i tratti di tubo, una volta uniti mediante saldatura a caldo, mantengono flessibilità, permettendo loro di curvarsi all’interno dei fori di perforazione e formando infine una tubazione monolitica priva di perdite.

Metodo	Applicazione
Scavo aperto	Opere sotterranee standard
Perforazione orizzontale direzionale	Attraversamenti stradali, attraversamenti fluviali
Rottura della tubazione	Sostituzione della tubazione

 

La rottura della tubazione consiste nella frantumazione della vecchia tubazione principale e nel trascinamento della nuova tubazione in HDPE nello stesso canale, limitando così l'area di scavo alla fossa di lavoro. Le nuove reti di tubazioni vengono costruite principalmente mediante scavo a cielo aperto; la tecnologia HDD (Horizontal Directional Drilling) viene utilizzata per superare ostacoli, mentre la sostituzione delle tubazioni ricorre spesso alla rottura. Tutti e tre i metodi sfruttano i vantaggi intrinseci del materiale HDPE, ossia la flessibilità e la resistenza alla trazione del tratto di tubazione, nonché la resistenza del giunto realizzato mediante saldatura a caldo, paragonabile a quella della parete del tubo; è per questo che le tubazioni in HDPE per gas mantengono la propria integrità strutturale indipendentemente dal fatto che vengano installate con scavo o con tecniche senza scavo.

 

Domande frequenti sulle tubazioni in HDPE per gas: le domande più comuni poste da ingegneri e acquirenti

D1. Quale tipo di tubazione in HDPE viene utilizzato per le tubazioni sotterranee per gas naturale?

Le tubazioni principali sotterranee del gas e i rami utente utilizzano tubi in polietilene PE80 o PE100 (solitamente gialli o neri con strisce gialle) e rispettano gli standard ISO 4437/EN 1555 (lo standard ASTM D2513 è utilizzato in Nord America). I tubi PE100 presentano una resistenza minima richiesta (MRS) di 10 MPa e costituiscono la scelta standard per le nuove reti di tubazioni a media pressione: a parità di spessore della parete, offrono una pressione nominale superiore e una migliore resistenza alla propagazione lenta delle crepe.

Domanda 2. Quale SDR (rapporto standard di estrusione) è raccomandato per le tubazioni in HDPE per il gas?

Ciò dipende dalla pressione di esercizio. Se il coefficiente di progettazione del gas C = 2, la pressione nominale di una tubazione in gas PE100 con SDR11 è di circa 10 bar; l’SDR11 è adatto alle tubazioni principali a media pressione e alle costruzioni senza scavo. Per le reti a bassa pressione si possono utilizzare tubazioni con parete più sottile e costo inferiore, con SDR17,6; se la temperatura della parete del tubo supera i 20 °C, è necessaria una riduzione della pressione conformemente allo standard ISO 4437-5.

D4. È possibile installare le tubazioni in polietilene ad alta densità (HDPE) per il gas con metodi senza scavo?

Sì. La tecnologia di perforazione direzionale orizzontale (HDD) è comunemente utilizzata per installare tubazioni in polietilene ad alta densità (HDPE) per il gas sotto strade, fiumi e ferrovie: i tratti di tubo vengono uniti tra loro mediante saldatura a testa calda e quindi tirati nella trivellazione. La flessibilità del tubo consente di adattarsi al percorso della trivellazione; l'assenza di giunti meccanici impedisce perdite durante la fase di traino, cosa che non è possibile con tubi rigidi in acciaio.

D5. Qual è la differenza tra saldatura a testa calda ed elettrosaldatura?

Entrambi i metodi consentono di realizzare giunzioni saldate integrali con resistenza paragonabile a quella della parete del tubo, senza necessità di guarnizioni o filettature. La saldatura a testa calda utilizza una piastra riscaldante per riscaldare le estremità dei tubi e unirle sotto pressione: adatta a tratti rettilinei di tubo e a condotte principali, è rapida ed economica, ma richiede una macchina per saldatura a testa calda e operatori qualificati. La saldatura elettrofusa sfrutta un filo riscaldante elettrico incorporato nella raccordo per fondere il tubo in loco: adatta a raccordi derivati, interventi di manutenzione e lavori in spazi ristretti.