Migliorare le norme che regolano gli interventi di squeeze-off nei gasdotti con la simulazione numerica

Spesso le procedure di routine per la manutenzione dei condotti di gas naturale richiedono scavi in strade principali, costringendo gli automobilisti a districarsi tra vie secondarie e deviazioni. Ma cosa accadrebbe se il processo di riparazione e sostituzione delle tubature dei gasdotti fosse più efficiente e meno invasivo? Il Gas Technology Institute (GTI), leader per la ricerca, lo sviluppo e la formazione nel settore dei gas naturali, si è posto l’obiettivo di esaminare le normative che regolano la posizione degli squeeze-off nei gasdotti, in modo da rendere più accessibili le tubature.

Qual è la distanza minima per uno squeeze-off?

Situato nell’Illinois, il GTI è un ente di ricerca impegnato nello sviluppo di tecnologie legate alle nuove fonti energetiche e al gas naturale. Uno dei suoi ambiti di studio riguarda la ricerca delle distanze ottimali per gli interventi di squeeze-off sulle tubature in polietilene (PE) dei gasdotti. Lo squeeze-off è una procedura apparentemente semplice, che consiste nello schiacciare un tubo fino a impedire completamente il passaggio del gas (Figura 1). Questa operazione viene comunemente eseguita per permettere interventi di manutenzione e per sostituire parti di una conduttura senza chiudere l’intero sistema.
Una volta completato lo squeeze-off, il tubo recupera buona parte della sua forma originaria, consentendo al gas di fluire nuovamente.
Naturalmente l’uso del polietilene per la costruzione di un tubo risulta vantaggioso, per la flessibilità di questo materiale e la sua capacità di sopportare grandi deformazioni; per l’assenza di pericoli legati alla corrosione; la facilità di fusione; la sua natura omogenea e la resistenza a condizioni climatiche rigide. Per evitare danneggiamenti e malfunzionamenti esistono norme, come quelle pubblicate dalla American Society for Testing and Materials (ASTM), che devono essere rispettate durante la procedura di squeeze-off. Una, in particolare, riguarda la posizione dello squeeze-off rispetto ai raccordi. In base a questa norma, l’operazione deve essere eseguita a una distanza pari a tre volte il diametro del tubo oppure a 12 pollici dal raccordo più vicino, a seconda di quale sia la distanza maggiore. Questa regola è stata introdotta per evitare deformazioni e rotture nei tubi, ma numerosi fornitori di gas sono interessati a ridurre la distanza minima consentita. Prima di tutto, una distanza obbligatoria di 12 pollici risulta elevata per buona parte dei gasdotti (la maggior parte dei tubi usati per utenze domestiche e commerciali ha un diametro pari o inferiore a 2,375 pollici). Questo significa che, anche se ottenessimo una distanza di 7 pollici moltiplicando per tre il diametro di un tubo, lo squeeze-off dovrebbe comunque essere effettuato a una distanza di 12 pollici, cioè alla distanza maggiore. La necessità di mantenere una distanza così ampia anche per tubature di piccolo diametro obbliga a scavare ulteriormente il terreno, deviare strade e consumare più tempo e denaro.
Finanziati dall’Operations Technology Development (OTD), una partnership per lo sviluppo tecnologico nata dalla collaborazione di aziende operanti nell’ambito della distribuzione di gas naturale, i ricercatori del GTI Oren Lever ed Ernest Lever hanno verificato con un’analisi approfondita se la distanza di 12 pollici fosse davvero necessaria per tubi più piccoli. Il loro obiettivo era quello di esaminare quanto lo squeeze-off di un tubo potesse avvicinarsi a un raccordo saldato prima che il livello di deformazione e la concentrazione di sforzo superassero i livelli accettabili. Per trovare risposta, il team si è affidato alle capacità di modellazione meccanica del software COMSOL Multiphysics®.

Analisi di sforzo e deformazione nei tubi in polietilene

Il team del GTI ha impostato un modello completamente parametrico tempo-dipendente usando lo Structural Mechanics Module e il Nonlinear Structural Materials Module in COMSOL Multiphysics. Come afferma Oren Lever del GTI, il gruppo “confida nell’implementazione del metodo agli elementi finiti in COMSOL per ottenere buoni risultati, come è stato provato dai test precedenti.” Il team ha definito le proprietà meccaniche e numeriche di due differenti configurazioni di contatto per modellare rispettivamente il contatto strutturale interno tubo-tubo e quello esterno tra tubo e meccanismo di squeeze-off. Sono state usate le funzionalità di mesh del software COMSOL per creare una mesh ibrida integrando mesh strutturate e non. Questo approccio, insieme a un modello costitutivo implementato nel software, ha permesso al team di analizzare con precisione le grandi deformazioni nel tubo. La simulazione ha considerato le diverse fasi della procedura di squeeze-off mostrata nella Figura 2: pressurizzazione del tubo, squeeze-off, mantenimento del tubo chiuso (hold), rilascio e rilassamento.
È stato necessario prestare una particolare attenzione alla discretizzazione della tubatura nella zona di contatto, per consentire alla simulazione di rappresentare le grandi deformazioni che si raggiungono quando il tubo viene schiacciato completamente (Figura 3).

Grazie alle capacità di discretizzazione e alla natura parametrica di COMSOL Multiphysics, questa particolare operazione di mesh è stata facilmente scalata per varie dimensioni del tubo. Nonostante gli sforzi e le deformazioni in questa zona non fossero il principale oggetto di studio di questo progetto, questi elementi risultano interessanti per quanto riguarda l’effetto generale dello squeeze-off sul ciclo di vita del tubo. Il modello COMSOL permetterà quindi al team del GTI di condurre ulteriori studi in merito.

Materiali fortemente non lineari richiedono collaborazione

Per rappresentare il comportamento specifico e unico del polietilene utilizzato, il GTI aveva bisogno di un modello costituitivo viscoelastoplastico appropriato. Per questo motivo il gruppo si è rivolto a Veryst Engineering, consulente certificato COMSOL, perché li aiutasse a implementare in COMSOL Multiphysics il modello del materiale scelto. Per farlo, ha spiegato Nagi Elabbasi di Veryst, sono stati prima selezionati i test sui materiali sperimentali necessari per calibrare la legge del materiale tipicamente usato per la termoplastica, come il PE, e alla fine è stato implementato in COMSOL il set di equazioni differenziali ordinarie (ODE) necessario per modellare matematicamente il modello del materiale personalizzato.
Il GTI ha effettuato test su materiali in polietilene di media densità (MDPE), in particolare il materiale è stato caratterizzato grazie a test di trazione e compressione a deformazioni molto elevate per differenti valori di velocità di deformazione e temperatura e conducendo test di carico-scarico. (Figura 4).

Il team di Veryst ha trovato i valori dei parametri dei materiali che corrispondevano ai dati sperimentali ottenuti. Per la calibrazione, Veryst ha usato MCalibration, uno strumento di ottimizzazione che essi stessi hanno sviluppato per variare i parametri fino a trovare un’ottima corrispondenza con i dati sperimentali. Per implementare e verificare la legge del materiale calibrata in COMSOL Multiphysics, Veryst ha fatto affidamento sulla flessibilità del software aggiungendo un sistema di ODE per descrivere il legame costitutivo desiderato. Un’altra opzione, utile nei casi in cui un modello di materiale non possa essere descritto aggiungendo set di equazioni, sarebbe stata quella di usare la funzionalità External Material per accedere a funzioni scritte in FORTRAN o in codice C e raccolte in una libreria condivisa. In quel caso, la funzionalità External Material può essere usata per definire la relazione sforzo-deformazione o valutare un contributo aggiuntivo di deformazione anelastica al modello di materiale in uso, oppure ci si può collegare direttamente con un link a una libreria dei materiali esterna, commerciale, come PolyUMod di Veryst Engineering (1).
Grazie alla simulazione, il GTI è stato in grado di determinare che, nei tubi di piccolo diametro (<3.5”), la distanza inferiore dello squeeze-off pari a tre diametri di tubo non causava deformazioni oltre i limiti attualmente accettati. Sono stati inoltre eseguiti test aggiuntivi (mostrati nella Figura 4) sul ciclo di vita accelerato per validare questi risultati. È stato testato uno squeeze-off a 2 e 4 pollici dal raccordo, a temperature sufficientemente elevate da accelerare la velocità di creep del polietilene rispetto a condizioni normali. Grazie a questi test aggiuntivi, il team del GTI ha scoperto che i tubi avrebbero raggiunto un ciclo di vita di ottant’anni in condizioni operative caratterizzate da una temperatura media di 20ºC. Questo risultato concorda con il ciclo di vita di ottant’anni stabilito dagli standard di settore per le tubature in MDPE.

L’efficienza è l’obiettivo fondamentale dei progetti futuri di GTI

A seguito di questo lavoro di simulazione, il GTI ha scoperto che il punto di squeeze-off per i tubi di piccolo diametro può essere più vicino alle giunzioni rispetto alla distanza minima consentita dalla normativa ASTM. Questo conferma che la distanza minima di 12 pollici, attualmente prescritta, può essere ridefinita per tubi di diametro più piccolo, quindi della misura più comunemente usata per le linee residenziali e commerciali. Grazie a questa ricerca, il GTI sta contribuendo alla definizione di nuove linee guida che renderanno l’attuale processo di manutenzione dei gasdotti meno costoso, più efficiente e meno invasivo.
Per quanto riguarda la pianificazione di ulteriori ricerche, Lever spiega che il gruppo sta progettando di ampliare il modello costitutivo per includervi temperatura e creep, al fine di descrivere con maggiore accuratezza gli effetti del rilassamento. L’obiettivo è quello di essere in grado di analizzare il danneggiamento e la rottura per prevedere il comportamento del tubo in diverse condizioni di carico, come l’installazione di morsetti di rinforzo.
Il GTI cercherà anche di rendere accessibili le proprie scoperte a ingegneri e tecnici, non necessariamente esperti di simulazione numerica. In quanto utenti COMSOL, il team può accedere all’Application Builder, uno strumento che consente agli specialisti di simulazione come Lever di “confezionare” un modello COMSOL con una interfaccia personalizzata e user-friendly. Questo significa che i tecnici di settore e lo staff coinvolto nella manutenzione potranno accedere a una app semplice da usare che li aiuterà a prendere le decisioni più opportune anche in condizioni operative inusuali. Nello stesso tempo, gli esperti di simulazione potranno risparmiare tempo e concentrarsi su nuovi progetti. Per ora, il GTI continua a dedicare i propri sforzi alla ricerca e allo sviluppo di innovazioni tecnologiche per il settore energetico e quello dei gas naturali.
 

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