Tubazioni in polietilene per il trasporto di acqua: Manuale per la progettazione, la posa e la gestione delle reti idriche

213 Pages·2005·5.138 MB·Italian

by  A. Pavan, R. Frassine (auth.)

Tubazioni in polietilene
per il trasporto di acqua
A.Pavan
R.Frassine
Tubazioni
in polietilene
per il trasporto
di acqua
Manuale per la progettazione,
la posa e la gestione
delle reti idriche
12 3
A.PAVAN
R.FRASSINE
Politecnico di Milano,Milano
In allegato CD-ROM:Programma PiPEs
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© Springer-Verlag Italia,Milano 2005
ISBN 88-470-0268-0
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Progetto e impaginazione:Valentina Greco,Milano
Progetto grafico della copertina:Simona Colombo,Milano
Stampa:Signum Srl,Bollate (MI)
Indice
Presentazione VII
1. Introduzione 1
2. Il polietilene nel trasporto di acqua 5
2.1. La materia prima 5
2.2. Proprietà meccaniche 7
2.3. Altre caratteristiche 14
3. Ciclo di produzione 19
3.1. Estrusione 20
3.2. Stampaggio ad iniezione 21
3.3. Controllo finale dei prodotti 23
3.4. Certificazione di prodotto 23
4. Progettazione della tubazione 25
4.1. Progettazione idraulica 25
4.2. Progettazione meccanica 35
4.3. Resistenza meccanica alle onde sismiche 66
4.4. Opere fuori terra 67
4.5. Ancoraggi 74
4.6. Condotte subacquee 75
4.7. Curvature massime ammissibili 77
4.8. Forza di trascinamento 78
4.9. Esempio di progettazione 80
5. Giunzioni 87
5.1. Saldature 87
5.2. Giunzioni per fissaggio meccanico 104
5.3. Verifica delle giunzioni 108
5.4. Affidabilità delle reti 109
6. Tecniche di posa 111
6.1. Progettazione della trincea 111
6.2. Caratteristiche della trincea 114
6.3. Posa di condotte interrate 118
6.4. Tecnologie di posa trenchless 120
6.5. Realizzazione di attraversamenti e parallelismi 123
6.6. Posa in terreni contaminati 125
6.7. Effetto del cloro 125
VI Indice
7. Capitolato d’opera e collaudo 127
7.1. Capitolato d’opera 127
7.2. Collaudo 128
8. Esercizio,manutenzione,riparazione e riabilitazione delle reti 133
8.1. Perdite negli acquedotti 133
8.2. Sistemi di telecontrollo 136
8.3. Tecnologie per la riabilitazione 136
8.4. Tecnologie per la sostituzione 143
9. Vantaggi delle reti in polietilene 145
9.1. Vantaggi pratici 145
9.2. Vantaggi economici 148
9.3. Affidabilità e sicurezza 150
9.4. Mercato europeo del polietilene 151
9.5. Qualità dell’acqua 152
Appendice A.Struttura e proprietà del polietilene 153
A.1. Architettura delle molecole e cristallizzazione 153
A.2. Correlazioni proprietà-struttura 156
A.3. Viscoelasticità ed effetto della temperatura 157
A.4. Comportamento a lungo termine di tubi in pressione 160
A.5. Resistenza alla frattura per propagazione rapida 163
Appendice B.Disponibilità di tubi e raccordi 165
B.1. Tubi 165
B.2. Raccordi 167
Appendice C.La norma UNI EN 12201 173
C.1. Requisiti della materia prima 173
C.2. Requisiti dei tubi 175
C.3. Requisiti dei raccordi 178
Appendice D.Norme e certificazioni 181
D.1. Differenze tra decreto, circolare, norma e certificazione 181
D.2. Circolari e decreti 185
D.3. Normative 186
D.4. Qualificazione degli operatori 189
Tabelle 191
Bibliografia essenziale 203
Elenco fonti delle figure 206
Indice analitico 207
Presentazione
L’iniziativa di realizzare un manuale per la progettazione, la posa e la gestione
di tubazioni in polietilene per il trasporto dell’acqua è nata dall’esigenza di rac-
cogliere, elaborare e rendere disponibili ai progettisti delle reti idriche, al per-
sonale delle aziende di posa e ai tecnici di gestione dei servizi idrici le cono-
scenze sviluppate nel corso degli anni dai produttori di materia prima, dai tra-
sformatori, dai laboratori di ricerca e dagli enti di normazione e certificazione.
Il manuale presenta dati, metodi e raccomandazioni utili per sviluppare
appieno, nel rispetto delle normative vigenti sul territorio italiano, le potenzia-
lità di sicurezza e affidabilità offerte dall’utilizzo del polietilene nel trasporto di
acqua potabile. Esso vuol costituire uno strumento professionale di pratica uti-
lità per la progettazione, realizzazione, installazione ed esercizio delle reti a
partire dalla scelta dei materiali fino alla messa in opera o per la scelta delle
tipologie di intervento per la riabilitazione di reti esistenti.
Gli argomenti trattati nel manuale sono parte di un patrimonio di cono-
scenze disponibile presso il Politecnico di Milano, e in particolare presso la
Fondazione Laboratorio Prove Materie Plastiche (POLIlampol). Tali conoscen-
ze si sono sviluppate nel corso di un’attività pluridecennale di studio e caratte-
rizzazione dei materiali e dei manufatti, di consulenza e di supporto tecnico-
scientifico nel settore delle tubazioni in plastica, che ha permesso di attivare
contatti molto stretti con l’intera filiera del settore e di esplorare a fondo le
caratteristiche presentate dalle tubazioni in polietilene. Si è così evidenziato
come il risultato finale dell’opera dipenda, oltre che da una sua corretta pro-
gettazione, che tenga conto della natura del materiale, anche dalle modalità di
esecuzione che precedono la messa in servizio della tubazione.
Il contenuto del manuale è aggiornato allo stato dell’arte delle conoscen-
ze e delle normative esistenti al momento della sua pubblicazione. Poiché
non è possibile sviluppare appieno in un’opera di questa natura il dettaglio
delle conoscenze disponibili e poiché le normative nazionali ed internazio-
nali vengono continuamente modificate, si consiglia di approfondire e man-
tenere aggiornato il contenuto del manuale tramite il contatto costante con
gli operatori e la consultazione continua delle normative e della letteratura
tecnico-scientifica di settore.
Milano, ottobre 2004 Gli Autori
Gli autori desiderano ringraziare Giovanni Castiglioni,Patrizio Coldani,Angela Depinto,Gabriele
Depinto e Davide Verzanini della Fondazione Laboratorio Prove Materie Plastiche (POLIlampol)
che hanno contribuito a vario titolo alla preparazione di questo manuale.Si ringrazia inoltre
l'Ing.Francesco Briatico Vangosa,ricercatore del Politecnico di Milano,per lo sviluppo del pro-
gramma di progettazione allegato.
1.Introduzione
Il polietilene (PE) utilizzato per la produzione di tubi è stato sviluppato a
partire dagli anni ’50 attraverso successive generazioni (dal PE63 fino al
PE100) diventando uno dei materiali più utilizzati al mondo per la realizza-
zione di reti per il trasporto di acqua e di gas. In Europa sono attualmente
prodotti tubi in PE con diametri da 16 mm fino a 1600 mm (Fig. 1.1) per pres-
sioni nominali d’esercizio fino a 25 bar.
Le reti in PE presentano ottime prestazioni idrauliche e meccaniche, con
costi di installazione e di manutenzione inferiori rispetto a quelle realizza-
te con i materiali tradizionali. Le particolari proprietà del PE lo rendono
idoneo anche per la sostituzione o riabilitazione di vecchie condotte già
esistenti.
I principali vantaggi legati all’utilizzo di questo materiale sono:
• leggerezza: agevola le operazioni di trasporto e di movimentazione dei
tubi;
• lunghezza elevata: i tubi di diametro fino a 110 mm possono essere for-
niti in rotoli, riducendo quindi il numero di giunzioni necessarie;
• affidabilità delle giunzioni:il PE è saldabile con semplici tecniche quali
la saldatura ad elementi termici per contatto (testa a testa) (Fig. 1.2) o per
elettrofusione;
• flessibilità:consente di effettuare le giunzioni anche fuori dallo scavo e
di posare successivamente le tubazioni adattandole al tracciato, riducen-
do i tempi ed i costi di posa rispetto ai materiali tradizionali (Fig. 1.3);
• tecniche di posa: per la riabilitazione delle reti esistenti, oltre alle tradi-
zionali tecniche di posa (Fig. 1.4), è possibile utilizzare tecniche senza
scavo (trenchless), che riducono i disagi sociali e ambientali;
• capacità di assorbire le sollecitazioni provenienti dal terreno dovute
per esempio ad assestamenti, terremoti o gelo;
• assenza di corrosione ed elevata resistenza agli agenti chimici;
• coefficiente d’attrito e scabrezza minimi: riducono le perdite di carico,
permettendo portate più elevate a parità di sezione di passaggio, ed eli-
minano la formazione d’incrostazioni, mantenendo l’efficienza idraulica
nel tempo;
• identificabilità mediante colorazione in massa: i tubi sono identificati
grazie a colori codificati (blu o nero con strisce blu per l’acqua, giallo o
nero con strisce gialle per il gas);
• “vita utile” di progetto di 50 anni, con un’aspettativa di vita di oltre 100
anni per il PE100.
2 1.Introduzione
Fig.1.1Esempio di tubo in PE di grande Fig.1.2Saldatura testa a testa di tubi in PE
diametro
Fig.1.3Flessibilità di un tubo in PE duran- Fig.1.4Realizzazione di una trincea stretta
te la posa per la posa di tubi in PE
La qualità dei tubi in PE per applicazioni in pressione è determinata da tre
proprietà fondamentali:
• resistenza alla pressione interna a lungo termine (minimum required
strength, MRS);
• resistenza alla propagazione lenta della frattura (slow crack growth,
SCG);
• resistenza alla propagazione rapida della frattura (rapid crack propaga-
tion,RCP).
Queste caratteristiche sono esaminate dettagliatamente nel capitolo 2.
1.Introduzione 3
La continua innovazione della materia prima e delle tecnologie di realizza-
zione delle reti idriche, la pubblicazione di norme di sistema e di prodotto
da parte dei maggiori organismi internazionali (ISO,CEN) e nazionali (UNI)
e i costanti controlli sul prodotto effettuati dagli organismi di certificazione,
hanno permesso un continuo sviluppo delle applicazioni di tubi in PE. Il
tasso annuo di crescita dell’utilizzo di tubi di PE per il trasporto di acqua e
di gas in Europa è stimato per i prossimi anni pari a circa il 5%, a fronte di
previsioni di calo per i materiali tradizionali come l’acciaio, la ghisa o il
cemento.
2.Il polietilene nel trasporto di acqua
Il PE è un materiale sintetico prodotto per polimerizzazione dell’etilene. Il
processo di sintesi ad alta pressione fu sviluppato per la prima volta in
Inghilterra nel 1933 e la prima applicazione pratica si ebbe nel 1939 con la
produzione di cavi sottomarini per telecomunicazioni. Intorno alla prima
metà degli anni ’50, grazie allo sviluppo di una nuova generazione di cata-
lizzatori di sintesi, fu possibile ottenere un maggiore controllo sulla struttu-
ra delle molecole. Di conseguenza comparve sul mercato una vasta gamma
di PE monomodali molto versatili, con proprietà di notevole interesse per il
settore tecnico. La continua evoluzione dei processi di sintesi e dei prodotti
ha portato infine, a partire dal 1989, alla disponibilità di una nuova genera-
zione di resine bimodali.
Per le sue caratteristiche intrinseche, il PE è particolarmente adatto per la
realizzazione di tubi e raccordi per il trasporto di acqua potabile. Questo
capitolo è dedicato all’esame delle principali proprietà del PE per questa
specifica applicazione.
2.1.La materia prima
Il PE è un polimero termoplastico composto da catene polimeriche, a loro
volta costituite dalla ripetizione di un numero molto elevato di unità più
semplici (unità monomeriche) come di seguito indicato:
-[CH -CH ]-
2 2 n
in cui nè detto grado di polimerizzazione.
Le caratteristiche fondamentali della struttura molecolare del PE sono:
• peso molecolare: è indice della lunghezza delle catene. Più lunghe sono
le catene, più elevate sono la viscosità allo stato fuso e la resistenza a fes-
surazione;
• distribuzione dei pesi molecolari: le molecole che costituiscono il PE non
hanno tutte la stessa lunghezza ed il peso molecolare è pertanto una
media dei pesi delle diverse molecole. La distribuzione dei pesi moleco-
lari può variare da strettaalargain funzione delle condizioni di polime-
rizzazione, influenzando la lavorabilità del PE allo stato fuso; essa può
essere inoltre monomodale(con un unico picco) o bimodale(con due picchi
distinti) come illustrato in Appendice A.1;
• ramificazioni: le macromolecole presentano un certo numero di catene
laterali (ramificazioni) di lunghezza variabile in funzione delle condizio-