Sistema galleggiante con tubi in polietilene estruso, nervati, rinforzati e riempiti di polistirolo.
Brevetto italiano n. 102016000058416 del 07/06/2016
Astratto
Il notevole ritardo nello sviluppo dello sfruttamento delle risorse marine e nella protezione dell’ambiente globale è dovuto a molti fattori, tra cui la mancanza di sistemi galleggianti e inaffondabili economicamente sostenibili. Tuttavia, tali sistemi non possono essere studiati in dettaglio senza fornire anche soluzioni tecniche che possano portare alla colonizzazione su larga scala delle piane oceaniche. Di fatto, al momento, questa colonizzazione non ha senso, poiché le piane oceaniche sono inospitali per la vita umana, sia perché la desalinizzazione dell’acqua non è sostenibile, sia perché, dal punto di vista alimentare, le piane oceaniche non sono produttive. La produzione ittica è concentrata nelle aree vicine alla costa, dove il vento e le correnti marine consentono la produzione di fitoplancton e zooplancton, e quindi la produzione di cibo per la grande varietà di specie ittiche e per l’uomo. Tuttavia, le piane oceaniche potrebbero diventare la fonte più ricca di nutrimento umano, grazie all’invenzione di un “sistema galleggiante idroelettrico, dissalatore, estrattore di calcio e carbonio dalle acque marine profonde”. Questo sistema permette di desalinizzare, produrre energia e garantire al contempo un’abbondanza di pesce, portando in superficie una parte delle acque profonde, ricche di calcio e carbonio, disciolte da elevate pressioni idrostatiche. Questi impianti produrranno fitoplancton, zooplancton e alcalinità, contrastando anche l’acidificazione delle acque e il riscaldamento globale. In questo progetto sono stati incorporati tubi di polietilene estruso a coste, riempiti di polistirolo, per realizzare impianti inaffondabili. Naturalmente, dovranno essere realizzate anche isole galleggianti inaffondabili e strade di collegamento che serviranno a servire intorno a questi impianti. Pertanto, sebbene i sistemi di galleggiamento esistenti, utilizzati per la costruzione di cantieri navali marittimi, siano ancora validi, si dovrebbe cedere il passo a produzioni in serie su larga scala che possono essere realizzate solo tramite estrusione. Anche il trasporto via mare di questi tubi deve essere sostenibile ed economico, assemblando, nei cantieri navali, grandi strutture galleggianti e trasportandole in loco tramite rimorchiatori.
Descrizione
Allo stato attuale delle tecnologie, sebbene esistano valide tecnologie di galleggiamento con elementi modulari in polietilene accoppiati in direzione verticale e orizzontale mediante profili in acciaio zincato o inossidabile, questi moduli, realizzati per stampaggio, presentano un elevato costo di produzione. Possono essere utilizzati, così come sono, per realizzare case galleggianti, siti marini e lacustri, strade temporanee ecc. Ma per una serie di grandi utilizzi, come quello proposto per la realizzazione di un “sistema galleggiante idroelettrico, dissalatore, estrattore di calcio e carbonio da acque marine profonde” e l’attività indotta che ne deriverà, si considera molto più economica la seguente soluzione, che prevede di sollevare gli elementi galleggianti direttamente per estrusione, come la corrente di tubi in polietilene, con l’unica differenza che questi tubi saranno prodotti con nervature esterne perforate a intervalli regolari, in modo da poter essere accoppiati tra loro e alle strutture metalliche di contenimento o supporto, nelle varie composizioni possibili. Inoltre, all’interno dei tubi possono essere inserite delle nervature radiali in profili tubolari, montate su un asse tubolare centrale, disposte a intervalli regolari in funzione della profondità di immersione, certificate da un apposito rapporto di calcolo sulla resistenza del polietilene e del materiale metallico. Infine, i tubi saranno resi inaffondabili mediante un riempimento di schiuma di polistirene sinterizzato, che ha una massa volumetrica compresa tra 10 e 40 kg/mc, ed è quindi costituito in media dal 98% di aria e solo dal 2% di idrocarburo puro materiale strutturale. Pertanto, qualsiasi danno a un tubo galleggiante non causerebbe l’immediato riempimento d’acqua e l’affondamento, ma consentirebbe un ampio margine di tempo per riparare il danno o sostituire il tubo danneggiato. Mentre i tubi ottenuti mediante estrusione possono essere di qualsiasi lunghezza, per ridurre i costi, non è un’ipotesi azzardata realizzare gli impianti di produzione vicino al mare, assemblare i sistemi nei cantieri navali costieri adiacenti, rimorchiarli e trasportarli direttamente nell’area di lavoro finale, dove l’assemblaggio risulterebbe generalmente più difficile e costoso. Ma soprattutto, nel caso specifico del “Sistema galleggiante idroelettrico, dissalatore, estrattore di calcio e carbonio da acque marine profonde”, data la complessità e l’importanza del lavoro da svolgere, è preferibile che la piattaforma del sito, come rappresentata nella Fig. 1, venga assemblata in un cantiere navale con tutte le attrezzature di montaggio menzionate nella legenda (gru a ponte, cilindri idraulici, colonne di lavoro dei verricelli elettrici) e trasportata in loco mediante un rimorchiatore.
FIG.1
La Figura 1 mostra il punto di partenza, ovvero il cantiere di costruzione del galleggiante da cui nasce un “sistema galleggiante idroelettrico, di desalinizzazione, di estrazione di calcio e carbonio da acque marine profonde”. Questo impianto per estrarre il calcio e il carbonio disciolti dalle elevate pressioni idrostatiche presenti nelle acque profonde deve raggiungere una profondità di oltre 4000 metri. Ipotizzando di realizzare un sistema che arrivi a 6000 metri, con tubazioni in acciaio Dn 1400 dal punto di vista della resistenza meccanica, le due tubazioni parallele per i 6 km di lunghezza Dn 1400 che servono a realizzare il sistema possono essere della serie API 5LX, grado X 70 con uno spessore di 10,31 mm, in acciaio con le seguenti caratteristiche: Ks = 70.000 psi = 49,2 Kg/mm2; Kr = 82.000 psi = 57,6 Kg/ mm2 . L’acqua marina ha una densità di 1.025 kg/L, quindi a 6.000 m di profondità esercita una pressione sul fondale pari a 6.150 m di colonna d’acqua (1.025*6.000) = 615 kg/cm² = 6,15 kg/mm² . Pertanto, la sollecitazione che l’acqua esercita sul materiale delle tubazioni è molto inferiore al limite di snervamento minimo. Ciò significa che i tubi non possono deformarsi se sono pieni d’acqua, pur avendo uno spessore minimo. In realtà, il problema da risolvere sono le sollecitazioni dovute al peso. Si consiglia di utilizzare tubi di alta qualità con spessori ridotti. Il tubo X 70 Dn 1400 preso in considerazione ha lo spessore minimo della serie (10,31) e pesa 358,73 kg/m, quell’aumento del 15% per tenere conto delle flange, dei rinforzi, ecc., il carico totale diventa (12.000*358,7*1,15) uguale a kg 4.950,474, sottratto della spinta idrostatica verso l’alto, uguale a (4.950,474*1,05/7,8) pari a 666,410 Kg, sottratto della spinta idrostatica verso l’alto, uguale a 92,096 mm 2 (1,422,4*3,14*10,31*2) che avrebbe una sollecitazione massima nei tubi posti in alto (che supportano l’intero carico) di 40,91 kg/mm2 (3,767,710/92,096).
Non esiste al mondo una gru in grado di sostenere un peso di quasi quattro milioni di kg; pertanto, per poter costruire l’impianto di estrazione di calcio e carbonio dalle profondità marine, è necessario disporre di una piattaforma di cantiere temporanea con le attrezzature di montaggio necessarie per la posa dei tubi. Al centro di questa piattaforma si trova il foro di immersione (ih), di dimensioni tali da contenere i cilindri di sollevamento (hc) con una corsa utile di 6 m, che saranno montati su una gru a ponte (bc) con tre paranchi, che servono per il montaggio e il trasporto verticale di tubi lunghi 12 m, della relativa struttura portante (SSBC) con i telai su più piani di supporto (tcswr). Ogni piano contiene un verricello elettrico con la relativa fune (sr). In questo modo i tubi vengono calati in profondità mentre vengono montati e la struttura finale viene supportata simultaneamente dall’alto e dai quattro lati della piattaforma. I punti di sospensione laterale aumentano con l’aumentare della profondità di immersione, sia per sostenere il carico, sia per contenere le sollecitazioni laterali dovute alle correnti oceaniche, sia per contenere la sollecitazione di trazione unitaria dovuta al peso dei tubi. Le flange, visibili dai disegni, saranno saldate poiché le sezioni dei bulloni rappresentano un punto debole nella resistenza alla trazione. Le flange sono di un tipo speciale, utilizzate come barre di supporto per la discesa dei tubi (dt-ut), per collegare i tiranti e la fune di trazione (sr). Mentre il peso lineare dei tubi in acqua con flange e tiranti è stimato in circa 314 kg (3767710/12000), ogni barra di tubi da 12 m, inclusi gli accessori, pesa circa 3768 kg. Pertanto, se realizziamo un collegamento alla piattaforma ogni 60 m di profondità con funi di 30 mm di diametro, il carico di rottura totale di 218.700 kg (3 x 72.900) supporta l’intero peso di 60 m (18.400 kg) con un fattore di sicurezza di 11,6 senza considerare il carico supportato dal tubo stesso, che, come abbiamo visto, comporta una sollecitazione di trazione di 40,91 kg/ mm² .
Come si evince dalla Fig. 1, la struttura galleggiante utilizza un sistema idraulico per il movimento verticale della colonna di tubi (dt) e (dp), costituito da due cilindri idraulici verticali a semplice effetto (hc) con una corsa di circa 6 m, che, scaricando l’olio idraulico nel serbatoio dell’unità idraulica (othcu), abbassano gli steli dei cilindri e abbassano l’intera colonna di tubi man mano che vengono assemblati e montati anche i tiranti con l’ausilio della gru a ponte (bc) e del ponteggio (ls). Le condotte saranno preassemblate in fabbrica con flange di supporto di 12 m, elementi verniciati con cicli di resina epossidica internamente ed esternamente, lasciando non verniciati solo i bordi da saldare in loco per essere verniciati in loco con lo stesso ciclo. I tiranti saranno zincati a caldo. La discesa dei tubi sarà assemblata posizionando la colonna sulle staffe (hcb) montate sul telaio (sf) situato attraverso il foro di immersione (ih). Il telaio (sf) è azionato da cilindri idraulici (hc) incorporati nella struttura del foro di immersione (hi). Le staffe (hcb) sono dimensionate per l’intero carico portante (3.767.710 kg). Si presume di lavorare con una pressione di 250 bar per sostenere tutti i carichi durante l’assemblaggio. La sezione di ciascun cilindro sarà di circa 7535 cm² (3.767.710 / 2 * 250), che corrisponde a un diametro interno di 98 cm. Una gru a ponte con tre paranchi con capacità idonea al sollevamento dei tubi di alimentazione e degli elementi di rinforzo per l’assemblaggio e la calata in mare con l’ausilio di un soppalco (ls) che consente di lavorare su due livelli. Per ridurre lo stress dovuto al peso dei tubi stimato sopra, sono stati previsti tre cavi (sr), (già menzionati sopra) che collegano le singole barre dei tubi alla piattaforma galleggiante (sbp). Queste funi (sr) provenienti dagli argani contenuti nei telai multipiano (tcpwr) disposti sul perimetro esterno della piattaforma galleggiante superiore, percorrono la proprietà ed entrano nel foro di immersione (ih) e gli occhielli con moschettoni sono sovrapposti al perimetro del foro di immersione su corrispondenti sei pioli, secondo l’ordine di immersione che deve avere nella discesa dei tubi. Infatti, ogni sessanta metri (pari a 5 barre di tubi), sei funi si agganceranno alle flange scanalate, tre per ogni tubo, mentre il lato interno sarà collegato ai tiranti (br). Pertanto, avremo n. 600 postazioni di lavoro di argani (6000/60 * 6) 150 disposte su ciascun lato della piattaforma (sbp) con gli occhielli già portati vicino al foro di immersione. Non essendo possibile avvolgere l’intera fune su un solo argano, ogni telaio (tcpwr) porta più argani sovrapposti. Quando si esaurisce, la fune di un verricello viene rilasciata e collegata al verricello con elementi di giunzione del piano inferiore, fino a quando l’intera struttura non si esaurisce e viene sostituita. Le funi che partono dalla periferia della piattaforma (mftp -sdp) non servono solo ad alleggerire la trazione assiale dei tubi ma anche a controventare l’intera colonna in tutte le direzioni. Ovviamente,Anche le ancore di tipo navale (na) possono essere calate con stazioni di verricelli (tvpwr) situate alla periferia della struttura galleggiante. Una volta completato l’assemblaggio, la struttura sosterrà il carico con staffe di fissaggio (cb) (a tale scopo l’ultima barra di tubazione sarà flangiata con un numero sufficiente di bulloni) e sarà fissata stabilmente attraverso i terminali delle 600 posizioni dei verricelli sulla periferia della struttura. Dopo la posa, i tubi che scendono sul fondale marino vengono fissati in modo permanente alla struttura metallica della piattaforma, dopo lo smontaggio di tutte le attrezzature di costruzione, al posto delle quali viene installato l’impianto di desalinizzazione.
Legenda della Fig. 1: (apos) fondale oceanico abissale; (bc) gru a ponte; (bcb) controventatura a staffa; (br) controventatura; (cb) staffe di serraggio; (dt) tubo di discesa; (f) filtro; (fsp) flangia per tubo di supporto; (hc) cilindro idraulico; (hcb) staffe di serraggio idrauliche; (hcbf) staffe di serraggio idrauliche fissate sulla piattaforma di base di supporto; (ih) foro di immersione; (itia) turbina intubata con alternatore incorporato; (ls) soppalco in acciaio; (mftp) tubo galleggiante modulare in polietilene; (na) ancora navale; (osip) pompa intubata sommergibile rovesciata; (othcu) serbatoio dell’olio e unità di controllo idraulica; (sbp) piattaforma di base di supporto; (sfep) terminali flangiati speciali; (ssbc) struttura di supporto della gru a ponte; (tvdwi) presa d’acqua profonda Venturi a strozzamento; (tcpwr) telaio trasportabile con numerosi verricelli elettrici per la discesa delle funi; (ut) tubo in salita; (wl) livello dell’acqua.
Sebbene il calcolo preciso dei pesi dei tubi da sostenere e del sistema di desalinizzazione finale sia accurato, l’immersione della piattaforma definitiva segna solo la fine dell’assemblaggio di tutti i tubi sospesi che scendono nelle profondità oceaniche, dopo lo smontaggio della struttura dell’impianto e il suo montaggio al suo posto. Per ottenere la struttura finale del pavimento galleggiante della piattaforma, una percentuale dei supporti dei tubi galleggianti sovrastanti verrà riempita con aria compressa alla massima pressione operativa prevista per l’immersione. Al termine dei lavori, tramite un raccordo filettato con valvola di bypass, l’aria potrà essere sostituita con acqua, qualora la piattaforma debba essere immersa ulteriormente. Se la piattaforma deve risalire, alla struttura dovranno essere aggiunti altri elementi modulari galleggianti.
Non ci addentreremo nei dettagli del processo di fabbricazione dei tubi, ma ci limiteremo a identificare la tecnologia di produzione, poiché l’estrusione occupa una posizione di rilievo per versatilità e ampiezza di applicazione. La tecnologia di estrusione è un’operazione che si svolge in modo continuo e stazionario per produrre diversi tipi di manufatti caratterizzati da sezioni simmetriche o asimmetriche che si ripetono identicamente lungo l’asse di estrusione. In sostanza, la produzione di un tubo in polietilene è molto semplice. Una linea di produzione di un tubo in polietilene è costituita da una tramoggia di carico dei granuli di materiale polimerico che alimenta un estrusore, il quale è costituito da una pompa a vite che ruota, con un accoppiamento molto preciso, all’interno di un cilindro riscaldato. Tra il cilindro e il nucleo della vite si trova il materiale fuso da estrudere, che viene poi forzato attraverso una testa di estrusione. Il materiale fuso ruota a una velocità inferiore rispetto alla vite, viene quindi spinto in avanti dalle creste della filettatura della vite e poi forzato attraverso la testa di estrusione. Avendo previsto di realizzare un tubo con nervature perforate che servono per il rinforzo del tubo e per i raccordi, i fori devono essere realizzati mediante punzonatura della parte superiore dell’ingresso nella testa di estrusione, quando il materiale è ancora plastico, in sincronia con un eventuale rallentamento della velocità di avanzamento del materiale nella testa di estrusione. Non importa se per esigenze di lavorazione si produrranno delle scanalature anziché dei fori. La funzione che devono svolgere i fori o le scanalature è identica.
Di seguito le caratteristiche principali di un tubo in polietilene a bassa e alta densità (LDPE) (HDPE)
Peso specifico a 23 gradi C. (g/cm³) 0,917 – 0,925 0,95 – 0,96
Punto di fusione cristallografico ( ° C) 105 – 115 125 – 135
Resistenza alla trazione (kg/cm² ) 80 – 170 250 -350
Allungamento a rottura (%) 400 – 650 100 – 300
Rigidità flessionale (kg/cm² ) 800 – 900 9.000 – 12.000
Considerando che i tubi in polietilene per il galleggiamento devono avere dimensioni sufficientemente grandi per svolgere la loro funzione, possono essere utilizzati, in parte, anche come condotti di discesa e risalita per l’estrazione di calcio e carbonio dalle profondità oceaniche. Infatti, se confrontiamo la resistenza alla rottura del tubo (HDPE) da 250 kg/cm² = 2,5 kg/mm² con quella dell’acciaio Bees 5LX che ha un carico di rottura di 57,6 kg/mm² , possiamo affermare che l’acciaio è ventitré volte più resistente del polietilene ad alta densità, ma considerando che i tubi in polietilene sono prodotti con spessori almeno quattro volte superiori a quelli dell’acciaio, possiamo dire che la differenza di resistenza si riduce a circa 5,75 volte.
Ma mentre la sollecitazione statica può essere raddoppiata anche nell’acciaio senza seri problemi, possiamo affermare con certezza che un terzo della profondità di 6000 m, considerando l’esempio di installazione in questione, può essere raggiunto con tubi in HDPE, alleggerendo di un terzo il carico da sopportare, essendo i tubi in HDPE più leggeri dell’acqua.
Inoltre, mentre il polietilene è un polimero sintetico a base di carbonio, non è raccomandato per l’uso con le alte pressioni che potrebbero portare a fenomeni di dissoluzione della molecola sintetizzata. Nel caso di utilizzo di tubi in HDPE come tubi di discesa e risalita nei tubi dei sistemi di estrazione di calcio e carbonio in profondità oceaniche, il passaggio dall’acciaio al polietilene si realizza mediante un giunto flangiato e tutto il carico assiale dovuto al peso dei tubi nell’acciaio sottostante deve essere supportato dai verricelli periferici della piattaforma (tcswr) e non dai cilindri idraulici centrali (hc), anche durante la fase di assemblaggio. Le robuste nervature dei tubi, progettate per il montaggio delle soluzioni galleggianti, saranno utili anche per questo utilizzo, sia per il supporto, sia per l’irrigidimento laterale. Per l’utilizzo dei tubi come galleggianti, era previsto il rinforzo interno degli stessi mediante un modello radiale di acciaio strutturale, con sei raggi, coincidenti con le nervature esterne, dove verranno applicati carichi e collegamenti meccanici. La raggiera sarà montata e fissata su un asse tubolare e fissata con viti a mordente sullo stesso, mentre la parte periferica dei raggi è tenuta insieme da una fascia di lamiera calandrata. Nella Fig. 2 si riporta la sezione tipo di un tubo di galleggiamento.
FIG. 2
Legenda Fig. 10: (1) tubo in polietilene diametro esterno 1500 mm, spessore 30 mm; (2) nervatura esterna del tubo in polietilene 80×30 con fori di montaggio; (3) lamiera calandrata 100 * 5 mm diametro esterno 1434; (4) tondo in acciaio diametro 20 mm; (5) tubo a foro liscio diametro 70 mm, polmone 80, spessore 3 mm; (6) tubo a foro liscio diametro 60 spessore 3 mm, lunghezza pari al tubo 1.
Come già accennato, i tubi di galleggiamento, data l’importanza che assumeranno, dovranno essere certificati sia per il materiale esterno in polietilene a bassa o alta densità, sia con calcoli relativi ai rinforzi interni, al fine di individuare anche il pescaggio massimo degli stessi. Inoltre, dopo il montaggio dei rinforzi, i tubi interni verranno riempiti con polistirene espanso e, dopo l’evaporazione del gas di espansione, definitivamente sigillati con piastre circolari in polietilene saldato. Il polistirene espanso non aumenterà la resistenza meccanica dei tubi, ma impedirà l’ingresso dell’acqua in caso di rottura per un lungo periodo, consentendo la riparazione del danno senza pericolo di affondamento.
Il polistirene espanso sinterizzato (EPS) deriva dal polistirene (chimicamente chiamato PS), una delle principali materie plastiche derivate dal petrolio. L’EPS è un materiale espanso leggero e rigido, derivato dal petrolio e composto esclusivamente da atomi di carbonio e idrogeno. Ha una struttura a celle chiuse in grado di trattenere l’aria al suo interno. Il polistirene compatto è un materiale rigido, incolore e trasparente che trova applicazione soprattutto nell’imballaggio e in quei settori che richiedono un polimero facilmente lavorabile, trasparente e con buone prestazioni termomeccaniche. L’EPS è una delle forme più importanti in cui viene impiegato il polistirene. Per ottenerlo, si fonde un agente espandente nel polistirene (comunemente pentano) e lo si tratta con altri additivi per conferirgli resistenza al fuoco. Il prodotto si presenta sotto forma di granuli (perle) dall’aspetto vetroso, di granulometria variabile (da 0,3 a 2,8 mm) a seconda dell’uso previsto.
L’espansione, ovvero il processo chimico-fisico che porta alla formazione di “granuli” di polistirene, avviene mediante l’apporto di energia al polistirene espandibile – la materia prima – senza l’utilizzo di CFC. Mettendo a contatto i granuli così ottenuti con vapore acqueo a temperature superiori a 90 °C, il pentano in essi contenuto si espande, provocando un aumento del loro volume iniziale fino a 20-25 volte e formando al loro interno una struttura a celle chiuse che trattiene l’aria e conferisce al prodotto le sue eccellenti proprietà di isolamento termico. Per ottenere l’EPS è necessaria un’ulteriore operazione chiamata “sinterizzazione”, che consiste nel processo di saldatura e compattazione dei granuli di polistirene espanso; questo processo avviene sottoponendo nuovamente i granuli all’azione del vapore acqueo che li unisce tra loro, formando innumerevoli articoli: blocchi di diversi metri, stampati mediante un processo termoplastico a “iniezione”, ecc. Per conferire ai prodotti le precise caratteristiche tecniche, vengono aggiunti diversi additivi. Come idrorepellente si utilizzano gli stearati. Il polistirene espanso sinterizzato ha una densità generalmente compresa tra 10 e 40 kg/mc ed è costituito in media dal 98% di aria e solo dal 2% di materiale idrocarburico strutturale puro. Il pentano utilizzato per l’espansione evapora al termine del processo in cui, contrariamente a ogni stereotipo, non vengono utilizzati clorofluorocarburi dannosi per lo strato di ozono.
Caratteristiche tecniche:
La densità del polistirene espanso è compresa tra 0,02 e 0,06 g/cm³.
Il polistirene termoplastico è fisiologicamente innocuo ed è autorizzato per l’imballaggio di prodotti alimentari. Lo stesso vale per il materiale termoisolante. Nella produzione di EPS non vengono utilizzati, né sono mai stati utilizzati, clorofluorocarburi (CFC), dannosi per lo strato di ozono che circonda la nostra atmosfera. L’EPS non ha valori nutrizionali in grado di sostenere la crescita di funghi, batteri o altri microrganismi, quindi non marcisce né ammuffisce. L’EPS non costituisce cibo per alcun essere vivente. La schiuma non brucia ad alta fiamma, ma si ammorbidisce tra 95 °C e 230 °C rilasciando prodotti di decomposizione infiammabili; tra 450 °C e 500 °C si incendia spontaneamente. Dalla combustione del polistirene si formano gas dall’odore acre (CO, stirene, benzene, toluene, agenti antifiamma) che, tuttavia, non sono tossici, ad eccezione del CO.