PROPONGO I DATI TECNICI E UNA DESCRIZIONE DEL PROCESSO DI FABBRICAZIONE DEI TUBI ROTONDI SALDATI ERW, CON CERTI DETTAGLI CHE PUÒ CONOSCERE E AI QUALI PUÒ DARE RILIEVO SOLO CHI HA LAVORATO IN UN IMPIANYO DEL GENERE.
SAREI ORGOGLIOSO DI QUESTO ARTICOLO SE QUALCHE STUDENTE DI INGEGNERIA MECCANICA O SIDEURGICA PRENDESSE SPUNTO DA QUESTO PER LA SUA TESI DI DOTTORATO, nobilitando e arricchendo queste mie rozze e povere note empiriche.

SOMMARIO

Questo articolo contiene, oltre a un 'incipit' di storia dell'autore un insieme di nozioni tabelle e dati ingegneristici utili esposti nel modo più semplice possibile, a partire da un sagomario tipico.
Successivamente si spiega come funziona il processo di fabbricazione nelle sue fasi principali nella gamma di produzione possibile per questi tipi di tubo a profilo rotondo.

Si passa poi a illustrare una per una le fasi principali del processo

1. il caricamento delle bobine di nastro sulla linea, la calandratura per il raddrizzamneto della lamiera e la preparazione dei bordi longitudinali
   
   
2. la formatura e la saldatura con le quali viene generato il cosiddetto 'tuboide' cioè un tubo non calibrato di forma non regolare.
   In questa fase si spiega come si calcola la 'calibrazione', che consiste nell'imposizione di una sufficiente compressione del profilo del tuboide che genera una deformazione permanente tale da di ottenere il tubo vero e proprio, eliminando le irregolarità di forma e portandolo alle previste dimensioni nominali, con le tolleranze di lavorazione previste dalle norme. Si spiega in particolare:
   • come avvengono le deformazioni durante la formatura per arrivare a calcolare la larghezza della lamiera rifilata, la cui corretta determinazione garantisce che la misura della calibrazione sia quella stabilita e avvenga come previsto e senza difetti.
   • come sul bordo debba essere praticato il cosiddetto 'cianfrino' cioè un taglio con profio inclinato - durante la fase di rifilatura e in funzione dello spessore e del diametro. Quando il rapporto tra spessore e diametro è oltre un certo limite questo serve a garantire l'accoppiamento delle facce dei bordi della lamiera.
     
     
3. La saldatura. Questa operazione richiede un paragrafo a parte per la definizione di 'apporto termico', il calcolo della potenza del dispositivo di saldatura, e il metodo per regolare il dosaggio della potenza ell'apparato con la velocità di avanzamento.
   
   
4. I dati per La regolazione del dispositivo per la calibrazione. Duranta la calibrazione, la quota dei rulli deve tener conto del ritorno elastico derivante dalla calibrazione stessa.
   
   
5. La finitura. Si accenna ai controlli di corrispondenza alla norma prestabilita le prove non distruttive, (RX,US,prova idraulica); in alcuni casi è stata richiesta a campione una prova distruttiva: la prova di scoppio.

Il tutto è accompagnato da numerose tabelle di dati, di relazioni per i calcoli, di foto e schizzi illustrativi.

DISCLAIMER

ATTENZIONE: nella seconda metà del secolo XX ho personalmente operato in un tubificio ERW e steso le pratiche operative insieme a personale del loro controllo qualità. Tengo però a precisare che i numeri e i dati che fornisco qui sono puramente indicativi .
Pertanto chiunque dovesse usare i dati e le informazioni di questo articolo lo farebbe esclusivamente sotto la sua personale responsabilità. Rimango comunque a disposizione per CONSIGLIARE a chi lo volesse eventuali interventi correttivi su impianti già operativi.

I TUBI ERW: cosa, dove, come, quando

Trattare di questo tipo di materiali, cioè dei tubi IN ACCAIO MICROLEGATO A BASSO TENORE DI CARBONIO (0,01%) MG E IMPUREZZE (S+P <0,005%), saldati longitudinalmente a resistenza o con LASER, serve e ricordarmi delle esperienze dirette che ho fatto in due occasioni.
È passato tanto tempo da quelle esperienze, ma penso che sia comunque utile esporle per aiutare chi ne avesse bisogno a capire bene il processo. Infatti anche se attualmente le linee di produzione sono o possono essere automatizzata e controllata tramite sistemi digitali, la parte meccanica non cambia molto, e conoscere può aiutare a migliorare.
Dato che per esperienza direta nella progettazione di sitemi mi intendo anche di sistemistica, potrei anche indicare cosa e come installare per avere un sistema completo di controllo di produzione e di manutenzione, che non sia meramente informativo ma serva anche per la gestione tecnica di impianto.
Un sistema simile l'ho pensato e negli anni '80 ne ho promosso e seguìto la realizzazione a Taranto per la manutenzione di tutto lo stabilimento. Ho iniziato qualcosa di simile anche a Terni negli anni '90 per la manutenzione e l'esercizio della divisione degli acciai magnetici della AST Terni, appunto.
Con questo articolo spiego:

• COSA SONO I TUBI ERW (Electric Resistence Welded) cioè i tubi saldati a resistenza elettrica e come avviene il processo che dal COIL porta al tubo finito. (I coils sono bobine di nastro in acciaio laminato a caldo, e poi eventualmente laminato a freddo e ridotto di spessore, tagliato a misura in larghezza e ri-avvolto) .
• I RISULTATI DELL'ESPERIENZA.
  SONO TRASCORSI MOLTI DECENNI DA QUANDO, SU INCARICO DELLA DIREZIONE, HO PREPARATO LE PRATICHE OPERATIVE DI FABBRICAZIONE PER IL TUBIFICIO EX DALMINE DI TARANTO, CHE AVEVA PROBLEMI DI QUALITÀ.

Figura 1: Vista dell'area ghisa del 4º centro siderurgico ITALSIDER

Fui interessato alla ex Dalmine nel 1972, quando occupandomi di ingegneria di produzione e in particolare della saldatura longitudinale automatica ad arco sommerso con 3 elettrodi a filo da 50 KVA max per elettrodo, lavoravo al tubificio a saldatura longitudinale nº 2 di Taranto - allora detto TUL2 - e anche al tubificio più piccolo - il primo che fu costruito nel 1964, allora detto TUL1.
Per inciso, usando le lamiere prodotte dai due treni di laminazione, il TUL2 produceva tubi di grande diametro da 42" fino a 56" e spessore fino a 35mm secondo le norme A.P.I. e il TUL1 TUL1 - quello più piccolo che entrò in funzione nel 1964 - e che produceva tubi di diametro compreso tra 18" e 48".
Sempre per inciso, il 1964 fu l'anno quando a Taranto e dintorni si toccò il cielo con un dito per il lavoro e la ricchezza che la costruzione del 4º centro siderurgico aveva portato in città e dintorni.
L'impianto più grande fu avviato per la prima volta proprio in quell'anno 1972, costruito appositamente e a tempo di record per fabbricare 3 milioni di tonnellate di tubi da 56" x 17,5mm qualità A.P.I. X60 - la quota attribuita all'Italia - che poi sono stati installati per portare in Europa il metano della Siberia.
Poiché del TUL2 non ho trovato fotografie, metto una foto del primo tubificio.

PROBLEMI DI QUALITÀ ALLA EX DALMINE NEL 1972

In quell'anno 1972-73 fu anche completata la gamma dei tubi da produrre con l'ex Tubificio ERW della Dalmine, diretto allora dall'Ing. Andò, che con il cambio di gestione ebbe problemi di qualità, attribuiti alle bobine di nastri d'acciaio (coils a caldo).
Di fatto i tecnici gestori dell'impianto si scaricavano della responsabilità attribuendo i problemi alle scarse caratteristiche qualitative del materiale prodotto dall'Italsider.
I responsabili della qualità dell'Italsider fecero allora notare che le caratteristiche qualitative dei 'coils' erano le migliori possibili sia in termini di analisi chimica dell'acciaio - acciai microlegati a basso tenore di Carbonio, e bassissimi di S e P e impurezze - sia in termini dei valori e omogeneità delle caratteristiche meccaniche e dimensionali dei nastri.
Inoltre si fece notare che i parametri di lavorazione non erano codificati in precise pratiche operative, e che la larghezza della lamiera e l'assetto dell'impianto fino ad allora erano fissati di volta in volta sulla base dei risultati consuntivi di produzione di ordini di tubi fabbricati in passato.
Poiché per questi fatti c'erano stati problemi - particolarmente in caso di lotti mai prodotti in termini di diametro spessore e qualità di acciaio - il nuovo direttore chiese all'Italsider di preparare le 'pratiche operative' che codificassero il set-up degli impianti.
Le cosiddette 'pratiche operative' sono l'insieme di istruzioni scritte destinate a servire da guida per determinare le caratteristiche dimensionali dei coils e l'assetto delle macchine della linea nelle varie fasi di produzione; tra le altre cose servono per fissare la percentuale di calibrazione da impostare in funzione di diametro e spessore del tubo, e del tipo di acciaio e di conseguenza per fissare la larghezza della lamiera.
Per risolvere il problema coinvolsero me, che ora scrivo questo articolo. Mi ero studiato l'i mpianto e avevo all'epoca già prodotto il 'sagomario' del Tubificio Longitudinale nº 2 di nuova costruzione, e anche una parte delle pratiche operative di assetto dell'impianto determinando anche i parametri di saldatura e i materiali da usare per la saldatura stessa.
I miei studi e i materiali che avevo reperito sul mercato permisero alla società l'aquisizione al TUL2 dell'ordine EKOFISK per il petrolio del mare del Nord, che chiedeva requisiti severissimi sulla resilienza delle saldature, e per il quale preparai personalmente un camnpionamento di 12 tubi, che mi costò 72 ore consecutive di lavoro e di presenza sull'impianto, che quasi mi misero KO . Ma allora ero giovane...

Per le mie capacità riconosciute dalla direzione, ebbi l'incarico di osservare il processo ERW della ex Dalmine, per individuare, spiegare e risolvere i problemi di qualità della produzione, dovuti agli errori di determinazione della larghezza e della esecuzione della saldatura che causavano problemi di saldatura e tensioni interne dei tubi formati e anche anomalie dimensionali. Mi dedicai allora a risolvere i problemi della linea, eseguire prove meccaniche, e preparare i dati per stendere le 'pratiche operative'.

Una seconda occasione mi capitò molto più tardi a Canton (Guangzhou, Rep popolare Cinese) nel 1995, quando il responsabile del tubificio FALK di Canton - credo fosse il cognato del patrón della Falk il quale partecipava al mio seminario, mi vedete in foto insieme al rettore professor Li Bao Wen - mi invitò al suo albergo per un aperitivo, e mi parlò dei problemi di fabbricazione e di qualità che aveva al tubificio locale.
Forse sperava che mi offrissi per una consulenza gratuita; allora non mi sono offerto spontaneamente perché aspettavo che me lo domandasse esplicitamente, ma lui non lo fece.
Dato che allora lavoravo come 'foreign-expert' a Canton, cioè all'Università (GuangZhou Ta Shoue) per conto dell'ICU, gli dissi che se aveva bisogno di una consulenza per risolvere le sue difficoltà si sarebbe dovuto rivolgere al Rettore Prof. Li Bao Wen. Il quale poi l'avrebbe richiesta a me.
Ma non se ne fece più nulla. A proposito, qui sono accanto al prof. Li Bao Wen - quello in camicia in piedi a sinistra - e a due cooperanti italiani - sulla destra - mentre tengo il mio seminario sulla manutenzione degli impianti, e sulla ingegneria della manutenzione.

IL PROCESSO DI PRODUZIONE ERW

Figura 2 = schema semplificato del processo di fabbricazione

In questo semplice schema che serve per capire come funziona il processo nelle fasi principali, mancano alcuni dispositivi che aggiungo nella descrizione. Le fasi del processo sono:

LO SVOLGIMENTO DEI COILS-LA PREPARAZIONE BORDI-LA SALDATURA TESTATE.
Il rotolo di lamiera detto COIL o 'rotolo' o 'bobina' viene pre-lavorato tagliato a misura in larghezza ed eventualmente rilaminato a freddo, e viene caricato sulla linea, nell'aspo svolgitore.
Nel tubificio reale prima o dopo la preparazione dei bordi longitudinali con un dispositivo che serve a rifilarli e a prepararli alla saldatura, ottenendo la larghezza esatta della lamiera, in un tratto abbastanza lungo, che qui sopra non è raffigurato, tre dispositivi che servono per non arrestare la produzione quando finisce un coil e se ne deve caricare un altro:

• una calandra a rulli che serve a raddrizzare a freddo la lamiera del rotolo (o bobina, o coil) che parte ovviamente deformata, in quanto avvolta in senso longitudinale.
  
  
• un carrello che si può muovere avanti e indietro attorno al nastro in movimento e serve per preparare alla saldatura rifilando il bordo sulla coda del nastro che sta terminando e la testa del nastro successivo.
  
  
• un carrello come il precedente o ad esso solidale che serve per saldare la coda e la testa di cui sopra mentre il nastro è in movimento. In questo modo la produzione non si arresta, si risparmia tempo e molti problemi dovuti al transitorio. Si arresterà la produzione solo nel caso di un cambio spessore o di diametro del lotto di produzione. Ma la cosa più importante dell'intero processo è stabilire la larghezza della lamiera grezza e di conseguenza quella della lamiera rifilata.

Sono possibili produzioni di tubi con diametri esterni (NORME A.P.I.) e spessori intermedi diversi da quelli tabellati qui di séguito. I numeri su sfondo più scuro o quelli in rosso sono generalmente fuori sagomario.

SAGOMARIO GENERICO TIPICO DEI TUBI ERW (Diametri esterni ed interni)

Tabella 1: sagomario generico di tubi ERW

La preparazione dei bordi della lamiera serve a ricavare un cianfrino dalla forma adatta a far combaciare i bordi in saldatura e a ridurre il sovramentallo dovuto alla compenetrazione, come vedremo in seguito. La rifilatura deve essere tale da eliminare eventuali difetti di rettilineità del nastro che causano difetti di rettilineità sulla lunghezza del tubo, e a portare a misura esatta la larghezza.

Il carrello sul quale avviene la saldatura della testata del nastro che sta terminando e di quello nuovo si muove insieme al nastro per non interrompere la produzione. Contiene un dispositivo che permette la squadratura della testata rispetto all'asse longitudinale della linea, cioè il riferimento dimensionale anche per la rifilatura della lamiera.<

CONFORMITÂ DEL PRODOTTO

Per accertarsi che il prodotto sia conforme alle tolleranze dimensionali previste dalla specifica tecnica dell'ordine, che fa riferimento alle norme API o ad altre norme europee (DIN, ISO, etc ) o a quelle particolari del cliente, si rilevano:

   a) la circonferenza esterna del tubo (CRF)

  b) la ovalizzazione- cioè la massima differenza tra diverse misure di diametro su una circonferenza, rilevata con laser o apposite dime, in genere sulle due estremità di ogni tubo che dovranno essere saldate ad altre durante il montaggio della linea in campo;

  c) la rettilineità

  d) risultati dei controlli non distruttivi: prova idraulica sul 100%      dei tubi, ultrasuoni della saldatura al 100%, RX dei difetti;

  e) prove meccaniche : resilienza, trazione, durezza, prova di scoppio      a campione

in questo articolo propongo in seguito L'ALGORITMO PER CALCOLARE GLI SVILUPPI DOPO LA FORMATURA, LA PERCENTUALE DI CALIBRAZIONE E DUNQUE LA LARGHEZZA DI LAMIERA.

FINITURA

La finitura consiste nel tagliare i tubi alla lunghezza prestabilita e preparare le testate ad essere accoppiate. Segue poi la prova idraulica che prova la resistenza del materiale secondo le specifiche prefissate. Molti impianti hanno anche un settore che serve a rivestire i tubi internamente e/o esternamente con un rivestimento anticorrosione più o meno pesante. Oggi i rivestimenti sono applicati all'interno con resine di vario tipo - per lo più epossidiche - applicate a spruzzo, e all'esterno con fasciature in tessuti di resine e impregnati con resine. In certi casi il rivestimento esterno è montato durante la posa in campo.

La preparazione delle testate deve avere tolleranze abbastanza ristrette perché i tubi sono destinati ad essere montati in campo in diversi modi. Per esempio vengono saldati dall'esterno.
Per questo viene usato il cosiddetto 'maiale' cioè un carrello che dall'estremità libera del tubo arriva all'interno del tubo fino alla giunzione.
Il 'maiale' monta dei settori ad espansione che accoppiano perfettamente la testa del penultimo tubo con la coda dell'ultimo. Poiché le tolleranze sono stabilite dalle norme gli accoppiamenti ben fatti allineano perfettamente le testate dei tubi, e si può procedere alla saldatura esterna a laser o a filo ad arco sommerso o a gas.

1. TAGLIO DEI TUBI ALLA LUNGHEZZA PREFISSATA E PREPARAZIONE DELLO SMUSSO di testa (cianfrino).
   Oggi che la tecnologia laser offre la possibilità di effettuare tagli perfetti, il dipositivo di taglio a lunghezza del tubo calibrato lavora in movimento può essere costituito da una testa laser, come per la saldatura.
   Comunque sia qui il dispositivo di taglio è montato su un carrello che trasla alla stessa velocità del tubo. Terminato il taglio, il carrello ritorna indietro e si dispone per il prossimo taglio.
   
   
2. PROVA IDRAULICA.
   I Tubi passano poi alla prova idraulica, cioè vengono tutti sottoposti alla prova a pressione che causa sollecitazione del materiale prossima al carico di snervamento nominale del materiale del tubo.
   Ogni tubo - caricato nella macchina di prova - si riempie con una emulsione olio-acqua che viene portata e mantenuta in pressione per una certa durata. Pressioni e durata delle prove sono richiesti dagli standard (esempio le norme API) o dal cliente.
   
   Qui si possono avere dei problemi quando i tubi hanno rettilineità fuori specifica, e quando sono richieste pressioni di prova corrispondenti a sollecitazioni prossime allo snervamento. La combinazione di sollecitazioni cioè delle sollecitazioni composte possono causare una apparente non conformità alle caratteristiche meccaniche del materiale.

PUNTI CRITICI DEL PROCESSO DI FABBRICAZIONE.

• Determinazione della larghezza della lamiera del nastro.
  All'epoca in quel tubificio calcolavano la larghezza della lamiera rifilata in base al diametro allo spessore e al tipo di materiale empiricamente, in base ai consuntivi degli ordini passati. Non avevano una regola precisa. Ovvero i problemi erano stati causati dall'andata in pensione di qualche tecnico anziano che aveva maturato una sua esperienza, ma non l'aveva trasmessa sulla carta ai successori.
  
  
• Difetti di allineamento dei bordi da saldare.
  Anche i bordi da saldare pur costretti dai rulli laterali, non si presentavano a contatto. Quando i bordi interni dx e sx arrivavano a contatto rimaneva un gap di forma a 'V'.
  Nei tubi di spessore maggiore il gap è abbastanza grande e se non viene compensato provoca saldatura 'fredda' o difetti dovuti a ossidazione.
  Infatti le zone vicino ai bordi longitudinali della lamiera del tuboide non vengono deformate plasticamente, quindi le due facce opposte dello spessore non si accoppiano. Questo tipo di difetto si corregge in fase di preparazione laterale dei bordi nella parte iniziale del processo.
  Qualità del materiale e tensioni residue: non si teneva conto che le deformazioni in formatura variano con il carico di snervamento e l'incrudimento del materiale. Inoltre la laminazione dei colis avviene in lungo e non sul traverso, come tutti sappiamo, mentre nel caso dei tubi la formatura avviene suil traverso.
  Anche questo effetto provoca un comportamento apparentemente anomalo, che deve essere testato con le prove meccaniche.
  
  
• Regolazione delle saldatura.
  Allora non si poteva determinare l'apporto termico con sicurezza. Il sistema a induzione non era dotato di apparecchiatura di misura della potenza trasferita al tubo in funzione della velocità.
  Una ditta di Torino progettò e installò un sistema di loro invenzione e i problemi vennero risolti dosando correttamente l'apporto termico.
  
  
• Calibrazione del tubo.
  Non era ben chiaro come e di quanto dovesse variare in percentuale sul diametro.
  Per ogni tipo di acciaio le % di calibrazione possono/devono essere diverse, visto che il carico necessario a deformare plasticamente il materiale cambia con la resistenza alla deformazione e il tipo di materiale stesso.
  Tutti i parametri di lavorazione concorrono a determinare la larghezza di lamiera rifilata. che sarà dunque calcolata con una formula ben precisa, a partire da tabella di percentuali di calibrazione in funzione di diametro. spessore e tipo di acciaio.

All'epoca eseguii molte spezioni e rilievi dimensionali sull'impianto e parecchie prove di trazione sul lungo e sul traverso sul materiale dei coils, riuscendo a inquadrare i problemi. Fui anche in grado di determinare dei grafici che davano una correzione di larghezza in funzione dello spessore e delle qualità di acciaio.
Avrei voluto fare altre prove per sicurezza, ma il fatto che i laboratori dei tubifici erano saturi di lavoro non me lo permise.
Inoltre ero anche fortemente pressato - assillato direi - dal direttore di stabilimento ex Dalmine, assai spazientito e nervoso a causa dei problemi del suo impianto.
Prima ancora di avere dati sufficienti fui costretto a recarmi sul posto a dettare le pratiche operative ai loro tecnici del controllo della qualità. Il mio lavoro era così terminato a 30 giorni dall'incarico ricevuto.

Poichè non mi pareva di aver fatto niente di straordinario, temevo che l'aver tirato via nel determinare certi parametri a causa della mancanza di dati avrebbe causato qualche problema.
Ma l'impianto ex Dalmine cominciò a lavorare bene e senza difetti,anche aumentando considerevolmente la produttività, tanto che ricevetti vivissime congratulazioni sia dalla sede di Genova che dai miei superiori diretti.

Non ero abituato a ricevere tante attenzioni per cui ero un po' imbarazzato. Compensai mettendomi a lavorare con maggior impegno ai problemi da risolvere al tubificio Italsider di nuova costruzione.
C'erano infatti da individuare i motivi della scarsa tenacità della saldatura dell'ordine RUSSIA 56"x17,5 mm qualità di acciaio X60.
Per inciso, malgrado la resilienza minima fosse richiesta su provini Mesnager e non Charpy, il 'flusso' (cioè la polvere per la saldatura ad arco sommerso) fornito dai russi permetteva una notevole velocità di saldatura, ma dava valori insufficienti di resilienza, inferiori alla specifica del cliente. Mi par di ricordare che fossero richiesti 4,5kgm/cmq a -40ºC ma son passati più di 50 anni e non ci giurerei.
Comunque rimediai anche qui in poco tempo con una delle mie improvvisazioni originali non assenti certi colpi di fortuna.

Per chi non lo sapesse ecco altri tubi in acciaio di gamma e caratteristiche diverse prodotti da altri tubifici:

1. Tubi di diametro da 18"-56", usati per gasdotti ed oleodotti - prodotti da lamiere piane mediante il processo UOE (come quello dei tubifici di Taranto) o calandratura.
   
   
2. Tubi dei diametri suddetti che vanno fino a grandissimi diametri, dell'ordine di 100 pollici e spessori di olre 30mm, prodotti da tubifici a formatura elicoidale. (Spiral pipe mills) o per calandratura.
   
   
3. Tubi speciali e per altissime pressioni laminati a caldo con laminatoio Mannesman a partire da tondi forati.
   
   
4. Ho saputo che si stanno studiando produzioni di tubi per fusione diretta con sistemi di colata continua per acciai amorfi di altissima resistenza. E che ci sono anche altre tecnologie in progetto, ma le mie conoscenze sono ferme al giurassico del secolo XX.