Cavi per applicazioni critiche: una questione di tecnologia

I cavi impiegati in ambienti critici devono garantire prestazioni specifiche a seconda del grado di pericolosità. Per sviluppare questa tematica, abbiamo intervistato Luca De Rai, R&D Energy Products and Oil & Gas Director di Prysmian.

di Gabriele Modini

Con quasi 140 anni di esperienza, un fatturato di circa 7,5 miliardi di Euro nel 2015, oltre 19.000 dipendenti in 50 Paesi e 88 impianti produttivi, Prysmian Group è leader mondiale nel settore dei cavi e sistemi per energia e telecomunicazioni. Il Gruppo vanta una solida presenza nei mercati tecnologicamente avanzati e offre la più ampia gamma di prodotti, servizi, tecnologie e know-how.
La società opera nel business dei cavi e sistemi terrestri e sottomarini per la trasmissione e distribuzione di energia, cavi speciali per applicazioni in diversi comparti industriali e cavi di media e bassa tensione nell’ambito delle costruzioni e delle infrastrutture. Per le telecomunicazioni il Gruppo produce cavi e accessori per la trasmissione di voce, video e dati, con un’offerta completa di fibra ottica, cavi ottici e in rame e sistemi di connettività. Prysmian è una public company, quotata alla Borsa Italiana nell’indice FTSE MIB.
I cavi impiegati nei vari ambienti industriali devono garantire prestazioni specifiche a seconda del grado di pericolosità. Su questo tema, abbiamo recentemente intervistato Luca De Rai, R&D Energy Products and Oil & Gas Director di Prysmian. Di seguito riportiamo quello che ci ha raccontato.

Cavi per impianti offshore
Prysmian Group è attiva attivo soprattutto nella quasi totalità dei settori industriali, tra cui l’Oil & Gasnel comparto O&G. I cavi che richiedono le prestazioni più elevate sono quelli per impianti offshore, che prevedono materiali e design speciali. Ci sono, ad esempio, quelli che vengono utilizzati per l’estrazione del greggio, per l’alimentazione delle pompe sommerse nei pozzi, che vengono chiamate ESP (Electric Submerisble Pump) o DWP (Down Well Pump), cavi che sono collocati all’esterno del tubo di produzione, aggraffati ad esso mediante sistemi di ancoraggio fino a raggiungere il fondo del pozzo, dove è collocato il motore elettrico che fa funzionare la pompa delegata all’estrazione del greggio. Infatti, nei pozzi di petrolio esiste inizialmente una pressione sufficiente a spingere in superficie il prodotto, ma in seguito, quando la pressione naturale cala è necessario che l’estrazione del greggio avvenga con mezzi esterni. A volte, tali pompe vengono installate già all’inizio dell’estrazione, se il quantitativo estratto non è adeguato per le necessità delle lavorazioni a valle. Sempre nell’ambito dei sistemi DWPESP , Prysmian dispone dei cavi cosiddetti DHT (Down Hold Technology) che invece sono cavi destinati ad alimentare connettere gli apparecchi di strumentazione. Si tratta di cavi molto piccoli, in rame o fibre ottiche., Essi sono protetti da un tubo d’acciaio ad alta resistenza chimica come acciaio inox, resistente alla corrosione, poiché devono assicurare il funzionamento di apparecchi collocati in fondo al pozzo, quindi in condizioni decisamente critiche per quanto riguarda temperatura elevata e aggressione chimica. Quindi due famiglie di prodotti dedicati al “pozzo”.
Poi ci sono i cavi usati sulle piattaforme offshore, che vanno dalla piattaforma stessa al fondo del mare, i cosiddetti ombelicali, tubi flessibili, che servono a trasferire greggio in superficiecomandare le teste di pozzo o per iniettare nei pozzi fluidi destinati a facilitare l’estrazione del greggio, riducendone la viscosità. Altra funzione degli ombelicali, nell’ultima parte delllo sfruttamento del giacimento, è l’introduzione di acqua nei pozzi allo scopo di recuperare le quantità residue di greggio. Questa specifica produzione è effettuata in Brasile.

Specifiche richieste e materiali usati
Nel caso dei cavi offshore onshore prevale la specifica del cliente. Queste specifiche fanno riferimento per gli aspetti generali alle specifiche internazionali del settore (IEC, o meno frequentemente, le normative europee), successivamente sono invece adeguate alle condizioni operative del sito. Per quanto riguarda i cavi per la strumentazione di controllo, i materiali per l’isolamento – per la tipologia di cavo più corrente – sono prevalentemente polietilene bassa densità (LDPE) o polivinilcloruro (PVC),. Invece, quando si va sulle piattaforme offshore vengono usati quasi esclusivamente gli elastomeri reticolati. Infatti, sono necessari materiali che garantiscono prestazioni molto elevate, sia per la resistenza chimica che per la resistenza al fuoco. Vengono quindi adottati prevalentemente i copolimeri etilene/propilene (EPR) o i terpolimeri (EPDM). In alternativa, anche il polietilene reticolato (XLDPE).
Per quanto riguarda questo settore, la normativa internazionale di riferimento è la norvegese NEK 606 che copre sia la resistenza chimica, (in particolare agli oli e ai mud); che la resistenza termica, in particolare verso le basse temperature (comunque nell’intervallo da -40 a + 90 °C°); come anche al fuoco. Riassumendo, le due famiglie di cavi: offshore e onshore sono abbastanza distinte come prodotti, questi ultimi richiedono caratteristiche applicative relativamente semplici; infatti, per gli impianti onshore sono generalmente sufficienti materiali termoplastici, come il PVC.

Produzione dei cavi isolati
Per la produzione dei cavi isolati con polimeri reticolati, Prysmian dispone di macchinari specifici, detti “catenarie” in cui, in sequenza, avviene il rivestimento del conduttore con il polimero richiesto, e, successivamente, la sua reticolazione. La concorrenza meno qualificata, che non dispone di tali macchinari, pone sul mercato prodotti reticolabili mediante la tecnologia dei silani, che sono in grado di produrre una reticolazione in presenza di umidità. La produzione di questi cavi avviene con i comuni estrusori dei polimeri termoplastici. Gli investimenti per le strutture produttive sono sensibilmente inferiori, mentre sono invece più cari i materiali di partenza. La filosofia di Prysmian è di mantenere la struttura produttiva attuale, che permette di usare materiali polimerici meno costosi, e di sviluppare -– attraverso la propria struttura di ricerca – formulazioni in grado di ottimizzare i livelli prestazionali dei propri cavi.

Comportamento al fuoco
Un requisito molto importante per i cavi elettrici è il comportamento al fuoco. In tale ambito abbiamo vari gradi di qualità, Il livello qualitativo inferioreminimo è quello dei cavi non propaganti l’incendio; qui il requisito è semplicemente di non diffondere l’incendio da un luogo ad un altro, tramite il cavo stesso che dopo l’innesco continua a bruciare in tutta la sua lunghezza. Il livello successivo richiede che, durante la combustione, non si sviluppino gas nocivi. Sono i cosiddetti cavi LSOH (Low Smoke Zero Halogen). Infatti, la maggior parte delle morti negli incendi è dovuta alla inalazione di gas nocivi di natura acida.
È vitale evitare l’esposizione a questi gas per aumentare le possibilità di fuga degli individui.  Inoltre, i fumi devono avere la minima densità ottica, proprio allo scopo di permettere l’individuazione delle vie di fuga. Prysmian ha sviluppato una famiglia di cavi che accoppia una ridotta propagazione della fiamma e dell’incendio con bassissime emissioni di gas irritanti e corrosivi. Questi cavi danno più tempo per evacuare gli edifici e facilitano il lavoro delle squadre di intervento.  Il livello comportamentale più elevato è quello dei cavi effettivamente resistenti al fuoco. Questi cavi devono essere in grado di garantire il loro servizio in caso d’incendio, sia che si tratti di cavi destinati alla trasmissione di segnali che cavi destinati ad alimentare apparecchiature o sistemi di segnalazione di vie di fuga. ÈE’ importante il tempo di funzionamento garantito. Vi sono varie normative che prescrivono garanzia di durata da 30 minuti fino a 3 ore. Ci sono anche normative che prescrivono la resistenza a shock meccanici, per simulare l’effetto di cadute di oggetti. Alcune norme prevedono anche la possibilità di un intervento dei pompieri, e quindi la resistenza ad un getto d’acqua. Per quanto riguarda la resistenza termica si può arrivare a valori di 750-850 °C.
Per quanto riguarda gli impianti petrolchimici ci sono normative che prevedono la cosiddetta “curva di temperatura del fuoco da idrocarburi”, che prevede la salita di temperatura da 0 a 1.200 °C nell’arco di circa 2 ore. Il limite di 1200 °C tiene in considerazione il fatto che il rame fonde a 1060 °C; la prestazione del rivestimento deve essere funzionale a schermare l’interno del cavo in modo tale che il calore non sia mai tale da fondere il rame. Le prove più severe in assoluto sono le cosiddette “jet fire” che simulano l’effetto di un getto di gas in fiamma che investe il cavo. Qui si richiede una resistenza di almeno 30 minuti ad una temperatura di 1200 °C.

Resistenza chimica
Altra problematica importante è la resistenza all’aggressione chimica, Ciò riguarda le guaine. Nelle piattaforme offshore, nelle quali i cavi hanno limitazioni di percorso, si tende a delegare questa funzione a elastomeri speciali, che eccellono in questa funzione. Negli impianti on-shore In casi estremi è necessario ricorrere a guaine metalliche, storicamente di piombo, che assicurano una protezione assoluta. Ovviamente, il piombo, oltre ad essere pesante, è anche poco gradito dal punto di vista della protezione ambientale, per cui la tendenza attuale è di realizzare guaine a doppio strato protettivo, composte di un materiale polimerico e di un laminato di alluminio, che sono in grado di garantire la stessa performance del piombo, senza i difetti di quest’ultimo.
Prysmian è presente sul mercato in tale ambito con una tipologia di cavi denominata “Drylam”, che garantisceono una resistenza fino a 40 anni. I test di laboratorio vengono eseguiti in toluene a caldo.

Protezione meccanica
Alcuni di questi cavi devono essere interrati; in tal caso occorre proteggerli ulteriormente da impatti occasionali con nastri armature di filo d’acciaio, Altra innovazione di Prysmian è la tipologia denominata “Airbag”, nei quali la protezione dagli urti, anche di entità rilevante, è affidata ad un cuscino di materiale polimerico espanso. Infine, aggiungendo la protezione tipo “Airbag” a quella tipo “Drylam” si raggiunge l’eccellenza assoluta; Prysmian commercializza tale tipologia con la denominazione “Airguard”.

La separazione degli ambienti
Negli USA vige una normativa più restrittiva, basata sulla separazione degli ambienti in cui vi sia rischio di esplosione o fughe di gas. Vengono quindi predisposte delle apposite barriere. I cavi costituiscono un elemento di discontinuità; la segregazione degli ambienti è assicurata dai cosiddetti “barrier glands” pressacavi che bloccano i cavi stessi sulla paratia di separazione. Tale tenuta meccanica non è però assoluta; se si vuole escludere ogni passaggio di gas occorre sigillare i glands colandovi una apposita resina.
L’ultimo ritrovato in tale campo è costituito dai cavi cosiddetti “gas tight” , che intrinsecamente sono impermeabili ai gas. I cavi rivestiti con elastomeri sono quelli più compatti, essendo prodotti sotto pressione e sono adottati per le piattaforme. Per le applicazioni onshore (cavi rivestiti di termoplastici), per evitare il passaggio di gas gli spazi liberi nei cavi vengono riempiti con sostanze adatte allo scopo; in tal modo i cavi diventano impermeabili ai gas e possono essere evitati i barrier glands.

Cavi per impianti chimici
Nel caso degli impianti chimici non sono generalmente richieste performance particolarmente come sulle piattaforme; l’isolamento è effettuato tipicamente con XLPE o PVC e le guaine devono avere le caratteristiche LSOH (solo per cavi isolati in XLPE). In Prysmian, tali cavi sono denominati “Afumex”. In Europa è stata introdotta recentemente la normativa CPR (Construction Product Regulation). che prevede la sicurezza dei cavi rispetto al fuoco, e dovrebbe classificare i prodotti in funzione del loro impiego negli uffici pubblici e nell’edilizia privata e che diventerà esecutiva dal prossimo luglio. Anche se non è stata estesa agli impianti chimici, a volte viene richiesta la rispondenza alla CPR anche nell’ambito dell’industria chimica.

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