Ricerca modellistica ed applicazione per la valutazione delle conseguenze negli impianti a rischio di incidente rilevante. A.Pelliccioni, C.

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1 Ricerca modellistica ed applicazione per la valutazione delle conseguenze negli impianti a rischio di incidente rilevante A.Pelliccioni, C.Gariazzo ISPESL, DIPIA, Via Fontana Candida 1, Monteporzio Catone (RM), 00040, Italia Introduzione-1 La direttiva europea detta "direttiva Seveso" impone agli stati membri di identificare i propri siti a rischio. Nell ambito di tale compito, ogni Stato membro ha l obbligo di recepire tale direttiva concernente il controllo dei rischi da incidente rilevante che coinvolgano sostanze pericolose. In Italia il decreto legislativo di riferimento è DL 334 del 1999 e il successivo testo con le modifiche (D.L 238 del 2005). Tale decreto stabilisce tra i diversi compiti l obbligo di: Censire gli stabilimenti a rischio e identificare le sostanze pericolose Verificare l'esistenza in ogni stabilimento a rischio di un piano di prevenzione e di un piano di emergenza Informare gli abitanti delle zone limitrofe La direttiva richiede inoltre di realizzare delle procedure di valutazione del rischio. Tali procedure di valutazione del rischio implicano la determinazione delle aeree di impatto che devono essere distinte in : AREE INTERNE ALLO STABILIMENTO AREE ESTERNE ALLO STABILIMENTO Il ruolo della modellistica legata agli incidenti rilevanti è fondamentale per la valutazione di queste aree di impatto ed è l unico strumento oggettivo a disposizione delle aziende e degli organi vigilanti sul quale potersi basare per questa valutazione (RdS)

2 Introduzione-2 Evento iniziale Condizioni Modello sorgente I zona(m) II zona(m) III zona (m) Incendio si in fase liquida incendio da recipiente(tank fire) O incendio da pozza(pool fire) O localizzato in aria getto di fuoco (Jet fire) O in fase gas/vapore ad alta velocità incendio di nube(flash fire) O no in fase gas/vapore sfera di fuoco (Fireball) O reazione sfuggente(run-a-way O Esplosione reaction) si miscela gas/vapori infiammabili O confinata polveri infiammabili O no non confinata miscela gas/vapori infiammabili (U.V.C.E.) O transizione rapida esplosione fisica O di fase in dispersioni liquido/liquido O Rilascio acqua (fluidi solubili) emulsioni liquido/liquido (fluidi insolubili) O evaporazione da liquido (fluidi insolubili) O dispersione da liquido (fluidi insolubili) O si in fase liquida dispersione O sul suolo evaporazione da pozza O ad alta o bassa dispersione per turbolenza (densità O no in fase gas/vapore velocità di rilascio nube inf. aria) dispersione per gravità (dens. nube sup. aria) O Le aree di danno sono i parametri fondamentali sui quali ci si deve basare per la pianificazione delle emergenze, sia quelle interne che quelle esterne, nonché, come introdotto nell ultima formulazione, dell assetto del territorio e del controllo dell'urbanizzazione. I pericoli derivanti da uno stabilimento possono essere molteplici e, per ogni realtà, non univoci (il rilascio di sostanze, eventi di tipo esplosivo o di incendio, effetti domino, etc.) In questo lavoro, si vuole affrontare il tema relativo esclusivamente alle analisi della valutazione delle conseguenze in seguito al solo rilascio di sostanze, trascurando la tematica legata alle esplosioni ed agli incendi. Caratterizzazione di un incidente rilevante per il rilascio di sostanze tossiche o nocive L analisi delle conseguenze in seguito ad un rilascio, coinvolge la modellizzazione di diversi aspetti: Modalità e tempi di rilascio: Emissione localizzata Tempi del rilascio molto brevi Questo aspetto coinvolge a priori la scelta dei modelli da usare che possono essere stazionari e non stazionari dal punto di vista temporale Emissioni: Quantità coinvolte di solito sono significative e assolutamente non paragonabili a quelle presenti in atmosfera per le sorgenti continue legate alle diverse attività antropogeniche o naturali. Caratterizzazione delle sostanze coinvolte nell incidente (fondamentale sia per gli effetti domino, per gli effetti sulla salute sia degli operatori che devono intervenire durante l emergenza, che delle conseguenze sulla popolazione eventualmente coinvolta)

3 Condizioni esterne: La corretta valutazione delle conseguenze deve trattare anche le condizioni esterne teatro della evoluzione dell incidente Le condizioni esterne sono strettamente connesse alla risoluzione spaziotemporale del modello adottato Tali condizioni possono considerare gli effetti: Delle stesse strutture impiantistiche dello stabilimento Sulla possibile evoluzione dell incidente Sulla collocazione sul territorio legata alla orografia del sito (modelli a scala locale) Modelli su scala regionale o continentale per gli incidenti più importanti In più, occorre tener sempre in considerazione le variabili meteorologiche e turbolente (vento e temperatura aria, stabilità atmosferica) al momento dell incidente e la loro scala di rappresentatività spaziale. Tipologia delle sostanze coinvolte: caratteristica di nocività legate alla classificazione presente nella stessa direttiva Seveso Possibile reazione chimica che si può innescare durante il tragitto della nube Tipologia della densità del gas rispetto all aria è un fattore molto critico. I gas densi hanno delle dinamiche molto differenti rispetti a quelli leggeri e la loro natura li porta a depositarsi al suolo più facilmente, creando più facilmente delle condizioni critiche da gestire sia durante l emergenza che nella successiva fase. - Evoluzione della dinamica dei rilasci: Il rilascio di una sostanza segue a grandi linee sempre una precisa sequenza dinamica, ciascuna delle quali deve essere modellizzata adeguatamente per poter dare una risultato significativo e realistico. Inizialmente la sostanza viene emessa fuoriuscendo a certe condizioni (di temperatura, sovra pressione, velocità, massa, etc.) A seconda delle condizioni di rilascio si può o meno creare una pozza da cui può aver luogo una ulteriore evaporazione. Una volta immessa la sostanza nell ambiente esterno, essa evolverà dinamicamente sulla base delle condizioni ambientali e/o meteorologiche che incontra. Identiche condizioni incidentali possono avere effetti differenti se avvengono di notte piuttosto che di giorno, se di inverno che di estate, se lo stabilimento è posizionato in pianura piuttosto che in un zona montuosa o costiera.

4 -Non solo: nubi calde e fredde hanno dinamiche completamente differenti a parità di condizioni ambientali. -Tutte le dinamiche sovra descritte servono esclusivamente a determinare il cosidetto galleggiamento della nube, ossia a posizionare nello spazio le condizioni reali dalle quali far partire la modellistica vera e propria. -L evoluzione spazio/temporale della nube può essere prevista da questo momento in poi. Da sottolineare: - Gran parte di queste condizioni sono molto differenti da quelle che vengono usate convenzionalmente nei modelli di impatto delle conseguenze presenti nei rapporti di sicurezza - Le condizioni che devono soddisfare un modello per l analisi delle conseguenze sono meno restrittive rispetto ad uno di ricerca (facilità d uso, speditezza, attendibilità cautelante) CARATTERISTICHE DEI MODELLI USATI PER LA VALUTAZIONE DELLE CONSEGUENZE -I modelli usati per la valutazione delle conseguenze in seguito a rilasci incidentali pur facendo riferimento a prodotti differenti, si basano essenzialmente su delle assunzioni pressoché costanti e uniformi (modelli Gaussiani) Le assunzioni di base dei modelli gaussiani si possono sintetizzare: -Emissioni: i fattori di emissioni sono esclusivamente di tipo continuo e stazionario temporalmente (tranne che per i Puff Models) -Condizioni esterne: Non si può trattare la turbolenza non omogenea Le condizioni anemologiche devono essere uguali dappertutto in direzione (ipotesi più critica, che difficilmente viene verificata) Le condizioni turbolente omogenee che vengono generalmente simulate sono 5D, 2F e 2C.

5 Uno dei modelli gaussiani più utilizzati in ambito dei grandi rischi per predire gli effetti è l EFFECTS Esso contiene tutti i sottomodelli necessari per descrivere tutti i fenomeni fisici che possono avvenire durante un incidente ed è stato messo a punto dall Istituto TNO per predire gli effetti fisici conseguenti alla fuga di materiali e sostanze pericolose, in seguito ad incidenti. Il modello utilizza per parametrizzare la turbolenza le classi di stabilità di Pasquill (A- F). Esso richiede in ingresso: la definizione della sorgente la stabilità atmosferica e la velocità del vento L output è fornito in tempi rapidi L ambiente esterno che può simulare è costitutio da un campo aperto in assenza di ostacoli e consente di specificare solo la tipologia del terreno mediante la lunghezza di rugosità Analisi delle conseguenze sui dei casi di studio Le considerazioni fin qui effettuate non comportano necessariamente una inaffidabilità totale delle analisi contenute nei rapporti di sicurezza, ma solo una maggior attenzione che deve essere posta tra le assunzione di base proprie dei modelli usati e le reali condizioni nelle quali avviene l incidente. Al fine di evidenziare come la modellistica possa fornire risultati differenti a seconda del modello utilizzato, viene mostrato un confronto di una simulazione su un caso reale di un incidente usando tre differenti assunzione modellistiche. Come modelli, sono stati utilizzati due codici avanzati (uno che si basa sui modelli lagrangiani microspray (MSS) e l altro su codici di fluidodinamica (FLUENT)) ed uno relativo a quello maggiormente in uso, per l appunto l EFFECTS.

6 L AREA DI STUDIO ED EVENTO INCIDENTALE Rilascio continuo di GPL per rottura di una tubazione alla base di un deposito a forma di sfera (dall analisi del rapporto di sicurezza di una raffineria) All interno dello stabilimento è stata scelta una sottoarea dove sono stati schematizzati gli ostacoli e realizzate le simulazioni di dispersione. All interno dell area selezionata sono presenti la sfera che contiene GPL (ostacolo più in alto a sinistra) e 7 serbatoi Lo scenario incidentale ipotizzato si riferisce ad una sfera di stoccaggio di GPL da 1000 m 3 Il rapporto di sicurezza relativo a questa area di stoccaggio ha indicato come top events i seguenti incidenti: o Apertura per errore di una valvola o Rilascio da un componente della tubazione (frequenza di guasto pari a occasioni/anno SCENARIO EMISSIVO E METEOROLOGICO Durante le primissime fasi dell emissione dalla tubazione avviene il fenomeno del flash, ovvero l evaporazione sostanzialmente immediata di una parte del GPL liquido. Una parte della sostanza emessa rimane in forma liquida e si deposita in un pozzetto di raccolta opportunamente localizzato alla base della sfera. Si è fatta inoltre l ipotesi della fuoriuscita di tutto il propano in forma gassosa. Le quantità emesse sono state calcolate utilizzando il modulo emissivo del modello EFFECTS. Le condizioni meteo-climatiche che caratterizzano la zona sono state prese dal dal rapporto di sicurezza Sono state utilizzate le stesse condizioni meteorologiche in tutti e tre i modelli utilizzati, denominate D5 ed F2. Il codice EFFECTS utilizza direttamente i parametri meteorologici considerati (classe di stabilità e velocità del vento), i codici FLUENT e MSS richiedono un informazione più complessa, costituita da almeno un profilo verticale di vento.

7 RISULTATI - I risultati alla quota di 1 m dal suolo, ottenuti con i modelli EFFECTS, FLUENT e MSS per gli scenari meteorologici D2 ed F5. - I risultati sono forniti in termini di soglie di pericolosità quali: LEL (Low Explosion Limit), ovvero la concentrazione in aria al di sotto della quale non è presente una quantità sufficiente di sostanza tale da poter bruciare UEL (Upper Explosion Limit), ovvero la concentrazione in aria al di sopra della quale è presente una grande quantità di sostanza e contemporaneamente non è presente una quantità sufficiente di ossigeno per poter bruciare. L intervallo di concentrazioni all interno del quale una sostanza infiammabile può produrre fuoco o esplosione in presenza di fiamme libere o di scintille. Per quanto riguarda il propano, espresso in unità di massa per unità di volume i valori di LEL e UEL valgono rispettivamente mg/m3 e mg/m3. Isolinee di LEL ottenute mediante il modello EFFECTS per differenti tipi di terreno sottostante e isoaree tra LEL (blu) e UEL (rosso) ottenute mediante i modelli FLUENT e MSS, negli scenari meteorologici D5 e F2 e ad 1 m di altezza dal suolo. Scenario Modello EFFEC TS F LUE NT MSS D5 F2

8 D5 EFFECTS D5 FLUENT D5 MSS F2 EFFECTS F2 FLUENT F2 MSS Estensione della nube tra LEL e UEL, in condizioni di esplosività Quota 1 m 2m Tipo di terreno lunghezza larghezza lunghezza larghezza Flat land Arable land Cultivated land Habitated land Cities and towns Flat land Arable land Cultivated land Habitated land Cities and towns Dispersione SO2 da FC in posizione P2 con foro 300 mm e vento di 2 m/s da SudOvest

9 Isosuperficie del IDLH di SO2 (266 mg/m 3 ) da FC in posizione P2 con foro 300 mm e vento di 2 m/s da SudOvest Conclusioni I risultati ottenuti con i tre approcci modellistici hanno evidenziato come nell analisi delle conseguenze nel near-field, sia determinante l influenza degli ostacoli presenti nell area investita dalla dispersione atmosferica della sostanza rilasciata Gli approcci basati su CFD e modello Lagrangiano sono in grado di rappresentare con maggiore accuratezza le aree di rischio rispetto a quanto mostrato dai risultati ottenibili con un approccio basato su modelli di tipo Gaussiano I modelli gaussiani non sono in grado di tenere conto dell influenza delle strutture impiantistiche presenti nel dominio di calcolo. L approccio Gaussiano sembra sottostimare le dimensioni longitudinali e trasversali della nuvola in condizioni di esplosività (concentrazioni tra LEL e UEL) Sia FLUENT che MSS simulano dimensioni superiori della suddetta nuvola di circa un ordine di grandezza.

10 L utilizzo del modello FLUENT per simulare le dispersioni near-field di gas pesanti è fattibile, ma presenta delle criticità (definizione della griglia di analisi e delle condizioni al contorno ) L approccio modellistico basato sull accoppiamento di un modello meteorologico di tipo diagnostico e da un modello Lagrangiano a particelle fornisce delle risultati attendibili e più vicini a quelli del modello fluidodinamico In più MSS-SPRAY richiede dei tempi di calcolo molto inferiori a quelli necessari per un codice CFD (minuti contro ore di calcolo) nelle medesime condizioni, In conclusione, seppure con le dovute differenze e peculiarità, gli approcci basati su modelli CFD e Lagrangiani a particelle hanno una loro intrinseca complessità e richiedono delle conoscenze specifiche sicuramente superiori a quelle richieste per l utilizzo di modelli basati su approcci Gaussiani Il loro utilizzo non potrà quindi essere estensivo, ma potrà sicuramente essere richiesto quando siano necessarie modellazioni più accurate, che tengano in conto anche la presenza di ostacoli, quali ad esempio: la pianificazione territoriale intorno a aziende a rischio di incidente rilevante la progettazione di reti di sensori ambientali per gas tossici e/o infiammabili l identificazione di aree a rischio di esplosione in installazioni molto costipate