Dott. Ing. Roberto Lauri (Lab. IX) Ecomondo, Rimini 9 Novembre 2016
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1 Dott. Ing. Roberto Lauri (Lab. IX) Atmosfere potenzialmente esplosive generate da gas: indicazioni per la classificazione dei luoghi di lavoro e valutazione delle conseguenze delle esplosioni Ecomondo, Rimini 9 Novembre 2016 Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici
2 Atmosfere potenzialmente esplosive: il quadro legislativo per la classificazione dei luoghi di lavoro Legislazione Europea: Direttiva ATEX 1999/92/CE (tra gli obblighi spettanti al datore di lavoro l Art.7 Comma 1 assegna la ripartizione in zone delle aree lavorative, in cui possono formarsi atmosfere potenzialmente esplosive); Legislazione Italiana: 1) D.Lgs. 233/03 (recepimento della Direttiva 1999/92/CE); 2) D.Lgs. 81/08, che tratta il tema della protezione da atmosfere potenzialmente esplosive nel Titolo XI e sancisce, mediante l Art. 293 Comma 1, l obbligo per il datore di lavoro di ripartire in zone le aree, in cui possono formarsi atmosfere potenzialmente esplosive. Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 2
3 Classificazione dei luoghi di lavoro con atmosfere potenzialmente esplosive a causa della presenza di gas: la Normativa tecnica CEI EN : classificazione dei luoghi di lavoro con atmosfere potenzialmente esplosive per la presenza di gas; CEI 31-35: guida per la classificazione dei luoghi di lavoro con atmosfere potenzialmente esplosive per la presenza di gas. Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 3
4 La classificazione delle aree a rischio di esplosione Le aree a rischio di esplosione sono ripartite in zone in base alla frequenza e alla durata della presenza di atmosfere potenzialmente esplosive: Zona0 Area in cui è presente continuamente o per lunghi periodi o spesso un'atmosfera esplosiva, costituita da una miscela di aria e di sostanze infiammabili sotto forma di gas, vapore o nebbia. Zona1 Area in cui, durante le normali condizioni di esercizio, è probabile la formazione occasionale di un'atmosfera esplosiva, costituita da una miscela di aria e di sostanze infiammabili sotto forma di gas, vapori o nebbia. Zona2 Area in cui, durante le normali condizioni di esercizio, non è prevista la formazione di un'atmosfera esplosiva e qualora essa si dovesse verificare sarebbe solamente per periodi estremamente brevi. Incremento del livello di pericolosità Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 4
5 Rappresentazione grafica delle zone pericolose (CEI EN ) Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 5
6 Potenziali sorgenti di emissione (SE) di gas negli impianti industriali Accoppiamenti flangiati: si considera la perdita del loro dispositivo di tenuta, cioè della guarnizione utilizzata; Valvole di regolazione: si considera l emissione dallo stelo; Valvole di sicurezza: si considera la sezione di scarico; Compressori volumetrici: si considera l emissione dalle tenute e dalla camera delle valvole; Turbocompressori: si considera l emissione dalle tenute (ad anello flottante, a labirinto, etc.); Connessioni di piccole dimensioni (tipicamente utilizzate per l installazione della strumentazione per il controllo del processo); Punti di drenaggio; Punti di campionamento. Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 6
7 Grado di emissione della sorgente 1) Emissione di grado continuo: rilascio continuo o che avviene frequentemente o per lunghi periodi; 2) Emissione di grado primo: rilascio, che può avvenire occasionalmente durante le normali condizioni di esercizio; 3) Emissione di grado secondo: rilascio, che non è previsto nelle normali condizioni di esercizio e qualora si dovesse verificare sarebbe circoscritto ad un intervallo temporale molto limitato. Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 7
8 La ventilazione La ventilazione ha una fondamentale influenza sulla tipologia di zona pericolosa e la sua efficacia viene valutata mediante due parametri: 1)Grado di ventilazione; 2)Disponibilità della ventilazione. Grado di ventilazione: 1) alto; 2) medio; 3) basso. Ambiente aperto Disponibilità della ventilazione: 1) buona (v WIND >0,5 m/s); 2) adeguata; 3) scarsa. Ambiente aperto Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 8
9 Luogo all aperto: procedura di classificazione delle aree con atmosfere potenzialmente esplosive (presenza di gas) Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 9
10 Regimi di efflusso dei gas Moto sonico p cr [ foro): p cr = p gas γ 2 γ 1 γ + 1 ]> p atm (pressione esistente a valle del M GAS ( kg / s) = A foro p gas C d γ PM R T gas gas 2 γ + 1 γ + 1 2( γ 1) γ = c c P V Motosubsonico p cr < p atm (pressione esistente a valle del foro): M GAS ( kg / s) = A foro p gas C d 2 PM R T gas gas γ γ 1 p p atm gas 2 γ p p atm gas γ + 1 γ Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 10
11 Portata minima di ventilazione per la SE La minima portata di ventilazione necessaria per diluire la portata emessa dalla singola SE è ricavabile dalla seguente equazione: QA MIN ( m / s) M = k LEL T 293,15 3 gas a m Formula valida sia per i luoghi all aperto che al chiuso In cui: k è un coefficiente di sicurezza (parametro adimensionale) dipendente dal grado di emissione della SE (i suoi valori sono riportati nella Normativa tecnica); LEL m indica il limite inferiore di esplodibilità del gas, espresso in kg/m 3 ; T a è la temperatura dell ambiente esterno (K). Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 11
12 Il calcolo del volume ipotetico della miscela potenzialmente esplosiva Il volume ipotetico (V z ) dell atmosfera potenzialmente esplosiva si ricava con la seguente equazione (CEI EN ): V z ( 3 m ) = f Q C a A MIN In cui: f indica il fattore di efficacia della ventilazione (parametro adimensionale), che varia da 1 a 5 (f=1 indica una ventilazione ottimale, mentre f=5 indica un flusso di aria molto ostacolato); C a rappresenta i ricambi di aria per unità di tempo (s -1 ) e per gli ambienti aperti la Normativa consiglia di assumere un valore pari a 0,03 s -1 (100/h). Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 12
13 Il tempo di persistenza dell atmosfera potenzialmente esplosiva Il tempo di persistenza (t p ) rappresenta l intervallo temporale necessario per far scendere la concentrazione media del gas da un valore iniziale X 0 akvolte il LEL V dopo l arresto dell emissione e può essere stimato con la seguente equazione: t p f k LEL V ( s) = ln C a X 0 X 0 rappresenta la concentrazione volumetrica (percentuale) iniziale del gas (la CEI EN e la CEI impongono X 0 =50%). Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 13
14 Valutazione del grado della ventilazione e della sua disponibilità (ambiente all aperto) Grado alto V z < 0,1 m 3 e tempo di persistenza ridotto (dell ordine dei secondi o di pochissimi minuti); Grado medio non sono rispettate le precedenti condizioni (V z >0,1 m 3 o tempo di persistenza eccessivamente alto); Disponibilità della ventilazione è considerata buona quando il vento è presente con continuità e la sua velocità è >0,5 m/s. Se ciò non dovesse verificarsi, essa dovrà essere considerata adeguata. Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 14
15 Individuazione delle zone pericolose La tabella seguente, riportata sia nella Norma CEI EN che nella CEI 31-35, è applicabile sia ai luoghi all aperto che a quelli al chiuso. Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 15
16 Luogo al chiuso: procedura di classificazione delle aree con atmosfere potenzialmente esplosive (presenza di gas) Viene introdotto il parametro X m % indicante la concentrazione media percentuale (volumetrica) del composto infiammabile nell ambiente esaminato. SE, suo grado di emissione e stima dell area di rilascio; Regime di efflusso del gas (sonico o subsonico); M gas, Q amin e Q a (portata di ventilazione dell ambiente); Valutazione di f e calcolo di C a (C a =Q a /V); Calcolo di V z e di t p. Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 16
17 Il calcolo del parametro X m % Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 17
18 Luoghi al chiuso: criteri di ubicazione Per ridurre il tempo di persistenza dell atmosfera potenzialmente esplosiva negli ambienti chiusi è fondamentale garantire un efficiente ventilazione (sia forzata che naturale); Nell ubicazione dei luoghi al chiuso è necessario ridurre l effetto di schermatura per avere un adeguata ventilazione naturale. d>5 H 2 Ambiente non schermato Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 18
19 Ambienti chiusi parzialmente schermati e schermati 2H 2 <d<5h 2 Ambiente parzialmente schermato Situazione da evitare d<2h 2 Ambiente schermato Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 19
20 La ventilazione naturale nei luoghi al chiuso Per ottenere una buona ventilazione naturale è necessario dimensionare correttamente le superfici di aerazione degli ambienti chiusi; La portata di ventilazione naturale è pari al valore massimo tra i due seguenti contributi: 1)Azione del vento; 2)Effetto camino, dovuto alla differenza di densità tra l aria esterna e quella dell ambiente chiuso (tale apporto è apprezzabile solamente quando con continuità la differenza di temperatura tra ambiente interno ed esterno è > 2-3 C). Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 20
21 Estensionedellazonapericolosa: ladistanzapericolosa (d z ) La distanza pericolosa (d z ) indica la distanza, misurata dalla SE, a partire dalla quale la concentrazione del gas è inferiore al prodotto (k dz è un coefficiente di sicurezza variabile tra 0,25 e 0,5 per le emissioni di grado continuo e primo e tra 0,5 e 0,75 per le emissioni di grado secondo); Quando la pressione relativa del gas è < 500 Pa, d z (metri) si calcola mediante l equazione di Fauske: d Z = k z PM m gas k dz gas LEL V f v wind 0,55 k z =1 (ambienti all aperto) k z = e 1 m (ambienti chiusi) Quando la pressione relativa del gas è 500 Pa, d z (metri) è ricavabile mediante l espressione: d Z = k z 0,25 0,65 0,5 β PM gas mgas 2 0,25 γ T kdz LEL V C γ β = ϕ d γ + 1 γ 1 d z stabilisce un ordine di grandezza dell ampiezza della zona pericolosa ed è sempre applicabile k LELV ai luoghi all aperto, mentre è applicabile a quelli chiusi solamente se X. In caso m % f contrario l intero ambiente chiuso è considerato zona pericolosa. PM k X gas % LEL V k 1 =13 se PM gas <5 altrimenti k 1 =82 Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 21
22 Caratterizzazione geometrica delle zone pericolose Per la caratterizzazione geometrica delle zone pericolose si utilizza il parametro a, indicante l effettivaestensionedellazonanellapiùprobabiledirezionediemissione(a>d z ). Pressione relativa del gas < 500 Pa Pressione relativa del gas 500 Pa L angolo di apertura del cono viene assunto pari a 90 per pressione del gas 300 kpa, mentre per pressioni maggiori è assunto pari a 60 (CEI 31-35). Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 22
23 Esplosioni di nubi gassose: VCE(Vapor Cloud Explosion) Una VCE si genera per la combustione di una nube di vapori o as infiammabili; Dall innesco della nube si può avere un flash fire (radiazione ermica) o una VCE (sovrapressione): è molto più probabile la rima evenienza che non la seconda; Laprobabilità chesiabbiaunavceècircail10%pernubi randi (>7-10 t) e scende a circa 0,1-1% per nubi piccole circa1t); Una VCE è più probabile per sostanze con elevate velocità di ombustione e se la nube è confinata in ambienti congestionati, he ne aumentano la turbolenza. Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 23
24 Conseguenze delle VCE: l onda d urto L esplosione di una nube gassosa (VCE) può generare un onda di pressione o onda d urto, causata da un rapido rilascio di energia; Le esplosioni di interesse negli impianti industriali possono essere non confinate, come quelle che si verificano all aperto, o confinate, come quelle che si verificano all interno di tubazioni, apparecchi, edifici, etc; Le esplosioni possono verificarsi con le seguenti modalità: 1) deflagrazione (picco di pressione fino a 8 bar): la velocità del fronte di fiamma è inferiore a quella del suono nel materiale incombusto; 2) detonazione (picco di pressione fino a 20 bar): la velocità del fronte di fiamma è maggiore di quella del suono nel materiale incombusto. Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 24
25 Modelli predittivi per la valutazione della sovrapressione: il modello Baker-Strehlow-Tang I modelli predittivi con minore margine di incertezza sono quelli, che consentono di valutare il confinamento della nube, la reattività del combustibile (gas) e il livello di congestione dell impianto (il modello BST consente di valutare questi aspetti); La congestione aumenta la turbolenza del moto della nube gassosa e da ciò discende un accelerazione del fronte di fiamma ed il conseguente incremento della sovrapressione di picco. Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 25
26 Il modello BST: l individuazione della velocità del fronte di fiamma La scelta della velocità del fronte di fiamma è guidata. Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 26
27 Il calcolo del termine energetico E E = F n η r PM gas H INF gas E rappresenta l energia liberata dall esplosione della nube di gas presente nel volume congestionato (J); F r indica il fattore di riflessione del terreno (vale 2 per nubi a contatto con il suolo, mentre è compreso tra 1 e 2 in caso contrario); p V n indica le moli di gas nel volume congestionato n = η=moli di combustibile (gas)/(moli di combustibile + moli di aria); PM gas è il peso molecolare del gas (kg/kmol); H INFgas è il potere calorifico inferiore del gas combustibile (kj/kg). R T Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 27
28 Ilmodello BST:L individuazione dellapressione dipicco(p p ) Il seguente diagramma consente di descrivere l andamento della sovrapressione in funzione della distanza dal centro dell esplosione (p p indica la pressione di picco, mentre R la distanza dal centro dell esplosione). M f Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 28
29 Valutazione delle conseguenze delle esplosioni Table Damage estimate Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 29
30 Ing. Roberto Lauri INAIL, Settore Ricerca, Certificazione e Verifica Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti, Prodotti e Insediamenti Antropici Centro Ricerche Area Casilina r.lauri@inail.it Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti Prodotti e insediamenti Antropici 30
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