Modulo 5. Sicurezza negli Impianti

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1 Corso di Impianti Meccanici Laurea Magistrale Modulo 5. Sicurezza negli Impianti Sezione 5.1 Normativa ATEX Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Dott. Ing. Marco Pellegrini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna Italy

2 2 Agenda Generalità sulla normativa ATEX Normativa ATEX: esempio applicativo

3 3 La normativa ATEX Quando una miscela è esplosiva?

4 4 La normativa ATEX Normativa ATEX ATEX è il nome convenzionale che raggruppa due direttive dell'unione Europea: - 94/9/CE per la regolamentazione di apparecchiature destinate all'impiego in zone a rischio di esplosione - la direttiva si rivolge ai costruttori di attrezzature destinate all'impiego in aree con atmosfere potenzialmente esplosive e si manifesta con l'obbligo di certificazione di questi prodotti; - 99/92/CE per la sicurezza e la salute dei lavoratori in atmosfere esplosive - si applica negli ambienti a rischio di esplosione, dove impianti ed attrezzature certificate sono messe in esercizio ed è quindi rivolta agli utilizzatori. Il nome deriva dalle parole ATmosphères ed EXplosibles.

5 La normativa ATEX Direttiva 99/92/CE La direttiva è relativa alle prescrizioni minime per il miglioramento della tutela della sicurezza e della salute dei lavoratori che possono essere esposti al rischio di atmosfere esplosive definite come: miscele con l'aria, a condizioni atmosferiche, di sostanze infiammabili allo stato di gas, vapori, nebbie o polveri in cui, dopo accensione, la combustione si propaga all'insieme della miscela incombusta. La direttiva è stata recepita in Italia tramite il D.Lgs. 233/03 e successivo D.Lgs. 9 aprile 2008 n.81 (titolo XI). Il datore di lavoro deve ripartire in zone le aree in cui possono formarsi atmosfere esplosive. Per la determinazione del tipo di zona, della sua estensione e dei suoi dati caratteristici dove sono o possono essere presenti gas infiammabili si applica la norma EN La norma tecnica è quindi cogente. 5

6 6 La normativa ATEX Normativa EN La procedura di classificazione delle aree, in linea generale, si può ricondurre ai seguenti passi: - individuazione delle sorgenti di emissione (SE); - assegnazione del grado di emissione alle sorgenti; - determinazione della portata di emissione del fluido in considerazione (gas, vapore, liquido bassobollente o altobollente); - calcolo del volume ipotetico di atmosfera potenzialmente esplosiva (Vz) intorno ad ogni SE; - calcolo della concentrazione media volumica (Xm%); - valutazione del tempo di permanenza; - determinazione del tipo di zona individuata; - determinazione della forma della zona pericolosa; - determinazione dell estensione della zona pericolosa. - inviluppo delle diverse zone pericolose individuate.

7 7 La normativa ATEX Normativa EN : definizione delle zone pericolose Zona 0 - Luogo in cui un atmosfera esplosiva costituita da una miscela di aria e sostanze infiammabili sotto forma di gas, vapore o nebbia è presente continuamente, o per lunghi periodi, o frequentemente. Nota: In generale, dette condizioni, quando si presentano, interessano l interno di serbatoi, tubi e recipienti, ecc Zona 1 - Luogo in cui è probabile che un atmosfera esplosiva, costituita da una miscela di aria e sostanze infiammabili sotto forma di gas, vapore o nebbia, si presenti occasionalmente durante il funzionamento normale. Zona 2 - Luogo in cui è improbabile che un atmosfera esplosiva, costituita da una miscela di aria e sostanze infiammabili sotto forma di gas, vapore o nebbia, si presenti durante il normale funzionamento, ma che, se si presenta, persiste solo per un breve periodo.

8 8 La normativa ATEX Normativa EN : processo classificazione delle zone pericolose Raccolta dati di progetto (dati del committente, cliente, ubicazione, scopo del lavoro, schemi, etc...). 1 passo Dati del luogo e del progetto Applicabilità della Norma. Definizione caratteristiche delle sostanze infiammabili (nome,formula,parametrichimico fisici come massa molare (M), densità (ρ), limite inferiore esplodibilità (Lower Explosive Limit, LEL), calore specifico a volume costante (c v ), temperatura di infiammabilità (T i ), ) Definizione parametri di funzionamento del processo (come temperatura T, pressione P,...). Definizione degli ambienti e delle condizioni ambientali (ambienti aperti o chiusi, con sistema/i di pressurizzazione o inertizzazione, ventilazione,...).

9 9 La normativa ATEX Normativa EN : processo classificazione delle zone pericolose 2 passo Per ogni ambiente Individuazione delle sorgenti di emissione SE e del loro grado di emissione: grado continuo (emissione continua o per lunghi periodi), primo grado (emissione periodica o occasionale durante il funzionamento normale), secondo grado (emissione non prevista durante il normale funzionamento o che avviene solo raramente o per brevi periodi). Verifica della possibilità di eliminare o limitare quanto più possibile la presenza di SE.

10 La normativa ATEX Normativa EN : processo classificazione delle zone pericolose 3 passo Per ciascuna sorgente di emissione SE Determinare la possibile emissione infiammabile e, se possibile, eliminare o limitare il grado di emissione e le portate. Verificare l eventuale presenza di sistemi di ventilazione artificiali locali o prevederli. Si prepara un elenco delle sorgenti di emissione. 10

11 La normativa ATEX Normativa EN : processo classificazione delle zone pericolose 4 passo (ultimo) Si determina la portata di emissione Qg. Adesempio,nel caso di emissione di gas in singola fase si applica la formula [f.gb.4.1 2] (ex. GB.4.1.2), espressa in [kg/s]. Calcolo delle emissioni potenziali e classificazione dei luoghi φ: rapporto critico del flusso (uguale a 1 per flusso turbolento, altrimenti si calcola con l equazione in basso a sinistra); c: coefficiente di efflusso (fornito dal costruttore, oppure 0.97 per valvole di sfioro e sicurezza, 0.80 negli altri casi); A: area della sorgente di emissione [m 2 ]; M: massa molare della sostanza [kg/kmol]; P: pressione assoluta di processo [Pa]; P a : pressione ambiente [Pa]; T: temperatura assoluta [K]; R: costante universale dei gas = J/kmolK; β: esponente che tiene conto della frazione molare, = (γ+1)/(γ-1); γ: rapporto tra i calori specifici, = c p /c v. 11

12 La normativa ATEX Normativa EN : processo classificazione delle zone pericolose Per distanza pericolosa d z si intende la distanza dalla SE a partire dalla quale la concentrazione dei gas o vapori infiammabili nell aria è inferiore a k dz *LEL v. Si determina la distanza dz in metri (formula [f.gb.5.1 5a]). 4 passo (ultimo) Calcolo delle emissioni potenziali e classificazione dei luoghi Q g : portata di emissione [kg/s], per il calcolo si veda slide precedente; φ: rapporto critico (si veda slide precedente); c: coefficiente di efflusso (fornito dal costruttore, oppure 0.97 per valvole di sfioro e sicurezza, 0.80 negli altri casi); M: massa molare della sostanza [kg/kmol]; T: temperatura assoluta [K]; β: esponente che tiene conto della frazione molare (si veda slide precedente); γ: rapporto tra i calori specifici, = c p /c v ; k dz : safety factor ( per fonti di emissione di grado continuo e primo, per grado secondo). LEL v : limite inferiore di esplodibilità in aria, espresso in % su volume. 12

13 La normativa ATEX Normativa EN : processo classificazione delle zone pericolose Si stima la estensione effettiva «a» in metri della zona pericolosa nella direzione di emissione e di più probabile dispersione nell atmosfera esplosiva. 4 passo (ultimo) Calcolo delle emissioni potenziali e classificazione dei luoghi Tale valore è almeno uguale a d z, ma preferibilmente maggiore. Tipicamente, il valore di d z viene arrotondato alla prima cifra intera o addirittura ad una maggiorazione più significativa in caso di evidenti incertezze di calcolo (per esempio 1,2*d z ). 13

14 La normativa ATEX Normativa EN : processo classificazione delle zone pericolose Il grado di ventilazione è indicativo della quantità di aria di ventilazione che investe la SE in rapporto alla quantità di sostanze infiammabili emesse nell ambiente; questo rapporto può essere tale da limitare in varia misura la presenza di atmosfera esplosiva e ridurre o meno il tempo di persistenza della stessa al cessare dell emissione. Sono stabiliti tre gradi di ventilazione, alto (VH), medio (VM), basso (VL): Grado di ventilazione alto (VH): quando la ventilazione è in grado di ridurre la concentrazione in prossimità della SE in modo praticamente istantaneo, limitando la concentrazione al di sotto del limite inferiore di esplodibilità (LEL). Grado di ventilazione medio (VM): quando la ventilazione è in grado controllare la concentrazione, determinando una zona limitata stabile, sebbene l emissione sia in corso, e dove l atmosfera esplosiva per la presenza di gas non persista eccessivamente dopo l arresto dell emissione. Grado di ventilazione basso (VL): Quando la ventilazione non è in grado di controllare la concentrazione mentre avviene l emissione e/o non può prevenire la persistenza eccessiva di un atmosfera esplosiva dopo l arresto dell emissione. 14

15 La normativa ATEX Normativa EN : processo classificazione delle zone pericolose Confronto la portata volumetrica di progetto con quella minima teorica necessaria a diluire l emissione: sulla base del confronto determino il grado di ventilazione. Si calcola la portata volumetrica di aria Q amin minima teorica in m 3 /s necessaria per diluire l emissione di sostanza infiammabile con la equazione [f ]. 4 passo (ultimo) Calcolo delle emissioni potenziali e classificazione dei luoghi Q g : portata di emissione [kg/s], per il calcolo si veda slide precedente; T a : temperatura ambiente [K]; k: fattore di sicurezza applicato la LEL per la definizione della portata minima di ventilazione (0.25 per fonti di emissione di grado continuo e primo, 0.5 per grado secondo). LEL v : limite inferiore di esplodibilità in aria, espresso in % su volume. Attenzione: i valori di k non sono vincolanti! A seconda del grado di certezza dei dati a disposizione, il tecnico preposto alla classificazione può assumere valori compresi tra 0,25-0,5 per il grado continuo e primo e tra 0,5-0,75 per il grado secondo. 15

16 La normativa ATEX Normativa EN : processo classificazione delle zone pericolose L efficacia di un sistema di ventilazione dipende oltre che dal grado anche dalla disponibilità. La presenza di una ventilazione VH potrebbe, infatti, essere vanificata dalla su scarsa disponibilità (es. un ventilatore guasto). Anche in questo caso la norma CEI EN fornisce alcune definizioni: Ventilazione buona: quando la ventilazione è presente con continuità. Ventilazione adeguata: quando la ventilazione è presente durante il normale funzionamento ma dove sono ammesse interruzioni poco frequenti e comunque di breve durata. Ventilazione scarsa: quando la ventilazione non è in grado di soddisfare i requisiti per essere considerata buona o adeguata ma dove comunque non sono previsti interruzioni di lunga durata. 16

17 La normativa ATEX Normativa EN : processo classificazione delle zone pericolose Valutazione semplificata fornita dalla norma: le relazioni di calcolo sono molto complesse e dipendono da molteplici fattori. «+» significa circondato da; «NE» indica una zona di estensione trascurabile; 17

18 La normativa ATEX Normativa EN : processo classificazione delle zone pericolose 4 passo (ultimo) Calcolo delle emissioni potenziali e classificazione dei luoghi Definizione dei tipi di zone (0,1,2) di pericolo originate dalle singole SE (in funzione dell analisi delle SE e della ventilazione). Determinazione delle estensione di tutte le zone pericolose originate dalle singole emissione (forme e dimensione). Individuazione delle aperture verso zone esterne interessate da zone pericolose. Valutare l adozione di misure tecniche e/o organizzative per ridurre il pericolo d esplosione. Eseguire l inviluppo delle zone di pericolo originate dalle singole SE. Preparazione della classificazione preliminare dei luoghi, ivi inclusi i requisiti per i prodotti installabili nei luoghi suddetti. N.B: il certificatore utilizza software dedicati per i calcoli e per la redazione della relazione di classificazione. 18

19 La normativa ATEX Normativa EN esempi estratti dalla norma 19

20 La normativa ATEX Normativa EN esempi estratti dalla norma 20

21 La normativa ATEX Normativa EN esempi estratti dalla norma Stima delle dimensioni dei fori di emissione derivanti da guasti: la norma definisce dei valori in base alla tipologia di elemento oggetto della rottura. Tipologia di elemento Dimensione foro di emissione Nota Flangia con guarnizione in fibra compressa Flangia con guarnizione spirometallica Flangia con giunto ad anello metallo su metallo (ring joint) Spessore di 1 mm Foro lungo quanto la sezione della guarnizione tra due fori di serraggio. Guasto grave (mancata manutenzione). 2,5 mm 2 Se prevista attenta manutenzione. Spessore di 0,5 mm Foro lungo quanto la sezione della guarnizione tra due fori di serraggio. Guasto grave (mancata manutenzione). 0,25 mm 2 Se prevista attenta manutenzione. 0,5 mm 2 Guasto grave (mancata manutenzione). 0,1 mm 2 Se prevista attenta manutenzione. Guarnizione spirometalica Ring Joint 21

22 Normativa EN esempi estratti dalla norma La normativa ATEX Emissioni strutturali: dati statistici. Emissioni strutturali sono quelle che possono avvenire durante l attività dell impianto dai punti di discontinuità dei componenti del sistema di contenimento delle sostanze infiammabili, quali ad esempio le flange sulle tubazioni, le giunzioni tra parti di apparecchi e macchine, gli sfiati di valvole di sicurezza, di sfioro e simili chiuse, 22

23 Normativa EN esempi estratti dalla norma Emissioni strutturali: dati statistici. La normativa ATEX 23

24 Agenda Generalità sulla normativa ATEX Normativa ATEX: esempio applicativo 24

25 HENERGIA: Impianto idrogeno HENERGIA Laboratorio Fossil Fuel Free Impianti fotovoltaici Solar cooling Idrogeno: elettrolisi, compressione e PEM fuel cell Caldaia a biomassa 25

26 Impianto idrogeno: Process Flow Diagram Acqua demineralizzata Acqua raffreddamento Energia elettrica Energia elettrica Elettrolizzatore H2 Compressore Riduttore pressione Fuel cell O2 Stoccaggio Bassa pressione Energia elettrica Stoccaggio Alta pressione Vapor d acqua 26

27 Impianto idrogeno: i locali 27

28 Impianto idrogeno: descrizione locali Il locale di produzione e utilizzo dell idrogeno (container 2) è costituito da un container di 20 m 3 circa, contenente: - n.1 dissociatore elettrolitico (elettrolizzatore), utilizzato per la produzione di idrogeno con portata regolata a 1 Nm 3 /h; - n.3 fuel cell da 1 kw ciascuna; - tubazioni, valvole di intercettazione, strumentazione di misura e connessioni realizzate con tecnologia di marca Swagelok (in figura); - impianto di aspirazione: all esterno del container è presente una tubazione centrale in alto per l estrazione dell aria e 4 ingressi di mandata in basso. La tubazione di estrazione è collegata a n.2 ventilatori di estrazione in parallelo (uno di riserva all altro) di portata pari a m 3 /h ciascuno. All interno del container si considera una ventilazione artificiale garantita con continuità (disponibilità BUONA). Swagelok 28

29 Impianto idrogeno: descrizione locali Il locale di compressione dell idrogeno (container 1) è costituito da un container di 20 m 3 circa, contenente: - compressore idrogeno; - tubazioni, valvole di intercettazione, strumentazione di misura e connessioni realizzate con tecnologia di marca Swagelok; - impianto di aspirazione: all esterno del container è presente una tubazione centrale in alto per l estrazione dell aria e 2 ingressi di mandata in basso. La tubazione di estrazione è collegata a n.2 ventilatori di estrazione in parallelo (uno di riserva all altro) di portata pari a m 3 /h ciascuno. All interno del container si considera una ventilazione artificiale garantita con continuità (disponibilità BUONA). N.B. La quantificazione delle portate di ventilazione viene determinata per tentativi, ovvero si verifica qual è la classificazione risultante per un determinato ambiente in presenza di una determinata ventilazione, e si verifica che il tipo di classificazione raggiunga quella desiderata. Se la classificazione non è soddisfacente (ad esempio, Zona 0), occorre incrementare la portata di ventilazione. 29

30 La normativa ATEX RICORDIAMO LA SLIDE 17: Normativa EN : processo classificazione delle zone pericolose Valutazione semplificata fornita dalla norma: le relazioni di calcolo sono molto complesse e dipendono da molteplici fattori. «+» significa circondato da; «NE» indica una zona di estensione trascurabile; 30

31 Impianto idrogeno: descrizione locali Nelle aree esterne prossime al laboratorio sono posizionati i corpi tecnici e le tubazioni a servizio del laboratorio stesso. Tra questi si citano: - n.2 serbatoi di accumulo dell idrogeno di cui: n. 1 serbatoio da 83 litri e pressione di esercizio di 35 bar; n. 1 serbatoio da 270 litri e pressione di esercizio di 5 bar; - valvole e giunzioni filettate di connessione sulle tubazioni di trasporto idrogeno ad alta e bassa pressione; - n.1 bombola di idrogeno da 14 litri a 200 bar con riduttore a 3,5 bar; - sfiati di idrogeno e ossigeno posizionati come in lay-out item esterni. 31

32 Classificazione ATEX HENERGIA Classificazione ATEX HENERGIA identificazione sorgenti e grado di emissione I gradi delle emissioni delle singole SE sono stabiliti sulla base delle definizioni della CEI EN e qui elencati in ordine decrescente di probabilità (frequenza e durata) di emissione nell ambiente della sostanza infiammabile. Emissione di grado continuo (emissione continua o per lunghi periodi), Emissione di grado primo (emissione periodica o occasionale durante il funzionamento normale), Emissione di grado secondo (emissione non prevista durante il normale funzionamento o che avviene solo raramente o per brevi periodi). 32

33 La normativa ATEX Normativa EN : definizione delle zone pericolose Zona 0 - Luogo in cui un atmosfera esplosiva costituita da una miscela di aria e sostanze infiammabili sotto forma di gas, vapore o nebbia è presente continuamente, o per lunghi periodi, o frequentemente. Nota: In generale, dette condizioni, quando si presentano, interessano l interno di serbatoi, tubi e recipienti, ecc Zona 1 - Luogo in cui è probabile che un atmosfera esplosiva, costituita da una miscela di aria e sostanze infiammabili sotto forma di gas, vapore o nebbia, si presenti occasionalmente durante il funzionamento normale. Zona 2 - Luogo in cui è improbabile che un atmosfera esplosiva, costituita da una miscela di aria e sostanze infiammabili sotto forma di gas, vapore o nebbia, si presenti durante il normale funzionamento, ma che, se si presenta, persiste solo per un breve periodo. 33

34 Classificazione ATEX HENERGIA Classificazione ATEX HENERGIA classificazione dei luoghi Medio 34

35 Classificazione ATEX HENERGIA Classificazione ATEX HENERGIA classificazione dei luoghi 35

36 Impianto idrogeno: impatto della sicurezza Energia elettrica Acqua demineralizzata Elettrolizzatore H2 Filtro DEOXO O2 Azoto Lavaggio con azoto inertizzazione linee Acqua raffreddamento Filtro Essicatore Bassa pressione Ventilazione forzata con ambiente in depressione doppio ventilatore Vapor d acqua Energia elettrica Fuel cell Sensore idrogeno Energia elettrica Compressore Container 1 Container 2 Sensore idrogeno Alta pressione Serbatoi esterni 36

37 Corso di Impianti Meccanici Laurea Magistrale Modulo 5. Sicurezza e salute sul lavoro Sezione 5.1 Normativa ATEX Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Dott. Ing. Marco Pellegrini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna Italy