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ESPLOSIONI

Esplosioni• L�esplosione è il fenomeno per cui un

onda di scoppio (onda di pressione od onda d�urto) si genera in aria a causa di un rapido rilascio di energia– L�energia può essere immagazzinata

nel sistema in varie forme• energia nucleare• energia chimica• energia di pressione• ecc.

Deflagrazione e Detonazione• Un�esplosione può aver luogo come

deflagrazione o detonazione• Deflagrazione

– la velocità di riscaldamento della miscela inferiore a quella del suono nel materiale incombusto

• Detonazione– la velocità di propagazione è maggiore

di quella del suono nel materiale incombusto

Deflagrazione e Detonazione• Una detonazione genera pressioni

maggiori di una deflagrazione• Detonazione:

– picco di pressione fino a 20 bar– processo veloce

• miscele aria-idrocarburi 2 000 - 3 000 m/s

• Deflagrazione– picco di pressione fino a 8 bar– processo lento

• miscele aria-idrocarburi circa 1 m/s

Deflagrazione e Detonazione• Una deflagrazione

– può trasformarsi in una detonazione• ad esempio, in una tubazione

• Una detonazione– è più probabile nel caso di esplosioni

confinate• ad esempio in serbatoi, tubazioni, edifici

Detonazione• Maggiore tendenza a detonare se:

– i limiti di infiammabilità sono ampi– ci sono tripli legami C≡C– c�è un confinamento (es. tubazione)– c�è una fonte d�ignizione potente– sono coinvolte alcune sostanze

acetilene, acetone, benzene, cicloesano,n-decano, etilene, idrogeno, metano,metanolo, naftalene, tricloroetilene

Deflagrazione e Detonazione• A parità di energia di esplosione

– presentano diversi andamenti della sovrapressione

• Deflagrazione – incremento lento fino al valore di

picco, quindi decremento graduale

• Detonazione– incremento rapidissimo fino al valore

di picco, quindi decremento costante

Deflagrazione • Andamento

della sovrapressione nel tempo

Detonazione • Andamento

della sovrapressione nel tempo

Onda di Pressione• Ad una certa distanza dall�esplosione

– una detonazione ed una deflagrazione presentano un fronte di pressione simile, anche se la forma iniziale dell�onda di pressione è diversa

– L�impulso di pressione, di formaqualunque (a), evolve più velocementedove P (e quindi T) è maggiore e si trasforma in (b) e (c).

Onda di Pressione

Onda di Pressione• Perde energia man mano che si allontana

dal centro dell�esplosione

La sovrapressione decresce in modo inversamente pro-porzionale al cubo della distanza

Onda di Pressione• Andamento dell�onda di pressione in

un punto fisso, in funzione del tempo

Tipi di Esplosioni

• Le tipologie di esplosioni di interesse negli impianti industriali sono:– Unconfined Vapor Cloud Explosion

(UVCE)– Esplosione fisica– Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion

(BLEVE)– Esplosione confinata

Tipi di Esplosioni

UVCE

• In caso di innesco di una nube di vapori o gas infiammabili con concentrazione maggiore di LFL– incendio o esplosione

• La probabilità che si abbia esplosione– è intorno al 10% per nubi grandi (10 t)– è più 1-0.1% per nubi piccole (circa 1 t)

UVCE

• Una UVCE è una deflagrazione – sovrapressione di picco

1 atm o meno– durata della fase positiva

20-100 ms

• La conseguenza più importante– di un incendio (flash fire) è la

radiazione termica– di un�esplosione (UVCE) è l�onda di

pressione

UVCE• Non si verifica UVCE

– se la quantità di infiammabile èinferiore a 500-1000 kg• circa 100 kg per sostanze molto reattive

(H2, C2H2)

• Una UVCE è più probabile– per sostanze con elevate velocità di

combustione– se la nube è confinata o ostacolata

nella dispersione

UVCE • Probabilità che una nuvola di

vapori infiammabile si inneschi:– 0.1 - 0.5 per rilasci consistenti (>10 t)– 0.0001 per piccole perdite

• In molti casi– la nube di vapori percorre meno di un

centinaio di metri prima di innescarsi– Il tempo trascorso prima dell�innesco

va da 10-20 s (per rilasci gassosi turbolenti) fino a più di 15 min

UVCE

• In una UVCE l�energia dell�onda di presssione– è solo una piccola parte dell�energia

resa teoricamente disponibile dalla combustione del combustibile che costituisce la nube

UVCE

• L�efficienza dell�esplosione– è generalmente compresa tra 1 e

10% ma può arrivare al 25%.

• Molto spesso si può assumere un�efficienza intorno al 3%– se il rilascio è molto rapido l�efficienza

si riduce (1%)

UVCE negli impianti chimici

Causa Esplosioni/annoimpianto

Serbatoi in pressione 10-5

Tubazioni 10-4

Pompe 10-2

Compressori 10-1

Reattori 10-2

Modelli di UVCE

• Equivalenza con un esplosivo– modello TNT equivalente

• Correlazione di UVCE osservate

– modello TNO• Modelli gas dinamici ideali

– modello acustico

Modello del TNT equivalente• Per applicare il modello:

– si applica un modello di dispersione per valutare le dimensioni della nube infiammabile

– si valuta la massa di infiammabile nella nube– si stima la quantità di TNT equivalente alla

nube– si legge sul diagramma il valore della distanza

scalata Z corrispondente al valore di sovrapressione di interesse

– si deriva la corrispondente distanza effettiva

Modello del TNT equivalente

Modello del TNT equivalente• Suume che l�infiammabile equivalga

a TriNitroToluene:

W = massa di TNT equivalente all'infiammabile (kg)M = massa di materiale infiammabile rilasciata (kg)η = efficienza dell'esplosione (compresa tra 0.01 e 0.1)Ec = calore di combustione del gas infiammabile (kJ/kg)EcTNT = calore di combustione del TNT (circa 4600 kJ/kg)

cTNTEcEM

Wη

=

Modello del TNT equivalente• Le grandezze caratteristiche del

modello sono riportate in diagrammi in funzione delladistanza scalata Z:

R = distanza dall�esplosioneW = massa del TNT equivalente

31

W

R = Z

Modello del TNT equivalente • Il suolo forma una barriera al

propagarsi dell�esplosione– è in grado di assorbire fino al 50%

dell�energia di esplosione

• In simmetria emisferica– l�energia dell�onda d�urto è 1-2 volte

quella che si ha in simmetria sferica, dipendentemente dalla quota

Modello del TNT equivalente • In caso di esplosioni in prossimità

del suolo, occorre tenere conto di un fattore moltiplicativo pari a:– 1.5-2 per TNT– 2 per UVCE– 2 per esplosioni confinate


Carica in aria


Carica superficiale

Altri Modelli• Il modello di correlazione del TNO

– si applica a gran parte dei materiali dimedia reattività

– fornisce le distanze in corrispondenza di 4 livelli di sovrapressione secondo una legge a potenza che utilizza la massa di infiammabile nella nube

Altri Modelli• Il modello acustico

– assimila il fronte di pressione ad un pistone di fluido in espansione

– Per basse pressioni di picco il modello acustico prevede valori maggiori del modello TNT

Esplosione Fisica

• Quando si rompe un recipiente che lavora in pressione l�energia accumulata viene rilasciata come:– energia cinetica dei frammenti– energia dell�onda di pressione– energia dissipata

• riscaldamento dell�aria

– energia potenziale dei frammenti• energia di deformazione plastica dei

frammenti

Esplosione Fisica

Esplosione Fisica• E� difficile determinare come l�energia

si distribuisce tra i vari termini – cambia durante l�esplosione– l�onda di pressione sfrutta il 40-80%

dell�energia • valori maggiori in caso di frattura fragile

– l�energia cinetica dei frammenti sfruttaquasi tutta l�energia rimanente

Esplosione Fisica• Un�esplosione fisica può originare da:

– guasto del sistema di regolazione e/o di sfiato della pressione;

– riduzione dello spessore del recipiente• corrosione, erosione, attacco chimico

– riduzione della resistenza del recipiente• surriscaldamento• difetti del materiale, con sviluppo di cricche• attacco chimico particolare (corrosione da

stress)

Esplosione FisicaTipo Energia dell�onda

di pressioneRecipiente per gas Espansione di gasRecipiente per liquido(T<Tebollizione)

Espansione di gasnello spazio vapore;fuoriuscita di liquido

Recipiente per liquido(T>Tebollizione)

Espansione di gas;flash ed evaporazione

del liquido

Modello del TNT equivalente• Per un gas ideale che si espande in modo

isotermo, l�energia rilasciata è:

W = energia in libbre di TNT V = volume gas compresso (ft3)P0 = pressione di rif, 14.7 psia T0 = temperatura di rif., 492°RT1 = temperatura del gas compresso, °RP1 e P2 = pressione iniziale e finale del gas compresso (psia)R = costante dei gas, 1.987 Btu/lb mol °R; 1.4 x 10-6 = fattore di conversione (1 lb TNT = 2000 Btu)

PP T R

TT

PP V 10 x 1.4 = W

2

11

1

0

0

16- ln

Modello del TNT equivalente• Pressione di scoppio sulla superficie

del recipiente che esplode:

Ps = pressione sulla superficie del recipiente, barPb = pressione di scoppio, bar γ = rapporto dei calori specifici Cp/Cv (1.2-1.7)T = temperatura assoluta , KM = peso molecolare del gas lb/lb mole

) P 5.9 + 1 ( M)/ T (

1) - P ( ) 1 - ( 3.5 - 1 P = Ps

s 1 - 2-

sb γγ γ

γ

Lancio di Frammenti

• Il maggior pericolo è costituito dal lancio di frammenti– velocità iniziale dei frammenti

• da grafici o in modo semplificato

u = velocità iniziale (ft/s) P = pressione rottura, psigD = diametro frammento, in W= peso frammento, lb

WDPu

305.2=

Lancio di Frammenti

Coefficienti di Attrito

Velocità dei Frammenti

Altri Modelli

• Esistono espressioni semplificate:

r = distanza,w = massa di TNT, kg

• Il TNO considera come punti tipici di rottura gli attacchi del recipiente:– i frammenti sono per lo più costituiti da

bocchelli, valvole, ecc.

31

120 wr =

BLEVE• Rottura catastrofica di un recipiente

in pressione che contiene liquido surriscaldato o gas liquefatto– La causa più frequente è una fiamma che

colpisce il recipiente al di sopra del livello del liquido. • La temperatura del metallo aumenta e la sua

resistenza meccanica diminuisce fino a che non si ha una rottura improvvisa

• le valvole di sicurezza non proteggono contro il BLEVE perché la pressione nel recipientenon aumenta fino a che c�è liquido all�interno

BLEVE e GPL

• Il GPL è il prodotto coinvolto più frequentemente in esplosioni BLEVE– I serbatoi per GPL sono progettati per

una pressione operativa di 17 atm, con un fattore di sicurezza pari a 4 rispetto al carico di rottura

– Data la riduzione della resistenza con la temperatura, il recipiente cede quando la superficie non a contatto con il liquido è a circa 650°C e la pressione è di 20-27 atm

BLEVE e Fireball• Quando si verifica il BLEVE

– il liquido surriscaldato o il gas liquefatto subisce un flash ed aumenta di volume (più di 100 volte) generando un�onda di pressione

– Se il liquido è infiammabile e trova un innesco si può verificare un fireball

– In ogni caso un BLEVE origina unlancio di frammenti

BLEVE• Effetti dell�onda di pressione

– modesti e limitati agli apparecchi più vicini (effetto domino)

• Effetti più pericolosi– lancio di frammenti, a distanze che

possono arrivare anche a 1 km• I frammenti sono scagliati per lo più in

direzione dell�asse del recipiente

Numero di Frammenti

Distanza dei Frammenti

Esplosioni Confinate• L�energia viene rilasciata all�interno

di recipienti o edifici• Esplosioni confinate negli impianti

industriali possono originare da:– esplosioni da polveri– reazioni �fuggitive�– reazioni di combustione/decomposizione– esplosioni di vapori infiammabili in

recipienti o all�interno di edifici

Esplosioni Confinate

Esplosioni Confinate• Nel caso di una miscela gassosa

infiammabile in un recipiente o in una tubazione– deflagrazione o detonazione

• Nel caso di un�esplosione da polveri– quasi sempre una deflagrazione

Esplosioni Confinate• Valvole di sicurezza

– sono inefficaci a proteggere dalle detonazioni

• Le esplosioni confinate causano principalmente – onde di pressione– proiezione di frammenti


• Picco massimo di pressione (per una deflagrazione) :

M = peso molecolare della miscela gassosaN = numero di moli della miscela gassosaT = temperatura assoluta (K)P = pressione assoluta max = valore di picco1 = nello stato iniziale 2 = nello stato finale

T MT M =

T NT N =

PP

12

21

11

22

1

)2( max


• Per miscele idrocarburi-aria– P2/P1 ≅ 8

• Esplosione del recipiente– se la pressione di picco supera quella

di scoppio del recipiente

Esplosioni Confinate• In sistemi interconnessi si può

verificare il "pressure piling�:– Quando la pressione sale nel

recipiente A, la temperatura e la pressione aumentano nel recipiente B, ad esso collegato, che a sua volta può innescare ulteriori aumenti della pressione di esplosione

Esplosioni da Polveri• Sono generalmente deflagrazioni• Si sono verificate in:

– macinazione della farina– stoccaggi di grano– miniere di carbone

• talvolta detonazioni

• Prodotti coinvolti:– legno, carbone, alimenti, materiali

plastici, prodotti chimici, ecc.

Esplosioni da Polveri• Effetti di esplosioni da polveri:

– rapido rilascio di calore– aumento di pressione– espansione di gas caldi

• Sequenza tipica– in gran parte dei casi l�esplosione

iniziale distrugge una parte di impianto– ciò causa la fuoriuscita di altra polvere– spesso c�è una seconda esplosione più

vasta e devastante della prima

Effetto UVCE

Effetto BLEVE

Effetto delle Esplosioni• Le esplosioni hanno effetti in

termini di:– onda di sovrapressione– lancio di frammenti– sviluppo di calore e prodotti di

combustione

• Essi si esplicano su – strutture– persone

Effetto delle Esplosioni

Effetti sulle Strutture

• Si può assumere che la struttura sia soggetta ad uno spostamento elastico, massimo al tempo te:

Pmax = pressione massimare = massima resistenza elastica

rP

4T = t

ee

max


• T è il periodo naturale della struttura (s), che si ottiene da:

B = larghezza della struttura (ft)H = altezza della struttura (ft)

BH 0.05 = T


• La resistenza in condizioni dinamiche è maggiore di quella statica di un fattore funzione del tempo te, – per l'acciaio:

• 1.58 per te < 5.5 ms• 1.15 per te = 100 ms

– per il cemento armato: • 1.38 per te < 10 ms

Effetti sulle Strutture• Entità dei danni

– dipende dalla rapidità con cui le strutture rispondono al carico• sono favorite le strutture piccole e leggere

• La resistenza del materiale aumenta enormemente se esso è duttile– Duttilità: rapporto tra la deformazione

totale prima della frattura e la deformazione elastica:• per materiali duttili (acciaio, cemento

armato) può superare il valore di 20

Effetti Domino• Sono rappresentati dai danni

causati da un�esplosione in altra parte dell�impianto o di impianti limitrofi, con ulteriore fuoriuscita di sostanze pericolose– Nel caso delle esplosioni gli effetti

domino sono dovuti essenzialmente a• sovrapressione• lancio di frammenti

Effetti sulle Persone

• Gli effetti del calore sono stati esaminati trattando gli incendi– i prodotti di combustione sono caldi e

possono essere tossici

• L�esplosione causa– sovrappressione– lancio di schegge– spostamento del corpo


• La sovrapressione può causare danni fisici permanenti– rottura del timpano– morte per emorragia polmonare

• La sovrapressione che causa l�emorragia polmonare è superiore a quella di distruzione degli edifici– i crolli costituiscono la causa di morte

più probabile

Effetti sulle Persone• Equazioni di probit

– emorragia polmonare:

– rottura del timpano:

Y = probit (quando Y= 5 la probabilità dell�effetto = 50%)

p0 = sovrapressione (atm)

p 6.91 + 77.1- = Y 0ln

p 1.93 + 15.6- = Y 0ln


• Una scheggia è in grado di causare la morte dipendentemente da– dimensioni– energia di impatto– punto di impatto

• Lo spostamento del corpo può pure causare la morte– urto contro strutture dure o appuntite

Tipo di lesione Sovrapressione(atm)

Lacerazione della pelle 0.07-0.14Ferita leggera 0.14-020Lievi danni alle strutture 0.48-0.54


Danni provocati da un frammento di vetro da 10 g

Danno Sovrapressione(atm)

Gravi danni 0.35Danni riparabili 0.1Rottura vetri 0.05Rottura 10% vetri 0.02

Effetti su Edifici Residenziali

I danni dipendono anche dalla durata dell�onda d�urto

– per una tipica UVCE 10-100 ms

Danno Sovrapressione(atm)

Rumore fastidioso (137 dB) 0.001Rottura vetri 0.01Lievi danni alle strutture 0.03Parziale demolizione abitazioni 0.1Collasso strutture in metallo e cemento 0.2Strutture di acciaio divelte 0.3Distruzione completa abitazioni 0.5Emorragia polmonare 1

Effetti delle Esplosioni

Effetti in Aree Edificate

Effetto delle EsplosioniEmorragia Polmonare

Effetto delle EsplosioniRottura del Timpano

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