Valutazione Rischio Esplosione Incendio SS Elettriche - Relazione CESI

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 1/64

CESI Via R. Rubattino 54 Capitale sociale 8 550 000 Euro Registro Imprese di Milano Centro Elettrotecnico 20134 Milano - Italia interamente versato Sezione Ordinaria Sperimentale Italiano Telefono +39 022125.1 Codice fiscale e numero N. R.E.A. 429222

Cliente Ricerca di Sistema (secondo periodo)

Oggetto Metodologie per la valutazione del rischio di esplosione e incendio in sottostazioni elettriche: stesura di linee guida.

Ordine L17946G

Note SISET/ SICIM/ workpackage 3/ milestone 3.5 Rapporto 1/1 della milestone

La parziale riproduzione di questo documento è permessa solo con l'autorizzazione scritta del CESI.

N. pagine 64

Data 30/12/2005

Elaborato PEC RS F.Chillè

Verificato ISM G.Mazzà

Approvato ISM G.Mazzà

Giacinto Motta SpA Fax +39 0221255440 iscrizione CCIAA 00793580150 P.I. IT00793580150 www.cesi.it


Indice

SOMMARIO............................................................................................................................................. 4

1 INTRODUZIONE ............................................................................................................................ 5

1.1 CONSIDERAZIONI PRELIMINARI .................................................................................................. 5 1.2 COMPONENTI A RISCHIO ESPLOSIONE E INCENDIO NEGLI IMPIANTI DI POTENZA ....................... 5 1.3 IMPIANTI INTERRATI ................................................................................................................... 6 1.4 RISCHIO ASSOCIATO ALLE CONDIZIONI DI CARICO ED ETÀ DEL MACCHINARIO ......................... 6 1.5 OLIO USATO NEI TRASFORMATORI DI POTENZA ......................................................................... 7

2 SCENARI INCIDENTALI DI RIFERIMENTO .......................................................................... 8

2.1 ESPLOSIONE PRIMARIA E SCENARI INCIDENTALI CONSEGUENTI ................................................ 8 2.2 ESPLOSIONE SECONDARIA - DETERMINAZIONE DEL VOLUME DI OLIO NEBULIZZATO DISPERSO8 2.3 POOL FIRE – DETERMINAZIONE DEL VOLUME DI OLIO LIQUIDO DISPERSO ................................ 9 2.4 IMPATTO DELL’ESPLOSIONE SECONDARIA SULLO SCENARIO DI POOL-FIRE............................... 9

3 NOZIONI GENERALI INERENTI IL RISCHIO ESPLOSIONE ........................................... 11

3.1 ESPLOSIONE, DEFLAGRAZIONE, DETONAZIONE ...................................................................... 11 3.2 STIMA DEGLI EFFETTI DI UN’ESPLOSIONE IN FUNZIONE DEL VALORE DELLE SOVRAPRESSIONI12 3.3 CARATTERISTICHE DI UNA MISCELA ESPLOSIVA ...................................................................... 12 3.4 CARATTERIZZAZIONE DELLA MISCELA ESPLOSIVA PER LO SCENARIO DI ESPLOSIONE

SECONDARIA............................................................................................................................. 14 3.4.1 Reazione di pirolisi dell’olio indotta dal guasto elettrico................................................ 14 3.4.2 Valutazione del quantitativo di gas rilasciato.................................................................. 14 3.4.3 Valutazione del quantitativo di olio nebulizzato .............................................................. 14 3.4.4 Composizione e proprietà di combustione della miscela gassosa.................................... 15

3.5 ASPETTI FENOMENOLOGICI E DI MODELLAZIONE DEI PROCESSI DI COMBUSTIONE RAPIDA..... 15 3.5.1 Carattere del transitorio termodinamico ......................................................................... 15 3.5.2 Rilascio e dispersione della miscela esplosiva................................................................. 15 3.5.3 Tempo di agnizione .......................................................................................................... 16 3.5.4 Approcci metodologici per la stima della severità di esplosione..................................... 16 3.5.5 Venting.............................................................................................................................. 16 3.5.6 Ventilazione ...................................................................................................................... 17

4 TECNICHE DI MITIGAZIONE DEL RISCHIO ESPLOSIONE............................................ 18

4.1 STRATEGIE DI INTERVENTO ...................................................................................................... 18 4.2 SISTEMI DI PREVENZIONE DALLE ESPLOSIONI .......................................................................... 20

4.2.1 Introduzione...................................................................................................................... 20 4.2.2 Parametri di progetto per la protezione mediante inibizione tramite riduzione

dell’ossidante.................................................................................................................... 21 4.2.3 Influenza della pressione e della temperatura ................................................................. 21 4.2.4 Diluizione con gas inerti .................................................................................................. 22 4.2.5 Riduzione della concentrazione dell’ossidante ................................................................ 22 4.2.6 Riduzione della concentrazione di combustibile .............................................................. 22

4.3 SISTEMI DI PROTEZIONE DALLE ESPLOSIONI............................................................................. 23 4.3.1 Introduzione...................................................................................................................... 23

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4.3.2 Sistemi di sfogo delle esplosioni (venting) ....................................................................... 23 4.3.3 Sistemi di contenimento ed isolamento delle esplosioni................................................... 26

4.4 SISTEMI DI SOPPRESSIONE DELLE ESPLOSIONI.......................................................................... 29 4.4.1 Considerazioni preliminari .............................................................................................. 29 4.4.2 Parametri di progetto per il sistema di soppressione...................................................... 29 4.4.3 Agenti utilizzabili per la soppressione dell’esplosione .................................................... 30 4.4.4 Sistemi di soppressione ad alto tasso di rilascio.............................................................. 31 4.4.5 Efficienza dei sistemi di soppressione .............................................................................. 31

5 TECNICHE DI MITIGAZIONE DEL RISCHIO INCENDIO................................................. 33

5.1 SISTEMI DI PROTEZIONE DAGLI INCENDI .................................................................................. 33 5.1.1 Disposizioni costruttive .................................................................................................... 33 5.1.2 Sistemi di contenimento ed isolamento degli incendi....................................................... 33

5.2 SISTEMI DI ESTINZIONE DEGLI INCENDI.................................................................................... 34 5.2.1 Considerazioni preliminari .............................................................................................. 34 5.2.2 L’acqua come mezzo d’estinzione .................................................................................... 34 5.2.3 Sistemi d’estinzione basati sull’azione di grandi volumi d’acqua ................................... 35 5.2.4 Sistemi d’estinzione basati sull’azione di schiume (foam) ............................................... 35 5.2.5 Sistemi d’estinzione basati sull’azione di gas .................................................................. 35 5.2.6 Sistemi d’estinzione basati sull’azione di polveri............................................................. 36

6 PRINCIPALI ASPETTI E PARAMETRI DETERMINANTI NELLA VALUTAZIONE DEI LIVELLI DI RISCHIO ESPLOSIONE ED INCENDIO ........................................................... 38

6.1 METODOLOGIA PER LA QUANTIFICAZIONE DEL RISCHIO.......................................................... 38 6.1.1 Severità/Gravità ............................................................................................................... 38 6.1.2 Probabilità di guasto........................................................................................................ 38 6.1.3 Rilevabilità ....................................................................................................................... 38 6.1.4 Rischi considerati e relativi RPN ..................................................................................... 39

6.2 DATI GENERALI RELATIVI ALLA SOTTOSTAZIONE.................................................................... 39 6.3 DATI RELATIVI AL COMPONENTE ............................................................................................. 40 6.4 DATI RELATIVI ALL’ESTENSIONE DELLE ZONE A RISCHIO ESPLOSIONE E/O INCENDIO............. 41 6.5 DATI RELATIVI AD EVENTUALI BARRIERE ANTIPROIETTILE/ANTIESPLOSIONE ........................ 43 6.6 DATI RELATIVI AD EVENTUALE IMPIANTO DI INERTIZZAZIONE ............................................... 43 6.7 DATI RELATIVI AD EVENTUALE IMPIANTO DI SOPPRESSIONE DELL’ESPLOSIONE..................... 44 6.8 DATI RELATIVI AD EVENTUALI DISPOSITIVI DI VENTING.......................................................... 44 6.9 DATI RELATIVI AD EVENTUALI BARRIERE TAGLIAFUOCO ........................................................ 45 6.10 DATI RELATIVI AD EVENTUALE IMPIANTO DI ESTINZIONE INCENDIO....................................... 45 6.11 DATI RELATIVI A DISPOSIZIONI COSTRUTTIVE PER LA MITIGAZIONE DEL RISCHIO INCENDIO.. 46

7 CONCLUSIONI ............................................................................................................................. 47

8 RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI .............................................................................................. 48

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CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 4/64 STORIA DELLE REVISIONI Numero revisione

Data Protocollo Lista delle modifiche e/o dei paragrafi modificati

0 30/12/2005 A5055895 Prima emissione SOMMARIO

Nella presente relazione vengono illustrate le attività svolte nell’ambito del Progetto di Ricerca di Sistema SISET “Sicurezza degli impianti del sistema elettrico e interazione con il territorio“– Sottoprogetto SICIM “Sicurezza di centrali, stazioni elettriche e impianti nei riguardi di incendi ed esplosioni” - Work Package 3 “Esplosione ed incendio in sottostazioni elettriche” – Milestone 3.5 “Metodologie per la valutazione del rischio di esplosione e incendio in sottostazioni elettriche: stesura di linee guida”. Le conoscenze acquisite nell'ambito del WP3 “Esplosione ed incendio in sottostazioni elettriche”, corredate da una serie di informazioni raccolte su casi incidentali effettivamente verificatisi in sottostazioni elettriche e sulle tipologie di interventi adottati dai gestori per il breve e il medio-lungo termine, sono presentate nel presente documento di sintesi che può costituire una linea guida per il progetto di sottostazioni e cabine elettriche di nuova concezione (dal punto di vista della ridotta vulnerabilità nei riguardi degli effetti potenzialmente prodotti da scoppi e incendi) e per la verifica/adeguamento di impianti esistenti.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 5/64 1 INTRODUZIONE

1.1 Considerazioni preliminari I macchinari elettrici isolati in olio (trasformatori di potenza, i cavi isolati in olio, i cavi di connessione) costituiscono dei componenti critici all’interno di un impianto di potenza, in quanto possono essere causa di scenari incidentali (esplosione, incendio) associati ad un alto livello di rischio, sia all’interno che all’esterno dell’impianto. Questa criticità è particolarmente significativa per apparecchiature di potenza alloggiate in impianti in caverna o in sottostazioni urbane. L’innesco di una esplosione o di un incendio è la conseguenza di guasti o di errori umani. Il guasto tecnico è normalmente causato da un malfunzionamento di un componente, la cui origine può essere di natura progettuale o dovute alla non perfetta realizzazione del manufatto o al suo deterioramento. L’errore umano può nascere in conseguenza di una manovra errata o ad una cattiva manutenzione in fase d’esercizio. Il potenziale rischio d’incendio è legato alla elevata quantità d’olio minerale presente. Il potenziale rischio di esplosione invece è legato alla quantità di olio dissociato per effetto dell’arco elettrico interno, ed alla quantità di olio nebulizzato fuoriuscente dall’involucro del componente durante la fase di esplosione primaria.

1.2 Componenti a rischio esplosione e incendio negli impianti di potenza Facendo riferimento a quei componenti d’impianto che utilizzano l’olio quale refrigerante e/o isolante, è possibile evidenziare diverse aree dell’impianto da ritenersi critiche ai fini del rischio d’incendio e/o esplosione: • Trasformatori di potenza: nonostante il primo trasformatore sia stato realizzato da più di un secolo, e

quelli attualmente in uso hanno sono stati sviluppati concettualmente da più decenni, nessun cambiamento sostanziale all’idea originaria è stato fino ad ora apportato. Come ricordato il trasformatore contiene una elevata quantità di olio; in caso di guasto interno (arco interno), parte dell’olio si decompone in diversi prodotti gassosi quali idrogeno, acetilene, etilene, e monossido di carbonio, con un considerevole aumento della pressione all’interno della macchina. Se la sovrapressione generatesi provoca il cedimento strutturale della cassa, una miscela d’olio nebulizzato e gas può essere rilasciata nell’ambiente circostante; in presenza di una sorgente d’iniezione si può innescare un processo di combustione che può evolvere in una esplosione e/o incendio.

• Cavi di potenza: i cavi di potenza isolati in olio costituiscono un potenziale rischio d’incendio; tali cavi contengono fino a 10 litri di olio minerale volatile per metro ed operano a temperature di circa 90 °C. Archi interni, manutenzione deficitaria non dovrebbero avere alcuna influenza sulla sicurezza di questi componenti. Solo un danno meccanico se prodotto accidentalmente può causare l’innesco di un arco interno, un aumento della temperatura, o peggio la fuoriuscita di un certo quantitativo d’olio e l’innesco di un successivo incendio.

• Giunzioni e terminali dei cavi di potenza: giunzioni e terminali dei cavi costituiscono un potenziale alto rischio. Guasti di natura meccanica possono insorgere su questi componenti a seguito di stress meccanici originati da scarsa manutenzione o dall’interazione con altri componenti. L’incidente presso la centrale in Zambia di Kafue Gorge (1989) ebbe origine da un guasto in tali giunzioni. Terminali che connettono i cavi con componenti isolati in olio, costituiscono un potenziale rischio d’esplosione (incidente alla centrale norvegese di Tonstad avvenuto nel 1973, incidente alla centrale di Roncovalgrande avvenuto nel 1988).

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 6/64 • Trasformatori non di potenza: anche i trasformatori ausiliari possono essere a potenziale rischio

d’incendio e/o esplosione. • Interruttori: per molti anni questi componenti, tra i più importanti nel funzionamento di un impianto

di potenza, sono stati oggetto ed origine d’incidenti (un interruttore che opera a 12KV contiene approssimativamente 100 kg d’olio, equivalente ad un quantitativo d’energia pari a 1.1 MWh). In questi dispositivi il processo di vaporizzazione dell’olio generato dal passaggio dell’arco elettrico (arco presente in fase di apertura/chiusura del circuito), veniva utilizzato quale mezzo estinguente dello stesso. I recenti sviluppi tecnologici hanno tuttavia migliorato l’affidabilità di tali dispositivi, soprattutto dopo l’introduzione di interruttori a basso contenuto d’olio o isolati in gas.

• Interruttori a basso contenuto d’olio: questi dispositivi che usano ancora l’azione dell’olio per estinzione dell’arco, sono estremamente complessi per quanto concerne l’aspetto meccanico, la scelta dei materiali, le temperature e pressioni d’esercizio. L’uso di questi tipi di interruttori non ha comunque impedito il verificarsi di alcuni incidenti: un interruttore che opera a 10kV contiene circa 10 kg d’olio e rappresenta comunque una considerevole rischio d’incendio e/o esplosione.

1.3 Impianti interrati Il livello di rischio associato alle persone ed alle apparecchiature, così come le conseguenze di un ipotetico evento incidentale, sono notevolmente più alti per un impianto posto in ambiente confinato (centrale idroelettrica in caverna, sottostazione interrata o alloggiata in un edificio) rispetto ad uno convenzionale (posizionato cioè all’aperto). L’impianto convenzionale prevede in generale il posizionamento dei trasformatori in luoghi non confinati, l’utilizzo di adatte misure di contenimento (barriere anti-esplosione o tagliafuoco), e di specifiche vie di fuga per il personale; tali scelte in generale non comportano costi aggiuntivi di realizzazione. Tali impianti non prevedono l’installazione, nella aree in cui si trovano alloggiati i trasformatori di potenza, di specifici sistemi di mitigazione e soppressione dell’esplosione e/o incendio. Assai differente è la situazione per gli impianti idroelettrici in caverna o le stazioni elettriche interrate. In generale i volumi degli ambienti, dei tunnel e delle altre aree sono il più possibile ridotti al fine di minimizzare i costi in fase di realizzazione; ciò comporta ovviamente un aumento del livello di rischio in caso di incendio e/o esplosione. Una soluzione che a livello di design è frequentemente adottata, e che non va nel senso delle sicurezza dell’impianto, è quella di posizionare le celle trasformatori in prossimità dei tunnel d’accesso, in modo da facilitare le operazioni di posizionamento ed eventuale rimozione dei trasformatori in fase di manutenzione; in presenza di un incendio e/o esplosione, le vie d’accesso risultano quindi zone ad elevato rischio. Aree di particolare criticità per gli impianti sotterranei sono normalmente le celle trasformatori, i tunnel di accesso a tali celle, le vie in cui sono posizionati i cavi ad alto voltaggio, i sistemi di ventilazione. Le vie di fuga costituiscono sicuramente il maggior problema per questi impianti: infatti i lunghi tunnel d’accesso ai diversi locali dell’impianto possono costituire delle efficaci vie di propagazione delle sovrapressioni generate da un evento esplosivo.

1.4 Rischio associato alle condizioni di carico ed età del macchinario L’apertura del mercato elettrico a diversi operatori e la conseguente deregulation del settore ha cambiato profondamente il modo di operare della maggior parte delle centrali per la produzione di energia elettrica. I fattori economici e le condizioni di vendita a breve termine hanno imposto di modificare le condizioni di carico, passando da un funzionamento a carico pressoché costante, ad un regime in cui risultano frequenti le variazioni del carico, con numerosi stop/restart del macchinario, e successivi

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 7/64 lunghi periodi di funzionamento in condizioni si sovraccarico. Ovviamente queste condizioni operative influenzano considerevolmente la vita di un trasformatore, aumentando la probabilità di guasto. L’invecchiamento interessa principalmente due componenti ritenuti critici per il trasformatore di potenza: la carta e l’olio isolante; cambiamenti nei livelli di temperatura, pressione, ossigeno, acqua, acidità e stress meccanici, sembrano essere gli elementi che contribuiscono maggiormente al processo di invecchiamento. Se da un lato una sostituzione dell’olio sembra avere effetti marginali sulla vita residua di un trasformatore, il rischio associato a cambiamenti sostanziali nella stabilità meccanica del sistema d’isolamento, sembra invece essere reale. Infatti parametri quali la dimensione delle fibre della carta così come la loro struttura meccanica, sembrano essere i fattori chiave alla base del processo d’invecchiamento del trasformatore. Altro elemento critico che determina la rapida decomposizione dell’olio isolante, con conseguente deterioramento delle proprietà isolanti, è il contenuto d’acqua presente nella carta, che deve essere mantenuto più basso possibile. La principale fonte di rischio è costituita da eccessivi stress meccanici, da eventuali movimenti delle spire e da modificazioni a carico dell’isolamento. Sia gli stress meccanici che i movimenti delle spire trovano origine in variazioni delle condizioni di carico.

1.5 Olio usato nei trasformatori di potenza I grandi trasformatori di potenza rappresentano un elevato potenziale energetico ai fini dello svilupparsi di un incendio (100 ton di olio minerale equivalgono ad un potenziale sviluppo d’energia di 1000 GWh). Oltre al potenziale rischio di incendio, la dissociazione dell’olio minerale è origine di una miscela gassosa altamente reattiva la quale, a contatto con l’aria ed in presenza di una sorgente d’ignizione, può essere causa d’innesco di un evento esplosivo con potenziale danno per il personale e per l’integrità dell’impianto. In un trasformatore circa il 7% dell’olio di riempimento impregna la carta usata come isolante. Anche se la sostituzione nella macchina dell’olio esausto con uno nuovo non dovrebbe in alcun modo aver influenza sulle prestazioni del trasformatore, non si può a priori escludere un cambiamento nelle proprietà isolanti e meccaniche della carta. In generale risulta difficile valutare le condizioni dell’olio in un trasformatore che ha operato per lungo tempo; di fatto anche se notevoli miglioramenti sono stati apportati alle qualità dell’olio isolante/refrigerante, esso costituisce ancora un elemento critico all’interno della macchina. Gli oli siliconici sono caratterizzati dall’avere un alto punto di infiammabilità e di trattenere meglio l’acqua in sospensione, rallentando così il processo di invecchiamento. Lo svantaggio di questi oli, se comparati ai normali oli minerali, è il costo; il prezzo di un olio isolante basato su esteri o acidi grassi è dalle 6 alle 8 volte quello di un normale olio minerale.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 8/64 2 SCENARI INCIDENTALI DI RIFERIMENTO

2.1 Esplosione primaria e scenari incidentali conseguenti La progressiva pressurizzazione dell’involucro di un componente elettrico isolato in olio per effetto della reazione di pirolisi provocata da un arco interno (Fig. 1) può portare al cedimento dell’involucro stesso, in termini sia di perdita di tenuta o rottura delle connessioni flangiate che di lacerazione di cordoni di saldatura. Lo stato di pressurizzazione presente all’interno dell’involucro provoca la fuoriuscita violenta per effetto pneumatico di getti d’olio allo stato liquido, e di una miscela gassosa composta dai prodotti gassosi della pirolisi frammisti a una frazione di olio nebulizzato. Nel caso di involucri costituiti da materiale ceramico, caratterizzato da un comportamento a rottura di tipo fragile, la rottura per pressurizzazione interna comporta la frammentazione di parti considerevoli dell’involucro, con proiezione di frammenti nell’intorno del componente. Un problema analogo dal punto di vista della sicurezza è costituito dalla presenza di parti giuntate a rottura preferenziale (passanti, passi d’uomo, …) che possono distaccarsi dal corpo principale dell’involucro durante l’esplosione primaria, ed essere proiettate nell’intorno del componente. Questa serie di eventi forma il quadro incidentale indicato come “esplosione primaria” (Fig. 2). A seguito dell’esplosione primaria possono svilupparsi due diversi scenari incidentali, fra loro interdipendenti (Fig. 3, Fig. 4): • ignizione della fase liquida dell’olio fuoriuscente dalla cassa: scenario di pool fire. • ignizione della nube gassosa composta dall’olio nebulizzato e dai prodotti gassosi della pirolisi,

miscelati con l’aria: scenario di esplosione secondaria. Lo scenario pool fire è il più frequente, ben conosciuto e comunemente considerato in fase di progettazione dell’impianto. L'evento esplosivo può avere gravi effetti nel caso di centrali in caverna o stazioni interrate e/o alloggiate in edifici civili: la pressione generata dall’esplosione si propaga in tutti gli ambienti comunicanti con il vano in cui questa si origina, attraverso vani transitabili (corridoi, passaggi,…), aperture (porte, finestre, griglie di areazione,…), condotti, cunicoli. La propagazione incontrollata dell’onda di pressione si traduce in un rischio per le persone, le apparecchiature, le strutture da essa investite (Fig. 5). Malgrado la sua minor probabilità, lo scenario esplosione secondaria è più critico rispetto ai problemi di sicurezza, essendo correlato ad effetti potenziali più pericolosi; in particolare, la mancata presa in considerazione di tale scenario può tradursi in un considerevole aumento dei rischi correlati ad un successivo scenario di pool fire, a causa delle notevoli variazioni delle condizioni al contorno in cui l’incendio si viene realmente a sviluppare rispetto a quelle considerate in sede di progetto (apertura di porte, cedimento di griglie, cedimento parziale o totale di elementi resistenti al fuoco ma non resistenti all’esplosione).

2.2 Esplosione secondaria - Determinazione del volume di olio nebulizzato disperso L’esplosione primaria del componente (intesa come repentino cedimento dell’involucro esterno provocato dall’incremento di pressione interna conseguente al guasto elettrico) è un evento estremamente rapido, caratterizzato dalla fuoriuscita di olio e gas prodotti dalla pirolisi, sia attraverso giunzioni o flange bullonate, sia attraverso squarci formatisi per lacerazione della lamiera, rottura di saldature o cedimento di giunzioni di assemblaggio. A tutt’oggi, lo sviluppo di metodologie per la stima del quantitativo di olio (sia allo stato liquido che nebulizzato) rilasciato durante l’evento di esplosione primaria, rappresenta un tema di ricerca. In linea generale, una stima accurata presuppone un’ottima schematizzazione del comportamento meccanico a rottura dell’involucro in regime di dinamica veloce.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 9/64 E’ bene sottolineare come in situazione di parziale o totale confinamento, un’esplosione secondaria che avvenga in una cella di qualche centinaio di metri cubi di volume può provocare effetti critici già per un quantitativo di olio nebulizzato pari a qualche litro. In tal senso il volume totale di olio contenuto nell’involucro non è di per sé minimamente rappresentativo del grado di rischio a fronte di eventuali scenari di esplosione secondaria; di fondamentale importanza sono invece il livello di pressurizzazione raggiungibile all’interno dell’involucro prima del suo cedimento, e la forma ed estensione delle aree di perdita; particolarmente critici risultano gli involucri caratterizzati da un’alta tenuta alle sovrapressioni interne e contenenti volumi d’olio relativamente limitati, che in caso di rottura possono essere pressoché totalmente nebulizzati. In ogni caso, il contributo energetico legato all’olio nebulizzato nello scenario di esplosione secondaria deve essere tenuto in conto in modo adeguato, rivestendo un’importanza per lo meno paragonabile, e spesso preponderante, rispetto agli effetti dei soli prodotti gassosi della pirolisi.

2.3 Pool fire – Determinazione del volume di olio liquido disperso Anche la caratterizzazione del pool-fire generato dall’esplosione primaria è strettamente correlata al comportamento dinamico dell’involucro esterno ed alla sua modalità di rottura, da cui dipendono l’estensione e la quantità di olio disperso. Altro fattore determinante è la quantità di olio liquido che, successivamente al cedimento del componente, può fuoriuscire dalle aree di perdita senza essere captato e convogliato in opportune vasche di raccolta. In linea di massima lo scenario di pool-fire riveste carattere di severità solo a partire da quantità di olio liquido disperso dell’ordine di qualche decina di litri. Un aspetto che merita particolare attenzione è quello legato alla produzione di sostanze tossiche in condizioni di combustione parziale, che aumenta al peggiorare delle condizioni di combustione. Ne risulta che tentativi di estinzione delle fiamme estemporanei possono risultare critici ai sensi della produzione di sostanze tossiche.

2.4 Impatto dell’esplosione secondaria sullo scenario di pool-fire Fra le due tipologie di scenari incidentali conseguenti l’esplosione primaria, lo scenario di pool fire è il più frequente, ben conosciuto e comunemente considerato in fase di progettazione dell’impianto. Tuttavia gravi danni conseguenti all’azione del fuoco sono da attendersi in situazioni in cui l’avvenire di un’esplosione secondaria precedentemente all’innesco dell’incendio può notevolmente variare le condizioni al contorno in cui l’incendio stesso si viene realmente a sviluppare, rispetto a quelle considerate in sede di progetto. Ciò vale per tutti quegli elementi impiantistici che possono costituire potenziali nuove aperture nel vano in cui si sviluppa l’incendio, provocando • la creazione di percorsi di propagazione di fiamma non considerati in sede di progetto, attraverso cui

l’incendio può propagarsi in vani attigui, tipicamente non dotati di impianti di estinzione e quindi estremamente vulnerabili (Fig. 6÷Fig. 8).

• un aumento di portata d’aria nel volume in cui si sviluppa l’incendio, in relazione alla portata d’aria prevista in sede di dimensionamento dell’impianto antincendio (Fig. 9÷Fig. 12). Ciò è particolarmente vero per impianti di estinzione a CO2, maggiormente sensibili alla concentrazione di ossigeno, e per cui la creazione di venting inatteso può provocare la fuga di CO2 dal locale da preservare. Gli impianti di estinzione a schiuma sono molto meno sensibili, avendo un buon grado di efficienza anche in condizioni di confinamento debole.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 10/64 Gli elementi impiantistici sensibili a questa problematica sono tutti quelli per cui vengono tipicamente richieste prestazioni al fuoco ma non all’esplosione, che possono quindi essere danneggiati o divelti in caso di esplosione secondaria che precede lo sviluppo dell’incendio: • porte di accesso • finestre per l’areazione naturale, tipicamente dotate di pannelli di chiusure a farfalla, normalmente

aperte per consentire la refrigerazione in condizioni di esercizio, e dotati di dispositivi di chiusura automatica in caso di rilevazione di un incendio: in caso di esplosione previa i pannelli possono essere danneggiati o divelti, impedendo la successiva chiusura della finestra di areazione ai fini dell’estinzione dell’incendio.

• passaggi cavi: i passaggi cavi sono tipicamente realizzati mediante predisposizione di aperture di dimensioni anche piuttosto considerevoli nella carpenteria civile (per evitare problemi di interferenza in fase di installazione dell’impianto), successivamente tamponate con elementi leggeri ma resistenti al fuoco: in caso di precedente esplosione questi elementi leggeri possono essere distrutti, lasciando scoperta l’intera luce predisposta nella carpenteria civile e connettendo il locale adiacente; inoltre, la propagazione della fiamma in questo caso può essere “aiutata” dalla presenza dei cavi.

La corretta concezione e predisposizione dell’impianto antincendio non può quindi prescindere dagli effetti dello scenario di esplosione secondaria ad esso precedente.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 11/64 3 NOZIONI GENERALI INERENTI IL RISCHIO ESPLOSIONE

3.1 Esplosione, Deflagrazione, Detonazione Un’esplosione è generalmente definita come una reazione chimica di combustione rapida su larga scala di natura distruttiva, con generazione di calore e rapida espansione di gas. Il rischio connesso ad un evento di questo tipo (esplosione primaria) è determinato dalla sua probabilità e dall’entità dei suoi effetti su persone, impianti, apparecchiature e strutture. In impianti complessi risultano particolarmente critiche le situazioni in cui può verificarsi un “effetto domino”, in cui un’esplosione primaria in una parte dell’impianto provoca il danneggiamento di altre parti di impianto e l’innesco di una successiva e spesso più critica esplosione (esplosione secondaria). Una prima classificazione delle esplosioni può essere condotta in base alla natura del materiale esplosivo; la classe di esplosioni nel seguito considerata è quella relativa a miscele di gas. Dopo aver introdotto alcuni concetti di base verranno descritte le soluzioni tecniche attualmente utilizzate per la prevenzione e la mitigazione di eventi esplosivi negli impianti industriali (petrolchimici, farmaceutici, ecc.) dovuti alla formazione in aria di miscele infiammabili di gas o vapori. Tali soluzioni e metodologie per la riduzione del livello rischio di esplosione, trovano applicazione nel contesto degli impianti idroelettrici in caverna o delle sottostazioni di trasformazione elettriche urbane in cui siano alloggiati macchinari elettrici isolati in olio: per tali macchinari un cortocircuito interno provoca la pirolisi dell’olio, con conseguente produzione di una consistente mole di gas infiammabili, repentino innalzamento della pressione interna all’involucro metallico fino a provocarne la rottura, fuoriuscita dei gas miscelati a particelle di olio liquido nebulizzato. Qualora la miscela di gas, olio nebulizzato ed aria sia entro i limiti di infiammabilità, l’esplosione si innesca in presenza di una anche modesta fonte di ignizione. La valutazione del rischio associato ad un evento esplosivo richiede una preliminare distinzione fra le due possibili modalità con cui l’esplosione può manifestarsi: deflagrazione e detonazione. Deflagrazione: evento di combustione rapida in cui il fronte di fiamma si propaga a velocità inferiore rispetto a quella del fronte di pressione. Il livello di sovrapressione atteso è relativamente debole (tipicamente 0.1 ÷ 10 bar). Poiché la fiamma si propaga con velocità inferiore al suono, essa è preceduta dal fronte di pressione, che viene ad avere una conformazione relativamente allungata e relativamente poco ripida. La relativa lentezza del processo (ordine dei secondi) e la forma del fronte d’onda rendono praticabili possibili soluzioni per la mitigazione degli effetti distruttivi mediante adozione di dispositivi di inertizzazione dell’ambiente, o di apparecchi di segregazione sia attivi (servocontrollati da sensori di pressione che registrano la testa del fronte di pressione) che passivi (direttamente attivati dalla spinta del fronte di pressione). Detonazione: evento di combustione rapida in cui il fronte di fiamma ed il fronte di pressione sono coincidenti e si propagano con la stessa velocità. Il livello di sovrapressione atteso è elevato (maggiore di 10 bar). Il fronte di pressione è caratterizzato da un fronte di shock estremamente ripido. La rapidità dell’evento (ordine dei millisecondi) e la forma del fronte d’onda rendono improponibile l’ipotesi di messa a punto di tecniche di mitigazione degli effetti distruttivi mediante inertizzazione dell’ambiente o attivazione di organi di segregazione sia attivi che passivi. La fase iniziale del processo di combustione di una miscela di gas in aria è generalmente un processo lento, caratterizzato da una propagazione laminare della fiamma. Il grado di congestione dell’ambiente (inteso come presenza di elementi geometrici in grado di perturbare il moto del fluido che li avvolge – tipicamente piping e strutture metalliche di supporto - come ad esempio avviene in impianti petrolchimici) influenza profondamente la modalità di evoluzione del processo di combustione, in termini di frastagliamento del fronte di fiamma e di incremento della turbolenza; tali aspetti concorrono

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 12/64 alla crescita dell’efficienza del processo di combustione e, conseguentemente, ad una accelerazione del fronte di fiamma; in condizioni particolarmente sfavorevoli l’accelerazione del fronte di fiamma può progredire fino ad arrivare alla condizione di detonazione (la velocità del fronte di fiamma raggiunge la velocità del suono), con un violento cambiamento delle condizioni fisiche associate alla combustione in atto ed ad un repentino innalzamento del livello di pressione.

3.2 Stima degli effetti di un’esplosione in funzione del valore delle sovrapressioni Il livello di danno causato da un’esplosione è funzione della pressione, sia in termini di valore di picco che di andamento temporale, e della risposta strutturale dell’oggetto colpito dall’onda d’urto. Con riferimento ai danni a persone, in Tab. 1 [1] e Tab. 2 [2] sono riportati i valori di riferimento delle sovrapressioni e dei relativi danni attesi. In particolare possono essere fissate le seguenti soglie di danno: 0.03bar – danni reversibili 0.05bar – possibile rottura dei timpani 0.07bar – danni non reversibili 0.14bar – danni ai polmoni, ferite letali

Con riferimento ai danni su apparecchiature, impianti e strutture, in Tab. 2 [2], Tab. 3 [3], Tab. 4 [4], Tab. 5 [5] sono riportati i valori di riferimento delle sovrapressioni e dei relativi danni attesi. Questi riferimenti devono essere considerati come valori di larga stima per le varie tipologie, essendo la reale entità dei danni fortemente dipendente dalla risposta strutturale degli specifici oggetti o strutture colpiti.

3.3 Caratteristiche di una miscela esplosiva Al fine di poter adottare specifiche misure di prevenzione e protezione dalle esplosioni all’interno di un impianto industriale è necessario poter conoscere in dettaglio le caratteristiche dell’esplosione di una determinata sostanza combustibile. Tali informazioni vengono di norma ottenute mediante specifiche prove dette “prove d’esplosione” in grado di valutare la severità dell’evento. Le caratteristiche di una esplosione (sia essa originata da miscele di gas, vapori o polveri infiammabili), possono essere identificate mediante indici relativi a: • Esplodibilità: ci dice se la miscela può esplodere ed entro quali limiti; • Ignitabilità: ci informa sulla facilità o meno della miscela di subire ignizione; • Effetti delle sovrapressioni. Relativamente a miscela in aria di gas e vapori infiammabili, le seguenti grandezze sono di importanza pratica: Esplodibilità Flash point Tf (°C) Limite inferiore LEL (% vol) Limite superiore UEL (% vol) Concentrazione limite O2 LOC (% vol) Ignitabilità Energia minima di ignizione MIE (mJ) Temperatura di auto-ignizione AIT (°C) Effetti delle sovrapressioni Pressione massima pmax (bar) Max. gradiente di pressione Kg (bar m/s)

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 13/64 Flash point (Tf): è la minima temperatura alla quale un liquido libera vapore ad una concentrazione sufficiente a formare una miscela suscettibile di ignizione. In pratica questo significa che quando la temperatura del liquido infiammabile è al di sopra della temperatura di flash-point, si può generare una miscela di vapore infiammabile. La temperatura di flash-point diminuisce con il diminuire della pressione. Limiti di infiammabilità (LEL, UEL) I limiti inferiore LEL (lower explosion limit) e superiore UEL (upper explosion limit) di infiammabilità sono definiti rispettivamente come la più bassa e la più alta concentrazione di vapore o gas in aria in grado di produrre una miscela infiammabile. Tale intervallo di infiammabilità si allarga al crescere della temperatura. La pressione ha similari effetti: al crescere della pressione si abbassa il valore di LEL ed aumenta il valore di UEL. Concentrazione limite di ossigeno (LOC) La concentrazione limite di ossigeno LOC (limiting oxigen concentration) è definita come la più alta concentrazione di ossigeno in una atmosfera d’aria e gas inerte, che non determina l’esplosione della miscela infiammabile. In generale la massima concentrazione di ossigeno ammissibile è per ragioni di sicurezza assunta più bassa del 2% rispetto al possibile limite teorico. In generale col crescere della temperatura e della pressione, LOC diminuisce. La concentrazione di ossigeno è un parametro importante, ai fini di ridurre il rischio d’esplosione, qualora si operi una diluizione dell’aria con gas inerti quali l’azoto o il biossido di carbonio. Minima energia di iniezione (MIE) La minima energia di iniezione MIE (minimum ignition energy) è definita come la più bassa energia elettrica immagazzinata in un condensatore, che una volta scaricata sotto forma di arco, provoca l’ignizione di una miscela infiammabile di vapori o di gas. MIE è un parametro importante per la valutazione del rischio d’esplosione in presenza di scariche elettrostatiche o elettriche. Al crescere della temperature e della pressione MIE in generale diminuisce. Temperatura di auto-ignizione (AIT) La temperatura di auto-ignizione AIT (auto ignition temperature) descrive la facilità con cui una miscela di vapori o gas infiammabili subiscono ignizione a seguito del contatto con una superficie calda. AIT è un parametro usato per la valutazione del rischio d’innesco d’esplosione in presenza di superfici calde, apparati elettrici e scariche elettriche di origine meccanica. In generale AIT diminuisce col crescere della pressione. Pressione massima e massimo gradiente di pressione (pmax, Kg) Sono i parametri usati per descrivere gli effetti delle sovrapressioni generate da una esplosione; entrambi i parametri sono valutati sperimentalmente effettuando test d’esplosione in laboratorio su vessel di 1m3. I valori massimi registrati durante i test, pmax e (dp/dt)max, relativamente ad un ampio intervallo di concentrazioni della miscela infiammabile, sono assunti quali valori della massima pressione e del massimo gradiente di pressione ottenibile. In generale il gradiente di pressione dipende dal volume del vessel usato nella sperimentazione, sicchè il parametro effettivamente riportato è la costante Kg (indipendente dal volume), e definita come:

Kg = (dp/dt)max V1/3 con V= volume del vessel, [kg] = bar m/s.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 14/64 La massima sovrapressione è il parametro usato per la progettazione dei contenitori a prova d’esplosione, mentre il parametro Kg è usato per il design delle aree di sfogo (venting) e dei sistemi di soppressione (explosion suppression systems). In generale pmax diminuirà al crescere della temperatura; per Kg la dipendenza non è così univoca, potendo aumentare o diminuire ad alte temperature. Entrambi i parametri sono fortemente influenzati dalla pressione: un incremento della pressione iniziale causa un proporzionale aumento della pressione massima pmax e valore di Kg.

3.4 Caratterizzazione della miscela esplosiva per lo scenario di esplosione secondaria 3.4.1 Reazione di pirolisi dell’olio indotta dal guasto elettrico All’incorrere del cedimento dielettrico di un componente isolato in olio, il conseguente arco ad alta temperatura provoca la vaporizzazione dell’olio da esso attraversato; l’olio viene decomposto in gas e nerofumo in una reazione di pirolisi. Ciò provoca la formazione di una bolla di gas che, crescendo repentinamente, pressurizza l’involucro del componente provocandone la rottura meccanica (esplosione primaria). I prodotti gassosi della reazione, fuoriuscendo dall’involucro assieme ad una frazione di olio nebulizzato, si mescolano con l’aria formando un’atmosfera esplosiva che, se disponibile una fonte di ignizione, dà luogo ad una reazione di combustione rapida caratterizzata da un repentino aumento di temperatura e pressione (esplosione di gas). La determinazione degli effetti dell’esplosione richiede la quantificazione preliminare del massimo quantitativo di energia E0 associato al corto circuito e conseguentemente del quantitativo di gas prodotto dalla reazione di pirolisi all’interno del componente. Il massimo quantitativo di energia E0 associato all’arco può essere valutato mediante la relazione E0 = 0.9 V i ∆t dove V è il valore della tensione d’arco, i è il valore efficace della corrente d’arco e ∆t è la durata dell’arco. Più specificatamente la tensione d’arco V è usualmente espressa come V = v L, dove v è il gradiente di tensione d’arco e L è la lunghezza d’arco; studi specialistici [10][11][12][13] riportano valori caratteristici per v nel range 10÷20 V/mm; le lunghezze d’arco sono strettamente dipendenti dal componente. Con riferimento al valore di corrente di corto circuito i, questo valore dipende dalle caratteristiche del componente e dalla sua interazione con la rete, mentre la durata dell’arco ∆t è determinata dal tempo di attuazione delle protezioni nelle condizioni di funzionamento meno favorevoli. 3.4.2 Valutazione del quantitativo di gas rilasciato Studi specialistici [10][11] mostrano che per ogni kJ di energia d’arco sono prodotti 0.1 litri di prodotti gassosi a condizioni normali. Questa relazione consente di quantificare il volume di gas prodotti una volta calcolato il valore dell’energia d’arco in funzione della corrente di cortocircuito, della tensione d’arco e della durata dell’arco. 3.4.3 Valutazione del quantitativo di olio nebulizzato L’esplosione primaria del trasformatore (definita nel §3.4.1) è un evento rapido, durante il quale l’involucro perde la sua tenuta in più punti – apertura temporanea delle flange e perdita di tenuta delle guarnizioni, o dispersione massiva attraverso squarci creati dal cedimento di parti strutturali o giunzioni. A causa dell’aumento di pressione all’interno dell’involucro, i gas generati dalla pirolisi sono espulsi da tali aperture, insieme ad una certa quantità di olio nebulizzato. Lo sviluppo di metodologie adeguate per la stima del quantitativo di olio nebulizzato rilasciato durante l’esplosione primaria rappresenta tutt’oggi

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 15/64 un tema di ricerca [14][15][16]. Tuttavia si può affermare che il contributo energetico dell’olio nebulizzato nello scenario incidentale di esplosione secondaria può raggiungere un fattore pari a 3÷5 volte quello relativo ai prodotti gassosi della pirolisi. 3.4.4 Composizione e proprietà di combustione della miscela gassosa Come anticipato, la pirolisi dell’olio è indotta dall’arco elettrico. La composizione dei prodotti della pirolisi è stata determinata attraverso esperienze di laboratorio [10][13], e consiste in una miscela gassosa composta da Idrogeno (73.7Vol%), Acetilene (20.7%Vol), Metano (3.5%Vol), Etilene (2.1%Vol). Nello scenario di esplosione secondaria, a questa miscela si aggiunge un certo quantitativo di olio nebulizzato. I limiti inferiore e superiore di infiammabilità (%vol) della miscela gassosa per differenti rapporti volumetrici fra prodotti della pirolisi ed olio nebulizzato sono riportati in Tab. 6. Per il dimensionamento di sistemi di prevenzioni basati sulla riduzione della concentrazione di ossidazione (ossia, in cui il componente è racchiuso in un contenitore stagno secondario riempito di gas inerte, tipicamente CO2 or N2), è necessario conoscere la minima concentrazione di ossigeno per la combustione (Minimum Oxygen concentration for Combustion, MOC, %vol); i valori di MOC per la miscela gassosa in oggetto e differenti quantitativi di olio nebulizzato sono riportati in Tab. 7; è possibile vedere che il valore più restrittivo di MOC è relativo all’evento di rilascio di soli prodotti della pirolisi (MOC=5.3 in N2+aria; MOC=5.6 in CO2+aria).

3.5 Aspetti fenomenologici e di modellazione dei processi di combustione rapida 3.5.1 Carattere del transitorio termodinamico Il carattere del transitorio termodinamico è quello tipico dei processi di combustione di gas idrocarburi; in assenza di fonti di ignizione particolarmente violente, la reazione di combustione è caratterizzata da una fase di attivazione relativamente lunga (tipicamente dell’ordine dei decimi di secondo) in cui la fiamma avanza in regime laminare e velocità modesta, con un aumento di pressione contenuto; al progredire della reazione il fronte di fiamma si frastaglia e la sua velocità aumenta, assieme al gradiente di pressione. Durata e severità del processo di combustione sono funzione della composizione della miscela, della sua concentrazione, del grado di ostruzione dell’area investita dal fronte di fiamma, del venting. Le durate per espansione libera in aria variano tipicamente dai decimi di secondo (miscela ad alto contenuto di idrogeno ed acetilene, in concentrazione stechiometrica, con venting) alle decine di secondi (miscela a basso contenuto di idrogeno ed acetilene, a concentrazione bassa ed in ambiente chiuso). 3.5.2 Rilascio e dispersione della miscela esplosiva Il reale processo di formazione dell’atmosfera esplosiva a seguito del cedimento della cassa del trasformatore (esplosione primaria) consiste nel violento rilascio di gas ed olio nebulizzato attraverso flange o cordoni di saldatura danneggiati, e successivo miscelamento con l’aria contenuta all’interno della cella. Il processo di rilascio del combustibile avviene in brevissimo tempo (frazioni di secondo) e coincide con quello che viene comunemente inteso come “scoppio del trasformatore”; il processo di dispersione del combustibile nella cella, ossia della sua miscelazione con l’aria, si sviluppa in un periodo molto più lungo, dell’ordine di qualche decina di secondi. Durante tale periodo la concentrazione passa da una distribuzione fortemente disuniforme iniziale (molto alta nell’intorno dei punti di rottura della cassa sorgenti di rilascio, e nulla nel resto della cella) ad una distribuzione costante ed uniforme in ogni

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 16/64 punto della cella. In presenza di ventilazione la concentrazione tende ad avere un valore linearmente decrescente nel tempo, in funzione della portata di ventilazione; tuttavia per tipiche condizioni di ventilazione (dell’ordine del ricambio/ora) la variazione di concentrazione per tempi brevi (qualche decina di secondi) è trascurabile; ai fini delle valutazioni sulla severità attesa dell’esplosione ciò rappresenta una approssimazione cautelativa. 3.5.3 Tempo di agnizione E’ inteso come istante in cui si ha l’attivazione del processo di combustione in un dato punto della nube esplosiva per effetto di una fonte di energia (scintilla, superficie calda). Nei casi in cui il quantitativo di gas e olio nebulizzato rilasciati non è sufficiente a saturare la cella in condizioni stechiometriche, lo scenario con ignizione ritardata è meno critico di quello ad ignizione immediata, poiché la combustione avviene in una nube di miscela pressochè uniforme ma povera. Qualora l’ignizione occorra alla fine della fase di rilascio del combustibile, invece, la presenza di zone a concentrazioni vicine a quella stechiometrica e la turbolenza provocata dal violento processo di dispersione (cedimento della cassa) favoriscono l’efficienza del processo di combustione, aumentandone la severità. 3.5.4 Approcci metodologici per la stima della severità di esplosione In linea di principio la severità dell’esplosione dipende fortemente dalla distribuzione di concentrazione della miscela e dal punto di ignizione. La stima della massima severità di esplosione attesa per un determinato impianto richiede quindi la presa in esame di diversi scenari incidentali. E’ possibile operare secondo due diversi approcci metodologici: 1. approccio semplificato, nel quale si considerano scenari in cui la distribuzione della concentrazione

di combustibile è predefinita: si fissa il quantitativo di combustibile e la sua concentrazione; si ricava il volume della miscela; si fissa la posizione del volume all’interno della cella ed il punto di ignizione. Vengono condotte diverse analisi variando la concentrazione iniziale e la posizione del volume occupato dalla miscela. Seguendo tale approccio è conveniente imporre anche una certa turbolenza iniziale, per prendere in conto in modo approssimato della distribuzione di velocità

2. approccio rigoroso, nel quale si cerca di modellare in modo il più possibile puntuale i reali fenomeni in atto: consiste nella conduzione di una o più analisi di dispersione (con diverse ipotesi sulle modalità di rilascio) per la simulazione della fase di formazione dell’atmosfera esplosiva, da cui ricavare la distribuzione spaziotemporale della concentrazione del combustibile. A valle di tale analisi si conducono diverse analisi di combustione, riferite ai diversi scenari ottenibili selezionando diversi istanti di ignizione (ossia diverse distribuzioni di concentrazione di combustibile), per ognuno dei quali considerare diversi punti di ubicazione dell’ipotetica sorgente di ignizione.

Analisi comparate condotte seguendo i due diversi approcci hanno dimostrato che l’approccio semplificato fornisce stime conservative qualora si adottino nubi esplosive con concentrazione stechiometrica; è comunque sempre necessario considerare diverse posizioni del volume contenente la miscela esplosiva e del punto di ignizione. 3.5.5 Venting La presenza di aperture di sfogo (venting, vedi anche §4.3.2) nella cella trasformatori determina un’evoluzione del processo di combustione rapida completamente diverso rispetto al caso di cella chiusa; in quest’ultimo caso infatti la velocità del processo di combustione è decisamente contenuta (velocità del fronte di fiamma dell’ordine di qualche metro al secondo), la durata del processo è tipicamente dell’ordine di qualche secondo, e la distribuzione della pressione all’interno della cella è sempre uniforme durante il transitorio. Qualora sia invece presente un’apertura di sfogo (venting), la

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 17/64 fiamma viene da questa “attirata”, ed il processo di combustione tende a sfogarsi attraverso di essa; l’utilizzo di aree di venting è possibile solo qualora sia possibile convogliare i fronti di fiamma e pressione lungo percorsi controllati, fino allo sfogo in ambiente aperto; in caso contrario, eventuali aperture presenti nella cella (tipicamente le bocche dei canali di areazione) devono essere tempestivamente chiuse per evitare la propagazione incontrollata della combustione. Se il percorso lungo il quale viene indirizzata la fiamma è essenzialmente monodimensionale ed in presenza di ostacoli che favoriscano la turbolenza del flusso, il fronte di fiamma può inoltre subire notevoli accelerazioni. La crescita della pressione statica è limitata, mentre per effetto del flusso dei gas in espansione la componente di pressione dinamica (drag) può essere significativa. L’eventuale raggiungimento delle condizioni di detonazione (velocità del flusso uguale alla velocità del suono) comporta un repentino cambiamento delle condizioni fisiche del fenomeno di combustione: i lay-out che conducono al possibile innesco di processi di detonazione sono assolutamente da scartare, dati i conseguenti effetti devastanti; è quindi sufficiente disporre di strumenti che indichino la tendenza all’instaurarsi delle condizioni di detonazione, identificabili ad esempio attraverso l’entità delle velocità calcolate. Esistono vari metodi semplificati che consentono la stima delle sovrapressioni all’interno ed all’esterno di un ambiente in funzione della grandezza e della posizione delle aree di venting; un approccio basato sull’esatta descrizione geometrica del dominio fluido in un’analisi fluidodinamica computazionale consente di valutarne gli effetti in modo rigoroso. 3.5.6 Ventilazione La ventilazione induce un flusso permanente all’interno della cella, a cui è correlata una distribuzione di turbolenza; ciò comporta un potenziale aumento della severità del processo di combustione. Le esperienze condotte con riferimento a condizioni di ventilazione tipiche per una sottostazione, mediante prese d’aria in ingresso ed in uscita, non hanno tuttavia segnalato effetti di particolare rilevanza. La presenza di aerotermi può ingenerare distribuzioni locali di turbolenza più elevata (e quindi più critica) nelle vicinanze della cassa del trasformatore. Qualora il flusso d’aria indotto dalla ventilazione forzata genera velocità locali considerevoli (dell’ordine di qualche m/s), è opportuno eseguire un’analisi fluidodinamica per la ricostruzione del campo di moto e del conseguente livello di turbolenza in condizioni di esercizio: valori di turbolenza superiori ad 1m/s hanno un impatto significativo sull’evoluzione del processo di combustione.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 18/64 4 TECNICHE DI MITIGAZIONE DEL RISCHIO ESPLOSIONE

4.1 Strategie di intervento Il rischio associato ad un evento incidentale è definito come prodotto fra la probabilità dell’evento e la severità dei suoi effetti. Il livello di rischio d’esplosione in un dato impianto può quindi essere ridotto operando in diversi modi, da intendersi come generalmente complementari e non mutuamente esclusivi:

prevenzione: adozione di tecniche e provvedimenti atti a ridurre la probabilità dell’evento; nel caso specifico, adozione di tecniche e provvedimenti atti ad impedire la formazione di una miscela esplosiva e la sua ignizione. protezione: adozione di tecniche e provvedimenti atti a ridurre gli effetti dell’evento; nel caso

specifico, adozione di tecniche e provvedimenti atti a ridurre l’estensione delle zone investite dall’esplosione, e/o a ridurre l’entità delle sovrapressioni in tali zone. mitigazione/soppressione: adozione di tecniche e provvedimenti atti a intervenire sull’evoluzione

dell’evento una volta innescato; nel caso specifico tali tecniche si traducono nell’adozione da una parte di opportuni sistemi di pronta rilevazione dell’evento esplosivo, dall’altra di sistemi di inertizzazione rapida dell’ambiente.

I sistemi di soppressione dell’esplosione sono progettati per captare la reazione di innesco della combustione nella sua fase iniziale interrompendone lo sviluppo ed evitandone gli effetti disastrosi che ne conseguirebbero. La fondamentale differenza fra i sistemi di prevenzione e di soppressione è la seguente: il principio di funzionamento dei sistemi di prevenzione è quello di governare il livello di sicurezza attraverso il mantenimento di condizioni ambientali costantemente incompatibili con l’ignizione di una eventuale miscela esplosiva; si può dire quindi che i sistemi di prevenzione operano un’azione di condizionamento ambientale costante e continua nel tempo, che prescinde dall’effettiva presenza di un processo di rilascio di gas esplosivo. I dispositivi preposti al condizionamento dell’ambiente devono quindi essere mantenuti costantemente attivi ed efficienti; d’altro canto l’apparato di misura e controllo richiesto si limita alla predisposizione di sensori che verifichino il mantenimento delle condizioni ambientali adeguate. I sistemi di soppressione mirano invece all’estinzione del processo di combustione nelle sue prime fasi di sviluppo, prevenendone gli effetti, attraverso un’azione di inertizzazione dell’ambiente ottenuta mediante rapido rilascio di opportuni agenti di soppressione; il periodo di intervento di tali sistemi è circoscritto ai pochi istanti successivi all’ignizione dell’atmosfera esplosiva; è però necessaria una rete di sensori opportunamente concepita e tarata in modo da intercettare in tempo utile l’insorgere dell’evento esplosivo. L’uso di specifiche tecniche per la prevenzione dell’esplosione non significa che eventuali sistemi di protezione e/o mitigazione non debbano essere impiegati; in modo analogo l’uso di strategie di protezione e/o mitigazione non esclude l’impiego dei sistemi di prevenzione. Negli Stati Uniti la normativa di riferimento per il design delle aree di sfogo (relief, venting), è la “NFPA 68 Guide for Venting of Deflagration” [6], mentre la “NFPA 69 Standard on Explosion Prevention System” [7] copre sia gli aspetti di prevenzione che le tecniche di protezione. Il riferimento in ambito europeo è stato finora costituito dalle normative tedesche “VDI 3673” [8]. Nel luglio 2003 sono entrate in vigore le nuove direttive ATEX [9], riguardanti le apparecchiature ed i sistemi di protezione destinati a essere utilizzati in atmosfera potenzialmente esplosiva; in base a tali direttive ogni apparecchiatura deve essere classificata e conseguentemente protetta in base al rischio d’esplosione della relativa area di installazione. I concetti di prevenzione, soppressione e protezione implicano diversi livelli di gestione del rischio da esplosione, ognuno dei quali risponde a specifici obiettivi raggiungibili mediante l’impiego di adatte tecniche e metodologie. Più specificatamente si evidenziano i seguenti livelli di intervento:

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 19/64 Livello 1 - prevenzione: la prevenzione dall’esplosione è la prima priorità d’intervento

sull’impianto. La strategia alla base della prevenzione dell’esplosione è quella di eliminare almeno uno degli elementi che determinano la deflagrazione; tipicamente gli elementi richiesti per l’innesco di una esplosione sono: la presenza del comburente (ossigeno) e del combustibile, una sorgente di ignizione, una concentrazione del combustibile all’interno dell’intervallo di infiammabilità. Ogni specifico intervento volto ad alterare o eliminare la presenza di uno di questi elementi, previene l’innesco d’esplosione. Una strategia di intervento basata sull’adozione di sole tecniche di prevenzione ha i seguenti vantaggi e svantaggi: • vantaggi: - riduzione della frequenza d’esplosione • svantaggi: - non offre alcuna protezione una volta innescata l’esplosione

- il costo d’installazione dei sistemi necessari può essere assai elevato (costo iniziale elevato)

- sono sempre richiesti periodici interventi di manutenzione e controllo di tali sistemi (costo di esercizio elevato)

Livello 2 – protezione mediante riduzione delle sovrapressioni: obiettivo del secondo livello

d’intervento è la protezione dell’impianto dalle sovrapressioni generate dall’esplosione. La tecnica comunemente usata è quella di introdurre nell’area in cui può verificarsi l’esplosione delle opportune aree di sfogo (relief panels e venting), in grado di rilasciare all’esterno dell’impianto, in totale sicurezza, le sovrapressioni. I vantaggi e gli svantaggi derivanti dall’applicazione delle tecniche di protezione dalle sovrapressioni mediante uso di aree di sfogo sono: • vantaggi: - protezione dell’impianto da possibili danni

- investimento iniziale minimo - minima manutenzione richiesta

• svantaggi: - le sovrapressioni rilasciate nell’atmosfera possono dare origine ad esplosioni secondarie

- la combustione può propagarsi in altre parti dell’impianto attraverso condotti - l’introduzione di specifici condotti per pilotare all’esterno le sovrapressioni può

essere una soluzione non sempre applicabile sull’impianto

Livello 3 – protezione mediante controllo della propagazione dell’esplosione: obiettivo del livello 3 è quello di prevenire la propagazione dei fronti di pressione e di fiamma in predeterminate aree dell’impianto introducendo barriere fisico/chimiche in grado di resistere al fronte di pressione e/o di fiamma. A seguito dell’azione di confinamento le pressioni conseguenti alla combustione di una data nube esplosiva possono raggiungere valori un ordine di grandezza superiori rispetto al caso di combustione non confinata: gli elementi strutturali (pareti, solette, porte di accesso) devono essere opportunamente dimensionati. Si deve inoltre operare il controllo della propagazione attraverso i condotti mediante predisposizione di barriere fisiche attive (servocontrollate in funzione di un segnale) o passive (azionate dallo stesso fronte di pressione). I vantaggi e gli svantaggi derivanti dall’applicazione delle tecniche di protezione mediante controllo della propagazione dell’esplosione sono: • vantaggi: - protezione dell’impianto da possibili danni

- confinamento dell’esplosione entro predeterminati ambienti; controllo della propagazione attraverso i condotti

• svantaggi: - le strutture devono essere opportunamente dimensionate - il costo dell’installazione e della manutenzione dei dispositivi di controllo della

propagazione attraverso i condotti può essere elevato (soprattutto nel caso di protezioni attive)

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 20/64 Livello 4 – soppressione dell’esplosione: obiettivo del quarto livello è la protezione dell’impianto

mediante sistemi di soppressione in grado di operare una tempestiva inertizzazione dell’ambiente una volta innescata l’esplosione. Specifici sensori rilevano l’insorgere del fenomeno esplosivo (sviluppo di sovrapressione) ed inviano un segnale ad un attuatore per l’intervento del sistema di soppressione (rilascio di un agente chimico liquido o gassoso). Registrazione, controllo ed intervento del sistema di soppressione tipicamente necessitano non più di 50ms. Ovviamente è importante che il sistema risponda in un tempo sufficientemente breve da prevenire il raggiungimento di valori di sovrapressione pericolosi per la sicurezza dell’impianto. L’inertizzazione di un ambiente richiede l’installazione di un adeguato numero di sprinkler, opportunamente ubicati; inoltre la forma degli ugelli e la loro portata è da studiare con particolare cura, poiché una fase di rilascio dell’agente inertizzante troppo violenta può portare ad un controproducente aumento della turbolenza diffusa nell’ambiente; analoghi effetti negativi possono essere prodotti da una errata nebulizzazione di agenti inertizzanti liquidi. I vantaggi e gli svantaggi derivanti dall’applicazione delle tecniche soppressione dell’esplosione possono essere così riassunti: • vantaggi: - la combustione può essere mitigata o completamente estinta, eliminando o

comunque riducendo la formazione di fiamme e l’incremento di pressione - le superficie per lo sfogo delle sovrapressioni possono essere ridotte o

addirittura eliminate • svantaggi: - il costo d’installazione di tali sistemi di soppressione è generalmente elevato e

superiore a quello delle aree di venting - i dispositivi di soppressione richiedono periodici interventi di manutenzione e

controllo - se non perfettamente calibrato l’impianto di soppressione può avere effetti scarsi

o addirittura controproducenti

Livello 5 – adozione di sistemi ridondanti: il livello massimo di protezione nei confronti dell’esplosione è ottenuto impiegando sistemi di protezione ridondanti, ossia l’adozione simultanea di sistemi di prevenzione, di soppressione, di isolamento chimico/fisico e di venting. L’ottimizzazione dell’intervento da operarsi su un dato impianto deve essere condotta ricercando un punto di equilibrio fra i benefici ottenibili in termini di aumento del livello di sicurezza ed i costi necessari alla realizzazione, all’esercizio ed alla manutenzione dei sistemi prescelti.

4.2 Sistemi di prevenzione dalle esplosioni 4.2.1 Introduzione La tecnica di controllo dell’esplosione mediante inibizione della combustione, applicabile con efficacia solo per deflagrazioni in ambienti confinati, consiste nella predisposizione di sistemi che impediscano l’accensione di gas o olio nebulizzato accidentalmente rilasciati all’interno del volume protetto. Tale obiettivo può essere ottenuto mediante uno dei seguenti metodi:

1. Inibizione mediante riduzione della concentrazione di ossidante 2. Inibizione mediante riduzione della concentrazione di combustibile

Il primo metodo può essere utilizzato in quelle situazioni in cui è possibile controllare costantemente la concentrazione di ossidante all’interno del contenimento; il secondo metodo può esser utilizzato in quelle situazioni in cui è possibile controllare costantemente la concentrazione di carburante. Per il caso specifico di scenario di esplosione di un trasformatore, può essere implementato solo il primo metodo; ciò significa che il trasformatore deve essere confinato in un contenitore metallico riempito con

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 21/64 una adeguata concentrazione di CO2 o N2 in modo da tenere costantemente la concentrazione di ossigeno al di sotto della concentrazione limite di ossidante (LOC) per il combustibile in oggetto. Per piccole cabine di trasformazione è possibile operare controllando direttamente la concentrazione di ossigeno nell’intero volume della cabina. Entrambi i processi possono essere spiegati con riferimento al diagramma di infiammabilità di Fig. 13. Tale figura mostra il tipico diagramma di infiammabilità di una miscela di gas combustibile, gas inerte (azoto) ed ossidante (ossigeno), ad una data temperatura e pressione. In particolare una miscela di aria (79% di N2 e 21% di O2 in volume) e combustibile è rappresentata dalla linea DABE. Qualsiasi miscela di ossigeno e gas combustibile, in assenza di azoto, è rappresentata dalla linea appartenente al lato sinistro del diagramma triangolare; qualsiasi miscela di azoto e combustibile, in assenza di ossigeno, è rappresentata dal lato destro di tale diagramma. Il punto A rappresenta il limite superiore di infiammabilità di questa miscela, mentre il punto B è identificativo del limite inferiore di infiammabilità. Qualsiasi punto situato entro l’area FBCAG è nell’intervallo di infiammabilità e rappresenta una miscela che può subire ignizione, mentre punti al di fuori questa area rappresentano una miscela che non può subire ignizione. Il punto C rappresenta la concentrazione limite di ossidante in grado di prevenire l’ignizione: qualsiasi miscela che contenga un quantitativo d’ossigeno inferiore a quello del punto C, non può subire ignizione. 4.2.2 Parametri di progetto per la protezione mediante inibizione tramite riduzione

dell’ossidante • Concentrazione limite dell’ossidante (LOC): per una data miscela gassosa, il LOC rappresenta la

concentrazione di ossidante sotto la quale non può verificarsi una deflagrazione. Il valore del LOC dipende dal tipo di gas usato per rendere non infiammabile la miscela nel contenimento. Valori di riferimento sono 5.0%(N2+aria)/5.2%(CO2+aria) per l’idrogeno, 11.5%(N2+aria)/14.5%(CO2+aria) per il propano.

• Tipo di miscela gassosa: come detto, influenza il LOC. • Tipo di inerte: come detto, influenza il LOC. Vale la pena notare che la quantità di combustibile non influenza il progetto del sistema; ciò significa che per tale tipo di soluzione la maggior parte delle incertezze collegate alla corretta definizione dello scenario di esplosione non influisce sulla affidabilità della soluzione. La necessità di ottenere una atmosfera costantemente non infiammabile richiede tipicamente di avere una quantità di ossigeno non compatibile con la presenza del personale. Ciò influisce sulla progettazione dei sistemi di controllo (è necessario un controllo remoto) e sulle procedure operative all’interno del volume controllato (la concentrazione atmosferica di ossigeno deve essere ripristinata prima di accedere). 4.2.3 Influenza della pressione e della temperatura Pressione e temperatura hanno influenza sul diagramma di infiammabilità; ad un incremento della pressione o della temperatura corrisponde un aumento della regione che definisce la condizione di infiammabilità della miscela; in particolare si ha un incremento del limite superiore di infiammabilità, a cui corrisponde un minore margine di variazione del limite di concentrazione dell’ossidante utile per inibire la reazione, e un analogo ma più contenuto effetto sul limite inferiore di infiammabilità. In generale l’esatta determinazione degli effetti indotti dalle variazioni di temperatura e di pressione richiede la conduzione di test di laboratorio ad hoc per ogni specifico sistema.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 22/64 4.2.4 Diluizione con gas inerti L’aggiunta di un gas inerte quale diluente nella miscela combustibile ed ossidante avrà effetto sia sul limite inferiore che superiore di infiammabilità e sul diagramma di infiammabilità. Agli effetti dell’inertizzazione dell’ambiente nei confronti di un eventuale rischio da esplosione di gas metano, i gas elio, azoto ed anidride carbonica hanno efficacia crescente. 4.2.5 Riduzione della concentrazione dell’ossidante La tecnica consiste nel mantenere la concentrazione dell’ossidante al di sotto della concentrazione richiesta perché possa innescarsi l’ignizione della miscela infiammabile. Dal punto di vista operativo ciò richiede la completa ermetizzazione dell’ambiente e l’introduzione di un sufficiente quantitativo di azoto, la cui concentrazione deve essere periodicamente verificata; nei casi in cui è presente un impianto di ventilazione per esigenze di raffreddamento dell’ambiente, la prevenzione mediante riduzione della concentrazione di ossigeno risulta onerosa, poiché il fluido refrigerante immesso nell’ambiente non può essere aria ma una miscela aria/azoto. Per quanto riguarda l’impatto sulle procedure di esercizio dell’impianto, le operazioni di regolazione delle aree protette devono essere effettuate per via remota, o il personale che vi opera deve essere provvisto di dispositivi per la sua salvaguardia (autorespiratori, ecc.).Con riferimento al diagramma di infiammabilità di Fig. 13, il punto X rappresenta la condizione di una generica miscela infiammabile, gas combustibile, azoto ed ossigeno, all’interno dei limiti di infiammabilità. Una modalità utile a cambiare la composizione della miscela in modo che essa non rientri più entro i limiti di infiammabilità consiste nella riduzione della concentrazione di ossidante. Diminuendo la concentrazione di ossigeno aumenta la concentrazione di azoto ed il punto X si muoverà verso destra. Un metodo per realizzare ciò può essere quello di immettere continuamente gas inerti nell’atmosfera in modo da rendere l’ignizione impossibile (purge gas). Con tale tecnica si mantiene costantemente l’atmosfera al sufficiente grado di deficienza in termini di ossidante (ossigeno). I gas commerciali utili per lo scopo sono l’azoto, l’anidride carbonica, l’argon o l’elio. 4.2.6 Riduzione della concentrazione di combustibile La tecnica consiste nel mantenere la concentrazione di combustibile al di sotto del limite inferiore di infiammabilità della miscela. La normativa americana di riferimento per la prevenzione delle esplosioni NFPA 69 [7], prescrive che la concentrazione di combustibile, debba essere mantenuta al 25% del limite inferiore di infiammabilità. Eccezioni possono essere fatte qualora si adotta un monitoraggio automatico che comanda specifici sistemi di sicurezza; in tal caso la concentrazione del combustibile può essere mantenuta fino al 60% del limite inferiore di infiammabilità. Tale tecnica è applicabile solo per i casi in cui il combustibile viene rilasciato attraverso una perdita di portata modesta ma costante (ad esempio, piccola perdita localizzata su una conduttura di gas); una volta stimata la portata massima della perdita attesa, è possibile limitare il valore della concentrazione di combustibile entro un limite prestabilito dimensionando opportunamente la portata d’aria dell’impianto di ventilazione.Sempre con riferimento al diagramma di infiammabilità di Fig. 13, la composizione della miscela può essere alterata, abbassando il rischio d’innesco, riducendo opportunamente la concentrazione del gas combustibile. In altre parole il punto “x” viene fatto muovere lontano dall’apice del diagramma e possibilmente al di sotto del limite inferiore di infiammabilità rappresentato dalla linea FBC. Un modo per ridurre la concentrazione nell’atmosfera del gas combustibile può essere quello di instaurare nell’ambiente da porre sotto controllo un regime di ventilazione sufficientemente elevata. Parametri fondamentali per la riduzione del livello del combustibile mediante ventilazione, sono: tempo richiesto tv per portare la concentrazione del combustibile ad un livello di sicurezza;

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 23/64 numero di ricambi d’aria N per rendere sufficientemente inerte l’atmosfera.

Nell’ipotesi di rilascio istantaneo e ventilazione stazionaria, una stima del tempo tv richiesto per ridurre la concentrazione del gas combustibile ad un livello di sicurezza è dato dalla seguente equazione:

ln C/Co = (Q/V) K tv ove Co è la concentrazione iniziale del gas combustibile, C è la concentrazione dopo un tempo tv, V è il volume della regione da controllare, Q è la portata volumetrica di aria e K è una costante che dipende dal tipo di ventilazione effettuata. Sotto le stesse ipotesi, la stima del numero N di ricambi d’aria necessari a portare la concentrazione di gas combustibile dal livello Co al livello C è fornita dalla seguente relazione:

ln (C/Co) = - KN Nell’ipotesi di rilascio continuo a portata costante, la legge che descrive l’aumento della concentrazione del combustibile entro il volume V è espressa dalla relazione:

C = (G/Q)(1 – e – KN) dove G è la portata di combustibile, Q la portata d’aria, C la concentrazione di combustibile dopo N ricambi d’aria, e K è una costante (parametro di miscelamento) che determina la rapidità del transitorio verso il valore asintotico G/Q.

4.3 Sistemi di protezione dalle esplosioni 4.3.1 Introduzione Oltre alle misure di prevenzione contro l’insorgere di una esplosione, appropriate soluzioni tecniche possono essere introdotte nell’impianto al fine di fornire una efficace protezione contro gli effetti di un evento esplosivo, in termini di contenimento del livello delle sovrapressioni o di controllo della propagazione dei fronti di pressione e di fiamma mediante predisposizione di barriere fisiche e/o chimiche. Le misure di protezione sono generalmente classificabili in:

• Sistemi di sfogo: membrane di sfogo, dischi di rottura, filtri di fiamma, diverter;

• Sistemi di contenimento e di isolamento: valvole a ghigliottina, valvole flottanti; elementi strutturali e porte antiscoppio.

La funzione svolta dai sistemi di sfogo è quella di proteggere l’impianto o il componente dagli effetti delle sovrapressioni, mentre i sistemi di isolamento hanno il compito di impedire la propagazione della deflagrazione in altre parti dell’impianto. Nei paragrafi successivi verranno descritti in dettaglio i diversi dispositivi attualmente disponibili sul mercato per la protezione dalle esplosioni. 4.3.2 Sistemi di sfogo delle esplosioni (venting) 4.3.2.1 Considerazioni preliminari Il controllo dell’esplosione mediante “venting” consiste nella riduzione del rateo di aumento della pressione che si verifica all’interno del contenitore, per mezzo di aperture (tipicamente chiuse o protette con appositi pannelli durante il normale servizio) che permettono di evacuare i gas di combustione e sfogare la pressione dovuta ad una esplosione interna, in modo da minimizzare i danni strutturali e meccanici. Il contenimento deve essere progettato per sopportare la pressione creata dall’esplosione e ridotta dai sistemi di venting; nel caso siano previsti effetti dinamici, i carichi di progetto devono essere definiti tenendo conto della legge di variazione di pressione nel contenimento durante le fasi di esplosione ed attivazione dei venting.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 24/64 Il metodo di sfogare la pressione che si genera durante una deflagrazione è stato sperimentato per molti anni ed è probabilmente il metodo industriale più utilizzato per la protezione dalle esplosioni; tale metodo riconosciuto dalle direttive comunitarie 94/9/EC e 99/92/EC (note come direttive ATEX), è accettato come valido strumento per la protezione dalle esplosioni. E’ da sottolineare che le tecniche di sfogo delle sovrapressioni si basano sull’ipotesi di sostanziale uniformità del campo di pressione all’interno dell’ambiente sede dell’esplosione, ipotesi del tutto accettabile per processi lenti quali la deflagrazione di nubi di gas, ma non per processi rapidi quali detonazioni: per tali processi l’efficacia delle tecniche di seguito esposte non è in generale garantita e necessita di puntuale verifica. 4.3.2.2 Venting Interno Per una data miscela di combustibile il fattore di espansione fornisce il rapporto tra la pressione iniziale e quella finale dopo una combustione ottimale, per uno scenario nel quale tutto il volume disponibile V0 è riempito con combustibile alla concentrazione ottimale. Per una tipica miscela di idrocarburi e olio nebulizzato, la concentrazione ottimale è leggermente superiore a quella stechiometrica. Il concetto di venting interno consiste nel rendere disponibile una volumetria aggiuntiva V1 durante l’esplosione. La pressione finale viene ridotta di un fattore V0/(V1+V0): per esempio, raddoppiando il volume disponibile (V1=V0) la pressione finale si riduce a metà. L’efficienza del venting interno dipende dall’area della sezione che connette il volume iniziale V0 a quello addizionale V1, e dall’indice di reattività del combustibile Kg: durante il transitorio che segue l’esplosione, la massima pressione Pred raggiunta all’interno del volume supererà quella teorica; nel caso in cui il volume V1 non sia direttamente collegato a V0, deve essere previsto un condotto di venting, che introduce una ulteriore perdita di efficienza ed incrementa il valore di Pred. 4.3.2.3 Venting Esterno Il venting esterno rappresenta una soluzione efficiente per i casi nei quali è disponibile un’area di sfogo verso l’esterno sufficientemente grande; in queste condizioni la massima pressione Pred raggiunta all’interno del volume durante il transitorio può essere stimata come funzione dell’area di venting. Per applicazioni tipiche, in condizioni normali i venting devono restare chiusi: a tale scopo si utilizzano i pannelli di scarico pressione (pressure relief panels); l’efficienza del venting in termini di Pred dipende dalla pressione Pstat che determina l’apertura di tali pannelli. Per combustibili molto reattivi (come l’idrogeno) e grandi volumetrie, le aree di venting richieste possono essere molto grandi, introducendo problemi pratici nella realizzazione dei dispositivi di aerazione. Se il volume da aerare non può essere direttamente connesso con l’ambiente esterno, deve essere previsto un condotto di collegamento; l’efficienza del venting risulta fortemente influenzata dalla lunghezza del condotto a dal suo percorso. Tale condotto dovrebbe quindi essere più breve e rettilineo possibile. 4.3.2.4 Fasi di funzionamento di un dispositivo di venting Lo sfogo di una esplosione offre una immediata protezione dalla sovrapressione fornendo una via di fuga predefinita ai gas in espansione. L’area di sfogo deve essere dimensionata per permettere lo scarico dei gas in espansione ad una velocità sufficiente per limitare lo sviluppo interno di pressione. Lo sfogo della pressione che si genera durante una deflagrazione si articola in 3 fasi: • Fase 1: Nella fase incipiente la miscela esplosiva composta da gas/polveri combustibili ed aria viene

esposta ad una fonte d’innesco di sufficiente energia per dare luogo all’esplosione. Di conseguenza


si assiste alla progressiva formazione di una fire-ball; lo sviluppo in volume dei prodotti della combustione provoca l’insorgere di un’onda di pressione che si espande con la velocità del suono.

• Fase 2: L’onda di pressione raggiunge le pareti; al procedere della reazione di combustione la pressione interna continua ad innalzarsi mantenendo una distribuzione uniforme in tutto il volume della camera interessata all’evento di combustione. Quando viene raggiunta la pressione di apertura del dispositivo di sfogo (membrana di sfogo/disco di rottura), inizia al fase di scarico.

• Fase 3: La membrana di sfogo/disco di rottura raggiunge, in millesimi di secondo, la completa rottura; la sovrapressione e le fiamme defluiscono attraverso l’apertura creatasi.

Al fine di raggiungere il necessario livello di protezione, dispositivi quali le membrane di sfogo ed i dischi di rottura dalle esplosioni devono possedere le seguenti caratteristiche: • Pressione di rottura predeterminata: l’efficienza del dispositivo è determinata dalla precisione del

suo valore di rottura entro limiti di tolleranza noti. • Apertura totale e controllata: la linea di rottura delle membrane di sfogo o del disco di rottura deve

essere predeterminata e controllata; inoltre in caso di esplosione deve essere garantita un’area di sfogo predeterminata e senza restrizioni.

• Risposta immediata: per raggiungere il necessario livello di efficienza i dispositivi di sfogo delle esplosioni devono essere progettati per fornire un’apertura istantanea al fronte di pressione. L’efficienza di sfogo delle membrane e dei dischi di rottura è del 100%; altri sistemi (porte incernierate, ecc.) offrono una efficienza allo sfogo minore.

• Minima frammentazione: i sistemi di sfogo delle esplosioni devono essere progettati per evitare ogni rischio di frammentazione; ciò è possibile attraverso l’uso di materiali di massa ridotta.

• Compatibilità con il sistema: il dispositivo di sfogo delle esplosioni selezionato deve essere compatibile con le normali condizioni operative dell’impianto da proteggere. Qualora le condizioni di impiego includano ambienti corrosivi, pressione di servizio ciclica o pulsante, pressione di esercizio negativa (vuoto), o temperature operative elevate, deve essere selezionato il dispositivo di protezione più adatto a fornire una adeguata operatività.

Per raggiungere il necessario livello di protezione delle attrezzature deve essere determinata l’area minima di sfogo per la pressione originata dall’esplosione. L’area di sfogo necessaria dipende dalle caratteristiche esplosive del combustibile (rappresentate da Kmax, e da pmax), dalla resistenza meccanica e dal volume del recipiente o della cella e dalle condizioni operative. I vantaggi derivanti dall’impiego dei dispositivi di sfogo delle pressioni, in confronto ad altri sistemi (es. valvole di sicurezza) sono: • un costo relativamente contenuto; • non hanno parti in movimento e quindi non necessitano di manutenzione garantendo inoltre tempi di

risposta più rapidi; • mediante semplice sostituzione, è possibile montare dispositivi tarati su diversi valori di pressione; • sono idonei per l’impiego con liquidi, gas, fluidi viscosi e fluidi bifasici; • sono disponibili in una ampia gamma di materiali assicurando così buoni livelli di resistenza alla

corrosione a prezzi contenuti; • garantiscono un buon livello di tenuta del sistema, evitando perdite di sostanze tossiche o preziose. Oltre alle membrane di sfogo e ai dischi di rottura, un altro dispositivo utilizzato allo scopo di consentire uno sfogo controllato delle sovrapressioni è il filtro di fiamma (flame quenching). Quando una membrana di sfogo si apre per effetto dell’onda di pressione generata dall’esplosione di polvere o gas, oltre alla pressione distruttiva vengono scaricati nell’atmosfera i prodotti della combustione (fiamme e gas) ed il prodotto incombusto che può alimentare la propagazione continua ed intensiva della fiamma dando luogo a fenomeni secondari (esplosioni secondarie). La propagazione di fiamma accompagnata dallo sfogo di pressione e vapore rappresentano quindi pericolose fonti di innesco per eventuali esplosioni secondarie, capaci di causare danni consistenti al resto dell’impianto e compromettere l’incolumità delle persone che si trovano nelle immediate

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 26/64 vicinanze. E’ quindi necessario adottare opportune misure di sicurezza per evitare ferimenti del personale e danni alle attrezzature in caso d’esplosione. E’ ormai risaputo che la propagazione del fronte di fiamma può essere fermata mediante dissipazione d’energia. Si può ottenere tale effetto facendo sfogare le fiamme all’interno di uno speciale scambiatore di calore meglio conosciuto come “filtro di fiamma”; in questo dispositivo la temperatura della fiamma viene abbassata ad un valore inferiore alla temperatura d’innesco del prodotto trattato riducendo al minimo il rischio d’innesco di esplosioni secondarie. Questi dispositivi presentano il vantaggio di consentire uno sfogo dell’esplosione in ambienti chiusi a patto che vengano rispettate certe cautele. Un ulteriore vantaggio è costituito dal fatto che il filtro di fiamma può essere riutilizzato dopo lo sfogo dell’esplosione eseguendo semplici operazioni di pulizia ed ovviamente dopo aver effettuato la sostituzione della membrana. 4.3.2.5 Parametri di progetto dei venting • Fattore di espansione del combustibile: definisce la pressione finale massima dopo una perfetta

combustione in un volume completamente saturato dal combustibile in oggetto alla concentrazione ottimale (leggermente superiore a quella stechiometrica).

• Reattività del combustibile (indice Kg ): caratterizza la rapidità del processo di combustione e conseguentemente la velocità di incremento della pressione nei casi confinati; inoltre, tale parametro governa l’accelerazione del fronte di fiamma nei casi non confinati (venting). Ciò significa che per miscele reattive deve essere adottata particolare cautela nella adozione di condotti di aerazione lunghi e non rettilinei.

• Rapporto tra volume e area di aerazione (venting) disponibile. • Pressione di attivazione dei dispositivi di venting, Pstat: elevati valori di Pstat portano ad alti valori

di pressione Pred e conseguentemente a bassi valori di efficienza del venting. • Coefficiente di riempimento: per scenari nei quali non tutto il volume iniziale è riempito con il

combustibile, i valori di pressione (Pred) si riducono proporzionalmente al valore di tale coefficiente.

4.3.3 Sistemi di contenimento ed isolamento delle esplosioni 4.3.3.1 Considerazioni preliminari La tecnica di controllo dell’esplosione mediante contenimento consiste nella progettazione di un contenitore capace di sopportare la massima pressione dovuta all’esplosione interna; qualora si prevedano effetti dinamici sulla struttura, il carico di progetto deve essere definito tenendo conto della prevista evoluzione temporale della sovrapressione interna durante l’esplosione. Inoltre deve essere prevenuta ogni possibilità di propagazione dell’esplosione attraverso le tubazioni in altre zone dell’impianto, aumentando di fatto il livello di rischio per il personale ed il potenziale danno alle apparecchiature; la propagazione sia delle fiamme che del fronte di pressione in altri ambienti può costituire fonte d’innesco di ulteriori esplosioni (effetto domino) con effetti altrettanto devastanti. Specifici sistemi di isolamento devono essere predisposti per l’assolvimento della funzione di isolamento delle sovrapressioni e delle fiamme, in corrispondenza di tutte le aperture presenti nell’involucro contenitore quali le sezioni di ingresso o uscita delle condutture di processo, i passaggi cavi, i condotti di areazione. La rapida chiusura di una valvola d’isolamento crea una barriera fisica che impedisce la propagazione della fiamma e della sovrapressione aldilà del punto in cui la valvola è stata collocata.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 27/64 4.3.3.2 Parametri di progetto per il contenimento • Fattore di espansione del combustibile: definisce la pressione finale massima dopo una perfetta

combustione in un volume completamente saturato dal combustibile in oggetto alla concentrazione ottimale (leggermente superiore a quella stechiometrica). Valori di riferimento sono 6.8 per l’idrogeno, 7.8 per il butano, 8 per il propano ed olio nebulizzato.

• Reattività del combustibile (indice Kg , definito come (dP/dT)max*V1/3): caratterizza la rapidità del processo di combustione e conseguentemente la velocità di incremento della pressione. Tale parametro può influire sui carichi dinamici applicati alla struttura di contenimento. Valori di riferimento sono 550mbar*m/sec per l’idrogeno, 100mbar*m/sec per il butano, propano ed olio nebulizzato.

• Coefficiente di riempimento: per scenari nei quali non tutto il volume iniziale è riempito con il combustibile, i valori di pressione (Pred) si riducono proporzionalmente al valore di tale coefficiente.

Per un dato volume e distribuzione di concentrazione, Pmax e dP/dTmax sono definite; la soluzione di contenimento richiede il progetto di una struttura adeguata a contenere i corrispondenti carichi dinamici. Tutte le aperture (porte, prese d’aria, scarichi, etc..) devono essere chiuse per mezzo di dispositivi appositamente predisposti. 4.3.3.3 Valvole di protezione a ghigliottina Le valvole di protezione a ghigliottina, normalmente impiegate per impedire la propagazione di una esplosione all’interno di una tubazione, sono caratterizzate dall’avere l’unità di controllo, responsabile dell’attivazione della valvola, posta all’esterno della sezione della tubazione. La valvola è connessa tramite un condotto ad un recipiente ad alta pressione contenete dell’azoto. In caso d’esplosione un impulso dall’unità di controllo (proveniente ad esempio da un sensore di fiamma o di pressione) indica al sistema di attivare il detonatore il quale apre la valvola del recipiente contenete l’azoto. L’azoto ad alta pressione (10÷40 bar), tramite un sistema di cilindro-pistone, fa chiudere la valvola in tempi rapidi. Il tempo di chiusura dipende dalla pressione del propellente e dal diametro della valvola ed è in generale inferiore ai 50ms. A questo si devono sommare ulteriori 2÷4ms di ritardo per l’attivazione dell’elettronica ed il funzionamento del sensore. Aspetto determinante per l’efficacia del dispositivo è una corretta definizione della distanza minima che deve essere interposta fra la zona da proteggere ed il punto in cui deve essere montata la valvola. Essa dipende dalla natura del combustibile, dal tempo di chiusura della valvola, dalla velocità della fiamma e dalla pressione massima che si ritiene accettabile all’interno dell’area da proteggere. 4.3.3.4 Valvole di protezione flottanti L’isolamento dell’esplosione può essere effettuata anche mediante l’uso di valvole flottanti. Tali valvole sono frequentemente usate per proteggere i condotti di ventilazione che vengono chiusi quando un certo livello di sovrapressione viene raggiunto. Tali valvole si distinguono a seconda che funzionino come dispositivi passivi (self-actuated valve), oppure vengano comandate da dispositivi esterni (externally actuated valve). Entrambe le tipologie di valvole possono sopportare sovrapressioni fino a 10 bar; offrono una adeguata protezione nei confronti della propagazione di esplosioni da polveri (pmax ≤ 10 bar, Kmax ≤ 300 m bar/s) e per esplosioni ibride, con una concentrazione massima dei vapori o gas infiammabili del 50% rispetto al limite inferiore di infiammabilità.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 28/64 4.3.3.4.1 Valvole flottanti auto-attivate La parte interna della valvola contiene una valvola conica montata su una cavità sferica, libera di muoversi assialmente in entrambe le direzioni; essa in condizioni normali è mantenuta nella posizione centrale mediante una molla. La tensione della molla è calibrata per una predeterminata velocità massima all’interno del condotto e differenza di pressione a monte e a valle della valvola. In presenza di una esplosione, la valvola si chiude automaticamente grazie all’azione della sovrapressione incidente (sovrapressione che in caso di deflagrazione precede il fronte di fiamma). Perché la valvola si attivi, deve essere superata una delle due predeterminate soglie di velocità o di differenza di pressione a monte e a valle della valvola. La valvola conica è spinta verso la sua sede di chiusura e mantenuta in tale posizione da un sistema di ancoraggio. In aggiunta l’avvenuta chiusura della valvola può venire segnala anche elettronicamente mediante l’invio di un opportuno segnale (limit switch). La valvola flottante rimane chiusa finchè il dispositivo di sgancio (reset knob) non viene attivato mediante intervento esterno. La propagazione della sovrapressione (ad es. in un condotto di ventilazione), non viene impedita se il picco di sovrapressione è inferiore al valore di soglia per cui il dispositivo di chiusura della valvola è stato calibrato. Eventuali sistemi di venting o di soppressione installati nell’area da proteggere dovrebbero essere tarati su valori di sovrapressione ancora superiori, in modo da posticiparne l’attivazione solo dopo l’avvenuta chiusura delle valvole flottanti. Per un corretto utilizzo di questo tipo di valvole flottanti, bisogna rispettare una distanza minima lmin e massima lmax fra il punto in cui viene posizionato il dispositivo e l’area da proteggere. La massima distanza deve assicurare che non si sviluppi lungo il condotto una transizione deflagrazione-detonazione, e che quindi la sovrapressione incidente non raggiunga valori troppo elevati non sopportabili dalla valvola. La minima distanza deve invece assicurare che il fronte di fiamma raggiunga la valvola dopo la sua chiusura, prevenendo la propagazione di fiamme a valle della valvola stessa. La distanza per una corretta installazione di deve quindi essere compresa fra lmin ed lmax ed è funzione del valore della sovrapressione massima ammessa nella zona da proteggere ppred, max. Altri parametri che influenzano la distanza di installazione di sono ovviamente il diametro nominale della valvola ed il tipo d’esplosione.

4.3.3.4.2 Valvole flottanti attivate esternamente Le valvole flottanti attivate esternamente trovano impiego in quelle situazioni ove in presenza di deboli sovrapressioni l’utilizzo di valvole flottanti non consentirebbe di prevenire completamente l’ignizione in altre parti dell’impianto. Queste valvole sono attivate mediante l’azione di un gas propellente espulso ad alta pressione contenuto in un recipiente ausiliario. In caso di esplosione un sensore rileva la presenza di fiamme o di una sovrapressione e comanda l’attivazione del meccanismo di chiusura della valvola. La valvola è quindi spinta nella sua sede e mantenuta in tale posizione da un sistema di ancoraggio. In aggiunta, l’avvenuta chiusura della valvola può venire segnalata anche elettronicamente mediante l’invio di un opportuno segnale (limit switch). La valvola flottante rimane chiusa finchè il dispositivo di sgancio (reset knob) non viene attivato mediante intervento esterno. Tali tipi di valvole flottanti attivate esternamente hanno tipicamente un funzionamento unidirezionale. Nel caso che siano installati altri sistemi di protezione attivi quali quelli di soppressione, il sensore di pressione impiegato per la rilevazione delle sovrapressioni entro l’area da proteggere può essere impiegato per comandare anche l’attivazione della valvola flottante. Per quanto riguarda i tempi di attivazione e di chiusura e l’ubicazione valgono le considerazioni già riportate per le valvole di protezione a ghigliottina.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 29/64 4.4 Sistemi di soppressione delle esplosioni 4.4.1 Considerazioni preliminari La tecnica di controllo dell’esplosione mediante soppressione consiste in una adeguata riduzione della velocità di incremento della sovrapressione per mezzo di sistemi che riducano l’efficienza del processo di combustione che può portare alla deflagrazione, in modo da ridurre il danno strutturale e meccanico. Oltre alla efficacia chimica dell’agente di soppressione selezionato per un dato combustibile, l’efficienza di un sistema di soppressione rapida è influenzato dai seguenti parametri: • efficienza ed efficacia dei sensori • efficienza ed efficacia dell’unità di controllo e relativa logica • efficienza ed efficacia dei dispositivi di scarico rapido dell’agente di soppressione Il sistema di soppressione dell’esplosione è la soluzione tecnica preferibile rispetto ai sistemi sopra discussi, permettendo di evitare il rilascio incontrollato nell’atmosfera delle sovrapressioni, di materiale combusto/incombusto e delle fiamme. Tale sistema rappresenta una soluzione obbligata per tutti quei processi in cui sfogare l’esplosione rappresenterebbe una soluzione impraticabile (ad esempio nel caso di sostanze tossiche, o quando l’attrezzatura da proteggere è installata all’interno di un ambiente chiuso, o infine quando un eventuale sfogo esporrebbe il personale ad inaccettabili rischi provocati dalla emissione di pressione, calore e/o fiamme). Uno degli elementi chiave nel funzionamento di un sistema di soppressione dell’esplosione è la scelta del prodotto da utilizzarsi come agente di soppressione. Questa scelta è condizionata fra l’altro dal tipo di sistema hardware che comanda il sistema di soppressione, dalla portata di rilascio del sistema (HRD High Rate Discharge) e dal tipo di nozzle usati per disperdere l’agente chimico di soppressione. Non è necessariamente il sistema che assicura il più rapido rilascio dell’agente o il sistema che ottiene la dispersione su una più grande area, che assicura un più efficace arresto del processo di combustione. Le modalità di rilascio dell’agente di soppressione sono certamente importanti, ma altrettanto fondamentale è assicurare una ottimale interazione fra l’agente ed il processo di combustione. 4.4.2 Parametri di progetto per il sistema di soppressione • Reattività del combustibile (indice Kg , definito come (dP/dT)max*V1/3): caratterizza la rapidità del

processo di combustione e conseguentemente la velocità di incremento della pressione. Tale parametro può influire sui carichi dinamici applicati alla struttura di contenimento. Valori di riferimento sono 550mbar*m/sec per l’idrogeno, 100mbar*m/sec per il butano, propano ed olio nebulizzato.

• Distribuzione del combustibile all’interno del volume di controllo (dispersione/perdite): la conoscenza del meccanismo di dispersione consente un efficace posizionamento e dimensionamento dei dispositivi di scarico rapido e la definizione delle logiche di attivazione

• Pressione massima ammissibile: se tale valore è determinato da condizioni esterne (ossia se la resistenza delle strutture civili o del contenimento sono già definite), il sistema di soppressione può essere progettato per adeguarsi a tali richieste.

L’impiego di dispositivi di scarico dell’inerte influenza le procedure operative all’interno del volume controllato: il sistema di soppressione deve essere disattivato prima dell’accesso del personale per la manutenzione qualora la sua attivazione possa nuocere al personale.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 30/64 4.4.3 Agenti utilizzabili per la soppressione dell’esplosione Diversi sono gli agenti di soppressione che possono essere utilizzati in tali sistemi; essi possono essere classificati in base alla loro natura fisica e chimica nel modo che segue: Gas inerti o chimicamente attivi Liquidi fisicamente o chimicamente attivi Polveri fisicamente o chimicamente attive

4.4.3.1 Gas Molti agenti gassosi agiscono come elementi inertizzanti, ossia hanno il compito semplicemente di abbassare la concentrazione dell’ossigeno che sostiene la combustione. Le concentrazioni tipiche per l’utilizzo di tali agenti gassosi inertizzanti (come CO2 o N2 ) è dell’ordine del 50% in volume. Il rilascio di tali agenti gassosi in un ambiente confinato comporta un innalzamento delle pressione interna di circa 0.5 bar, a cui si deve aggiungere l’incremento di pressione dovuto all’innesco del processo esplosivo, prima che questo possa essere efficacemente soppresso. Poiché un jet di gas ha un basso momento se rilasciato in avanti, in confronto a quello di un liquido o ad una polvere, non è sorprendente che tali agenti gassosi possano essere efficaci sono se rilasciati in ambienti confinati di modeste dimensioni; nel caso di ambienti più grandi la loro efficacia è legata all’utilizzo di diversi punti di rilascio, opportunamente posizionati entro il volume. Come già accennato precedentemente, particolare attenzione deve essere riposta nella definizione del numero, della posizione, della forma e della portata degli ugelli, poiché una fase di rilascio dell’agente inertizzante troppo violenta può portare ad un controproducente aumento della turbolenza diffusa nell’ambiente. Gas attivi chimicamente come CHF3 agiscono sulla combustione come radicali liberi in grado di arrestare la reazione. Questo incrementa l’efficacia del gas che agisce come agente di soppressione, richiedendo una concentrazione appena del 15% in volume per estinguere il processo di combustione. Anche nel caso di gas chimicamente attivi, l’efficacia in caso di rilascio in grossi volumi è modesta, causa il basso valore del momento della fase gassosa. 4.4.3.2 Liquidi evaporanti I liquidi evaporanti usati come agenti di soppressione hanno il vantaggio di essere rilasciati sotto forma di gocce liquide in sospensione, che successivamente evaporano in prossimità dell’epicentro dell’esplosione. Fra i liquidi evaporanti più utilizzati in passato va citato l’Halon. Questi liquidi chimicamente attivi soffocano il processo di combustione sia sottraendo calore al processo, sia agendo come radicali liberi in grado di arrestare la reazione. A seguito del protocollo di Montreal, l’Halon è stato messo al bando avendone riconosciuto la dannosità in termini di effetto serra. Attualmente sono state identificate e prese in considerazione come agenti chimici alternativi nuove sostanze ecologicamente compatibili (fluorocarbon), con proprietà estinguenti simili all’Halon. 4.4.3.3 Liquidi Il liquido che presenta le migliori proprietà di soppressione è l’acqua, che risulta particolarmente efficace nel caso di esplosioni originate da polveri, ove il calore trasferito tra le particelle è il principale meccanismo di propagazione della combustione; in questo caso l’acqua, rendendo “umide” le particelle di polvere, contribuisce ad abbassarne il livello di infiammabilità. Gli agenti liquidi dimostrano invece una minore efficacia nel caso di esplosioni di miscele di gas. L’uso dell’acqua nebulizzata (water mist) quale mezzo estinguente, particolarmente efficace in caso di incendio, è stato oggetto di recenti sperimentazioni anche per casi di esplosione. La dimensione della

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 31/64 goccia d’acqua nebulizzata assume un ruolo fondamentale nelle proprietà estinguenti del mezzo, così come le modalità di rilascio nella cella: studi recenti hanno dimostrato che una fase di rilascio del water mist troppo violenta genera un grado di turbolenza diffusa nell’ambiente che può arrivare nei casi più sfavorevoli ad alimentare il processo di combustione anziché inibirlo. 4.4.3.4 Polveri Le polveri sono largamente usate come agenti di soppressione delle esplosioni. La loro primaria azione inibitoria è svolta sottraendo calore al processo di combustione e successivamente agendo come radicali liberi in grado di arrestare la reazione. Per questa ragione le dimensioni delle polveri, ed in particolare l’area superficiale, hanno una particolare influenza sull’efficacia dell’azione di soppressione. L’effetto inertizzante delle polveri nei confronti della miscela incombusta permane fintanto che esse rimangono in sospensione nell’ambiente. Nel caso di esplosioni originate da polveri, l’uso di tali agenti assicura una efficace inertizzazione, mentre nel caso di esplosioni di gas o a miscele ibride, deve essere presa in considerazione la limitata durata dell’azione inertizzante e la conseguente possibilità di un nuovo innesco dell’esplosione, una volta che l’agente inertizzante non è più in sospensione. 4.4.4 Sistemi di soppressione ad alto tasso di rilascio Parametri come il diametro degli ugelli allo scarico e la pressione del gas propellente che alimenta il sistema di soppressione influenzano grandemente l’efficienza del sistema di soppressione ad alto tasso di rilascio (HRD). Anche la portata dell’agente di soppressione e l’effettiva dispersione spaziale dello stesso, hanno una grossa importanza nel determinare l’efficacia del dispositivo. In generale la portata dell’agente di soppressione, può essere calcolata mediante l’espressione:

dm/dt = C0 A (PN2 )1/2

dove C0 è una costante, A è l’area di scarico, e PN2 è la pressione dell’azoto usato come propellente nel sistema di soppressione. E’ evidente che sia un incremento nella pressione dell’agente usato come propellente, sia un incremento dell’area di scarico, incrementeranno la portata dell’agente usato per la soppressione. Va rilevato che se una maggiore pressione del gas propellente, genera un sicuramente un maggior momento in avanti dell’agente di soppressione, ciò comporta anche una maggiore dispersione angolare del getto; di fatto questi parametri agiscono sull’efficacia del sistema di soppressione HRD. D’altra parte un rilascio troppo rapido può essere di fatto uno svantaggio: infatti sia che si tratti di esplosioni di gas o di polveri, un aumento della turbolenza indotta dall’azione di rilascio dell’agente di soppressione, può incrementare il grado di severità dell’esplosione. Per tutte queste ragioni, il sistema di soppressione è da ritenersi maggiormente efficace nel caso che si opti per un minore diametro degli ugelli allo scarico e per una minore pressione dell’agente usato come propellente. La pressione dell’agente gassoso usato come propellente contribuisce alla sovrapressione risultante dall’evento esplosivo; una più elevata pressione del propellente può risultare in una più veloce soppressione dell’esplosione, ma a scapito di un maggiore incremento della pressione finale. Di fatto quello che si predilige è un compromesso in modo da bilanciare gli effetti spaziali e temporali dovuti al rilascio dell’agente di soppressione, con le forze di reazione e la distribuzione di pressione originata dall’agente propellente. 4.4.5 Efficienza dei sistemi di soppressione In generale la distribuzione spaziale e temporale dell’agente di soppressione rilasciato influenza fortemente le prestazioni e quindi l’efficienza del sistema. Come citato in precedenza una maggiore

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 32/64 dispersione angolare del getto scaricato (come quella che si ottiene usando dei nozzle di forma tronco-conica anziché semi-sferica) tende a peggiorare l’efficienza del sistema di soppressione. Per quanto concerne la natura dell’agente di soppressione, test hanno dimostrato che agenti a base di “fluorocarbon” presentano la stessa efficienza dell’Halon. L’aggiunta di specifici additivi chimici all’acqua ne aumenta in generale l’efficacia. Per quanto concerne invece le polveri, gli agenti più usati sono a base di mono-ammonio fosfato e bicarbonato di sodio. L’esistenza di agenti di soppressione ad elevata efficacia, può consentire la realizzazione di sistemi di soppressione che presentano bassi valori dei diametri degli ugelli allo scarico e/o basse pressioni dell’agente usato come propellente. In conclusione, è bene sottolineare che l’applicazione delle tecniche di soppressione rapida a scenari di esplosione secondaria di componenti elettrici rappresenta una materia recente [14][15] e poco consolidata, ed è tutt’oggi limitata ad esperienze pilota.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 33/64 5 TECNICHE DI MITIGAZIONE DEL RISCHIO INCENDIO

5.1 Sistemi di protezione dagli incendi 5.1.1 Disposizioni costruttive 5.1.1.1 Vasca di raccolta olio Un fondamentale elemento che caratterizza la severità dello scenario incendio è costituito dall’eventuale presenza della vasca di raccolta dell’olio; in caso di assenza di vasca l’intero quantitativo d’olio fuoriuscente dalla cassa va a concorrere nella formazione del pool fire; inoltre è bene notare che in presenza di falde o corsi d’acqua vicini i quantitativi di olio dispersi sono tali da configurare un elevato rischio di inquinamento ambientale. 5.1.1.2 Massetto di fondo in pendenza L’efficacia della vasca di raccolta dipende da quanto efficacemente l’olio fuoriuscente dalla cassa viene in essa convogliato; molto spesso la griglia di captazione è solo di poco più estesa dell’impronta della cassa, ed è quindi in grado di captare solo l’olio che fuoriesce dalla cassa in condizioni di non pressurizzazione, ossia le vene d’olio che percolano dalle lacerazioni della cassa una volta esaurito il processo di esplosione primaria; non vengono invece captati i volumi d’olio costituiti dai getti in pressione durante la fase di esplosione primaria, che possono essere anche rilevanti ai fini della formazione di un pool fire. Una disposizione costruttiva utile in tal senso, soprattutto in presenza di un recinto tagliafuoco o di un ambiente chiuso, è la realizzazione di un massetto di fondo in pendenza, che aiuti il rifluimento dell’olio disperso verso la griglia di captazione e la vasca di raccolta. 5.1.2 Sistemi di contenimento ed isolamento degli incendi 5.1.2.1 Passaggio cavi Un aspetto caratteristico nelle sottostazioni in ambiente confinato è costituito dalla soluzione tecnologica adottata per la realizzazione dei passaggi cavi fra due ambienti contigui. In particolare, molto spesso tali passaggi sono realizzati adottando accorgimenti anche sofisticati, ma relativi al solo scenario incendio, ossia sono dotati di ottime caratteristiche di resistenza al fuoco ma scarse caratteristiche di resistenza meccanica alle sovrapressioni; l’efficacia di simili elementi rischia di essere del tutto vanificata in caso di previa esplosione, poiché la loro rottura avviene per effetto dell’esplosione prima ancora che si inneschi l’incendio, lasciando pressoché totalmente sguarnita la sezione. 5.1.2.2 Barriere tagliafuoco Le barriere tagliafuoco sono costituite da elementi aventi buone caratteristiche di tenuta al fuoco, aventi lo scopo di schermare apparecchiature o l’ambiente esterno dal carico da fuoco. Come già discusso con riferimento ai dispositivi posti in opera in corrispondenza dei passaggi cavi, l’efficacia di tali elementi è tuttavia subordinata alla loro prestazione in termini di resistenza meccanica alle sovrapressioni da esplosione. Inoltre la loro importanza è maggiore in condizioni di impianto aperto o semiconfinato.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 34/64 5.1.2.3 Compartimentazione e verniciatura cavi I cavi rappresentano un naturale driver per la propagazione delle fiamme, la cui efficacia è dipendente dalla giacitura (verticale o orizzontale) e dalla presenza di elementi tagliafuoco. Una efficace metodologia per il controllo della propagazione delle fiamme lungo i cavi è costituita dall’utilizzo di vernici o malte ignifughe, con cui vengono rivestiti i cavi in corrispondenza dei tratti di maggior probabilità di innesco (terminali) o di maggior criticità (passaggi pareti o solette).

5.2 Sistemi di estinzione degli incendi 5.2.1 Considerazioni preliminari L’estinzione di un incendio sviluppatosi in un centrale idroelettrica in caverna o in una sottostazione interrata è una operazione particolarmente critica data la peculiarità dell’impianto. E’ necessario avere una conoscenza dei materiali che possono essere interessati dal processo di combustione e di come l’incendio può propagarsi all’interno dell’impianto. Molti sono i materiali che possono essere usati come sostanze estinguenti: acqua, anidride carbonica, polveri e schiume. Idealmente un mezzo estinguente deve possedere le seguenti caratteristiche: • Essere disponibile in quantità sufficiente • Costare poco • Aver un buon effetto estinguente • Capacità di penetrare nel materiale che sta bruciando • Non essere tossico • Essere poco conduttore di elettricità • Avere un basso punto di congelamento • Avere un basso impatto sull’ambiente Attualmente non esiste in commercio nessun mezzo estinguente che possiede tutte queste proprietà. Le diverse tecniche attualmente disponibili per la mitigazione e la soppressione di un incendio sono presentate nei paragrafi successivi. 5.2.2 L’acqua come mezzo d’estinzione L’acqua è sicuramente il mezzo estinguente più noto ed usato, grazie alle sue peculiari caratteristiche: • Grande effetto refrigerante grazie al suo alto calore specifico ed alto calore latente di evaporazione; • Buona proprietà di smothering, ossia di isolare dall’ossigeno; • Vaporizzata adeguatamente, l’acqua può essere usata anche su apparecchiature elettriche; • Facile reperibilità • Bassi costi Nessuna altra sostanza ha proprietà estinguenti di pari efficacia: il calore latente di evaporazione dell’acqua è pari a 2257 KJ/Kg mentre il suo calore specifico è di 4.2 KJ/Kg. Questo significa che un Kg d’acqua inizialmente riscaldato dalla temperatura di 10°C a 100 °C (evaporazione) e poi surriscaldato fino a 300 °C, “consuma” (sottrae all’ambiente) circa 3000 KJ; se ciò accade in 1 secondo la potenza termica sottratta all’ambiente è pari a 3000 KW. Un’altra importante caratteristica è la capacità di penetrazione dell’acqua. L’aggiunta di speciali additivi riduce la tensione superficiale dell’acqua aumentandone la penetrabilità. Capacità estinguenti ancora maggiori sono proprie dell’acqua nebulizzata (water mist); la dimensione della goccia d’acqua nebulizzata assume un ruolo fondamentale nelle proprietà estinguenti del mezzo. Infatti più la goccia d’acqua si comporta come un gas, meglio essa può penetrare nel mezzo che brucia

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 35/64 ed quindi isolarlo dall’ossigeno (comburente): avere delle particelle d’acqua sufficientemente piccole vuol dire consentire all’acqua di evaporare a contatto con le fiamme, ottimizzando così il suo effetto refrigerante. Da esperienze condotte sembra che le dimensioni ottimali di tali gocce d’acqua debbano essere fra i 200 e 300 µm. Il concetto del water mist sembra essere molto promettente per l’estinzione dell’incendio, persino in ambienti ove sono allocate apparecchiature che operano ad elevato voltaggio e sono presenti prodotti d’olio. Sembra pensabile in un recente futuro poter sostituire molte sistemi d’estinzione d’incendio basati su altri agenti quali halon e diossido di carbonio, con water mist. 5.2.3 Sistemi d’estinzione basati sull’azione di grandi volumi d’acqua Il sistema noto come water deluge si basa sull’utilizzo di grossi quantitativi d’acqua. Grazie all’attivazione di un sistema di valvole (deluge valve), l’acqua viene inviata dei diffusori (nozzle) e quindi spruzzata sul trasformatore (circa 15litri/minxm2). L’attivazione della valvole avviene mediante un segnale proveniente da una serie di sensori, che registrano la presenza di fumo o fiamme entro la cella, o un incremento di pressione all’interno della cassa del trasformatore. Il principio alla base del water deluge è che l’acqua scaricata sul trasformatore lo raffredda e va ad estinguere l’incendio dell’olio. L’aggiunta di speciali schiume tende ad inibire il processo di combustione, assicurando inoltre che l’olio che fluisce all’esterno della cella non continui a bruciare. Tale sistema di estinzione presenta alcuni punti critici, come ad esempio l’impossibilità di estinguere quei quantitativi d’olio che possono essere fluiti lontano dalla portata dei nozzle. Attualmente il metodo del water deluge è tra i più diffusi nel mondo, con diverse industrie specializzate nella sua installazione. 5.2.4 Sistemi d’estinzione basati sull’azione di schiume (foam) Le schiume sono uno dei mezzi d’estinzione degli incendi più efficaci. La schiuma ha la capacità di soffocare l’ossigeno che alimenta la combustione insieme ad un forte potere refrigerante. Celle eventualmente investite dalla schiuma sono infine ricondizionate facilmente. Generalmente queste schiume sono addizionate all’acqua anche in basse concentrazioni (fino all’1%): hanno bassa viscosità, non si deteriorano durante lo stoccaggio e non sono corrosive. Il principale svantaggio è l’elevato costo di gestione del sistema d’estinzione. 5.2.5 Sistemi d’estinzione basati sull’azione di gas Le soluzioni basate sull’uso di gas come mezzo estinguente sono caratterizzate da un minor costo rispetto a quelle che impiegano acqua nebulizzata o schiume. Per tali installazioni tuttavia particolare attenzione deve essere posta al design degli edifici e degli ambienti, ed alle soluzioni adottate. 5.2.5.1 Diossido di carbonio Il diossido di carbonio, CO2, è stato usato per molti anni come mezzo estinguente nelle celle trasformatori. Il CO2 , incolore, inodore e non tossico, estingue l’incendio ostacolando la diffusione dell’ossigeno durante il processo di combustione. Il gas può essere compresso sotto forma liquida o polvere in recipienti d’acciaio; un litro di CO2 liquida produce circa 460 litri di CO2 gassosa. La concentrazione ottimale per un uso come estinguente durante un incendio, è del 25% in aria. Tra i vantaggi si possono segnalare l’assenza di contaminazione sia degli ambienti che delle apparecchiature una volta investite dal getto estinguente, e la facilità con la quale si disperde nell’atmosfera. Ha buone proprietà isolanti per cui può essere impiegato senza particolari problemi su trasformatori ed in generale su apparecchiature sotto tensione.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 36/64 Il principale svantaggio associato all’uso della CO2 è il basso potere refrigerante. In generale la reignizione dell’incendio può aversi se la zona soggetta a combustione non è totalmente avvolta dal gas o se la temperatura è ridotta a sotto la temperatura di reignizione. Il gas è infine pericoloso ad alte concentrazioni. 5.2.5.2 Halon L’effetto estinguente dell’Halon è basato sulle proprietà inibitorie nei confronti del processo di combustione. Fino ad alcuni anni fa l’Halon sembrava essere la sostanza più indicata per l’efficace estinzione di un incendio; pochi quantitativi di gas erano sufficienti ad estinguere totalmente l’incendio consentendo al personale di stazionare in piena sicurezza nell’area anche dopo che l’Halon era stato rilasciato. Sfortunatamente il riconosciuto impatto ambientale di tale gas nei confronti dell’effetto serra, ha imposto dapprima severi limiti sul suo utilizzo e successivamente il suo bando totale (protocollo di Montreal). Al momento è vietata la realizzazione di impianti che usino l’Halon come mezzo estinguente. Per gli impianti già esistenti tale divieto è diventato operativo col 1 gennaio 2003. 5.2.5.3 Altri gas Il bando dell’Halon come mezzo estinguente ha portato a sviluppare tecnologie che includessero altri tipi di gas; sul mercato sono attualmente disponibili i seguenti prodotti:

Nome prodotto Società produttrice Halotron II AB Bejaro Product PFC-410 3M FM 200 Great Lakes Chemical NAF-SIII North American Fire Guardian Argonite Ginge Kerr AS Inergen Dansk Fire Eater

FE 13, FE 25 Du Pont FE 36, FE 37 Fike

Per la maggior parte di questi prodotti purtroppo non si hanno specifiche esperienze sul campo. Molti di questi gas non possono essere impiegati in impianti che in precedenza utilizzavano l’Halon; se non a fronte di grossi interventi sull’impianto quali la sostituzione dei serbatoi di contenimento e dei nozzles. Attualmente nessuno di tali prodotti ha ricevuto l’approvazione per il suo utilizzo. 5.2.6 Sistemi d’estinzione basati sull’azione di polveri Insieme all’uso dell’acqua, la polvere è stata una delle prime sostanze usata quale mezzo estinguente; tale effetto è basato sulla proprietà inibitorie della polvere. Fattori determinanti sono la composizione chimica e la dimensione del grano. Le polveri sono principalmente usate nei sistemi d’estinzione portatili mentre sono poco usate quale sistema fisso installato nella centrale e in particolare nelle celle trasformatori. I principali vantaggi associati all’uso delle polveri sono la maggiore efficienza rispetto ai liquidi e gas, insieme alla bassa conducibilità elettrica e tossicità. Gli svantaggi risiedono negli oneri associati alla rimozione e pulizia degli ambienti dove viene usata, nella possibilità che si abbia una reazione chimica fra polvere e superficie investita getto ed infine nel

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 37/64 basso potere refrigerante. Va infine ricordato l’elevato costo di installazione di tali sistemi e la vita limitata della polvere una volta stoccata in recipienti.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 38/64 6 PRINCIPALI ASPETTI E PARAMETRI DETERMINANTI NELLA

VALUTAZIONE DEI LIVELLI DI RISCHIO ESPLOSIONE ED INCENDIO

6.1 Metodologia per la quantificazione del rischio Nel Rapporto CESI [17] è stata proposta una metodologia per la quantificazione del rischio associato agli scenari incidentali di esplosione ed incendio in una centrale in caverna o una sottostazione elettrica. La metodologia è basata sul calcolo di opportuni indici di priorità del rischio (RPN) definiti come

RPN = S x P x R

dove S esprime l’indice di severità di un dato evento, P il suo indice di probabilità, ed R il suo indice di rilevabilità. Il calcolo dell’indice di rischio per l’intero impianto prevede l’identificazione di tutti gli eventi o aspetti che incidono sul rischio considerato –per ognuno dei quali è calcolato un indice RPN specifico-, e la loro razionalizzazione in un processo di valutazione che fornisca l’indice RPN collettivo per il rischio considerato. 6.1.1 Severità/Gravità Il primo passo nell’analisi del rischio è quantificare la gravità degli effetti dovuti al malfunzionamento del dispositivo o processo in esame, visto come deviazione dalle caratteristiche funzionali impostate dal costruttore o dalle ipotesi progettuali adottate in fase di progetto. Gli effetti sono scalati in un range da 1 a 10 dove 10 è il più grave. L’esperto o il gruppo di esperti deve stabilire criteri oggettivi di valutazione all’interno del range stabilito. La messa in conto della diversa incidenza relativa di una data causa nella valutazione globale del rischio può essere operata adottando per quella causa un range ridotto; ad esempio, una causa ritenuta apriori particolarmente critica può essere caratterizzata dal range 5÷10; una causa ritenuta meno critica può essere caratterizzata dal range 1÷3. 6.1.2 Probabilità di guasto Le cause di guasto sono espresse in livelli di occorrenza/accadimento. L’occorrenza è la probabilità che una particolare causa accada e generi un modo di guasto durante il funzionamento atteso del dispositivo considerato, o che un determinato scenario incidentale abbia luogo. Il valore della probabilità si ricava dai dati statistici storici considerando il periodo di guasto espresso come 106/main failure rate (critical). 6.1.3 Rilevabilità Il sistema in esame, o un suo componente, può essere dotato di controlli e protezioni che hanno lo scopo di monitorarne il funzionamento, prevenendo il raggiungimento delle condizioni di guasto o dello scenario incidentale. Il processo che porta all’indice di rilevabilità deve considerare i seguenti punti: Controlli/Protezioni che prevengono le cause o il modo di guasto, oppure riducono la probabilità di

accadimento. Controlli/Protezioni che rilevano le cause del modo di guasto e conducono ad azioni correttive. Controlli/Protezioni che rilevano possibili avarie, prima che queste avvengano.

L’indice di rilevabilità assume un valore che rappresenta la capacità collettiva di rilevare cause o modi di guasto.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 39/64 6.1.4 Rischi considerati e relativi RPN Nella procedura sviluppata sono presi in considerazione: il rischio incendio il rischio esplosione

Per ogni aspetto i-esimo considerato la procedura consente di definire separatamente i sei indici RPNi specifici di Severità, Probabilità, Rilevabilità associati ai rischi di Esplosione ed Incendio per quell’aspetto. Una opportuna combinazione degli indici RPNi specifici fornisce i sei indici collettivi di Severità, Probabilità, Rilevabilità associati ai rischi di Esplosione ed Incendio, ed infine gli indici globali di rischio esplosione (RPN-E), rischio incendio (RPN-F) e rischio combinato (RPN). Il fatto che gli indici globali RPN siano calcolati in base ai singoli contributi significativi di severità, probabilità, rilevabilità per rischio incendio e rischio esplosione, consente il progressivo e graduale affinamento della valutazione del rischio in funzione del grado di conoscenza e controllo dei fattori che ne influenzano la stima.

6.2 Dati generali relativi alla sottostazione Un primo aspetto da tenere in considerazione per la classificazione del grado di rischio di un dato impianto è il contesto urbanistico in cui l’impianto è inserito. Gli elementi che caratterizzano questo aspetto sono: densità e probabilità di persistenza della popolazione nell’intorno del sito volume di traffico e vicinanza delle vie di comunicazione nell’intorno del sito presenza e tipologia di altri siti industriali

A parità di scenario incidentale e di effetti in termini di sovrapressioni nell’intorno dell’impianto, la presenza di un’alta densità di popolazione, o di una importante via di comunicazione, o di un impianto industriale a rischio, determina una maggior gravità dei danni che tali sovrapressioni possono arrecare all’esterno dell’impianto, e quindi un più elevato rischio globale. Questi elementi devono quindi essere descritti da specifici indicatori di severità per rischio esplosione (SE) ed incendio (SF); un esempio di definizione e quantificazione è il seguente:

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 40/64 caratteristiche di urbanizzazione del sito SE SF sito isolato 1 2 vicino vie comunicazione 5 5 zona industriale, impianti minori 3 4 zona industriale, impianti di potenza o di processo 8 8 urbano, scarsamente popolato 5 6 urbano, densamente popolato 10 10 Un altro aspetto di carattere generale è costituito dal grado di confinamento dell’intero impianto; a parità di scenario incidentale, infatti, con riferimento al rischio esplosione l’entità delle sovrapressioni è tanto meno consistente (e quindi tanto minori sono i danni attesi) quanto più ci si avvicina ad una condizione di impianto all’aperto. In particolare, impianti interrati o in caverna non progettati come antiscoppio sono da considerarsi con particolare cautela, perché i fronti di fiamma e pressione ed i fumi possono propagarsi in modo poco prevedibile attraverso i volumi interni, arrivando ad interessare anche zone relativamente distanti dall’origine dell’esplosione. L’impatto dei fumi sul territorio circostante è invece poco dipendente dal grado di confinamento, motivo per cui l’indice di severità relativo allo scenario incendio deve assumere valori relativamente elevati anche per volumi aperti o semiconfinati. Un esempio di definizione e quantificazione degli indicatori specifici di severità per rischio esplosione (SE) ed incendio (SF) legati a questi aspetti è il seguente: grado di confinamento SE SF volume aperto 2 6 volume semiconfinato (2 o più lati aperti) 4 6 volume chiuso con una superficie esterna cedevole 8 8 volume chiuso con finestre, botole, porte verso l'esterno 10 8 volume bunkerizzato progettato come antiscoppio 1 1

6.3 Dati relativi al componente La quantificazione dell’indice globale di rischio deve essere condotta considerando tutti gli scenari incidentali associati a tutti i componenti critici dell’impianto [17]. Nel Rapporto CESI [17] sono stati indicati gli aspetti che rivestono una maggior criticità nei confronti del rischio esplosione ed incendio per vari componenti critici. In linea generale, gli aspetti che devono essere definiti per un dato componente considerato sono quelli legati ai tre seguenti aspetti: formazione di una miscela esplosiva (preludio allo scenario incidentale di esplosione secondaria) formazione di un pool fire (preludio allo scenario incidentale di incendio) proiezione di missili

La miscela esplosiva è formata in sede di esplosione primaria, e si compone di gas generati dalla pirolisi dell’olio per effetto dell’arco interno, e di olio nebulizzato durante l’efflusso da squarci o flange dell’involucro. Un indice di severità per lo scenario di esplosione può quindi essere parametrizzato all’energia d’arco attesa, ad esempio espressa come funzione dei seguenti dati: tensione lato alta corrente di cortocircuito tempo di intervento delle protezioni

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 41/64 Il quantitativo di olio nebulizzato dipende dalla modalità di rottura dell’involucro; con riferimento ai trasformatori, ad esempio, l’aspetto che maggiormente condiziona il fenomeno è la presenza della corniera (trave di rinforzo posta immediatamente sotto la flangia di chiusura principale): le casse sprovviste di corniera tendono ad aprirsi per tranciamento a taglio dei bulloni di chiusura, dando luogo ad aree di efflusso notevoli e quindi ad una modesta frammentazione dell’olio; viceversa nelle casse provviste di corniera, o in generale le casse provviste di rinforzi sovradimensionati in corrispondenza delle flange, la dispersione dell’olio durante l’esplosione primaria può avvenire per distaccamento delle flange e perdita di tenuta delle guarnizioni, con formazione di lame di efflusso relativamente sottili, e conseguente notevole nebulizzazione dell’olio. Per quanto riguarda lo scenario incendio, la distinzione principale relativa alla tipologia di cassa è quella fra casse a campana (in cui è molto probabile avere la fuoriuscita repentina di una notevole quantità di olio) e casse a coperchio. Gli aspetti sopra descritti possono essere definiti in questo modo: tipologia di cassa SE SF coperchio senza corniera 8 7 coperchio con corniera 10 8 campana senza corniera 8 10 campana con corniera 10 10 La formazione di un pool fire è direttamente collegata al quantitativo di olio presente all’interno dell’involucro. E’ quindi utile introdurre un indice di severità specifico di incendio direttamente correlandolo al parametro: quantitativo di olio Infine, il buon funzionamento del componente, e quindi la sua probabilità di failure, sono correlati alle modalità di esercizio e manutenzione. E’ utile quindi introdurre un opportuno indice di probabilità per esprimere questo aspetto. In un primo livello di approccio tale indice è quantificato in modo diretto dall’operatore specialista che esegue l’analisi di rischio; in un approccio più di dettaglio può invece essere definito un criterio (o un intero sottomodello) per la definizione dell’indice di probabilità di failure in funzione di specifici aspetti o variabili che definiscono le modalità di esercizio e manutenzione.

6.4 Dati relativi all’estensione delle zone a rischio esplosione e/o incendio La stima dell’estensione delle zone di danno rappresenta un aspetto particolarmente critico della definizione del livello di rischio esplosione e incendio; infatti la reale estensione delle zone di danno dipende dal modo con cui gli eventi incidentali evolvono in dipendenza dall’attitudine degli ambienti da questi investiti a resistere alle sollecitazioni conseguenti. In un contesto di analisi preliminare semiqualitativa è possibile affrontare questo aspetto introducendo anzitutto degli indici di severità specifici per esplosione e incendio definiti in funzione della tipologia costruttiva degli elementi di contenimento dell’impianto; pareti e solette in cemento armato (tipologie costruttive dotate di notevoli risorse in termini di resistenza strutturale, e quindi “intrinsecamente resistenti”) danno luogo a indici più bassi; pareti in mattoni, tamponamenti leggeri, finestre e infissi ((tipologie costruttive dotate di scarse risorse in termini di resistenza strutturale, e quindi “intrinsecamente deboli”) danno luogo a indici più alti; inoltre, aperture o sfoghi diretti verso l’esterno hanno un maggiore impatto sul territorio, e quindi devono essere caratterizzate da indici più elevati. Un esempio di definizione è il seguente:

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 42/64 tipologia costruttiva degli elementi di contenimento SE SF volume aperto o semiconfinato (2 o più lati aperti) 1 1 struttura c.a. con una superficie interna cedevole 2 2 struttura c.a. con una superficie esterna cedevole 7 7 struttura c.a. con superfici interne ed esterne cedevoli 8 8 muri in mattoni o finestre su superficie interna 4 4 muri in mattoni o finestre su superficie esterna 9 9 muri in mattoni o finestre su superfici interne ed esterne 10 10 Un aspetto che ha implicazioni relativamente al solo rischio incendio è quello relativo alle caratteristiche del tracciato dei cavi. I cavi rappresentano un naturale driver per la propagazione delle fiamme, la cui efficacia è dipendente dalla giacitura (verticale o orizzontale) e dalla presenza di elementi tagliafuoco. Questo aspetto può essere descritto mediante un indice specifico di severità per il solo scenario incendio, definito come segue: caratteristiche tracciato cavi SF volume aperto o semiconfinato (2 o più lati aperti) 1 prevalentemente orizzontale, con partizioni tagliafuoco 2 tratti verticali, con partizioni tagliafuoco 4 prevalentemente orizzontale, senza partizioni tagliafuoco 7 tratti verticali, senza partizioni tagliafuoco 10 Un aspetto caratteristico nelle sottostazioni in ambiente confinato è costituito dalla soluzione tecnologica adottata per la realizzazione dei passaggi cavi fra due ambienti contigui. In particolare, molto spesso tali passaggi sono realizzati adottando accorgimenti anche sofisticati relativi al solo scenario incendio, ossia sono dotati di ottime caratteristiche di resistenza al fuoco ma scarse caratteristiche di resistenza meccanica alle sovrapressioni; l’efficacia di simili elementi rischia di essere del tutto vanificata in caso di previa esplosione, poiché la loro rottura avviene per effetto dell’esplosione prima ancora che si inneschi l’incendio; ai fini della quantificazione del rischio, quindi, passaggi cavi dotati di diaframmi standard fireproof o totalmente aperti sono da ritenersi quasi equivalenti. Questi aspetti possono essere tenuti in conto mediante l’introduzione dei seguenti indici specifici: caratteristiche passaggio cavi SE SF volume aperto o semiconfinato (2 o più lati aperti) 1 1 diaframma blast resistant e fireproof 1 1 diaframma standard fireproof 8 8 passaggio cavi aperto 10 10 Analoghe considerazioni possono essere condotte con riferimento alle soluzioni tecnologiche adottate in corrispondenza delle sezioni di inlet/outlet dei condotti di ventilazione. Sezioni libere, o dotate di griglie fisse costituiscono ovviamente sezioni libere sia nei confronti dei fronti di pressione e fiamma (esplosione) che dei fumi (incendio). Una soluzione spesso adottata ai fini del controllo dello scenario incendio è quella di dotare queste sezioni di pannelli di chiusura standard fireproof servocontrollati attuati da sensori di fumo o fiamma; come per i passaggi cavi dotati di diaframmi standard fireproof, anche questi elementi hanno tipicamente buone caratteristiche nei confronti della resistenza al fuoco ma scarse prestazioni alle sollecitazioni meccaniche, e la loro efficacia è fortemente penalizzata dall’eventualità di un’esplosione che precede l’instaurarsi dello scenario di incendio. Possono quindi essere introdotti i seguenti indici specifici:

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 43/64 caratteristiche inlet-outlet ventilazione SE SF volume aperto o semiconfinato (2 o più lati aperti) 1 1 fast closing blast resistant fireproof butterfly valves 1 1 slow closing standard fireproof butterfly valves 8 8 sezioni libere o dotate di griglie fisse 10 10 Infine, un aspetto di carattere del tutto generale ma di forte impatto sul livello di rischio è rappresentato dal grado di partizionamento dell’impianto. Il principio di fondo è che tanto più i componenti critici, e in generale le diverse parti dell’impianto, sono alloggiati in zone fisicamente separate e compartimentate, tanto più gli effetti di eventuali scenari incidentali rimangono circoscritti e governabili. Possono quindi essere definiti i seguenti indici specifici: partizionamento SE SF volume aperto o semiconfinato (2 o più lati aperti) 1 1 impianto partizionato 5 5 impianto non partizionato 10 10

6.5 Dati relativi ad eventuali barriere antiproiettile/antiesplosione Le barriere antiesplosione/antiscoppio sono costituite da elementi strutturali aventi buone caratteristiche di resistenza meccanica alle sovrapressioni dovute all’esplosione, aventi lo scopo di schermare apparecchiature o l’ambiente esterno da missili (intesi come frammenti o parti distaccate dal componente e proiettate nel suo intorno durante l’esplosione primaria) o dal fronte di pressione. Tali elementi hanno un’importanza maggiore nelle situazioni di impianto non confinato, per le quali maggiore e più diretto è l’impatto sulla quantificazione del rischio esterno. La loro presenza influisce solo sullo scenario esplosione, e può essere messa in conto da un indice specifico di severità così definito: presenza barriere antiproiettile/antiesplosione SE barriere presenti, impianto confinato 6 barriere assenti, impianto confinato 9 barriere presenti, impianto non confinato 7 barriere assenti, impianto non confinato 10

6.6 Dati relativi ad eventuale impianto di inertizzazione La presenza di un impianto di inertizzazione deve essere adeguatamente messa in conto, analizzando anzitutto le ipotesi assunte in sede di progettazione relativamente alle sollecitazioni che possono agire all’interno dell’involucro secondario. In particolare, è da distinguersi il caso in cui l’involucro è stato progettato senza tenere in considerazione le sollecitazioni provocate dall’esplosione primaria del componente. Questo aspetto incide non solo sulle severità degli scenari esplosione ed incendio, ma anche sulle probabilità; infatti, gli effetti di una rottura o lacerazione dell’involucro secondario per effetto dell’esplosione primaria, in termini di potenziale rilascio di gas e liquidi reattivi, è da caratterizzarsi anche in termini di probabilità. Si possono quindi definire i seguenti indici specifici:

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 44/64 tipologia involucro di inertizzazione SE SF PE PF scatolare leggera (solo per tenuta in esercizio) 6 6 8 8 scatolare rinforzata (solo per tenuta in esercizio) 3 3 5 5 serbatoio non antiesplosione 2 2 3 3 serbatoio antiesplosione 1 1 1 1 L’impianto di inertizzazione è a tutti gli effetti un impianto complesso, caratterizzato da livelli propri di affidabilità e rilevabilità, correlati alla tipologia e concezione dell’impianto, alle modalità di esercizio e manutenzione, alla sensoristica ed alla logica di autodiagnosi e controllo. In un primo livello di approccio i livelli di affidabilità e rilevabilità possono essere quantificati direttamente da opportuni indici, il cui valore è fissato in modo diretto dall’operatore specialista che esegue l’analisi di rischio; in un approccio più di dettaglio può invece essere definito un criterio (o un intero sottomodello) per la loro definizione in funzione di specifici opportuni aspetti o variabili.

6.7 Dati relativi ad eventuale impianto di soppressione dell’esplosione La presenza di un eventuale impianto di soppressione rapida presuppone per definizione che l’evento esplosione sia stato considerato in sede progettuale. Un primo indice quantitativo può essere definito in base al rapporto Pred/Pmax di targa dell’impianto, dove Pmax indica la pressione massima conseguente all’esplosione in assenza di impianto di soppressione e Pred è la pressione massima ridotta per effetto dell’impianto di soppressione. Analogamente a quanto detto per l’impianto di inertizzazione, anche l’impianto di soppressione rappresenta un sistema complesso caratterizzato da livelli propri di affidabilità e rilevabilità, per il quale valgono le medesime considerazioni espresse nel precedente paragrafo.

6.8 Dati relativi ad eventuali dispositivi di venting Eventuali aree di venting previste come tali in sede progettuale ed opportunamente realizzate devono essere considerate separatamente dalle aperture accidentalmente formate dagli effetti dell’evento esplosivo (già messe in conto nei §6.2 e §6.4). Devono essere definiti un indice di severità definito in base al rapporto Pred/Pmax di progetto del venting, ed un indice di affidabilità correlata alle modalità di controllo e manutenzione dei dispositivi di venting. Inoltre deve essere messo in evidenza un aspetto particolare, che influenza la severità dello scenario incendio, rappresentato dalla richiudibilità del dispositivo successivamente al processo di venting; infatti i dispositivi non richiudibili (tipicamente, i pannelli o le membrane a pressione di rottura prestabilita) costituiscono a tutti gli effetti un’apertura nei confronti dello scenario incendio, mentre i dispositivi richiudibili (pannelli incernierati) non incidono negativamente sulla severità dello scenario incendio. Questo aspetto può essere messo in conto introducendo il seguente indice specifico:

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 45/64 tipologia dispositivi di venting SF dispositivi autorichiudibili 1 dispositivi non autorichiudibili 10

6.9 Dati relativi ad eventuali barriere tagliafuoco Le barriere tagliafuoco sono costituite da elementi aventi buone caratteristiche di tenuta al fuoco, aventi lo scopo di schermare apparecchiature o l’ambiente esterno dal carico da fuoco. Come già discusso con riferimento ai dispositivi posti in opera in corrispondenza dei passaggi cavi e dei condotti di ventilazione, l’efficacia di tali elementi deve essere parametrizzata alla loro prestazione in termini di resistenza meccanica alle sovrapressioni da esplosione. Inoltre la loro importanza è maggiore in condizioni di impianto aperto o semiconfinato. Può essere definito il seguente indice specifico di severità: caratteristiche barriere antiincendio SF pannelli leggeri (strutturalmente non resistenti), impianto confinato 7 muri o pannelli pesanti (strutturalmente resistenti) , impianto confinato 6 muri o pannelli antiincendio assenti, impianto confinato, impianto confinato 8 pannelli leggeri (strutturalmente non resistenti), impianto non confinato 9 muri o pannelli pesanti (strutturalmente resistenti) , impianto non confinato 8 muri o pannelli antiincendio assenti, impianto non confinato 10

6.10 Dati relativi ad eventuale impianto di estinzione incendio La presenza di un eventuale impianto di estinzione incendio presuppone per definizione che l’evento incendio sia stato considerato in sede progettuale. Un primo indice quantitativo può essere definito in base al fattore di efficienza e ridondanza dell’impianto adottato in sede progettuale, correlato al volume di inerte disponibile rapportato al volume dell’impianto ed alla tipologia e disposizione degli sprinkler. Analogamente a quanto detto per gli impianti di inertizzazione e soppressione, anche l’impianto di estinzione incendio rappresenta un sistema complesso caratterizzato da livelli propri di affidabilità e rilevabilità, per il quale valgono le medesime considerazioni espresse nei §6.6 e §6.7. Un ulteriore aspetto, di notevole importanza, è costituito dalla tipologia di estinguente utilizzato nell’impianto. Estinguenti gassosi (tipicamente la CO2) sono caratterizzati da una forte dipendenza dalla formazione di aperture o varchi non previsti in sede progettuale, che consentono un apporto di ossigeno superiore a quello per cui è stato dimensionato l’impianto; viceversa, estinguenti di tipo schiumogeno sono poco dipendenti da questo aspetto, essendo la loro efficacia pressoché invariata in ambienti confinati o totalmente aperti. E’ quindi utile introdurre il seguente indice specifico secondo cui scalare opportunamente gli indici di severità di incendio relativi a tutti gli aspetti sopra discussi. tipologia di estinguente gas (CO2) 10 water mist 8 schiuma 3

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 46/64 6.11 Dati relativi a disposizioni costruttive per la mitigazione del rischio incendio Un fondamentale elemento che caratterizza la severità dello scenario incendio è costituito dall’eventuale presenza della vasca di raccolta dell’olio; in caso di assenza di vasca l’intero quantitativo d’olio fuoriuscente dalla cassa va a concorrere nella formazione del pool fire; inoltre è bene notare che in presenza di falde o corsi d’acqua vicini i quantitativi di olio dispersi sono tali da configurare un elevato rischio di inquinamento ambientale. L’efficacia della vasca di raccolta dipende da quanto efficacemente l’olio fuoriuscente dalla cassa viene in essa convogliato; molto spesso la griglia di captazione è di solo di poco più estesa dell’impronta della cassa, ed è quindi in grado di captare solo l’olio che fuoriesce dalla cassa in condizioni di non pressurizzazione, ossia le vene d’olio che percolano dalle lacerazioni della cassa una volta esaurito il processo di esplosione primaria; non vengono invece captati i volumi d’olio costituiti dai getti in pressione durante la fase di esplosione primaria, che possono essere anche rilevanti ai fini della formazione di un pool fire. Una disposizione costruttiva utile in tal senso, soprattutto in presenza di un recinto tagliafuoco o di un ambiente chiuso, è la realizzazione di un massetto di fondo in pendenza, che aiuti il rifluimento dell’olio disperso verso la griglia di captazione e la vasca di raccolta. Questi aspetti possono essere messi in conto mediante l’introduzione del seguente indice di severità specifico: vasca raccolta olio SF esistente, fornita di massetto inclinato collettore 1 esistente, senza massetto inclinato collettore 3 non esistente 10

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 47/64 7 CONCLUSIONI

Le conoscenze acquisite nell'ambito del WP3 “Esplosione ed incendio in sottostazioni elettriche”, corredate da una serie di informazioni raccolte su casi incidentali effettivamente verificatisi in sottostazioni elettriche e sulle tipologie di interventi adottati dai gestori per il breve e il medio-lungo termine, sono state raccolte nel presente documento di sintesi, che può costituire una linea guida per il progetto di sottostazioni e cabine elettriche di nuova concezione (dal punto di vista della ridotta vulnerabilità nei riguardi degli effetti potenzialmente prodotti da scoppi e incendi) e per la verifica/adeguamento di impianti esistenti.

CESI A5055895Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 48/64 8 RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

[1] Graziani R., Lepore L., Poli U. "Metodo per l'analisi e la valutazione delle conseguenze di eventi incidentali connessi a determinate attività industriali", Istituto Superiore per la Prevenzione e la Sicurezza del Lavoro, Doc. DIPIA 1040 Rev. 9/92

[2] Ministero dell’Ambiente: Criteri di analisi e valutazione dei rapporti di sicurezza relativi ai depositi di liquidi facilmente infiammabili e/o tossici, DM n°188 20 Ottobre 1998

[3] Ragusa S., "Introduzione all'Analisi del rischio nell'industria", Safety Improvement, 1986, p.174 [4] Lees, F.P. "Loss prevention in the process industries", Butterworths & Co., 1980, Vol.1, p.571 [5] Mercx W.P.M., De iutwerking van explosie-effekten op constructies, PML 1988-C-74, Juni 1988 [6] NFPA68 – Guide for Venting of Deflagrations, 1988 Edition, National Fire Protection

Association. [7] NFPA69 – Standard on Explosion Prevention System, 1992 Edition, National Fire Protection

Association. [8] Pressure Venting of Dust Explsions, VDI 3673, Beuth Verlag, 1995 [9] Direttiva 94/9/CE del Parlamento Europeo e del Consiglio concernente il ravvicinamento delle

legislazioni degli Stati membri relative agli apparecchiature e sistemi di protezione destinati a essere utilizzati in atmosfera potenzialmente esplosiva, 23 marzo 1994

[10] EPRI: Partial combustion of electrical insulation fluids, Project 2028-11, Final Report EL-5262, July 1987

[11] T.Kawamura, M.Ueda, K.Ando, T.Maeda, Y.Abiru, M.Watanabe, K.Moritsu: Prevention of tank rupture due to internal fault of oil-filled transformer, CIGRE International Conference on Large High Voltage Electric Systems, Paris, 28/8-3/9/1988

[12] H. Kuwahara, K. Tsuruta: Study of explosion and fire hazards of silicone liquid under arc conditions, IEEE, pp. 186-194, 1989

[13] CESI: Indagine sui gas prodotti con archi interni nei trasformatori in olio, Rapporto di Prova GPS-98/031632, Dicembre 1998.

[14] SEBK - Sikkerhetstiltak mot Eksplosjon og Brann i Kraftforsyningen - Safety Measures to prevent Explosion and Fire in Electrical Power Plants, Phase 1÷5 SEBK Project Reports, Gennaio 2002

[15] SEBK - Sikkerhetstiltak mot Eksplosjon og Brann i Kraftforsyningen - Safety Measures to prevent Explosion and Fire in Electrical Power Plants, Extension Project, Agosto 2002

[16] CESI: Tecniche di modellazione del fenomeno di rilascio di olio e gas dalla cassa di trasformatori soggetti ad arco interno, Rapporto A4524877, 31/12/2004

[17] CESI: Definizione di una check-list per la valutazione del rischio, Rapporto A5030345, 30/12/2005

[18] CESI: Caratterizzazione dei principali componenti di sottostazioni elettriche con riferimento agli scenari incidentali di esplosione ed incendio, Rapporto A5030345, 29/06/2005


Tab. 1 – Danni provocati dal fronte di sovrapressione in un’esplosione [1]

Danni su persone Sovrapressione (bar) Nessun effetto 0.010 Rottura dei timpani 0.050 Danni ai polmoni 0.140


Effetti Sovrapressione (bar) Nessun effetto ± 0.01 danni reversibili (min/max ammissibile) ± 0.03 danni non reversibili ± 0.07 letale ± 0.14 danni su strutture e apparecchiature ± 0.30 notevoli danni su strutture e apparecchiature ± 0.60


Danni Sovrapressione [bar]

Limite di danno trascurabile 0.02 50% frantumazione vetri finestre 0.025

100% frantumazione vetri finestre 0.07 50% distruzione di edifici in muratura 0.16

Rottura di serbatoi di stoccaggio 0.25 100% distruzione di edifici in muratura 0.45

notevoli danni su impianti e apparecchiature industriali 0.6 distruzione di strutture in cemento armato 0.7




Percezione rumore fastidioso (137 dB), se di bassa frequenza (10-15 Hz) 0.001 Rottura occasionale dei vetri di grandi finestre se già sotto sforzo 0.002

Forte rumore (143 dB) 0.004 Rottura di finestre già sotto sforzo 0.007

Tipica pressione di rottura di lastre di vetro 0.010 'Distanza di sicurezza' (probabilità 0.95 di assenza di danno sotto questo valore)

Danni minori a coperture di edifici; 10% vetri finestre rotti 0.002

Limitati e secondari danni strutturali 0.028 frantumazione dei vetri di finestre di grandi e piccole dimensioni; rottura occasionale

dei serramenti 0.034-0.069

danni minori a strutture di edifici 0.048 parziale demolizione di edifici 0.069

pannelli ondulati di amianto distrutti pannelli corrugati di acciaio o alluminio divelti dai supporti e imbozzati

tamponamenti in legno divelti e sfondati 0.069-0.138

strutture portanti in acciaio lievemente distorte 0.090 parziale collasso di muri e tetti di edifici 0.138

rottura di muri in blocchi di calcestruzzo non rinforzati 0.138-0.207 limite inferiore di importanti danni strutturali 0.159

50% distruzione di edifici in mattoni 0.172 strutture portanti in acciaio deformate e divelte dalle fondazioni 0.207

strutture scatolari in acciaio distrutte rottura di serbatoi di stoccaggio 0.207-0.276

rottura del rivestimento di edifici industriali 0.276 probabile totale distruzione di edifici

spostamento e danneggiamento di macchinario industriale pesante 0.690




nessun danno strutturale 0.002 leggero rumore, rottura occasionale di vetri 0.003

5% rottura di vetri 0.005 50% rottura di vetri 0.02

90% rottura di vetri, rottura occasionale di telai 0.035 rottura delle connessioni di pannelli corrugati 0.07-0.14

collasso di muri in blocchi di calcestruzzo 0.15-0.2 collasso di strutture intelaiate in metallo 0.2

collasso di edifici con struttura portante in profilati metallici 0.2-0.3 imbozzamento di serbatoi di stoccaggio vuoti 0.2-0.3

danneggiamento di condotti 0.2-0.3 dislocazione di pannelli di tamponamento 0.3

spostamento e rottura di condotti 0.35-0.4 cedimento di muri in blocchi di spessore 0.2-0.3m 0.5

Tab. 6 – Limite inferiore e superiore di infiammabilità della miscela gassosa (prodotti gassosi della pirolisi e olio nebulizzato)

Quantitativo LFL UFL oil mist (%vol) (%vol) (%vol) 0 (no oil mist) 3.4 66.4

100 2.9 32.3 200 2.6 23.6 400 2.2 17.2

Tab. 7 – Minima concentrazione di ossigeno della miscela gassosa (prodotti gassosi della pirolisi e olio nebulizzato) con riferimento ai gas inerti N2 e CO2

Quantitativo N2 CO2 oil mist MOC MOC (%vol) (%vol) (%vol)

0 (no oil mist) 5.3 5.6 100 5.7 6.0


RReeaazziioonnee ddii ppiirroolliissii

AArrccoo eelleettttrriiccoo

Fig. 1 – Guasto interno in un componente elettrico isolato in olio


MMiissssiillii

GGeettttoo dd’’oolliioo

PPrrooddoottttoo ggaassssoossii ddeellllaa ppiirroolliissii

Fig. 2 – Esplosione primaria


OOlliioo nneebbuulliizzzzaattooPPrrooddoottttoo ggaassssoossii

ddeellllaa ppiirroolliissii

OOlliioo lliiqquuiiddoo

Fig. 3 – Sostanze fuoriuscenti dall’involucro durante l’esplosione primaria


SScceennaarriioo ddii IInncceennddiioo ((PPooooll ffiirree))

SScceennaarriioo ddii EEsspplloossiioonneeSSeeccoonnddaarriiaa

SSoorrggeennttee ddii iiggnniizziioonnee

Fig. 4 – Formazione dei due scenari incidentali di esplosione secondaria ed incendio


OK

VVeennttiinngg

KO

KO

BBaarrrriieerree aannttiissccooppppiioo

Fig. 5 – Controllo dello scenario esplosione mediante tecniche di mitigazione


La griglia/piastra del passaggio cavi cede per effetto dell’esplosione

Fig. 6 – Impatto dell’esplosione secondaria sullo scenario di pool-fire – controllo passaggio cavi (a)


L’incendio si propaga ai volumi adiacenti...

KO

Fig. 7 – Impatto dell’esplosione secondaria sullo scenario di pool-fire – controllo passaggio cavi (b)


La predisposizione di pannelli antiscoppio nei passaggi cavi previene la propagazione incontrollata dell’incendio

OK

Fig. 8 – Impatto dell’esplosione secondaria sullo scenario di pool-fire – controllo passaggio cavi (c)


Una breccia si apre nella parete o nella copertura per effetto dell’esplosione; un flusso d’aria

imprevisto in sede progettuale alimenta l’incendio...

Fig. 9 – Impatto dell’esplosione secondaria sullo scenario di pool-fire – apertura di brecce (a)


L’impianto antiincendio si attiva...

KO

Fig. 10 – Impatto dell’esplosione secondaria sullo scenario di pool-fire – apertura di brecce (b)


Adeguati dispositivi di venting prevengono l’alimentazione incontrollata dell’incendio

Fig. 11 – Impatto dell’esplosione secondaria sullo scenario di pool-fire – dispositivi di venting (a)


OK

Fig. 12 – Impatto dell’esplosione secondaria sullo scenario di pool-fire – dispositivi di venting (b)


A

B

C

Gas Combustibile 100%

D

E

F

G

X

Ossigeno 100%

21%

Azoto 100%

Fig. 13 - Tipico diagramma di infiammabilità di una miscela combustibile-aria.

Valutazione Rischio Esplosione Incendio SS Elettriche - Relazione CESI

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