7. STIMA DELLE CONSEGUENZE O DEGLI EFFETTI DELLE ESPLOSIONI
7.2 Conseguenze sugli Asset ( danni materiali e costi)
L'analisi di sicurezza è un'analisi di rischio in cui la valutazione delle conseguenze riguarda l'uomo e l'ambiente. L'analisi di affidabilità è un'analisi di rischio le cui conseguenze sono valutate in relazione all'operabilità e produttività dell'impianto.
Quindi sia l'analisi di sicurezza sia quella di affidabilità fanno capo alla stessa metodologia: quella dell'analisi del rischio.
La seguente tabella riassume le tipologie di analisi ed il rischio ad esse connesso: Analisi di
affidabilità/disponibilità Impatto sanitario
Analisi di sicurezza Rischio sanitario (+ rischio amministrativo)
Analisi di rischio globale Rischio d'impresa (sanitario, amministrativo, economico, imprenditoriale).
La seguente tabella riassume, invece, le tipologie di analisi ed il campo di applicazione delle decisioni:
Analisi di Sicurezza (Analisi di Rischio "Sanitario") Impatto sanitario Modifiche/adeguamenti impiantistici Modifiche/adeguamenti gestionali Rischio d'area Analisi di Affidabilità (Analisi di Rischio "Operativo") Operatività impianto
Down time (periodo di non funzionamento) Politiche manutentive
Modifiche/adeguamenti Analisi di Rischio "ad
Indici"
Definizione priorità
Prospettiva delle problematiche Decisioni generiche
Il problema fondamentale da porsi, quindi, è che tali impianti siano progettati "BENE"; in questo modo si garantisce che la possibilità di rischio ambientale sia ridotto e che l'impianto stesso produca maggior quantitativi di prodotto (aumento della disponibilità operativa).
Il progettare "BENE" un impianto è un concetto non ben definito, nel senso che non esiste una linea di livello oltre la quale si possa dire che l'impianto sia totalmente sicuro. In più è necessario controllare che il livello di sicurezza voluto sia stato effettivamente raggiunto. Per fare ciò, è necessario riferirsi a degli standard consolidati di ingegneria di progettazione e di attività di integrazione chiamate safety management.
La valutazione di sicurezza e affidabilità viene eseguita:
A livello di sistema/impianto integrato (vengono analizzate le compatibilità, dal punto di vista della sicurezza, dei vari componenti che formano l'impianto); In condizioni operative e condizioni incidentali (considerando l'area e
l'ambiente in cui l'impianto deve essere collocato).
Poiché le condizioni incidentali sono fenomeni probabilistici è necessario studiarli con metodologie che permettano un'analisi statistica dei fenomeni come ad esempio la cosiddetta RISK ANALYSIS. Tale analisi tende ad ottenere un'indicazione del rischio associato tra un determinato sistema, impianto o insediamento industriale e le conseguenze antropico-ambientali (per uomo e ambiente), operative e produttive che ne derivano.
L'analisi di affidabilità
Per ottenere una migliore disponibilità di un entità nell’arco della sua vita utile, la manutenzione può agire principalmente su due leve affidabilistiche (una di miglioramento dell’affidabilità ed una di controllo o mantenimento preventivo).
La prima leva riguarda la possibilità di individuare delle proposte di miglioramento dell’affidabilità dell’entità in oggetto. Le proposte dovranno essere orientate a raggiungere, sulla base delle esperienze effettuate durante la vita utile dell’entità, dei miglioramenti di progetto (proponendo ad es. delle modifiche costruttive orientate all’utilizzo dei materiale di migliore qualità, oppure delle modifiche negli standard di utilizzo, quali usi di oli lubrificanti migliori rispetto a quelli iniziali e capaci di assicurare una buona lubrificazione più a lungo, …). Questa prima leva ha l’obbiettivo di ridurre la probabilità intrinseca con cui i guasti accadono; agisce cioè direttamente sull’attitudine dell’entità a guastarsi, cercando di individuare soluzioni tese ad allungare in tempo tra l’accadimento di due guasti, rispetto a quanto previsto dal progetto dell’entità.
La seconda leva invece consiste nella scelta di un adeguamento insieme di operazioni di mantenimento dell’entità pianificata con un’opportuna frequenza di intervento (quali il piano di lubrificazione e di regolazione periodiche, il piano di pulizia, il piano d’interventi di sostituzione ciclica di componenti soggetti ad usura, il piano d’ispezione periodiche di verifica del funzionamento dell’entità, ecc). Questa seconda leva ha l’obbiettivo di anticipare in modo preventivo l’intervento rispetto al guasto, tenendo conto della probabilità intrinseca con cui i guasti dell’entità tendono ad accadere. In questo caso quindi non si interviene a modificare in sede progettuale la probabilità intrinseca di accadimento del guasto, ma si introduce un maggior controllo per ridurre il numero delle fermate a guasto, agendo in modo anticipato sul degrado intrinseco dell’entità. Il risultato complessivo è quello di attuare un numero di interventi preventivi capaci di portare la necessità di interventi di manutenzione correttiva a guasto ad un valore di probabilità appropriato allo specifico caso. Compito della manutenzione è quello di smorzare o, se possibile, eliminare quegli eventi di guasto cui sono associate le perdite con maggiori effetti negativi sull’utilizzazione dell’entità o sull’ambiente in cui l’entità opera (perdite di produzione, di servizio, di qualità, di mancata sicurezza).
Modelli Deterministici
I modelli deterministici offrono un supporto all'analista per descrivere in dettaglio (in termini di grafici, equazioni matematiche, codici di calcolo) il comportamento di impianto ed i fenomeni fisici che si manifestano durante l'incidente. In tale categoria rientrano i codici che permettono di studiare l'andamento dei parametri di processo (pressioni, temperature, portate, livelli), la dinamica delle reazioni chimiche in corso, l'evoluzione dei fenomeni di rilascio da contenitori o tubazioni a seguito di rotture, l'evoluzione di incendi ed esplosioni e la diffusione degli inquinanti nell'ambiente. Tali modelli sono normalmente di natura semi-empirica.
Incidenti frequenti da valutare sono gli incendi e le esplosioni:
Incendi
Nell'industria di processo l'incendio rappresenta l'incidente più frequente; il calore prodotto e irraggiato provoca notevoli danni all'impianto con possibilità di innescare una catena di altri incidenti; inoltre l'irraggiamento termico e i fumi spesso tossici,
formatisi a seguito di combustione incompleta, sono fonte di serio pericolo per la salute del personale e della popolazione esposta.
La previsione dei possibili incendi e la valutazione delle relative conseguenze rappresenta una fase di estrema importanza nella progettazione di un impianto ai fini del raggiungimento di un elevato livello di sicurezza.
L'incendio o combustione, è una reazione chimica esotermica, di una sostanza infiammabile con l'ossigeno. Le condizioni necessarie perché si produca sono:
Una sostanza combustibile;
Una sostanza comburente (in genere ossigeno); Una sorgente di energia (innesco).
Le sorgenti di innesco sono molteplici: fiamme libere, superfici calde, scintille, apparecchiature elettriche, cariche elettrostatiche... Poiché il rilascio di una sostanza infiammabile richiede una sorgente di innesco per provocare un incendio o un'esplosione occorre proteggere per quanto possibile gli impianti contro la presenza di tali sorgenti.
La combustione di una miscela infiammabile gas-aria è possibile se la sua composizione giace entro la zona di infiammabilità e se esiste una sorgente di ignizione di sufficiente energia. La zona di infiammabilità di una miscela è determinata dai limiti inferiore e superiore; tali limiti vengono solitamente espressi come percentuale in volume della sostanza combustibile nella miscela aria-combustile. Al di sotto del limite inferiore la concentrazione di combustibile risulta "troppo povera" per incendiarsi (ovvero per consentire la propagazione della fiamma), mentre al di sopra risulta "troppo ricca". L'ampiezza della zona di infiammabilità dipende dai valori di pressione e temperatura della miscela; tale ampiezza varia anche se alla miscela viene aggiunto un gas inerte o un vapore.
Sono altresì importanti i seguenti parametri atti a caratterizzare le sostanze ai fini dell'infiammabilità:
a) Temperatura di autoaccensione: è la temperatura minima alla quale la sostanza deve essere riscaldata affinché si abbia autocombustione; al di sotto di questa temperatura la combustione richiede una sorgente esterna di energia, energia detta di innesco;
b) Punto di infiammabilità (flash point) di un liquido: è il valore di temperatura in corrispondenza della quale il vapore sviluppato dal liquido forma con l'aria una miscela infiammabile che corrisponde al limite inferiore di infiammabilità. Un liquido con punto di infiammabilità minore della temperatura ambiente presenta un elevato grado di pericolosità, tanto che il punto di infiammabilità è considerato un parametro fondamentale per la classificazione della pericolosità delle sostanze.
c) Velocità di bruciamento (espressa usualmente in cm/s): è la velocità di propagazione del fronte di fiamma ed è determinabile solo sperimentalmente; al crescere della temperatura aumenta la velocità di bruciamento, mentre l'aumento di pressione ha effetti diversi a seconda del tipo di sostanza.
Gli incendi di interesse per l'analisi di rischio si possono classificare nel modo seguente: Incendi da pozze/serbatoi di liquidi infiammabili (pool, tank, trench fire); Incendi di getti di vapori/gas infiammabili (jet fire), prodotti da perdite in
Incendi di nubi di vapori (flash fire); Sfere di fuoco (fire balls).
La conoscenza della radiazione termica, misurata solitamente in kW/m2, in diversi punti nell'intorno dell'incendio consente:
La stima delle conseguenze sulle persone accidentalmente esposte; La stima dei danni alle strutture interne ed esterne allo stabilimento; Il progetto del Lay out dell'impianto;
Il dimensionamento dei sistemi di mitigazione.
Queste valutazioni sono possibili mediante modelli, generalmente di tipo semi- empirico.
Esplosioni
L'esplosione è un evento di rilascio di energia in un intervallo di tempo sufficientemente piccolo da generare un'onda di pressione di ampiezza finita. Quanto più rapido è il rilascio di energia tanto più violenta è l'esplosione.
Nelle attività industriali le esplosioni possono verificarsi durante le diverse fasi di un processo di produzione, durante il trasporto e lo stoccaggio di sostanze infiammabili. La causa può essere la rottura di un contenitore a seguito di una sovrappressione originata da una combustione interna, dall'espansione rapida di un gas compresso, ecc.
Lo studio del fenomeno esplosione è rivolto alla definizione del valore di sovrappressione che si ottiene ad una prefissata distanza dal centro dell'esplosione. Per lo studio degli effetti è importante distinguere fra deflagrazione e detonazione. Si ha deflagrazione quando la concentrazione del gas nella miscela è entro i limiti di detonabilità ed è innescata da una sorgente di energia sufficientemente elevata, oppure è stata raggiunta la temperatura di autoaccensione. Il fronte di fiamma che si genera si muove nella miscela combustibile, propagando la reazione di combustione alla velocità di alcuni metri al secondo.
La detonazione si verifica in condizioni non dissimili, tranne che per la maggiore energia di innesco necessaria e la presenza di turbolenze nella nube che determinano una forte accelerazione del fronte di fiamma. La detonazione si ha con l'innesco di sostanze altamente esplosive, ma può ottenersi a partire anche dalla deflagrazione, a seguito di eventi che determinano un'accelerazione del fronte di fiamma. La velocità del fronte di fiamma caratteristico delle detonazioni è molto elevato: per fare un esempio nella deflagrazione di una miscela idrocarburi-aria il fronte di fiamma ha una velocità di qualche decina di metri al secondo, mentre nella detonazione raggiunge i 2.000-3.000 m/s. Nella detonazione si raggiungono sovrappressioni più elevate e quindi onde d'urto, più distruttive rispetto alla deflagrazione.
I fattori che influenzano la violenza di un'esplosione sono essenzialmente: il tipo di miscela, le condizioni di temperatura e pressione di stoccaggio, la forma del contenitore, l'energia di innesco.
I tipi di esplosione che hanno interesse nell'analisi di rischio sono le seguenti: UVCE (Unconfined Vapour Cloud Explosions) o esplosioni non confinate; Esplosioni fisiche;
Esplosioni di polveri e miscele gas-polveri.
Si ha una UVCE quando, a seguito di un rilascio accidentale in ambiente libero (non confinato) di una sostanza infiammabile si ha la formazione di una nube che, miscelandosi con l'aria dà luogo a una miscela esplodibile: può verificarsi un'esplosione non confinata se si ha la presenza di un innesco nella porzione di nube in cui la concentrazione rientra nei limiti di detonabilità.
Si ha un'esplosione fisica quando un fluido in pressione viene rilasciato istantaneamente a seguito della rottura catastrofica del recipiente; l'espansione del fluido, conseguente alla repentina depressurizzazione, genera l'onda d'urto. Se il contenuto del recipiente è un liquido in pressione a temperatura maggiore rispetto a quella di saturazione corrispondente alla nuova pressione che si crea con la depressurizzazione, l'onda d'urto è generata dalla rapida vaporizzazione del liquido. In questo caso ha luogo il cosiddetto BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) che si verifica a seguito di rottura catastrofica di un recipiente contenente un liquido criogenico in pressione. La rapida vaporizzazione, conseguente alla repentina depressurizzazione; provoca un'onda d'urto di notevole intensità. Se, per giunta, il fluido è infiammabile, l'esplosione può essere seguita da un "fireball" il cui irraggiamento termico può causare danni alle persone e ai manufatti: agli effetti barici si accompagnano gli effetti termici con grande probabilità di effetto domino.
Le esplosioni chimiche si verificano in recipienti chiusi (esplosioni confinate) ove si svolgono reazioni chimiche che possono sfuggire al controllo (reazioni fuggitive o "runaway reactions") causando un rapido aumento della pressione e della temperatura. In questo caso se fallisce il sistema di protezione (sfiati, refrigerazione, ecc.) si verifica il collasso del recipiente con conseguente onda d'urto e possibile proiezione di frammenti la cui ricaduta può dar luogo a effetti domino; il fluido rilasciato può essere a sua volta, infiammabile o tossico. Anche le esplosioni di nubi di gas in ambienti confinati (serbatoi e/o cisterne) nelle quali, dopo lo svuotamento rimangono vapori infiammabili che possono provocare danni notevoli.
Infine si possono verificare esplosioni di polveri o di miscele gas-polvere, con sostanze finemente disperse in atmosfera o in contenitori di grande volume (ad esempio silos per lo stoccaggio di sostanze alimentari, come zucchero, farina, ecc.). L'innesco di sufficiente energia può dar luogo a esplosioni devastanti non dissimili dalle detonazioni osservate nelle nubi di idrocarburi.
Le esplosioni non confinate (UVCE) e le esplosioni fisiche rivestono un interesse maggiore a causa della loro maggiore frequenza.
Occorre ricordare che i processi fisici che nascono durante l'esplosione di nubi infiammabili non sono ancora ben noti ed i dati ricavati da nubi di piccole dimensioni non sono estrapolabili con certezza a nubi di grandi dimensioni: rimangono quindi consistenti livelli di incertezza nelle previsioni modellistiche.
Per concludere si ribadisce che la stima delle conseguenze delle esplosioni sull'uomo e sulle strutture ha come obiettivo principale l'individuazione delle zone più vulnerabili) allo scopo di consentire la definizione delle misure di protezione e di mitigazione più appropriate.