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La valutazione del danneggiamento di apparecchiature a seguito dell’impatto di frammenti costituisce senza dubbio il punto centrale del presente lavoro di tesi.

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Academic year: 2021

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La valutazione del danneggiamento di apparecchiature a seguito dell’impatto di frammenti costituisce senza dubbio il punto centrale del presente lavoro di tesi.

Infatti, esiste già una procedura quantificativa per la stima della frequenza di effetto domino causata dalla proiezione di frammenti di gusci di apparecchiature.

Mediante questa, è possibile stimare i termini di probabilità di generazione e di impatto di un missile su un determinato bersaglio. La probabilità di danneggiamento del bersaglio è però in generale assunta unitaria, in maniera eccessivamente conservativa e poco realistica. Tale procedura è poi rivolta in maniera esclusiva ai missili generati dalla frammentazione di gusci di apparecchiature, mentre vi sono altre tipologie di missili che possono essere incontrate sia in un impianto convenzionale, sia su una piattaforma off-shore.

Nasce inoltre l’esigenza di considerare la proiezione di frammenti non solo come un vettore di propagazione degli incidenti ma anche come diretto contributo al rischio per le persone. Pertanto, occorre mettere a punto una metodologia per la valutazione del rischio connesso a tale fenomeno.

Il primo passo è stato quello di identificare le principali sorgenti di missili. Queste possono essere suddivise in due categorie: le apparecchiature di processo e le macchine con organi rotanti. Per ognuna di queste sono stati individuati gli scenari incidentali credibili che conducono a proiezione di frammenti associati alle varie tipologie di apparecchiatura. E’ stato osservato che i serbatoi cilindrici in pressione soggetti a BLEVE ed i serbatoi atmosferici a tetto conico al cui interno avviene un’esplosione confinata rappresentano le sorgenti di frammenti di guscio più frequenti. Dall’altra parte si trovano le giranti di compressori centrifughi multistadio. Per ogni sorgente sono state poi individuate le tipologie di frammento d’interesse. Per le apparecchiature di processo sono state selezionate in base alla frequenza osservata mentre per gli organi rotanti, rispetto ai quali non si hanno informazioni storiche sufficienti, sono state considerate quelle più pericolose. Come ulteriore categoria di missile sono stati considerati gli accessori di serbatoi, al cui interno avviene un’esplosione confinata, e che possono distaccarsi da questi.

In seguito è stato compiuto uno studio sui fondamenti della teoria dell’impatto e

della penetrazione. Una prima parte, più generale, ha riguardato il comportamento

elastico dei materiali, la propagazione di un’onda di tensione attraverso un corpo

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colpito, e la meccanica della frattura. Successivamente è stata analizzata, in maniera fenomenologica, la meccanica della perforazione. Grazie a questo studio, sono stati individuati i meccanismi di danneggiamento attesi per ogni accoppiamento tra bersaglio e missile, tipici di eventi incidentali credibili per un impianto chimico. Per qualsiasi apparecchiatura colpita da una delle tipologie di frammento considerate, sono prevedibili vari fenomeni di danneggiamento per perforazione. I bersagli costituiti da serbatoi atmosferici risultano inoltre essere a forte rischio di collasso plastico, un tipo di cedimento strutturale non localizzato come la perforazione.

Un’estesa ricerca bibliografica ha consentito di raccogliere un insieme di modelli per descrivere il danneggiamento di bersagli metallici a seguito d’impatto con frammenti. Questi sono quasi esclusivamente di origine empirica, derivati da test militari, e trattano perciò prevalentemente il fenomeno della perforazione. Questo è stato evidenziato come il meccanismo di danneggiamento predominante nell’impatto di missili in impianti chimici.

Un’analisi comparativa dei modelli di danneggiamento raccolti ha evidenziato analogie in termini di dipendenza dei parametri del bersaglio e del frammento.

Tali correlazioni, che nella forma originaria forniscono in uscita vari “output”, possono essere infatti esplicitate in funzione della profondità di penetrazione nel bersaglio. I diversi modelli sono basati su vari parametri, ma richiedono nella quasi totalità dei casi tre parametri del missile: massa, velocità e diametro d’impatto.

Una volta individuati i principali parametri che determinano la profondità di penetrazione, è stato possibile definire gli intervalli di variazione dei valori tipici di tali grandezze, per ogni tipologia di frammento la cui proiezione è possibile a seguito di incidenti in impianti chimici. Sono state elaborate semplici relazioni geometriche per il calcolo della massa dei missili. La velocità d’impatto è stata cautelativamente assimilata a quella iniziale di proiezione, ed è stata valutata con correlazioni di letteratura per i frammenti di apparecchiature, mentre è stata stimata con leggi di conservazione dell’energia per i missili da organi rotanti. E’

stato poi verificato che il diametro di un missile dipende dalla sua orientazione

spaziale al momento dell’impatto con il bersaglio. Per ogni tipologia di

frammento tale variabilità è stata discretizzata mediante “orientazioni limite”,

tramite cui è possibile stimare un diametro minimo ed uno massimo. Questa

analisi ha evidenziato per tutti i parametri che descrivono il missile ampie

differenze tra le diverse categorie di frammento considerate.

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La fase successiva è stata quella di applicare i modelli di danneggiamento alla proiezione dei missili che si possono generare in un impianto chimico, adottandone i parametri tipici individuati in precedenza. A tale scopo, per quanto riguarda i frammenti di grandi dimensioni, costituiti da parti di guscio di apparecchiature, sono stati definiti dei casi studio credibili, rappresentati ciascuno da una coppia di sorgente e di apparecchiatura bersaglio. Inoltre, al fine di validare i modelli sulla base di dati reali, sono stati raccolti dati su incidenti in cui è avvenuta proiezione di frammenti, ed in cui è noto se è avvenuto o meno il cedimento dell’apparecchiatura secondaria. Sono stati poi analizzati i risultati ottenuti per entrambe le tipologie di applicazioni, e confrontati i dati disponibili sui campi di validità dei modelli. Tutto questo ha portato a selezionare, tra tutte quelle raccolte in letteratura, le correlazioni ritenute più corrette ed affidabili per valutare il danneggiamento di un’apparecchiatura bersaglio, a seguito d’impatto di frammenti di gusci metallici. Queste risultano non dipendere dal diametro del missile, per cui sono indipendenti dall’orientazione spaziale di questo al momento dell’impatto.

Per i missili generati da organi rotanti, e costituiti da accessori di apparecchiature proiettati a seguito di esplosione confinata, rappresentanti la categoria di frammenti di piccole dimensioni, l’applicazione dei modelli di danneggiamento è stata diversa. Infatti, oltre alla definizione di casi studio credibili, per tali missili sono stati individuati intervalli tipici dei parametri principali simili a quelli appartenenti ai proiettili utilizzati in test sperimentali. Pertanto, si hanno a disposizione dati quantitativi su cui effettuare la validazione dei modelli, e non semplici informazioni qualitative sull’avvenuto cedimento del bersaglio, come nel caso dei frammenti di grandi dimensioni. Sono state perciò confrontate le prestazioni delle correlazioni nel modellare sistemi reali, i risultati dei casi studio e le informazioni sui campi di validità. Questo ha portato ancora una volta a selezionare, tra tutte quelle raccolte in letteratura, le correlazioni ritenute più corrette ed affidabili per valutare il danneggiamento di un’apparecchiatura bersaglio, a seguito d’impatto di frammenti di piccole dimensioni. Poiché queste dipendono dal diametro, sono state differenziate secondo l’orientazione del missile al momento dell’impatto.

Con i modelli di danneggiamento individuati in precedenza è stato poi possibile

identificare, per ogni categoria di frammento, le tipologie di bersaglio vulnerabili,

con principale riferimento ad una piattaforma off-shore per l’estrazione del

petrolio. I bersagli qui considerati sono: apparecchiature atmosferiche e

pressurizzate, LER, sale controllo e “living quarters”. Le ultime tre strutture

metalliche sono presenti solo su piattaforme off-shore e non in impianti

convenzionali. E’ stato adottato un criterio deterministico di confronto tra le

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profondità di penetrazione attese per ogni tipologia di frammento e lo spessore caratteristico dei diversi bersagli, per valutare la credibilità del danneggiamento del bersaglio stesso. Questo porta a considerare credibile il danneggiamento degli elementi esclusivi di piattaforma off-shore solo a seguito d’impatto di alcuni tipi di frammenti di grandi dimensioni.

E’ stata poi messa a punto una vera e propria procedura per la valutazione del rischio connessa alla proiezione di frammenti, rivolta particolarmente agli impianti off-shore. Sulla base dei modelli di danneggiamento selezionati sono stati costruiti modelli di tipo Probit per la stima della probabilità di perforazione di un bersaglio da parte di un missile. E’ stato derivato un modello, ancora di tipo Probit, per valutare la probabilità di morte di un individuo colpito da un frammento con massa e velocità d’impatto nota. Inoltre sono state definite le metodologie per la determinazione del rischio individuale, del rischio sociale e delle frequenze di effetto domino delle apparecchiature bersaglio.

La procedura è stata poi applicata su un layout credibile di una piattaforma off- shore.

Il confronto tra i risultati della valutazione ed i criteri di accettabilità del rischio per impianti convenzionali mostra che la proiezione di frammenti, almeno in una struttura off-shore, non deve essere vista solo come un vettore di propagazione degli incidenti, ma anche come una fonte diretta di rischio.

L’analisi dei risultati della valutazione di rischio ha evidenziato alcuni aspetti riguardanti soprattutto i modelli di danneggiamento sviluppati nel presente lavoro di tesi. In primo luogo, infatti, è stato mostrato che i modelli di perforazione influenzano in maniera decisiva i vari indici di rischio calcolati, oltre alle frequenze di effetto domino. In tal senso, invece, si ritiene di scarsa utilità l’applicazione del modello di danneggiamento per le persone all’impatto di frammenti su individui posti all’aperto. Più interessante sembra in prospettiva l’uso di questo per stimare la vulnerabilità di persone situate all’interno di strutture protettive.

E’ stato inoltre analizzato l’effetto che ha la modifica di specifiche

“sottoprocedure” di calcolo sui risultati finali. Si è visto che una variazione del

metodo di stima della velocità residua di un missile da organo rotante, dopo

l’attraversamento di una qualsiasi barriera, porta a scostamenti trascurabili della

frequenza di decesso di una persona o di perforazione di un’apparecchiatura

colpita da questo. Un diverso modello per il calcolo della profondità di

penetrazione influenza molto i valori di probabilità di perforazione di un bersaglio

solo per frammenti di grandi dimensioni per cui la scelta effettuata, di utilizzare il

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modello più conservativo, appare la migliore. Infine, è stata analizzata la possibilità che una frattura generata dall’impatto di un proiettile su un’apparecchiatura pressurizzata possa propagarsi, e portare al cedimento della stessa. Si è notato che la propagazione si verifica solo quando è già alta la probabilità di perforazione del bersaglio. Pertanto, anche questo aspetto sembra avere importanza marginale sui risultati finali della valutazione di rischio.

Il presente lavoro di tesi getta quindi le basi per la valutazione del rischio connesso alla proiezione di frammenti non solo in strutture off-shore, ma anche in impianti convenzionali, in cui però il minor grado di congestionamento delle apparecchiature rende l’applicazione meno interessante.

Numerosi sono gli aspetti del lavoro da approfondire o completare nell’ambito specifico della valutazione del danneggiamento di bersagli. In primo luogo, si prospetta interessante effettuare per i frammenti di piccole dimensioni uno studio tridimensionale delle orientazioni al momento dell’impatto, da cui potrà derivare una precisa distribuzione probabilistica del diametro del missile. Inoltre, una validazione dei modelli di danneggiamento su un più ampio ventaglio di dimensioni caratteristiche e di velocità dei frammenti renderà i modelli più affidabili e robusti. Molto importante sarà studiare il collasso plastico delle apparecchiature, meccanismo di cedimento cui i serbatoi atmosferici sono particolarmente soggetti.

Altri aspetti che necessitano di sviluppi futuri riguardano la procedura di

valutazione del rischio. Sicuramente occorrerà aggiungere alla metodologia,

costruita per frammenti di organi rotanti e di gusci di serbatoi, anche una sezione

dedicata agli accessori di apparecchiature distaccatisi a seguito di esplosione

confinata, per cui non si hanno modelli disponibili per tutte le componenti

necessarie alla valutazione del rischio associato. Una modifica del modello

adottato per la stima della probabilità d’impatto che tenga di conto dell’effetto di

ostacoli tra sorgente e bersaglio risulterà senz’altro importante per strutture ad

elevato grado di congestionamento come le piattaforme off-shore. Infine,

l’implementazione della procedura di valutazione del rischio dovuto a proiezione

di frammenti su un software dedicato potrà portare benefici in termini di tempi di

calcolo e consentirne l’applicazione su impianti caratterizzati da un elevato

numero di sorgenti e di bersagli.

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