Esplosioni Confinate

ESPLOSIONI

Esplosioni
• L’esplosione è il fenomeno per cui un
onda di scoppio (onda di pressione
od onda d’urto) si genera in aria a
causa di un rapido rilascio di energia
– L’energia può essere immagazzinata
nel sistema in varie forme
• energia nucleare
• energia chimica
• energia di pressione
• ecc.

Deflagrazione e Detonazione
• Un’esplosione può aver luogo come
deflagrazione o detonazione
• Deflagrazione
– la velocità di riscaldamento della
miscela inferiore a quella del suono nel
materiale incombusto
• Detonazione
– la velocità di propagazione è maggiore
di quella del suono nel materiale
incombusto

Deflagrazione e Detonazione
• Una detonazione genera pressioni
maggiori di una deflagrazione
• Detonazione:
– picco di pressione fino a 20 bar
– processo veloce
• miscele aria-idrocarburi 2 000 - 3 000 m/s
• Deflagrazione
– picco di pressione fino a 8 bar
– processo lento
• miscele aria-idrocarburi circa 1 m/s

Deflagrazione e Detonazione
• Una deflagrazione
– può trasformarsi in una detonazione
• ad esempio, in una tubazione
• Una detonazione
– è più probabile nel caso di esplosioni
confinate
• ad esempio in serbatoi, tubazioni, edifici

Detonazione
• Maggiore tendenza a detonare se:
– i limiti di infiammabilità sono ampi
– ci sono tripli legami C≡C
– c’è un confinamento (es. tubazione)
– c’è una fonte d’ignizione potente
– sono coinvolte alcune sostanze
acetilene, acetone, benzene, cicloesano,
n-decano, etilene, idrogeno, metano,
metanolo, naftalene, tricloroetilene

Deflagrazione e Detonazione
• A parità di energia di esplosione
– presentano diversi andamenti della
sovrapressione
• Deflagrazione
– incremento lento fino al valore di
picco, quindi decremento graduale
• Detonazione
– incremento rapidissimo fino al valore
di picco, quindi decremento costante

Deflagrazione
• Andamento
della sovrapressione nel tempo

Detonazione
• Andamento
della sovrapressione nel tempo

Onda di Pressione
• Ad una certa distanza dall’esplosione
– una detonazione ed una deflagrazione
presentano un fronte di pressione
simile, anche se la forma iniziale
dell’onda di pressione è diversa
– L’impulso di pressione, di forma
qualunque (a), evolve più velocemente
dove P (e quindi T) è maggiore e si
trasforma in (b) e (c).

Onda di Pressione

Onda di Pressione
• Perde energia man mano che si allontana
dal centro dell’esplosione
La sovrapressione
decresce in modo
inversamente proporzionale
al cubo
della distanza

Onda di Pressione
• Andamento dell’onda di pressione in
un punto fisso, in funzione del tempo

Tipi di Esplosioni
• Le tipologie di esplosioni di interesse
negli impianti industriali sono:
– Unconfined Vapor Cloud Explosion
(UVCE)
– Esplosione fisica
– Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion
(BLEVE)
– Esplosione confinata

Tipi di Esplosioni

UVCE
• In caso di innesco di una nube di
vapori o gas infiammabili con
concentrazione maggiore di LFL
– incendio o esplosione
• La probabilità che si abbia esplosione
– è intorno al 10% per nubi grandi (10 t)
– è più 1-0.1% per nubi piccole (circa 1 t)

UVCE
• Una UVCE è una deflagrazione
– sovrapressione di picco
1atmomeno
– durata della fase positiva
20-100 ms
• La conseguenza più importante
– di un incendio (flash fire) è la
radiazione termica
– di un’esplosione (UVCE) è l’onda di
pressione

UVCE
• Non si verifica UVCE
– se la quantità di infiammabile è
inferiore a 500-1000 kg
• circa 100 kg per sostanze molto reattive
(H 2 , C 2 H 2 )
• Una UVCE è più probabile
– per sostanze con elevate velocità di
combustione
– se la nube è confinata o ostacolata
nella dispersione

UVCE
• Probabilità che una nuvola di
vapori infiammabile si inneschi:
– 0.1 - 0.5 per rilasci consistenti (>10 t)
– 0.0001 per piccole perdite
• In molti casi
– la nube di vapori percorre meno di un
centinaio di metri prima di innescarsi
– Il tempo trascorso prima dell’innesco
va da 10-20 s (per rilasci gassosi
turbolenti) fino a più di 15 min

UVCE
• In una UVCE l’energia dell’onda di
presssione
– è solo una piccola parte dell’energia
resa teoricamente disponibile dalla
combustione del combustibile che
costituisce la nube

UVCE
• L’efficienza dell’esplosione
– è generalmente compresa tra 1 e
10% ma può arrivare al 25%.
• Molto spesso si può assumere
un’efficienza intorno al 3%
– se il rilascio è molto rapido l’efficienza
si riduce (1%)

UVCE negli impianti chimici
Causa Esplosioni/anno
impianto
Serbatoi in pressione 10 -5
Tubazioni 10 -4
Pompe 10 -2
Compressori 10 -1
Reattori 10 -2

Modelli di UVCE
• Equivalenza con un esplosivo
– modello TNT equivalente
• Correlazione di UVCE osservate
– modello TNO
• Modelli gas dinamici ideali
– modello acustico

Modello del TNT equivalente
• Per applicare il modello:
– si applica un modello di dispersione per
valutare le dimensioni della nube
infiammabile
– si valuta la massa di infiammabile nella nube
– si stima la quantità di TNT equivalente alla
nube
– si legge sul diagramma il valore della distanza
scalata Z corrispondente al valore di
sovrapressione di interesse
– si deriva la corrispondente distanza effettiva

Modello del TNT equivalente

Modello del TNT equivalente
• Suume che l’infiammabile equivalga
a TriNitroToluene:
M E
W c
E
cTNT
η
=
W = massa di TNT equivalente all'infiammabile (kg)
M = massa di materiale infiammabile rilasciata (kg)
η = efficienza dell'esplosione (compresa tra 0.01 e 0.1)
Ec = calore di combustione del gas infiammabile (kJ/kg)
EcTNT = calore di combustione del TNT (circa 4600 kJ/kg)

Modello del TNT equivalente
• Le grandezze caratteristiche del
modello sono riportate in
diagrammi in funzione della
distanza scalata Z:
Z
R
W
1
3
R = distanza dall’esplosione
W = massa del TNT equivalente
=

Modello del TNT equivalente

Modello del TNT equivalente
• Il suolo forma una barriera al
propagarsi dell’esplosione
– è in grado di assorbire fino al 50%
dell’energia di esplosione
• In simmetria emisferica
– l’energia dell’onda d’urto è 1-2 volte
quella che si ha in simmetria sferica,
dipendentemente dalla quota

Modello del TNT equivalente
• In caso di esplosioni in prossimità
del suolo, occorre tenere conto di un
fattore moltiplicativo pari a:
– 1.5-2 per TNT
– 2 per UVCE
– 2 per esplosioni confinate

Modello del TNT equivalente
Carica
in aria

Modello del TNT equivalente
Carica
superficiale

Altri Modelli
• Il modello di correlazione del TNO
– si applica a gran parte dei materiali di
media reattività
– fornisce le distanze in corrispondenza
di 4 livelli di sovrapressione secondo
una legge a potenza che utilizza la
massa di infiammabile nella nube

Altri Modelli
• Il modello acustico
– assimila il fronte di pressione ad un
pistone di fluido in espansione
– Per basse pressioni di picco il modello
acustico prevede valori maggiori del
modello TNT

Esplosione Fisica
• Quando si rompe un recipiente che
lavora in pressione l’energia
accumulata viene rilasciata come:
– energia cinetica dei frammenti
– energia dell’onda di pressione
– energia dissipata
• riscaldamento dell’aria
– energia potenziale dei frammenti
• energia di deformazione plastica dei
frammenti

Esplosione Fisica

Esplosione Fisica
• E’ difficile determinare come l’energia
si distribuisce tra i vari termini
– cambia durante l’esplosione
– l’onda di pressione sfrutta il 40-80%
dell’energia
• valori maggiori in caso di frattura fragile
– l’energia cinetica dei frammenti sfrutta
quasi tutta l’energia rimanente

Esplosione Fisica
• Un’esplosione fisica può originare da:
– guasto del sistema di regolazione e/o di
sfiato della pressione;
– riduzione dello spessore del recipiente
• corrosione, erosione, attacco chimico
– riduzione della resistenza del recipiente
• surriscaldamento
• difetti del materiale, con sviluppo di cricche
• attacco chimico particolare (corrosione da
stress)

Esplosione Fisica
Tipo Energia dell’onda
di pressione
Recipiente per gas Espansione di gas
Recipiente per liquido
(TTebollizione)
Espansione di gas
nello spazio vapore;
fuoriuscita di liquido
Espansione di gas;
flash ed evaporazione
del liquido

Modello del TNT equivalente
• Per un gas ideale che si espande in modo
isotermo, l’energia rilasciata è:
W
=
1.4
x
10
W = energia in libbre di TNT V = volume gas compresso (ft3 )
P0 = pressione di rif, 14.7 psia T0 = temperatura di rif., 492°R
T1 = temperatura del gas compresso, °R
P1 e P2 = pressione iniziale e finale del gas compresso (psia)
R = costante dei gas, 1.987 Btu/lb mol °R;
1.4 x 10-6 = fattore di conversione (1 lb TNT = 2000 Btu)
P
T
-6 V 1 0 R T 1 ln
P0
T 1
⎛
⎜
⎝
P
P
1
2
⎞
⎟
⎠

Modello del TNT equivalente
• Pressione di scoppio sulla superficie
del recipiente che esplode:
P
b
=
P
s
⎡
⎢
⎣
1-
(
3.5
γ
T
M) (
1+
5.9
⎤
⎥
) ⎦
γ - 1 ) ( P - 1) γ
Ps = pressione sulla superficie del recipiente, bar
Pb = pressione di scoppio, bar
γ = rapporto dei calori specifici Cp /Cv (1.2-1.7)
T = temperatura assoluta , K
M = peso molecolare del gas lb/lb mole
(
/
s
P
s
- 2 γ
- 1

Lancio di Frammenti
• Il maggior pericolo è costituito dal lancio
di frammenti
– velocità iniziale dei frammenti
• da grafici o in modo semplificato
u
=
2.
05
u = velocità iniziale (ft/s) P = pressione rottura, psig
D = diametro frammento, in W= peso frammento, lb
P
D
W
3

Lancio di Frammenti

Coefficienti di Attrito

Velocità dei Frammenti

Altri Modelli
• Esistono espressioni semplificate:
r =
120 w
r = distanza,
w = massa di TNT, kg
• Il TNO considera come punti tipici di
rottura gli attacchi del recipiente:
– i frammenti sono per lo più costituiti da
bocchelli, valvole, ecc.
1
3

BLEVE
• Rottura catastrofica di un recipiente
in pressione che contiene liquido
surriscaldato o gas liquefatto
– La causa più frequente è una fiamma che
colpisce il recipiente al di sopra del livello
del liquido.
• La temperatura del metallo aumenta e la sua
resistenza meccanica diminuisce fino a che
non si ha una rottura improvvisa
• le valvole di sicurezza non proteggono contro
il BLEVE perché la pressione nel recipiente
non aumenta fino a che c’è liquido all’interno

BLEVE e GPL
• Il GPL è il prodotto coinvolto più
frequentemente in esplosioni BLEVE
– I serbatoi per GPL sono progettati per
una pressione operativa di 17 atm, con
un fattore di sicurezza pari a 4 rispetto
al carico di rottura
– Data la riduzione della resistenza con
la temperatura, il recipiente cede
quando la superficie non a contatto con
il liquido è a circa 650°C e la pressione
è di 20-27 atm

BLEVE e Fireball
• Quando si verifica il BLEVE
– il liquido surriscaldato o il gas
liquefatto subisce un flash ed
aumenta di volume (più di 100 volte)
generando un’onda di pressione
– Se il liquido è infiammabile e trova un
innesco si può verificare un fireball
– In ogni caso un BLEVE origina un
lancio di frammenti

BLEVE
• Effetti dell’onda di pressione
– modesti e limitati agli apparecchi più
vicini (effetto domino)
• Effetti più pericolosi
– lancio di frammenti, a distanze che
possono arrivare anche a 1 km
• I frammenti sono scagliati per lo più in
direzione dell’asse del recipiente

Numero di Frammenti

Distanza dei Frammenti

Distanza dei Frammenti

Esplosioni Confinate
• L’energia viene rilasciata all’interno
di recipienti o edifici
• Esplosioni confinate negli impianti
industriali possono originare da:
– esplosioni da polveri
– reazioni “fuggitive”
– reazioni di combustione/decomposizione
– esplosioni di vapori infiammabili in
recipienti o all’interno di edifici

Esplosioni Confinate

Esplosioni Confinate
• Nel caso di una miscela gassosa
infiammabile in un recipiente o in
una tubazione
– deflagrazione o detonazione
• Nel caso di un’esplosione da
polveri
– quasi sempre una deflagrazione

Esplosioni Confinate
• Valvole di sicurezza
– sono inefficaci a proteggere dalle
detonazioni
• Le esplosioni confinate causano
principalmente
– onde di pressione
– proiezione di frammenti

Esplosioni Confinate
• Picco massimo di pressione (per
una deflagrazione) :
P
2( max
)
P
1
=
N
N
M
M
M = peso molecolare della miscela gassosa
N = numero di moli della miscela gassosa
T = temperatura assoluta (K)
P = pressione assoluta max = valore di picco
1 = nello stato iniziale 2 = nello stato finale
2
1
T
T
2
1
=
1
2
T
T
2
1

Esplosioni Confinate
• Per miscele idrocarburi-aria
– P 2 /P 1 ≅ 8
• Esplosione del recipiente
– se la pressione di picco supera quella
di scoppio del recipiente

Esplosioni Confinate
• In sistemi interconnessi si può
verificare il "pressure piling”:
– Quando la pressione sale nel
recipiente A, la temperatura e la
pressione aumentano nel recipiente
B, ad esso collegato, che a sua volta
può innescare ulteriori aumenti della
pressione di esplosione

Esplosioni da Polveri
• Sono generalmente deflagrazioni
• Si sono verificate in:
– macinazione della farina
– stoccaggi di grano
– miniere di carbone
• talvolta detonazioni
• Prodotti coinvolti:
– legno, carbone, alimenti, materiali
plastici, prodotti chimici, ecc.

Esplosioni da Polveri
• Effetti di esplosioni da polveri:
– rapido rilascio di calore
– aumento di pressione
– espansione di gas caldi
• Sequenza tipica
– in gran parte dei casi l’esplosione
iniziale distrugge una parte di impianto
– ciò causa la fuoriuscita di altra polvere
– spesso c’è una seconda esplosione più
vasta e devastante della prima

Effetto UVCE

Effetto BLEVE

Effetto BLEVE

Effetto delle Esplosioni
• Le esplosioni hanno effetti in
termini di:
– onda di sovrapressione
– lancio di frammenti
– sviluppo di calore e prodotti di
combustione
• Essi si esplicano su
– strutture
– persone

Effetto delle Esplosioni

Effetto delle Esplosioni

Effetti sulle Strutture
• Si può assumere che la struttura
sia soggetta ad uno spostamento
elastico, massimo al tempo t e:
t
e
=
P
r
Pmax = pressione massima
re = massima resistenza elastica
T
4
max
e

Effetti sulle Strutture
• T è il periodo naturale della
struttura (s), che si ottiene da:
T
= 0.05
H
B
B = larghezza della struttura (ft)
H = altezza della struttura (ft)

Effetti sulle Strutture
• La resistenza in condizioni
dinamiche è maggiore di quella
statica di un fattore funzione del
tempo t e,
– per l'acciaio:
• 1.58 per te < 5.5 ms
• 1.15 per te = 100 ms
– per il cemento armato:
• 1.38 per t e < 10 ms

Effetti sulle Strutture
• Entità dei danni
– dipende dalla rapidità con cui le
strutture rispondono al carico
• sono favorite le strutture piccole e leggere
• La resistenza del materiale aumenta
enormemente se esso è duttile
– Duttilità: rapporto tra la deformazione
totale prima della frattura e la
deformazione elastica:
• per materiali duttili (acciaio, cemento
armato) può superare il valore di 20

Effetti Domino
• Sono rappresentati dai danni
causati da un’esplosione in altra
parte dell’impianto o di impianti
limitrofi, con ulteriore fuoriuscita
di sostanze pericolose
– Nel caso delle esplosioni gli effetti
domino sono dovuti essenzialmente a
• sovrapressione
• lancio di frammenti

Effetti sulle Persone
• Gli effetti del calore sono stati
esaminati trattando gli incendi
– i prodotti di combustione sono caldi e
possono essere tossici
• L’esplosione causa
– sovrappressione
– lancio di schegge
– spostamento del corpo

Effetti sulle Persone
• La sovrapressione può causare
danni fisici permanenti
– rottura del timpano
– morte per emorragia polmonare
• La sovrapressione che causa
l’emorragia polmonare è superiore
a quella di distruzione degli edifici
– i crolli costituiscono la causa di morte
più probabile

Effetti sulle Persone
• Equazioni di probit
– emorragia polmonare:
Y
=
-77.1+
6.91 ln
– rottura del timpano:
Y
= -15.6
+ 1.93 ln
Y = probit (quando Y= 5 la probabilità
dell’effetto = 50%)
p 0 = sovrapressione (atm)
p
0
p
0

Effetti sulle Persone
• Una scheggia è in grado di causare
la morte dipendentemente da
– dimensioni
– energia di impatto
– punto di impatto
• Lo spostamento del corpo può pure
causare la morte
– urto contro strutture dure o appuntite

Effetti sulle Persone
Danni provocati da un frammento
di vetro da 10 g
Tipo di lesione Sovrapressione
(atm)
Lacerazione della pelle 0.07-0.14
Ferita leggera 0.14-020
Lievi danni alle strutture 0.48-0.54

Effetti su Edifici Residenziali
Danno Sovrapressione
(atm)
Gravi danni 0.35
Danni riparabili 0.1
Rottura vetri 0.05
Rottura 10% vetri 0.02
I danni dipendono anche dalla durata
dell’onda d’urto
– per una tipica UVCE 10-100 ms

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

Effetti in Aree Edificate

Effetto delle Esplosioni
Emorragia Polmonare

Effetto delle Esplosioni
Rottura del Timpano