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ESPLOSIONI
Esplosioni• L�esplosione è il fenomeno per cui un
onda di scoppio (onda di pressione od onda d�urto) si genera in aria a causa di un rapido rilascio di energia– L�energia può essere immagazzinata
nel sistema in varie forme• energia nucleare• energia chimica• energia di pressione• ecc.
Deflagrazione e Detonazione• Un�esplosione può aver luogo come
deflagrazione o detonazione• Deflagrazione
– la velocità di riscaldamento della miscela inferiore a quella del suono nel materiale incombusto
• Detonazione– la velocità di propagazione è maggiore
di quella del suono nel materiale incombusto
Deflagrazione e Detonazione• Una detonazione genera pressioni
maggiori di una deflagrazione• Detonazione:
– picco di pressione fino a 20 bar– processo veloce
• miscele aria-idrocarburi 2 000 - 3 000 m/s
• Deflagrazione– picco di pressione fino a 8 bar– processo lento
• miscele aria-idrocarburi circa 1 m/s
Deflagrazione e Detonazione• Una deflagrazione
– può trasformarsi in una detonazione• ad esempio, in una tubazione
• Una detonazione– è più probabile nel caso di esplosioni
confinate• ad esempio in serbatoi, tubazioni, edifici
Detonazione• Maggiore tendenza a detonare se:
– i limiti di infiammabilità sono ampi– ci sono tripli legami C≡C– c�è un confinamento (es. tubazione)– c�è una fonte d�ignizione potente– sono coinvolte alcune sostanze
acetilene, acetone, benzene, cicloesano,n-decano, etilene, idrogeno, metano,metanolo, naftalene, tricloroetilene
Deflagrazione e Detonazione• A parità di energia di esplosione
– presentano diversi andamenti della sovrapressione
• Deflagrazione – incremento lento fino al valore di
picco, quindi decremento graduale
• Detonazione– incremento rapidissimo fino al valore
di picco, quindi decremento costante
Deflagrazione • Andamento
della sovrapressione nel tempo
Detonazione • Andamento
della sovrapressione nel tempo
Onda di Pressione• Ad una certa distanza dall�esplosione
– una detonazione ed una deflagrazione presentano un fronte di pressione simile, anche se la forma iniziale dell�onda di pressione è diversa
– L�impulso di pressione, di formaqualunque (a), evolve più velocementedove P (e quindi T) è maggiore e si trasforma in (b) e (c).
Onda di Pressione
Onda di Pressione• Perde energia man mano che si allontana
dal centro dell�esplosione
La sovrapressione decresce in modo inversamente pro-porzionale al cubo della distanza
Onda di Pressione• Andamento dell�onda di pressione in
un punto fisso, in funzione del tempo
Tipi di Esplosioni
• Le tipologie di esplosioni di interesse negli impianti industriali sono:– Unconfined Vapor Cloud Explosion
(UVCE)– Esplosione fisica– Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion
(BLEVE)– Esplosione confinata
Tipi di Esplosioni
UVCE
• In caso di innesco di una nube di vapori o gas infiammabili con concentrazione maggiore di LFL– incendio o esplosione
• La probabilità che si abbia esplosione– è intorno al 10% per nubi grandi (10 t)– è più 1-0.1% per nubi piccole (circa 1 t)
UVCE
• Una UVCE è una deflagrazione – sovrapressione di picco
1 atm o meno– durata della fase positiva
20-100 ms
• La conseguenza più importante– di un incendio (flash fire) è la
radiazione termica– di un�esplosione (UVCE) è l�onda di
pressione
UVCE• Non si verifica UVCE
– se la quantità di infiammabile èinferiore a 500-1000 kg• circa 100 kg per sostanze molto reattive
(H2, C2H2)
• Una UVCE è più probabile– per sostanze con elevate velocità di
combustione– se la nube è confinata o ostacolata
nella dispersione
UVCE • Probabilità che una nuvola di
vapori infiammabile si inneschi:– 0.1 - 0.5 per rilasci consistenti (>10 t)– 0.0001 per piccole perdite
• In molti casi– la nube di vapori percorre meno di un
centinaio di metri prima di innescarsi– Il tempo trascorso prima dell�innesco
va da 10-20 s (per rilasci gassosi turbolenti) fino a più di 15 min
UVCE
• In una UVCE l�energia dell�onda di presssione– è solo una piccola parte dell�energia
resa teoricamente disponibile dalla combustione del combustibile che costituisce la nube
UVCE
• L�efficienza dell�esplosione– è generalmente compresa tra 1 e
10% ma può arrivare al 25%.
• Molto spesso si può assumere un�efficienza intorno al 3%– se il rilascio è molto rapido l�efficienza
si riduce (1%)
UVCE negli impianti chimici
Causa Esplosioni/annoimpianto
Serbatoi in pressione 10-5
Tubazioni 10-4
Pompe 10-2
Compressori 10-1
Reattori 10-2
Modelli di UVCE
• Equivalenza con un esplosivo– modello TNT equivalente
• Correlazione di UVCE osservate
– modello TNO• Modelli gas dinamici ideali
– modello acustico
Modello del TNT equivalente• Per applicare il modello:
– si applica un modello di dispersione per valutare le dimensioni della nube infiammabile
– si valuta la massa di infiammabile nella nube– si stima la quantità di TNT equivalente alla
nube– si legge sul diagramma il valore della distanza
scalata Z corrispondente al valore di sovrapressione di interesse
– si deriva la corrispondente distanza effettiva
Modello del TNT equivalente
Modello del TNT equivalente• Suume che l�infiammabile equivalga
a TriNitroToluene:
W = massa di TNT equivalente all'infiammabile (kg)M = massa di materiale infiammabile rilasciata (kg)η = efficienza dell'esplosione (compresa tra 0.01 e 0.1)Ec = calore di combustione del gas infiammabile (kJ/kg)EcTNT = calore di combustione del TNT (circa 4600 kJ/kg)
cTNTEcEM
Wη
=
Modello del TNT equivalente• Le grandezze caratteristiche del
modello sono riportate in diagrammi in funzione delladistanza scalata Z:
R = distanza dall�esplosioneW = massa del TNT equivalente
31
W
R = Z
Modello del TNT equivalente
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 dimedia reattività
– fornisce le distanze in corrispondenza di 4 livelli di sovrapressione secondo una legge a potenza che utilizza la massa di infiammabile nella nube
Altri Modelli• Il modello acustico
– assimila il fronte di pressione ad un pistone di fluido in espansione
– Per basse pressioni di picco il modello acustico prevede valori maggiori del modello TNT
Esplosione Fisica
• Quando si rompe un recipiente che lavora in pressione l�energia accumulata viene rilasciata come:– energia cinetica dei frammenti– energia dell�onda di pressione– energia dissipata
• riscaldamento dell�aria
– energia potenziale dei frammenti• energia di deformazione plastica dei
frammenti
Esplosione Fisica
Esplosione Fisica• E� difficile determinare come l�energia
si distribuisce tra i vari termini – cambia durante l�esplosione– l�onda di pressione sfrutta il 40-80%
dell�energia • valori maggiori in caso di frattura fragile
– l�energia cinetica dei frammenti sfruttaquasi tutta l�energia rimanente
Esplosione Fisica• Un�esplosione fisica può originare da:
– guasto del sistema di regolazione e/o di sfiato della pressione;
– riduzione dello spessore del recipiente• corrosione, erosione, attacco chimico
– riduzione della resistenza del recipiente• surriscaldamento• difetti del materiale, con sviluppo di cricche• attacco chimico particolare (corrosione da
stress)
Esplosione FisicaTipo Energia dell�onda
di pressioneRecipiente per gas Espansione di gasRecipiente per liquido(T<Tebollizione)
Espansione di gasnello spazio vapore;fuoriuscita di liquido
Recipiente per liquido(T>Tebollizione)
Espansione di gas;flash ed evaporazione
del liquido
Modello del TNT equivalente• Per un gas ideale che si espande in modo
isotermo, l�energia rilasciata è:
W = energia in libbre di TNT V = volume gas compresso (ft3)P0 = pressione di rif, 14.7 psia T0 = temperatura di rif., 492°RT1 = temperatura del gas compresso, °RP1 e P2 = pressione iniziale e finale del gas compresso (psia)R = costante dei gas, 1.987 Btu/lb mol °R; 1.4 x 10-6 = fattore di conversione (1 lb TNT = 2000 Btu)
PP T R
TT
PP V 10 x 1.4 = W
2
11
1
0
0
16- ln
Modello del TNT equivalente• Pressione di scoppio sulla superficie
del recipiente che esplode:
Ps = pressione sulla superficie del recipiente, barPb = pressione di scoppio, bar γ = rapporto dei calori specifici Cp/Cv (1.2-1.7)T = temperatura assoluta , KM = peso molecolare del gas lb/lb mole
) P 5.9 + 1 ( M)/ T (
1) - P ( ) 1 - ( 3.5 - 1 P = Ps
s 1 - 2-
sb γγ γ
γ
Lancio di Frammenti
• Il maggior pericolo è costituito dal lancio di frammenti– velocità iniziale dei frammenti
• da grafici o in modo semplificato
u = velocità iniziale (ft/s) P = pressione rottura, psigD = diametro frammento, in W= peso frammento, lb
WDPu
305.2=
Lancio di Frammenti
Coefficienti di Attrito
Velocità dei Frammenti
Altri Modelli
• Esistono espressioni semplificate:
r = distanza,w = massa di TNT, kg
• Il TNO considera come punti tipici di rottura gli attacchi del recipiente:– i frammenti sono per lo più costituiti da
bocchelli, valvole, ecc.
31
120 wr =
BLEVE• Rottura catastrofica di un recipiente
in pressione che contiene liquido surriscaldato o gas liquefatto– La causa più frequente è una fiamma che
colpisce il recipiente al di sopra del livello del liquido. • La temperatura del metallo aumenta e la sua
resistenza meccanica diminuisce fino a che non si ha una rottura improvvisa
• le valvole di sicurezza non proteggono contro il BLEVE perché la pressione nel recipientenon aumenta fino a che c�è liquido all�interno
BLEVE e GPL
• Il GPL è il prodotto coinvolto più frequentemente in esplosioni BLEVE– I serbatoi per GPL sono progettati per
una pressione operativa di 17 atm, con un fattore di sicurezza pari a 4 rispetto al carico di rottura
– Data la riduzione della resistenza con la temperatura, il recipiente cede quando la superficie non a contatto con il liquido è a circa 650°C e la pressione è di 20-27 atm
BLEVE e Fireball• Quando si verifica il BLEVE
– il liquido surriscaldato o il gas liquefatto subisce un flash ed aumenta di volume (più di 100 volte) generando un�onda di pressione
– Se il liquido è infiammabile e trova un innesco si può verificare un fireball
– In ogni caso un BLEVE origina unlancio di frammenti
BLEVE• Effetti dell�onda di pressione
– modesti e limitati agli apparecchi più vicini (effetto domino)
• Effetti più pericolosi– lancio di frammenti, a distanze che
possono arrivare anche a 1 km• I frammenti sono scagliati per lo più in
direzione dell�asse del recipiente
Numero di Frammenti
Distanza dei Frammenti
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) :
M = peso molecolare della miscela gassosaN = numero di moli della miscela gassosaT = temperatura assoluta (K)P = pressione assoluta max = valore di picco1 = nello stato iniziale 2 = nello stato finale
T MT M =
T NT N =
PP
12
21
11
22
1
)2( max
Esplosioni Confinate
• Per miscele idrocarburi-aria– P2/P1 ≅ 8
• Esplosione del recipiente– se la pressione di picco supera quella
di scoppio del recipiente
Esplosioni Confinate• In sistemi interconnessi si può
verificare il "pressure piling�:– Quando la pressione sale nel
recipiente A, la temperatura e la pressione aumentano nel recipiente B, ad esso collegato, che a sua volta può innescare ulteriori aumenti della pressione di esplosione
Esplosioni da Polveri• Sono generalmente deflagrazioni• Si sono verificate in:
– macinazione della farina– stoccaggi di grano– miniere di carbone
• talvolta detonazioni
• Prodotti coinvolti:– legno, carbone, alimenti, materiali
plastici, prodotti chimici, ecc.
Esplosioni da Polveri• Effetti di esplosioni da polveri:
– rapido rilascio di calore– aumento di pressione– espansione di gas caldi
• Sequenza tipica– in gran parte dei casi l�esplosione
iniziale distrugge una parte di impianto– ciò causa la fuoriuscita di altra polvere– spesso c�è una seconda esplosione più
vasta e devastante della prima
Effetto UVCE
Effetto BLEVE
Effetto 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 te:
Pmax = pressione massimare = massima resistenza elastica
rP
4T = t
ee
max
Effetti sulle Strutture
• T è il periodo naturale della struttura (s), che si ottiene da:
B = larghezza della struttura (ft)H = altezza della struttura (ft)
BH 0.05 = T
Effetti sulle Strutture
• La resistenza in condizioni dinamiche è maggiore di quella statica di un fattore funzione del tempo te, – per l'acciaio:
• 1.58 per te < 5.5 ms• 1.15 per te = 100 ms
– per il cemento armato: • 1.38 per te < 10 ms
Effetti sulle Strutture• Entità dei danni
– dipende dalla rapidità con cui le strutture rispondono al carico• sono favorite le strutture piccole e leggere
• La resistenza del materiale aumenta enormemente se esso è duttile– Duttilità: rapporto tra la deformazione
totale prima della frattura e la deformazione elastica:• per materiali duttili (acciaio, cemento
armato) può superare il valore di 20
Effetti Domino• Sono rappresentati dai danni
causati da un�esplosione in altra parte dell�impianto o di impianti limitrofi, con ulteriore fuoriuscita di sostanze pericolose– Nel caso delle esplosioni gli effetti
domino sono dovuti essenzialmente a• sovrapressione• lancio di frammenti
Effetti sulle Persone
• Gli effetti del calore sono stati esaminati trattando gli incendi– i prodotti di combustione sono caldi e
possono essere tossici
• L�esplosione causa– sovrappressione– lancio di schegge– spostamento del corpo
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:
– rottura del timpano:
Y = probit (quando Y= 5 la probabilità dell�effetto = 50%)
p0 = sovrapressione (atm)
p 6.91 + 77.1- = Y 0ln
p 1.93 + 15.6- = Y 0ln
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
Tipo di lesione Sovrapressione(atm)
Lacerazione della pelle 0.07-0.14Ferita leggera 0.14-020Lievi danni alle strutture 0.48-0.54
Effetti sulle Persone
Danni provocati da un frammento di vetro da 10 g
Danno Sovrapressione(atm)
Gravi danni 0.35Danni riparabili 0.1Rottura vetri 0.05Rottura 10% vetri 0.02
Effetti su Edifici Residenziali
I danni dipendono anche dalla durata dell�onda d�urto
– per una tipica UVCE 10-100 ms
Danno Sovrapressione(atm)
Rumore fastidioso (137 dB) 0.001Rottura vetri 0.01Lievi danni alle strutture 0.03Parziale demolizione abitazioni 0.1Collasso strutture in metallo e cemento 0.2Strutture di acciaio divelte 0.3Distruzione completa abitazioni 0.5Emorragia polmonare 1
Effetti delle Esplosioni
Effetti in Aree Edificate
Effetto delle EsplosioniEmorragia Polmonare
Effetto delle EsplosioniRottura del Timpano