I dubbi sul calcolo delle distanze a rischio di esplosione. Risolti

Disclaimer: post lungo e un po’ specialistico.

È trascorso circa un anno e mezzo dalla piena entrata in vigore della norma CEI EN 60079-10-1:2016, relativa alla classificazione dei luoghi a rischio di esplosione per presenza di gas e vapori infiammabili, ma la sua completa attuazione manifesta ancora parecchie viscosità.

Questo fatto è probabilmente attribuibile da un lato alle innovazioni, a volte radicali, che la seconda edizione della norma porta con sé, dall’altro alla mancata pubblicazione di un guida chiarificatrice dei non pochi nodi interpretativi che necessitano di soluzione.

Oggi vorrei soffermarmi su uno tra gli aspetti più problematici della CEI EN 60079-10-1:2016: la determinazione delle distanze a rischio di esplosione presenti nel campo vicino di emissione. Al calcolo di tali ampiezze è dedicato l’allegato D intitolato “Stima delle zone pericolose”. In particolare ci focalizzeremo su due scenari di rilascio che da soli, escludendo gli stabilimenti a rischio di incidente rilevante, probabilmente ricomprendono l’80% delle criticità ATEX presenti nei siti produttivi:

• lo sversamento di pozze di liquido infiammabile;
• l’emissione di gas infiammabile da guasti non catastrofici a sistemi di contenimento.

La premessa ai ragionamenti che faremo di seguito è che l’allegato che analizzeremo è “informativo”. In altri termini, cioè, pur essendo le indicazioni ivi contenute in accordo con lo “spirito” della norma, ciascuno è libero di utilizzare metodologie di calcolo alternative che evidenzino, però, un’affidabilità paragonabile.

Sversamento di pozze di liquido infiammabile

Iniziamo con l’analisi del nomogramma D.1 che correla tre tipologie di dispersione (Jet, Diffusive, Heavy gas) al rilascio volumetrico caratteristico e la cui rappresentazione è di seguito riportata.

Il normatore specifica, nella seconda edizione della norma EN 60079-10-1, che: “Questo diagramma è stato sviluppato sulla base delle equazioni di continuità della massa e su simulazioni scelte di fluidodinamica computazionale (CFD), assumendo una distanza di dispersione proporzionale alla radice quadrata dei valori sull’asse X e moderando i risultati ottenuti in relazione alle finalità della presente Norma”.

A questo riguardo il BSI britannico ha espresso una posizione assai critica proprio relativamente a questo. Tra le varie annotazioni riportate nel recepimento BS della EN, si riscontra anche la seguente: “(…) per la valutazione dell’evaporazione di una pozza di idrocarburi volatili è necessario utilizzare altre norme e fonti di informazione per effettuare controlli incrociati dei risultati al fine di garantire che i rischi siano ridotti al minimo ragionevolmente possibile”.

In altri termini l’UK mette in dubbio l’affidabilità delle distanze desumibili dalla figura D.1 per l’heavy gas e consiglia di utilizzare altre fonti per determinare le distanze di classificazione. Il riferimento, in particolare, è agli scenari di emissione causati da sversamenti di pozze di infiammabili.

Ed è proprio a questo proposito che l’attuale proposta di terza edizione (inchiesta pubblica chiusa il 18/10/2019) reca la seguente, provvisoria, annotazione: “(…) le curve/linee presenti nel grafico D.1 sono basate su simulazioni di fluidodinamica computazionale per diverse “velocità di ventilazione”. Le distanze indicate sono stimate essere il caso peggiore per il rilascio dato. Ciò è stato comprovato dalle simulazioni CFD e dalle distanze indicate in codici industriali affidabili”.

Purtroppo, relativamente a questo, non esiste una pubblicazione scientifica che consenta, in modo indipendente, di chiarire definitivamente la questione. Non conosciamo, in altri termini, quale sia la metodica posta alla base della costruzione delle rette logaritmiche presenti nella Figura D.1. Alcune verifiche da me condotte, e qui pubblicate, suggeriscono che ne caso di rilasci in pozza le distanze di classificazione indicate in D.1 siano in vantaggio di sicurezza rispetto al fenomeno reale nel caso di velocità locali dell’aria pari a 0,25 m/s. Per velocità inferiori, e per alcuni specifici liquidi infiammabili, le distanze restituite dal nomogramma potrebbero essere invece in difetto di sicurezza. Il consiglio è quindi quello di adottare, per lo scenario da pozza, i seguenti coefficienti di sicurezza (as):

• uw = 0,25 m/s: as = 1;
• uw = 0,1 m/s: as = 2;
• uw = 0,05 m/s: as = 3.

Come risulta ancor più chiaramente dalla figura precedente, che esprime la D.1 in scala lineare in luogo di quella logaritmica, volumi di rilascio caratteristico pari a 10 mc/s determinano distanze pericolose superiori a 30 m (nella norma l’ascissa è definita fino a 100 mc/s). Lo standard EI 15:2015, a questo proposito, fissa proprio a 30 m la distanza di classificazione dovuta a pozza, oltre la quale il concetto di classificazione perde di significato. Un aspetto interessante, specificato proprio in EI 15:2015, è relativo all’altezza della dispersione (fino all’LFL); in tale norma si suggerisce, nel caso di liquidi C, di assumere un’altezza di classificazione pari a 1 m oppure, per liquidi molto volatili oppure emessi ad alta temperatura, si consiglia un’altezza di classificazione di 3 m. In questo senso l’incidente accaduto nel petrolchimico di Buncefield (UK) nel 2005, dovuto allo sversamento di una rilevantissima pozza di benzina (superficie stimata non inferiore a 120.000 mq), fornisce la reale misura della “massima altezza raggiungibile” dai vapori di un liquido infiammabile tipico. Le varie inchieste condotte convergono, infatti, nell’affermare che il range di ampiezza verticale fosse compreso nell’intervallo 2÷3 m. Ovviamente il caso di Buncefield, oltre a non essere incluso nel campo di applicazione della CEI EN 60079-10-1:2016, rappresenta un caso limite anche nell’ambito degli incidenti rilevanti.

Ci siamo quindi, almeno per la parte relativa alle classificazione da pozza? Sintetizzo ed integro quanto più sopra specificato:

1. Determinare il rilascio volumetrico caratteristico della pozza;
2. Utilizzare la figura D.1 per determinare la distanza della zona pericolosa (a partire da bordo pozza) utilizzando il modello “heavy gas” e fissando un limite inferiore di 1,3 m;
3. Applicare i coefficienti di sicurezza specificati in relazione alla velocità dell’aria (0,25 m/s, 0,1 m/s, 0,05 m/s);
4. L’altezza della zona classificata si determina invece con la curva “diffusive” facendo attenzione a non superare i 3 m di altezza di classificazione.

Emissione di gas infiammabile da guasti (non catastrofici) a sistemi di contenimento

Le dinamiche di dispersione degli infiammabili gassosi derivanti da guasti a sistemi di contenimento a pressione trovano la loro quantificazione nell’emissione “jet” (considereremo solo le emissioni soniche).

Il principale problema connesso a tali emissioni è legato al fatto che il nomogramma risulta limitato a distanze di classificazione non inferiori ad 1 m. Se tale considerazione poteva apparire dubbia nell’ambito applicativo della seconda edizione della EN 60079-10-1, non essendoci una chiara indicazione che vietasse l’estensione delle rette logaritmiche al di sotto dell’ascissa, con la terza edizione verrà definitivamente chiarita. Il progetto di norma tecnica, sottoposto ad inchiesta pubblica chiusa il 18/10/2019, specificava che: “L’estrapolazione delle curve oltre l’area del grafico mostrata nella Figura D.1 non è possibile da realizzare a causa di altri fattori che possono influenzare la valutazione oltre i limiti indicati”.

Ci siamo quindi? La distanza minima di classificazione, applicando la D.1, non può essere inferiore ad 1 m.

Nella realtà industriale italiana, tuttavia, esistono molte situazioni di tipo “jet”, già classificate con gli strumenti previsti dalla linea guida CEI 31-35:2012, che evidenziano distanze pericolose inferiori al “metro” previsto dalla seconda edizione EN 60079-10-1. Il riferimento, in particolare, è all’applicazione delle equazioni “f.GB.5.1-5a” ed “f.GB.5.1-5b” (non trovate che la numerazione delle equazioni di CEI 31-35 sia migliorabile?…)

Alla luce di questo e stante il parere espresso dal Sotto Comitato CEI SC 31J nel foglio di abrogazione della linea guida CEI 31-35:2012 che recitava: “[…] i contenuti tecnici della Guida CEI 31-35:2012-02 […][rappresentano][…] un utile riferimento, per le metodologie scientifiche in esse contenute, relativamente alle parti non in contrasto con la nuova edizione della Norma CEI EN 60079-10-1:2016-11, nell’ambito delle scelte affidate al valutatore/classificatore” è ragionevole concludere che le equazioni appena citate non siano in contrasto con la norma bensì integrative della medesima per gli scenari di rilascio e dispersione da questa non coperti (dz,jet < 1m).

Si annota che nel corso degli anni sono state proposte molte funzioni matematiche che consentono di determinare la relazione tra la distanza dalla sorgente di emissione sonica e la concentrazione della sostanza nell’ambiente.

Si citano di seguito quelle maggiormente diffuse, contestualizzandone la simbologia in ambito ATEX e rimandando per i dettagli alle pubblicazioni relative.

Anche in questo caso sintetizzo ed integro quanto più sopra specificato:

1. Determinare il rilascio volumetrico caratteristico del rilascio a getto sonico;
2. Utilizzare la figura D.1 per calcolare la distanza della zona pericolosa utilizzando il modello “jet” e fissando un limite inferiore di 1 m;
3. Nel caso di distanza inferiore ad 1 m utilizzare un metodo quantitativo tra quelli proposti dando priorità all’equazione f.GB.5.1-5b, CEI 31-35:2012 (equazione di Tommasini).

Molto interessante sarebbe impostare un confronto tra le equazioni ingegneristiche che si sono via via accumulate nel corso del tempo e le previsioni dell’attuale allegato D, CEI EN 60079-10-1:2016.

Magari la prossima volta…

© Marzio Marigo