le norme da rispettare per tenere sotto controllo le

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LE NORME DA RISPETTARE
PER TENERE SOTTO CONTROLLO
LE ESPLOSIONI DA POLVERI
Le principali misure di prevenzione e protezione: una guida tecnica che non
si ferma all’illustrazione delle disposizioni della Direttiva ATEX (seconda parte)
Dott. Ing. Marzio Marigo - Consulente Antincendio e Sicurezza sul Lavoro, Pordenone
Prosegue su questo numero la
seconda parte dell’interessante lavoro che, partendo da considerazioni sulla valutazione del rischio
da esplosione causato da polveri
(Direttive ATEX 100a e 137), si
propone di illustrare le principali
misure di prevenzione e protezione per far fronte a tale tipo di fenomeno. L’autore con questo contributo, si è ripromesso l’obiettivo
di fornire una piccola linea guida
tecnica sulle esplosioni da polveri, che vada al di là della semplice
illustrazione del disposto legislativo di recepimento ATEX, facendo
ampio ricorso alle normative tecniche vigenti (EN, CEI, prEN, NFPA) e dando precisi riferimenti tecnico progettuali.
Cominciamo analizzando le problematiche che caratterizzano l’elettricità statica.
Nel trasferimento pneumatico
delle polveri, le cariche elettriche
si accumulano per contatto e stro-
finio sia lungo le condotte, sia nei
recipienti intermedi e finali, sia nelle macchine operatrici funzionali all’impianto (ventilatori, coclee).
La densità di carica specifica
generata per le più comuni operazioni con le polveri è riportata in tabella 8.
La misura principale di prevenzione consiste nel collegamento a
terra, senza soluzione di continuità,
di tutte le parti metalliche e non metalliche dell’impianto (artt. 7.2.5 ÷
7.2.6 norma CLC/TR 50404). In generale tale misura, per le parti metalliche, è sempre adottata in quanto i collegamenti tra le varie parti
dell’impianto consistono in giunti
bullonati o saldati. Nel caso di interruzione di continuità sarà necessaria l’adozione di opportuni
ponti elettrici. L’uso di tubazioni in
materiale plastico trasparente come visualizzatori del flusso è sconsigliato a causa dell’elevato rischio
di ignizione delle polveri. Anche i
condotti flessibili devono essere
collegati a terra grazie a conduttori a spirale; dei quali è essenziale
la verifica del corretto collegamento a terra. Le cinghie e i nastri trasportatori dovranno essere collegati a terra secondo quanto prescritto dal art. 4.5 della CLC/TR
50404. Particolare attenzione deve essere posta al collegamento a
terra dei filtri a tessuto, che va realizzato conformemente a quanto indicato dal art. 8.9 della NFPA
77/00. Il controllo dell’elettricità statica avverrà pertanto con la definizione delle massime resistenze di
terra ammissibili atte a prevenire il
rischio di ignizione delle polveri per
cause elettrostatiche (tabella 9).
Fulmini
La norma CEI 81-4 (art. 2.7.1)
definisce a rischio di esplosione
causato da fulminazione i soli depositi e fabbriche di munizioni,
escludendo implicitamente da ta-
Tabella 8 – DENSITÀ DI CARICA GENERATA NELLE PIÙ COMUNI OPERAZIONI CON POLVERI (da: CLC/TR 50404)
Operazione
Densità di carica specifica (µC kg-1)
10-3 ÷ 10-5
10-1 ÷ 10-3
1 ÷ 10-2
1 ÷ 10-1
102 ÷ 10-1
103 ÷ 10-1
Setacciatura
Versamento
Trasferimento su cuscinetti
Macinazione
Frantumazione
Trasporto pneumatico
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IL RISCHIO ESPLOSIONE
DA POLVERI
le rischio tutte le aree classificate
20, 21 e 22.
La possibilità che un fulmine
possa determinare un’esplosione
in aree 21 e 22 risulta, infatti, molto remota derivando essa dal prodotto tra due probabilità di accadimento già bassissime. Tale possibilità, per aree 20, è comunque limitata essendo, in genere, le polveri confinate all’interno di strutture metalliche.
Si dovranno in ogni caso prevedere idonei sistemi di protezio-
IL RISCHIO ESPLOSIONE
DA POLVERI
ne dai fulmini in conformità a quanto previsto dalla CEI 81-1.
– sfogo dell’esplosione;
– soppressione dell’esplosione;
– isolamento dall’esplosione.
Protezione contro
il rischio di esplosione
Nella tabella 10 si elenca la tipologia di dispositivo, correlandola alla normativa tecnica applicabile.
Può altresì rendersi necessaria l’adozione di misure di protezione contro l’esplosione, tra cui si
evidenziano:
– progettazione resistente all’esplosione;
I sistemi di protezione elencati
sono sottoposti alla direttiva
94/9/CE; nel seguito si fornisce
una breve descrizione per ognuno
dei sistemi citati.
Tabella 9 – MASSIME RESISTENZE DI TERRA AMMISSIBILI PER IL CONTROLLO DELL’ELETTRICITÀ STATICA (da: CLC/TR 50404)
Riferimento norma
CLC/TR 50404
Tipo
di installazione
Resistenza massima
verso terra (Ω)
Note
10.3.1.1
Struttura principale dell’impianto
106
MT solitamente intrinseca alla struttura
10.3.1.1
Impianti fissi metallici
di larghe dimensioni (silo, filtri
a maniche, grandi ventilatori)
106
MT solitamente intrinseca alla struttura.
Può essere richiesta una MT speciale
per elementi montati su supporti non conduttivi
10.3.1.1
Tubazioni metalliche
106
MT solitamente intrinseca alla struttura.
Nel caso la MT superi il valore previsto
può rendersi necessario un collegamento
di MT speciale
Elementi non conduttivi con o senza
componenti metallici isolati
(es. bulloni in tubazioni in plastica)
Valore generalmente
non applicabile
10.3.3
Normativa tecnica
armonizzata
Normativa tecnica
nazionale
Normativa tecnica
NFPA
Progettazione resistente
all’esplosione
6.5.2
prEN 14460
EN 13455-3
–
NFPA 69/97
Sfogo dell’esplosione
6.5.3
prEN 14034
EN 13821
prEN 14491
–
NFPA 68/02
NFPA 69/97
Soppressione dell’esplosione
6.5.4
prEN 14373
–
NFPA 69/97
ISO 6184-4
Isolamento dall’esplosione
6.5.5
–
–
NFPA 69/97
NFPA 654/97
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– attrezzature resistenti alla pressione di esplosione (EPR);
– attrezzature resistenti allo
shock dell’esplosione (EPSR).
Le EPR devono resistere alla
massima pressione generata dall’esplosione in assenza di deformazione plastiche residue, mentre l’EPSR ammette deformazioni
residue sull’apparecchiatura.
Si accetta una tensione massima di progetto sulla membratura
pari alla tensione di snervamento
Sfogo dell’esplosione
Lo sfogo dell’esplosione rappresenta una fondamentale misura di protezione contro le esplosioni e consiste nel prevedere l’installazione di una o più aperture di
minima resistenza (dischi di rottura, aperture di decompressione)
che, in occasione dell’esplosione,
cederanno e proteggeranno l’inte-
Figura 8 – Esplosione in impianto protetto da dischi di rottura (da: NFPA 654/97)
Filtro a
maniche
Ciclone
Riferimento paragrafo
EN 1127-1
132
Questa tipologia di protezione
prevede che il contenitore sia progettato per resistere alla massima
pressione che può generare l’ipotetica esplosione da polveri all’interno del contenitore stesso. La
norma di riferimento prEN 14460,
prevede le seguenti modalità di
progettazione:
per l’EPSR mentre per l’EPR la
tensione ammissibile sarà inferiore allo snervamento.
La prEN 14460 rimanda comunque alla EN 13455-3 per l’illustrazione estensiva dei criteri di
progettazione.
La progettazione resistente all’esplosione è generalmente utilizzata quando è necessario proteggere contenitori di piccole dimensioni dagli effetti dell’esplosione
(es. piccole unità filtro, cicloni, valvole rotative).
Il rischio di innesco elettrostatico
preclude l’utilizzo di tali materiali
Tabella 10 – NORMATIVE APPLICABILI ALLE MISURE DI PROTEZIONE DALLE ESPLOSIONI
Strategia
di prevenzione
Progettazione resistente
all’esplosione
Disco
di rottura
Disco
di rottura
Disco
di rottura
Direzione
di propagazione
della deflagrazione
Punto
di
innesco
ANTINCENDIO maggio 2004
ra struttura da effetti distruttivi ben
più rilevanti (figura 8).
Il dimensionamento delle aperture di decompressione fa seguito
alla seguente equazione (legge cubica):
(dP/dt)max • V1/3 = Kst
dove:
(dP/dt)max è la velocità massima di
aumento della pressione durante
la deflagrazione;
V è il volume da proteggere;
Kst è la costante caratteristica della miscela polvere/aria in esame.
In particolare la relazione indica che la velocità di incremento
della pressione diminuisce all’aumentare del volume del contenitore, a parità di miscela polvere/aria.
La pericolosità delle polveri può
essere preventivamente verificata
con la NFPA 68/02. Verifiche di dettaglio, in sede di dimensionamento dei dischi di rottura, dovranno
essere realizzate grazie alle EN
13821 e prEN 14034.
A titolo di esempio si riportano in tabella 11 i principali parametri normalmente utilizzati nel
calcolo delle aperture di decompressione.
La figura 9 indica invece la dinamica dell’esplosione del contenitore chiuso o dotato di dischi di
rottura.
Rispetto a un contenitore chiuso, l’esplosione in un contenitore
dotato di aperture di decompressione è caratterizzata da una sovrappressione massima ridotta
(Pred, inferiore a quella massima
sopportabile dal recipiente) in luogo della sovrappressione massima del contenitore chiuso (Pmax).
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IL RISCHIO ESPLOSIONE
DA POLVERI
IL RISCHIO ESPLOSIONE
DA POLVERI
Tabella 11 – CARATTERISTICHE DI ALCUNE POLVERI COMBUSTIBILI
(da: NFPA 68/02)
Categoria
Sostanza
Grandezza
media
delle particelle
(µm)
Minima
concentrazione
esplosiva
(g/m3)
Pressione
massima
(Pmax)
Kst
Classe di
(bar m/s) pericolosità
ST
Polveri di prodotti agricoli
Cellulosa
Granoturco
Segatura
33
28
29
60
60
9.7
9.4
10.5
223
75
205
2
1
2
Polveri di carbone
Coke di petrolio
Lignite
15
32
125
60
7.6
10
47
151
1
1
Polveri chimiche
Acido ascorbico
Lattosio
39
23
60
60
9
7.7
111
81
1
1
nima resistenza Ae, per valori Pred
compresi tra 0.1 e 1.5 bar è così
pari a quanto riportato nello schema A.
Le aperture di decompressione così calcolate dovranno essere installate nella zona 20 del contenitore da proteggere secondo le
modalità indicate dalla prEN
14491. A tale norma si rimanda
anche per tutto quanto non esplicitamente richiamato nel presente lavoro (azioni sulle strutture, durata della sollecitazione di apertu-
ra, modalità di posizionamento,
manutenzione, ecc.)
Adeguata protezione, conforme alla norma, dovrà inoltre essere riservata alle condutture di
collegamento e trasporto dell’impianto.
Una rilevante controindicazione nell’uso di questa tecnologia si
ha per possibile fuga di gas o polveri tossiche (per es. particolari
processi in aziende farmaceutiche), caso in cui si dovrà ricorrere
a sistemi di soppressione delle
esplosioni.
Schema A - VALORE DELLA SUPERFICIE DI MINIMA RESISTENZA Ae
(per valori Pred compresi tra 0.1 e 1.5 bar)
Ae = B [1+C • Log (L/D)]
Polveri metalliche
Alluminio
Magnesio
29
28
30
30
12.4
17.5
415
508
3
3
Polveri di materie plastiche
Resina melamminica
Polivinilacetato
18
32
125
30
10.2
8.6
110
119
1
1
dove:
B= [3.264 • 10-5 • Pmax • Kst • Pred + 0.27 • (Pstat - 1) • Pred 0.5 ] • V0.753;
C = [- 4.305 • Log (Pred) + 0.758]
L è l’altezza del contenitore da proteggere;
Pmax
Pressione
Andamento della pressione
con il recipiente chiuso
Resistenza
del recipiente
Pred
Andamento della pressione
con l’apertura dei pannelli
di decompressione
Pstat
Tempo
Figura 9 – Dinamica dell’esplosione in assenza e presenza di pannelli di decompressione
134
ANTINCENDIO maggio 2004
La pressione massima di apertura dei pannelli di decompressione
si indica con Pstat.
La metodologia di calcolo delle aperture di decompressione, sviluppata in prEN 14491, presuppone la conoscenza del valore Pstat
del pannello posto a protezione
delle aperture di sfogo, che dovrà
essere certificato secondo quanto
prescritto dalla Direttiva 95/9/CE.
È necessaria inoltre la conoscenza della Pred del contenitore
che si dovrà proteggere, dato che
si può ricavare direttamente con
prove di laboratorio o calcolato con
i metodi forniti dalla scienza delle
costruzioni, anche grazie a simulazioni di tipo numerico.
Il valore della superficie di mi-
D è il diametro idraulico del contenitore da proteggere;
V è il volume del contenitore da proteggere.
Nel caso Pred sia compresa tra 1.5 e 2.0 bar allora:
Ae = B
Le equazioni precedenti sono valide se sono soddisfatti i seguenti parametri:
0.1 m3 ≤ V ≤ 10.000 m3;
0.1 bar ≤ Pstat ≤ 1 bar;
Pstat ≤ Pred ≤ 2 bar;
5 bar ≤ Pmax ≤ 10 bar nel caso in cui 10 bar • m • s-1 ≤ Kst ≤ 300 bar • m • s-1;
Sistemi di soppressione
dell’esplosione
Tali sistemi – che consistono
nell’insieme di componenti per la
rilevazione, l’estinzione e la supervisione/controllo – agiscono
prevenendo la crescita della pressione per deflagrazioni delle polveri stoccate in contenitori chiusi
(cicloni, filtri a maniche, silos) e
vengono utilizzati quando il rilascio
all’esterno dei prodotti della combustione ha una potenziale ricaduta negativa sia per le persone,
sia per l’ambiente (fuoriuscita di
prodotti tossici, nocivi).
L’azione di soppressione consiste nell’estinzione delle reazioni di
esplosione allo stadio iniziale, prima cioè che la catena di reazione
si ramifichi e la normativa di riferimento per la progettazione di sistemi di soppressione è il progetto
di norma armonizzata prEN 14373.
L’esplosione incipiente è rilevata grazie a sensori di pressione,
del tasso di incremento della pressione o sensori ottici UV. La dinamica di funzionamento è illustrata
in figura 10, dove la Pa è la pressione di attivazione del sistema ad
alta velocità di scarico dell’estinguente (HRD).
Normalmente i sistemi HRD sono caricati ad azoto con pressioni
comprese tra 20 e 60 bar. Molti sono i tipi di estinguente utilizzati, tra
cui l’acqua, con o senza additivi,
e le polveri polivalenti. Sistemi
HRD possono essere infine caricati anche a CO2.
oppure:
5 bar ≤ Pmax ≤ 12 bar nel caso in cui 300 bar • m • s-1 ≤ Kst ≤ 800 bar • m • s-1;
Isolamento dall’esplosione
Le condizioni iniziali di temperatura e pressione siano atmosferiche;
1 ≤ L/D ≤ 20.
L’isolamento dall’esplosione è
un metodo che permette l’interru-
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IL RISCHIO ESPLOSIONE
DA POLVERI
IL RISCHIO ESPLOSIONE
DA POLVERI
Tabella 12 – PRINCIPALI CARATTERISTICHE DEI SISTEMI DI ISOLAMENTO DALLE ESPLOSIONI PER POLVERI (da: NFPA 69/97)
Dispositivo
Barriere estinguenti
Valvole ad azione rapida
Valvole rotative (a stella)
Deviatori di esplosione
Riferimento paragrafo
EN 1127-1
Tipo
6.5.5.2.5
6.5.5.3.2
6.5.5.3.3
6.5.5.3.4
Attivo
Attivo
Passivo
Passivo
Isolamento
dall’esplosione
Isolamento
dalla fonte di ignizione
Isolamento
del flusso
SÌ
SÌ
SÌ
NO
SÌ
SÌ
Nota
NO
NO
SÌ
SÌ
SÌ
Nota: La valvola rotativa previene il passaggio del fronte di fiamma ma non sempre impedisce l’attraversamento di braci e/o scintille
Pmax
Pressione
Andamento della pressione
con il recipiente chiuso
Resistenza
del recipiente
Pred
Andamento della pressione
con HRD attivato
Pa
Tempo
Ciclone
Fast Acting
Valve
Filtro a
maniche
Disco
di rottura
Punto
di innesco
Figura 11 – Impianto isolato con valvola ad azione rapida (da: NFPA 654/97)
136
ANTINCENDIO maggio 2004
Figura 10 – Dinamica
dell’esplosione in assenza
e presenza di sistemi HRD
zione dell’onda di pressione e del
fronte di fiamma tra apparecchiature interconnesse con tubazione
di trasporto e collegamento.
È possibile infatti, che l’esplosione nata all’interno di un componente dell’impianto, si propaghi all’intero sistema come illustrato nella figura 8. I sistemi di
isolamento sono basati su diverse tecnologie; nella tabella 12 è
riportata una loro classificazione
in funzione delle caratteristiche
più significative.
L’effetto dell’installazione di un
sistema di isolamento in una condotta di collegamento è rappresentato in figura 11.
Nel caso specifico si tratta dell’installazione di una valvola ad
azione rapida (Fast Acting Valve).
La scelta del sistema di isolamento dovrà tener conto di più
parametri quali la possibilità o
meno di scarico nell’ambiente dei
prodotti della combustione, la necessità o meno di manutenzione
accurata, la resistenza a esplosione dell’impianto, le perdite di
carico indotte dal sistema di isolamento.
La scelta
delle possibili soluzioni
–
Con il presente lavoro si sono
cercati di fornire i principali strumenti per una corretta analisi del
rischio legato all’esplosione da
polveri partendo dalle direttive
ATEX recentemente recepite nel
nostro ordinamento legislativo.
Utilizzando la normativa tecnica, per quanto non sempre
omogenea e completa, ci si è
proposti di illustrare le principali
misure di prevenzione e protezione per far fronte a tale tipologia di pericolo.
Si è evidenziato che a un rischio di complessa soluzione come quello legato alle esplosioni
da polveri corrispondono configurazioni impiantistiche talvolta
complesse e costose.
Di conseguenza, la filosofia
che dovrebbe essere seguita come guida nella scelta tra le possibili soluzioni consiste nell’impiego sinergico dei diversi sistemi di prevenzione e protezione,
tra cui: rivelazione ed estinzione
di scintille accoppiato con superfici di decompressione, ventilatori di classe 1 in zona 20 da utilizzarsi solo con la presenza di sistemi di soppressione delle
esplosioni. Da sola, un’unica misura, raramente è efficace nell’eliminazione del rischio che, se
sottovalutato, può condurre a
conseguenze gravi sia per le persone, sia per le cose.
Bibliografia e
normativa tecnica
EN 1127-1, Explosion prevention
e protection
– EN 13237, Term and definitions for
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
equipment and protective system
intended for use in potentially explosive atmosphere
EN 13821, Determination of minimum ignition energy of dust/air
mixtures
EN 50281-2-1, Test methods Methods for determining the minimum ignition temperatures of dust
EN 50281-3, Classification of areas
where combustible dust are or may
be present
prEN 14034-1, Determination of
the maximum explosion pressure
prEN 14034-4, Determination of
the limiting oxygen concentration
of dust clouds
prEN 14373, Explosion suppression systems
prEN 14460, Explosion resistant
equipment
prEN 14491, Dust explosion venting protective systems
CLC/TR 50404, Code of practise
for the avoidance of hazards due
static electricity
CEI 81-1, Protezione delle strutture contro i fulmini
CEI 81-4, Valutazione del rischio
dovuto al fulmine
NFPA 51B/99, Standard for fire
prevention during welding, cutting
and other hot work
NFPA 61/99, Standard for the prevention of fires and duct explosions
in agricultural and food service
NFPA 68/02, Guide for venting of
deflagration
NFPA 69/97, Standard on explosion prevention system
NFPA 77/00, Recommended practise on static electricity
NFPA 650/98, Standard for pneumatic conveying system for handling combustible particulate solids
NFPA 654/97, Standard for the prevention of fire and dust explosions
from the manufacturing, processing and handling of combustible
particulate solids
NFPA 664/98, Standard for the prevention of fires and explosions in
wood processing and woodworking
facilities
ANTINCENDIO maggio 2004
Manuali e test di riferimento
–
–
–
–
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(USA), 2002
AA.VV., Fire Protection Handbook,
NFPA, Quincy, Massachusetts
(USA), 2003
AA.VV., Impianti elettrici nei luoghi
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Torino, 2002
AA.VV., La nuova legislazione sui
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TNE, Torino, 2003
Monte A., Elementi di impianti industriali, Cortina, Torino 1994
Olivari V., Manuale degli impianti
per l’industria, Tecniche Nuove, Milano, 1999
Pasquon I. Pregaglia G., Principi
della chimica industriale. Parte 4:
Rischi potenziali, sicurezza e protezione ambientale, Città Studi, Milano, 1996
Perry R., Green D. W., Perry’s Chemical Engineers Handbook, McGraw-Hill, New York (USA), 1997
■ ANTINCENDIOLINK ■
La redazione della rivista consiglia,
per approfondire l’argomento trattato
in questo articolo, di consultare anche:
• Caccia alle cause degli eventi in incendi,
esplosioni ed infortuni
M. Marchini
Antincendio, ottobre 2003
• Prodotti antincendio
e loro commercializzazione.
Un nuovo scenario
I. Tiezzi
Antincendio, giugno 2003
• Prodotti petroliferi ecco
come cambieranno le regole tecniche
A. Geri
Antincendio, aprile e maggio 2003
Gli articoli citati e le intere annate
di Antincendio dal 1994 al 2003
sono ricercabili su www.insic.it,
il portale per gli specialisti della sicurezza,
nella sezione LETTERATURA.
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