L` E S P L O S I V I TA` DELLE POLV E R I

L’ESPLOSIVITA’
DELLE POLVERI
Un pericolo per le industrie pari a quello di sostanze liquide a gas
altamente infiammabili.
Dott. ing. Massimo Silvestrini - Ispettore Antincendi - Centro Studi ed Esperienze Roma Capannelle
Con il termine “polveri” si intende ogni materiale solido finemente disperso che può essere il
prodotto finale di un processo industriale o un prodotto indesiderato di lavorazione.
Le miscele aria - polveri possiedono molte similitudini di comportamento con quelle aria - gas,
ma differiscono da quest’ultime
per due motivi primari:
- le polveri non sono molecole
ma particelle più o meno fini di
un dato materiale;
- inoltre sono soggette alla gravità e quindi più o meno velocemente alla sedimentazione.
Anche le miscele aria - polvere, parimenti a quelle aria - gas,
sono esplosive in certe condizioni, e possiedono un campo di
esplosività con un limite superiore ed uno inferiore. Quest’ultimo
è particolarmente interessante
per ciò che riguarda le applicazioni industriali.
I parametri fisici utilizzati per lo
studio dell’esplosività delle polveri sono:
- la pressione massima raggiunta nel corso del fenomeno
esplosivo, Pmax
- la velocità di incremento della
pressione, (dP/dt)max, che è
un indice della violenza
dell’esplosione stessa e corri-
sponde alla tangente nel punto
di flesso della curva pressione
- tempo.
va per la determinazione
dell’esplosività delle polveri sono
diversi ma tutti basati sulla creazione di miscele aria - polveri di
concentrazione nota all’interno di
una camera avente un ben preciso volume.
Un innesco, generalmente costituito dalla scintilla tra due elettrodi o una carica detonante, accende la miscela e dei trasduttori
forniscono l’andamento della
pressione in funzione del tempo.
L’accensione della miscela av-
Tali grandezze vengono determinate all’interno di un vasto
campo di concentrazioni proprio
al fine di individuare la concentrazione che dà luogo, per ogni
polvere, ai massimi valori di
pressione e di velocità di incremento.
Per ogni test si avrà un grafico
del tipo indicato in figura 1, dal
quale è possibile
dedurre Pmax e
(dP/dt)max relati8
vamente
alla
concentrazione
7
di prova.
La ripetizione
6
del test al cambiare della con5
centrazione fornisce coppie di va4
lori di pressione
e velocità di in3
cremento massime
(Pmax;
2
(dP/dt)max) atP
traverso i quali si
1
(dP/dt)max
ottengono delle
curve che per0
mettono di indivi100
120
140
160
180
duare il valore
della concentraTempo [msec]
zione più pericolosa, figura 2.
Fig. 1 - Caratteristica pressione - tempo di una polvere
combustibile, ricavata tramite test di esplosività
I metodi di proANTINCENDIO ottobre 1996
13
ESPLOSIVITÀ
DELLE POLVERI
300
250
10
Polietilene
9
250
8
Metilcellulosa
200
200
7
6
150
150
5
Pmax
4
100
100
3
[dP/dt]max
2
50
50
1
0
0
200
400
600
800
0
1000
0
0
Concentrazione [g/mc]
- il tubo di Hartmann da 1.2 litri
- la sfera da 20 litri
- la camera da 1mc.
La camera da 1 mc impone
l’uso di notevoli quantità di materiale, invece il tubo di Hartmann
14
100
150
200
250
Dimensione particelle [µm]
Fig. 2 - Andamento della pressione e della violenza massime
dell’esplosione al variare della concentrazione
per una polvere combustibile.
viene dopo un tempo di ritardo,
dalla iniezione in camera, al fine
di ottenere il giusto grado di
omogeneità di concentrazione
ed evitare l’inizio del processo di
sedimentazione.
Inoltre a questo tempo, di circa
0.6 s, corrisponde un grado di
turbolenza che è quello tipico
delle più importanti fasi di lavorazione industriale in cui si trovano
coinvolte polveri combustibili.
I dispositivi sperimentali per
l’esecuzione di queste misure
sono:
50
Fig. 3 - Il grafico mostra chiaramente la sensibile variazione
della violenza di esplosione
al cambiare della dimensione delle particelle
(troppo piccolo) produce risultati
non estensibili ad altri volumi.
La sfera da 20 litri permette di
coniugare il coinvolgimento di ristrette quantità di materiale con
risultati di prova estensibili a volumi più grandi mediante l’uso
della legge cubica:
1/3
(dP/dt)max * V = K
E’ importante porre in evidenza
che il volume dello spazio confinato in cui avviene l’esplosione
ne influenza la violenza
(dP/dt)max ma non la pressione
massima.
Si è parlato in precedenza della dimensione delle particelle di
una polvere.
Bisogna intanto precisare che
la dimensione delle particelle
all’interno di una miscela non è
ANTINCENDIO ottobre 1996
unica ma è variabile nell’intorno
di un valore medio.
Pertanto si parlerà di dimensione di una polvere intendendo il
valore medio della dimensione
delle particelle riferito ad una
curva di distribuzione.
La dimensione delle particelle
influenza in maniera determinante la velocità di incremento della
pressione mentre la pressione
massima ne risente in misura decisamente inferiore, figura 3.
Ciò significa che nell’esecuzione dei test di esplosività è bene
utilizzare polveri con dimensioni
inferiori ai 30 - 40 µm onde poter
avere i massimi valori di
(dP/dt)max.
Riassumendo possiamo affermare che, per una data polvere,
la massima pressione di esplosione dipende dalla concentra-
ESPLOSIVITÀ
DELLE POLVERI
Fig. 4
Confronto
tra la pressione
di esplosione
di miscele
di gas infiammabili
e polveri
combustibili
14
12
10
8
6
Metalli
4
2
Tab.1 - Minima energia
di ignizione di polveri di prodotti vari.
- le pressioni massime raggiungibili, in esplosioni di miscele
aria - gas e miscele aria - polveri
- le velocità di aumento della
pressione in esplosioni di miscele aria - gas e aria - polveri
(rapidità di esplosione).
Plastiche
Prod. Agric.
Gas
0
zione, mentre la sua violenza
(dP/dt)max, dipende dalla concentrazione, dalle dimensioni
delle particelle e dal volume dello spazio di esplosione.
La maggior parte delle polveri
ha una temperatura di autoaccensione che cade tra i 300 ed i
600 °C ed una minima energia
d’ignizione tra i 10 ed i 50 millijoule.
Questo significa che un gran
numero di fonti di innesco come
scintille, superfici calde ecc. ecc.
possono provocare l’accensione
delle miscele polveri - aria.
I dati riportati in tabella 1 sono
riferiti alle concentrazioni in peso
per unità di volume indicate.
Si ricorda comunque che sono
Le figure 4 e 5 riportano gli interessanti confronti tra:
esplosive quasi tutte le polveri
metalliche, le polveri di prodotti
agricoli dai cereali al caffè, le
polveri di alcuni pesticidi, resine
e materiali plastici.
Dai dati riportati nelle figure appare evidente che le esplosioni
di polveri non sono da sottovalutare in quanto le pressioni massime raggiunte nel fenomeno sono
del tutto simili a quelle che si
hanno nell’accensione di miscele
di infiammabili ed inoltre le
esplosioni sono molto rapide e
quindi violente, in alcuni casi di
più di quelle di infiammabili come
per certe polveri metalliche o di
prodotti agricoli.
Le polveri sono oggetto di clas-
Polvere
Concentrazione
(g/l)
Minima energia di
ignizione (mJ)
Alluminio atomizzato
Ferro
Cellulosa acetata
Magnesio
Nylon
Polietilene
Polistirene
Torio (cont. 1.2% O2)
Zolfo
Amido di patate
Urea formaldeide
Titanio
Farina di legno
Cannella
Sughero
Cereali
0.045
0.105
0.035
0.030
0.030
0.020
0.020
0.075
0.035
0.045
0.020
0.045
0.050
0.060
0.035
0.055
50
20
20
40
20
10
15
5
30
25
34
25
20
30
35
30
ANTINCENDIO ottobre 1996
15
ESPLOSIVITÀ
DELLE POLVERI
Fig. 5
Confronto
tra la violenza
(o rapidità)
di esplosione
di varie sostanze
300
Gas
250
Prod. Agric.
Plastiche
200
Metalli
150
100
50
0
sificazione e sono distinte in
gruppi o classi in funzione del
valore del parametro K che ne
definisce, appunto, la violenza di
esplosione.
Conoscendo la classe della
polvere (e quindi il valore di K) e
il volume del locale, si potrà calcolare (dP/dt)max con la legge
cubica e quindi risalire all’area
delle superfici di minor resistenza da predisporre (Tabella 2).
Sorgenti di ignizione
Sono così definite quelle fonti
in grado di fornire alla miscela
l’energia sufficiente per l’accensione.
Esse sono principalmente:
fiamme, superfici calde; saldatura e taglio; scintille di origine
meccanica; energia chimica; autoveicoli; energia elettrostatica;
impianti elettrici.
Fiamme, superfici calde
Questa classe di sorgenti comprende:
- bruciatori
- fumi caldi
Tabella 2 - CLASSI DI ESPLOSIONE DELLE POLVERI
K
CLASSE DI ESPLOSIONE
TIPO DI POLVERE
0 - 200
1
carbone
201 - 300
2
aspirina
> 300
3
alluminio/magnesio
16
ANTINCENDIO ottobre 1996
- sigarette
- equipaggiamenti
di processo a caldo
- macchine in dismissione
Le fiamme dei bruciatori dei
forni, negli impianti di processo,
possono essere una sorgente di
ignizione. Per altre fiamme di
processo devono essere assunte
idonee misure di protezione, come l’uso di sistemi automatici di
sicurezza o la corretta ubicazione delle fonti.
I fumi caldi espulsi dai camini
sono un’altra potenziale fonte
d’innesco, particolarmente sulle
navi.
Anche la sigaretta è una fonte
potenziale ma non sempre è abbastanza calda, invece sono
molto pericolosi fiammiferi ed accendini.
Molte attrezzature di processo
operano ad alte temperature e,
sebbene siano racchiuse da un
box, alcune loro parti possono
funzionare da innesco.
Infine macchine in dismissione,
come una pompa con un cuscinetto avariato, possono generare
elevate quantità di calore durante il funzionamento e costituire
una fonte potenziale.
Saldatura e taglio
Costituiscono una fonte di innesco non solo per l’alta temperatura della fiamma o dell’arco ma
anche per le proiezioni di materiale metallico ad alta temperatura (fino a 1000 °C ed oltre).
Scintille di origine meccanica
Sono causate principalmente
da utensili metallici e da oggetti
metallici che cadono o che comunque subiscono un urto con
altre parti metalliche.
Energia chimica
Parti di acciaio arrugginito
contaminate da magnesio o alluminio (per abrasione ad esempio) e poi urtate con un oggetto
pesante possono originare forti
scintille.
L’ossido di calcio o calce viva a
contatto con l’acqua sviluppa violentemente grandi quantità di calore.
Autoveicoli
Le parti calde del motore costituiscono una potenziale fonte
d’innesco.
Energia elettrostatica
L’elettricità statica è un’importante e pericolosa sorgente di
ignizione sia negli impianti di processo che nei vettori per il trasporto di infiammabili.
In molte esplosioni, apparentemente misteriose, le cause del
disastro sono state successivamente rintracciate nell’azione di
scintille di elettricità statica, ma
nonostante ciò l’argomento è
spesso sottovalutato.
La generazione di cariche statiche è dovuta essenzialmente
ad un effetto di superficie associato con il contatto, il movimento
ed infine la separazione di corpi
di diversa natura.
Quando i due corpi stanno per
separarsi, se sono buoni conduttori, le cariche positive accumulate in uno e quelle negative accumulate nell’altro, tenderanno a
muoversi rapidamente, restaurando così l’equilibrio elettrico,
attraverso gli ultimi punti di contatto, prima della separazione.
Ma se uno dei due corpi o
entrambi sono cattivi conduttori, le cariche accumulate non
circoleranno liberamente, ed
entrambi conserveranno una
certa quantità di carica dopo la
separazione.
Vi sono molti processi industriali comprendenti moto relativo
e separazione di corpi solidi cattivi conduttori, movimentazione
di gas o liquidi in tubazione, funzionamento di nastri trasportatori
e organi di trasmissione del moto
come cinghie e altro che possono generare forte accumulo di
cariche elettrostatiche.
Anche nelle operazioni di carico - scarico di carburanti dai vettori mediante tubazioni flessibili e
nella marcia dei vettori stessi su
strada, si hanno accumuli considerevoli di questo tipo di energia.
L’accumulo di energia elettrostatica è un fenomeno connesso
a piccolissime correnti ma elevatissime tensioni.
Un liquido a bassa conduttività
che fluisce in una conduttura può
generare potenziali fino a 10000
V ed oltre.
Una persona che cammina su
una moquette può anche raggiungere tensioni di 20 KV corrispondenti all’accumulo di
un’energia di 20÷25 millijoule e
oltre, infatti se si considera che
la capacità del corpo umano può
variare tra i 100 ed i 200 pF, poiché l’energia accumulata in un
condensatore è
si ottiene
-12
2
E=1/2(100*10 )*20000 =20 mJ.
Quando questa energia accumulata si scarica si genera una
scintilla fonte di ignizione (potenziale).
I rischi dell’elettricità statica
possono essere facilmente stimati attraverso un confronto tra
l’energia di una scarica elettrostatica tipica e la minima energia
di ignizione di alcune polveri
combustibili, figura 6, osservando che scintille come quelle descritte possono tranquillamente
accendere un gran numero di miscele aria-polveri aventi minima
energia di ignizione fino a 20-25
millijoule.
Impianti
elettrici
Gli impianti elettrici possono
essere una potenziale fonte d’innesco per almeno due motivi:
- le scintille che si formano tra i
contatti (macchine, relè, interruttori, magnetotermici ecc.)
- il riscaldamento di alcune parti
o componenti dell’impianto.
E=1/2CV con C=100 pF
e V=20000 Volts
Quella degli impianti elettrici è
una materia molto delicata, in
quanto se non eseguiti secondo
i più severi criteri di sicurezza,
costituiscono una delle fonti d’innesco maggiormente pericolose,
in particolar modo laddove vi è
presenza di infiammabili e polveri combustibili in lavorazione o
deposito.
Per quanto attiene i criteri di
realizzazione degli impianti elet-
ANTINCENDIO ottobre 1996
17
2
ESPLOSIVITÀ
DELLE POLVERI
trici secondo la regola dell’arte,
ci si riferisce alla norma CEI 642 “Impianti elettrici nei luoghi
con pericolo di esplosione”.
90
80
En. di Igniz.
70
Misure di prevenzione
e protezione
60
Le misure di prevenzione, consistono notoriamente nell’eliminazione del rischio (spesso impossibile) o nella sua riduzione al disotto di valori accettabili.
Comunque le misure di prevenzione si sostanziano nell’eliminazione di uno dei lati del triangolo
della combustione e cioè:
- rimozione delle fonti di ignizione
- inertizzazione (e.g. mediante
eccesso d’azoto in talune fasi
dei processi)
- abbassamento delle concentrazioni al disotto del limite inferiore di esplosività.
40
Le misure di protezione sono
invece misure di sicurezza contro gli effetti dell’esplosione, che
danno per avvenuta, cercando
di ridurne le conseguenze quanto più possibile.
Le misure di protezione consistono principalmente in:
- adozione di costruzioni resistenti all’esplosione
- soppressione dell’esplosione
- scarico delle sovrappressioni
generate dall’esplosione
50
30
20
10
0
Fig. 6 - Minima energia di ignizione di alcune polveri paragonata
con l’energia di una tipica scarica elettrostatica
cipienti in pressione), progettati
per resistere ad una pressione
pari a quella di esercizio più la
sovrappressione attesa in caso
di esplosione o recipienti resistenti allo shock di pressione,
generalmente eserciti a pressioni
relative inferiori a 0.5 atm.
Questa è una misura basata
sul concetto di resistenza alla
pressione e violenza massime
dell’evento atteso.
Soppressione dell’esplosione
Costruzioni resistenti
all’esplosione
Queste costruzioni possono
essere vessels veri e propri (re18
Scintilla Elettrostatica
Trattasi di misure basate sul rilevamento precoce del fenomeno esplosione nella sua fase iniziale e sull’attivazione automatica di un sistema di soppressione
ANTINCENDIO ottobre 1996
che prevede l’espulsione rapida
di un agente estinguente nella
zona sorvegliata così da raffreddare e limitare l’area interessata
al fenomeno e con essa lo sviluppo della pressione.
I sensori per il rilevamento possono essere ottici, termici e di
pressione. Appunto quest’ultimo
tipo di sensore è il più affidabile
e diffuso (si tratta di rivelatori piezoelettrici).
Comunque i sistemi di soppressione non sono molto utilizzati poiché necessitano di una
manutenzione che alza i costi di
gestione e che non può essere
disattesa in quanto necessaria
a garantire l’affidabilità del sistema. La caratteristica di questi
sistemi è di ridurre la pressione
ESPLOSIVITÀ
DELLE POLVERI
massima di esplosione qualora
questa si verifichi.
norma NFPA n° 68 “Guide to explosion venting”.
Scarico delle sovrappressioni
durante l’esplosione
Conclusioni
Sono quelle misure finalizzate
all’apertura di spazi più o meno
grandi, durante l’esplosione, originariamente chiusi per dare sfogo alle sovrappressioni.
L’apertura avviene in una direzione prefissata e permette di evitare il raggiungimento della pressione massima di esplosione.
Sarà raggiunta una pressione
ridotta, prefissata, il cui valore è
utilizzato in fase di progettazione
della struttura che dovrà essere
pressure - resistant.
I sistemi utilizzati sono quelli
classicamente conosciuti sotto il
nome di “superfici a minor resistenza” che possono essere veri
e propri pannelli di tamponatura
o “dischi di rottura” delle più svariate dimensioni.
Tali dischi sono tarati per un
certo carico di rottura che corrisponde alla pressione ridotta di
esplosione (la più alta pressione
che si vuole raggiungere con
l’entrata in funzione dei “relief
venting”).
La superficie totale di tali dispositivi, da predisporre per un
certo volume V e per una data
polvere di classe K, dipende dalla violenza dell’esplosione
(dP/dt)max, dal volume dello
spazio da attrezzare, dalla pressione ridotta che si reputa la
struttura possa tollerare.
A questo scopo sono disponibili diversi abachi per il dimensio namento dei relief venting ed anche delle tabelle riportate nella
Le polveri combustibili possono formare con l’aria miscele
esplosive, esattamente come gli
infiammabili e proprio come questi ultimi possiedono un campo di
esplosività definito da due concentrazioni limite.
Inoltre le miscele polveri - aria,
in caso di esplosione, possono
dar luogo ad effetti paragonabili
a quelli che si hanno nel caso
degli infiammabili, sia in termini
di sovrappressioni che di violenza (dP/dt).
Si vuole infine porre l’attenzione sui seguenti punti:
- molte sono le polveri combustibili potenzialmente esplosive,
da quelle di legno a quelle
metalliche fino alle polveri di
prodotti alimentari come il
caffè, le farine di cereali ecc.;
- l’energia di attivazione delle miscele polveri - aria è più alta di
quella necessaria all’innesco di
miscele di infiammabili, ma sufficientemente bassa da essere
facilmente disponibile in molte
forme;
- dato l’elevato sviluppo industriale del nostro paese, molti
sono gli impianti la cui attività è
in qualche modo connessa con
le polveri in questione.
- la concentrazione delle polveri
- le fonti di ignizione
- la presenza del comburente
in altre parole i tre lati del triangolo della combustione dalla cui
concomitanza dipende il verificarsi o no dell’evento esplosivo.
Bibliografia
S.P. LEES - “Loss prevention
in process industry” - Ed. Butterworths 1989
N . F. P.A. - “Fire protection
handbook” - 14a edizione - 1977
W. Bartknecht - “Explosions” Ed. Springer Verlag Berlin - 1980
V. Carrescia - “Fondamenti di
sicurezza elettrica” - Ed. Hoepli
1993
Si può concludere affermando
che il comportamento delle polveri combustibili è chiaramente
da non sottovalutare e che i principali fattori che devono essere
debitamente tenuti in considerazione sono:
ANTINCENDIO ottobre 1996
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