Case Study

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La nostra serie di case study intende offrire una panoramica sulle ragioni per cui l’elettricità statica sia una fonte di innesco di incendi o esplosioni che si verificano durante le operazioni quotidiane.

Sebbene l’elettricità statica sia spesso considerata un argomento ostico, ci auguriamo che questi case study consentano di comprendere meglio l’elettricità statica e le misure concrete, basate su codici di buona prassi industriale riconosciuti a livello internazionale, che possano essere adottate per eliminare il rischio di incendi e di esplosioni che essa rappresenta per le tue operazioni.

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Il problema dell’elettricità statica in ambienti pericolosi è sempre presente in molti settori delle industrie di trasformazione. In particolare, questo case study si occupa dei fattori alla base di una fonte di innesco di una scarica elettrostatica nel corso di un’operazione di processo delle polveri.

I sistemi di trasporto pneumatici sono largamente utilizzati nella movimentazione dei materiali granulari sfusi in molti settori industriali. Essendo un metodo di trasporto molto efficiente, questi sistemi consentono una rapida movimentazione delle polveri tra i processi e alle aziende di tenere il passo con la domanda di produzione in continua crescita. Tuttavia, tali processi non sono privi di rischi. Quando il prodotto è in lavorazione, è considerato un materiale combustibile con un’apprezzabile componente di materiale fine e quindi il potenziale di esplosione aumenta drasticamente. Le polveri fini a basso contenuto di MIE (energie minime di innesco) raggiungono regolarmente il MEC (concentrazione minima esplosiva) quando vengono movimentate con il sistema di trasporto e possono essere a rischio di combustione per via di diverse fonti di innesco. Le scariche elettrostatiche sono una di queste fonti di innesco.

I sistemi di trasporto pneumatici hanno la capacità di generare grandi quantità di cariche elettrostatiche tramite la movimentazione del prodotto sulle apparecchiature dell’impianto. La causa più comune della formazione di cariche elettrostatiche in queste operazioni di processo è la “triboelettrificazione”, vale a dire il contatto e la separazione della polvere dalle pareti delle apparecchiature di processo, le molecole della polvere stessa o altri fattori che possono causare cariche elettrostatiche, come i contaminanti superficiali.

Sistemi di trasporto pneumatici In questo incidente, un operatore che lavorava presso un sistema di trasporto pneumatico sentì un crepitio provenire dall’apparecchiatura durante il trasporto della polvere tra il classificatore e la tramoggia di carico. Mentre investigava le cause del rumore, l’operatore entrò in contatto con una sezione del condotto, ricevendo una forte scossa elettrostatica. Per fortuna l’operatore non subì alcuna lesione, ma a causa della gravità dell’incidente, il sistema fu completamente arrestato per indagare sulle cause dell’accumulo della carica elettrostatica su quella particolare sezione del condotto.

Durante l’ispezione, il condotto fu esaminato e si constatò che una delle sezioni non era stata adeguatamente messa a terra. Durante i test, si scoprì che il condotto aveva una resistenza a terra superiore a 1011Ω, quindi al di là del valore di resistenza raccomandato di 10 Ω o inferiore per le strutture in metallo degli impianti a contatto con il terreno, secondo IEC 60079-32-1:2013 Explosive atmospheres Part 32-1: Electrostatic hazards, guidance.

Un’ulteriore ispezione rivelò che la resistenza insolitamente elevata era il risultato della cattiva installazione di una singola pinza di messa a terra al termine di un’operazione di pulizia. Di conseguenza, le tubazioni tra i due condotti erano diventate un conduttore isolato, causando la generazione e il conseguente accumulo della carica elettrostatica. A causa della mancanza di continuità verso terra, la carica non fu dissipata, consentendo lo sviluppo di un potenziale di tensione troppo elevato sul condotto che alla fine si scaricò sull’operatore. Per via dell’elevata velocità di generazione della carica e la scarica di scintille causata dalla cattiva installazione della pinza di messa a terra, fu avviata un’ispezione dell’intero sistema di messa a terra e di collegamento equipotenziale delle parte metalliche. Durante l’ispezione fu verificata l’integrità della messa a terra e del collegamento equipotenziale di tutte le unità dell’apparecchiatura, le sezioni dei condotti, i sacchi, le gabbie e i filtri dei sacchi. Numerosi problemi furono riscontrati e rapidamente rettificati.

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L’elettricità statica è spesso percepita come un rischio invisibile. Questo case study spiega perché l’elettricità statica sia un’importante fonte di innesco e la causa di gravi incendi ed esplosioni che possono verificarsi durante le operazioni quotidiane di manipolazione e processo di prodotti infiammabili.

Un ordine di polvere di alluminio fu disdetto proprio mentre la società stava consegnando la polvere alla stazione di carico perché fosse trasferita su un vagone tramoggia per il trasporto. Al conducente del camion fu ordinato di riportare l’alluminio all’impianto di produzione. Poiché una situazione del genere non si era mai verificata prima, non era prevista una procedura operativa standard per scaricare l’alluminio dal veicolo al ritorno allo stabilimento di produzione. Dopo aver superato alcuni problemi pratici, gli operatori riuscirono a trasferire la polvere nuovamente nello stabilimento, ma durante il processo si verificò un’esplosione e un incendio si diffuse in tutto l’impianto.

Al ritorno all’impianto, gli operatori si erano resi conto che un punto di carico per il trasferimento della polvere nel flusso di produzione, direttamente dal camion, non era presente. Fu quindi deciso di movimentare la polvere fino al punto di ingresso del sistema di trasporto pneumatico dell’impianto usando i tubi di 7,5 cm del camion. Purtroppo, i tubi non erano abbastanza lunghi e quindi, per collegare il camion all’ingresso del sistema pneumatico dell’impianto, fu deciso di aggiungere un altro tubo alla linea dei tubi di 7,5 cm. Entrambi i tipi di tubo erano in gomma e contenevano spirali metalliche per assicurare il collegamento equipotenziale delle flange del tubo.

Il camion fu messo a terra in modo che anche i tubi di 7,5 cm (che si presuppone fossero in buone condizioni) fossero collegati a terra e che il rischio di un accumulo di cariche elettrostatiche sul camion e sui tubi fosse minimizzato. Gli operatori incontrarono tuttavia un altro problema: il tubo aggiuntivo utilizzato per colmare la distanza rimanente tra il camion e il punto di ingresso del sistema pneumatico era di diametro più grande rispetto agli altri tubi. Per questo motivo, un collegamento completamente a tenuta tra i tubi non era possibile. Gli operatori decisero allora di inserire alcuni stracci nello spazio tra le flange dei tubi. Questo comportò l’isolamento elettrico del tubo dell’impianto, impedendo il trasferimento a terra delle cariche elettrostatiche del tubo flessibile tramite il camion messo a terra. Si presume che l’altra estremità del tubo fosse adagiato sul pavimento in cemento all’interno dell’impianto. Un altro problema era dato dalla composizione della miscela aria-polvere proveniente dal camion con concentrazione superiore alla minima esplosiva della polvere di alluminio.

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Sebbene l’elettricità statica sia spesso considerata un argomento alquanto ostico, ci auguriamo che la nostra serie di case study vi offra una panoramica delle ragioni per le quali l’elettricità statica sia una fonte di innesco di gravi incendi ed esplosioni che possono verificarsi durante le operazioni di movimentazione e di trasformazione di prodotti infiammabili.


Questo case study esplora i fattori che possono causare un incidente di innesco elettrostatico durante l’operazione di riempimento di un secchio di metallo, tramite un tubo di metallo di 1,9 cm, con toluene, una sostanza nota per le sue caratteristiche di accumulo di cariche.

In questo scenario, l’operatore ha aperto una valvola per aspirare il toluene tramite gravità in un secchio di metallo da un serbatoio sospeso, a una velocità di circa 22,73 l al minuto. L’operatore ha appeso un secchio di metallo, dotato di manico in filo di metallo e maniglia in plastica, a una valvola a sfera. La maniglia in plastica sul manico di metallo ha isolato il secchio di metallo dalla terra.

Dopo aver aperto la valvola, l’operatore si è allontanato dal secchio, consentendo al toluene di fluire, come aveva precedentemente fatto più volte. Nel giro di pochi istanti, il toluene si è innescato, e quindi l’operatore ha lasciato immediatamente l’area per andare a prendere un piccolo estintore, che tuttavia si è rivelato inadeguato per spegnere le fiamme. L’operatore è allora andato a prendere un estintore più grande; tuttavia, al suo ritorno, le fiamme erano completamente fuori controllo e non è riuscito a chiudere la valvola per arrestare il flusso di toluene nel secchio, già traboccante.

Le indagini sull’incidente hanno determinato che l’operatore aveva aperto la valvola e si era allontanato dal secchio di metallo. L’operatore aveva invece affermato: “Stavo sorvegliando l’operazione quando il secchio ha preso fuoco”. Di conseguenza, una scarica dall’operatore è stata esclusa come causa dell’incidente e gli investigatori si sono invece concentrati sulla corrente di flusso.

(I) Is = 2.5×10-5 ∙ v2 ∙ d2

(II) Is = 2.5×10-5 ∙ 1.10692 ∙ 0.019052

(III) Is = 0.01μA

Dove:

Is = Corrente di flusso (A)
v = Velocità (m/sec.)
d = Diametro del tubo (m)

La corrente di flusso è risultata essere dell’ordine di 0,01 μA, ma un filtro era presente nella linea. Il tempo di permanenza del toluene tra il filtro nella linea e l’uscita del tubo è stato calcolato in meno di un secondo, un tempo molto inferiore ai 30 secondi raccomandati; pertanto, la corrente di flusso all’uscita del tubo può essere ragionevolmente stimata intorno a 0,1 μA. In ogni caso, la corrente di flusso può essere stimata tra 0,1 μA e 0,01 μA.

Supponendo che il flusso di toluene sia proseguito per 30 secondi, una carica di 3 µC sarebbe stata presente sul secchio, a condizione che il secchio fosse completamente isolato da terra.

L’energia potenziale sul secchio può essere calcolata utilizzando l’equazione:

Energia potenziale (W) =

case-study-drawing-toluene-equation1

 

 

Dove:

(I) Q = Carica sul secchio
(II) C = Capacitanza del secchio

Pertanto, l’energia potenziale sul secchio:

case-study-drawing-toluene-equation2

 

 

E la tensione sul secchio può essere calcolata utilizzando l’equazione:

case-study-drawing-toluene-equation3

 

 

Con una rigidità dielettrica dell’aria di 3 x 106 V/ma, una scintilla dal secchio avrebbe potuto facilmente attraversare uno spazio di 50 mm. Questo significa che una scarica dal filo metallico del manico al corpo della valvola a sfera era possibile.

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L’ultima serie di case study di Newson Gale sugli incendi e le esplosioni causati dall’elettricità statica tratta la vasta gamma di processi suscettibili di generazione di cariche elettrostatiche e di accumulo sulle apparecchiature portatili e fisse degli impianti.


In particolare, questo case study si occupa dei fattori alla base dell’innesco di una nube di polvere combustibile nel corso di un’operazione di processo delle polveri. In questo esempio, un operatore è stato incaricato di versare manualmente circa 18 kg di polvere da un fusto di plastica (in polietilene) in un recipiente di processo di metallo. Il fusto di plastica conteneva polvere combustibile con un’energia di innesco minima di 12 millijoule. Il bordo superiore del fusto era stato dotato di una striscia di metallo per proteggerlo dagli impatti durante l’uso quotidiano nell’impianto.

L’operatore stava versando la polvere nel recipiente di processo appoggiando il fusto sul bordo del contenitore. Al termine dell’operazione, mentre rimuoveva il fusto dal recipiente, la nube di polvere formatasi sul recipiente si è innescata.

Si ipotizzò che l’accumulo di cariche elettrostatiche sulla bordatura di metallo avesse generato una scintilla statica quando il bordo si trovava in prossimità del recipiente al momento della rimozione del fusto. Il recipiente era messo a terra tramite un collegamento fisso all’impianto.

Per verificare questa teoria, fu deciso di condurre un esperimento per determinare la quantità di carica elettrostatica generata dal movimento della polvere. Diciotto chilogrammi della stessa polvere furono versati da un fusto simile in una gabbia di Faraday sulla quale furono effettuate misurazioni della carica elettrostatica.

Una carica di 3,6 micro-coulomb fu misurata sulla gabbia di Faraday nella quale la polvere era stata versata. In questo caso, la polvere si era caricata a causa dell’attrito tra la polvere e il fusto di plastica mentre la polvere scivolava sulla superficie interna del fusto. Una lettura su un misuratore di campo di 500 KV/m (la tensione massima che il misuratore era in grado di registrare) fu rilevata su un’area isolata del fusto di plastica, una carica che avrebbe sicuramente caricato il bordo di metallo per induzione.

A causa dell’elevata velocità di generazione della carica causata dal caricamento per attrito, la quantità di carica elettrostatica che avrebbe potuto essere indotta sul bordo metallico sarebbe stata limitata dalla superficie del bordo stesso. In questo caso, la superficie del bordo era di circa 0,0641 m2 .

Se la quantità totale della carica elettrostatica (3,6 micro-coulomb) generata dal movimento della polvere fosse davvero stata indotta sul bordo del fusto, questa avrebbe superato la massima densità di carica mantenibile nell’aria da qualsiasi superficie. La densità massima di carico di una superficie nell’aria è equivalente a 27 micro-coulomb per metro quadrato. In questo caso, teoricamente, la densità totale della carica sul bordo sarebbe stata di 56 micro-coulomb per metro quadrato.

(I): Densità di carica (σ) = carica totale (Q) / are superficiale (A)
Densità di carica (σ) = 3.6 x 10-6 / 0.0641
Densità di carica (σ) = 56 x 10-6 C/m2

Si può presumere che la densità di carica massima, ossia la quantità totale possibile di carica mantenibile sul bordo metallico del fusto, sia stata ottenuta attraverso la semplice e rapida operazione del versamento della polvere nel recipiente. In questo studio, la capacitanza del bordo di metallo è stata stimata intorno ai 71 pico-farad. Conoscendo questi valori, è possibile stimare l’energia potenziale della scintilla.

Usando la precedente formula (i), Q = σA, la carica massima sul bordo del fusto può essere calcolata nel modo seguente:

 => 27 x 10-6 x 0.0641 = 1.7 x 10-6 C

Pertanto, la carica totale sul bordo sarebbe stata di quasi 1,7 micro-coulomb. Quindi, la tensione sul bordo del fusto sarebbe stata all’incirca di 24.000 volt.

(II): tensione = quantità di carica totale / capacitanza dell’oggetto carico
V = 1.7 x 10-6 / 71 x 10-12
V= 24 KV

La tensione di rottura media dell’aria è di 3.000 volt/millimetro, quindi la tensione del bordo sarebbe stata in grado di scaricare una scintilla elettrostatica da una distanza di almeno 8 mm sul recipiente di processo messo a terra.

Il potenziale energetico del bordo del fusto può essere calcolato nel seguente modo:

Energia potenziale (W), = Q2/2C
Dove:
• Q = carica sul bordo
• C = capacitanza del bordo

Pertanto, l’energia potenziale sul secchio:
= (1.7 x 10-6)2 / (71 x 10-12).(2)
= (2.89 x 10-12) / (142 x 10-12)
= 20 milli-joules.

Questo supera l’innesco minimo della polvere che era di 12 milli-joule.

Dato che l’energia di accensione minima della polvere dispersa nell’aria era di 12 milli-joule e che le circostanze del processo hanno dimostrato la presenza di una notevole carica elettrostatica delle apparecchiature, avendo eliminato altre fonti di innesco, una scintilla elettrostatica ha causato l’accensione della nube di polvere formatasi intorno al recipiente di processo messo a terra.

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La nostra serie di case study intende offrire una panoramica sulle ragioni per cui l’elettricità statica sia una fonte di innesco di incendi o esplosioni che si verificano durante le operazioni quotidiane di manipolazione e trasformazione di prodotti combustibili. Sebbene l’elettricità statica sia spesso considerata un argomento ostico, ci auguriamo che questi case study consentano di comprendere meglio le ragioni per cui l’elettricità statica è una importante fonte di innesco e quali misure concrete, basate su codici di buona prassi industriale riconosciuti a livello internazionale, possano essere prese per eliminare il rischio di incendi e di esplosioni che essa rappresenta per le vostre operazioni. I case study trattano una gamma di operazioni che utilizzano liquidi e gas infiammabili e polveri combustibili nelle aree EX/HAZLOC.


Operazione: aspirazione di toluene fuori norma da un pozzetto.

Questo case study analizza le cause di un incendio verificatosi durante l’utilizzo di un autospurgo. L’autospurgo era stato utilizzato per aspirare toluene fuori norma da un pozzetto sotterraneo. Quando l’operazione di rimozione del toluene dal pozzetto con l’autspurgo era quasi giunta al termine, i vapori si sono innescati, causando un incendio. Nella successiva indagine, si stabilì che l’autospurgo non era stato messo a terra dall’operatore. Sebbene altre fonti di innesco siano state prese in considerazione, il fatto che il veicolo non fosse stato messo a terra e che il materiale trasferito fosse il toluene, sembrava altamente plausibile che una scintilla elettrostatica fosse stata la causa dell’incendio.

Perché una scintilla elettrostatica venga scaricata dalla superficie di un oggetto metallico, una tensione superiore alla “tensione di rottura” dell’atmosfera circostante deve essere presente sull’oggetto carico. Questa tensione è generata dalla presenza di un numero eccessivo di cariche positive o negative sull’oggetto e significa semplicemente che la tensione dell’oggetto carico è sufficientemente elevata da creare un canale conduttivo attraverso l’aria, fino a un oggetto secondario. Il canale conduttivo offre un percorso attraverso il quale le cariche statiche possono fluire. Nella frazione di secondo necessaria per la formazione del canale, le cariche in eccesso passano rapidamente attraverso lo spazio creatosi, rilasciando energia nel processo. L’energia rilasciata genera una scintilla elettrostatica e, se un’atmosfera infiammabile è presente nello “spazio esplosivo”, la probabilità che l’energia della scintilla supererà l’energia di accensione minima (MIE) del vapore, gas o polvere presente nello spazio esplosivo è molto alta.

Per creare una tensione, deve essere presente un’alimentazione costante di cariche elettriche all’oggetto elettrificato, in questo caso l’autospurgo. Una messa a terra effettiva del veicolo avrebbe consentito il trasferimento delle cariche elettriche in eccesso alla massa generale della terra, eliminando il rischio di elettrificazione del veicolo. In termini elettrici, questo significa che una resistenza molto elevata dal telaio/serbatoio del veicolo a terra era presente. Un flusso costante di cariche elettriche è una corrente, quindi più corrente fluisce verso il veicolo, più elevata sarà la sua tensione. Ma da dove proviene questa corrente elettrica? Semplice. L’operazione di aspirazione eseguita dall’autospurgo e il fatto che il materiale aspirato fosse il toluene hanno creato una “corrente di flusso”. Il toluene ha una resistività molto elevata e, quando entra in rapido e ripetuto contatto con altri oggetti, in particolare oggetti conduttivi come i metalli, rimuove elettroni dall’altro materiale. Questo significa che il toluene traporta più carica negativa che carica positiva. Quando entra in contatto con il veicolo, il toluene carico costringe la superficie esterna del veicolo a trasportare la stessa quantità di carica negativa.

Nel caso di questo incidente, è stato utilizzato un flessibile in neoprene dotato di una spirale di filo metallico incorporata. Poiché la spirale di metallo era collegata al veicolo tramite i raccordi di metallo sul flessibile, l’intera lunghezza del tubo aveva la stessa tensione del veicolo. A ulteriore sostegno della teoria che una scarica elettrostatica sia stata la fonte di innesco, esamineremo ora alcune caratteristiche fisiche di questa operazione.

La corrente di flusso di un liquido resistivo attraverso un tubo (compreso i tubi flessibili) può essere stimata con l’equazione:

Corrente di flusso, IS = (2.5×10-5)(v2)(d2)
Dove:
v = velocità del liquido (metri/secondo)
d = diametro interno del tubo (metri)

È noto che la portata di aspirazione era di 500 litri al minuto, equivalente a 3,9 metri al secondo. Il diametro interno del tubo era di 4 pollici, equivalente a 0,102 metri. Quindi, la corrente di flusso sarebbe stata all’incirca di 3 micro-amp (3×10-6 A). La resistenza tra il veicolo e la terra è stata stimata essere almeno 1 x 1010 ohm. La maggior parte della resistenza sarebbe stata fornita dalle ruote del veicolo e dall’asfalto su cui il veicolo era posizionato.

Si può ipotizzare che la tensione sul veicolo abbia raggiunto un livello di almeno:

V = R x I
Dove V = la tensione del sistema veicolo-flessibile
I = l’intensità della corrente di flusso fornita dal toluene carico
R = la resistenza di terra del sistema veicolo-flessibile
V = (1×1010).(3×10-6)
Tensione minima del veicolo = 30.000 volt

Poiché l’innesco dei vapori è avvenuto nel pozzetto, la scarica deve essersi originata nel flessibile, viaggiando fino al bordo metallico del pozzetto. Tuttavia, per poter dimostrare questa teoria, è necessario studiare il flessibile. Come specificato in precedenza, il tubo era in neoprene con una spirale di filo metallico incorporata. Questo significa che la spirale metallica non era in contatto diretto con oggetti esterni. Inoltre, il neoprene è un materiale ad alta resistività e con una rigidità dielettrica diverse volte superiore a quella dell’aria, con un valore tipico di 10.000 volt richiesti per mm di spazio esplosivo. Lo strato di neoprene aveva uno spessore di 2 mm. Questo significa che, per ogni millimetro di distanza tra la spirale di metallo e il pozzetto metallico, deve essere stata presente una tensione sufficientemente alta da generare una scintilla con un’energia sufficiente a superare il MIE del toluene. La tensione di rottura del neoprene è di almeno 20.000 volt. Poiché la tensione minima sul sistema veicolo-flessibile è stata stimata in almeno 30.000 volt, questo significa che 10.000 volt aggiuntivi devono essere stati presenti per generare una scarica dalla superficie del neoprene al pozzetto. Quindi, a un certo punto durante l’operazione, si deve essere creato uno spazio tra la superficie del flessibile e il pozzetto, con una conseguente scintilla scaricata in questo spazio, in cui del toluene era presente.

L’ultima tessera del puzzle è l’energia potenziale della scintilla stessa. Possiamo stimare la quantità di energia disponibile per la scarica di una scintilla tramite l’equazione:

Energia potenziale della scintilla (Joule) = ½ x capacitanza dell’oggetto carico x la radice della tensione dell’oggetto.
E = ½ CV2

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