ESPLOSIONE DI UN’AUTOCLAVE DI MATURAZIONE DEL CALCESTRUZZO CELLULARE R. Bubbico, B. Mazzarotta, G. Verrecchia

L’incidente Il 18.7.2007, presso la Italgasbeton di Anagni si verificò lo scoppio di un’autoclave di maturazione di pani di calcestruzzo con vapore saturo (12 atm e 186°𝐶) L’autoclave (diametro 2.65 m e lunghezza 32 m) era chiusa da portelloni ad azionamento elettropneumatico La causa dell’incidente è stata fatta risalire al cedimento nel sistema di chiusura del portellone Al momento dello scoppio pressione e temperatura erano inferiori ai valori di progetto Un portellone fu scagliato a 40 m di distanza Il resto dell’autoclave fu proiettato in direzione opposta a 80 m di distanza e distrusse il materiale stoccato sul piazzale Morì un operaio e parte dello stabilimento fu distrutta Esplosione di un'autoclave 13.9.2016

Scopo del lavoro Si intendono esaminare le dinamiche che hanno portato alla proiezione dei due frammenti più grandi: la pressione al momento dello scoppio (9.7 atm) può giustificare le distanze percorse dai frammenti oppure si è verificata un’esplosione BLEVE? Il portellone (con o senza il sistema di chiusura) aveva una massa tra 1-2 t, l’autoclave di 42 t, il contenuto dell’autoclave di 85 t tra supporti (23 t) e pani di calcestruzzo I pani di cemento in maturazione nell’autoclave contenevano un consistente quantitativo (circa 19 t) di acqua libera L’autoclave era fissata a 10 selle di supporto metalliche mediante tondi di acciaio da 35 mm e le tubazioni di connessione con l’impianto (con DN compresi tra 200 e 80 mm) erano tutte PN 40 Esplosione di un'autoclave 13.9.2016

Autoclave e sistema di chiusura Esplosione di un'autoclave 13.9.2016

Proiezione dei frammenti alla pressione di cedimento del portellone La distanza raggiunta dai frammenti è stata stimata con il metodo di Baker Esplosione di un'autoclave 13.9.2016

Proiezione dei frammenti alla pressione di cedimento del portellone Corpo autoclave Senza sistema di chiusura Con sistema di chiusura Senza il contenuto Con il contenuto M (kg) 1000 2000 42000 127400 u (m/s) 45.5 32.2 75.0 43.0 r calcolata (m) 205 154 589 179 r effettiva (m) 40 80 Le distanze massime calcolate sono risultate alquanto superiori a quelle reali (ma sia il portellone che l’autoclave hanno urtato contro vari ostacoli nella loro traiettoria) Esplosione di un'autoclave 13.9.2016

Distacco dell’autoclave dai supporti Parte dell’energia disponibile nel sistema è stata utilizzata per staccare l’autoclave dai supporti (10 selle metalliche ancorate a 10 fondazioni in cemento armato) Attacco mediante 20 tondi filettati (  35 mm) Carico di snervamento dei bulloni (ipotizzato): 300 MPa Sezione resistente totale: 0.0192 m2 Forza di taglio che causa il cedimento dei bulloni: 5.8 MN Pressione necessaria a originare la forza di taglio: 1.04 MPa Al momento del cedimento del portellone, la pressione nell’autoclave era di 9.7 atm (0.97 MPa), insufficiente a causare il cedimento dei bulloni e, in aggiunta, proiettare il corpo dell’autoclave a 80 m di distanza con energia residua tale da polverizzare il materiale contro cui ha impattato Esplosione di un'autoclave 13.9.2016

BLEVE? Il calcestruzzo nell’autoclave conteneva circa 19.3 t di acqua libera, in equilibrio con il vapore d’acqua che saturava l’ambiente a 9.7 atm e 179°𝐶 Il cedimento del portellone ha portato repentinamente il contenuto dell’autoclave alla pressione atmosferica Parte dell’acqua liquida è vaporizzata (flash) per riportare il sistema in equilibrio a 100C e 1 atm Il processo è adiabatico e la frazione di acqua che vaporizza è: Vaporizza circa il 15% dell’acqua inizialmente presente allo stato liquido, ossia 2887 kg Esplosione di un'autoclave 13.9.2016

BLEVE? Il volume interno dell’autoclave è circa 182 m3 Il volume libero, a disposizione del vapore, è circa 142 m3 Inizialmente, nell’autoclave ci sono circa 670 kg di vapore Il vapore fuoriesce, con efflusso sonico, da una sezione di 5.5 m2 lasciata libera dal cedimento del portellone La portata iniziale (a P = 9.7 atm) è 5265 kg/s I tempi in cui interviene il fenomeno del flash sono brevissimi La vaporizzazione pressoché istantanea di parte dell’acqua liquida può comportare un forte aumento della pressione se il quantitativo di vapore uscente non è in grado di compensare quello che si sviluppa all’interno Esplosione di un'autoclave 13.9.2016

BLEVE? La pressione massima che si raggiunge dipende dal tempo entro cui si completa la vaporizzazione dell’acqua liquida Esplosione di un'autoclave 13.9.2016

BLEVE Per tempi di vaporizzazione inferiori a 1/100 di secondo la pressione massima che si raggiunge è circa 41 atm Questo valore è molto superiore a quello presente al momento del cedimento del portellone (9.7 atm) e largamente superiore a quello necessario a causare il distacco dell’autoclave dai supporti Solo il cedimento istantaneo del portellone poteva originare questo aumento rapidissimo di pressione: in caso di cedimento parziale e progressivo, la pressione interna sarebbe rimasta pari a 9.7 atm In caso di BLEVE alla pressione di 41 atm, sottraendo la pressione necessaria al cedimento dei bulloni (10.4 atm), l’autoclave poteva essere proiettata fino a più di 600 m Il meccanismo di BLEVE non può essere applicato al portellone, dell’autoclave, il cui cedimento catastrofico ne è stato la causa Esplosione di un'autoclave 13.9.2016

Energia rilasciata e dissipata L’energia rilasciata da un’esplosione viene dispersa in una serie di contributi: Principali: energia dell’onda d’urto, energia cinetica dei frammenti Secondari: deformazione elastica e plastica del recipiente, attriti In questo caso: Non c’è stata significativa deformazione del recipiente La quota di energia dissipata nel distacco dell’autoclave dai supporti è significativa (circa il 25%) Il contributo dell’onda d’urto è stato modesto: le altre autoclavi vicine non si sono danneggiate, e neppure il capannone I danni sono stati causati dalla proiezione dei frammenti, che hanno parzialmente distrutto le strutture del capannone e i materiali contro cui hanno impattato Esplosione di un'autoclave 13.9.2016

Energia rilasciata Modello di Brode Espansione isoterma L’energia rilasciata in caso di BLEVE è 5-6 volte superiore a quella relativa all’esplosione fisica a 9.7 atm Modello di Brode Espansione isoterma P = 9.7 atm P = 41 atm E (MJ) 402.5 1850 317.1 2190 TNT eq. (t) 88 402 69 476 Esplosione di un'autoclave 13.9.2016

Energia dissipata Distacco dell’autoclave dai supporti: 483-688 MJ (26-31% dell’energia disponibile in caso di BLEVE) Calcolata per differenza tra quella iniziale (a 41 atm) e quella residua dopo il cedimento dei bulloni (che richiede 10.4 atm) Impatto dell’autoclave con il materiale accumulato sul piazzale: 351 MJ (16-19% dell’energia disponibile in caso di BLEVE) Calcolata in base alla velocità al momento dell’urto (anelastico) Impatto del portellone sul terreno: 35-49 MJ (9-15% dell’energia disponibile in caso di esplosione fisica) Onda d’urto: non valutabile in base agli effetti Si ipotizza il 20% del totale Esplosione di un'autoclave 13.9.2016

Energia dissipata Gran parte dell’energia disponibile è stata conferita ai frammenti che hanno causato gravi danni Morte di un operaio, investito dall’autoclave Travature del capannone divelte Danni alla copertura del capannone Distruzione completa del materiale in giacenza sul piazzale (blocchetti di cemento per uno spessore di 30 m e un altezza di 5 m) Esplosione di un'autoclave 13.9.2016

Energia rilasciata e dissipata Energia disponibile per i frammenti (valori medi): Portellone (esplosione fisica a 9.7 atm): 288 MJ Corpo dell’autoclave (BLEVE a 41 atm): 1616 MJ Energia dissipata dal portellone: Urto finale con il terreno: 42 MJ (circa il 15%) Ci sono stati numerosi altri impatti di cui non è stato possibile valutare l’energia dissipata È possibile che la quota di energia dissipata nell’onda d’urto sia stata superiore al 20% Energia dissipata dal corpo dell’autoclave: Distacco dai supporti: 586 MJ (circa il 36%) Urto finale con il terreno: 351 MJ (circa il 22%) L’analisi conferma che si è verificata un’esplosione BLEVE Esplosione di un'autoclave 13.9.2016

Conclusioni L’analisi effettuata ha consentito di chiarire cosa si sia verificato dopo il cedimento del portellone La pressione interna (9,7 atm) era più che sufficiente a proiettare il portellone alla distanza a cui è stato ritrovato, ma non a staccare il corpo dell’autoclave dai supporti e scagliarla a 80 m Il distacco del portellone ha causato la depressurizzazione istantanea e il flash di parte dell’acqua liquida presente In 1/100 di secondo la pressione può essere salita fino a 41 bar causando un’esplosione BLEVE Solo l’ipotesi che si sia verificata un’esplosione BLEVE è in grado di giustificare il distacco del corpo dell’autoclave dai supporti, la traslazione che ha subito, e la distruzione del materiale in deposito sul piazzale nell’urto finale Esplosione di un'autoclave 13.9.2016