Il BLEVE di Borgo Panigale: analisi dell'esplosione e dei suoi effetti

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Nota dell’autore

Scopo del presente testo non è quello di dare una risposta agli interrogativi che si sono affacciati fin dai primi momenti, ma soltanto quello di dare un contributo alla maggiore comprensione del fenomeno.
I modelli matematici illustrati sono semplificati e consentono un dimensionamento “di massima” degli effetti misurati.
Lo stile scelto è quello del racconto.


La descrizione del fatto

Stavolta è successo, è reale.

Uno scenario da film catastrofico: una autocisterna carica di GPL che impatta, ad una velocità assurda, un camion incolonnato che trasporta solventi in contenitori di polietilene.

L’urto è devastante, l’incendio immediato. Come non bastasse, l’incidente avviene in un raccordo che collega le due autostrade forse più trafficate del Paese, un raccordo che corre affiancato a quella che è conosciuta come la tangenziale, ma che in realtà, lì, è una secante: un nastro di asfalto largo 70 metri che incontra pezzi di città, a destra come a sinistra.

evento iniziatore dell'esplosione di Borgo Panigale

Figura 1 – L’evento iniziatore.

L’evento iniziatore porta ad un rilascio di energia possente, ad un fenomeno conosciuto, studiato e riprodotto ma che mai, prima d’ora, era stato così manifesto e documentato.

In una manciata di minuti, a tempo di record, il violento incendio porta la cisterna al collasso, liberando istantaneamente il gas liquefatto in essa contenuto.

L’esplosione è catastrofica, danneggia gli edifici circostanti fino ad una distanza di 200 metri e spezza le travi del ponte autostradale sul quale l’autocisterna si trova, le travi e l’impalcato si schiantano sulla stada sottostante.

La strage, prevedibile, è solo sfiorata perché è agosto, i lavoratori delle aziende che si affacciano sull’autostrada e che non sono chiuse per ferie, sono in pausa pranzo e comunque fuori fa troppo caldo per andarsene in giro.

I pochi minuti che passano, dal momento dell’incidente allo scoppio sono, seppur un tempo brevissimo, comunque sufficiente a sciogliere l’incolonnamento che aveva causato il violento tamponamento; il denso fumo nero che inizialmente sale in colonna e si rende visibile in tutta la città, improvvisamente si abbassa sul manto stradale e inibisce quel traffico che, imprudentemente, nonostante la gravità della situazione, continuava a fluire, alimentato dalle molteplici direttrici del traffico.

Le persone presenti sul ponte a livello dell’incidente si allontanano, quel tanto che risulterà loro bastare per sopravvivere, quelle accorse nelle strade del quartiere sottostante, non essendo disturbate dal fumo, invece, si avvicinano. Le salverà la dinamica ascendente dell’evento: la sfera di fuoco che si produce sulla strada sopraelevata, si solleva in una manciata di secondi allontanandosi da loro. Il feroce calore prodotto dall’irraggiamento decresce istantaneamente, un attimo prima di provocare ulteriori vittime.
I soccorritori non fanno in tempo a raggiungere il luogo del sinistro prima che l’autocisterna esploda e questo, forse, li salva.
Il quartiere, già famoso per aver dato il nome alle moto più belle, lì prodotte, sarà ricordato per quanto successo il 6 agosto 2018. 

Il BLEVE del Borgo: come è avventua l'esplosione

L’esplosione può essere definita come un rilascio di energia in un intervallo di tempo sufficientemente breve, tale da generare un’onda di pressione di entità definita, che si allontana dal punto di rilascio.

Quanto più è rapido il rilascio di energia, tanto più è violenta l’esplosione.

Ci sono vari modi per classificare le esplosioni, uno di questi è in base alla loro natura.

Le esplosioni possono essere dunque di tipo:

  • chimico (caratterizzate da una combustione molto rapida);
  • fisico (a seguito di una espansione molto rapida di un gas). 

Quanto avviene nel quartiere di Borgo Panigale è una semplice esplosione fisica, il cedimento meccanico di un contenitore sotto pressione che viene fortemente surriscaldato in modo accidentale; nessuna reazione chimica esotermica fuggitiva fuori controllo (runaway), nessun rilascio di gas o di sostanze volatili contenute nei reagenti, nessuna espansione violenta dell’azoto a causa del calore di reazione, niente di tutto questo, soltanto una grande pentola a pressione, fortemente danneggiata, messa sul fuoco, un fuoco che però, stavolta, è troppo potente.

Lo schema logico di Figura 2 può essere visto come un albero degli eventi qualitativo che, a partire dal TOP EVENT, ovvero il crash dell’autocisterna, conduce, nell’impossibilità di attuare interventi mitigativi, alle possibili drammatiche evoluzioni dello scenario incidentale.

Le esplosioni fisiche sono caratteristiche di contenitori di gas che, riscaldati, cedono meccanicamente a seguito di una elevata sovrapressione interna.

Se all’interno del contenitore è presente un gas compresso, come può essere il caso del metano, si verifica quella che viene definita una pressur vapour explosion (esplosione di vapore sotto pressione), se invece è presente anche la fase liquida del gas, come nal caso del GPL, può verificarsi, come è successo al Borgo, il BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion), ovvero l’esplosione del vapore sviluppato dall’ebollizione del liquido.

Diagramma logico per le esplosioni fisiche.

Figura 2 - Diagramma logico per le esplosioni fisiche.

Il BLEVE avviene quando il serbatoio a seguito del surriscaldamento (in questo caso si è verificato anche un violento urto meccanico) cede e si fessura, il vapore contenuto fuoriesce molto rapidamente e porta istantaneamente il liquido sottostante a pressione ambiente; il liquido si trova così in una condizione di non equilibrio e di elevato surriscaldamento, quindi evapora in modo istantaneo; l’evaporazione è così violenta (solitamente indicata con l’acronimo RPT, Rapid Phase Transition) che il vapore formato non riesce a sfogare attraverso la fessura e pressurizza nuovamente il serbatoio, provocandone l’esplosione.

Nel BLEVE del Borgo, il riscaldamento del serbatoio ha provocato un aumento della temperatura della parete dello stesso, probabilmente in modo più marcato nella zona a contatto con il vapore dove lo scambio termico con il fluido interno è meno efficace rispetto alla zona a contatto con il liquido.

L’elevata temperatura raggiunta dall’acciaio della cisterna, unitamente al gradiente termico delle pareti a contatto con il liquido e con il vapore e le relative tensioni generate, potrebbero aver portato al cedimento del serbatoio a pressioni anche inferiori a quella di esercizio.

Lo stress termico e meccanico subito dall’autocisterna (gli acciai dei serbatoi di GPL possono cedere a pressioni comprese tra 15 e 20 bar se le pareti sono portate a temperature prossime ai 700◦C) ha dunque portato alla rapida evoluzione dell’evento.

Le condizioni affinchè si possa verificare il BLEVE sono quindi ben definite:

-        il contenitore deve rompersi con uno squarcio sufficientemente ampio;

-        il liquido deve essere portato rapidamente (ad esempio a seguito di pool fire, incendio da pozza, o di jet fire, fiamme da getto turbolento, o di flash fire, incendio di nube di gas o di vapori infiammabili) in condizioni di non equilibrio, caratterizzate da una temperatura superiore alla sua temperatura di ebollizione a pressione atmosferica. La rapidità dell’operazione è una condizione necessaria affinchè il liquido evapori immediatamente, riportandosi nelle condizioni di equilibrio in modo pressoché istantaneo, cioè nei tempi caratteristici molto brevi, necessari per generare un’esplosione;

-        il surriscaldamento deve essere sufficiente, cioè la temperatura deve essere superiore al valore limite per l’innesco della nucleazione omogenea.

La nucleazione omogenea, ovvero la formazione di bolle diffuse all’interno del liquido in assenza di centri di nucleazione, che vengono solitamente forniti dalle asperità presenti sulle pareti del recipiente, può avere luogo solo se il liquido è sufficientemente surriscaldato. Non è quindi sufficiente che la temperatura del liquido sia superiore alla sua temperatura di ebollizione normale, ma deve anche essere superiore a un altro valore limite caratteristico di ciascun composto. Il valore della temperatura critica per l’innesco della nucleazione omogenea per il propano puro è di circa 58◦C, mentre affinché si verifichi la rottura è necessario che la temperatura del GPL all’interno del serbatoio sia superiore a 53◦C (con pressioni maggiori di 16,5 bar).

La nucleazione omogenea accelera ulteriormente il fenomeno del flash, ovvero l’evaporazione sostanzialmente immediata di una parte del liquido a seguito di una rapida depressurizzazione, in modo da generare un’onda d’urto di notevole intensità.

Con riferimento alla figura 3 si consideri un fluido, contenuto in un recipiente alla temperatura ambiente, TA, che si trovi nel punto 1 sulla curva della tensione di vapore. Il liquido è in equilibrio con il suo vapore, alla pressione PV, che è pari alla tensione di vapore del GPL alla temperatura TA.

Un riscaldamento del serbatoio porterà le condizioni del liquido nel punto 2, sulla curva della tensione di vapore, sempre in equilibrio con il suo vapore.

diagramma-esplosione.JPGFigura 3 - Curve della tensione di vapore e del surriscaldamento limite per la nucleazione omogenea.

Se a questa pressione il contenitore cede, la pressione crolla istantaneamente al valore atmosferico PA, individuato dal punto 3. Il liquido si verrà a trovare in condizioni di non equilibrio, in quanto la sua temperatura è superiore a quella di ebollizione normale, e quindi evaporerà rapidamente (flash). Non si innescherà tuttavia il fenomeno della nucleazione omogenea in quanto il surriscaldamento del liquido non è sufficiente. Se invece il collasso del serbatoio avviene quando la temperatura (e di conseguenza la pressione) del liquido è arrivata al punto 4, la brusca depressurizzazione porterà il liquido nelle condizioni caratteristiche del punto 5, oltre la curva limite del surriscaldamento, dunque oltre il confine del BLEVE.

Se il recipiente non collassa completamente ma, come avviene più comunemente, semplicemente si fessura, la conseguente rapida depressurizzazione e l’estrema rapidità dell’evaporazione non consente al vapore formatosi di scaricarsi, il recipiente pressurizza ulteriormente e collassa in modo catastrofico proiettando frammenti nell’ambiente circostante.

Attimo dell’innesco del BLEVE di Borgo Panigale

Figura 4 – Attimo dell’innesco del BLEVE.

Non tutta l’energia rilasciata dal sistema finisce per generare l’onda d’urto. Una parte consistente di questa energia viene dispersa da diversi fenomeni, quali la deformazione plastica del serbatoio o l’energia cinetica conferita ai frammenti del recipiente.

Come stima di massima, si può definire che:

  • circa il 30% dell’energia presente nel gas compresso generi l’onda d’urto;
  • circa il 40% fornisca l’energia cinetica ai frammenti che possono quindi essere proiettati a distanze considerevoli,
  • il rimanente 30% viene dissipato.

Se il BLEVE è generato da un gas liquefatto non infiammabile, come può avvenire ad esempio per i refrigeranti, non si ha l’innesco dei vapori, quindi non si registrano radiazioni termiche, il fenomeno si esaurisce con la generazione di un’onda di pressione (blast wave) e con la proiezione di frammenti (projectiles).

Nel caso specifico del GPL, in caso di innesco immediato, come avvenuto al Borgo, il BLEVE è seguito da un fireball. Il volume sferico di gas vaporizzato istantaneamente per flash, a seguito del cedimento strutturale del serbatoio, si incendia, mentre l’intera massa si solleva per effetto della riduzione di densità indotta dal surriscaldamento.

Il Fireball (sfera di fuoco)

fireball dell'esplosione di Borgo Panigale.JPG

Figura 5 - Il Fireball

Le riprese e le immagini dell’evento di Borgo Panigale sono da manuale: alla prima esplosione, avvenuta sul ponte autostradale e dalla caratteristica forma sferica, in grado di proiettare frammenti pesanti dell’autocisterna fino a 200 metri dall’evento, segue un incendio che sale verso il cielo con forma di fungo.

La nube ha una elevatissima concentrazione di gas e brucia solo nella corteccia, dove il GPL viene a contatto con l’aria. L’irraggiamento è formidabile, l’evoluzione del fenomeno inarrestabile.

Se l’innesco fosse stato ritardato si sarebbe potuto verificare un flash fire (per quantitativi di gas modesti con effetti di sovrapressione trascurabili) oppure, per quantitativi di gas significativi, una esplosione della nube premiscelata di gas in aria detta VCE (vapour cloud explosion), con ulteriori rilevanti effetti di sovrapressione.

In generale, la successiva formazione di un fireball ha conseguenze più gravi sulle persone rispetto a quelle del BLEVE.

La modellizzazione degli effetti di una sfera di fuoco segue solitamente i seguenti passi sequenziali:

  1. determinazione del diametro della sfera di fuoco;
  2. determinazione della durata dell’incendio;
  3. determinazione dell’innalzamento della sfera di fuoco;
  4. calcolo dell’irraggiamento;
  5. determinazione degli effetti sulle persone esposte.

In primo luogo si determina la geometria della fiamma e poi si calcola l’irraggiamento su un dato bersaglio.

Sono disponibili diversi modelli, tutti di origine empirica, che forniscono la geometria del fireball e delle linee guida per la stima dell’irraggiamento sulla base della quantità di combustibile coinvolta nel fenomeno; tali modelli, potranno ora essere perfezionati confrontandone gli esiti con gli effetti rilevati. Le equazioni proposte sono le seguenti:

Dmax  = 6,48 ∙ M0,325

t = 0,582 ∙ M0,26

H  = 0,75 ∙ Dmax

dove: 

Dmax = diametro massimo del fireball (m);
M = massa di infiammabile coinvolta (kg);
t = durata del fireball (s);
H = altezza del centro del fireball rispetto al punto di rilascio (m).

Supponendo che a Borgo Panigale la massa coinvolta di GPL sia stata pari a 25.000 kg, la geometria della sfera di fuoco può essere determinata come segue:

Dmax = 174,14 m;

t = 8,10 s;

H = 130,61 m.                      

Ai fini della comprensione del fenomeno, si può valutare, in maniera speditiva, l’intensità della radiazione ricevuta da un bersaglio, nell’ipotesi che esso assorba tutta l’energia incidente, senza alcuna riflessione (ossia che esso si comporti come un corpo nero), in un tempo pari alla durata del fireball, con l’equazione...

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L'AUTORE

l’Ing. Vasco Vanzini, è laureato presso l’Università “La Sapienza” di Roma in Ingegneria della Sicurezza e Protezione Civile.
Funzionario Tecnico del Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco dal 1988, ha svolto la sua attività dapprima presso il Comando di Milano, e poi, dal 1994, presso il Comando di Bologna.
Docente ed esaminatore in attività di formazione D.Lgs. 81/08, Codice e Prevenzione Incendi.
Relatore in convegni nazionali inerenti la Prevenzione Incendi e il Codice.
Autore di numerosi articoli di carattere tecnico e scientifico su progettazione antincendio, fire safety engineering, gestione della sicurezza, case history. 
Coautore del libro “Esempi di Progettazione Antincendio. Codice di Prevenzione Incendi e norme tecniche prescrittive” edito da Legislazione Tecnica.