Infiammabilità degli oli vegetali su superfici calde

• Articolo scritto da Lorena Deleanu^1,2, Constantin Georgescu¹, Liviu Catalin Solea¹, Dioniso Guglea¹, Cristina Popa^3.
1Università "Basso Danubio", Galați, Romania; ²Accademia rumena delle scienze tecniche (ASTR), Bucarest, Romania; 3 Associazione rumena di standardizzazione (ASRO).

1. introduzione

Nella ricerca, ma anche nell'amministrazione, si dibattono questioni attuali legate alla presenza di sostanze pericolose nei luoghi di lavoro e ai modi per ridurre i rischi derivanti dal loro utilizzo. Un argomento interessante è la possibilità che alcuni materiali, e in questa categoria rientrano anche i fluidi, contribuiscano ad aumentare il rischio di incendio, in determinate condizioni di utilizzo, che possono verificarsi accidentalmente. Da qui la necessità di una normativa specifica nel campo della valutazione della conformità dei prodotti di questo tipo ai requisiti tecnici, requisito che può essere considerato una componente dello sviluppo sostenibile nelle industrie estrattive [1], [2], ma anche in altri ambiti: trasporti, processi tecnologici, compresi quelli dell'industria alimentare e turismo.

Dal punto di vista dei rischi associati alle sostanze pericolose, una delle proprietà degli oli più studiate è la loro infiammabilità a contatto con superfici calde, che può dare origine ad autocombustione. I fluidi idraulici sono la categoria di oli più studiata da questo punto di vista, ma c'è interesse anche per gli oli vegetali, utilizzati come alimenti o come fluidi industriali. Alcuni oli sono presenti anche nelle industrie estrattive minerarie, dove gli incidenti causati dalla combustione spontanea possono avere gravi conseguenze, sia per le infrastrutture e i servizi, sia per la sicurezza e la salute del personale.

L'Unione Europea ha emanato normative severe e rigorose in materia di tutela della sicurezza e della salute dei lavoratori. Un esempio è la Direttiva n. 104/3 del Consiglio dell’Unione Europea. 1992 del 92 dicembre 104 (16/1/CEE) relativa alle prescrizioni minime per il miglioramento della tutela della sicurezza e della salute dei lavoratori nelle industrie estrattive a cielo aperto e sotterranee (dodicesima direttiva particolare ai sensi dell'articolo 89, paragrafo 391, della direttiva quadro 2007/30/CEE), come modificata dalla direttiva 20/2007/CE del Parlamento europeo e del Consiglio del 3 giugno XNUMX [XNUMX].

Ma il rischio che gli oli vegetali prendano fuoco a contatto con superfici calde esiste anche nell'industria alimentare e perfino nelle cucine di tutti. Gli oli vegetali vengono utilizzati nell'industria alimentare per la lavorazione degli alimenti, ma anche nelle attrezzature, come lubrificanti più rispettosi dell'ambiente e poco tossici.

La presente direttiva è stata recepita tardivamente nell'ordinamento giuridico romeno, mediante la decisione n. 1049 del 09/08/2006, recante i requisiti minimi per garantire la sicurezza e la salute dei lavoratori nell'industria estrattiva di superficie o sotterranea [4].

Il fuoco e i suoi effetti rappresentano un pericolo in tutte le attività economiche perché, a causa del processo tecnologico e/o della soluzione progettuale, generano temperature sufficientemente elevate da innescare e sostenere un incendio. Ad esempio, l'industria siderurgica, quella del vetro e quella chimica sono note per i loro processi caratterizzati da alte temperature, che derivano da esigenze tecnologiche, ma anche dall'attrito, soprattutto in caso di lubrificazione difettosa o di asportazione di lubrificante dovuta a varie cause. L'analisi delle conseguenze dell'incendio negli ambienti di lavoro è oggi molto più complessa e deve evidenziare le implicazioni a breve e lungo termine: i costi di interruzione della produzione, i costi legati alla salute e sicurezza del personale, l'impatto sull'ambiente e sulla sostenibilità dell'organizzazione, ecc.

Il termine "ignifugo" è poco compreso o interpretato in modo relativo quando si tratta di fluidi. Gli specialisti ritengono opportuno standardizzare la terminologia e rivedere i metodi di prova accettati per valutare la resistenza al fuoco di un dato fluido [5]-[7]. Non esiste una proprietà o un test univoco per un fluido che ne quantifichi qualitativamente la resistenza al fuoco o all'ignizione. In genere, i test per valutare la resistenza al fuoco dei fluidi sono "incidenti simulati", in modo che i test siano una replica ripetibile dello scenario peggiore nelle applicazioni tipiche in cui un fluido viene utilizzato con un potenziale rischio di incendio. I fluidi superano o non superano questi test e quelli che li superano sono inclusi nelle raccomandazioni [8].

Le potenziali fonti di ignizione includono non solo parti metalliche roventi o fuse, scintille o fiamme, ma anche superfici calde come collettori di scarico del motore, tubi del vapore pressurizzato e involucri di apparecchiature calde. I fluidi resistenti al fuoco (molti sintetici), pur essendo più sicuri, costano di più rispetto ai fluidi a base di petrolio e/o richiedono modifiche alle apparecchiature o ai parametri operativi.

"Resistente al fuoco" non significa "a prova di fuoco" o ritardante di fiamma, e quasi tutti i fluidi possono bruciare in determinate circostanze.

La diversità dei metodi di prova per stabilire le proprietà di resistenza al fuoco dei fluidi, come mostrato nella Figura 1, ha portato alla formulazione di diverse definizioni per spiegare la "resistenza al fuoco".

Figura 1. Variabili nei test antincendio, solo per fluidi, secondo [9] e [10]

Zinc MD [9] ha proposto che un fluido resistente al fuoco dovrebbe avere le seguenti proprietà:

• il fluido deve essere resistente all'accensione;
• il fluido deve avere la capacità di spegnere la fiamma e di impedirne la propagazione quando è presente la fonte di accensione;
• il fluido si autoestinguerà quando verrà rimossa la fiamma/fonte di accensione.

2. Procedura di prova per la valutazione dell'infiammabilità dei fluidi su superfici calde

La ricerca sul comportamento dei fluidi su superfici calde (con o senza accensione) è stata condotta dall'esigenza di valutare il rischio della presenza di due fattori che interagiscono, il fluido e la superficie calda, senza essere inclusi nelle norme.

Wright, Mowery e LePera [11] presentano un approccio al problema dei fluidi idraulici in situazioni critiche, dove la sopravvivenza dipende dalle proprietà di resistenza al fuoco di questi fluidi, in particolare per le apparecchiature militari. Oltre ai test di accensione a spruzzo, viene presentato anche il test di accensione a superficie calda, incluso nel metodo di prova NPFC-FED-STD-791 per lubrificanti, combustibili liquidi e prodotti correlati Federal, nella versione precedente alla pubblicazione dell'articolo, oggi è valida l'edizione 2021, FED-STD-791E Metodo di prova per lubrificanti, combustibili liquidi e prodotti correlati [12]. Questo test determina l'infiammabilità di un fluido a contatto con una superficie metallica calda. Questo documento è il più vicino in termini di metodo, procedura e quantificazione dei risultati alla norma ISO 20823:2003, adottata anch'essa come norma europea e rumena nel 2004 [13]. Il fluido viene fatto gocciolare su un tubo di acciaio refrattario e riscaldato tramite un dispositivo elettrico inserito nel tubo. La temperatura alla quale viene eseguito il test dettagliato in [12] è di 1300 °F (704 °C), una temperatura molto vicina a quella introdotta nella norma SR EN ISO 20823 (che è di 700 °C). La velocità di gocciolamento e il volume del campione di fluido testato sono gli stessi della norma ISO: tempo di gocciolamento 40…60 s e volume di gocciolamento 10 ml. Il getto risultante viene esaminato in termini di risultato dopo la caduta sul tubo. Il fluido può infiammarsi e bruciare sia nel tubo sia quando cade da esso nella vaschetta di raccolta. I risultati sono riportati come [13]:

1. a) "I(T)" quando il fluido si accende o brucia nel tubo ma non continua a bruciare quando viene raccolto nella vaschetta sottostante,
2. b) "I(D)" quando il fluido si accende e brucia nel tubo e continua a bruciare quando viene raccolto nel vassoio sottostante,
3. c) "N" quando il fluido non si accende o brucia in nessun momento.

Gli standard per la valutazione delle caratteristiche antincendio dei fluidi sono stati introdotti in seguito a gravi incidenti nei quali è stato dimostrato che il fluido ha partecipato attivamente all'avvio e/o al mantenimento dell'incendio. Phillips e altri [14] e Shermann JV [15] hanno promosso lo sviluppo e l'applicazione di standard per le prove di incendio o accensione dei fluidi, sottolineando l'idea che per applicazioni con elevato rischio di incendio/accensione, siano necessari fluidi resistenti al fuoco, in particolare quelli sintetici, alcune composizioni non infiammabili anche a 700 °C, temperatura inclusa sia nello standard americano (704 °C) che in quello internazionale.

Il test di accensione del fluido su una superficie metallica (che simula un incidente su un pezzo reale) determina l'infiammabilità dei fluidi, mantenendo costante la temperatura della superficie metallica. In caso di incidente, la temperatura può aumentare man mano che si sviluppa un incendio. Il metodo consente inoltre di determinare la temperatura di accensione del fluido in esame, aumentando gradualmente la temperatura del tubo su cui viene lasciato cadere il fluido. Il metodo viene utilizzato in particolare per determinare la resistenza all'accensione di fluidi difficilmente infiammabili. Questa procedura è specificata anche nella norma SR EN ISO 12922:2020 Lubrificanti, oli industriali e prodotti correlati (classe L). Famiglia H (Sistemi idraulici) [16]. Specifiche per fluidi idraulici nelle categorie HFAE, HFAS, HFB, HFC, HFDR e HFDU.

3. Impianto di prova e procedura di prova

I test sono stati eseguiti con un'installazione automatizzata originale dell'Università "Dunărea de Jos" di Galați, per proteggere l'operatore e ridurre il rischio di innesco all'esterno dei locali (Figura 2).

Figura. 2. Impianto di prova di infiammabilità dei fluidi a superficie calda. 1 – sistema di raffreddamento del contagocce, 2 – contagocce con camicia di raffreddamento, 3 – manipolatore 2D per il contagocce, 4 – serbatoio con il fluido da testare, 5 – involucro in acciaio inossidabile, 6 – termocoppia protetta da un alloggiamento saldato sul tubo inclinato, 7 – tubo inclinato riscaldato con una resistenza elettrica interna, 8 – vassoio per la raccolta del fluido che cade dal tubo, 9 – involucro ventilato protetto con vetro resistente al fuoco, 10 – compressore che serve il contagocce, 11 – interruttore principale, 12 – computer che garantisce la regolazione e il funzionamento dell'impianto, 13 – display per la temperatura del tubo inclinato [10]

La procedura è conforme alla norma SR EN ISO 20823:2004 [13] e offre la possibilità di funzionamento automatico dell'impianto, registrazione dei dati e registrazione video del test. Il test comprende le seguenti operazioni.

1. Pulire la superficie esterna del tubo, che deve essere approssimativamente a temperatura ambiente, strofinando con una spugna metallica, con cotone assorbente imbevuto di solvente detergente e, infine, con cotone asciutto. La pulizia della provetta tra un test e l'altro viene preferibilmente eseguita senza rimuoverla dal supporto, ma con l'elemento riscaldante elettricamente isolato o rimosso.
2. Montaggio del gocciolatore sopra l'asse del tubo e 300 mm sopra la sua superficie, al centro del tubo inclinato.
3. Riempire il contagocce con il fluido da analizzare, a una temperatura compresa tra 20°C e 25°C. La norma stabilisce che è possibile effettuare 3 prove ripetute sul tubo, con gocce equidistanti dal centro del tubo, iniziando dalla posizione più bassa del tubo e proseguendo sempre più in alto.
4. Verifica del tempo di gocciolamento del fluido e regolazione della portata di gocciolamento mediante una valvola montata sul tubo di flusso.
5. Collegamento dell'elemento riscaldante e bilanciamento della temperatura al valore desiderato dall'operatore (massimo 700 ºC ± 5 °C), come indicato dalla termocoppia protetta da un involucro metallico, saldato al tubo inclinato.
6. Controllo della chiusura delle finestre antideflagranti.
7. Gocciolare il fluido nel tubo a una velocità di gocciolamento costante in modo che 10 ml del fluido di prova vengano gocciolati in 40-60 s.
8. Osservare e filmare il comportamento del fluido, sia sulla superficie del tubo sia quando il fluido cade nella vaschetta sottostante.

Ripetere il test altre 2 volte alla stessa temperatura seguendo la procedura, per nuove posizioni sul tubo, ciascuna almeno 50 mm più in alto sul tubo rispetto all'area di contatto precedente.

4. Risultati sull'infiammabilità degli oli vegetali su superfici calde

Le immagini nelle figure seguenti mostrano momenti del test dell'olio di colza [10], a diverse temperature superficiali del metallo. La figura 3 mostra che l'olio di colza non può essere considerato ininfiammabile a 505 °C perché in almeno uno dei 3 test effettuati l'olio di colza ha preso fuoco. A una temperatura inferiore, 495 °C, tutti e tre i test non hanno prodotto l'accensione dell'olio di colza. A temperature superiori a 510 °C l'accensione dell'olio avviene in modo più intenso, con una fiamma più grande (Figura 4)

Fumo dopo la prima goccia, seconda 2	Brucia in 3 secondi
Secondo 55	Secondo 55
a)	b)
Figura 3. Prove con olio di colza, a temperatura del tubo inclinato di 505 ºC: a) l'olio di colza non si è infiammato, b) l'olio di colza si è infiammato

a) La prima goccia di petrolio	b) 9° secondo
c) 16° secondo	d) Secondo 55
Figura 4. Test n. 2, con olio di colza, a una temperatura del tubo inclinato di 510 ºC

Se è richiesta una temperatura di accensione, questa verrà determinata con il metodo del semiintervallo, che è limitato da una temperatura del tubo alla quale il fluido non brucia e da una alla quale il fluido si accende. Ad esempio, la Figura 5 mostra i risultati delle prove, nell'ordine in cui sono state eseguite e fino ad ottenere tre prove consecutive in cui il fluido non brucia. Per i risultati ottenuti dai test sugli oli vegetali, è necessario specificare anche la loro composizione in acidi grassi. La tabella 1 mostra la composizione degli acidi grassi degli oli testati.

Figura 5. Risultati dei test per l'olio di colza
(blu – l'olio non brucia, rosso – l'olio brucia)

Tabella 1. Composizione degli oli vegetali testati in acidi grassi (%peso) (analisi effettuata da Expur Bucarest)

conclusioni

Sulla base di dati sperimentali, gli oli vegetali testati presentano una buona resistenza all'accensione su superfici calde, poiché la temperatura minima alla quale non si accendono è di 490 °C (olio d'oliva), ma superiore a quella di un tipico olio idraulico minerale (Figura 6). Si osserva che gli oli vegetali hanno una temperatura minima di accensione su una superficie calda compresa tra 490 °C e 515 °C, il che porterebbe al fatto che non sono le concentrazioni dei costituenti a essere importanti, ma la loro presenza nel rispettivo olio, anche in basse concentrazioni, conclusione evidenziata anche in [Georgescu, 2018] [19]. L'olio di colza trattato per l'inverno ha un comportamento al fuoco decisamente migliore: non brucia su una superficie riscaldata a 570 °C, ma il suo prezzo è più alto. I componenti a catena corta si accenderanno per primi, ma genereranno abbastanza energia da accendere ulteriormente i componenti con peso molecolare più elevato.

Figura 6. Temperatura di accensione della superficie calda degli oli vegetali testati

Le condizioni per l'utilizzo efficace dei risultati delle prove di resistenza al fuoco dei fluidi sono la conoscenza delle possibili prove eseguibili e la selezione di quelle appropriate e utili per migliorare la sicurezza operativa. L'elenco dei fluidi selezionabili e l'elenco dei test che gli stessi devono "superare" devono essere conosciuti e stabiliti fin dalla fase di progettazione dell'apparecchiatura, per ottenere la soluzione che riduca il rischio di incendio. È importante analizzare incidenti simili, correlati ad applicazioni reali nello stesso campo di attività (e non solo) per ottenere possibili miglioramenti nelle attrezzature, nei processi tecnologici, nella tutela ambientale e per il miglioramento delle prestazioni degli operatori.

Questi risultati dimostrano ancora una volta che sono necessari risultati sperimentali per valutare il rischio di incendio quando si utilizzano fluidi tecnici e che l'aggiunta di un olio base non garantisce a priori migliori caratteristiche di infiammabilità, anche se l'additivo suggerisce un miglioramento.

Un'altra osservazione pertinente è che l'intervallo di temperatura tra i test non dovrebbe essere inferiore alla tolleranza delle temperature misurate; per questa installazione e nell'intervallo 20-700 ºC, è stato determinato che è ± 3 ºC, quindi la differenza tra le temperature determinate come temperatura massima alla quale il fluido non brucia sulla superficie calda e temperatura minima alla quale il fluido si infiamma sulla superficie calda non può essere inferiore a 6 ºC.

Bibliografia

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