Comprendere e ridurre il rischio di esplosioni dei tombini: un’intervista con Stuart Hanebuth

Negli ultimi anni, con l’invecchiamento delle infrastrutture del Paese, si è assistito a un crescente interesse per i gravi incidenti nei tombini, che possono provocare fumo, incendi ed esplosioni. Le possibili conseguenze includono decessi, lesioni fisiche, danni ai beni e incidenti stradali. Le cause che possono portare a questi eventi sono molteplici e gli ingegneri dei servizi di pubblica utilità propongono continuamente soluzioni, con vari gradi di successo. Nell’intervista che segue, Stuart Hanebuth, noto esperto di incidenti con tombini e sicurezza pubblica, descrive le sfide legate all’attenuazione di questi eventi.

D. Con quale frequenza si verificano annualmente gli incidenti neii tombini?

R. Non sappiamo con certezza quante strutture sotterranee ci siano negli Stati Uniti, ma stimo che probabilmente siano tra uno e due milioni. Sulla base di quanto riportato dai media e dalle aziende di servizi pubblici, direi che a livello nazionale si verificano probabilmente tra tremila e cinquemila eventi gravi ogni anni, che comportano incendi, esplosioni o sviluppo di fumi.

D. Le esplosioni dei tombini sono un fenomeno nuovo?

R. Questo ritaglio di giornale è del 1937. Un tombino è saltato in aria e ha ucciso una persona cadendo nel vano di un ascensore. Si tratta di uno dei primi eventi occorsi in un tombino di cui siamo a conoscenza, a dimostrazione del fatto che tali eventi si verificano da molto tempo.

D. Potresti descrivere i principali tipi di eventi che interessano i tombini?

R. Esistono tre grandi categorie di eventi che interessano i tombini e che sono correlati tra loro: tombini che fumano, incendi ed esplosioni di tombini. Il tipo di evento più comune è lo sviluppo di fumi dai tombini, in cui dalla struttura sotterranea esce molto fumo, ma non si vedono incendi o esplosioni in superficie.

A proposito, quando dico tombino, intendo qualsiasi struttura elettrica sotterranea in cui passano dei cavi. Potrebbe trattarsi di una camera sotterranea, di un vano per la manutenzione o di qualsiasi altra struttura sotterranea. Per semplicità utilizzo il termine tombino.

D. Quali sono le cause tipiche degli incidenti nei tombini e le preoccupazioni che ne derivano?

R. Tutti gli eventi nei tombini sono alimentati da due tipi di energia: quella a combustione e quella elettrica. Gli eventi causati dalla combustione sono spesso il risultato della decomposizione anaerobica dell’isolamento dei cavi che brucia senza fiamma. Gli eventi azionati elettricamente generano un arco di grandi dimensioni con temperature molto elevate. Ogni tipologia richiede un metodo di prevenzione diverso.

Un esempio di un evento di tombino causato dalla combustione è illustrato di seguito. Camion dei pompieri pronti a intervenire visibili sullo sfondo, mentre il fumo e i gas che escono dalla struttura  si espandono fino a diventare un incendio importante.  

Negli eventi scatenati dall’elettricità, l’energia necessaria all’evento proviene da un guasto elettrico all’interno della struttura, solitamente un cavo interrato. La maggior parte degli eventi alimentati elettricamente si verifica su cavi di trasmissione e di media tensione.

Un ottimo esempio di evento innescato dall’elettricità  è avvenuto a Buffalo, New York, diversi anni fa, ed è stato ripreso in onda durante un’intervista al telegiornale (video per gentile concessione di WGRZ News). Un guasto ai cavi sotterranei ha generato un arco elettrico che ha surriscaldato l’aria e fatto saltare la copertura fino a cinque piani da terra.

Questo tipo di esplosioni sono eventi con un’energia incredibile. Non è raro vedere coperture che saltano. Miracolosamente, non è stato colpito nessuno. Ma un pezzo di metallo da 100 libbre che volasse verso una persona provocherebbe un incidente molto grave. Oltre a causare lesioni fisiche e decessi, questi eventi possono causare gravi danni a proprietà, strade e altre infrastrutture. È molto importante trovare modi efficaci per mitigare questo tipo di eventi.

D. Perché queste immagini sono così drammatiche?

R. Negli eventi che coinvolgono i tombini possono essere rilasciate enormi quantità di energia. In genere, quando si verifica un’esplosione in un tombino, si parla di un’energia compresa tra 6 e 40 megajoule. L’equivalente di 3-20 candelotti di dinamite.

La maggior parte di questi eventi presenta un doppio picco: si verifica un’esplosione iniziale e poi, poche centinaia di millisecondi dopo, ce n’è un’altra. Il primo evento è spesso un arco elettrico che può vaporizzare tutto l’isolamento del cavo. Quando l’arco si riscalda, tutti i gas fuoriescono dalla struttura, facendo saltare il coperchio. Una volta cessata la formazione dell’arco elettrico, i gas si raffreddano molto rapidamente e l’aria fredda viene risucchiata nella struttura. Ciò riporta il rapporto carburante/aria nell’intervallo corretto, provocando una seconda esplosione.

Alcuni sistemi di mitigazione tentano di risolvere questo doppio picco impedendo rapidamente che si verifichi il secondo picco. Tuttavia, per ridurre questa pressione è necessaria un’apertura molto grande. Si tratta di pressioni enormi rispetto alle dimensioni della copertura. La copertura deve essere rimossa molto rapidamente, ma il peso del tombino ostacola qualsiasi azione rapida, rendendo poco attuabili questi sistemi di mitigazione.

D. E cosa puoi dirci degli eventi provocati dalla combustione?

R. La maggior parte degli eventi che interessano i tombini (il 75%) sono eventi a bassa tensione causati dalla combustione. La fonte di energia più comune in questi eventi deriva dalla decomposizione anaerobica dell’isolamento dei cavi e, in molti casi, dei materiali dei condotti. L’energia proviene dai gas creati dalla combustione lenta dell’isolante. La combustione di questo materiale produce enormi quantità di monossido di carbonio che viene spinto lungo il condotto.

Sappiamo tutti che il monossido di carbonio è tossico, ma è anche estremamente infiammabile. Il monossido di carbonio è penetrato negli edifici o nelle strutture adiacenti e ha causato gravi esplosioni. I gas rappresentano il pericolo più grave.

D. Come vengono classificati gli eventi nei tombini in base alla classe di tensione e al tipo di energia?

R. Ogni anno, il 95% di tutti gli eventi che interessano i tombini si verifica su cavi a bassa tensione che funzionano a meno di 600 volt circa. Di questi, il 75% sono eventi causati dalla combustione.

I sistemi a bassa tensione sono progettati per essere resistenti ai guasti, in modo da poter sostenere l’arco elettrico lento che brucia l’isolamento per giorni, settimane, forse mesi. Quindi l’arco elettrico e la combustione lenta possono durare a lungo.

Gli eventi di trasmissione e di media tensione rappresentano circa il 5% di tutti gli eventi. In caso di guasto, viene risolto quasi istantaneamente, nel giro di pochi cicli. In questi casi, l’arco elettrico si verifica per 3 o 4 cicli, forse più a lungo se c’è un problema con il sistema di protezione, ma si risolve molto rapidamente.

D. Potresti spiegare meglio in che modo la decomposizione dell’isolamento dei cavi e dei materiali dei condotti contribuisce agli eventi che interessano i tombini?

R. La figura 1 mostra ciò che accade. Se si fa passare in un condotto un cavo a bassa tensione e si verifica una piccola crepa nell’isolamento, si verificheranno fenomeni di conduzione e archi elettrici attraverso quella crepa. Nella maggior parte dei casi l’arco elettrico assorbe probabilmente meno di un ampere, quindi appare come guasto elettrico al sistema di distribuzione. L’energia continua a fluire verso quel cedimento. Quel piccolo arco riscalda il cavo e l’isolamento, che inizia a bruciare senza fiamma. Il fumo contiene diversi gas, tra cui monossido di carbonio, idrogeno, metano e altri gas.

FIGURA 1

Quello che brucia e provoca incendi ed esplosioni è per lo più monossido di carbonio. L’idrogeno fuoriesce attraverso le crepe e i pori dei condotti, quindi è piuttosto irrilevante. Il processo di decomposizione dei condotti lascia anche polvere di carbonio quasi pura. Quindi, proprio sul fronte della fiamma, nella zona di reazione, fuoriescono polvere di carbonio, gas monossido di carbonio, un po’ di idrogeno e altre cose. Questi gas devono andare da qualche parte quindi scorrono verso l’estremità a bassa pressione del sistema, in altre parole verso il tombino. Per supportare questo processo è necessario un flusso d’aria di circa 0,2 metri al secondo. A questa velocità, il flusso d’aria spingerà il fronte della fiamma lungo il cavo e il materiale del condotto, dove continuerà a creare grandi quantità di gas.

È importante sottolineare che è necessario un flusso d’aria. Senza di esso, la zona di reazione o il fronte di fiamma non possono essere spostati lungo il cavo. Il gas non ha più alcun posto dove andare e l’incendio si auto-estingue. Si verificherà un arco elettrico, che potrebbe evolversi in un evento di origine elettrica, ma un evento di origine elettrica all’interno di un condotto è molto meno grave di un evento di origine elettrica che si verifica in un tombino.

D. Potresti spiegare meglio gli eventi di origine elettrica?

R. Gli eventi alimentati dall’elettricità rappresentano circa il 30% di tutti gli eventi nei tombini, di cui il 5% sono eventi a media tensione e il 25% sono eventi a bassa tensione. In genere si verifica un arco di grandi dimensioni, un cortocircuito elettrico e una temperatura molto elevata. L’arco fonde e vaporizza l’isolamento e i conduttori. L’arco può anche incendiare gas combustibili, provocando un’esplosione secondaria. Questi eventi sono un po’ più difficili da interrompere perché fanno affidamento su sistemi di protezione dai guasti molto sensibili.

In molti degli eventi gravi causati dall’elettricità, si verifica un problema importante con i dispositivi di protezione elettrica. Le impostazioni dei relè sono errate, oppure il sistema consente al guasto di persistere più a lungo del dovuto. Più a lungo persiste il guasto e più si verificano riscaldamento, combustione e consumo di isolamento e conduttori, e più combustibile viene creato per l’incendio. La maggior parte degli eventi causati dall’elettricità che innescano incendi o fanno saltare le coperture si verificano nella struttura. In genere non si verificano nel condotto.

D. Una giunzione difettosa o scadente durante l’installazione di un cavo potrebbe causare un evento?

R. Sì, ma nella maggior parte dei casi non farebbe spostare o saltare via la copertura. La maggior parte dei guasti elettrici vengono risolti rapidamente dai sistemi di protezione e non si manifestano in superficie.

D. Cosa sta facendo il gruppo di lavoro IEEE P2417 per sviluppare una guida che affronti gli eventi gravi che coinvolgono i tombini?

R. Il gruppo di lavoro P2417 ha elaborato una guida per la gestione di fumo, incendi ed esplosioni nelle strutture elettriche sotterranee. Il gruppo di lavoro è composto da circa 50 ingegneri dei servizi pubblici che si incontrano due volte l’anno durante le riunioni del comitato IEEE Insulated Conductors. Il nostro obiettivo è quello di acquisire tutte le informazioni rilevanti riguardanti gli eventi nei tombini e renderle facilmente accessibili in modo da ridurre questi eventi. Si tratta di una guida, non è una norma, quindi non ci sono requisiti obbligatori in questo documento. Descrive principalmente le migliori prassi, ma non fornisce raccomandazioni. La guida è acquistabile presso IEEE.

La guida contiene una tabella incentrata sulla zona di combustione e sui possibili metodi per arrestare gli eventi di combustione nei tombini. Il grafico illustra il ruolo del flusso d’aria negli eventi indotti dalla combustione. La nostra premessa è che se il flusso d’aria è limitato a meno di 0,2 metri al secondo, il carburante nella zona di combustione verrà assorbito e la generazione di gas cesserà.

D. Quali misure di mitigazione vengono attualmente sperimentate e quali sono i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna?

R. Qualche anno fa, un’azienda di servizi pubblici canadese ebbe un gran numero di guasti secondari ai cavi. Ispezionarono i cavi e scoprirono che circa il 5% di essi era stato danneggiato durante l’installazione. I cavi venivano trascinati attraverso le giunzioni dei condotti o altre ostruzioni, e i danni risultanti consentivano ai detriti di penetrare nei condotti. Questo danneggiò l’isolamento e causò guasti latenti. È stato sviluppato un sistema in cui le estremità del cavo venivano tappate e poi sottoposte a un test di pressione per verificare se la guaina riusciva a sostenere la pressione dell’aria. Il sistema funzionava, ma era troppo complesso da usare sul campo.

Alcune reti di servizi riempiono i tombini con materiali inerti come la sabbia. In questo modo si blocca il flusso d’aria attraverso il condotto e si impedisce l’accumulo di gas nella struttura. È abbastanza efficace, ma quando è necessario accedere alla struttura per riparazioni o altri lavori, è necessario far intervenire un camion aspiratore per rimuovere la sabbia prima che la squadra possa intervenire.

Molte aziende di servizi pubblici, dopo un evento ispezionano rapidamente tutte le loro strutture. Circa 10 anni fa, una delle principali aziende di servizi pubblici degli Stati Uniti ha condotto uno studio sulle ispezioni visive dei tombini e ha stabilito che non si era verificata alcuna riduzione degli incendi o delle esplosioni nei tombini dopo aver ispezionato l’intero sistema.

Esistono dei vantaggi nel garantire sistematicamente che la parte di cavi visibile sia in buone condizioni. Tuttavia, oltre il 95% dei cavi è nascosto nel condotto, quindi l’ispezione visiva del 5% dei cavi visibili non è realmente efficace nel prevenire incendi o esplosioni.

D. Cosa puoi dire del rilevamento precoce dei precursori degli eventi nei tombini?

R. Il rilevamento della tensione di contatto è un metodo in cui una squadra esplora e cerca guasti latenti che formano un percorso conduttivo verso la superficie e appaiono come percorsi stradali o marciapiedi sotto tensione. Alcuni studi hanno dimostrato che questo metodo può ridurre gli eventi del 20% se il monitoraggio viene effettuato con frequenza e costanza, il che non è sempre possibile.

Il rilevamento dei guasti da arco è probabilmente l’idea più promettente nella diagnosi precoce. Esiste una specifica firma elettrica associata a un guasto da arco, ma è molto difficile separarla dal rumore di base del sistema. Il guasto da arco elettrico assomiglia molto quello che produce un saldatore ad arco o l’avviamento di un motore, quindi è difficile distinguere un evento da arco elettrico da un’apparecchiatura che funziona normalmente.

D. Potresti descrivere i sistemi di monitoraggio dei volt o dei tombini?

R. Stiamo riscontrando un notevole interesse nei sistemi di monitoraggio della tensione. Questi sistemi possono misurare diversi parametri, tra cui la presenza di fumo. Se il sistema rileva del fumo in un tombino, invia un allarme a un centro di controllo che invierà una squadra a intervenire. L’obiettivo è arrivare sul posto prima che vengano generati abbastanza gas combustibili da causare un incendio o un’esplosione.

La sfida di questo metodo è che le risposte agli allarmi nel sistema di manutenzione possono essere eccessive quando aumenta la richiesta di altri servizi. Contemporaneamente a un problema nel tombino, potrebbero esserci chiamate da parte dei clienti per interruzioni di corrente, problemi con i servizi residenziali o altri problemi, il che renderebbe la risposta tempestiva della squadra di manutenzione una vera e propria sfida.

D. Ci sono altri strumenti di mitigazione di cui ci vorresti parlare?

R. Alcune aziende di servizi pubblici hanno installato tombini ventilati. La teoria è che creando delle fessure nel coperchio si consente la fuoriuscita dei gas e si evita l’esplosione. Ma quando si verifica un’esplosione con pressioni e velocità enormi, la copertura ventilata si comporta in modo molto simile a una copertura piena. In realtà, le coperture ventilate potrebbero facilitare il flusso d’aria attraverso il condotto e aumentare la propagazione della fiamma.

Un altro metodo di mitigazione è quello di tenere abbassata la copertura. La foto qui sotto mostra i risultati di un test che coinvolge una copertura autobloccante con un fermo, così quando si verifica un evento, la copertura si solleva e il fermo la trattiene all’anello metallico su cui è montata la copertura. In molti casi, le coperture autobloccanti possono aiutare a mitigare gli effetti di un’esplosione.

D. C’è un certo dibattito sulla sigillatura dei condotti come soluzione ai problemi dei tombini. Perché alcune aziende di servizi pubblici non vogliono sigillare i condotti come misura preventiva?

R. Le aziende di servizi pubblici ritengono che non saranno in grado di attuare la manutenzione delle tenute. Ma non si tratta delle tenute. Quando prevengono gli eventi che interessano i tombini, agiscono come restrizioni del flusso d’aria, impedendo all’aria di muoversi attraverso il condotto. Certo, può essere difficile pensare di sigillare milioni di estremità di condotti in tutto il Paese. Ma in realtà non credo che le aziende di servizi abbiano un buon motivo per non sigillare i condotti. Probabilmente dovremmo impegnarci di più per informare i tecnici dei servizi pubblici e i responsabili della sicurezza pubblica sui vantaggi delle restrizioni del flusso d’aria e su come queste possano rappresentare una soluzione ai gravi problemi che interessano i tombini.

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