Carenza e Arricchimento di Ossigeno: Nozioni di Sicurezza Criogenica

Il rischio di carenza di ossigeno nel lavoro criogenico esiste perché azoto e argon sono incolori e inodori, e un piccolo volume di liquido diventa un grande volume di gas che spiazza l'aria in uno spazio confinato senza alcun segnale d'allarme. L'ossigeno liquido crea il problema opposto, un'atmosfera arricchita in cui gli incendi si propagano più facilmente.

Entrambe le condizioni sono ben conosciute ed entrambe sono controllate dalle stesse misure di base: tenere l'attrezzatura criogenica all'aperto o in aree correttamente ventilate, monitorare l'ossigeno dove le persone possono accedere, e convogliare gli sfiati in un luogo sicuro.

Questo articolo spiega il meccanismo alla base di ciascun rischio, i pericoli fisici del contatto con liquido freddo e superfici fredde, e i controlli pratici che operatori di impianto e acquirenti di attrezzature dovrebbero pretendere.

Cos'è un rischio di carenza di ossigeno?

L'aria contiene circa il 20,9 per cento di ossigeno in volume. Un rischio di carenza di ossigeno esiste ogni volta che qualcosa spiazza parte di quell'aria e riduce la frazione di ossigeno dove le persone lavorano. Nella pratica occupazionale un'atmosfera è comunemente considerata carente di ossigeno al di sotto del 19,5 per cento, e molte normative nazionali usano questa cifra o un valore vicino. Verificate la soglia e le impostazioni di allarme applicabili nella vostra giurisdizione.

Il pericolo non è la tossicità. Azoto e argon non sono tossici. Il pericolo è che occupano lo spazio che altrimenti occuperebbe l'aria, e il corpo non fornisce alcun segnale affidabile che la frazione di ossigeno sia scesa. Non c'è odore, non c'è colore e non c'è irritazione, e la capacità di giudizio può essere compromessa prima che una persona si accorga che qualcosa non va. Per questo la carenza di ossigeno viene gestita mediante misure impiantistiche e monitoraggio, non aspettandosi che le persone se ne accorgano.

Perché azoto e argon spiazzano l'ossigeno così rapidamente?

I liquidi criogenici si espandono enormemente quando si riscaldano fino alle condizioni ambiente. Un volume di azoto liquido diventa circa 696 volumi di gas alle condizioni standard, e l'argon liquido si espande di circa 847 volte. Una quantità di liquido che sembra modesta sul pavimento può quindi riempire un ambiente confinato di gas inerte.

• Il vapore freddo è più denso dell'aria calda all'inizio, quindi si accumula in fosse, trincee, scantinati e punti bassi
• Man mano che si riscalda si mescola e si disperde, ed è per questo che le installazioni all'aperto sono intrinsecamente più sicure
• L'evaporazione normale è continua, quindi anche in assenza di una perdita un ambiente chiuso accumula gas nel tempo
• Gli scarichi di sfiato e delle valvole di sicurezza rilasciano gas per progetto, non per guasto, e devono terminare in un luogo sicuro
• Le operazioni di spurgo e raffreddamento rilasciano gas inerte deliberatamente e richiedono gli stessi controlli

Se vi serve l'aritmetica per un dimensionamento o una valutazione del rischio, il nostro riferimento sui rapporti di conversione da liquido a gas criogenico riporta le cifre di espansione e come utilizzarle.

Dove si verifica il rischio di carenza di ossigeno in un sito del gas?

Le installazioni di serbatoi all'aperto in aria libera sono il caso normale e il caso a basso rischio. Il rischio si concentra dove il gas può accumularsi o dove le persone lavorano vicino a un punto di rilascio.

• Sale di riempimento bombole, locali pompe e aree di processo al chiuso che movimentano liquido criogenico
• Fosse, pozzetti, trincee, scantinati e camere di ispezione vicino all'area del serbatoio
• Spazi confinati, inclusi recipienti e tubazioni oggetto di accesso per manutenzione
• Cabine di veicoli, furgoni e spazi di trasporto chiusi che trasportano contenitori di liquido criogenico
• Celle frigorifere, laboratori e depositi chiusi che contengono dewar o recipienti MicroBulk
• Aree vicine a un camino di sfiato o a uno scarico di valvola di sicurezza, specialmente in aria ferma

L'accesso in spazi confinati merita un'attenzione particolare. Un recipiente spurgato con azoto contiene pochissimo ossigeno, e le procedure di accesso esistono proprio perché l'atmosfera al suo interno non fornisce alcun segnale sensoriale d'allarme.

Perché l'arricchimento di ossigeno da LOX è un rischio di incendio?

L'ossigeno liquido crea la condizione opposta. L'ossigeno non brucia da solo, ma favorisce la combustione, e in un'atmosfera arricchita i materiali si accendono con energia più bassa e bruciano più velocemente e più intensamente che nell'aria normale. Gli indumenti che hanno assorbito ossigeno possono incendiarsi facilmente. L'arricchimento deriva da sfiati, piccole perdite agli attacchi, sversamenti durante il trasferimento e operazioni di riempimento in spazi scarsamente ventilati.

• Tenere oli, grassi, combustibili e materiale combustibile lontani dall'attrezzatura LOX e dal terreno sottostante
• Utilizzare solo lubrificanti, guarnizioni e sigillanti approvati per il servizio ossigeno
• Mantenere pulite dall'ossigeno le parti bagnate, e ripulire ogni componente aperto durante l'intervento
• Ventilare qualsiasi area in cui l'ossigeno possa accumularsi, e mantenere le fonti di innesco alla distanza richiesta dalla normativa locale
• Chiunque sia stato in un'atmosfera arricchita di ossigeno dovrebbe arieggiare i propri indumenti all'aria aperta prima di avvicinarsi a una fonte di innesco
• Esporre la segnaletica per l'ossigeno e controllare l'accesso all'area del serbatoio

La nostra guida alla sicurezza e alla selezione dei serbatoi di ossigeno liquido tratta più in profondità la pulizia per il servizio ossigeno, la compatibilità dei materiali e l'ubicazione per chiunque debba specificare attrezzature LOX.

Come controllano il rischio i monitor di ossigeno e la ventilazione?

La ventilazione rimuove il gas accumulato e il monitoraggio avvisa le persone quando l'atmosfera è cambiata. Lavorano insieme. La sola ventilazione può guastarsi silenziosamente se un ventilatore si ferma, e il solo monitoraggio non fa nulla per correggere la condizione che rileva.

• Sensori posizionati dove il gas si accumulerà realmente, tenendo conto del vapore freddo che si deposita in basso prima di riscaldarsi
• Allarmi acustici e visivi sia all'interno dello spazio sia all'ingresso, in modo che nessuno entri in un'area già in allarme
• Soglie di allarme allineate alla normativa nazionale applicabile
• Calibrazione e prova di funzionamento con l'intervallo indicato dal costruttore, con registrazione dei risultati
• Monitor di ossigeno personali per il personale che accede a fosse o aree senza rilevamento fisso
• Ventilazione meccanica dimensionata per il volume confinato e per il rilascio ipotizzabile, progettata da un ingegnere della ventilazione
• Sfiati e scarichi delle valvole di sicurezza convogliati all'esterno, lontano da porte, finestre, prese d'aria e passaggi pedonali
• Procedure di accesso, prova dell'atmosfera prima dell'ingresso e una persona di appoggio dove richiesto

Questa è la ragione pratica per cui i serbatoi criogenici sono collocati all'aperto ove possibile. L'installazione all'aperto elimina il meccanismo di accumulo invece di gestirlo, il che rende il layout del sito una decisione di sicurezza tanto quanto una decisione logistica. Il nostro articolo sui requisiti di installazione e ubicazione del serbatoio criogenico tratta l'aspetto del layout.

Quali sono i rischi da contatto con il freddo e i rischi sui materiali?

Ustioni da freddo e congelamento

Il contatto con liquido criogenico, vapore freddo o tubazioni fredde non isolate provoca un danno ai tessuti simile a un'ustione. La pelle può congelarsi a contatto con una superficie fredda non isolata, e il danno può verificarsi prima che la persona riesca a staccarsi. Gli spruzzi agli occhi sono una preoccupazione particolare, motivo per cui si utilizza una protezione per il viso durante il trasferimento.

Frattura fragile dei materiali

Molti materiali che sono duttili a temperatura ambiente diventano fragili a temperatura criogenica e possono rompersi improvvisamente sotto carico. Per questo il servizio a bassa temperatura richiede prove d'urto, normalmente prove Charpy V, sui materiali impiegati al di sotto di circa meno 150 C. Per lo stesso motivo il liquido criogenico sversato deve essere tenuto lontano dall'acciaio strutturale ordinario, dal calcestruzzo e dall'asfalto, che possono fessurarsi se raffreddati.

Liquido intrappolato e aumento di pressione

Il liquido criogenico intrappolato tra due valvole chiuse si riscalda e si espande senza alcuna via di sfogo. I tratti di linea che possono essere isolati a entrambe le estremità sono per questo dotati di dispositivi di sicurezza, e i dispositivi di sicurezza non vengono mai bloccati o isolati durante l'esercizio.

Quali DPI si utilizzano nella movimentazione di liquidi criogenici?

I DPI sono l'ultimo livello di protezione, non il primo. Ubicazione, ventilazione, monitoraggio e procedura svolgono il lavoro principale. Gli elementi seguenti sono standard per le operazioni di trasferimento, collegamento e manutenzione, e il requisito specifico dovrebbe seguire la vostra valutazione del rischio e le norme locali.

• Visiera protettiva sopra gli occhiali di sicurezza per qualsiasi operazione in cui siano possibili spruzzi
• Guanti criogenici larghi che possano essere sfilati rapidamente se il liquido vi entra dentro
• Maniche lunghe e pantaloni indossati sopra calzature chiuse e non assorbenti
• Nessun polsino, tasca aperta o risvolto che possa trattenere il liquido
• Monitor di ossigeno personale dove manchi il rilevamento fisso
• Per il lavoro con ossigeno, indumenti privi di contaminazione da olio e grasso

La formazione conta quanto l'attrezzatura. Gli operatori dovrebbero conoscere le proprietà del prodotto che movimentano, la posizione di monitor e allarmi, il percorso di evacuazione, e la regola secondo cui nessuno entra in uno spazio in allarme per soccorrere un collega senza autorespiratore e un piano di soccorso.

In che modo la scelta dell'attrezzatura riduce il rischio di carenza di ossigeno?

Un'attrezzatura ben specificata elimina i rilasci di routine invece di gestirli. Un serbatoio con vuoto integro e un circuito economizzatore funzionante sfiata molto meno di uno con isolamento degradato, e un sistema di sicurezza correttamente mantenuto interviene solo quando deve.

• Un isolamento sottovuoto integro mantiene l'evaporazione nell'intervallo normale compreso tra circa 0,2 e 0,6 per cento al giorno per i serbatoi statici moderni
• Un circuito di pressurizzazione ed economizzatore funzionante utilizza il gas di evaporazione invece di sfiatarlo
• Linee di sfiato e di sicurezza convogliate verso un punto di scarico sicuro anziché terminare al serbatoio
• Selezione corretta di valvole e guarnizioni per il fluido di servizio, inclusi materiali compatibili con l'ossigeno per il LOX
• Una lettura del vuoto ogni 6-12 mesi, così il degrado viene individuato prima che diventi sfiato
• Certificazione adeguata al mercato: PED 2014/68/EU con EN 13458 per i recipienti statici a isolamento sottovuoto, oppure ASME dove si applica il codice statunitense

Un aumento dell'evaporazione, brina o condensa sulla superficie esterna e un aumento di pressione più rapido del normale indicano tutti una perdita di vuoto, che aumenta lo sfiato e quindi il gas rilasciato nell'area circostante. Il nostro articolo sulla perdita di vuoto nei serbatoi criogenici spiega come riconoscerla e confermarla.

KAF Cryogenics fornisce serbatoi di stoccaggio, attrezzature di trasporto e vaporizzatori nuovi su specifica e come unità usate certificate che hanno superato ispezione, controlli non distruttivi, e prova del vuoto e di pressione, con un fascicolo documentale e una garanzia scritta. Quando un sito deve sostituire attrezzature che sfiatano eccessivamente, un'unità usata certificata può essere spedita da magazzino in poche settimane, anziché nei mesi tipicamente richiesti da una nuova costruzione.

Domande frequenti

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