Adam S. Markowski Zakład Bezpieczeństwa Procesowego i Ekologicznego Politechniki Łódzkiej Mieczysław Borysiewicz CD MANHAZ, Instytut Energii Atomowej w Świerku Zastosowanie analizy warstw zabezpieczeń (LOPA) do oceny ryzyka dla rurociągów Szkoła Tematyczna MANHAZ, 26-30.09.2005

Dane historyczne o awariach Bazy danych o awariach: PCFacts – informacje o 720 awariach na świecie w ciągu 2 lat The Accident Database – informacje o ponad 80 awariach w tym samym okresie CONCAWE Data, British Gas Data, US Gas Transmission Data EGIG – European Gas Pipeline Incident Group

Podstawy oceny zapewnienia bezpieczeństwa Ryzyko tolerowane (ALARP) Ryzyko nieakceptowane Ryzyko akceptowane Ryzyko Zdolność do powodowania strat Zdolność do zapobiegania stratom Systemy bezpieczeństwa Zagrożenia Wzajemna relacja między rzeczywistymi zagrożeniami a systemami bezpieczeństwa reprezentującymi odpowiedni poziom ryzyka dla każdej instalacji.

Zagrożenia występujące w rurociągach Rodzaje zagrożeń Charakterystyka zagrożenia Stosowane zabezpieczenia Zagrożenia związane z projektem rurociągu - Błędy w usytuowaniu rurociągu: przebieg trasy, rodzaj gruntu, obecność: miast i osiedli, linii energetycznych, szlaków kolejowych, drogowych i cieków wodnych, aktywność gospodarcza stron trzecich. - Niewłaściwy standard rozwiązań projektowych w zakresie wyboru aparatury, armatury, systemów łączności i automatyki oraz ochrony korozyjnej - Brak lub niepełna dokumentacja - Nieodpowiednie biuro projektów   - Zgodność z planem zagospodarowania przestrzennego, - Strefy bezpieczeństwa, - Naddatki na grubość ścianki i wytrzymałość rur - Stosowanie standardów międzynarodowych, np.API, ASME, DIN oraz odpowiednich wymagań krajowych - Zgodność z koncepcją "BAT", -Wybór renomowanego biura projektów z certyfikowanym systemem jakości, Zagrożenia związane z budową rurociągu Nie wykonanie budowy rurociągu zgodnie z akceptowanym projektem, szczególnie w zakresie wykonywania spoin, technologii układania rur, ochrony korozyjnej biernej i czynnej, rur osłonowych dla przejść pod drogami, szlakami i ciekami, podsypek piaskowych i innych; - Nie właściwie wykonane testy dotyczące geometrii rurociągu, wytrzymałości i próby ciśnieniowej - Pomiary geodezyjne - Nadzór wykonawczy i inwestorski a szczególnie - weryfikacja specyfikacji materiału, - badania jakości spoin metodami radiograficznymi i ultradźwiękowymi, - uprawnieni spawacze - kontrola skuteczności ochrony katodowej

Zagrożenia występujące w rurociągach Rodzaje zagrożeń Charakterystyka zagrożenia Stosowane zabezpieczenia Zagrożenia związane z eksploatacją rurociągu   - Niewłaściwe procedury operacyjne i awaryjne - Mała częstotliwość lub brak wykonywania czynności - Eksploatacyjnych (kontrole, konserwacje, badania i przeglądy) - Niewłaściwie przeszkolona kadra operatorska Brak odpowiedniego sprzętu dla monitoringu stanu technicznego - Niewłaściwa dokumentacja eksploatacyjna - Brak reakcji na małe przecieki powstałe wskutek korozji, osłabienia wytrzymałości, udaru hydraulicznego, oscylacji,przegrzań, wirujących elementów i innych "gorących punktów",zdarzeń zewnętrznych (uderzenia, osiadanie podpór, zamarzanie), - Brak zasilania elektrycznego dla systemu transmisji danych oraz systemu automatyki, zasuw i pomp Awarie i niesprawność wyposażenia i urządzeń zabezpieczających - Źródła zapłonu (elektryczność statyczna, iskry, pożary zewnętrzne etc.) - Brak lub niewłaściwy nadzór nad stacjami lokalnymi - Brak współpracy ze społeczeństwem - Zapewnienie integralności działania rurociągu - Wykonanie oceny ryzyka - System zarządzania bezpieczeństwem - Program zarządzania korozją - System monitorowania i wykrywania i lokalizacji rozszczelnień rurociągu - Systemy monitoringu rurociągu (helikopter i ekipy remontowo awaryjne) - Kontrola techniczna UDT i przeglądy bezpieczeństwa - Awaryjne zasilanie układów automatyki - Armatura, instalacje i osprzęt w wykonaniu niepalnym oraz przeciw wybuchowym, - Kontrola antystatyczna - Kontrola dostępu do stacji lokalnych - Komunikacja ryzyka oraz system „jeden telefon”

Specyfikacja zarządzania ryzykiem dla rurociągów Rodzaje zagrożeń Charakterystyka zagrożenia Stosowane zabezpieczenia Zagrożenia związane z rodzajem i ilością przesyłanego medium   Pożary, wybuchy, wycieki do środowiska zależne od właściwości transportowanego medium tj. palności, wybuchowości i reaktywności oraz potencjalnego czasu uwolnienia Zapobieganie poprzez właściwy projekt, budowę i eksploatację oraz minimalizację potencjalnych źródeł uwolnień Związane z zarządzaniem bezpieczeństwem Błędy ludzkie w zakresie: projektowania, budowy, konserwacji i eksploatacji Systemy zarządzania bezpieczeństwem, a w szczególności procedury operacyjne, szkolenia, plany ratownicze, systemy komunikacji ze społeczeństwem

Warstwy bezpieczeństwa i ochrony III WARSTWA Przeciwdziałanie skutkom wypływu II WARSTWA Ochrona przed skutkami wypływu I WARSTWA Zapobieganie wypływom

Analiza warstw zabezpieczeń – AWZ (LOPA – layer of protection analysis) Podstawą AWZ jest zastosowanie pojęcia ryzyka rozumianego jako wzajemna relacja między występującymi zagrożeniami procesowymi a zastosowanymi systemami bezpieczeństwa i ochrony. Ustalenie tej relacji to złożony proces, który obejmuje cztery główne elementy: - analiza zagrożeń procesowych (identyfikacja listy zdarzeń awaryjnych LZA) , -  identyfikację reprezentatywnego scenariusza awaryjnego (RZA) - identyfikację lub określenie systemów bezpieczeństwa i ochrony (zabezpieczeń), - określenie prawdopodobieństwa wystąpienia danego RZA za pomocą zasady drzewa zdarzeń, - ocena ryzyka RZA na podstawie ustalonych zasad akceptowalności ryzyka.

AWZ Dwie grupy zdarzeń awaryjnych: RZA(W) - zdarzenie o najgorszych skutkach (np. katastroficzne pęknięcie rurociągu) RZA(P) - zdarzenie najbardziej prawdopodobne (np. przeciek na uszczelnieniu)

AWZ - scenariusz awaryjny

AWZ - drzewo zdarzeń

Zalety AWZ 1. Nie wymaga tyle czasu i zasobów jak w przypadku QRA i jest bardziej dokładna niż HAZOP co powoduje zmniejszenie kosztów wykonania analizy ryzyka. 2. Wiele procesów inżynierskich jest przeładowanych systemami bezpieczeństwa które przynoszą dodatkowy koszt i mają niepotrzebną złożoność, AWZ pomaga skoncentrować zasoby na najbardziej krytyczne systemy z punktu widzenia bezpieczeństwa co może również istotnie wpływać na optymalizację kosztów inwestycyjnych wydatkowanych na środki bezpieczeństwa i ochrony. 3. Działa jako narzędzie decyzyjne pomagając szybciej podjąć decyzje, rozwiązuje konflikty i dostarcza wiedzy do dyskusji na temat ryzyka poszczególnych scenariuszy. 4. Usuwa subiektywności i dostarcza jasności i spójności do oceny ryzyka.

Zalety AWZ 5. Bardziej precyzyjnie określa te scenariusze awaryjne na które trzeba zwrócić specjalną uwagę, przez co pomaga lepiej identyfikować szczególnie niebezpieczne operacje i praktyki. 6. Pomaga porównywać ryzyka według tych samych wymagań w danym zakładzie. 7. Pomaga zdecydować czy poziom ryzyka jest ALARP dla zgodności z wymaganiami bezpieczeństwa. 8. Identyfikuje operacje, praktyki, systemy i procesy, które nie mają wystarczających zabezpieczeń. 9. Dostarcza bazy dla wyboru i specyfikacji NWZ zgodnie z ANSI/ISA S84.01, IEC 61508, IEC 61511. 10. Wspomaga zgodność z regulacjami prawnymi takimi jak OSHA PSM 1910.119, SEVESO II, ANSI/ISA S84.01, IEC 61508, IEC 61511.

Algorytm zastosowania Analizy Warstw Zabezpieczeń

Ogólny model oceny stopnia zapewnienie bezpieczeństwa rurociągu

Rodzaj otworu - Uwolnienie Matryca skutków Rodzaj substancji Rodzaj otworu - Uwolnienie 1-10 kg 10-100 kg 100-1000 kg 1000-10000 kg 10000-100000 kg >100000 kg   Szpilka Przeciek na uszczelce 10-15 mm 25 mm 50-100 mm > 100 mm Bardzo toksyczne 3 4 5 Toksyczne 2 Skrajnie łatwopalne Wysoce łatwopalne 1 Łatwopalne

Znaczenie kategorii skutków   Pracownicy Ludność Środowisko Majątek Kat. 1 B drobne urazy Brak Minimalne Kat. 2 Pojedyncze urazy Odory, hałas Małe odnotowane w raportach Do 100 000 zł Kat. 3 Średnie urazy, pojedyncze ciężkie urazy Małe urazy Średnie krótkotrwałe zniszczenia Do 1 000 000 zł Kat. 4 Liczne ciężkie urazy Średnie urazy Trwałe zniszczenia (rzeka do 1 km, wody pow. i grunt do 0.5 ha Do 5 000 000 zł Kat. 5 Ofiary śmiertelne Ciężkie urazy Katastrofa ekologiczna (rzeka do 5 km, wody pow. i grunt do 1 ha > 8 000 000 zł

Matryca ryzyka Kat. 1 Kat. 2 Kat. 3 Kat. 4 Kat. 5 100 – 10-1 TNA NA   Kat. 1 Kat. 2 Kat. 3 Kat. 4 Kat. 5 100 – 10-1 TNA NA 10-1 – 10-2 TA 10-2 – 10-3 10-3 – 10-4 A 10-4 – 10-5 10-5 – 10-6 10-6 – 10-7

Matryca ryzyka A- ryzyko akceptowane, nie są wymagane żadne dodatkowe środki bezpieczeństwa i ochrony, TA – ryzyko dopuszczalne – rozważyć wprowadzenie dodatkowych środków bezpieczeństwa i ochrony jeśli są one praktycznie uzasadnione, TNA – ryzyko tolerowane, wprowadzić dodatkowe środki bezpieczeństwa i ochrony, NA – ryzyko nieakceptowane – zatrzymać instalację i wprowadzić natychmiast dodatkowe środki bezpieczeństwa i ochrony

Opis przykładowej instalacji Do badań studialnych wybrano hipotetyczny odcinek rurociągu o długości 20 km i średnicy 406 mm, którym przetłaczane jest paliwo przy ciśnieniu nominalnym 6,3 MPa.   Wyposażenie rurociągu: stacja pomp, stacje zasuw ( 2 szt.), urządzenia inżynierskie związane z przejściami przez przeszkody naturalne i sztuczne, instalacje i obiekty ochrony rurociągów przed korozją, system nadzoru i automatyki (SNA) zawierający linie i urządzenia elektroenergetyczne do zasilania stacji pomp, stacji zaworów, stacji ochrony katodowej oraz linie i urządzenia do sterowania tymi obiektami oraz linie i urządzenia łączności oraz systemy telemechaniki.

Schemat rurociągu oraz systemu nadzoru i automatyki

Ustalenie danych dotyczących częstości awarii –dane historyczne

Częstość awarii w zależności od głębokości posadowienia rurociągu Ustalenie danych dotyczących częstości awarii –dane historyczne (CONCAVE i EGIG) Częstość awarii w zależności od głębokości posadowienia rurociągu Głębokość posadowienia rurociągu 0,9 m 1,5 m 2,0 m 3,0 m Uszkodzenie mechaniczne 0,143 Błędy operacyjne 0,047 Korozja 0,085 Zagrożenia naturalne 0,013 Wpływ zewnętrzny 0.132 0,099 0,066 0,0013 Całość 0,42 0,387 0,0354 0,289

Dane dotyczące częstości przyjęte do obliczeń Przyczyna Częstość awarii (rozszczelnienia) [1/rok] Przeciek (4 mm) Otwór (40 mm) Pęknięcie (406 mm) Uszkodzenie mechaniczne 0,014 0,00112 0,00034 Błąd operacyjny 0,00046 0,00036 0,00012 Korozja 0,00084 0,00066 0,0002 Zagrożenia naturalne 0,0001 0,00004 Wpływ zewnętrzny 0,00128 0,001 0,00032

Założenia do ustalenia scenariuszy awaryjnych Warstwa Rodzaj środka Uwagi I. Zapobiegania - Staranny dobór trasy rurociągu Dobra praktyka i8nżynierska (GEP) – zgodność ze wszystkimi aktualnymi standardami i zaleceniami projektowymi, konstrukcyjnymi i eksploatacyjnymi Najlepsza dostępna technika wykonawcza i diagnostyczna (BAT) Kontrole operacyjne - Działanie operatora Ocena oddziaływania na środowisko. Projekt i wykonawstwo – specjalistyczne i renomowane firmy Najnowsze osiągnięcia techniki Automatyka z komputerowym sterowaniem II. Ochrony System nadzoru i automatyki (SNA) sprzężony z systemem zasuw lokalnych Wysoka niezawodność systemu III. Minimalizacji skutków System jeden telefon - Skuteczny system ratownictwa -Dobra komunikacja ze społeczeństwem Umowy z PSP i własne brygady ruchome z helikopterem

Identyfikacja zabezpieczeń rurociągu Zasadnicze funkcje bezpieczeństwa sprawuje system nadzoru i automatyki (SNA), w skład którego wchodzą następujące elementy: 1.    Detektor impulsu ciśnienia 2.    Analizator fali ciśnienia 3.    Transmisja danych światłowodem do stacji centralnej 4.    Stacja centralna 5.    System sterownia zasuwami odcinającymi 6.    Operator

Ustalenie prawdopodobieństw Przyjęto, że wszystkie w/w elementy funkcjonują w jednym zintegrowanym systemie nadzoru i automatyki, którego niepewność działania – PFD (probability of failure on demand) przyjęto na dwóch poziomach: - poziom normalny: 1x10-2 1/rok (SIL2 –safety integrity level), - poziom podwyższony: 1x10-1 1/rok. Do warunków umożliwiających rozwój zdarzeń zaliczono: 1. prawdopodobieństwo wystąpienia zapłonu (natychmiastowego jak i opóźnionego), 2. prawdopodobieństwo pobytu w strefie zagrożenia pożarowo-wybuchowego, 3. prawdopodobieństwo, że w czasie narażenia w strefie pożarowo-wybuchowej człowiek poniesie śmierć. Prawdopodobieństwo w/w występujących warunków ustalono jako wartości średnie, w oparciu o dane literaturowe [14], nie biorąc pod uwagę, wielkości rozszczelnienia oraz lokalizacji rurociągu (tereny miejskie lub poza nimi). P zapłon = P zapłon nat.+ P zapłon opóźn. = 0.0062 x 0,0062 =1, 24 x10-2 P pobytu = 0,1 P śmierci= 0.5

Określenie scenariuszy awaryjnych (drzewo zdarzeń) 1. Rozszczelnienie rurociągu (wypływ paliwa) – pozytywne działanie systemu automatyki i małe uwolnienie powodujące małe straty - AB 2. Rozszczelnienie rurociągu (wypływ paliwa) – awaria działania systemu automatyki, wystąpienie pożaru i/lub wybuchu oraz ofiary w ludziach - ABC 3. Rozszczelnienie rurociągu (wypływ paliwa) – nie skuteczne działanie systemu automatyki, brak zapłonu oraz dyspersja w środowisku wraz ze skażeniem - ABC

Obliczenia ryzyka za pomocą analizy warstw zabezpieczeń Ryzyko powstania niepożądanych skutków wskutek uszkodzenia mechanicznego rurociągu   * Dane obliczone dla PFD = 1.10-2[1/rok]

Obliczenia ryzyka za pomocą analizy warstw zabezpieczeń Ryzyko powstania niepożądanych skutków wskutek korozji rurociągu * Dane obliczone dla PFD = 1.10-2[1/rok]

Obliczenia ryzyka za pomocą analizy warstw zabezpieczeń Ryzyko powstania niepożądanych skutków wskutek błędu operacyjnego * Dane obliczone dla PFD = 1.10-2[1/rok]

Obliczenia ryzyka za pomocą analizy warstw zabezpieczeń Ryzyko powstania niepożądanych skutków wskutek zagrożeń naturalnych * Dane obliczone dla PFD = 1.10-2[1/rok]

Obliczenia ryzyka za pomocą analizy warstw zabezpieczeń Ryzyko powstania niepożądanych skutków wskutek działań zewnętrznych * Dane obliczone dla PFD = 1.10-2[1/rok]

Wnioski 1. Ryzyko wystąpienia awarii rurociągu prowadzącej do rozszczelnienia i uwolnienia paliwa może być wyznaczone na podstawie zastosowania analizy AWZ wykorzystującej technikę drzewa zdarzeń. Niezbędne dane dotyczące częstości występowania zdarzeń inicjujących i zdarzeń warunkujących dostarczają dane historyczne natomiast dane niezawodnościowe dla systemów bezpieczeństwa (PFD) powinny wynikać z charakterystyk niezawodnościowych tych systemów (tzw. poziom SIL). 2. Poziom ryzyka wystąpienia zagrożeń pożarowo-wybuchowych, bez względu na przyczynę wywołującą taką awarię, jest zwykle zdecydowanie mniejszy niż poziom ryzyka wystąpienia skażeń środowiskowych. Ponadto jest to zwykle poziom dopuszczalny (TA) a większości przypadków skażeń toksycznych jest to poziom tolerowany – nieakceptowany (TNA). Oznacza to w takim przypadku konieczność wprowadzenie dodatkowych zabezpieczeń. Szczególna zatem uwaga powinna być zwrócona na ochronę środowiska naturalnego

Wnioski 3. Najwyższy poziom ryzyka wywołują uszkodzenia mechaniczne rurociągu, później działania zewnętrzne i w końcu korozja. 4. Zmniejszenie niezawodności zabezpieczeń istotnie zwiększa ryzyko wystąpienia awarii i powoduje nawet uzyskiwanie poziomu ryzyka nieakceptowanego. Można więc potwierdzić, że system bezpieczeństwa w postaci systemu nadzoru i automatyki powinien reprezentować poziom pewności działania co najmniej SIL = 2 tj. PFD od 10-2 do 10-3[1/rok]