[Najnowszy numer] [Prenumerata] [Spis treści]     

Efekt domina
- zabawa czy niebezpieczeństwo?

Efekt domina (ED) to łańcuch zdarzeń, w którym skutki poprzedniego zdarzenia powiększane są w wyniku kolejnych, występujących po sobie zdarzeń, prowadząc do następnego wypadku. Jak identyfikować i oceniać te zdarzenia? ED jest tematem bardzo ważnym, choć jeszcze często pomijanym w analizach ryzyka dotyczących instalacji procesowych. Ich znaczenie uznała Dyrektywa Seveso 2, która nałożyła na kompetentne władze obowiązek identyfikacji zakładów lub grup zakładów, dla których prawdopodobieństwo i skutki poważnej awarii mogą być powiększone z powodu rozmieszczenia i bliskości takich zakładów. Dyrektywa ta została przeniesiona do polskiego ustawodawstwa w postaci ustawy Prawo Ochrony Środowiska (Dz.U. nr 62 z 2001 r., poz. 627).

Mechanizmy powstawania

Pod pojęciem efektu domina rozumie się zjawisko awaryjnego, kaskadowego uwolnienia substancji niebezpiecznej z instalacji procesowych, w wyniku którego powstają poważne zagrożenia chemiczne (pożar, wybuch lub odłamkowanie). Zjawisko takie inicjowane jest w instalacji procesowej pierwotnej i następnie rozprzestrzenia się na następną instalację wtórną. Zdarzenia takie mogą występować zarówno w układzie szeregowym, jak i równoległym. Pierwotne zdarzenie wypadkowe związane z uwolnieniem substancji niebezpiecznej może powodować oddzielnie lub jednocześnie, w zależności od właściwości uwalnianej substancji, trzy różne efekty fizyczne: promieniowanie cieplne charakterystyczne dla pożarów, falę podmuchu o określonej wielkości nadciśnienia charakterystyczną dla wybuchów oraz tzw. zjawisko odłamkowania w przypadku pęknięcia pojemnika procesowego. Wymienione efekty fizyczne tworzą odrębne strefy zagrożenia, w których - ze względu na przekroczenie wielkości progowych tych efektów - powstają zniszczenia wśród znajdujących się tam ludzi i obiektów. Powstają w ten sposób kolejne uwolnienia substancji niebezpiecznych do otoczenia, tworząc kaskadę zdarzeń domina. Ze względu na mechanizm powstawania, można wyróżnić dwa rodzaje efektów domina: powstające w sposób bezpośredni na skutek oddziaływania pierwotnego zdarzenia katastroficznego i powstające w sposób pośredni, eskalacyjny, tj. rozwijające się od małego zdarzenia inicjującego (np. mały przeciek na uszczelnieniu pompy) aż do pełnego zdarzenia katastroficznego. Ogólny schemat powstawania efektów domina przedstawia rys. 1.

Zjawisko domina zależy od wielu różnych czynników, spośród których najważniejsze to: rodzaj urządzenia pierwotnego, rodzaj i ilości substancji niebezpiecznych, warunki operacyjne procesu (ciśnienie i temperatura), rodzaj i wrażliwości urządzeń znajdujących się w strefie zagrożenia, odległości między aparatami i urządzeniami procesowymi, warunki propagacji efektów fizycznych.

Pierwsze czynniki mają wpływ na długość strefy zagrożenia, a więc na zasięg efektu fizycznego, który jest zdolny spowodować zniszczenie instalacji wtórnej i powodować kolejne uwolnienie substancji niebezpiecznej. Natomiast ostatnie dwa czynniki są ściśle związane z pierwszym, gdyż skutki oddziaływania efektu fizycznego zależą właśnie od odległości. Istnieje jednak pewna odległość, zwana odległością krytyczną, na której poszczególne efekty fizyczne są w stanie wywołać całkowite zniszczenie urządzeń i obiektów. Wielkości te zwane krytycznymi wielkościami progowymi wynoszą odpowiednio:

- dla promieniowania cieplnego: 37,5 kW/m2,

- dla nadciśnienia: 45 kPa,

- dla odłamkowania nie ma określonych wielkości progowych, gdyż jest to wielkość bardzo złożona, na którą składają się różne czynniki, np.: konstrukcja i wytrzymałość pojemników procesowych, warunki fizyczne przed uwolnieniem danej substancji, pasywne środki bezpieczeństwa, np. ściany przeciwwybuchowe, wielkość i energia odłamków, kierunkowe strefy rażenia itp.

Metodologia

Stworzenie metodologii służącej do obliczania ryzyka indywidualnego i grupowego, uwzględniającej przy tym wpływ efektów domina, pozwoli na uzyskanie racjonalnych informacji związanych z wyznaczaniem koniecznych stref bezpieczeństwa między sąsiadującymi instalacjami a społecznością oraz informacji, jak chronić przed efektami domina obiekty znajdujące się na tym samym obszarze. Opracowana metodologia ma charakter skomplikowanej sekwencji analiz oraz obliczeń i obejmuje następujące kroki:

1. Identyfikację reprezentatywnych zdarzeń wypadkowych (RZW) dla instalacji pierwotnej.

2. Obliczenie stref zagrożeń związanych z promieniowaniem cieplnym, nadciśnieniem, zasięgiem odłamkowania dla każdego zdarzenia RZW i ustalenie odległości, przy której przekraczane są krytyczne wielkości progowe tych parametrów.

3. Ustalenie obiektów wtórnych znajdujących się w strefie zagrożeń oraz identyfikacja zdarzeń domina dla tych obiektów (RZW_ED).

4. Określenie prawdopodobieństw występowania zdarzeń RZW.

5. Określenie częstości występowania zdarzeń domina F(RZW/ED) za pomocą następującej zależności:

gdzie:
- F(RZW) jest częstością występowania zdarzeń wypadkowych,
- P(RZW/ED) jest prawdopodobieństwem warunkowym, że dane zdarzenie wypadkowe RZW, a dokładniej poszczególne efekty fizyczne wywołane tym zdarzeniem, spowodują efekt domina.

Wartość F(RZW) wyznacza się w oparciu o analizę niezawodności danej instalacji lub też o tzw. dane generyczne, uzyskiwane z różnych baz danych. Tabela 1 podaje wybrane dane generyczne dla zbiorników i rurociągów.

6. Obliczenie wskaźników ryzyka indywidualnego i grupowego dla sumarycznej listy zdarzeń reprezentatywnych (RZW) oraz zdarzeń domina RZW_ED.

Przypadek studialny

W celu zaprezentowania opracowanej metodologii poddano analizie typową instalację magazynową skroplonego izobutanu, składającą się z 3 zbiorników kulistych, każdy o objętości 300 m3, systemu pomp, wymiennika i odpowiednich rurociągów łączących.

W najbliższym otoczeniu instalacji, w odległości 34 metrów znajdują się 2 zbiorniki cylindryczne benzyny z dachem pływającym o objętości 2000 m3 każdy, w odległości 44 metrów sterownia oraz instalacja produkcyjna. Bezpośrednie źródła zapłonu to piec flaszkowy znajdujący się w odległości ok. 140 metrów oraz ruch samochodowy na drogach wewnętrznych. Instalacja wyposażona jest w systemy bezpieczeństwa i ochrony sklasyfikowane w trzy warstwy zabezpieczeń, z których każda posiada określony poziom redukcji ryzyka (systemy zapobiegawcze, ochronne i przeciwdziałania). Rozmieszczenie aparatów i urządzeń na tej instalacji przedstawia rys. 2.

W celu identyfikacji reprezentatywnych zdarzeń wypadkowych zebrano dane historyczne oraz dokonano wstępnej analizy zagrożeń, która pozwoliła zidentyfikować 17 zdarzeń wypadkowych. Po oszacowaniu ryzyka i zgrupowaniu podobnych zdarzeń uzyskano 3 charakteryzujące się co najwyżej tolerowanym poziomem ryzyka. Przyjmując dwa typowe rodzaje rozszczelnień (pęknięcie, przeciek) uzyskano 6 zdarzeń RZW, które mogą być nazywane scenariuszami awaryjnymi:

1. RZW1 - pęknięcie zbiornika magazynowego wskutek urwania dolnego króćca i jego wybuch BLEVE*,

2. RZW2 - przeciek na ściance zbiornika (d = 25 mm) lub na przyłączach wskutek przepełnienia, nadciśnienia lub osłabienia wytrzymałości ścianki,

3. RZW3 - pęknięcie rurociągu transportowego (d = 200 mm, L = 50 m) między zbiornikiem a pompą,

4. RZW4 - przeciek rurociągu transportowego (d = 60 mm przekroju, L = 50 m) między zbiornikiem a pompą,

5. RZW5 - pęknięcie korpusu pompy,

6. RZW6 - przeciek na uszczelnieniu pompy.

Szczególne zagrożenie i tym samym wpływ na możliwość powstawania zdarzeń domina stanowi zdarzenie RZW1. Obliczenia efektów fizycznych i skutków wykonano przy pomocy oprogramowania Phast 6.02, natomiast obliczenia ryzyka indywidualnego i grupowego za pomocą oprogramowania Safeti Micro 5.31. Wyniki obliczeń wskazały, że w zasięgu krytycznych stref zagrożeń zdarzeń RZW znajdują się wszystkie wymienione obiekty instalacji. W dalszych obliczeniach uwzględniono dodatkowo zdarzenia wypadkowe RZW_ED, które mogą powstawać wskutek efektu domino. Zakłada się, że będą miały one charakter katastroficzny. Wytypowano szereg zdarzeń domino, z których najistotniejsze to:

1. RZW_ED7 - pęknięcie sąsiedniego zbiornika izobutanu znajdującego się na tej samej tacy i jego wybuch BLEVE,

2. RZW_ED8 - pęknięcie zbiornika cylindrycznego alkilatu i jego pożar,

3. RZW_ED9 - pęknięcie rurociągu transportowego alkilatu.

Obliczenia ryzyka indywidualnego i grupowego wykonano dla szeregu wariantów obliczeniowych (5 wariantów dla 2 przypadków). Pierwszy przypadek zakładał, że efekty domina powstają wskutek zdarzenia RZW1, natomiast drugi, że powstają wskutek pęknięcia rurociągu - RZW3 i pęknięcia korpusu pompy - RZW5. Wariant 1 był to wariant podstawowy, na który składały się zdarzenia pierwotne RZW1-6, natomiast pozostałe 3 warianty powstały przez dodawanie kolejnych zdarzeń domino RZW_ED7-9. Ostatni piąty wariant polegał na eliminacji zdarzenia wypadkowego RZW1. Zestawienie tych wariantów przedstawia tabela 2.

Wyniki obliczeń dla poszczególnych wariantów i ich porównanie względem wariantu 1 bazowego (nieuwzględniającego efektów domina) wykazują, że uwzględnienie wszystkich efektów domina daje wzrost wskaźnika ogólnego ryzyka o 32% (dla przypadku I) i o 152% (dla przypadku II). Eliminacja głównego zdarzenia RZW1 w wariancie 5 obniżyła ryzyko ogólne o 37%.

Wyniki obliczeń ryzyka indywidualnego zestawiono w formie zależności bezwzględnej ryzyka od odległości (przykładowy wykres dla przypadku II przedstawia rys. 3).

Jak widać, akceptowany poziom, tzn. 1E-06 1/rok, ryzyka osiągany jest dopiero na odległości 300-400 m.

Wyniki ryzyka grupowego (rys. 4 dla przypadku II) pokazują, że ryzyko wykracza poza obszar tolerowany w większości przypadków. Najkorzystniejsze wyniki, podobnie jak dla ryzyka indywidualnego, daje piąty wariant obliczeniowy, który zakłada eliminację zdarzenia RZW1 (wybuchu BLEVE), jako rezultat zastosowania rozwiązania eliminującego możliwość powstawania rozlewiska pod zbiornikiem poprzez pochylenie tacy podzbiornikowej i odprowadzenie z niej uwolnionej substancji (rys. 5).

Wnioski

Powstawanie efektów domina w instalacjach procesowych podlegających pod Dyrektywę Seveso 2, bez względu na mechanizm występowania, zależy od odległości między instalacjami procesowymi i wielkości efektu fizycznego, powstającego wskutek katastroficznego uwolnienia substancji z instalacji pierwotnej.

Szczególne trudności w obliczaniu zdarzeń typu domino związane są z obliczeniem prawdopodobieństw warunkowych, określających, że dane zdarzenie RZW jest w stanie wywołać zdarzenie domino RZW_ED. Obliczenia dla modelowej instalacji procesowej wykazały że:

- uwzględnienie efektów domina posiada istotny wpływ na wskaźniki ryzyka; najwyższy wskaźnik ryzyka osiągnięto przy uwzględnieniu wszystkich możliwych zdarzeń RZW i RZW_ED, które powodują uzyskiwanie wskaźników ryzyka na poziomie nieakceptowanym,

- wskaźniki ryzyka mogą być istotnie zmniejszone przez zastosowanie określonych środków kontroli ryzyka, które są w stanie wyeliminować zdarzenia RZW odpowiedzialne za powstawanie efektów domina.

mgr inż. Dariusz Jabłoński
dr inż. Adam Markowski
Politechnika Łódzka

BLEVE - wybuch pary z wrzącej cieczy

Dodaj swój komentarz

Lech Forowicz: Profesjonalne opracowanie, przydatne w analizie ryzyka. Pozdrawiam. (2010-01-01)

Dodaj swój komentarz