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Ratei di guasto: un (possibile) impiego per un mondo più SIL

Fiera Ambiente lavoroBologna


Workshop Atex Forum

23 Ottobre 2014

Ratei di guasto: un (possibile) impiego per un mondo più SIL 2

Punto di partenza: Classificare oggi

La Classificazione dei luoghi con pericolo di esplosione (CLPE) è oggi di tipo convenzionale/semi-quantitativo:

� tassi di guasto?

� tassi di guasto vs fori di guasto?

� tassi di rilascio?

� evoluzione dei guasti?

� sovrapposizione spazio-temporale delle zone pericolose?

� CLPE vs “grado di sicurezza equivalente”?

� progettazione dei prodotti? (tabù)

� rischi di esplosione?

� …

CLPE “di prodotto”


CLPE “di prodotto”

Applicazione atipica della CLPE è la determinazione delle ZP in ambito industriale per la progettazione e realizzazione dei prodotti, macchine, impianti, ecc., dove servono determinazioni “chirurgiche” delle zone pericolose e metodi di valutazione del grado di sicurezza equivalente (ibridazione della CLPE)


“Sistema” industriale di studio

Sezione di un impianto di miscelazione e regolazione fluidi

Gas

naturale

Ossigeno

Aria

compressa

strumentale


Schema del “Sistema”


Condizioni operative del “Sistema”

Sostanza Temperatura di esercizio[°C]

Pressione relativa nominale(ingresso)

pn

[bar]

Pressione relativa nominale(uscite)

pn

[bar]

Gas naturale -10÷50 2,51,50,50,1

Nota 1 Si considerano i seguenti livelli di pressione:AP (alta pressione) per 2,5 e 1,5 bar, assumendo per i calcoli la pressione di 2,5 bar;MP (media pressione) per 0,5 bar;BP (bassa pressione) per 0,1 bar.Nota 2 Il gas naturale considerato ha massa molare M = 17,77 kg/kmole, temperaturadi infiammabilità Ti < 0°C, temperatura di accensione Tacc = 482°C, limite inferiore di infiammabilità LELv = 4,43%,gruppo delle costruzioni elettriche e classe di temperatura IIAT1

Ambiente Tipo di ambiente

Temperatura ambiente

Ta

Pressione atmosferica

pa

Volume libero

dell’ambiente

Va

Ricambio d’aria

ambiente

Velocità dell’aria

wa

Fattore di efficacia

della ventilazione

fa

Disponibilità della

ventilazione

[K] ([°C]) [Pa] [m3] [1/h] [m/s]

Servizigenerali

Chiuso 313,15 (40) 101325 75000 0,25 0,05 1 Buona


Condizioni funzionali del “Sistema”

� processo interrompibile in qualsiasi momento� esercizio di 7200 ore effettive annue� flange di attacco di ingresso e uscita sollecitate a taglio e

torsione dalle tubazioni di impianto (funzionamento in condizioni avverse*)

� tenute in fibra compressa sulle flange� ispezioni di inizio/fine turno ogni 8 ore� intercettazione attraverso la valvola generale fuori orario di

lavoro

(*) Condizioni di funzionamento in presenza di sostanze (fluidi di processo) con impurità o condense , vibrazioni, ambienti aggressivi, eccetera


Esame del “Sistema”


Esame del “Sistema”

Flusso di ingresso/uscita

Attacco ingresso/uscita



AP (alta pressione)



AP (alta pressione)

MP (media pressione)



AP (alta pressione)

MP (media pressione)

BP (bassa pressione)


Sorgenti di emissione SE del “Sistema”

Parte non SE

SE

Numero SE


Caratterizzazione delle SE del “Sistema”n. Sorgente di emissione Grado

(o gradi)di

emissione

Pressionerelativa diemission

ep

Areadi

emissioneS

Fattore di efficacia

della ventilazione

della SEfSE

Temp. di

efflussoT

Tasso di guastoλ

[bar] [mm2] [°C] [guasto/h]

SE01 Flangia AP Secondo 2,5 2,5 3 20 1,53 · 10-5

SE02 Flangia MP Secondo 0,5 2,5 3 20 1,53 · 10-5

SE03 Flangia BP Secondo 0,1 2,5 3 20 1,53 · 10-5

SE04 Filettatura AP Secondo 2,5 0,25 3 20 5 · 10-8

SE05 Filettatura MP Secondo 0,5 0,25 3 20 5 · 10-8

SE06 Filettatura BP Secondo 0,1 0,25 3 20 5 · 10-8

SE07 Porta strumenti AP Secondo 2,5 0,25 3 20 4,38 · 10-6

SE08 Porta strumenti MP Secondo 0,5 0,25 3 20 4,38 · 10-6

SE09 Porta strumenti BP Secondo 0,1 0,25 3 20 4,38 · 10-6

SE10 Valvola AP Secondo 2,5 0,25 3 20 1 · 10-7

SE11 Valvola MP Secondo 0,5 0,25 3 20 1 · 10-7

SE12 Valvola BP Secondo 0,1 0,25 3 20 1 · 10-7

SE13 Regolatrice manuale Secondo 0,5 0,25 3 20 1,52 · 10-7

SE14 Regolatrice automatica Secondo 0,5 0,25 3 20 2,93 · 10-6

SE15 Riduttore AP Secondo 2,5 0,25 3 20 5 · 10-7

SE16 Riduttore MP Secondo 0,5 0,25 3 20 5 · 10-7

SE17 Filtro Secondo 0,5 0,25 3 20 9,9 · 10-7


“Fonti” della Caratterizzazione

� CEI 31-35

� IGEM/SR/25

� NPRD-95

� Faradip

� OREDA

� IEEE 500

� …

… imbarazzo della scelta


“Affidabilità” della Caratterizzazione

??

� tassi di guasto?

� fori di guasto?

� tassi di guasto vs fori di guasto?

� evoluzione dei guasti?

� vita utile dei componenti?


Metodo “tradizionale” di CLPE

Per la determinazione del tipo o tipi di zona pericolosa per la presenza di una atmosfera esplosiva (ZP), il metodo “tradizionale” di CLPE (norma CEI EN 60079-10-1, guida CEI 31-35, ecc.) assume un tasso di guasto “unitario” (almeno una emissione l’anno)



n. Sorgente di emissione Portata di emissione

Qg

Volume ipotetico

(pericoloso)Vz

Tempo di persistenza

zonatp

Distanzapericolosa

dz

Quota a Grado di ventilazione

Zona pericolosa

[g/s] [m3] [h] [m] [m]SE01 Flangia AP 1,27 9,95 0,13 0,8 1 Medio Zona 2 IIAT1SE02 Flangia MP 0,55 2,14 0,06 0,5 0,5 Medio Zona 2 IIAT1SE04 Filettatura AP 0,13 0,3 0,04 0,3 0,5 Medio Zona 2 IIAT1SE05 Filettatura MP 0,055 0,09 0,03 0,15 0,2 Medio Zona 2 IIAT1SE07 Porta strumenti AP 0,13 0,3 0,04 0,3 0,5 Medio Zona 2 IIAT1SE10 Valvola AP 0,13 0,3 0,04 0,3 0,5 Medio Zona 2 IIAT1SE11 Valvola MP 0,055 0,09 0,03 0,15 0,2 Medio Zona 2 IIAT1SE13 Regolatrice manuale 0,055 0,09 0,03 0,15 0,2 Medio Zona 2 IIAT1SE14 Regolatrice automatica 0,055 0,09 0,03 0,15 0,2 Medio Zona 2 IIAT1SE15 Riduttore AP 0,13 0,3 0,04 0,3 0,5 Medio Zona 2 IIAT1SE17 Filtro 0,055 0,09 0,03 0,15 0,2 Medio Zona 2 IIAT1

Per la determinazione del tipo o tipi di zona pericolosa per la presenza di una atmosfera esplosiva (ZP), il metodo “tradizionale” di CLPE (norma CEI EN 60079-10-1, guida CEI 31-35, ecc.) assume un tasso di guasto “unitario” (almeno una emissione l’anno)


Estensione delle ZP

Inviluppo SE

Zona 2 IIAT1

Parte non SE

SE

Numero SE


Metodo “probabilistico” di CLPE

Col metodo “probabilistico” di CLPE , il tipo o tipi di ZP si determinano sulla base dalla successione “nel tempo” (sovrapposizione) delle singole ZP associate alle SE secondo due tecniche di mappatura:

� calcolo “punto per punto” della probabilità di presenza dell’atmosfera esplosiva all’interno dell’inviluppo delle ZP

� calcolo “SE per SE” della probabilità di presenza dell’atmosfera

esplosiva di ogni ZP associata alla singola SE come risultante dalla sovrapposizione della ZP esaminata con le ZP concorrenti dovute alle altre SE presenti

18


Probabilità di presenza delle ZP

limiti della ZP

h/a

patmatex t

tP =

Patex probabilità di presenza di una atmosfera esplosiva in un anno (numero adimensionale inferiore o uguale all’unità)

tpatm tempo di presenza di una atmosfera esplosiva riferito al numero di ore annue th/a [h/a]

th/a numero di ore annue assunte (8760 o 10000) [h/a]Assunzione convenzionale


Tipo delle ZP

Zona pericolosaZP

Probabilità di presenza di una atmosfera esplosiva

Patex

Presenza di una atmosfera esplosiva

tpatm = Patex · th/a

Rischio di esplosione

Ratex

- [h/a] [1/a]

Zona 0 G Patex > 10-1 tpatm > 1000 > RT

Zona 1 G 10-1 ≥ Patex > 10-3 1000 ≥ tpatm > 10 > RT

Zona 2 G 10-3 ≥ Patex > 10-5 10 ≥ tpatm > 0,1 > RT

ZP NE Patex > 10-5 tpatm > 0,1 ≤ RT

ZP NP Patex ≤ 10-5 tpatm ≤ 0,1 ≤ RT

Nota 1 La lettera associata al tipo di ZP indica l’origine della ZP (notazione del tutto personale mutuata dalle marcature dellecostruzioni Ex): G per gas, D per polvere (dust), M per nebbia (mist), H per miscela ibrida (hybrid mixture).Nota 2 La sigla ZP NE (Negligible Extent) indica una ZP con effetti trascurabili dell’eventuale esplosione.Nota 3 La sigla ZP NP (Negligible Presence) indica una ZP con trascurabile probabilità di presenza in un anno e con effetti nontrascurabili dell’eventuale esplosione.Nota 4 I valori indicati nella colonna tpatm sono calcolati considerando th/a = 10 000 h/a.Nota 5 È interessante segnalare che nella guida IP15 il campo di variazione della Zona 2 è 10-3 ≥ Patex > 10-4.Nota 6 Il rischio Ratex è la combinazione di diversi fattori (probabilità di presenza Patex, probabilità di presenza di sorgenti diaccensione efficaci, probabilità di danno esposizione al pericolo, gravità del danno considerando anche i provvedimenti diprotezione adottati, ecc.) e in tabella si evidenzia - senza entrare nel dettaglio - la sua tollerabilità nel caso di danni trascurabili(ZP NE) o di probabilità di presenza Patex trascurabile.Nota 7 Il rischio tollerabile RT è il massimo valore di rischio tollerato annuo in caso di accensione di una atmosfera esplosiva convalori tipici 10-5 perdite/anno o 10-6 perdite/anno.


Calcolo “punto per punto” della Patex


Calcolo “SE per SE” della Patex

cλ coefficiente correttivo del tasso di guasto per calcolare l’effettivo contributo alla ZP in esame (numero adimensionale)

λ tasso di guasto per ora di esercizio (funzionamento) riferito al base annua di 10000 ore [guasto/h]

Nc numero delle SE concorrenti alla ZP in esame (numero adimensionale)

tes tempo effettivo di esercizio (funzionamento) della SE in un anno [h/a]

te tempo effettivo di emissione della SE in un anno [h/guasto]

tperm tempo effettivo di permanenza della ZP in esame [h/guasto]

tp tempo effettivo di persistenza della ZP in esame [h/guasto]

8760 numero di ore annue considerando 365 giorni in un anno [h/a]

( ) ( ) ( ) ( )2

h/aNc

1iippermeiesiii0pperme0es00

8760cncatex

tttttλttttλ λλP ⋅

++⋅⋅⋅⋅+++⋅⋅⋅= ∑

=

Fattore di normalizzazione dei tempi

tpatm dovuto alla SE in esame tpatm dovuto alle SE concorrenti


Coefficiente cλ

quota a

A

ZP dalle emissioni "limite"

˜

Pressione relativa di emissionep

[bar]

Emiangolo di emissioneα

(rad)

Coefficiente di riduzionecλ

(-)

≤ 3 π/4α/π

> 3 π/6


Hp di prima stima “SE per SE”

� guasti indipendenti e mutuamente esclusivi� SE complanari� SE “potenzialmente” concorrenti alla formazione della ZP in

esame “0” (quelle che soddisfano la seguente condizione)

d0j distanza tra la SE in esame “0” e una restante j-esima SE [m]quota a0 distanza pericolosa assunta per la SE in esame “0” [m]quota aj distanza pericolosa assunta per la j-esima SE [m]

j00j aquotaa quota +≤d

(condizione necessaria ma non sufficiente di intersezione delle ZP)


Effettiva intersezione delle ZP

Sì

No

SE che soddisfano la “condizione necessaria ma non sufficiente diintersezione delle ZP” ma le cui ZP non si intersecanonecessariamente


Sovrapposizione delle ZP

Inviluppo SE

Zona 2 IIAT1

Parte non SE

SE

Numero SE

ZP determinatadalla singolaemissione


Componente critico (prima stima)

Valvola diintercettazioneValvola disicurezza

SE

Numero SE

Valvola diintercettazione

Zona 2 IIAT1

AP

MP

BP

ContatoremassicoValvola diregolazione

Valvola diregolazioneValvola diintercettazioneValvola disicurezza

SE

Numero SE

Valvola diintercettazione

Zona 2 IIAT1

ContatoremassicoValvola diregolazione

Valvola diregolazione


Patex del componente critico (prima stima)n. SE Tasso di guasto

λ

[guasto/h]

Coefficiente correttivocλ

SE prossime

Tempo di persistenzatp

[h]

1 Flangia AP 1,53 · 10-5 0,25 8 0,13

2 Flangia MP 1,53 · 10-5 0,25 18 0,06

3 Flangia BP 1,53 · 10-5 0,25 1 0,06

4 Filettatura AP 5 · 10-8 0,25 4 0,04

5 Filettatura MP 5 · 10-8 0,25 27 0,03

6 Filettatura BP 5 · 10-8 0,25 5 0,03

7 Porta strumenti AP 4,38 · 10-6 0,25 2 0,04

8 Porta strumenti MP 4,38 · 10-6 0,25 5 0,03

9 Porta strumenti BP 4,38 · 10-6 0,25 1 0,03

10 Valvola AP 1 · 10-7 1 2 0,04

11 Valvola MP 1 · 10-7 1 11 0,03

12 Valvola BP 1 · 10-7 1 1 0,03

13 Regolatrice manuale 1,52 · 10-7 1 3 0,03

14 Regolatrice automatica 2,93 · 10-6 1 2 0,03

15 Riduttore AP 5 · 10-7 1 2 0,04

16 Riduttore MP 5 · 10-7 1 1 0,03

17 Filtro 9,9 · 10-7 0,25 0 0,03

( ) ( ) ( ) ( ))1010( 2Zona

108,98760

cnc

5atex

3

42

h/a17

1iippermeiesiii0pperme0es00atex

−−

−

=

>≥⇒

⋅=⋅

++⋅⋅⋅⋅+++⋅⋅⋅= ∑

P

tttttλttttλP

λλ

≈Zona 1


Hp di seconda stima “SE per SE”

� guasti indipendenti e mutuamente esclusivi� SE complanari� SE “effettivamente” concorrenti alla formazione della ZP in

esame “0” (quelle che soddisfano la “condizione necessaria ma

non sufficiente di intersezione delle ZP” precedentemente vista e le cui ZP si intersecano effettivamente)

Il componente SE05 rimane quello “critico”

ma

la Patex associata si riduce lievemente


Criticità del metodo “probabilistico”

� complessità di “mappatura”

� complessità di valutazione delle sovrapposizioni spaziali delle singole ZP

� disponibilità di tassi di guasto utili (loro adeguatezza agli scopi di CLPE e comparabilità dei dati tra le diverse banche dati)

ma ...


Componenti isolati

( ) ( ) ( ) ( )2

h/aNc

1iippermeiesiii0pperme0es00

8760cncatex

tttttλttttλ λλP ⋅

++⋅⋅⋅⋅+++⋅⋅⋅= ∑

=

tpatm dovuto alla SE in esame tpatm dovuto alle altre SE concorrenti


Giunzione flangiata isolata

Considerando una flangia con le medesime caratteristiche della SE01 del “Sistema” (flangia di alimentazione)

( )

( )

)1010( 2Zona101,3

8760

1000015,05,0872001053,10,25

8760c

5atex

35

25

2h/a

ppermeesatex

−−−

−

>≥⇒⋅=

=⋅++⋅⋅⋅⋅=

=⋅++⋅⋅⋅=

P

tttttλP λ


Giunzione filettata isolata

( )

( )

)10( NPZP101

8760

1000004,05,0872001080,25

8760c

5atex

7

28

2h/a

ppermeesatex

−−

−

<⇒⋅=

=⋅++⋅⋅⋅⋅=

=⋅++⋅⋅⋅=

P

tttttλP λ

Considerando una giunzione filettata con le medesime caratteristiche della SE04 del “Sistema” (giunzione sul circuito di alta pressione)


Densità tecnica

( )2

h/appermees

atex

8760c

tttttλ

PN

λ ⋅++⋅⋅⋅=

In un sistema più o meno omogeneo, dalla formula della Patex, è possibile ricavare il numero massimo di componenti in un dato spazio, per ottenere un certo tipo di ZP


… SIL?


Dagli “scenari”…

Emissione Accensione immediata nel campo vicino (*)

Accensione ritardata nel campo vicino

Accensione nel campo lontano (**)

Esplosione Effetto

Sì DardoEmissione

Sì EsplosioneSì

No No Dardo

Sì EsplosioneSì

No No Nessuna consequenza

No Inquinamento

(*) Spazio nell’intorno di una sorgente di emissione dove la concentrazione della sostanza infiammabileemessa dipende dalle caratteristiche della sostanza e di emissione (foro di emissione, regime di emissione,eccetera) e dalle condizioni di ventilazione locale.(**) Spazio distante dalla sorgente di emissione dove la concentrazione della sostanza infiammabile emessadipende dalle caratteristiche della sostanza, dalla sua portata di emissione e dalle condizioni di ventilazione


… alla sicurezza equivalente

Il passaggio ai metodi “probabilistici” diventa necessario per valutare il grado di sicurezza equivalente di un sistema per una visione complessiva degli eventi e una processo integrato di valutazione dei rischi, eventualmente estendendo i concetti di integrità della sicurezza SIL, PL & EPL oltre la sicurezza funzionale


Note d’uso

Studio di Consulenza dott. ing. Angelo Barberio

Opificium

Autore: Angelo Barberio

Oggetto: Ratei di guasto: un (possibile) impiego per un mondo più SIL

Anno presentazione: 2014

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