Wybrane aspekty bezpieczeństwa procesowego 3

Transkrypt

1 Jacek Caban 1, Andrzej Marczuk 2 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Wybrane aspekty bezpieczeństwa procesowego 3 Wstęp Współczesny świat niesie coraz to nowe i bardziej złożone zagrożenia, które wymagają wysokiej specjalizacji służb ratowania, zapobiegania i zwalczania ich skutków ale też zaawansowania technicznych systemów bezpieczeństwa. Jednym z istotnych aktualnie zagrożeń jest bez wątpienia zagrożenie chemiczne związane z niepożądanym kontaktem ludzi z niebezpiecznymi dla ich zdrowia i/lub życia substancjami chemicznymi [12]. Substancje te występują przede wszystkim w przemyśle i są wykorzystywane w procesach technologicznych. Niepożądane działanie substancji chemicznych stanowi poważne i trudne do standardowego opanowania zagrożenie dla życia i zdrowia człowieka, ponadto może mieć charakter mnogi lub nawet masowy [12]. Sytuacje awaryjne jako najbardziej powszechny rodzaj zagrożeń cywilnych mogą spowodować skomplikowane problemy ekologiczne, mające bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo życia ludzkiego, jego mienia i środowiska [2]. Ich usuwanie będzie wymagać szerokiej wiedzy z różnych dyscyplin technicznych i teoretycznych dających podstawy do poszukiwań coraz skuteczniejszych metod ich rozwiązywania [10]. Funkcjonowanie systemów technicznych mimo intensywnego rozwoju postępu różnych dyscyplin naukowych ściśle połączone jest z człowiekiem [11]. Człowiek w eksploatacji obiektu technicznego pełni funkcję jego operatora. Rola operatora w obiektach podwyższonego ryzyka ma bardzo istotne znaczenie, zwłaszcza w sytuacjach alarmowych w kontekście możliwości przywrócenia przez operatora obiektu do stanu normalnego [6]. Błędy ludzkie są jedną z najczęstszych przyczyn awarii systemów technicznych. Obecnie szacuje się, że ok. 80% wypadków technicznych, które można przypisać właśnie błędowi ludzkiemu, powstaje na skutek niewłaściwych decyzji człowieka [3]. Występowanie sytuacji kryzysowych stwarza zapotrzebowanie na budowę systemów bezpieczeństwa, których celem jest [5]: Zapobieganie sytuacjom kryzysowym, Przeciwdziałanie sytuacjom kryzysowym, Przeciwdziałanie skutkom sytuacji kryzysowych. Według Jaźwińskiego i współautorów [5] systemy bezpieczeństwa można podzielić co najmniej na trzy grupy: systemy zabezpieczające przyporządkowane do obiektu zabezpieczającego, systemy przyporządkowane do zbioru obiektów zabezpieczanych, systemy organizujące się w trakcie wystąpienia zagrożenia (sytuacji kryzysowej), które w odróżnieniu od dwóch pierwszych grup nazywamy nadążnymi systemami bezpieczeństwa. Tak zwane przyrządowe systemy bezpieczeństwa były znane i są ciągle stosowane w celu wykonywania przyrządowych funkcji bezpieczeństwa w przemysłach procesowych, m.in., w przemyśle chemicznym czy spożywczym. Bezpieczeństwo funkcjonalne pełni jedną z kluczowych ról w procesie zarządzania bezpieczeństwem w cyklu życia systemu technicznego i dotyczy właściwego projektowania oraz późniejszego utrzymywania systemów technicznych związanych z bezpieczeństwem [1]. W przemyśle pro- 1 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Maszyn Rolniczych i Transportowych, Lublin, ul. Głęboka 28, j.caban@pollub.pl 2 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Maszyn Rolniczych i Transportowych, Lublin, ul. Głęboka 28, andrzej.marczuk@up.lublin.pl 3 Artykuł recenzowany 711

2 cesowym funkcje te nazywa się przyrządową funkcją bezpieczeństwa SIF (ang. safety instrumented functions), a systemy te określa się mianem przyrządowych systemów bezpieczeństwa SIS (ang. safety instrumented system). W artykule zawarto wybrane zagadnienia dotyczące zarządzania bezpieczeństwem funkcjonalnym instalacji procesowej w obiektach przemysłowych. Przedstawiono strukturę systemu zabezpieczeń, podstawową architekturę systemu zabezpieczeń oraz zagadnienia związane z ryzykiem i jego oceną w procesach przemysłowych. Zarządzanie bezpieczeństwem funkcjonalnym Bezpieczeństwo pracy instalacji przemysłowej w sektorze przemysłu chemicznego, petrochemicznego, gazownictwa czy energetyki jest nierozerwalnie związane z właściwym jej zarządzaniem i eksploatacją przez człowieka, jako organu nadzorującego i wykonawczego [8]. Analizując system bezpieczeństwa funkcjonalnego należy zdefiniować podstawowe pojęcia jak, cykl życia bezpieczeństwa funkcjonalnego oraz poziom nienaruszalności bezpieczeństwa SIL. Zatem cykl życia bezpieczeństwa funkcjonalnego, można zdefiniować jako czynności konieczne do zaimplementowania przyrządowej funkcji bezpieczeństwa, występujące w przedziale czasu jaki rozpoczyna się od fazy koncepcji projektu i kończy się, gdy wszystkie funkcje bezpieczeństwa nie są dostępne do użycia. Natomiast poziom nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL) poziom dyskretny (jeden z czterech) do wyszczególnienia wymagań nienaruszalności bezpieczeństwa przyrządowych funkcji bezpieczeństwa, które powinny być przypisane przyrządowym systemom bezpieczeństwa. Celem zarządzania bezpieczeństwem funkcjonalnym jest identyfikacja czynności, środków do wyznaczenia bezpieczeństwa, zastosowanie systemów przyrządowych i określenie odpowiedzialnych za wykonanie i przegląd cyklu życia bezpieczeństwa osób w wydziale przedsiębiorstwa. Ważną kwestią są kompetencje odpowiedzialnych osób w zakresie wiedzy inżynierskiej dotyczącej procesów i technologii używanych w danym przedsiębiorstwie, z zakresu wymagań prawnych i przepisów bezpieczeństwa, umiejętności kierowniczych oraz przewidywanie potencjalnych konsekwencji zagrożeń. W systemie zarządzania musi być określone planowanie bezpieczeństwa oraz wdrożenie procedur postępowania dla przyrządowego systemu bezpieczeństwa. W tym celu można posłużyć się: oceną zagrożeń i ryzyka, audytem, czynności weryfikacyjnych i walidacyjnych analizą zaistniałych zdarzeń i wypadków. W przypadku planowania bezpieczeństwa funkcjonalnego należy określić etapy, w których będzie dokonana ocena w cyklu życia bezpieczeństwa. Norma PN-EN [13] określa 5 takich etapów. Etap 1 po wykonaniu oceny zagrożeń i ryzyka (identyfikacja wymaganej warstwy zabezpieczeń i specyfikacja bezpieczeństwa). Etap 2 po zaprojektowaniu przyrządowego systemu bezpieczeństwa. Etap 3 po instalacji, odbiorze wstępnym, końcowej walidacji przyrządowego systemu bezpieczeństwa i czy opracowano procedury pracy i obsługi urządzeń. Etap 4 po zdobyciu doświadczenia w pracy i obsłudze urządzeń. Etap 5 po modyfikacji i przed wyłączeniem z eksploatacji przyrządowego systemu bezpieczeństwa. Ocenę bezpieczeństwa funkcjonalnego należy wykonać w celu upewnienia się, że zagrożenia wynikające z danego procesu i wyposażenia oraz aparatury są właściwie kontrolowane i spełniają wymagany minimalny poziom bezpieczeństwa. Wyniki takiej oceny powinny być dostępne łącznie z zaleceniami jakie w wyniku tej oceny określił zespół oceniający. Na rysunku 1 przedstawiono fazy cyklu życia bezpieczeństwa SIS z zaznaczonymi etapami oceny bezpieczeństwa funkcjonalnego. 712

3 Rys. 1. Fazy cyklu życia bezpieczeństwa SIS oraz etapy oceny, Źródło: na podstawie [13] Każda faza cyklu życia bezpieczeństwa powinna być zdefiniowana w kategoriach jej danych wejściowych, danych wyjściowych i czynności weryfikacyjnych [13], tak jak zostało to przedstawione na rysunku 1. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy schemat architektury SIS z uwzględnieniem przyrządowej funkcji bezpieczeństwa z różnymi urządzeniami w ramach procesu. Rys. 2. Schemat przykładowej architektury SIS w instalacji procesowej 713

4 W instalacji procesowej znajduje się system przyrządowej funkcji bezpieczeństwa skonfigurowany z dowolnej kombinacji czujników, układów logicznych oraz elementy końcowe, wykonawcze. Przedstawiony system może zawierać zarówno funkcje sterownicze jak i przyrządowe. Aby zastosować skutecznie systemy przyrządowych funkcji bezpieczeństwa wymagane jest spełnienie odpowiednich standardów ochrony i niezawodności. Wymagany poziom bezpieczeństwa najlepiej jest osiągnąć już na etapie projektowania danego procesu. Umożliwia to połączenie z systemem lub systemami zabezpieczającymi identyfikującymi ryzyka resztkowe. Dla realizacji tych celów systemy zabezpieczające mogą wykorzystywać techniki: mechaniczne, chemiczne, hydrauliczne i pneumatyczne, układy elektroniczne oraz automatyki i sterowania. W celu ułatwienia tego podejścia norma PN-EN [13] określa: przeprowadzanie oceny zagrożeń i ryzyka w celu zidentyfikowania całkowitych wymagań bezpieczeństwa, wymagania przypisane bezpieczeństwu przyrządowemu systemowi bezpieczeństwa, schemat, który może być dostosowany do wszystkich metod przyrządowych uzyskiwania bezpieczeństwa funkcjonalnego, zastosowanie określonych czynności, np.: zarządzanie bezpieczeństwem, które mogą być zastosowane do wszystkich metod osiągnięcia bezpieczeństwa funkcjonalnego. Zagrożenia i ryzyka procesu Zagrożenia bezpieczeństwa jakie mogą wystąpić w procesie są uzależnione od rodzaju wykonywanego procesu i danej technologii. Ryzyko w przedsiębiorstwie związane jest z pojęciem zarządzania ryzykiem, które oznacza działania zmierzające do ograniczenia ryzyka i zabezpieczenia przed jego skutkami (np. awarią). Kluczowymi w procesie zarządzania ryzykiem jest identyfikacja zagrożeń (niebezpieczeństwa, które mogą utrudnić osiągnięcie celu procesu technologicznego) i klasyfikacja ryzyka. Ocena możliwości powstania sytuacji zagrożenia i zdarzeń awaryjnych ma szczególne znaczenie w obiektach i systemach tzw. infrastruktury krytycznej, przy czym wspomniane działania intencyjne mogą być zainicjowane wewnątrz obiektu lub z zewnątrz [7]. Działania takie dotyczą również stosowanych obecnie szeroko technologii i systemów programowalnych, w tym systemów sterowania i zabezpieczeń [7]. Podstawowe warstwy zmniejszania ryzyka spotykane w instalacjach dla przemysłu procesowego przedstawiono na rysunku 3. W instalacjach procesowych metody zmniejszania ryzyka można uzyskać stosując na przykład warstwy zabezpieczeniowe przedstawione schematycznie na rysunku 3. Wyróżnić w niech można następujące warstwy: instalację procesową, podstawowy system sterowania procesem BPCS (ang. Basic Process Control System), system monitorowania procesu, system alarmowy oraz działania operatora, z funkcjami diagnostycznymi i wspomagającymi interwencje po stronie operatorów, działanie przyrządowych systemów bezpieczeństwa SIS, który może pełnić funkcję wyłączania awaryjnego, system zabezpieczeń inżynieryjnych, w których można wyróżnić mechaniczne systemy ograniczające skutki awarii (zawory bezpieczeństwa, kurtyny, bariery ochronne, obudowy itp.), procedury awaryjne w przedsiębiorstwie przemysłu procesowego. W analizie warstwowego systemu zabezpieczeniowego korzysta się często z metody ryzyka LOPA (ang. Layer of Protection Analysis) [9], przy czym dana funkcja bezpieczeństwa nie będzie w pełni wypełniona, jeśli zawiodą wszystkie elementy składowe rozważanej warstwy [7]. Poziomy nienaruszalności bezpieczeństwa przyrządowej funkcji bezpieczeństwa SIL przedstawiono w tabeli

5 Rys. 3. Warstwy zabezpieczeniowe w instalacji procesowej Tab. 1. Poziomy nienaruszalności bezpieczeństwa, Źródło: na podstawie [7, 13] Poziom nienaruszalności bezpieczeństwa SIL Prawdopodobieństwo niewypełnienia funkcji na przywołanie (LDM) Prawdopodobieństwo uszkodzenia niebezpiecznego na godzinę (HDM) 4 od 10-5 do < 10-4 od 10-9 do < od 10-4 do < 10-3 od 10-8 do < od 10-3 do < 10-2 od 10-7 do < od 10-2 do < 10-1 od 10-6 do < 10-5 Wymagany poziom nienaruszalności SIL powinien być wyprowadzony dla wymaganego zmniejszenia poziomu ryzyka dla danej funkcji. Klasyfikacja ryzyka jest próbą jego uporządkowania w zależności od prawdopodobieństwa i skutków. Określenie, pomiar ryzyka polega na przypisaniu rodzajom ryzyka wartości liczbowych zgodnie z klasyfikacją tego zjawiska w danym procesie. Podsumowanie Identyfikacja i wizualizacja bezpieczeństwa procesowego nie jest celem samym w sobie ale ma stanowić punkt wyjścia do działań zmierzających do poprawy funkcjonowania danego procesu technologicznego, poprawy efektywności w obszarze zapewnienia bezpieczeństwa tychże procesów oraz nadzorowanie wykorzystywanych systemów zabezpieczeń w przedsiębiorstwie. Proces kultury organizacji bezpieczeństwa w przedsiębiorstwie dobrze charakteryzują informacje zawarte w tabeli

6 Tab. 2. Poziomy organizacji bezpieczeństwa w przedsiębiorstwie Źródło: [4] l.p. Zarządzanie Wykonanie Efekt 1 Wyraźnie określona polityka bezpieczeństwa Sformułowanie oczekiwania Zawodowe zachowanie 2 Określone role węzłowe Zaangażowanie osobiste Działanie autorytetem 3 Zarządzanie efektywnością/osiągnięciami 4 Zarządzanie przydatnością personelu Nadzór Angażowanie personelu Przestrzeganie procedur Praca zespołowa 5 Zarządzanie wyposażeniem Dwustronne komunikowanie Przydatny i sprawny sprzęt 6 Plany awaryjne Wkład własny twórczy i krytyczny Doskonalenie osiągnięć 7 Rozwój treningiem Uczestnictwo, test Sprawność, czujność 8 Zarządzanie informacją zwrotną Przepływ i przetwarzanie Doskonalenie, angażowanie 9 Zapewnienie jakości Strukturyzacja, dokumentacja, weryfikacja Sygnatura jakości Dla bezpieczeństwa procesu bardzo ważne określenie procedur mających na celu jak najszybsze i najefektywniejsze zdefiniowanie miejsc awarii, ich przyczyn i możliwości ich minimalizowania bądź zupełnego eliminowania za pomocą dostępnych środków zabezpieczenia funkcjonalnego. Działania zmierzające do ograniczenia ryzyka wymagają poniesienia kosztów, jednak może przynieść ogromne korzyści dla przedsiębiorstwa. Zarządzanie bezpieczeństwem procesowym wymaga olbrzymiej wiedzy i doświadczenia inżynierskiego, a w związku z tym odpowiednich przygotowań [8]. Streszczenie W procesie eksploatacji instalacji procesowych w obiektach przemysłowych nadrzędne funkcje bezpieczeństwa pełni człowiek operator. Szczególnie ważne jest podejmowanie trafnych decyzji w sytuacji awaryjnej, w której popełnione błędy mogą mieć ogromne konsekwencje. Aby zminimalizować ryzyko wystąpienia tych strat człowieka wspomagają odpowiednie rozwiązania techniczne w postaci wielowarstwowego systemu zabezpieczeń, oraz systemy sterowania i automatycznego nadzorowania procesów. W artykule zawarto przegląd wybranych zagadnień z zakresu zarządzania bezpieczeństwem funkcjonalnym instalacji procesowej oraz system zabezpieczeń w obiektach przemysłowych. Słowa kluczowe: bezpieczeństwo procesowe, bezpieczeństwo funkcjonalne, cykl życia bezpieczeństwa Chosen aspects of process safety Abstract In the process of operation of the installation process in industrial facilities the overriding safety functions are performed by a human operator. It is particularly important to make good decisions in an emergency situation in which mistakes can have huge consequences. To minimize the risk of these losses the man is supported by appropriate technical solutions in the form of multi-layered security and control 716

7 system, as well as automatic process supervision. The article provides an overview of selected issues of functional safety management system and process security system in industrial facilities. Keywords: process safety, functional safety, life cycle of safety LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Barnert T., Bezpieczeństwo funkcjonalne: określanie wymaganego poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa SIL. Magazyn Ex, bezpieczeństwo w strefach zagrożonych wybuchem, 2013 nr 1. [2]. Biniak-Pieróg M., Zamiar Z., Organizacja systemów ratownictwa. UWP, Wrocław [3]. Dhillon B.S., Human Reliability, Error, and Human Factors in Engineering Maintenance with Reference to Aviation and Power Generation. CRC Press [4]. Górniak L., Obolewicz A., Młynarczyk M., Ogólne bezpieczeństwo chemiczne w gospodarce. Rola przedsiębiorstw i instytucji państwa w redukcji zagrożeń chemicznych, biologicznych, radiacyjnych i jądrowych. Przemysł Chemiczny 2014 nr 11 (93), s [5]. Jaźwiński J., Żurek J., Kowalczyk G., Smalko Z., Analiza nadążnych systemów stowarzyszonych z punktu widzenia bezpieczeństwa. Problemy Eksploatacji 2005, nr 3, s [6]. Kacprzak P., Layer of protection analysis in industrial hazardous installations. Summer Safety and Reliability Seminars SSARS 2011, Gdańsk-Sopot, s [7]. Kosmowski K.T., Czynniki ludzkie i analiza bezpieczeństwa funkcjonalnego. Summer Safety and Reliability Seminars SSARS 2011, Gdańsk-Sopot, s [8]. Kozak A., Bezpieczeństwo procesowe w obiektach przemysłowych. Budownictwo i inżynieria Środowiska 2011 nr 2. S [9]. LOPA, Layer of Protection Analysis, Simplified Process Risk Assessment. American Institute of Chemical Engineers, Center for Chemical Process Safety, New York [10]. Ranecki R., Ratownictwo chemiczno-ekologiczne. Szkoła Aspirantów PSP, Warszawa [11]. Szymura E., Zimoch I., Niezawodności operatora w szacowaniu ryzyka eksploatacji systemów przemysłowych. Przemysł Chemiczny 2014, nr 1, s. [12]. Węsierski T., Gałązkowski R., Zboina J., Działania ratownicze w przypadku zagrożenia chemicznego. Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza 2013, Vol. 29 Issue 1, s [13]. Polska Norma PN-EN , Bezpieczeństwo funkcjonalne. Przyrządowe systemy bezpieczeństwa do sektora przemysłu procesowego, Część 1. PKN, Warszawa

8 718