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• PaulBolañoOchoa

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4 MÉTODOS PARA LA EVALUACIÓN CUALITATIVA DE ALCANCES DE CONSECUENCIAS ACCIDENTALES 4.1 INTRODUCCION La evaluación cualitativa o mejor semicualitativa de los alcances de consecuencias de accidentes se basa normalmente sobre métodos simplificados de cálculo que contemplan la aceptación de criterios sencillos para la determinación de los tipos de accidentes posibles y sus alcances.

4.2 INDICES DE GRAVEDAD 4.2.1 Método UCSIP 4.2.1.1 Descripción El método UCSIP, que ya se comentó en el apartado correspondiente a los índices de frecuencias, permite calcular también unos índices de gravedad. De hecho, para definir los índices de frecuencias, también era necesario conocer estos índices de gravedad. En el método UCSIP, del cual conviene remarcar de nuevo que se reseña más por motivos históricos que por su uso que ha sido poco extenso, la gravedad de un suceso viene determinada por dos elementos, las consecuencias que de él se derivan y daño potencial que puede causar. Se utiliza una escala creciente de la gravedad, graduada en seis niveles: 

Nivel 0: Consecuencias nulas. Caracteriza los sucesos que ocurren normalmente durante el funcionamiento del sistema.



Nivel 1: Consecuencias menores. No hay pérdida sensible en la capacidad de la instalación, ni interrupción de la operación, ni heridas a personas, ni daños notables a los bienes o a las instalaciones.



Nivel 2: Consecuencias significativas. Hay pérdida significativa de la capacidad de la instalación, pudiendo representar la detención de la operación normal. No hay heridas a las personas ni daños notables al sistema o a los bienes. Este nivel implica riesgos muy limitados en alcance e importancia.



Nivel 3: Consecuencias críticas. Pueden haber heridas a las personas y/o daños notables al sistema o a los bienes. Este nivel comporta daños limitados a la unidad que incluye el sistema accidentado.



Nivel 4: Consecuencias catastróficas con efectos limitados a la instalación industrial. Hay destrucción del sistema o de los sistemas vecinos, y/o varios heridos, y/o varios muertos.



Nivel 5: Consecuencias críticas o catastróficas en las que los efectos sobrepasan los límites de la instalación industrial. Además de los descritos anteriormente, hay daños a las personas, a los bienes o a los sistemas exteriores a la instalación industrial.

La asignación del nivel de gravedad se basa sobre el empleo de un esquema lógico dividido en seis diagramas. El seguimiento del esquema proporciona, según las características del sistema al cual se aplica, las ecuaciones a utilizar para calcular las distintas consecuencias y los criterios para asignar NG según el efecto considerado. El valor de NG resultante es el máximo obtenido. Las ecuaciones o de correlaciones altas que recurre el método son simplificadas en sentido conservador o tendentes a sobreestimar las magnitudes. Esta fase de asignación del nivel de gravedad se articula en torno a cuatro puntos claves que se reseñan en la figura 4. 1.

FIGURA 4.1 METODO UCSIP. DETERMINACION DEL NIVEL DE GRAVEDAD

1.

CRITERIOS. La asignación del nivel de gravedad de un sistema depende básicamente de: o

la energía potencial del sistema

o

el alcance de los efectos asociados a un accidente.

Desde el punto de vista de la energía de un sistema el método adopta como patrón de referencia al equivalente energético de un sistema disipado en ondas de sobrepresión positiva resultante de una explosión no confinada (UVCE) (Unconfined Vapour Cloud Explosion). De ahí que no se consideran los sistemas con menos de 100 kg de hidrocarburos porque no existe, en la bibliografía especializada, casos históricos de accidentes graves registrados en estas condiciones. Sin embargo, se consideran dos excepciones: o

El producto presenta cierta toxicidad.

o

Para fragmentos, el nivel de energía letal adoptado es de 100 julios.

Desde el punto de vista del alcance de los efectos asociados a un accidente, el método considera tres tipos de daños: o

Riesgo letal.

o

Posibilidad de rotura de componentes, equipos o sistemas como consecuencia del accidente calculado.

o

Heridas y daños a los bienes.

Los umbrales que fija el método para cada uno de estos casos son los reseñados en el siguiente cuadro.

Consecuencia Riesgo letal Rotura de componentes equipos o sistemas Heridos o daños materiales

Sobrepresión Radiación térmica Impacto Toxicidad (bar) (kW/m ) J 0,7 23,25 102 (CTL)(1) 2

1,1

238

0,08

11,63

3,7.10

-5

VLE(2)

(2) VLE: Valor Limite de Explosión (mg m-3). El método establece 58 correlaciones o fórmulas para determinar distintos valores intermedios/finales del cálculo de consecuencias. 2.

DEFINICIÓN DE ACCIDENTES. La ocurrencia de fenómenos físicos no deseados (causas), conlleva efectos físicos (consecuencias) que pueden ocurrir solos o en combinación. El método considera como causas básicas de accidentes los cuatro siguientes casos:

o

Rotura de un sistema que transfiera un líquido a presión (en fase líquida, gas o bifásico). Engloba componentes como: bombas, compresores, válvulas, tuberías, etc.

o

Estallido de un equipo a presión (por sobrepresión o a la presión de servicio) Engloba componentes como columnas de fraccionamiento, reactores, etc.

o

Pérdida de confinamiento de un tanque/depósito. Engloba los de techo fijo, flotante, esferas, cilindros de GLP, etc.

o

Rotura de un equipo en rotación. Incluye acoplamientos, compresores alternativos, etc.

3.

Estos sucesos y consecuencias son los representados en la figura 4.2.

FIGURA 4.2 METODO UCSIP. DEFINICION DE LOS ACCIDENTES

4. 5.

En el caso de liberación de un fluido por pérdida de confinamiento (caso 3) los pasos sucesivos en el cálculo de consecuencias que conducen al accidente final a considerar son: o

Cálculo del caudal de derrame.

o

Según el estado del fluido se consideran tres casos: fase gaseosa, bifásica o líquida. a.

En el caso de una fuga en fase gas se produce un chorro libre. Si el producto es inflamable se puede producir la ignición inmediata y el consiguiente dardo de fuego con la radiación térmica asociada que condicionará el nivel de gravedad.

Si no se produce una ignición inmediata se forma una nube de gas que según las características del producto liberado puede dar lugar a: 

Efectos tóxicos



Desplazamiento y dispersión de la nube



Ignición retardada y no confinada (UVCE) con los efectos de bola de fuego y onda de choque asociada que condicionarían el nivel de gravedad

b.

En el caso de una fuga en fase bifásica el fenómeno a estudiar es la evaporación del charco y el estudio de la nube de gas generada sigue las mismas pautas que en el caso anterior.

c.

En el caso de fuga en fase líquida el charco líquido puede incendiarse si el producto es inflamable con el consiguiente efecto de flujo térmico. El tratamiento del gas evaporado sería el citado anteriormente.

En el caso de un estallido de un recinto bajo presión (casos 1 y 2) el efecto de BLEVE puede conducir a: formación de una bola de fuego, ondas de choque y producción de fragmentos que condicionarán el factor de gravedad. En el caso de rotura de componente en rotación (caso 4) el efecto considerado es el de producción de fragmentos. Las consecuencias finales que trata el método son:

o

a.

Toxicidad,

b.

Generación de proyectiles,

c.

Sobrepresión por onda de choque,

d.

Radiación térmica,

e.

Derrame de líquido,

f.

Dispersión de una nube de gas SELECCION DE HIPOTESIS que puedan conducir de forma conservadora a

la cuantificación de las consecuencias; a reducir el número de variables en las ecuaciones o correlaciones utilizadas; a establecer un procedimiento de cálculo fácilmente ejecutable con o sin medios informáticos.

Son las relativas al: 1. Entorno del sistema estudiado. 2. Desarrollo de los fenómenos físicos que conllevan determinados efectos físicos. 3. A la cuantificación de los efectos físicos. o

4. NORMALIZACION DE LOS DATOS DE ENTRADA relativos al emplazamiento, a los equipos, al producto y al caudal de fuga de partida. El método considera 9 tipos de equipos (tanque, depósito, bombas centrífugas....). Para cada uno de ellos el método tiene tipificado un procedimiento de cálculo del caudal de fuga.

4.2.1.2 Ambito de aplicación Este método encuentra su aplicación cuando no es necesaria una cuantificación detallada del alcance de la consecuencia del accidente. No permite, por lo tanto, dimensionar las zonas de intervención y alerta, aunque puede permitir fijar la categoría de los accidentes. 4.2.1.3 Recursos necesarios Es necesario disponer de la descripción completa del método y es preciso un cierto grado de experiencia en su aplicación. 4.2.1.4 Soportes informáticos UCSIP publica el método descrito en un soporte informatizado. 4.2.1.5 Ventajas/Inconvenientes Precisa una menor dedicación de tiempo que la cuantificación mediante modelos de cálculo internacionalmente reconocidos, aunque la diferencia de dedicación dificilmente justifica las simplificaciones que se realizan en el proceso de cálculo. Proporciona resultados excesivamente conservadores y no permite calcular unas distancias de afectación. 4.2.1.6 Ejemplos En la figura 4.3 se muestra, a modo de ejemplo, el diagrama lógico correspondiente al procedimiento de cálculo del método.

FIGURA 4.3 METODO UCSIP. ESQUEMA LOGICIO DE ASIGNACION DE NG

(1) Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion. (2) Confined Vapour Explosion.

Este diagrama presenta seis módulos de cálculo: 

Módulo de cálculo del caudal de fuga. Este módulo recibe la información relativa al producto, sistema o equipo. Con esta información determina según el tipo y sección de la rotura el caudal de fuga.



Módulo de cálculo del caudal después de la fuga. Este módulo según las características del producto determina: el caudal de gas que se evapora de forma instantánea por diferencia entre la temperatura de almacenamiento/proceso del producto y su punto de ebullición (flash); el arrastre de líquido que puede producirse en la evaporación instantánea (aerosol); el caudal de evaporación del charco formado y la cantidad de líquido residual en el charco.



Módulo principal. Este módulo define el equipo o sistema, da prioridad al cálculo de la toxicidad, calcula la energía del sistema, determina la dispersión de la nube e introduce los puntos de ignición. Por último, este módulo gobierna la ejecución de los restantes módulos.



Los módulos de cálculo propiamente dichos son los correspondientes a toxicidad, escape bifásico, fragmentos, ondas de choque y flujo térmico. Calculan los correspondientes efectos.

Por último, el módulo criterios compara los resultados obtenidos con la implantación (distancias del equipo al límite de la instalación u otro equipo). Se asigna el valor de NG y se procesa a continuación el equipo o sistema más crítico con respecto del estudiado (efecto dominó).

METODO DOW 5.2 Índices de DOW y MOND Si bien se han citado ya estos dos métodos en el apartado de identificación de riesgos, se pueden considerar como una metodología de análisis de riesgos ya que permiten una clasificación global de una instalación. No obstante, tal como se indica en el correspondiente apartado, constituye una metodología muy simplificada y somera. EL METODO INDICE DE DOW DE FUEGO Y EXPLOSION se desarrolla siguiendo las etapas que se comentan a continuación: a.

Dividir la planta química en estudio en «unidades de proceso» para cada una de las cuales se determinará su «Indice de Incendio y Explosión». El criterio básico de adopción para seleccionar estas unidades será, por un lado, el nivel de detalle pretendido en el estudio y, por otro, la homogeneidad necesaria que permita la aplicación correcta del método.

b.

Determinar el «Factor de Material» para cada Unidad. Este factor (FM) proporciona una medida de la intensidad de liberación de energía de una sustancia o mezcla de substancias.

c.

Evaluar los Factores de Riesgo Fl y F2: o

Factor de Riesgos Generales del Proceso (General Process Hazards) (F1),

o

Factor de Riesgos Especiales del Proceso (Special Process Hazards) (F2), considerando las condiciones generales de proceso (reacciones exotérmicas o endotérmicas, transporte de material, accesos inadecuados, etc.) y los riesgos específicos del proceso (producto tóxico, operación en vacío, operación dentro o cerca del rango de inflamabilidad, u otras).

d.

Calcular el «Factor de Riesgo» (F3) como producto de Fl y F2 y el «Factor de Daño» para cada Unidad determinada en a). El factor de daño es función del factor de riesgo y el factor de material y se obtiene mediante una gráfica que proporciona el manual del método.

e.

Determinar los «Indices de Fuego y Explosión» (IIE como producto de FM y F3) y el Area de Exposición para cada Unidad de Proceso seleccionada. El Area de Exposición es función del Indice de Fuego y Explosión y se obtiene mediante una gráfica que proporciona el manual del método.

f.

Calcular el «Daño Máximo Probable a la Propiedad» (MPPD), tanto básico como real, por consideración de los factores de bonificación.

g.

Calcular el «Daño Máximo Probable a la propiedad real», por consideración de los factores de bonificación, reflejo de los sistemas de protección de los que dispone la unidad. Estos factores son tres: por control de proceso, aislamiento del material o protección contra el fuego y contemplan los siguientes aspectos: C1: Energía de emergencia, refrigeración, control de explosiones, paro de emergencia, control por ordenador, disponibilidad de gas inerte, procedimientos de operación, programas de revisión de procesos y operaciones. C2: Válvulas de control remoto, drenajes, enclavamientos, tanques para vertidos de emergencia. C3:Detectores, protección de estructuras, tanques de doble pared, suministro de agua contra incendios, sistemas especiales (Halón, C02, detectores de humos y de llama), rociadores, cortinas de agua, espuma contra incendios, extintores manuales, protección de cables eléctricos y de instrumentación. Del Factor de Bonificación FB y a través de un sistema gráfico, se obtiene el «Factor de Bonificación Efectivo» (FBE).

h.

Determinación de los «Máximos Días de Interrupción» (MPDO) y los costes por interrupción de la Actividad (BI) en estos días, como consecuencia del incendio o explosión en la unidad.

EN REFERENCIA AL METODO DEL INDICE DE MOND, debe comentarse que la principal diferencia frente al Indice de Dow, reside en que Indice de Mond considera la toxicidad de las sustancias presentes, y este parámetro es introducido como un factor independiente, considerando los efectos de las sustancias tóxicas por contacto cutáneo o por inhalación.

SEGUNDA VERSION El Índice de Incendio y Explosión (F&EI), creado por Dow Chemical, es una herramienta para la evaluación objetiva paso a paso de la posibilidad real de un incendio, explosión

y reactividad de equipos de proceso y su contenido en la industria química. Su propósito es servir como guía para seleccionar el método de protección contra incendios adecuado y ofrecer información clave para ayudar a evaluar el riesgo general de incendio y explosión.

El F&EI es una de las herramientas usadas para la evaluación realista del riesgo potencial de fuego, explosión y reactividad química de los equipos de proceso y su contenido. Desarrollado en 1964, ha evolucionado hasta convertirse en un índice completo que proporciona una medida del riesgo relativo de pérdidas de unidades individuales de proceso debido a fuegos o a explosiones potenciales. Este índice se ha utilizado ampliamente en Dow y fuera de Dow. Es el índice de peligro más reconocido por la industria química y proporciona información clave para evaluar el riesgo total de fuego y explosión. Se puede utilizar con el resto de información del proceso para consolidar un paquete de análisis del riesgo y comprender mejor los riesgos potenciales asociados a una unidad de la fabricación. El “Fire & Explosion Index Hazard Classification Guide” está disponible para todas las partes interesadas en una edición del American Institute of Chemical Engineers (AIChE), 345 East 47th Street, New York, NY 10017 [ teléfono 1-(212) 705-7657 ]. Varios países hacen referencia a la guía de F&EI en su legislación. Las medidas cuantitativas usadas en el análisis se basan en datos históricos de pérdidas, en la energía potencial del material en estudio y en las prácticas de prevención de pérdidas que se aplican actualmente.

Objetivos El propósito del sistema de F&EI es: 

Cuantificar, en términos realistas, el daño que se puede esperar de los potenciales incidentes de fuego, explosión y reactividad.



Identificar el equipo con probabilidad de contribuir a la iniciación o a la escalada de un incidente.



Comunicar el potencial del riesgo de F&EI a la dirección.

Su propósito más amplio es disponer de un método que permita ordenar las unidades de proceso individuales según su riesgo, centrándose en los equipos importantes y proporcionar datos a los ingenieros de las pérdidas potenciales en cada área de proceso, para ayudarles a identificar maneras de disminuir, de una manera eficaz y rentable, la severidad y las pérdidas resultantes (en términos de dólares) de incidentes potenciales. Las evaluaciones de riesgos de las compañías de seguros se basan normalmente en el peor incidente imaginable. Puede ser que anticipen, por ejemplo, que el contenido completo de un reactor podría vaporizarse instantáneamente e incendiarse. Sus estimaciones de pérdidas para los asegurados, que se determinan en parte a partir de tal análisis, pueden ser extremadamente grandes. Desde un punto de vista realista, el escenario es improbable.

El sistema F&EI de Dow intenta determinar la pérdida máxima, realista, que puede ocurrir a una planta de proceso (o a la unidad de proceso) o a las unidades próximas. Una pérdida que podría ocurrir realmente en las condiciones de funcionamiento más adversas. El cálculo se basa en datos cuantificables. El cálculo del caudal de la fuga, la temperatura de proceso respecto a las de ignición y de ebullición y la reactividad del material son algunos de los muchos factores que contribuyen a un posible incidente. Aunque el método de F&EI está diseñado principalmente para cualquier operación en la que se almacene, se maneje o se procese un material inflamable, combustible o reactivo, puede también ser utilizado para analizar pérdidas potenciales en instalaciones de tratamiento de aguas residuales, sistemas de distribución, tuberías, rectificadores, transformadores, calderas, oxidadores térmicos y algunos elementos de centrales eléctricas. El sistema se puede también utilizar para evaluaciones del riesgo de procesos pequeños con inventarios modestos de materiales potencialmente peligrosos. Su uso en plantas piloto es muy recomendable. El esquema siguiente resume el proceso usado para calcular el índice y la estimación de las pérdidas.

El primer paso en el cálculo de F&EI requiere definir qué unidades de proceso deben ser estudiadas, usando un procedimiento eficaz y lógico. Una unidad de proceso es cualquier equipo de proceso importante, como un tanque de almacenaje de materia prima, un tanque de almacenaje de proceso, una bomba de alimentación, el reactor, el separador, etc., pero puede ser también un almacén. Es evidente que la mayoría de las unidades de fabricación tienen muchas unidades de proceso. Para calcular el F&EI se deben considerar solamente las unidades de proceso que podrían tener un impacto desde un punto de vista de prevención de pérdidas. Se les denomina como unidades de proceso pertinentes. El material factor (MF) se refiere al material usado en la unidad de proceso seleccionada y es una medida del índice intrínseco de liberación de energía a partir de un fuego o una explosión producida por combustión o reacción química. Este valor se obtiene de las tablas de inflamabilidad e inestabilidad según NFPA 704. Para mezclas, se determina el MF a partir de ensayos de reactividad química. Si no se dispone de datos, se puede calcular de manera aproximada usando el MF del componente con el valor más alto. Este componente debe ser uno que se encuentre en concentración significativa en la mezcla, al menos un 5 por ciento. Después de determinar el MF adecuado, el paso siguiente es calcular el índice de riesgo de la unidad de proceso (F3), que es el término que se multiplica por el MF para obtener el F&EI.

El valor numérico índice de riesgo de la unidad de proceso se determina a partir del producto del índice general de riesgo de la unidad de proceso (F1) y el índice especial de riesgo de la unidad de proceso (F2). Se utiliza el producto en lugar de la suma porque los elementos considerados en F1 (peligros de proceso generales) y F2 (peligros de proceso especiales) se sabe que tienen un efecto potenciador entre ellos. Los riesgos de proceso que contribuyen a aumentar la magnitud y la probabilidad de pérdidas penalizan en el cálculo del resultado. Cuando se calculan las penalizaciones se recomienda escoger el momento más peligroso de la operación normal de la unidad de proceso. El arranque, la operación continua y la parada están entre los estados operacionales que pueden ser considerados. Los “riesgos de proceso generales” son los factores que determinan principalmente la magnitud de un incidente. Los seis elementos de riesgo enumerados en esta sección como riesgos son aplicables en la mayoría de las situaciones de proceso: 

Reacciones químicas exotérmicas



Procesos endotérmicos



Manejo y transferencia de materia



Unidades de proceso encerradas o interiores



Acceso en caso de fuego



Control del derrames y sistema de drenaje

Aunque puede que no sea necesario considerarlos todos, estos elementos han jugado un papel clave en muchos incidentes de fuego y explosión. Su evaluación cuidadosa para la unidad de proceso en estudio es de mayor importancia. El índice especial de riesgo de la unidad de proceso contribuye sobre todo a la probabilidad de que ocurra un incidente con pérdidas. Se calcula a partir de las condiciones específicas de proceso que han demostrado ser causa importante de los incidentes de fuego y de explosión. Se compone de doce elementos: 

Material tóxico



Presión sub-atmosférica



Operación dentro o próxima a la temperatura de inflamación



Explosión de polvo



Presión de alivio



Baja temperatura



Cantidad de material inflamable o inestable



Corrosión y erosión



Fugas-juntas de dilatación y empaquetaduras



Uso de equipos con fuego



Sistemas del intercambio de calor con aceite caliente



Equipo rotativo

El F&EI es el producto del índice de riesgo de la unidad de proceso (F3) y del material factor (MF). El F&EI se relaciona con un radio de exposición. La tabla 1 es un listado de los valores de F&EI y la descripción del grado del peligro asociado al índice, que da una idea relativa de la severidad del F&EI. Se necesita una revisión más en detalle para las instalaciones con un F&EI mayor de 128. El área a considerar es la que contiene el equipo que podría estar expuesto a un fuego o en la que se podría generar una explosión aire-combustible. Para la evaluación del riesgo, lo que realmente se utiliza es el volumen del cilindro cuya base es el área alrededor del equipo calculada a partir del F&EI. La altura del cilindro es igual al radio de exposición. En algunos casos se usa el volumen esférico. La parte de la unidad de proceso contenida en dicho volumen es la que está expuesta al riesgo de daños por fuego o explosión. La figura representa el esquema de un tanque vertical considerado como unidad de proceso con su radio de exposición, área y de volumen de exposición. Si el área de exposición incluye las paredes de un edificio y éstas son resistentes a fuego o explosión o a ambos, el edificio puede ser excluido del área de exposición. Si hay una pared resistente a la explosión y fuego dentro del área de exposición, el área detrás de la pared no es necesario incluirla. En la construcción de cualquier planta química, se deben considerar cierto número de características fundamentales como conformidad con los códigos aplicables, tales como códigos del edificio o los códigos de Asme, de NFPA, de ASTM, del Ansi y los requisitos legislativos locales.

Además de estos requisitos fundamentales de diseño, ciertas herramientas de control de pérdidas basadas en la experiencia han demostrado su eficacia en la prevención de incidentes

serios y en la reducción de la probabilidad y de la magnitud de un incidente particular. Hay tres categorías en las herramientas para prevenir y controlar las pérdidas: 

C1 Control de proceso



C2 Material de aislamiento



C3 Protección contra incendio

Las herramientas de control de pérdidas se deben seleccionar según su contribución real para reducir o controlar los riesgos de la unidad que se evalúa. Seleccionar herramientas para acumular créditos no es la intención del análisis de riesgo. La intención es reducir la cantidad del capital invertido que está expuesto al riesgo o “Maximum Probable Property Damage” (MPPD) a un valor más realista. El cálculo del máximo número de días necesarios para volver a producir o “Maxima Probable Days Outage” (MPDO) es un paso necesario en la determinación de la Interrupción de Negocio o “Business Interruption” (BI) causado por un incidente. El impacto económico de la interrupción del negocio a menudo iguala o supera el de los daños materiales, dependiendo de niveles del inventario y de demanda del producto.