Diseño Óptimo de Instalaciones Offshore para Limitar las ......Certificación de los equipos...
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Diseño Óptimo de Instalaciones Offshore para Limitar las Consecuencias Potenciales de Explosiones Accidentales Dr. Scott Davis and Dr. Franz Zdravistch GexCon
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Diseño Óptimo de
Instalaciones Offshore
para Limitar las
Consecuencias
Potenciales de
Explosiones Accidentales
Dr. Scott Davis and Dr. Franz Zdravistch
GexCon
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Contenido
• Introducción a Gexcon y FLACS
• Mecanismos de propagación y aceleración de frentes de llama
• Ejemplos de estudios
• Optimización de diseño para reducir sobrepresiones
• Torreta de FPSO
• Carga de sobrepresión entre dos tanqueros de LNG
• Plataforma de cabeza de pozo
• Estudios de sistemas de detección
• Analysis probabilísiticos
• Brechas de seguridad
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Accidentes de gran envergadura
Texas City
Buncefield
Skikda
Deep Water Horizon
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Nuestra Misión
• GexCon - Gas Explosion Consultants
Líder en el análisis y diseño de seguridad
para procesos de dispersión, explosiones e
incendios
• FLACS: El software de Dinàmica de Fluidos
Computacional 3D (CFD) estandard en el
analisis de seguridad para procesos de
dispersión, explosiones e incendios
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Quienes somos: CMR y GexCon
► CMR – Instituto de investigación que
pertenece a la Universidad de Bergen
► GexCon – Global Explosion
Consultants
Corporación propiedad de CMR
Aproximadamente 80 empleados
La mayoria especializados en
aplicaciones de seguridad y con
posgrados en ciencia e ingenieria
Más de 46 años en proyectos de investigación e ingeniería relacionados con
fenómenos de explosión, motivados principalmente por accidentes ocurridos
en instalaciones de petróleo en Europa y otras partes del mundo
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GexCon AS Bergen, Noruega
President and CEO Sturle H. Pedersen
Controller / CFO Petter Nilsen
GexCon Italy Srl. Francesco Chille
President
Laboratories Brian Wilkins
Director
Software Erik Aadland
Director
R&D Trygve Skjold
Director
GexCon UK Ltd. Dave Price
President
GexCon US Inc. Scott Davis
President
Partners
& Agents
Indonesia
Japan
Malaysia
Russia
Singapore
South Korea
Taiwan
(India)
(China)
(Brazil)
…
Consulting Johan Haveland
Director
GexCon AUS Inc. Madhat Abdel-jawad
President
Chief Technical Officer Kees van Wingerden
GexCon Indonesia Madhat Abdel-jawad
President
FLACS GexCon Services
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Areas primarias de aplicación de FLACS
► Análisis probabilísticos, peor caso (teórico y práctico), etc.
► Ventilación natural y forzada: viento, ventiladores, …
► Fugas y dispersión de gases y liquidos: nubes,charcos
► Nubes explosivas y tóxicas: chorro, evaporacion
► Cualquier geometria: 3D, congestion, confinamiento
► Medidas de mitigación:
►Paneles de alivio de presión
►Sistemas de diluvio
► Inyección de gases inertes (CO2, N2)
► Efectos de incendios (de chorro y charcos):
►Cargas térmicas sobre equipos y trabajadores
►Humo, hollin, visibilidad, evacuación
►Protección pasiva de equipos y estructuras
Estudios de ventilación, dispersión, explosiones e incendios
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Proceso / Seguridad Técnica y de Gestión de Riesgos 1. HAZOP, HAZID, Clasificación de áreas, QRA …..
Estudios de Dispersión 1. Optimización de sistemas de detección
2. Dispersión de fugas criogenicas
3. Dispersión de gases de escapes y antorchas
4. Disperión de gases y liquidos tóxicos e inflamables
Estudios de Explosiones 1. Probabilisticos, peor escenario (real, teórico)
2. Propagación de ondas explosivas
3. Mitigación de explosiones y optimicación de diseño
4. Explosiones de polvo inflamable
Verificación del cumplimiento de las normas de seguridad
Seguridad industrial 1. Estudios de gases de escape
2. Helipuertos y gruas
3. Estudios de condiciones climaticas extremas
4. Estudios de ventilación
5. Estudios de consecuencias y mitigación de incendios
Investigación de accidentes
Servicios de consultoría de Gexcon
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Certificación de los equipos destinados a utilizarse en atmósferas
explosivas – ATEX
Medición de propiedades explosivas de gases, liquidos y polvos
Pruebas, diseño y certificación de sistemas de mitigación de explosiones
1. Sistemas de supresión y mitigación de explosiones
2. Sistemas de diluvio
3. Sistemas de extinción de incendios
4. Equipos de protección pasiva contra incendio
5. Disipadores de llama
6. Válvulas de actuación rápida (seguridad contra explosiones)
7. Barreras químicas (seguridad contra explosiones)
Pruebas de certificación y clasificación
Pruebas e Investigación Especializada
1. Instalaciones de prueba de escala pequeña, mediana y grande
Laboratorios Gexcon
Resultados experimentales son utilizados para calibrar y validar FLACS
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Proceso que depende en gran parte de la
congestión y confinamiento
Se requiere una representación precisa de la
geometria en 3D
Mecanismos de aceleración y propagación
de frentes de llama
Tunel de 45 m. con ciclohexano
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Tipo de congestión (disposición y
tamaño de obstaculos) son
determinantes para los niveles de
sobrepresión
Experimentos con propano (27m3)
Explosiones
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Simulación de FLACS
Nube estequiométrica de 27.000 m3 – Gas metano - Ignición central
Resultados muestran sobrepresión máxima
Explosiones
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Deflagraciones pueden transformarse en detonaciones.
Turbulencia generada por geometrias tupidas (por ejemplo: tubos de
pequeño diámetro) y/o volatilidad del gas puede causar este efecto
Transición de deflagración a detonación
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Ejemplos de Estudios
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Optimización de diseños
• Objetivo: reducir las sobrepresiones causadas por
explosiones
• Confinamiento y congestion local son tomadas en
consideración
• Metodologia relativamente simple:
• Simular escenarios de explosión
• Reacomodar los equipos y obstrucciones
• Repetir las simulaciones - evaluar las consecuencias - rediseñar
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• 5 diseños alternativos
• 3 tamaños de nubes explosivas
Ejemplo: Torreta en un FPSO
Layout Optimasation (High confinement situation)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Base case Grated
platforms
Pipes
rearranged
Reduced
platform area
Extended panel
area
Combined
effect
Pre
ss
ure
[b
arg
]
100% cloud
60% cloud
30% cloud
32%
21%
27%
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Sobrecarga de presión entre dos navios
(Ruptura de brazo de descarga)
• Peor caso – nube de gas explosiva entre un FSRU y
tanquero de LNG
Peor caso - nube explosiva que llena
todo el espacio entre los navios
Sobrepresiones maximas resultantes del
analisis del peor caso
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Plataforma de cabeza de pozo
• El analsis del peor caso realistico es muy util en las
fases iniciales del diseño para evaluar las
consecuencias sobre las cubiertas y estructuras
• Cual seria el efecto de usar cubiertas solidas o grateadas?
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Análisis de sistemas de detección
• Un sistema efectivo de detección es un componente crucial del
sistema de barreras de riesgo
• En estudios realizados por la UK HSE (2001-2008) se reporta:
• Un muestreo de sistemas de detección demostro que solo 63% de fugas
mayores y 31% de fugas of significativas fueron detectadas
• Las directrices de diseño de sistemas de detección tradicionales
se basan en densidad de distribución de detectores y
probabilidades de fugas:
• El resultado es frecuentemente sistemas sobrediseñados y a veces
inefectivos
• Costos excesivos de instalación y mantenimiento
• Alta incidencia de alarmas falsas costos operacionales altos
• Sentido inadecuado de seguridad
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Sistema de detectores inefectivo en
un modulo de FPSO Viento
Fuga de
metano
Area de Procesos
Alta densidad de detectores
Area de almacenamiento
Sin detectores
Nube explosiva peligrosa
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Instalar detectores cerca de probables
fugas a veces no funciona!!
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Ventajas • Evaluar opciones differentes de estrategias y diseños
• Combinación de differentes tipos de detectores: Puntuales, de linea,
senscient
• Sistema de votación: 1ooN, 2ooN…., zonas separadas o combinadas
• Alarma alta y baja: %LII, ppm
• Tiempo de respuesta
• Disminución de costos de instalación, mantenimiento y
operación:
• Estudio en una plataforma demostro que cambiando el sistema de
detección de 1x60%LII a 2x20%LII no afectaria la seguridad del
sistema. Se estima una reducción de costos de USD 8M
• En una planta de compresión en tierra la recomendación inicial fue de
instalar alrededor de 200 detectores. Un estudio de Gexcon demostro
que 18 detectores serian suficientes para satisfacer las normativas de
la empresa
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Leak
frequency
Wind speed
Wind direction
Congestion
level
Leak
rate Leak
direction
Confinement
level
Cloud build
up time
Ventilation
conditions
Ignition
control
measures
Pressure
Inventory
characteristics
Gas
composition
Ignition
probability Leak profile
Cloud size
Risk
Time of
ignition Ignition
location
ESD Blowdown
Análisis probabilístico: factores que determinan
el nivel de riesgo
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Análisis probabilístico
• Simular todos los escenarios posibles
• Identificar la probabilidad de cada escenario
• Calcular el riesgo acumulado de que ocurra un
accidente significativo
• Un numero grande de simulaciones es
necesario para cuantificar la probabilidad del
riesgo
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Análisis probabilístico de explosiones
1. Simulaciones de ventilación
• Diferentes condiciones meteorológicas
• Basadas en estadistricas existentes
2. Simulaciones de dispersión
• Determinación de tamaños de nubes explosivas
3. Simulaciones de explosiones
• Cálculo de sobrecargas de presión
• Se evalua el nivel de riesgo en forma cuantitativa
• Se crean las curvas de excedencia
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1. Simulaciones de Ventilación
• Numero de cambios de aire por hora (ACH)
• Input para las simulaciones de dispersión
• Identificación de areas muertas
• Correlación con datos meteorologicos
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Objetivo : determinar las condiciones de ventilación en el area de interes
Air change per hour with 10m/s external wind
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Case 2 - without wind walls
Case 1 - with wind walls
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2. Simulaciones de Dispersión
Objetivo: identificar un numero representativo de tamaños de nubes explosivas
• Simulaciones para condiciones diferentes:
• Caudales de fugas
• Direcciones de fugas
• Posición de las fugas
• Composición de gases
• Dirección y velocidad del viento
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Analisis teorico vs. CFD
Viento Viento
Chorro Piscina
LFL
> UFL
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Chorro de gas en espacio libre
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Chorro de gas con obstrucción
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2. Resultados de dispersión
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2 kg/s 0% 8 kg/s 65% 32 kg/s 9%
leak south 65% leak east 9%
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3. Simulaciones de Explosión
Simulaciones incluyen :
• Varios tamaños de nubes
• Posiciones de las nubes
• Probabilidad y posiciones de las
fuentes de ignición
• Gas composition
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Objetivo: Identificar un numero representativo de
sobrepresiones causadas por las explosiones
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4. Cálculo de Riesgo
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Acoplamiento de probabilidades y consecuencias
Frequency of exceeding explosion overpressure
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
1.00E-03
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
Pressure (barg)
Fre
qu
en
cy
(p
er
ye
ar)
Local panels
Global panels
Accumulated frequency
for ignited gas clouds in M1
1.00E-08
1.00E-07
1.00E-06
1.00E-05
1.00E-04
1.00E-03
1.00E-02
Degree of filling
Fre
q. [
/yea
r]
Desc 7.78E-04 8.57E-05 3.46E-05 1.38E-05 5.01E-06 1.77E-07
Cont 1.16E-03 5.06E-04 2.37E-04 4.85E-05 8.01E-06 4.23E-07
Sum 1.94E-03 5.92E-04 2.72E-04 6.23E-05 1.30E-05 6.00E-07
0-2% 2-4% 4-6% 6-8% 8-10% 10-12%
Acoplamiento
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
gas cloud size (m2)
pre
ssu
re (
barg
)
North wall
South wall
Consequencia
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4. Curvas de execedencia de presión
Probability of Exceedance, Northern Firewall
1,00E-06
1,00E-05
1,00E-04
1,00E-03
1,00E-02
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
Pressure [Barg]
Fre
qu
en
cy [
/year]
With Wall Without Wall
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Brechas de seguridad (FLNG)
• Objetivos:
• Reducir la probabilidad de que ocurran nubes que cubran varios modulos
• Reducir sobrepresiones si las nubes cubren varios modulos
• Reducir sobrepresiones de un modulo al siguiente
• Comparar con las sobrepresiones maximas permitidas
• Effectos de las brechas:
• Areas congestionadas => aceleración del frente de llama, incremento de presión
• Areas abiertas -> desaceleración del frente de llama, disminución de presión
• Si la llama entra de nuevo en un area congestionada: aceleración del frente de llama, incremento de presión
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Brechas de seguridad (FLNG)
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Brechas de seguridad (FLNG)
• Caracterisiticas de la nube explosiva vs tamaño de la
brecha
• Nube grande-> brecha -> Impacto significativo en los niveles de
sobrepresiones
• Nube pequeña-> brecha -> Impacto marginal en los niveles de
sobrepresiones
• Brechas de seguridad tienen un impacto siginificativo en
los costos, particularmente offshore
• Soluciones alternativs:
• Barreras contra explosion o cortinas de agua
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Otras aplicaciones
• Estudios de helipuertos offshore: turbulencia, gases
calientes
• Diseño de sistemas de mitigación
• Calculos de exposicion térmica en climas extremos
• Estudios de consequencias y mitigación de incendios
