Basado en Desempeño

Filosofía del Sistema de Fuego y Gas (SFG)

Sistemas de Seguridad con Requerimientos Especiales / /

Las recomendaciones del reporte técnico de ISA TR 84.00.07-2018, indican la necesidad de contar con la Filosofía de Protección de Fuego y Gas corporativa antes de iniciar el diseño de un Sistema de Detección de Fuego y Gas (SFG) basado en desempeño.

En las etapas tempranas del diseño, la Filosofía de Fuego y Gas establece las bases y criterios para alcanzar las metas de detección y mitigación en caso de fuego o fugas de gases, y esas metas deben ser consistentes con los criterios de aceptación de riesgos corporativos. La filosofía puede presentarse en forma de documento independiente o puede incluirse en los estándares de diseño y gestión de riesgos, y debe atender las especificaciones particulares del proyecto. La filosofía debe ser lo más precisa posible con el propósito de dejar claro al diseñador los objetivos que se quieren alcanzar con el diseño del SFG.

Dependiendo de cada empresa u organización, los enfoques filosóficos para los cuales se diseña un SFG varían, así como varían los criterios de riesgos y las acciones ejecutivas, dependiendo, por ejemplo, si las instalaciones son de procesos o administrativas, si son asistidas o desasistidas, en qué etapa se desea detectar el escenario (incipiente o desarrollado), cuál es la capacidad de extinción de incendio, etc. Pero independientemente del enfoque, los SFG, de manera general, realizan 3 funciones básicas:

  • Detectar (presencia de fuego, humo, calor, gases inflamables, tóxicos y asfixiantes).
  • Notificar (activar las alarmas para alertar al personal y tomar las medidas apropiadas).
  • Proteger (iniciar acciones automáticas y/o manuales de aislamiento de los materiales peligrosos, despresurización, activación del sistema de mitigación y cualquier otra acción que contribuya en reducir el daño y minimizar las perdidas).

Antes de comenzar un diseño basado en desempeño es fundamental definir los objetivos, así como entender para qué riesgos se debe diseñar. Para tener una idea clara de los objetivos, se puede iniciar respondiendo las siguientes preguntas: ¿Cuál es la magnitud de los escenarios que debería detectar el SFG? ¿Qué acciones son requeridas por parte del SFG en cada caso?

A continuación, se muestran los fundamentos básicos que deben considerarse en una de filosofía de detección de fuego y gas para un proyecto y como complemento a la filosofía corporativa.

1.            Normas aplicables

Se recomienda listar las normas, códigos, estándares y prácticas (en su revisión más reciente) empleadas en la industria para el diseño del SFG. Es práctica común que, en caso de conflicto entre la filosofía y los estándares/normas empleadas como referencia, se aplique el requisito más estricto. En la filosofía se debe mencionar la normativa aplicable al diseño, considerando:

  • Normas o prácticas nacionales (NFPA 72, EN 54, PDVSA K-363, PEMEX NRF-210, etc.).
  • Normas o prácticas Internacionales (ISA TR84.00.07, IEC 61511, IEC 61508, etc.).
  • Requisitos de alguna sociedad de clasificación (American Bureau of Shipping (ABS), Bureau Veritas (BV), DNV, etc.) y cualquier otro requerimiento de detección de fuego y gas (ej. Para aplicaciones costa afuera).

2.            Zonas que proteger

Las zonas a proteger con el SFG, en una instalación típica, pueden ser seleccionadas según el tipo de equipos de procesos, según la clasificación de áreas peligrosas, según el tipo de peligro (fuego, gas combustible, gas tóxico), según el tipo de producto procesado o almacenado, entre otros.

La categorización de las zonas es una práctica común en el diseño de los SFG, lo que se busca es segregar la instalación en partes y de esta forma tener una idea de los requerimientos que esas zonas van a demandar. Una forma de categorización de zonas es mostrada en Performance-based Fire and Gas Systems Engineering Handbook, donde, por ejemplo, la categoría H es para áreas de procesamiento de hidrocarburos, N para áreas donde no hay hidrocarburos, G para áreas de ocupación general, entre otras.

3.           Identificación de escenarios peligrosos

Los escenarios peligrosos que se deben estudiar (y su posterior determinación del nivel de riesgo) pueden definirse en función a los equipos de mayor riesgo (tanques, bombas, compresores, intercambiadores, etc.), considerando las características del producto manipulado (gasolina, GLP, diésel, etc.), la fase del material manejado (solida, liquida o gaseosa) o las condiciones de operación (presión, temperatura, etc.). Se recomienda considerar los siguientes puntos en la identificación de los escenarios peligrosos que debería detectar el SFG:

  • Establecer la magnitud del escenario a detectar (etapa incipiente o  desarrollado).
  • Seleccionar los escenarios “creíbles” para el diseño.
  • Definir el tipo de enfoque a utilizar en la identificación de los escenarios peligrosos (enfoque cuantitativo o semi cuantitativo).
  • Definir el método de análisis de riesgo.
  • Definir los objetivos del SFG (proteger instalaciones, personal o medio  ambiente)

4.            Desempeño del equipamiento del SFG

Se deben establecer las metas de desempeño de los equipos del SFG, es decir, el porcentaje de cobertura que requieren las zonas según su
nivel de riesgo, definir si la cobertura es geográfica o por escenarios y definir la probabilidad de fallas de los equipos. Se deben establecer los criterios y herramientas para verificar que las metas hayan sido alcanzadas (por ejemplo, mediante el uso de mapeo 2D y/o 3D). Para conocer el desempeño que debe tener el equipamiento del SFG se deben considerar los siguientes aspectos:

  • Asignar los objetivos de desempeño de la cobertura del detector de fuego y gas (según sea por cobertura geográfica o por escenario).
  • Determinar la probabilidad de falla del equipo (disponibilidad de seguridad y SIL)
  • Proteger de los gases tóxicos y combustibles al personal dentro de las edificaciones.

5.             Tecnología del SFG

Se debe seleccionar la tecnología de detección más apropiada, según los riesgos previstos en la instalación (materiales y condiciones de operación, etc.) y las características de las áreas a proteger (procesos, almacenamiento, edificaciones, etc.). Para seleccionar la tecnología más adecuada se recomienda tener en cuenta lo siguiente:

  • Estandarizar los métodos de detección de fuego y gas.
  • Asignar la tecnología adecuada según la aplicación. (Aplica la experiencia previa)
  • Describir las características de los detectores de fuego. (Cono de visión, sensibilidad, etc.)

6.            Acciones que debe acometer el SFG

Se deben definir las circunstancias bajo las cuales se activarán las alarmas (por fuego, gas, activación manual, o por todas las anteriores), los requerimientos particulares para las alarmas (tonos, colores, zonificación, etc.), las acciones en caso de activarse las alarmas (tomando en cuenta si la instalación es asistida o desasistida, complejidad del proceso, riesgo asociado a disparos no deseados, interacción con otros sistemas, votación de los detectores, etc.), los criterios para la ubicación de las estaciones manuales y los dispositivos de notificación. Además, especificar el criterio a considerar para establecer el set point de los detectores (pre alarma, alarma y paro). Es importante, al especificar las causas que pueden ocasionar la activación del SFG y las acciones del sistema como consecuencia de una activación, definir lo siguiente:

  • Especificar los requisitos para las alarmas. (Ubicación, tipo, características,  distribución, cantidad, alarmas auxiliares, etc.).
  • Definir las acciones del SFG en caso de activarse las alarmas.
  • Seleccionar el set-point de los detectores de gas combustible (% del LEL, LEL.m).
  • Seleccionar el set-point de los detectores de gas tóxico (ppm).
  • Definir las acciones del SFG en caso de votación simple (ej. Solo alarma) o compleja (ej. Activación del ESD)
  • Indicar cantidad de detectores en estado de alarma suficientes para activar el ESD.
  • Establecer cómo se degrada la votación cuando los detectores están en mantenimiento/pruebas.
  • Definir los requisitos para las estaciones manuales de alarma (ubicación, distanciamiento, alarmas activadas, acciones en caso de activación accidental

Todas las recomendaciones indicadas son solo una representación de algunos de los puntos que, como mínimo, deberían ser considerados en la elaboración de la filosofía de detección de fuego y gas de un proyecto; no significa que sean los únicos a considerar, de hecho, la experiencia del diseñador, los aportes del equipo multidisciplinario y la normativa utilizada contribuirán a enriquecer aún más la filosofía. Cabe resaltar que, en la etapa de diseño, la filosofía de fuego y gas muestra las bases y criterios bajo la cual se va a fundamentar el desarrollo del diseño basado en desempeño.

Es importante resaltar que, además de lo relacionado con los sistemas de detección de fuego y gas basados en desempeño, es necesario contar con una filosofía de mitigación de incendios, la cual tiene sus requerimientos y normativas específicas. Nuestra intención es contribuir con el desarrollo de filosofías de diseño y gestión de sistemas de detección fuego y gas más completos, confiando que con mejores directrices de diseño serán mucho más acertadas las decisiones del diseñador.

Referencias:

  • ISA-TR84.00.07 (2018). Guidance on the Evaluation of Fire, Combustible Gas, and Toxic Gas System Effectiveness. Research Triangle Park, NC.
  • Bryan, A., Smith, E. y Mitchell, K. (2016). Performance-based Fire and Gas Systems Engineering Handbook. Research Triangle Park, NC: ISA.
  • Center for Chemical Process Safety (CCPS) (2019). Guidelines for Integrating Process Safety into Engineering Projects. New York. Wiley
  • Basu, S. (2017). Plant Hazard Analysis and Safety Instrumentation Systems. Elsevier.
  • Consultoría en Seguridad Funcional (CSF) (2019) Sistemas de Detección de Fuego y Gas
    (SFG) basados en desempeño: Una visión general    . https://www.linkedin.com/pulse/sistemas-de-detecci%C3%B3n-fuego-y-gas-sfg-basados-en-una-visi%C3%B3n-romel.

 

La gente suele saber lo que debe hacerse, y tú sólo debes mostrarles el camino:
ésa es la sabiduría. 

«Eragon»
(2003), Christopher Paolini

 

Hernán Núñez

FSEng TÜV SÜD TP180515282

Romel Rodríguez

Functional Safety Expert TÜV SÜD TP18010990 | ISA84/IEC 61511 Expert | FSEng TÜV Rheinland 575/07 | PHA Leader

 

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Sistemas de Detección de Fuego y Gas (SFG) basados en desempeño: Una visión general

Sistemas de Seguridad con Requerimientos Especiales / /

En la industria del petróleo, gas y petroquímica se almacenan y procesan materiales peligrosos que tienen el potencial de causar daños severos a las personas, a los activos e incluso al medio ambiente circundante, producto de la pérdida de contención de los mismos. Esa pérdida de contención puede suceder, incluso en condiciones de funcionamiento normal de la planta, debido a la corrosión, erosión, fugas en empacaduras, sellos y bridas. Por muy bien diseñadas que estén las instalaciones, siempre habrá un riesgo residual que obliga a utilizar todos los medios posibles para prevenir, o en su defecto mitigar, cualquier incidente que pueda derivar en un incendio o explosión.

Para hacer frente a lo anterior, se deben diseñar medios o capas de protección que permitan atenuar las consecuencias de un evento peligroso (pérdida de contención de material tóxico o inflamable). Una de las  capas de protección utilizadas en la industria de procesos son los Sistemas – Instrumentados – de Detección de Fuego y Gas (SFG), que son sistemas conformados (pero no limitados) por un controlador y por dispositivos de detección y dispositivos de notificación (visual y audible), estratégicamente ubicados a lo largo de la planta, que tienen como objetivo, dar la advertencia más temprana posible ante un evento por fuga de gases, fuego; inclusive, humo y calor radiante, que podrían tener consecuencias catastróficas si no son atendidos de manera oportuna.

¿Enfoque prescriptivo o basado en desempeño?

En el contexto de la seguridad contra incendio, el enfoque prescriptivo se fundamenta en el cumplimiento de normas de organismos bien reconocidos como NFPA (National Fire Protection Association) o API (American Petroleum Institute), entre otros, y de las buenas prácticas de la industria que establecen los requerimientos mínimos para el diseño de los sistemas de protección contra incendio. Cuando se diseña bajo este enfoque, no se requiere la evaluación de la capacidad de reducción de riesgo del SFG, es relativamente fácil de utilizar y, en teoría, siguiendo sus lineamientos, el usuario final obtendrá un grado de reducción de riesgo mientras “cumple con la norma”, a través de un diseño estandarizado, pero que no necesariamente se adapta a cada caso particular.

En el enfoque basado en desempeño, se trabaja en función de objetivos (metas de seguridad) en lugar de reglas preestablecidas, identificando los peligros del proceso y determinando la magnitud de cada riesgo, para después diseñar un SFG con el desempeño necesario según cada caso.

La elección del enfoque a implementar para el diseño del SFG es decisión del usuario final.

Para el diseño particular del SFG se recomienda el reporte técnico de ISA TR84.00.07-2018 (Guidance on the Evaluation of Fire, Combustible Gas, and Toxic Gas System Effectiveness), cuyo propósito es suministrar una guía para evaluar la efectividad de las funciones del SFG. Este reporte técnico considera tres aspectos básicos para evaluar la efectividad de un SFG:

a) Cobertura de detección: probabilidad que tiene el SFG de detectar el peligro, dada la disposición del detector y el arreglo de votación elegido. Es importante detectar la condición peligrosa en su etapa incipiente, una falla en la detección conlleva a eventos de mayor magnitud. En los SFG la detección es la columna vertebral y, en ocasiones, su talón de Aquiles.

b) Disponibilidad de seguridad: probabilidad de que el SFG se active ante la detección de un peligro. Una falla de la función del SFG para actuar bajo una demanda resultaría en un agravamiento de las consecuencias.  La Disponibilidad de Seguridad (SA) del SFG está dada por

SA = 1 – PFDavg = 1 – (PFDsensor + PFDcontrolador + PFDelemento final).

Donde la PFDavg es la perteneciente a los elementos que conforman una función instrumentada del SFG.

c) Efectividad de mitigación: probabilidad que tiene el SFG para reducir (o mitigar) la gravedad de las consecuencias a niveles aceptables. Evita, por ejemplo, que una pequeña fuga de gas se convierta en una gran acumulación de gas con consecuencias catastróficas.

Aun cuando el reporte técnico ISA TR84.00.07-2018 es de carácter informativo y no contiene ningún requisito obligatorio, establece un marco de trabajo, como el de la figura, que ayuda al ingeniero de diseño en el análisis de los peligros y riesgos, a proponer un diseño de SFG y luego verificar si el diseño cumple con las metas de desempeño establecidas para el proyecto.

 

 Fuente: ISA-TR84.00.07-2018

 

Proceso de diseño de un SFG basado en desempeño

Antes de comenzar el diseño del SFG, se requiere desarrollar una filosofía de detección de fuego y gas durante la etapa de planificación. Esta filosofía es la base que describe los objetivos generales (es fundamental definir los objetivos antes de comenzar) para la detección y mitigación de riesgos, y debe ser coherente con los criterios de aceptación de riesgos del usuario final. La filosofía debería incluir los criterios para la identificación de peligros, el procedimiento para la definición de las zonas peligrosas y su extensión, el procedimiento para establecer las metas de desempeño y los procedimientos y herramientas para evaluar si las metas de desempeño han sido alcanzadas.

Teniendo como entradas la filosofía de fuego y gas, los diagramas de flujo de procesos (PFD), los diagramas de tuberías e instrumentos (DTIs), los planos de planta (plot plan), entre otros insumos, se procede a evaluar los peligros y riesgos de fuego y de fugas de gases (combustibles y tóxicos). Para la evaluación de los peligros y riesgos típicamente se aplican dos enfoques: 1) Enfoque cuantitativo: que utiliza una cuantificación detallada del peligro y el riesgo. 2) Enfoque semi-cuantitativo: que utiliza tablas para categorizar parámetros de riesgo y así establecer las metas de desempeño a alcanzar. En esta fase se identifican las áreas de la planta que requieren atención, se realiza la identificación de los escenarios peligrosos (esto incluye analizar los principales equipos de procesos, como tanques, bombas, compresores, separadores, etc.) y se establecen las metas de desempeño con respecto a esos escenarios peligrosos. Además, se analiza la severidad de las consecuencias (de manera cuantitativa y/o semi-cuantitativa, según decida el usuario final) y se analiza la frecuencia (por ejemplo, utilizando tasas de fallas de la industria) con la que se podrían presentar los escenarios peligrosos. Finalmente, se evalúa el riesgo asumiendo que el SFG no está disponible (para saber si el riesgo no mitigado es tolerado por el usuario final).

Después de haber evaluado el riesgo, haber identificado los principales equipos de procesos y considerado la severidad de las consecuencias de los peligros no mitigados, se procede a especificar los requisitos de desempeño del SFG. Las metas de desempeño del SFG deben ser coherentes con la filosofía del usuario final en términos de la detección y mitigación de los peligros; las mismas deben seleccionarse de manera que la función instrumentada del SFG pueda lograr la meta de reducción de riesgo requerida. En esta fase también se realiza la propuesta de diseño del SFG (tomando en cuenta los peligros identificados y el riesgo cuantificado), se establecen los requerimientos generales y especificaciones funcionales del SFG, se ubican los detectores de acuerdo a normas aplicables, prácticas de la industria, y del buen criterio del ingeniero de diseño.

Una vez generados los planos con las ubicaciones preliminares de los detectores y el diseño conceptual del SFG, se procede a verificar el desempeño de la propuesta. Se verifica la cobertura de los detectores; esto se realiza, generalmente, utilizando software de modelado en 3D (mapping), y de Dinámica Computacional de Fluidos (CFD). Se verifica la disponibilidad de seguridad, calculando la probabilidad de falla bajo demanda (PFD) de cada función del SFG. Se verifica la efectividad de las acciones de mitigación del SFG, cuyo método de verificación dependerá del tipo de acción que se tenga previsto tomar (ejemplo, evacuación del personal, supresión de incendio, aislamiento y despresurización del proceso, etc.)

Por último, se determina la efectividad del SFG (riesgo mitigado), comparando la efectividad de las funciones del FGS contra las metas de desempeño; si las metas fueron alcanzadas entonces el diseño propuesto es aceptable y la reducción de riesgo ha sido lograda, si no, el diseño conceptual debe ser revisado y modificado.

En conclusión, el diseño de Sistemas de Detección de Fuego y Gas basados en desempeño, permite cuantificar la efectividad y la reducción de riesgo asociada a las funciones instrumentadas del SFG, en forma sistemática y trazable a los riesgos analizados, lo que permite mantenerlo actualizado en función de los cambios que sufre la instalación en su vida útil. Además, el enfoque basado en desempeño se puede complementar con las normas y practicas prescriptivas para lograr un diseño de SFG óptimo y eficiente, adaptado a las particularidades de cada escenario.

“Si lo que haces no funciona, no creas que eres incapaz, simplemente prueba a hacer algo diferente y observa lo que ocurre”

Giorgo Nardone

 

Hernán Núñez

FSEng TÜV SÜD TP180515282

Romel Rodríguez

Functional Safety Expert TÜV SÜD TP18010990 | ISA84/IEC 61511 Expert | FSEng TÜV Rheinland 575/07 | PHA Leader

 

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