Dell’affidabilità dei sistemi e delle scienze confuse

Disclaimer: il post è un po’ ostico. Mi dispiace… è uscito così.

La “scienza occulta” dell’affidabilità dei sistemi spesso riserva sorprese più o meno gradite. E, come in ogni ambito del sapere tecnico/tecnologico, le conoscenze personali avanzano per tentativi ed errori.

E, ogni tanto, soluzioni.

Non è semplice mettere insieme la comprensione profonda di un impianto, la sua completa descrizione in termini di funzioni (primarie e secondarie), guasti funzionali, TOP EVENT e la conseguente correlazione con la statistica frequentista posta alla base delle analisi di affidabilità.

Il discorso sarebbe parecchio lungo ed incentrato sul pacchetto minimo di competenze universitarie che dovrebbe possedere un laureato in ingegneria, oggi, in Italia.

Insomma, massimi sistemi.

Lascerei perdere e mi concentrerei, invece, su un esempio di calcolo dell’affidabilità di un banale sistema composto da una tubazione intercettata da due valvole a farfalla.

Una roba fatta più o meno così.

Abbastanza semplice, pare. La figura è auto-esplicativa e non c’è da aggiungere nulla, vero?

Due valvole, così collegate, dovrebbero dare vantaggio di sicurezza. Abbiamo duplicato le barriere, in fondo. Ed è questa la conclusione alla quale giungono interi gruppi di persone, specialisti della sicurezza, ai quali tengo periodicamente seminari su questi temi.

Persone esperte e competenti ma che commettono i medesimi errori.

Il problema arriva dopo, quando cominciamo a ragionare sulla specifica conclusione. A quale tipo di scenario facciamo riferimento?

Un paio di esempi.

IL PRIMO SCENARIO

Il liquido scorre nella tubazione durante il funzionamento ordinario (es. alimentazione di raffreddamento) ed entrambe le valvole sono aperte.

TOP EVENT: mancata intercettazione del refrigerante a seguito di un’emergenza.

IL SECONDO SCENARIO

Il liquido non scorre nella tubazione durante il funzionamento ordinario ed entrambe le valvole sono chiuse. Esse intervengono in caso di emergenza (es. apertura di scarico verso una torcia industriale).

TOP EVENT: mancato deflusso in caso di blowdown.

Le cose a questo punto si complicano. Infatti perché si verifichi il TOP EVENT del primo scenario deve aver luogo il seguente MODO DI GUASTO:

  • entrambe le valvole non chiudono (FAIL TO CLOSE)

mentre il secondo TOP EVENT è indotto da un MODO DI GUASTO esattamente opposto:

  • almeno una valvola non apre (FAIL TO OPEN)

Nel primo caso, quindi, è necessario che entrambe le intercettazioni non funzionino in chiusura (logica AND) mentre nel secondo caso è sufficiente che solo una o l’altra valvola non si apra (logica OR).

Nel primo caso l’affidabilità si può considerare un parallelo di barriere, il secondo caso è invece un fragile sistema serie.

Aggiungiamo qualcosina a complicare ulteriormente la situazione?

L’ottava edizione della banca dati FARADIP.THREE (2014) fornisce la seguente schermata complessiva al menù valves-general:

I valori di tasso di guasto (mediano) in chiusura ed apertura delle valvole a farfalla sono quindi i seguenti:

  • λfail.to.close = 0,5E-6 [1/h]
  • λfail.to.open = 0,3E-6 [1/h]

Abbiamo quindi scoperto che il primo e il secondo modo di guasto sono differenti anche sotto questo punto di vista.

La cosa appare analoga, anche se con tassi di guasto differenti, se consultiamo altre banche dati (es. OREDA, TNO, ecc.)

Interessante, no?

Arriviamo ora alla domandilla per le vacanze di Natale: dati i tassi di guasto che abbiamo visto (nell’ipotesi di validità di una densità esponenziale inversa), che probabilità ci sono che gli scenari #1 e #2 si verifichino nell’arco di un anno, tempo oltre il quale avrà luogo la manutenzione preventiva AGAN (As Good As New) delle singole valvole?

Ora non mi rimane che augurare buone feste a tutti i frequentatori di questo Blog!

Buon Natale

Ciao

Marzio

© Marzio Marigo

PS – L’ipotesi fatta di tasso di guasto costante, e quindi di componente privo di memoria, è supportata anche dal fatto che il fattore di forma β della funzione di Weibull è circa unitario.

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Gas densi e IEC 60079-10-1:2015

Un gas denso rilasciato in atmosfera tende a manifestare dinamiche di dispersione molto particolari che si differenziano dalla maggioranza delle situazioni connesse alla classificazione di zone a rischio di esplosione.

Di quali gas discutiamo? Non di tutti quelli che possiedono una densità superiore a quella dell’aria, ovviamente. In prima ipotesi pochi sono i gas con potenzialità tali da generare nubi dense (nelle normali condizioni tecnologiche di stoccaggio e/o utilizzo). Un piccolo elenco è il seguente: GPL, GNL, ammoniaca, cloro, acido fluoridrico. Questo riepilogo è naturalmente da considerarsi non completo e, come si vede, include pure specie chimiche non infiammabili.

Le situazioni dalle quali si origina tale particolare forma di rischio sono riassumibili in tre tipologie di rilascio:

  • da contenimento pressurizzato;
  • da contenimento refrigerato;
  • a getto bifase.

Cosa accade, quindi, successivamente al rilascio[1]? Più o meno dovrebbero generarsi le seguenti dinamiche:

  1. collasso gravitazionale. La nube si schiaccia a terra allargando velocemente il proprio raggio e riducendo conseguentemente l’altezza;
  2. diffusione gravitazionale. La nube si diffonde sul terreno ancora gravata da una spinta negativa;
  3. dispersione passiva. La diluizione originata dall’aria trascinata conduce ad una dispersione avente spinta di galleggiamento neutra.

La nube densa appare tipicamente bianca ma questo NON è il colore reale del gas (nella figura la nube densa causata da una valvola aperta in un deposito di GPL).

Questi gas non hanno colore ma, in fase di rilascio, l’espansione causa un forte sottoraffreddamento che condensa l’umidità atmosferica. Questo è il motivo del “bianco nebbia” che accompagna l’emissione.

Peraltro quanto più secca risulta l’atmosfera nella quale ha luogo il rilascio, tanto più fredda e meno bianca risulterà la nube. Infatti la condensazione dell’umidità atmosferica tenderà a rilasciare del calore latente che opererà un riscaldamento complessivo della massa di vapore. La dispersione passiva, quindi, avrà luogo più velocemente in presenza di atmosfere umide.

Ora chiediamoci: le pozze di infiammabili liquidi a temperatura ambiente (acetone, benzina, ecc.) generano nubi dense?

In linea di principio NO.

I modelli ingegneristici sui quali ho avuto modo di lavorare (Britter & McQuaid, SLAB Analysis) vanno generalmente in crisi con le dispersioni di nubi di questo tipo. E se siete diffidenti nei miei confronti (cosa certamente legittima!), non lo sarete nei confronti dell’AICHE americana che tratta l’evaporazione da pozza di acetone con modelli di dispersione passiva[2].

Non crediate però di stare leggendo le elucubrazioni di una specie di “filosofia” della dispersione priva di ricadute tecnologiche reali, ok?

Le considerazioni appena svolte ci aiutano ad applicare correttamente i modelli compresi nel nuovo standard di classificazione IEC 60079-10-1:2015. Questa norma, infatti, differenzia e discretizza le modalità di dispersione in tre specifiche tipologie:

  • dispersione a getto;
  • dispersione passiva;
  • dispersione per nube densa.

Facciamo ora una prova.

Immaginiamo, dopo aver svolto i calcoli del caso, di essere in presenza di un rilascio (Wg*), derivante da una pozza di acetone, che emetta vapori con velocità pari a:

Wg* = 1 m3/s (una bella pozza!)

Che distanza di classificazione otterremmo se scegliessimo la dispersione passiva invece della nube densa?

La soluzione viene fornita dalla Figura D.1, IEC 60049-10-1:2016.

Come si può constatare l’utilizzo della nube densa in luogo della dispersione passiva conduce ad un raddoppio della distanza di classificazione (circa 4 metri di classificazione, oltre il bordo pozza, per la dispersione passiva contro gli oltre 9 metri nel caso della dispersione dovuta a gas denso).

Ci siamo quindi?

Nubi dense si.

Ma Cum grano salis.

Alla prossima!

Marzio

Domanda: e l’altezza? Qual è l’altezza di simili dispersioni?

© Marzio Marigo

[1] Ogni scenario ATEX che coinvolga infiammabili possiede sempre due fasi bene distinte: 1) rilascio, 2) dispersione. Remember it!

[2] Si. La mano è la mia.

Corso sulle novità in tema d’ATEX (Bologna, 23/02/2018), le iscrizioni sono aperte: Rischio Atmosfere Esplosive ATEX. Le novità recenti, i metodi e le applicazioni

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ATEX, serbatoi & risposte

La scorsa settimana ci eravamo lasciati con un problema aperto al quale ora cercherò di dare risposta. La soluzione passerà necessariamente attraverso una simulazione di calcolo (ed è esattamente in questo punto che perderò, probabilmente, due dei miei tre lettori).

Per le simulazioni utilizzeremo le equazioni della tensione di vapore proposte dal Perry’s Handbook. I limiti superiori di infiammabilità (UFL) saranno invece estrapolati dalla scheda di sicurezza del fornitore della miscela, un po’ datata per la verità (2003). Ad un’analisi più approfondita la MSDS si rifà al database presente nello Yaws Chemical Handbook del quale qui si può leggere un breve estratto (tratto da: Crowl, D. A. (2010). Understanding explosions. John Wiley & Sons).

Tutto bene quindi?

L’interno del serbatoio si può definire in “regime di saturazione dei vapori” e non ci pensiamo più?

Non proprio.

Per tutta una serie di ragioni che riepilogherò alla fine.

Nella realtà abbiamo svolto i calcoli con UFL “vecchi”, diciamo così. L’ultima revisione della IEC 60079-20-1 restituisce, a questo riguardo, i valori che riporto di seguito.

All’interno del serbatoio, con i dati aggiornati alle migliori fonti di informazione ora disponibili, i vapori saturi in equilibrio non superano l’UFLmix e non si può quindi escludere la presenza di ATEX durante il funzionamento ordinario del serbatoio.

Vogliamo provare a vedere ciò che risulta se utilizzassimo i valori di tensione proposti in CEI 31-35? Lascerei stare per le ragioni che ora sono più evidenti.

Cosa possiamo quindi concludere da questo paio di calcoli svolti senza fare riferimento ad alcuna situazione a me nota?

Alcune cose, direi, che riepilogo alla rinfusa:

  • è possibile che all’interno di un contenimento di infiammabili la miscela non sia innescabile almeno durante il normale esercizio (no zona ATEX quindi? Oppure si? Di che tipo? Come classifichiamo?);
  • è possibile che i calcoli, in tali casi, possano essere svolti con tecniche imprecise o non facendo riferimento a basi dati affidabili (e no, la scheda di sicurezza di dieci anni fa non va bene);
  • per il servizio di prevenzione e protezione il riferimento deve essere sempre quello della “migliore tecnica disponibile”. E quindi metodiche di calcolo precise e schede di sicurezza aggiornate;
  • le schede di sicurezza devono essere complete ed aggiornate: questo vale sia per chi le schede le fornisce sia per chi le schede le fruisce;
  • è sempre necessario adottare un adeguato margine di sicurezza su ciò che stimiamo. La nuova CEI EN 60079-10-1:2016, per esempio, può richiedere coefficienti di sicurezza che portano a dimezzare l’LFL e l’UFL di calcolo (k compreso tra 0,5 e 1). Per emissioni di grado continuo l’edizione del 2010 del medesimo standard indicava un coefficiente di sicurezza pari a 4;
  • attenzione alle valutazioni fatte sui valori medi di temperatura e pressione. A volte è necessario ricorrere a simulazioni che comprendano l’intero scenario di variabilità del processo. A questo proposito cito il riferimento IEC TS 60079-43:2017 (Equipment in adverse service conditions);
  • valutazioni di questo tipo possono richiedere la determinazione della Temperatura Limite Superiore di una miscela (introdotta per la prima volta dal Louis Medard) che spesso non viene inclusa nei database di valutazione (si veda la Figura 7 in questo documento dell’INRS);

Ultima, ma non ultima considerazione: possono certamente verificarsi condizioni di saturazione dei vapori all’interno di un serbatoio ma non scordiamoci che, poiché stiamo discutendo di un serbatoio atmosferico, esisterà una valvola di sfiato nelle adiacenze della quale la concentrazione passerà da un valore superiore all’UFL ad una valore tecnicamente nullo all’esterno della medesima. La miscela, cioè, attraverserà, per un volume più o meno consistente (e da valutare), il campo di esplosione LFL-UFL. Con le potenziali conseguenze del caso.

Alla prossima!

Ciao

Marzio

© Marzio Marigo

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