Risk Temelli Tasarım ve Proses Güvenliğinin Elemanları Yaklaşımıyla Güvenlik Yeterliliklerinin Değerlendirilmesi

Kasım 07, 2018, 11:55 am
23 dakika


Prof. Dr. Suna Balcı

Gazi Üniversitesi / Gazi University
Mühendislik Fakültesi
Kimya Mühendisliği Bölümü

 

Özet
Proses kazalarının önlenmesinde tasarım ve montaj hataları da dahil olmak üzere ekipman arızaları, yanlış bakım-onarım, yanlış kullanım, malzeme hatası, insan hatası vb. proses tehlikelerinin tanımlanması ve analiz edilmesi proses güvenlik yönetim sisteminde temel ilke olup tüm olasılıklar daha tasarım sürecinde değerlendirilmeye başlanır. Üretim hedeflendiği zaman proses detayları üzerinde durulmaz ve tasarım çalışmasına genellikle pazar-müşteri taleplerine göre ürün spesifikasyonunun ve üretim kapasitesinin belirlenmesi ile başlanır. Üretim yolunun belirlenmesinde minimum üretim maliyeti hedef alınır. İşletim maliyetlerine ek olarak yasal kısıtlamaların gerektirdiği önlemlerle birlikte güvenlik önlemleri de maliyet girdileri arasında yer almaktadır. Tasarım aşamasında yürütülen risk değerlendirmesi ile proses yaşam döngüsünün her aşamasında güvenliğin en iyi şekilde nasıl başarılabileceği ortaya konulur. Üretim yolunun belirlenmesi ve proses akış şemalarının oluşturulmasında kullanılacak kimyasalların belirlenmesi, ekipman seçimleri ve inşa yöntemlerinin planlanmasına eş olarak prosesin tüm yaşam döngüsündeki risklerin değerlendirilmesine de yer verilmesi gerekmektedir. Tehlike tanımlama ve risk değerlendirme çalışmaları, proses kimyasallarının davranışı ve ekipmanların tasarım amacından sapma olasılıkları saptar. Tasarım aşamasında etkin tehlike analizi yöntemleri ile kritik ekipmanların belirlenmesi risk kontrol süreçlerinin belirlenmesini yönetecektir. Üretim güvenliği teknik önlemlerin tespiti ve tesis edilmesi ile sağlanırken güvenlik ile ilgili önlemlerin belirlenmesi yasal mevzuatları sağlayacak şekilde teknik standartlar vb. araçların kullanımı ile sağlanır.

Giriş
Girdileri alıp bir çıktıya dönüştüren her bir aktivite veya operasyona proses denir. Bir prosesin çıktısı son ürün olabileceği gibi bir sonraki prosesin girdisi de olabilir. Hammaddelerin çeşitli enerji girdileri ile ekipmanlar içerisinde değişik proses parametre değerlerinde son ürüne dönüştüğü işlemler bütününü de üretim prosesi olarak isimlendirebiliriz. Üretim süreçleri, proses parametrelerinin proseste var olan kimyasallarının özelliklerine bağlı risklerine ilave olarak proses kaynaklı baca gazı emisyonları, sıvı ve katı atıklarında çıktığı tesislerdir. Tasarım temelinin oluşturulmasında teknik işletme parametrelerin de bu risklerin etkileri de önemli bir yer tutmaktadır. Bu riskler proses şartlarındaki değişkenlikten kaynaklanan belirsizlik ve bilgi eksikliğinden kaynaklanmaktadır. Kimyasal bir ünitenin tasarımında koruyucu önlemler ile kazaların önlenmesi planlanmakla birlikte tüm bu önlemlere rağmen kazaların meydana gelmesi tamamen ortadan kaldırılamaz. Kazalar tanım gereği ne tolere edilebilir ne de kabul edilebilir olmamakla birlikte meydana gelmesi durumunda, mümkün olduğunca hasardan kaçınılmalıdır.

Proses Güvenliği
Proses güvenliği yönetiminin temel amacı çalışanlara, diğer insanlara ve çevreye zarar verebilecek kazaların önlenmesi veya etkilerinin minimize edilmesinin yanı sıra yıkıcı ekonomik kayıpları da önlemektir. Kazalar, doğal afet vb. başlatıcı sebeplerin dışında kazalar proses güvenliğindeki açıklardan dolayı ortaya çıkmaktadır. Kazaların önlenmesinde tasarım ve montaj hataları da dahil olmak üzere ekipman arızaları, yanlış bakım, onarım, yanlış kullanım, malzeme hatası, metal yorgunluğu, korozyon, kaynak kusurları, insan hatası vb. proses tehlikelerinin tanımlanması ve analiz edilmesi proses güvenlik yönetim sisteminde temel ilkedir. Proses güvenliği tasarım konsepti ile başlar ve sürdürülen tasarım hesaplamalarında detaylı bir şekilde değerlendirilir. Tasarım problemleri az tanımlıdır ve tek bir çözüm sunmaz. Üretim hedeflendiği zaman proses detayları üzerinde durulmaz ve tasarım çalışmasına genellikle “pazar verileri-müşteri talepleri”ne göre ürün spesifikasyonunun belirlenmesi ile başlanır. Ürün spesifikasyonu tasarımcının seçim esnekliğini sınılayan en önemli dış kısıtlamalardan birisidir. Üretim kapasitesi sağlıklı bir pazar araştırması ile belirlenmekle birlikte üretim yolu hakkında bir bilgi elde bulunmaz. Üretim yolu, teknoloji-kapasite ilişkilerinin bir arada değerlendirilmesini gerektirirken, yasalar ile saptanan atık spesifikasyonları bir başka dış kısıtlama olarak tasarım çalışmasının sınırlarını çizmektedir. Bu kısıtların etkilerinin değerlendirilmesiyle hangi üretim yolunun kullanılacağı, proses birimlerinin neler olacağı ve çalışma şartları ile ekipmanlar arası akış yolunun belirlenmesinin tamamlanması ile tasarımın mühendislik hesaplamaları aşamasına geçilir. Bu seçimde ekipman performanslarını sınırlayan proses kimyasallarının davranışı (fizikokimyasal, termodinamik, faz ve kinetik verileri) hatta ekipman tasarımlarında sınırlamalar da iç kısıtlamalar olarak devreye girmektedir. Tasarım çalışmasında ana amaç, tüm kısıtlamaların değerlendirilmesi ile teknik işletilebilir proses akış şemasının oluşturulmasında ekonomik üretim maliyetine ulaşmaktır. Unutulmamalıdır  ki üretim maliyetini etkileyen girdiler yalnızca prosesin işletilmesi için gerekli harcamalar değildir. Proses güvenliğinin sağlanması için alınan önlemlerin maliyet etkileri değişken yüzdelere sahip olabilmektedir. Kimyasalların yanma-patlama eğilimleri ve toksik özellikleri  gibi tehlike bilgileri proses güvenliğinin tesisinde dış kısıtlamalar olarak devreye girmektedir. İşletme parametrelerinin bu kısıtlamalar doğrultusunda seçildiği zaman proses verimi düşük olabilir. Bu durumda yüksek verim değerlerinde güvenlik ve çevre kısıtlamalarına  yönelik önlemler ek maliyetler ile devreye sokulur.

Güvenlik Yaklaşımı ile Akış Diyagramlarının Oluşturulması
Tüm fabrikanın tasarımının geliştirilmesi, birçok farklı konunun değerlendirilmesini içerir. Ekonomik tablo genellikle önerilen tesisin yönetim onayını alıp almayacağını belirler. Tesis tasarımında, güvenli ve çevresel olarak kabul edilebilir bir şekilde mühendislik prensiplerinin uygulanması daha önceki ekonomik hedeflerin karşılanıp karşılanamayacağı ile ilgilidir. Tasarımcılar,proses yaşam döngüsünün her aşamasında güvenliğin  en iyi şekilde nasıl başarılabileceğini düşünmelidirler. Güvenli tasarım, tasarlanan prosesin ömrü boyunca  kaza risklerini ortadan kaldırmak veya en aza indirmek için tasarım sürecinin başlarında tehlike tanımlaması ve risk değerlendirme yöntemlerinin entegrasyonu olarak tanımlanan bir süreçtir. Güvenli tasarımın yürütülmesinde proses kimyasallarının özellikleri ve tehlike  bilgileri dış kısıtlamalar olarak önemli yol oynamaktadır. Güvenli tasarım, daha konsept aşamasında kullanılacak kimyasalların belirlenmesi, ekipman seçimleri ve  inşa yöntemlerinin planlanmasına eş olarak prosesin tüm yaşam döngüsündeki gerekliliklerin de düşünülmesini zorunlu kılmaktadır. Proses yaşamında, işletme ve bakım-onarım faaliyetlerinin yanı sıra yaşam döngüsünün sonlanmasında devre dışı bırakma, yıkım veya sökme ve bertaraf etme yöntemleri de göz önünde  bulundurulmalıdır. Kimyasala ait güvenlik kısıtlamaları akış şeması ve işletme şartlarının belirlenmesinde büyük önem taşır. Dolayısıyla daha proses akış şemalarının  oluşturulması aşamasında tüm yaşam döngüsüne yönelik proses güvenliği gereksinimlerinin değerlendirilmesi gerekir.

Güvenli tesis işletimi gereksinimleri, proses değişkenlerini bilinen güvenli işletim sınırları içinde tutmak, oluşan tehlikeli durumları tespit etmek, alarm ve otomatik kapatma sistemleri sağlamak ve tehlikeli işletim yöntemlerini önlemek için bağlantı ve alarmlar kurmaktır. Tasarım aşamasında yürütülen risk değerlendirmesi ile risk kontrol süreçlerinin belirlenmesi maliyet etkilerinin değerlendirlmesine ilave olarak prosesin yaşam döngüsün her aşamasında güvenliğin en iyi şekilde nasıl başarılabileceğine ışık tutar. Risk değerlendirmesinin temeli tehlike tanımlama ile başlar. Tehlikelerin tanımlanmasında, kimyasal özelliklerinin yanı sıra risk dönüşümüne yol açabilecek maruz kaldıkları proses şartları da önem arz etmektedir. Proses şartlarında olası değişiklikler ekipman içi sıcaklık, basınç, pH vb. sapmalarına yol açarak ekipman içinde faz veya reaksiyon stokimetrisi değişimlerine yol açabileceği gibi bahsi geçen proses parametrelerin kontrol dışına çıkan ani değişimlerine de yol açabilir. Bir ekipmanın fonksiyonunun ne süre ve şartlar altında yerine getirebileceği bile tasarım çıktısıdır ve kurulum aşamasında ekipmanların güvenirlik değerleri tanımlanabilir. Ekipmanların donanım ve yazılım arızaları ve muhtemel operatör hataları ile yanlış çalışması kaynaklı risklerin önlenmesine yönelik “Fonksiyonel Güvenlik” çalışmaları tasarım amacından uzaklaşma olasılıklarının değerlendirilmesi ile daha tasarım aşamasında göz önünde bulundurulabilir. Proses işletme şartları ve tasarlanan ekipman özelliklerine bağlı olarak işletme güvenirliği için “Güvenlik Merkezli Bakım” ve arızaların giderilmesi için “Risk Temelli Bakım” faaliyetleri hakkında ön bilgi edinilebilir.

Yukarıdaki hususlar göz önünde bulundurulduğu zaman “Kritik Ekipman” veya ekipmanların belirlenmesi büyük önem arz etmektedir. Kritik ekipmanların belirlenmesi fabrika yerleşim planında domino etkisinin önlenmesine uygun planın yapılmasına yol gösterir. Kritik ekipmaların olası hatalarının neler olabileceği, hangi sıklıkta ortaya çıkabileceği ve etkilerinin değerlendirilmesi proses yaşam döngüsünde gerekli kontrol faaliyetlerinin belirlendiği “Risk Esaslı Denetim” planlamalarına ışık tutacaktır. Kritik ekipman belirlenmesinde temel, olası sapmaların nelere yol açacağı ve şiddetinin öngörülmesine dayanır. Bu seçiminde arıza olasılıklarının değerlendirildiği basit risk belirleme yöntemlerinin yanı sıra ekipmanın kimyasal içeriği ve miktarını da göz önünde bulunduran “Dow Ateşleme İndeksi” (Dow-Fire Index) gibi gerçekçi yaklaşımların kulllanılmasını gerektirebilir. Kritik ekipmanlar için yürütülecek “Tehlike ve İşletilebilirlik” (Hazard and Operability-HAZOP) tehlike analizi ile proses sapmaları sağlıklı bir şekilde tespit edilebilir. Parametre değerlerinden sapmaların giderilmesine yönelik “Temel Proses Kontrol Sistemi” (Basic Proses Control System-BPCS) değerlendirilmesini de içerecek şekilde “Borulama ve Enstrümantasyon Şemaları”nın (Piping&Instrumentation Diagram-P&ID) oluşturulmasına başlanılır. Konsept proses tasarımı tamalandıktan sonra proses güvenliği için BPCS yeterliliği sorgulanarak ilave önlemler alınmasına göre gereksinim belirlenir. Basitleştirilmiş bir taramadan titiz bir HAZOP mühendislik çalışmasına kadar uzanan Proses  Tehlike Analizi (Process Hazard Analysis-PHA) ile daha tasarım aşamasında proses zayıflıkları tespit edilerek oluşturulan kaza senaryolarına dayalı olarak Koruma Katmanları Analizi/Güvenlik Analizi Aşamaları (Layers of Protection Analysis–LOPA) ile proseste Bütünlük Kaybının (Loss of Contaminent-LOC) meydana gelmesini önlenmeye yönelik risk azaltıcı önlemler ve kazanın yaşanması durumunda etki azaltma (mitigation) aksiyonlarına göre ihtiyaç ortaya konulur. İlave güvenlik gereksinime ihtiyaç duyulması durumunda “Güvenlik Enstrümanlı Sistemin” (Safety Instrumentated System- SIS) kurulması için SIS tasarımı yürütülür. SIS’in kurulumu belirlenen herhangi bir işlem sırasında oluşabilecek istenmeyen tehlikeli bir durumun algılanması ve bu durumunun engellenmesine yönelik gereken güvenlik elemanlarının devreye girmesi prensibine dayanmaktadır. SIS elemanları ve prosesteki yerlerinin belirlenmesi ile P&ID tamamlanır. P&ID otomatik kontrol devreleri; seviye, akış, basınç, sıcaklık, hız ve vb. ile tasarım değerinden sapma kontrollerini içerir. Algılama sonucu parametre sapmasının giderilmesi için uygun kontrol elamanları (P, PID, fuzzy kontrol vb.) ve bilgisayar kontrol rutinleri vb. kontrol edicilerin tesisi ile yürütülür. Bütünlük kaybına yol açan sapmaların bertarafı ile kazaların önlenmesi veya frekansının azaltılmasına yönelik risk azaltıcı önlemlerin ve kazanın yaşanması durumunda etki azaltma aksiyonlarının belirlenmesi
tasarımın son aşamasıdır.

Güvenli Tasarım Çalışma Araçları
Proses ünitelerinin tasarımında, toksik salınım, yangın, patlama veya diğer istem dışı meydana gelen olaylardan kaynaklanan tehlikeleri en aza indirmek için birçok koruyucu önlemlere yer vermek gereklidir. Proses işletmesi kaynaklı zorunlu salınım, malzeme ve atık taşıma, ekipman bağlantılarındaki kaçak emisyonlar, bakım onarım vb. işlemler, toksik ve yanıcı-parlayıcı salınımlarının temel kaynaklarıdır. Bununla birlikte, yangın çıkması veya patlamaya karşı korumalı tasarım genellikle teknik olarak her zaman mümkün olmamaktadır. Bu durumlarda etki azalmaya yönelik önlemlerin planlanması devreye girer.

Prosesin yaşam döngüsünde dikkat edilecek ve uyulacak yasal mevzuat, uygulama kuralları ve standartlar proses güvenliğinin şekillendirilmesinde zorunluluk veya yönlendirici görevlerini üstlenmektedir. Endüstriyel tesislerin kurulumunda, çalıştırılmasında ve bakımında güvenlik şartlarının sağlanması için çok farklı standartlar geliştirilmiştir. Prosesteki kimyasalların tehlikeleriyle ilgili bilgilerin derlenmesi ile başalanılır.

Fiziksel özellikler, toksidite, reaktivite, yanma-patlama eğilimleri için Malzeme Bilgi Formları (Materials Safety Data Sheets-MSDS) yeterli kalmayabilir. Bu durumda uluslararası kabul görmüş CAS (Chemical Abstract Service), ESIS (European Chemical Substance Information System) vb. sistemlerden faydalanmak gerekir. İzin verilebilir maruziyet bilgilerine yönelik mevzuatların uygulanması ile sağlık risklerinin kontrolü sağlanırken proses parametrelerindeki kontrol dışı sapmalar ve tahmin edilebilir hatalı işlem sonucu karışan farklı kimyasalların tehlikeli etkilerinin değerlendirilmesi de göz önünde bulundurulmalıdır. Yanma-patlama eğilimlerinin istenmeyen kazalara yol açmaması için ilgili mevzuatlara uyulmasına yönelik sağlıklı hesaplamaların yapılması, kabul görmüş standarların kullanılması ile yapılır.

Sonuç
Teknik tasarım ile yürütülen güvenlik tasarımında güvenliğin tüm yaşam döngüsünde nasıl tesis edileceği de düşünülerek mümkün olduğunca erken evrelerde planlanır. Güvenli tasarım ve kurulum, tasarım sürecinde tehlike tanımlaması ve risk değerlendirme yöntemlerinin entegrasyonu ile sağlanır. Bu aşamada kimyasal tehlike bilgileri ve proses sapmalarının değerlendirilmesi önemlidir. Sağlıklı risk değerlendirmesi ve güvenli tasarıma ulaşma birçok mühendislik sorusu gibi, nispeten basit soruları yanıtlamayı da gerektirir. “Neyi araştırıyorum?” ile sistem açıklaması; “Ne yanlış gidebilir?” ile tehlike tanımlaması ve arıza durumlarının tespit edilmesi; “Ne kadar kötü?” ile sonuç ve etki analizi; “Ne sıklıkla?” ile frekans tahmini; “Ne olur?” ile risk hesaplaması ve risk değerlendirmesi; “Ne yaparım?” ile risk yönetiminin yol haritası tasarım aşamasında ortaya konulur. Bu soruların da katkısı ile üretim  güvenliği teknik önlemlerin tespiti ve tesis edilmesi ile sağlanırken önlemlerin belirlenmesine yasal mevzuatları sağlayacak şekilde teknik standartlar vb. araçların kullanımına gereksinim ortaya çıkar. Sistem ile uyumlu standartların kullanımı risk yönetimi için en kuvvetli yardımcıdır.

Kaynaklar
• Lipton, S., Lynch, J., “Health Hazard Control in the Chemical Process Industry,” Wiley, New York, 1987.
• McKinnon, G.P., Tower, K., “Fire Protection Handbook,” National Fire Protection Association, Boston, MA, 1986.
• Peters, M.S., Timmerhaus, Klaus D., West, Ronald E. “Plant Design and Economics for Chemical Engineers,” 5th ed., McGraw-Hill, New York, 2003.
• Seider, W.D., Seader, J.D., Lewin, D.R., Widagdo, S., “Product & Process Design Principles”, 3nd ed., Wiley, New York, 2010.
• Sinnott, R.K. “Coulson & Richardson Series: Chemical Engineering Design”, 6th ed., Butterworth-Heinemann, Oxford, 2005.
• Turton, R., Bailie, R.C., Whiting, W.B., Shaeiwitz, J.A., Bhattacharyya, D., “Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes”, 4th ed., Pearson, New Jersey, 2013.

 

  • (gizli tutulacaktır)