Capitolo 1 : Ingegneria della sicurezza

L'ingegneria è una materia che garantisce che i sistemi ingegnerizzati forniscano livelli di sicurezza adeguati. Una delle discipline ingegneristiche è l'ingegneria della sicurezza. Nell'ambito dell'ingegneria industriale e dell'ingegneria dei sistemi, nonché nel sottocampo dell'ingegneria della sicurezza dei sistemi, ha un forte legame. Anche nel caso in cui singoli componenti si guastino, l'ingegneria della sicurezza garantisce che un sistema critico per la vita continui a funzionare come previsto.

Esistono due categorie distinte che possono essere utilizzate per classificare le tecniche di analisi: i metodi qualitativi e gli approcci quantitativi. Trovare relazioni causali tra un pericolo a livello di sistema e guasti di componenti specifici è l'obiettivo di entrambi gli approcci, che sono correlati tra loro. La domanda "Cosa deve andare storto, in modo tale che possa verificarsi un pericolo per il sistema?" è il punto focale degli approcci qualitativi, mentre l'obiettivo dei metodi quantitativi è fornire calcoli della probabilità, dei tassi e/o della gravità degli effetti.

D'altra parte, la complessità dei sistemi tecnologici, che include cose come miglioramenti al design e ai materiali, ispezioni pianificate, progettazione infallibile e ridondanza di backup, riduce i rischi e contemporaneamente aumenta i costi. A seconda delle circostanze, il rischio può essere ridotto a livelli che siano il più basso ragionevolmente possibile (ALARA) o il più basso realisticamente raggiungibile (ALAPA).

Le tecniche per l'analisi della sicurezza si sono tradizionalmente basate esclusivamente sulla conoscenza e l'esperienza dell'ingegnere della sicurezza che esegue lo studio. Nel corso degli ultimi dieci anni, le metodologie basate su modelli, come STPA (Systems Theoretic Process Analysis), hanno acquisito un'importanza significativa. D'altra parte, le tecniche basate su modelli, a differenza dei metodi tradizionali, si sforzano di dedurre i collegamenti tra cause e conseguenze da una sorta di modello del sistema.

FMEA, acronimo di failure mode and effects analysis, e FTA, acronimo di fault tree analysis, sono le due metodologie di modellazione dei guasti più utilizzate. Allo stesso modo in cui la valutazione probabilistica del rischio fa uso di queste metodologie, sono solo metodi per localizzare i problemi e sviluppare strategie per affrontare i fallimenti. Uno dei primi studi che ha utilizzato questo metodo su un impianto nucleare commerciale è stata la ricerca WASH-1400, che a volte viene indicata come la ricerca sulla sicurezza dei reattori o il rapporto Rasmussen. Questo studio è stato notato per la sua natura completa.

L'analisi delle modalità e degli effetti dei guasti, nota anche come FMEA, è un processo analitico induttivo che viene eseguito dal basso verso l'alto. Può essere eseguita sia a livello funzionale che a livello di pezzo. Il processo di analisi delle modalità e degli effetti dei guasti funzionali (FMEA) prevede la determinazione delle modalità di guasto per ciascuna funzione in un sistema o in un'apparecchiatura, in genere con l'assistenza di un diagramma a blocchi funzionale. Durante il processo FMEA pezzo-parte, le modalità di guasto sono determinate per ogni componente considerato un pezzo-parte (ad esempio, una valvola, una connessione, un resistore o un diodo). Viene spiegata la modalità di errore e viene attribuita una probabilità agli impatti della modalità di errore. Questa probabilità è determinata dal rapporto tra il tasso di errore e la modalità di guasto della funzione o del componente. Per il software, questa quantizzazione è impegnativa poiché è difficile determinare se esiste o meno un difetto e i modelli di guasto utilizzati per i componenti hardware non si applicano. Le variabili come la temperatura, l'età e la variabilità di produzione hanno un impatto su un resistore, ma non hanno alcun impatto sul software.

È possibile combinare le modalità di guasto che hanno gli stessi effetti e descriverle in un documento chiamato Riepilogo degli effetti della modalità di guasto. In combinazione con l'analisi delle criticità, l'analisi delle modalità e degli effetti dei guasti (FMEA) è indicata come analisi delle modalità, degli effetti e delle criticità dei guasti (FMECA).

L'analisi dell'albero degli errori, spesso nota come FTA, è un approccio logico e dall'alto verso il basso. Quando si utilizza l'FTA, gli eventi primari attivati da fattori quali guasti di componenti, errori umani ed eventi esterni vengono seguiti attraverso porte logiche booleane fino a raggiungere un evento superiore indesiderato. Potrebbe trattarsi di un incidente aereo o della fusione del nocciolo di un reattore nucleare. Oltre a garantire che gli obiettivi di sicurezza siano stati raggiunti, lo scopo di questo sforzo è quello di trovare strategie per ridurre la probabilità che si verifichino i principali eventi.

Applicando il teorema di de Morgan agli alberi di successo, che sono direttamente correlati ai diagrammi a blocchi di affidabilità, si possono generare alberi di guasto, che sono l'inverso logico degli alberi di successo. Gli alberi delle faglie possono essere ottenuti applicando il principio di de Morgan.

Può essere attuato un accordo di libero scambio qualitativo o quantitativo. È possibile condurre un'analisi qualitativa degli alberi dei guasti per set di tagli minimi in situazioni in cui la probabilità di guasto e di evento è sconosciuta. Ad esempio, se un singolo evento di base è incluso in un set di tagli minimi, l'evento superiore può essere il risultato di un singolo errore. Per calcolare la probabilità di evento superiore, viene utilizzato l'FTA quantitativo e in genere richiede l'utilizzo di software per computer come CAFTA, sviluppato dall'Electric Power Research Institute, o SAPHIRE, sviluppato dall'Idaho National Laboratory.

Gli alberi delle faglie e gli alberi degli eventi sono entrambi utilizzati in alcuni settori economici. A partire da un iniziatore indesiderato (come la perdita di un'alimentazione critica o il guasto di un componente, ad esempio), un albero di eventi procede quindi a seguire potenziali eventi di sistema aggiuntivi fino a una serie di conseguenze finali. Man mano che si tiene conto di ogni nuova occorrenza, viene aggiunto un nuovo nodo all'albero e le probabilità di selezionare uno dei due rami vengono divise tra i due nuovi nodi. Quando ciò si verifica, è possibile visualizzare la probabilità di una varietà di "eventi principali" che sono il risultato dell'evento iniziale.

Al fine di garantire la sicurezza dei sistemi e delle piattaforme di produzione offshore, il settore petrolifero e del gas offshore utilizza un processo noto come analisi qualitativa dei sistemi di sicurezza. Durante la fase di progettazione, l'analisi viene utilizzata per identificare i pericoli dell'ingegneria di processo e i metodi di mitigazione del rischio. Questa attività si svolge durante tutta la fase di progettazione. Il processo è delineato nella Recommended Practice 14C dell'American Petroleum Institute, intitolata "Analisi, progettazione, installazione e test dei sistemi di sicurezza superficiale di base per le piattaforme di produzione offshore".

Il metodo impiega tecniche di analisi del sistema al fine di accertare i requisiti di sicurezza che devono essere soddisfatti al fine di salvaguardare qualsiasi singolo componente del processo, come un recipiente, una tubazione o una pompa. Le esigenze di sicurezza dei singoli componenti sono integrate in un sistema completo di sicurezza della piattaforma. Questo sistema comprende sistemi di supporto di emergenza come il rilevamento di incendi e gas, nonché sistemi di contenimento dei liquidi.

Nella fase iniziale dello studio, vengono identificati componenti specifici del processo. Questi componenti possono includere linee di flusso, collettori, recipienti a pressione, recipienti atmosferici, riscaldatori accesi, componenti riscaldati di scarico, pompe, compressori, tubazioni e scambiatori di calore. Le linee di flusso sono inoltre un componente del processo. Su ciascun componente viene eseguita un'analisi della sicurezza al fine di determinare il verificarsi di eventi sfavorevoli (come il guasto di un'apparecchiatura o il disturbo del processo, tra le altre cose) che richiedono protezione. A seguito dell'analisi viene identificata una condizione rilevabile, come una pressione eccessiva. Questa condizione viene quindi utilizzata per avviare azioni volte a prevenire o limitare l'impatto di eventi indesiderati. Di seguito sono elencati i componenti inclusi in una tabella di analisi della sicurezza (SAT) designata per i recipienti a pressione.

L'afflusso è maggiore del deflusso

Blowby di gas (proveniente dalla direzione a monte)

Incapacità di gestire la pressione

Aumento della temperatura

Un surplus di apporto di calore

Il flusso della lumaca liquida

Deflusso del liquido bloccato o limitato

Impossibilità di regolare il livello

La sottopressione, il blowby del gas, le perdite e l'eccesso di temperatura sono alcuni degli eventi più spiacevoli che possono verificarsi in un recipiente a pressione. Anche questi eventi, insieme alle condizioni ad essi collegate e che possono essere rilevate, sono indesiderabili.

Dopo l'identificazione degli eventi, delle cause e delle condizioni che possono essere rilevate, la fase successiva dell'approccio prevede l'utilizzo di una lista di controllo per l'analisi della sicurezza (SAC) all'interno di ciascun componente. Di seguito è riportato un elenco dei dispositivi di sicurezza che possono essere necessari o delle circostanze che eliminano il requisito di tale tecnologia. A titolo illustrativo,...