Kimyasal proses endüstrisinde buhar bulutu patlama riskinin SAM-y ile değerlendirilmesi
The evaluation  of vapor cloud explosion risk through SAM-y in chemical process industries
Yazar: FERDİ ÇALIK
Danışman: PROF. DR. GÖKÇEN ALEV ÇİFTÇİOĞLU ; PROF. DR. NEŞET M. KADIRGAN
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İş Güvenliği Ana Bilim Dalı / İş Güvenliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Buhar patlaması = Steam explosion ; Hasar riski = Damage risk ; Olasılık-etki analizi = Probability-effect analysis risk ; Proses =   ; Riskten korunma = Protection from risk ; İş güvenliği = Work safety

Özet:
Özellikle buhar bulutu (BB) oluşturma kapasitesine sahip kimyasallarla çalışan tesisler, tesis ve etrafındaki yaşam alanları için oldukça yıkıcı ve geri döndürülemez sonuçlara sebebiyet verebilecek patlamaların önlenmesi için büyük bir çaba sarf etmektedir. 
Kimyasal prosesleri içeren işletmelerde, olası risklerin değerlendirilmesi için kullanılan mevcut yöntemler (Fine Kinney, ETA, FTA, FMEA, HAZOP, LOPA vb.) bireysel risklerin yanında, tesisi ve tesis çevresini etkileyebilecek; patlama gibi katastrofik risklerin değerlendirilmesinde yetersiz kalmaktadır. Bu tez çalışmasında önerilen sonuç analizi modelleme yaklaşımı (SAM-y); olayın meydana gelme frekansından bağımsız olarak, olası bir patlama riskinin; tesis ve çevresi için oluşturması muhtemel zarar görebilirlik seviyesini kantitatif yöntemle değerlendirilmesine imkân tanıyan önemli bir araçtır. Geleneksel "Kantitatif Kimyasal Risk Değerlendirmesi (KKRD)' nin önemli bir parçası olan sonuç analizi aşaması, LPG depolanan ve transfer edilen bir petrokimya işletmesine uyarlanarak, sıvılaştırılmış Propan gazından kaynaklanan olası bir buhar bulutu patlama(BBP) riski; güncel, sistematik ve belirsizliklerin minimum düzeye indirildiği proaktif bir bakış açısıyla sunulmuştur. Bu bakış açısı kimyasalların elleçlendiği orta ölçekli bir işletmeden büyük ölçekli işletmelere kadar birçok endüstriyel patlama riskinin değerlendirilmesine imkân tanır. 
SAM-y metodu genel itibariyle; 1) Potansiyel sızıntı senaryolarının tanımlanması, 2) Tesise özgü meteorolojik verilerin tanımlanması, 3) Senaryo parametrelerinin analizi 4) CBS (Coğrafi Bilgi Sistemleri) tabanlı MARPLOT haritalama yazılımı üzerinde hassas lokasyonların seçilmesi, 5) Propan buhar bulutu patlaması(BBP)' dan kaynaklı zarar görebilirlik seviyesinin probit (olasılık) fonksiyonları ile tahmini, şeklinde beş temel basamaktan oluşmaktadır. SAM-y senaryo belirleme aşamasında toplamda 27 adet senaryo tanımlandı, fakat; 12 tanesi düşük buhar bulutu kütlesi ve açık alan parametrelerine(rüzgâr hızına bağlı olarak gazın hava ile hızlı seyrelmesi) bağlı olarak senaryo veri setinden çıkartılmıştır. MARPLOT haritalama yazılımı üzerinde tesis içi ve çevresinde seçilen hassas lokasyonlar (A: tesis kontrol odası, B: komşu tesis ofis binası, C: barınak, D: en yakın yaşamsal alan); belirlenen zarar görebilirlik türüne göre (Y1: yapının çökmesi, Y2: majör hasar, Y3: minör hasar, Y4: kafa darbesi kaynaklı ölüm, Y5: tüm vücut yer değiştirmesi kaynaklı ölüm); ramak kala dispersiyon senaryoları (RKDS-4, RKDS-5), tesis tespit ve izolasyon sınıfına dayanan senaryolar (TTİS-1, TTİS-2, TTİS-3, TTİS-4, TTİS-5, TTİS-6, TTİS-7, TTİS-8, TTİS-9) ve kaza benzetim senaryoları(KBS-1, KBS-2, KBS-3, KBS-4) kapsamında analiz edilmiştir. 
SAM-y çalışmasından elde edilen sonuçlara göre; özellikle, KBS-4 için(38.5 ton); hâkim rüzgâr yönünde ve patlama merkezine 777 m' lik mesafe içerisinde 55158 Pa(kırmızı renkli tehdit bölgesi; yapı çökmesi için eşik değer) üzerinde aşırıbasınç değeri oluşmaktadır. Patlama merkezine yaklaştıkça, yapı çökmesi ve çökme kaynaklı ölüm olasılığı 70%'ten 100%'e çıkmaktadır. Belirlenen zarar görebilirlik türleri için; Y1: yapının çökmesi ve Y2: majör hasar tahminlerini 70% üzeri veren SAM-y senaryolarının(RKDS-5, TTİS-3, TTİS-5, TTİS-7, TTİS-9, KBS-1, KBS-2, KBS-4) SEVESO kapsamında, 70%'in altındaki hasar olasılığı öngören senaryolarında patlamadan korunma (PKD) kapsamında değerlendirilmesi öngörülmektedir. Ayrıca, hedef lokasyonun patlama merkezine olan uzaklığından ziyade Propan gazının dispersiyon yönü ve tutuşma noktası gibi parametreler olası hasar ile yakından ilişkilidir. Yaklaşık 10 ton ve üzeri Propan gazı dispersiyonunda 686 m uzaklıktaki en yakın yaşamsal konut için minör hasar (camların, kiremitlerin parçalanması vb.) olasılığı 75% üzerine çıkmaktadır. Sıkışık geometrilerde meydana gelebilecek BBP kaynaklı zarar görebilirlik seviyesi tesis kontrol odası (A) ve komşu tesis ofis binası (B) için yapı çökmesi ve majör hasarı, barınak ve en yakın yaşamsal konut için minör ve majör hasar olasılığını attırıcı yönde etki göstermektedir. Bu tez çalışmasında ele alınan 

Anahtar Kelimeler: İş güvenliği, Kimyasal Proses Güvenliği, Kantitatif Risk Analizi, Buhar Bulutu Patlaması, SAM-y, Zarar Görebilirlik Seviyesi

Abstract:
The Facilities working with chemicals capable of forming a vapor cloud make a great effort to prevent explosions that can cause very destructive and irreversible consequences for the facility and the living areas around it. Risk assessment methods such as Fine Kinney, Event Tree, Fault Tree, FMEA, HAZOP, and LOPA are used especially in facilities involving chemical processes. However, these methods are insufficient in the assessment of catastrophic risks such as explosions that may affect the facility and its environment. The consequence analysis modeling approach (SAM-y) proposed in this thesis study; is an important tool that allows the quantitative method to evaluate the level of vulnerability that a possible explosion risk may create for the facility and its environment, regardless of the frequency of occurrence of the event. The results analysis phase, which is an important part of the traditional Quantitative Chemical Risk Assessment was adapted to a petrochemical plant where LPG is stored and transferred. A possible vapor cloud explosion risk from liquefied Propane gas is presented with an up-to-date, systematic, and proactive point of view where uncertainties are minimized. This perspective allows the assessment of explosion and gas release risks from a medium-sized facility to large-scale facilities where chemicals are handled. The SAM-y method generally consists of five basic steps; 1) defining potential leak scenarios, 2) defining meteorological data for the facility, 3) analysis of scenario parameters, 4) Selection of sensitive locations on GIS(Geographical Information Systems) based MARPLOT Mapping software, 5) the estimation of vulnerability levels caused by LPG vapor cloud explosion. A total of 27 scenarios were defined during the SAM-y scenario determination phase. However, 12 scenarios were excluded from the scenario dataset in relation to low Propane vapor cloud mass and outdoor parameters(quick dilution of gas with air depending on wind speed).
The sensitive locations selected in and around the facility on the MARPLOT mapping software were analyzed within the scope of near-miss dispersion scenarios (RKDS-4, RKDS-5), scenarios based on facility detection and isolation class(TTİS-1, TTİS-2, TTİS-3, TTİS-4, TTİS-5, TTİS-6, TTİS-7, TTİS-8, TTİS-9), and accident simulation scenarios(KBS-1, KBS-2, KBS-3) according to the identified vulnerability type. According to the results obtained from the SAM-y study; in particular, for KBS-4 (38.5 tons); In the prevailing wind direction and within 777 m of the explosion center, an overpressure value above 55158 Pa (red colored threat zone; threshold value for structure collapse) occurs. The probability of building collapse and death from collapse increases from 70% to 100% as you get closer to the explosion center. For the identified vulnerability types; For Y1: the collapse of the structure and Y2: major damage estimations, SAM-y scenarios (RKDS-5, TTİS-3, TTİS-5, TTİS-7, TTİS-9, KBS-1, KBS-2, KBS-4) that give more than 70% are considered within the scope of SEVESO, and in scenarios that predict damage probability below 70%, it is expected to be evaluated within the scope of explosion protection (PKD). In addition, parameters such as Propane gas dispersion direction and ignition point are closely related to possible damage, rather than the distance from the target location to the explosion center. In a Propane gas dispersion of about 10 tons or more, the probability of minor damage rises to over 75% for the nearest residential point at a distance of 686 m. The level of vulnerability caused by BBP in congestion geometries increases the probability of structural collapse and major damage to the facility control room (A) and the adjacent facility office building (B), and minor and major damage to the shelter and the nearest residential area. 

Keywords: Work Safety, Chemical Process Safety, Quantitative Risk Analysis, Vapor Cloud Explosion, SAM-y, Vulnerability Levels