¿Qué son los Sistemas de Protección de la alta integridad? (High Integrily Protective Systems) – HIPS

Por Victor Machiavelo Salinas
TUV FS Expert ID-No 141/09
México Automatización,
Edición Mayo – Julio 2009.

Introducción

Los Sistemas de Protección de Alta Integridad HIPS por sus siglas en Inglés, están relacionados más comúnmente a los Sistemas Instrumentados de Seguridad de Protección de Altas Presiones (High Integrity Pressure Protective Sistems) HIPPS.

Tradicionalmente estos sistemas han sido diseñados para cubrir un Nivel de Integridad de Seguridad NIS (SIL) alto generalmente SIL3 y en ocasiones SIL4, debido a las afectaciones que tiene la liberación de productos en tanques y tuberías presurizadas para el medio ambiente, instalaciones y seres humanos.

Sin embargo se deben de realizar los estudios de confiabilidad para realmente decidir qué nivel de integridad de seguridad deberán tener estos sistemas.

Aplicación de los HIPPS

Los sistema s HIPPS son utilizados en la industria del petróleo y química para el monitoreo y protección de tanques, reactores y tuberías que maneja n productos tóxicos o explosivos, y su principal función es la protección contra una sobre presión que potencialmente, de no ser controlada, puede generar una liberación de materia o energía.

Algunas aplicaciones típicas son: Sistemas de protección en reactores donde se generan reacciones· exotérmicas, sistemas de protección de pozos productores de gas o aceite, baterías de separación de gas/aceite, estaciones de compresión y bombeo. Típicamente las protecciones a estos Sistemas son contempladas en las normas ANSI/ISA-84-00-01-2004 y IEC61511 como Funciones Instrumentadas de Seguridad (IPL), por la tanto se deberán de determinar los Niveles de Integridad de Seguridad (NIS-SIL) requeridos para cada aplicación.

Los sistemas HIPPS van siempre asociados con una capa de protección independiente (IPL) mecánica, esta puede ser una válvula de seguridad o disco de ruptura que desfogue al medio ambiente, a un quemador, a una línea de relevo o a tanques de contención.

Esto nos lleva a que definamos ¿qué es alta presión? Obviamente no hay una regla que nos de esta definición ya que cada aplicación deberá ser analizada de forma independiente, la figura 1 nos da una relación del concepto de presión en un sistema HIPPS.

En el pasado el estándar de la American Petroleum Institute API 14-C (Sólo aplicable para instalaciones Costa Afuera) proveía las bases para el diseño y protección en tuberías y tanques presurizados, generalmente introduciendo elementos mecánicos de protección, este estándar tipo “Prescriptivo”, debido a que no se basa en un cálculo de desempeño, se continua utilizando como una buena práctica de ingeniería, pero la utilización de las normas ANSI/ISA-84-00-01-2004 y IEC61511 tipo “Cálculo de Desempeño” nos lleva a diseñar estos sistemas basándonos en cálculos y asignación de Niveles de Integridad de Seguridad.

Esto es de particular importancia cuando se tienen instalaciones que manejan grandes volúmenes de productos tóxicos y explosivos pero con diferencias en las presiones de operación, por ejemplo, encontramos que hay pozos de producción de gas o aceite que manejan presiones de 70 Kg/cm2 en instalaciones Costa Afuera, hay instalaciones Costa Dentro donde los pozos manejan presiones de 7 Kg/cm2, aplicaciones similares presiones diferentes, sin embargo, al analizar un tanque de separación gas/ aceite para ambos pozos encontramos que el diseño es el mismo como se muestra en la figura 2.

Si únicamente nos basáramos en un estándar tipo prescriptivo como API14C en teoría el nivel de seguridad en un separador que maneja una presión alta (Costa Afuera) como el que maneja baja presión (Costa Adentro) deberían incluir las mismas funciones instrumentadas de seguridad, las mismas capas independientes de protección, y con el mismo nivel de integridad de seguridad (NIS-SIL).

Importancia de las Normas ANSI/ISA-84-00-0 1-2004 y IEC61511

Una de las contribuciones que las normas basadas en desempeño (cálculos) nos aportan en los sistemas HIPPS, está dada en el análisis de cada aplicación y la determinación del nivel de integridad de seguridad requerido y proporcionado, es muy frecuente que se seleccionen y se instalen sistemas sobredimensionados para los sistemas de manejo de presión, si bien en un principio esto nos asegura un nivel de seguridad alto, debemos tener en cuenta los factores importantes en la determinación de NIS-SIL,

1). La probabilidad de Falla Sobre Demanda Promedio PFDav está dada por la suma de los componentes que forman la función instrumentada de seguridad, un sistema sobredimensionado será costoso y complejo de mantener y

2). El Intervalo de Pruebas en un sistema instrumentado de seguridad es un factor clave en el cálculo de PFDav, un sistema sobredimensionado implica pruebas continuas, esto no siempre es posible en instalaciones que operan de forma continua y con altas presiones, en muchas ocasiones esto lleva a que durante las pruebas, los sistemas se degraden y la seguridad en los sistemas disminuya.

Consideraciones al utilizar un HIPPS

Algunas de las consideraciones que se deben seguir al dimensionar un HIPPS basándonos en el ciclo de vida de seguridad pueden ser:

  • Realizar un estudio de análisis de riesgos y definir, ¿Qué es Alta Presión en el Sistema?
  • Determinar de acuerdo a los estándares de la empresa cual es el nivel de riesgo aceptable.
  • Determinar el Nivel de Integridad de Seguridad (NIS-SIL) Objetivo para el sistema HIPPS, verificar las buenas prácticas de ingeniería y normas existentes para determinar las diferentes Capas Independientes de Protección que se pueden utilizar en la aplicación como son válvulas de seguridad, sistemas de desfogue, sistemas de quemadores, diques protectores, sistemas de contención y sistemas de Gas y Fuego.
  • Desarrollar la Especificación de Requerimientos de Seguridad, esta es una fase crítica ya que hay que proporcionar información completa y verídica para que se diseñe, especifique, adquiera e implemente un sistema HIPPS.
  • Diseñar, Adquirir y Construir el HIPPS.
  • Instalar, Comisionar y Validar el sistema HIPPS.
  • Operar y Mantener el sistema HIPPS.
  • Realizar Modificaciones al sistema HIPPS.
  • Desmantelamiento El sistema HIPPS.

Una parte fundamental en los sistemas es la correcta y precisa documentación de los cálculos realizados y el proceso de implementación del HIPPS.

Conclusión

Los sistemas HIPPS, son un buen ejemplo de la concordancia que se puede obtener al utilizar buenas prácticas de ingeniería dadas por estándares basados en reglas o prescriptivos y los estándares basados en desempeño o cálculos, los Ingenieros en Seguridad Funcional nos debemos basar en análisis cualitativos y cuantitativos al diseñar sistemas instrumentados de seguridad, no debemos realizar suposiciones basadas en la experiencia al diseñar un sistema HIPPS dado que conceptos como la definición de ¿qué es una alta presión? Deben ser analizados caso por caso, para no sobredimensionar los sistemas pero también para asegurar instalaciones seguras y confiables.

Desafío

La práctica recomendada api-521 “guide for pressure-relieving and depressuring systems ” Indica en Ia sección 2.2 “Overpressure criteria” menciona la posibilidad de que algunos escenarios de sobrepresión requieran el uso de hipps, mencione al menos 4 de estos escenarios y la razón por la que debe ser considerado.

Solución del desafío

Las aplicaciones más comunes son las siguientes, sin limitarse solo a ellas:

  1. “Hot spots”, se conoce así a los escenarios en los que se lleva a cabo una reacción química que de no controlarse adecuadamente, puede dar lugar a un incremento súbito de la presión causando la pérdida de contención antes de que los dispositivos de relevo puedan aduar de manera adecuada.
  2. Reacciones químicas en las que la tasa de desfogue más baja posible, requiere un área de venteo demasiado grande, haciendo el diseño impráctico.
  3. Reacciones exotérmicas a tasas incontrolables causando una propagación de la tasa de incremento de presión demasiado alta. Este caso en particular ha sido poco estudiado.
  4. Polimerización o asentamiento de materiales durante la operación normal de la planta que de acuerdo a registros históricos pueden bloquear pardalmente o causar taponamientos en los sistemas de desfogue convencionales.
  5. Diseños de tuberías en los que los taponamientos pueden causar que el sistema de desfogue o los ventees queden inutilizados (ejemplo, sistemas de compresores con varios contribuyentes a un cabezal general, “bolsas” en el diseño de la tubería).
  6. Sistemas de venteo multifásicos en los que el comportamiento del venteo es difícil de predecir.
  7. La instalación de un dispositivo de venteo crea un riesgo mayor al que protege (ejemplo, venteo de gases tóxicos como amoniaco o ácido fluorhídrico).
  8. En los casos anteriores, el nivel de reducción de riesgo que puede proveer un sistema de venteo, es mínimo, por lo que se debe pensar en alternativas que reduzcan efectivamente el riesgo.
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