EFEITOS FÍSICOS
E ANÁLISE DE
1.
INTRODUÇÃO
A metodologia da análise de vulnerabilidade consiste no conjunto de modelos e técnicas usados para estimativa das áreas potencialmente sujeitas aos efeitos danosos de liberações acidentais de substâncias perigosas ou de energia de forma descontrolada.
Estas liberações descontroladas geram os chamados efeitos físicos dos acidentes (sobre pressão, fluxo térmico e nuvens de gases tóxicos) que potencialmente podem gerar danos às pessoas e/ou instalações.
A extensão dos possíveis danos é delimitada pela intensidade do efeito físico causador do dano, sendo que a relação entre a intensidade do efeito físico e o dano correspondente fica estabelecido por meio dos modelos de vulnerabilidade. As etapas a serem executadas podem ser resumidas em:
A avaliação dos efeitos físicos decorrentes de vazamentos de produtos perigosos, incêndios e explosões, dependendo do tipo de material e das condições em que este se encontra, pode requerer o uso de modelos, os quais possibilitam o cálculo de:
1. Descarga: Quantidades vazadas ou taxas de descarga de material (líquido, gasoso e bifásico);
2. Evaporação súbita ("flasheamento") de líquidos superaquecidos;
3. Espalhamento das poças de líquidos ou gases liquefeitos e evaporação; 4. Dispersão de gases (leves ou pesados) na atmosfera;
5. Determinação dos Efeitos Tóxicos e Inflamáveis.
A Figura 1 mostra o esquema básico a ser seguido para modelagem de um acidente envolvendo produtos tóxicos ou inflamáveis.
Os módulos de cálculo para as principais fases de evolução do acidente estão apresentados a seguir. Para a avaliação da área vulnerável, a primeira etapa é a “caracterização do cenário de acidente”, que consiste na apresentação de todas as condições físicas e das hipóteses necessárias para a determinação dos efeitos físicos do acidente, tais como, a localização do vazamento no duto
(ponto de liberação), o produto envolvido e as suas condições termodinâmicas no momento do vazamento.
Os itens a seguir deste capítulo detalham todos os dados e informações utilizados na Análise de Vulnerabilidade, indicando também valores para os principais parâmetros de cálculo e premissas que deverão ser adotas nas simulações.
Figura 1 - Diagrama Lógico para Análise de Vulnerabilidade de Acidentes com Produtos Perigosos
2. ETAPAS DA SIMULAÇÃO
Em termos gerais, a modelagem desses cenários pode ser dividida nas seguintes etapas:
2.1 CARACTERIZAÇÃO DO CENÁRIO DE ACIDENTE
Geralmente, um cenário de acidente que possa gerar um efeito físico que acarrete algum tipo de consequência, origina-se a partir de uma ruptura ou vazamento, com liberação súbita de grande quantidade de material tóxico ou inflamável.
A caracterização dos cenários de acidente é uma das etapas fundamentais da Análise de Vulnerabilidade, uma vez que os resultados obtidos nas simulações dependem das condições associadas à ocorrência de cada um dos cenários.
Assim, conforme mostra o exemplo da Tabela 1, deve-se dispor de informações sobre o produto, condições que este se encontra, o tamanho e local do vazamento e o tipo de liberação (contínua, transiente ou instantânea).
Estas informações servem para especificar como ocorre a liberação, sendo usadas nas simulações.
Tabela 1 – Caracterização do Cenário
2.1.1 DETERMINAÇÃO DA SUBSTÂNCIA A SER LIBERADA
• Substância pura: a mesma é selecionada diretamente no software;
• Mistura: de acordo com a composição da corrente envolvida na análise, utilizando as substâncias puras e as frações mássicas ou molares
2.1.2 DETERMINAÇÃO DO INVENTÁRIO
Consiste na massa total disponível para liberação.
Neste caso estão incluídos:
• Inventário existente em todos os reservatórios (vaso, tanque, coluna, esfera) interligados ao ponto onde será considerada a liberação;
• Massa alimentada ao sistema até que ocorra acionamento de bloqueios, interrupção de bombeios ou qualquer outro meio que limite a alimentação contínua de material ao ponto de vazamento.
2.1.3 DETERMINAÇÃO DAS CONDIÇÕES DA SUBSTÂNCIA A SER LIBERADA
Temperatura e pressão em que o material a ser liberado encontra-se no reservatório (vaso, tanque, coluna, esfera) ou na linha onde está localizado o ponto de liberação são fornecidas e utilizando as equações de estado da substância, é definido o estado do material:
• Gás pressurizado: caso a temperatura escolhida seja acima da temperatura de saturação para a pressão especificada
• Líquido a pressão de vapor: a substância encontra-se em condições de saturação; neste caso, poderá ser feita liberação tanto na fase líquida como na fase vapor;
• Líquido sobrepressurizado: quando a substância está líquida, mas a uma pressão superior à sua pressão de vapor;
• Líquido a temperatura ambiente
2.1.4 DETERMINAÇÃO DO TIPO DE LIBERAÇÃO
De acordo com o cenário de acidente a ser simulado, é estabelecido o modelo de liberação mais adequado à condição. Os principais modelos utilizados, entre aqueles existentes no software, são:
• Ruptura Catastrófica: esse modelo considera a liberação instantânea de todo o inventário calculado no sistema, conforme apresentado na Figura 2, esse modelo foi desenvolvido para modelagem de cenários onde considera-se que o reservatório foi destruído por um impacto ou outro tipo de falha que leva a um desenvolvimento muito rápido do acidente. A premissa adotada é que o inventário liberado forma uma
massa homogênea, expandindo-se rapidamente como uma nuvem semiesférica.
Figura 2 – Ruptura catastrófica do vaso
• Vazamento: este modelo é empregado no caso de um furo em um reservatório (vaso, tanque, coluna, esfera) ou um pequeno vazamento em uma tubulação de maior diâmetro (por exemplo, um furo de 1” em uma linha de 8” de diâmetro). Este modelo faz o cálculo da descarga através de um orifício perfeito, para o qual assume que não há perda de carga por fricção enquanto o fluido passa pelo furo.
Figura 3 – Vazamento na fase líquida e/ou vapor a partir do vaso
• Ruptura de Linha: este modelo considera a ruptura total da linha conectada a um reservatório com pressão (vaso, tanque, coluna, esfera), com o diâmetro do furo igual ao diâmetro da tubulação. O modelo de descarga calcula a queda de pressão ao longo da linha, baseando-se nos acidentes existentes (válvulas, flanges, conexões) e no comprimento da linha.
Figura 4 – Vazamento na fase líquida e/ou vapor a partir das linhas
2.2 CARACTERIZAÇÃO DO LOCAL DO ACIDENTE
Devem ser informados:
2.2.1 LOCALIZAÇÃO DO PONTO DE VAZAMENTO
• Altura de Liberação: altura do local onde foi considerada a liberação de produto, seja ele em uma linha de processo, em uma tubovia, no topo ou fundo de um reservatório.
• Definição da presença de dique: no caso de a liberação ocorrer em um local onde haja algum tipo de contenção que limite o espalhamento do líquido liberado na descarga. Caso não haja limite, o espalhamento do produto será calculado até a poça atingir uma espessura mínima que é definida para cada tipo de solo. No caso de presença de dique, a informação a ser utilizada no cálculo é a sua área útil.
• Tipo de solo: descreve o tipo de superfície na qual o material liberado irá se espalhar. Cada tipo de solo apresenta diferentes características para o espalhamento e evaporação, como por exemplo: espessura mínima da poça, condutividade e difusividade térmica. As escolhas para tipo de solo são: concreto, solo seco, solo úmido e superfície aquosa (água rasa ou água profunda).
• Direção do Vazamento: determina-se a direção inicial do vazamento, sendo possível considerar se a liberação como sendo: horizontal, vertical, angular, para baixo (colidindo com o solo) ou horizontal colidindo com obstáculo.
2.3 DETERMINAÇÃO DO TERMO FONTE
A partir da caracterização do cenário de acidente, faz-se necessário a determinação do termo fonte, ou seja, a definição da quantidade de material liberado e a forma como o mesmo é liberado ao longo do tempo. Isto exige o cálculo da quantidade ou taxa de descarga do material para atmosfera, a qual pode ser líquida, gasosa ou bifásica. Em seguida, caso o material no estado
líquido seja volátil, é preciso avaliar a taxa com que este evapora, servindo de fonte para formação da nuvem de gás. Assim, por exemplo, se o material é inflamável e volátil e está sendo liberado continuamente, o termo fonte seria definido pela taxa com que o material está evaporando. Para tanto, faz-se necessário o uso de modelos de cálculo de descarga, formação de poça e evaporação.
Para líquidos com ponto de ebulição abaixo da temperatura ambiente, como por exemplo gases liquefeitos por pressurização, a liberação é acompanhada de evaporação súbita (“flasheamento”), fazendo com que uma fração do material seja emitida diretamente para a atmosfera.
A parte que não é evaporada subitamente, deposita-se formando poça líquida, que por troca de calor com o meio ambiente, evapora liberando gases que juntamente com a fração que evapora subitamente, constitui o termo fonte para a dispersão do material na atmosfera.
No caso de liberação de material pouco volátil e inflamável, o qual não forma nuvem de gás, acarreta a formação de poça, podendo-se ter então a ocorrência de um incêndio em poça.
Quando a liberação ocorre diretamente na forma gasosa, a própria taxa de descarga já constitui o termo fonte para a dispersão do material na atmosfera.
3. AVALIAÇÃO DOS EFEITOS FÍSICOS
Uma vez estabelecida a taxa com que o material está sendo liberado para dispersão na atmosfera, o campo de concentrações resultante da liberação pode ser determinado com o uso de modelos de dispersão apropriados (gases leves ou pesados).
Para gases inflamáveis obtém-se o alcance e a largura máxima da nuvem correspondente ao limite inferior de inflamabilidade e a massa de material na nuvem entre os limites inferior e superior de inflamabilidade.
Para gases tóxicos, obtém-se o alcance correspondente à concentração que causa um determinado nível de dano em um certo período de tempo de exposição.
Para cada tipo de cenário acidental são especificados os níveis de efeitos a serem utilizados para determinação da área vulnerável.
Os efeitos físicos normalmente considerados em Análises de Risco são:
• Radiação térmica devido a: Incêndio em Nuvem, Incêndio em poça, Jato de Fogo e Bola de Fogo;
• Exposição a concentrações de gás tóxico por períodos de tempo especificados devido a Nuvem Tóxica;
• Impulso e sobrepressão devido a: Explosão e BLEVE
Os principais mecanismos utilizados para os cálculos dos efeitos físicos relativos à Explosão, Incêndio em Poça, Jato de Fogo, Bola de Fogo e BLEVE estão descritos no item 3 deste módulo.
Com relação à apresentação gráfica dos efeitos físicos (na forma de figuras delimitando as áreas passíveis de serem atingidas por cada cenário de acidente), cabe lembrar que são sempre representadas as áreas vulneráveis a cada efeito físico, ou seja, toda e qualquer área que pode ser atingida em caso de ocorrência de um determinado nível de efeito gerado por um acidente.
De uma forma geral, esta área não será totalmente atingida no caso de ocorrência do cenário de acidente relatado, pois somente a parcela dessa área que correspondente à direção do vento incidente no momento da ocorrência será atingida.
4. CÁLCULO DAS ÁREAS VULNERÁVEIS
Os danos causados pelos efeitos físicos (exposição a fluxos de radiação térmica e sobrepressão) são de natureza estocástica, isto é, somente se pode prever a probabilidade de se observar um certo dano a um indivíduo ou a percentagem esperada de pessoas da população exposta ao efeito físico daquele dano.
Alguns modelos para este tipo de análise são utilizados, como por exemplo, o Modelo de Vulnerabilidade de Eisenberg, desenvolvido pela Guarda Costeira dos Estados Unidos, os modelos indicados no Green Book, entre outros.
Estes modelos para avaliação dos danos causados pelos acidentes têm como base as equações de Probit (Probability Unit).
Com base no modelo de vulnerabilidade, as equações de Probit referem-se aos seguintes danos:
• Radiação Térmica:
• Morte por queimadura
• Explosão:
• Morte por hemorragia pulmonar
• Morte por impacto
• Ruptura de tímpano
• Ferimentos por impacto
• Ferimentos por fragmentos aéreos
• Danos estruturais
• Quebra de vidros
• Gás tóxico:
• Morte por intoxicação
• Morte por asfixia.
5. MECANISMOS DE DESCARGA, EVAPORAÇÃO, DISPERSÃO E EFEITOS FÍSICOS
5.1 DESCARGA
O cálculo das descargas devido a liberações acidentais de produtos perigosos é realizado de acordo com os modelos de consequência clássicos encontrados na literatura.
O procedimento de cálculo da descarga varia conforme o estado em que o produto é liberado do sistema:
• Líquido: o sistema contém líquido e vapor no seu interior com o vazamento ocorrendo abaixo do nível de líquido;
• Vapor: o sistema contém líquido e vapor no seu interior com o vazamento ocorrendo acima do nível de líquido;
• Gás: o produto no interior do sistema está todo no estado gasoso.
• Bifásico: na liberação de gás liquefeito por pressurização ou líquido superaquecido, a despressurização permite uma evaporação súbita fazendo com que o material seja liberado na forma de uma mistura de líquido e vapor.
5.2 ESPALHAMENTO DE POÇA E EVAPORAÇÃO DE POÇA
O líquido derramado irá formar uma poça de produto no local do acidente. As dimensões reais e a forma desta poça são praticamente impossíveis de serem calculadas com exatidão, devido à complexidade do fenômeno.
Os principais fatores de influência são a topografia da região do vazamento, o tipo de solo, momento do líquido no vazamento e as condições atmosféricas.
Todos esses dados podem variar consideravelmente em cada acidente, além da dificuldade que existe para o seu tratamento matemático.
Desta forma, inexiste um modelo matemático para o cálculo desse fenômeno.
Existem, porém, algumas premissas que permitem estimativas conservadoras do tamanho da poça.
Basicamente, são feitas as seguintes considerações:
• A formação da poça se dá em um local plano, sem obstáculos e seu espalhamento é igual em todas as direções. Todas as poças simuladas são circulares;
• São desconsideradas absorções do material pelo solo;
• É considerada uma espessura mínima de poça, de acordo com cada tipo de solo existente.
5.2.1 COMPORTAMENTO DA POÇA DE LÍQUIDO
O espalhamento da poça segue um processo de equilíbrio termodinâmico entre a taxa de vazamento e a taxa de evaporação, até que se atinja um equilíbrio entre o que entra e o que saí.
5.2.2 EVAPORAÇÃO
A evaporação da poça ocorre na medida em que o material é liberado e espalhado no ambiente, sendo esta taxa variável de acordo com o tipo de produto liberado, as condições ambientais e o tipo de solo onde ocorre o espalhamento.
A nuvem será formada por duas contribuições: a taxa de liberação de vapor para o ambiente, proveniente da descarga, e a taxa de evaporação, conforme figura abaixo.
5.2.3 DISPERSÃO
A dispersão de gases é o pelo qual uma dada massa de gás liberada na atmosfera é transportada e misturada com o ar ambiente.
Neste processo são avaliados o tamanho e a forma da nuvem de gás, além da concentração do produto liberado na nuvem. Existem diversos modelos de dispersão que podem ser utilizados em Análises de Risco.
O modelo de dispersão mais simples é o Modelo Gaussiano, largamente utilizado para a previsão do comportamento de gases neutros (gases com densidade similar à densidade do ar) na atmosfera. Tanto as liberações contínuas de material que dão lugar à formação de uma pluma correspondente a um campo de concentrações estacionário, como as liberações instantâneas gerando um "puff" de gás que é transportado pelo vento, podem ser avaliadas com o modelo Gaussiano.
As premissas que servem de base para o modelo são:
• Não há perda de material na nuvem;
• Por ação da turbulência atmosférica, a concentração do gás toma a forma da distribuição Gaussiana tanto na horizontal como na vertical, sendo que os parâmetros da distribuição (coeficientes de dispersão) variam de acordo com a distância entre o ponto de observação e o ponto de liberação;
• Aplica-se somente para gases neutros, ou mais leves que o ar com algumas correções;
• As estimativas de concentração representam valores correspondentes a valores médios sem que se possa reproduzir as flutuações de turbulência que se observa na prática.
5.3 DESCARGA DE GÁS
A liberação de gás pode ser de dois tipos: contínua ou instantânea.
5.3.1 ESTÁGIOS DE UMA LIBERAÇÃO CONTÍNUA
No caso de uma liberação contínua, na medida em que a nuvem vai incorporando ar.
5.3.2 ESTÁGIOS DE UMA LIBERAÇÃO INSTANTÂNEA
No caso de uma liberação instantânea, o comportamento da nuvem é um pouco distinto.
Alguns fatores influenciam na dispersão dos gases. São eles:
• Altura de liberação;
• Rugosidade do solo;
• Estabilidade atmosférica;
• Velocidade do vento.
Uma liberação elevada irá facilitar a dispersão, levando à ocorrência de menores valores de concentração de gás ao nível do solo. Dessa forma, as maiores concentrações ocorrem em pontos distantes da fonte.
A classe de estabilidade é a representação paramétrica da turbulência atmosférica e deve determinada localmente em função do gradiente vertical de temperatura e da variação da direção da velocidade do vento.
A Tabela 2 a seguir estabelece, em função da velocidade do vento e período do dia, qual é a estabilidade atmosférica da região.
Os obstáculos presentes no solo, na região onde irá ocorrer a dispersão das nuvens de gás, irão influenciar o perfil de velocidade do vento e a dispersão vertical da nuvem de gás. Estes obstáculos são representados pelo parâmetro Rugosidade do Solo, que varia de acordo com o tipo de superfície ou obstáculos presentes. A Tabela 3.2 a seguir indica valores para Rugosidade para alguns tipos de região.
Tabela xxx
Incêndio em Poça
A liberação acidental de um líquido inflamável pode ocasionar a formação de poça, que seguida de ignição do material, dá lugar à ocorrência de incêndio em poça, com parte da energia liberada na combustão sendo emitida na forma de radiação térmica.
Neste efeito, tanto a incidência da chama direta, como a radiação térmica gerada, pode causar danos sobre pessoas ou bens materiais. O incêndio em poça pode também dar origem a um BLEVE, como desdobramento de seus efeitos.
Jato de Fogo
No caso de liberação de gás ou líquido inflamável pressurizado, seguido de ignição imediata, poderá ocorrer a formação de um jato de fogo. Neste efeito, tal como o Incêndio em Poça, tanto a incidência da chama direta, como a radiação térmica gerada, pode causar danos sobre pessoas ou bens materiais. Também poderá haver um BLEVE, como desdobramento do jato de fogo, caso este atinja diretamente um vaso de estocagem de produto pressurizado.
BLEVE (“Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion”) e Bola de Fogo
Quando a ruptura catastrófica de um vaso, ocorre na forma de um BLEVE ("Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion", explosão de vapor devido a expansão de líquido fervente), envolvendo uma substância inflamável, a liberação dá lugar à formação de uma bola de fogo.
A bola de fogo é constituída dos vapores inflamáveis que formam um núcleo rico em gases inflamáveis que queima na medida em que há entrada de ar.
A queima ocorre da parte externa para a interna da bola de fogo e se caracteriza por emitir fluxos térmicos muito intensos. A queima se dá de forma muito intensa, liberando grande quantidade de energia. A bola se expande e tende a subir.
As consequências do BLEVE são:
• Onda de sobre pressão gerada na explosão;
• Lançamento de projéteis (partes do reservatório);
• Fluxo térmico bastante intenso, pela bola de fogo.
Todos estes três efeitos podem levar a danos fatais sobre aquelas pessoas expostas, além de danos materiais.
A radiação térmica gerada como efeito dos diferentes tipos de incêndio e o tempo de exposição podem gerar danos sobre pessoas ou ativos. Os valores da Tabela 3.3 podem ser utilizados como indicativos dos níveis de danos que podem ser encontrados.
