Optimization of Engineering Design based on Inherent Safety principles

Denne Ph.D. oppgaven forsker på risikohåndteringsmetoder som industrien kan bruke for å analysere potensielt farlige aktiviteter. Det overordnede målet for forskningen presentert i denne oppgaven er å forbedre eksisterende metoder og utvikle nye strategier ved å bruke systemtekniske konsepter og metodikk for bedre risikostyring. Risikostyring er alle aktiviteter som brukes for å håndtere risikoen for farlige hendelser og gir informasjon for å forbedre beslutningstaking. En tradisjonell tilnærming for å sikre systemets sikkerhet er å identifisere og eliminere årsakene til en ulykke når den først inntreffer, og å gjenta slike aktiviteter hvis en ny ulykke inntreffer. En tradisjonell tilnærming er hovedsakelig reaktiv. Med utviklingen av industrielle systemer, for eksempel integrerte kontroll- og sikkerhetssystemer, har komplekse operasjons- og avstengningssekvenser utviklet utfordringer med å håndtere risiko og sikkerhet. Tatt i betraktning den endrede karakteren til dagens design og nylige ulykker, har det blitt viktig å forbedre eksisterende tilnærminger for å fange kompleksiteten og dynamiske karakteren til det automatiserte systemet. Forskning fokuserer på fire hovedretninger for risikostyring. Fareidentifikasjon, iboende sikkerhetsevaluering, sikkerhetsbarrierer og sikkerhetsindikatorer. Designforbedring av systemet er avgjørende for ethvert anlegg. Omfattende fareidentifikasjon gir råd om korrigerende tiltak på ledelses- og organisasjonsspørsmål. De relaterte metodene kan brukes i konseptuelle, foreløpige og detaljerte designstadier. Prosesssikkerhet under designfasen gjør det mulig å eliminere, erstatte eller utvikle farer på forhånd i stedet for å gjøre endringer etter installasjonen eller etter at den er fullført. Med begrenset tid og andre ressurser kan man gjenkjenne og redusere potensielle sikkerhetsfarer tidlig i en prosess livssyklus. Under forskning utvikles en iboende sikkerhetsevalueringsmetode. Prosedyren brukes for et prosesssystem som validerer metodens anvendelighet. Tilnærmingen prøver å finne et vitenskapelig grunnlag for tidligere etablerte parameterbaserte iboende sikkerhetsevalueringsmetoder. Det fremste trinnet i teknikken, som er å finne iboende sikkerhetsegenskaper og deres relaterte parameter, gjør metoden fleksibel og generell til å være anvendelig i alle industrisektorer. Funksjonen til et perfekt, iboende sikrere system og deres tilsvarende numeriske verdier er bestemt for å finne et logisk poengsystem. Avviket til et reelt system for disse parameterne bestemmes for å bestemme poengsummen til iboende sikkerhetsunderindekser; dermed bestemmes den totale iboende systemsikkerhetsindeksen. Metoden fjerner problemene med eksisterende tilnærminger, som dimensjonalitetsproblemer, som mangler det logiske grunnlaget for parameterscoring. En systemteknisk tilnærming er foreslått for å kontrollere tilstrekkeligheten av sikkerhetsbarrierer og sikkerhetsvurdering av anlegget i forskningen. Tilnærmingen tar i bruk FRAM-metoden for å finne de nødvendige sikkerhetsbarrierene i systemet. En to-nivå matematisk modell er utviklet for å forutsi systemets sikkerhet. Den utviklede metoden brukes med en praktisk casestudie av flytende naturgass (LNG) skip-til-skip overføringssystemet. Forskning arbeider også med utvikling av ytelsesindikatorer for sikkerhet. Den bruker en systemteknikkmetode, System Theoretic Process accident og Model (STAMP), for å utvikle indikatorer. Indikatorer ble også utviklet ved bruk av tidligere etablerte metoder som OECD og CCPS (Senter for kjemisk prosesssikkerhet). Alle metodene ble brukt for en casestudie av LNG flytende lagrings- og regasifiseringsenhet; basert på evalueringen lages en komparativ analyse. Implementering av effektiv sikkerhetsstyring vil bidra til å sikre at organisasjonens sikkerhetsinnsats retter seg mot områdene hvor sikkerhetsfordelene vil være størst og dermed mer effektive. Forskningens bidrag gjelder flere sektorer og bransjer. Gjennom anvendelse av metodene har det vært mulig å validere de utviklede metodene og konseptene. Forskningen bidrar til bedre beslutningsstøtte og forbedret risikostyring. De utviklede og analyserte metodene fokuserer på ikke-probabilistiske metoder. Den legger vekt på et ikke-sannsynlighetsrammeverk som ikke er avhengig av historiske data. Å tildele sannsynlighetsinformasjon for et automatisert system er en utfordrende og feilutsatt oppgave med overdrevne forutsetninger. Forskningen påpeker imidlertid behovet for å gjennomføre flere reelle casestudier. Fremtidig forskning bør fokusere på å bruke de utviklede metodene mer enkelt for å oppmuntre brukere til å bruke dem. I tillegg bør forbedrede risikostyringsmetoder vurdere dynamisk kontroll av det automatiserte systemet, som også bør fokuseres på i fremtidige arbeider.

The research focuses on improving risk management methodologies for automated systems and their applications in the petroleum and process industries. The overall scientific objective of this research was to develop theories and methods for risk management of the modern automated plant. The goal was divided into four research sub-objectives related to hazard identification, inherently safer design, safety barriers allocation, and safety performance indicators. Sub objectives were achieved through six scientific papers. Four papers are published in peer-reviewed journals. The intermediate results of the research are presented at European Safety and Reliability (ESREL) and Probabilistic Safety Assessment and Management (PSAM) conferences. The conferences provided meaningful feedback for further research and insights into the research trends in the field. Overall, the research focused improvement of risk management methods using a SE perspective. The current study emphasizes the development of simple, user-friendly approaches. This research contributes to applied research aimed at offshore and chemical process units with significant accident potential. Five contributions have been made, focusing on two industrial sectors, and the developed methods have been tested for the various industry challenges. The case study conducted during research presents the practical application of various improved methods. A part of the research assesses process safety barrier allocation and risk assessment for the LNG ship-to-ship transfer process. Establishing an improved safety barrier strategy can help the industry improve its risk management. Research also discusses the hazard identification of process leaks, an essential step in risk management for LNG floating storage and regasification units. Hazard identification is discussed in detail with HAZOP and STPA procedures. The research can benefit any industry personnel who want detailed hazard identification for process industry applications and the LNG industry. A system perspective allows a systematic and structured analysis, providing overall guidance. The entire work has investigated applying the SE process and theories in risk management. The system approach promotes and improves communication and supports the decision-making process among the different stakeholders.

Process safety management is all activities used to manage the risk of hazardous events and provides information to improve decision-making. A traditional approach for ensuring the system's safety is to identify and eliminate the causes of an accident once it happens and to repeat such activities if a new accident occurs. With the advancement of industrial systems, e.g., integrated control and safety systems, complex operation and shutdown sequences have evolved challenges in managing risk and safety. Considering the changing nature of today's design and recent accidents, it has become vital to improve existing approaches to capture the complexity and dynamic nature of the automated system. The overall goal of the present research is to improve existing methods and develop new strategies using system engineering concepts and methodology for better risk management. Design improvement of the system is focused on in the research. Detailed hazard identification and inherent safety assessment are focused on as they are crucial for design improvement. Safety assurance in the operational phase is achieved by monitoring safety performances. A system-based performance indicator system needs to be explored for monitoring safety. Based on the monitoring, safety training, education, regulatory compliance, inspection, or maintenance can be advanced, and plans can be set accordingly. The research focuses on the industry's challenges in process safety management in various phases. The main aim is divided into several sub-objectives. The first sub-objective plans to consider hazard identification as it is the core of risk assessment in oil and gas activities. The question arises from whether present existing methods can identify hazards of the modern complex systems. A system-based detailed hazard identification method is considered to explore whether a system-based perspective can improve the current approaches. Issues with the usage of inherent safety in the industry are considered to research as the second sub-objective. The sub-objective intends to focus on finding practical challenges on adopting inherent safety indices by the industry and industry personnel. It also intends to focus on developing inherent safety evaluation methods for the system. The work focuses on finding the limitation of the previously established method and developing an improved method that can remove the earlier limitations. The overall goal is to develop a flexible method to be applied in a wide range of industry sections in various phases of the system. Subobjevie three intends to develop a control requirement-based analysis to identify the required barriers of the system. A goal is to develop an improved SIL (safety integrity level) determination method that is flexible and easily adaptable for the industry. Subobjevie four focuses on the safety performance indicator development programs from a system engineering perspective. The aim is to compare the earlier established methods and system engineering-based methods. The research aims to contribute to several sectors and industry branches for improved process safety management and better decision support. It emphasizes a non-probabilistic framework that does not depend on historical data. Assigning probabilistic information for an automated system is a challenging and error-prone task with excessive assumptions. By applying the methods, it will be possible to validate the developed methods and concepts. Finally, it will focus on developing user-friendly and straightforward methods and more straightforward applications of the developed methods to encourage industry personnel to apply them.