Od zbiornika do odpornej fabryki. Jak zmienia się infrastruktura przemysłowa w erze niepewności?

Jeszcze kilka lat temu o infrastrukturze przemysłowej myślało się przede wszystkim w kategoriach parametrów technicznych i kosztu inwestycji. Zbiornik miał mieć określoną pojemność, materiał wystarczającą odporność chemiczną, a instalacja odpowiednią wydajność. Dziś to już za mało.

Przemysł chemiczny funkcjonuje w warunkach znacznie większej zmienności: cen energii i surowców, dostępności wody, łańcuchów dostaw, wymagań środowiskowych czy wolumenu produkcji. Jednocześnie rośnie znaczenie bezpieczeństwa procesowego i ciągłości działania. W efekcie infrastruktura, która jeszcze niedawno była traktowana jako zaplecze produkcji, staje się jednym z elementów decydujących o jej odporności. Dotyczy to również pozornie prostych elementów instalacji, takich jak zbiorniki.

Pojemność to dopiero jeden z parametrów

Pojemność zbiornika jest oczywiście jednym z podstawowych parametrów projektowych, ale sama w sobie niewiele mówi o tym, czy dane rozwiązanie sprawdzi się w konkretnej instalacji.

Równie istotne są warunki, w jakich zbiornik będzie pracował: rodzaj i stężenie medium, temperatura, częstotliwość napełniania i opróżniania, sposób prowadzenia rurociągów, rodzaj armatury czy sposób posadowienia. W przypadku zbiorników procesowych znaczenie może mieć również dynamika pracy instalacji: zmienne przepływy, cykle technologiczne czy okresowe zmiany parametrów medium. Dlatego projektowanie warto rozpocząć nie od dokładnego określenia jego roli w procesie.

Inaczej projektuje się zbiornik przeznaczony do stałego magazynowania medium, inaczej konstrukcję pracującą cyklicznie, a jeszcze inaczej zbiornik będący elementem instalacji technologicznej, w której istotne są szybkie zmiany poziomu, temperatury czy przepływu.

To właśnie analiza rzeczywistych warunków pracy pozwala prawidłowo dobrać materiał, geometrię, grubość ścianek czy wyposażenie.

W praktyce oznacza to, że dobry projekt zaczyna się nie od samego produktu, ale od zrozumienia procesu, w którym ten produkt będzie pracował.

Scenariusze zamiast jednego punktu pracy

W przypadku zbiornika przemysłowego parametry projektowe mogą wyglądać zupełnie inaczej, jeśli uwzględnimy nie tylko nominalną pracę instalacji, lecz również jej zmienność. Zmiana temperatury medium wpływa na jego właściwości fizyczne, a tym samym na warunki pracy zbiornika. Zmiana stężenia może modyfikować agresywność chemiczną substancji. Znaczenie może mieć również przemienność mediów oraz kolejność ich dozowania – w procesach mieszania sposób i sekwencja dodawania poszczególnych składników mogą wpływać na właściwości powstającej mieszaniny, a tym samym na warunki, w jakich pracuje zbiornik. Zwiększenie wydajności instalacji oznacza większe przepływy, częstsze cykle napełniania i opróżniania, a niekiedy również większe obciążenia mechaniczne.

W jednym z zakładów spożywczych doszło do awarii zbiornika magazynowego środka czyszczącego urządzenia CIP. Zbiornik, wyprodukowany w 2014 roku przez zagranicznego wytwórcę, był eksploatowany w procesie, w którym naprzemiennie stosowane były dwa środki chemiczne – podchloryn sodu o bardzo niskim stężeniu oraz kwas cytrynowy. Istniejący dotychczas zbiornik wykonany z polipropylenu (PP) uległ uszkodzeniu wskutek nakładających się i wzajemnie potęgujących oddziaływań degradacyjnych, co doprowadziło do osłabienia struktury materiału, jego postępującej degradacji oraz powstania spękań. Na zdjęciach widoczne zmiany strukturalne materiału PP, spękania konstrukcji zbiornika CIP.

Na warunki pracy zbiornika wpływają przy tym nie tylko parametry medium, ale również sposób prowadzenia całego procesu oraz wyposażenie współpracujące z konstrukcją. Przykładem może być układ wentylacji i neutralizacji oparów: jego wydajność, zastosowane urządzenia oraz opory przepływu mogą wpływać na warunki panujące przy napełnianiu i opróżnianiu zbiornika. Dlatego prawidłowy dobór zbiornika wymaga spojrzenia na cały układ technologiczny – od charakterystyki i sekwencji mediów, przez parametry przepływu, aż po instalacje współpracujące ze zbiornikiem.

Dochodzi do tego zjawisko, które będzie coraz częstsze, czyli modernizacja istniejących zakładów. W takiej sytuacji zbiornik nie jest projektowany do pracy w próżni. Musi współpracować z istniejącymi rurociągami, pompami, automatyką, systemem wentylacji czy zabezpieczeniami. Czasem największym ograniczeniem nie jest więc sama konstrukcja zbiornika, lecz infrastruktura, do której ma zostać włączony. Dlatego dobór powinien zaczynać się od analizy całego układu technologicznego.

Materiał jest decyzją procesową, nie zakupową

Wybór materiału konstrukcyjnego często sprowadzany jest do prostego pytania: stal czy tworzywo? Tymczasem z technicznego punktu widzenia właściwsze pytanie brzmi: jakie warunki pracy musi wytrzymać konstrukcja przez cały zakładany okres eksploatacji?

Dla zbiorników pracujących z agresywnymi mediami chemicznymi znaczenie mają przede wszystkim rodzaj substancji, jej stężenie, temperatura, czas kontaktu oraz warunki cyklicznego obciążenia. To właśnie kombinacja tych parametrów decyduje o rzeczywistej odporności materiału.

Polipropylen (PP) i polietylen (PE) są dziś szeroko stosowane w instalacjach chemicznych właśnie ze względu na ich odporność na wiele agresywnych substancji oraz możliwość wykonywania z nich konstrukcji bezciśnieniowych o sporych gabarytach (rzędu kilkudziesięciu metrów sześciennych). Nie oznacza to jednak, że tworzywo jest rozwiązaniem uniwersalnym.

Przeciwnie, im bardziej wymagająca instalacja, tym ważniejszy staje się właściwy dobór materiału, grubości ścianek i technologii wykonania.

W przypadku konstrukcji nawojowych dodatkowe znaczenie ma możliwość kształtowania właściwości mechanicznych ścianki poprzez odpowiednie profilowanie i dobór parametrów wykonania. Potencjał technologii szczególnie dobrze widać w projektowaniu dużych i wymagających konstrukcji, gdzie geometria ścianki, sposób jej usztywnienia oraz właściwości materiału muszą być ze sobą odpowiednio skoordynowane. Nie chodzi więc wyłącznie o wybór konkretnego materiału, ale o świadome zaprojektowanie całego układu: materiał – geometria – technologia wykonania.

Najdroższa awaria to często ta, której nie było w projekcie

Wysoka dostępność instalacji jest dziś jednym z najważniejszych argumentów przemawiających za dobrym projektowaniem. Koszt zbiornika jest łatwy do policzenia. Znacznie trudniej policzyć koszt zatrzymania produkcji.

Jeżeli awaria zbiornika powoduje przerwę w procesie, problem może wykraczać daleko poza konieczność wymiany samej konstrukcji. Pojawia się koszt przestoju, niewykorzystanych mocy produkcyjnych, awaryjnego transportu medium, utylizacji produktu, pracy ekip serwisowych oraz potencjalnych konsekwencji środowiskowych.

Dlatego coraz większego znaczenia nabiera podejście oparte na całkowitym koszcie posiadania TCO (Total Cost of Ownership). W tym modelu liczy się nie tylko cena zakupu. Analizie podlegają również trwałość, częstotliwość przeglądów, dostępność części i serwisu, możliwość modernizacji, zużycie energii przez urządzenia współpracujące, a przede wszystkim ryzyko nieplanowanego postoju.

To zmienia sposób prowadzenia rozmowy inwestycyjnej. Najtańsze rozwiązanie na etapie CAPEX nie musi być rozwiązaniem najtańszym w całym cyklu życia instalacji.

Bezpieczeństwo zaczyna się poza zbiornikiem

W przypadku instalacji chemicznych bezpieczeństwa nie można przypisać jednemu urządzeniu. Nawet najlepiej zaprojektowany zbiornik nie zapewni odpowiedniego poziomu ochrony, jeśli pozostałe elementy instalacji nie będą właściwie dobrane.

Znaczenie mają odpowiednio zaprojektowane rurociągi i armatura, systemy odpowietrzania, zabezpieczenia przed przepełnieniem i wyciekiem oraz możliwość szybkiego wykrycia nieprawidłowości. Istotne jest również zapewnienie dostępu do urządzeń w celu kontroli i serwisowania.

Bezpieczeństwo jest więc cechą całego układu, a nie pojedynczego produktu. Potwierdzają to również doświadczenia związane z poważnymi awariami przemysłowymi rejestrowanymi w europejskim systemie eMARS, funkcjonującym w ramach dyrektywy Seveso. W Europie działa ponad 12 tys. zakładów objętych tymi regulacjami, a system rejestruje każdego roku kilkadziesiąt poważnych awarii przemysłowych^[1]. Analiza takich zdarzeń pokazuje, że ich przyczyną często nie jest jeden nagły błąd, lecz kombinacja czynników narastających w czasie.

Źródłem problemu mogą być między innymi wcześniejsze decyzje projektowe, niewłaściwy dobór materiałów, zużycie elementów, błędy eksploatacyjne albo zmiana warunków pracy instalacji, która nie została odpowiednio uwzględniona.

To ważny argument za podejściem, w którym projektowanie, eksploatacja i późniejszy serwis są traktowane jako jeden ciąg działań. Instalacja zaprojektowana poprawnie na początku może bowiem z czasem pracować w zupełnie innych warunkach niż te, które przyjęto w pierwotnych założeniach.

Dlatego odporność infrastruktury nie kończy się w momencie uruchomienia instalacji. Obejmuje również możliwość jej monitorowania, kontroli, modernizacji i reagowania na zmieniające się warunki pracy.

Woda staje się surowcem strategicznym

Jednym z najbardziej widocznych trendów jest rosnące znaczenie gospodarki wodnej. Jeszcze niedawno rezerwowe zbiorniki wody czy układy retencyjne często traktowano jako element infrastruktury pomocniczej. Dziś dostępność wody coraz częściej staje się jednym z czynników wpływających na ciągłość działalności zakładu.

Dotyczy to zarówno wody technologicznej, przeciwpożarowej czy procesowej, jak i możliwości wykorzystania wody deszczowej lub ponownego wykorzystania wody w obiegu zamkniętym.

W przyszłości projektowanie instalacji wodnych będzie więc coraz częściej przypominało projektowanie systemu bezpieczeństwa energetycznego: ważna będzie nie tylko bieżąca dostępność zasobu, ale także możliwość utrzymania procesu w sytuacji zakłócenia. To szczególnie istotne dla przemysłu, który chce jednocześnie ograniczać koszty i zwiększać odporność.

Dostawa i montaż zbiorników buforowych wody do celów produkcyjnych wykonanych z PEHD wraz z armaturą, przyłączeniami oraz integracją z istniejącą infrastrukturą technologiczną zakładu.

Cyfryzacja schodzi z poziomu zarządu na halę produkcyjną

Kolejnym kierunkiem jest wykorzystanie danych do zarządzania infrastrukturą. Czujniki poziomu, temperatury, ciśnienia, przepływu czy parametrów medium nie są już nowością. Zmienia się natomiast sposób wykorzystania tych danych.

Informacja „poziom wynosi 62%” ma ograniczoną wartość. Znacznie większą ma informacja: „przy obecnym trendzie poziomu i aktualnym zużyciu zbiornik osiągnie minimum operacyjne za 11 godzin”.

Jeszcze dalej idzie utrzymanie predykcyjne. Analiza trendów może pomóc wykrywać odchylenia od normalnego zachowania instalacji, zanim pojawi się awaria.

Nie oznacza to, że każdy zbiornik musi natychmiast stać się elementem skomplikowanego systemu Industry 4.0. W wielu przypadkach większą wartość przyniesie dobrze dobrany zestaw pomiarów i konsekwentne analizowanie danych niż rozbudowana, lecz niewykorzystywana platforma cyfrowa.

Najważniejsza zmiana polega więc nie na samym dodaniu czujników, lecz na przejściu od utrzymania reaktywnego do zarządzania opartego na danych.

Odporność infrastruktury na zmiany i dekarbonizacja nie muszą oznaczać dwóch różnych inwestycji

Dekarbonizacja, efektywność ekonomiczna i bezpieczeństwo bywają analizowane jako osobne obszary transformacji przemysłu. Z perspektywy konkretnej instalacji granice między nimi są jednak znacznie mniej wyraźne. Ta sama decyzja projektowa może jednocześnie ograniczać zużycie zasobów, koszty eksploatacyjne i ryzyko awarii.

Lepsze zarządzanie medium oznacza mniej strat. Mniejsze straty oznaczają mniejsze zużycie surowców i energii. Możliwość ponownego wykorzystania wody ogranicza zapotrzebowanie na zasoby. Trwalsza instalacja oznacza mniej wymian materiałowych i mniej przestojów.

Tak samo modernizacja infrastruktury może być okazją do przygotowania instalacji na przyszłe zmiany technologiczne. Zbiornik projektowany dziś powinien więc, tam gdzie jest to uzasadnione, uwzględniać możliwość przyszłej zmiany parametrów pracy, rozbudowy systemu pomiarowego czy zwiększenia wydajności instalacji.

To właśnie projektowanie „na zmianę”, a nie tylko „na dziś”, może stać się jednym z najważniejszych elementów odporności infrastruktury.

Nowy model podejścia do inwestycji: mniej produktu, więcej odpowiedzialności

Zmienia się również oczekiwanie wobec dostawców infrastruktury. Inwestor coraz rzadziej potrzebuje wyłącznie producenta zbiornika. Potrzebuje partnera, który potrafi przeanalizować proces, dobrać rozwiązanie, przygotować dokumentację, skoordynować instalacje towarzyszące, przeprowadzić montaż i uruchomienie, a następnie zapewnić serwis. To naturalna konsekwencja rosnącej złożoności inwestycji.

Im większa odpowiedzialność infrastruktury za ciągłość procesu, tym mniej uzasadnione staje się podejście „kupujemy urządzenie, a resztę dopasujemy później”. Wartość coraz częściej powstaje nie w samym produkcie, lecz w całym procesie: od audytu i koncepcji, przez projekt i wykonanie, aż po eksploatację.

Przemysł przyszłości będzie projektowany na zmienność

Nie da się dziś przewidzieć wszystkich zmian, które w ciągu najbliższej dekady wpłyną na zakłady przemysłowe. Można jednak projektować infrastrukturę tak, aby była na te zmiany przygotowana.

Elastyczność procesu, odporność materiałowa, możliwość rozbudowy, monitoring parametrów pracy, dostępność serwisu, bezpieczeństwo medium, gospodarka wodna, analiza kosztów w całym cyklu życia. Te zagadnienia tworzą jeden system: odporność infrastruktury przemysłowej.

W tym ujęciu zbiornik przestaje być jedynie pojemnikiem na substancję. Staje się elementem większego układu, którego zadaniem jest zapewnienie bezpiecznej, przewidywalnej i możliwie elastycznej pracy zakładu.

Dlatego przy planowaniu inwestycji warto patrzeć dalej niż na sam zakup urządzenia. Liczy się to, jak zbiornik będzie pracował w konkretnej instalacji, jak poradzi sobie ze zmianą warunków, jak będzie można go kontrolować i serwisować oraz czy za kilka lat nadal będzie odpowiadał potrzebom zakładu.

Ostatecznie dobrze zaprojektowana infrastruktura to taka, o której na co dzień nie trzeba myśleć. Po prostu działa bezpiecznie i przewidywalnie.

^[1] https://civil-protection-knowledge-network.europa.eu/eu-overview-risks/human-induced-risks/industrial-accidents?