Integrated framework for seismic risk assessment of oil refineries: insights into structural vulnerabilities and operational interdependencies

Abstract

Crude oil refining facilities are critical infrastructure for modern society facilitating the refinement of crude oil, through a network of interconnected and complex structures. These structures include assets directly involved in the refining process as well as containment assets to store the crude oil, the intermediate products and the final oil-based liquids and gasses. The seismic risk associated with these facilities is significant: an earthquake can lead to severe structural damage, operational disruptions, and financial losses. Moreover, cascading hazards such as fires, explosions, and pollution can pose threats to surrounding communities and the environment. To investigate the intricacies of assessment studies of refineries, a virtual mid-size oil refinery located in a high-seismicity region in Greece has been developed as a comprehensive testbed. This testbed provides detailed estimations of structural damage caused by seismic events and serves as a tool for improving resilience assessment methodologies. It includes a robust dataset, accessible via a dedicated repository, comprising probabilistic seismic hazard analysis results, site-specific hazard-consistent ground motion records, and a detailed exposure model encompassing critical assets like storage tanks, pressure vessels, process towers, chimneys, a flare, and equipment-supporting buildings. Additionally, nonlinear dynamic analyses using reduced-order numerical models provide record-specific asset demands and fragility estimates. Contextual descriptions of each asset’s role in the refining process are also included, along with a damage state homogenization methodology that translates asset-level damage into facility-wide consequences. This integrated framework highlights the role of each asset in maintaining the refinery’s structural and operational integrity and sets a foundation for broader risk assessment studies. Using the testbed, the consideration of the refinery’s operational status alongside its significance and influence in seismic performance is explored. Fuel production levels, internal product circulation, and storage vessel fill ratios fluctuate due to production cycles, seasonal demand, and maintenance schedules. These variations, particularly in fill ratios, are critical for storage assets, yet they are often overlooked or rather simplified in traditional risk assessments. Alternative operational scenarios are modeled to reflect periods of high demand, low demand, routine operations, and maintenance shutdowns. The study identifies the most probable damage states for assets under these scenarios, demonstrating how seismic outcomes vary depending on operational conditions. Comparisons with typical simplified scenarios underscore the biases implied by those simplifications, and thus the importance of considering operational variability in seismic risk assessments. It is important to note that the refinery’s performance is evaluated both at the asset level and system-wide. Metrics such as damage distributions, the percentage of assets in specific damage states, and business continuity indicators provide a comprehensive view of the facility’s resilience. Additionally, the testbed challenges the conventional fragility curve approach, which assumes an aggregation of responses from different ground motions. By retaining the correlations between ground motions and asset responses, the study highlights biases in conventional methods when examining systems of structures and demonstrates the potential of distortions in risk assessment results when such correlations are ignored. The alternative methodology proposed emphasizes the need for improved approaches to account for the interconnected nature of refinery systems, ultimately enhancing their seismic resilience.

Οι εγκαταστάσεις διύλισης αργού πετρελαίου αποτελούν υποδομές ζωτικής σημασίας για τη σύγχρονη κοινωνία, οι οποίες αποτελούνται από ένα ευρύτερο δίκτυο διασυνδεδεμένων και σύνθετων κατασκευών, στοχεύοντας στη μετατροπή του πετρελαίου σε χρήσιμα προϊόντα. Οι εγκαταστάσεις αυτές περιλαμβάνουν κατασκευές που εμπλέκονται άμεσα στη διαδικασία της διύλισης, καθώς και άλλες που χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση του αργού πετρελαίου, των ενδιάμεσων παραγώγων της διαδικασίας διύλισης και τελικών προϊόντων που παράγει το διυλιστήριο. Ο σεισμικός κίνδυνος που συνδέεται με αυτές τις εγκαταστάσεις είναι σημαντικός καθώς ένας σεισμός μπορεί να οδηγήσει σε σοβαρές δομικές ζημιές, διακοπή εργασιών και οικονομικές απώλειες. Επιπλέον, δευτερογενείς απορρέοντες κίνδυνοι όπως πυρκαγιές, εκρήξεις και ρύπανση του περιβάλλοντος, μπορεί να απειλήσουν τις γύρω κοινότητες και ευρύτερα το κοινωνικό σύνολο. Για να διερευνηθούν οι ιδιαιτερότητες των μελετών αποτίμησης της διακινδύνευσης στα διυλιστήρια, μοντελοποιήθηκε ένα τυπικό διυλιστήριο πετρελαίου μεσαίου μεγέθους που βρίσκεται σε μια περιοχή υψηλής σεισμικότητας στην Ελλάδα ως μία ολοκληρωμένη πλατφόρμα δοκιμών και υπολογιστικών διερευνήσεων για την εκτίμηση του σεισμικού κινδύνου. Η πλατφόρμα αυτή παρέχει λεπτομερείς εκτιμήσεις των δομικών ζημιών που προκαλούνται από τυχόντα σεισμικά γεγονότα και μπορεί να χρησιμεύσει ως εργαλείο για τη βελτίωση των μεθοδολογιών αξιολόγησης της διακινδύνευσης. Περιλαμβάνει έναν ευρύ κατάλογο δεδομένων, τα οποία διατίθενται ελεύθερα σε κατάλληλο ηλεκτρονικό αποθετήριο. Τα δεδομένα περιλαμβάνουν αποτελέσματα πιθανοτικής ανάλυσης σεισμικής επικινδυνότητας, επιταχυνσιογραφήματα ειδικά επιλεγμένα για να αντιπροσωπεύουν την σεισμικότητα της περιοχής και ένα λεπτομερές μοντέλο έκθεσης που περιλαμβάνει όλες τις κρίσιμες κατασκευές: δεξαμενές αποθήκευσης των προϊόντων της διύλισης, δοχεία πίεσης, πύργοι διύλισης, καμινάδες, ένας πυρσός καύσης και κτίρια στέγασης μηχανολογικού εξοπλισμού. Για τις κατασκευές αυτές πραγματοποιήθηκαν μη-γραμμικές δυναμικές αναλύσεις με χρήση απλοποιημένων αριθμητικών μοντέλων, ειδικά διαμορφωμένων ώστε να αναπαράγουν με ικανοποιητική ακρίβεια τις κρίσιμες συμπεριφορές των κατασκευών. Επιπροσθέτως χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα των αναλύσεων αυτών, υπολογίστηκαν αντίστοιχες καμπύλες σεισμικής τρωτότητας για όλες τις κρίσιμες μορφές αστοχίας και στάθμες βλάβης όλων των κατασκευών. Στη συνέχεια προτείνεται κατάλληλη μεθοδολογία ομογενοποίησης των σταθμών βλάβης των επιμέρους κατασκευών σε αντίστοιχες στάθμες βλάβης σε επίπεδο εγκατάστασης. Η εκάστοτε αντιστοιχία επιλέχθηκε με βάση το ρόλο κάθε κατασκευής στη διατήρηση της δομικής και λειτουργικής ακεραιότητας του διυλιστηρίου και θέτει τις βάσεις για ευρύτερη μελέτη της διακινδύνευσης σε επίπεδο εγκατάστασης.Χρησιμοποιώντας την πλατφόρμα δοκιμών, διερευνάται η επιρροή διαφόρων σεναρίων λειτουργίας σε ό,τι αφορά στην επίδρασή τους στη σεισμική απόκριση ορισμένων κατασκευών. Συγκεκριμένα, τα επίπεδα παραγωγής καυσίμων, η εσωτερική κυκλοφορία προϊόντων εντός της εγκατάστασης και αντιστοίχως οι αναλογίες πλήρωσης των δεξαμενών αποθήκευσης των προϊόντων, ή των δοχείων πίεσης κυμαίνονται λόγω των κύκλων παραγωγής, της εποχιακής ζήτησης και των χρονοδιαγραμμάτων συντήρησης. Αυτές οι διακυμάνσεις, ιδιαίτερα στις αναλογίες πλήρωσης, είναι κρίσιμες σε ό,τι αφορά στην απόκριση των αντίστοιχων κατασκευών, αλλά συχνά δεν λαμβάνονται υπόψη στις μελέτες διακινδύνευσης. Καθορίζονται λοιπόν εναλλακτικά σενάρια λειτουργίας ώστε να αντικατοπτρίζουν περιόδους υψηλής ζήτησης, χαμηλής ζήτησης, εποχικότητα, συνήθων λειτουργιών και προγραμματισμένης διακοπής εργασιών για συντήρηση. Η μελέτη προσδιορίζει για διάφορα επίπεδα σεισμικής έντασης τις πιο πιθανές στάθμες βλάβης της κάθε κατασκευής στο πλαίσιο αυτών των σεναρίων και συνεπώς παρουσιάζει την ευρύτερη εικόνα σε επίπεδο εγκατάστασης, αναδεικνύοντας πώς τα σεισμικά αποτελέσματα ποικίλλουν ανάλογα με το σενάριο που εξετάζεται. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα αυτά με συνήθη απλοποιημένα σενάρια γίνεται σαφής η σημασία της συμπερίληψης αυτής της δυναμικής λειτουργικής παραμέτρου στις εκτιμήσεις σεισμικού κινδύνου. Τέλος, η απόδοση του διυλιστηρίου δεν αξιολογείται μόνο σε όρους επιμέρους κατασκευών, αλλά και σε επίπεδο συστήματος. Αποτελέσματα όπως η κατανομή των βλαβών στις κατασκευές, ή το ποσοστό των κατασκευών σε συγκεκριμένες στάθμες βλάβης, συνοδεύονται από δείκτες επιχειρησιακής συνέχειας οι οποίοι παρέχουν μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα της σεισμικής διακινδύνευσης της εγκατάστασης. Επιπλέον, εξετάζεται επί νέας βάσης ο ορισμός των συμβατικών καμπύλων τρωτότητας, που συναθροίζουν τις επιμέρους αποκρίσεις των κατασκευών που προκαλούνται από διαφορετικά επιταχυνσιογραφήματα εδαφικής κίνησης. Διατηρώντας τη συσχέτιση μεταξύ των εκάστοτε επιταχυνσιογραφημάτων και των αποκρίσεων των κατασκευών, η μελέτη αναδεικνύει τις ανακρίβειες της συμβατικής μεθόδου κατά την εξέταση συστημάτων κατασκευών και επισημαίνει τη δυνατότητα παραγωγής στρεβλών αποτελεσμάτων για την εγκατάσταση όταν αγνοούνται τέτοιες συσχετίσεις. Αυτή η εναλλακτική μεθοδολογία αντικατοπτρίζει την ανάγκη για βελτιωμένες προσεγγίσεις που θα λαμβάνουν υπόψη τη διασύνδεση των κατασκευών, ενισχύοντας τελικά τη σεισμική τους αναταξιμότητα.