protective coatings | innovations

PROTECTIVE COATINGS | INNOVATIONS
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PREVENTING CHEMICAL SPILLS BY PROTECTING SECONDARY CONTAINMENT
AREAS: CHEMICAL RESISTANT CRACK-BRIDGING TECHNOLOGY
Prevenire il versamento di sostanze chimiche proteggendo le aree di contenimento
secondario: tecnologia di crack-bridging resistente agli agenti chimici
T
Opening picture:
Buncefield fire
Foto d’apertura:
l’incendio di Buncefield.
52
anks and drums containing hazardous and
flammable liquids require secondary and tertiary
protection to prevent potential accidents, such
as the Buncefield fire in 2006 (Ref. Opening Picture).
Lessons learned from that accident were translated into
effective and practical guidance that industry would
implement as rapidly as possible. This guidance, titled
“Safety and environmental standards for fuel storage
sites” (Part 42, p 16), suggests that insufficient secondary
containment contributed to the accident progression
and states: “Bund wall and floor construction and
penetration joints should be leak-tight. Surfaces
should be free from any cracks, discontinuities and
joint failures that may allow relatively unhindered
liquid trans-boundary migration. As a priority, existing
bunds should be checked and any damage or
disrepair, which may render the structure less than
N. 18 - 2016 JUNE - ipcm® Protective Coatings
S
erbatoi e fusti contenenti liquidi pericolosi e infiammabili
richiedono una protezione secondaria e terziaria per prevenire potenziali incidenti, come l’incendio di Buncefield
del 2006 (rif. foto d’apertura). Le lezioni imparate da quell’incidente si sono tradotte in una guida pratica efficace che l’industria ha implementato il più rapidamente possibile. Questa
guida, intitolata “Standard di sicurezza e ambientali per i siti di
stoccaggio del combustibile” (parte 42, p. 16), suggerisce che
un contenimento secondario insufficiente ha contribuito all’evolversi dell’incidente e dichiara: “Il bacino di contenimento, la
pavimentazione e i giunti devono essere a tenuta stagna. Le superfici dovrebbero essere prive di fratture, discontinuità e giunzioni
danneggiate che possano far tracimare i liquidi relativamente senza ostacoli. Come priorità, i contenimenti già costruiti dovrebbero
essere controllati e ogni danno o stato di degrado che possa inficiarne la tenuta stagna dovrebbe essere riparato”.
La direttiva Seveso II dell’Unione Europea contiene un databa-
Marina Silva
Belzona Polymerics Ltd, Harrogate
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leak-tight, should be remedied.”
The EU Seveso II Directive holds a database of reported
chemical related accidents and near misses of its member
organisations. In July 1999, 16.561 tonnes of 30% solution
of sodium cyanide at a top-tier COMAH site was released
through a leak in the tank to its bund. Of that quantity only
4.260 tonnes were recovered with the remaining material
lost to the ground and water. Recommendation again
called for improvements to the secondary containment
area. The entry does not state what level of protection this
bund had if any, but it can be assumed that since three
quarters of the leaked material escaped the bund, the
protection was either not there, its chemical resistance was
insufficient, or this protection developed cracks allowing
for the chemicals to seep through the bund.
se degli incidenti e dei potenziali incidenti conosciuti dei suoi
membri relativi alle sostanze chimiche. A luglio 1999, presso
un sito COMAH top-tier, 16.561 tonnellate di una soluzione di
cianuro di sodio al 30% è stata rilasciata attraverso una perdita
del serbatoio e ha raggiunto il bacino di contenimento. Del totale, soltanto 4.260 tonnellate sono state recuperate, mentre il
materiale restante si è disperso nella terra e nell’acqua. Anche
in questo caso, erano stati raccomandati interventi di miglioramento dell’area di contenimento secondario. La nota non
dichiara quale fosse il livello di protezione (e se ce ne fosse alcuna) del bacino di contenimento ma, poiché tre quarti del
materiale fuoriuscito l’hanno superato, è possibile presumere
che non ci fosse alcuna protezione, che la sua resistenza chimica non fosse sufficiente oppure che nella protezione si fossero
sviluppate fratture consentendo alle sostanze di filtrare attraverso il bacino.
National Codes of Practice
Following dangerous occurrences varying in scale
from minor near misses to those with catastrophic
consequences, many countries have adopted codes of
practice directed at installing and maintaining suitable
secondary containment. US Environmental Protection
Agency (EPA) for instance refers to stationary tank bunds
in the Resource Conservation and Recovery Act (RCRA)
Subpart J, Tank Systems (40 CFR 264. 193). “Secondary
containment systems must be: (b, 1) Designed,
installed, and operated to prevent any migration of
wastes or accumulated liquid out of the system to
the soil, ground water, or surface water at any time
during the use of the tank system; and (b, 2) Capable
of detecting and collecting releases and accumulated
liquids until the collected material is removed.” To meet
these requirements, the secondary containment area
must be: (C, 1) “Constructed of or lined with materials
that are compatible with the waste(s) to be placed
in the tank system […]” and (e, 1, iii) “free of cracks or
gaps”. In the UK, Control of Pollutions Regulations 2001
also states that “the container must be situated within
a secondary containment system which satisfies the
following requirements […] (c) its base and walls must
be impermeable […]”.
Secondary containment areas are typically constructed
using concrete, because it is cost-effective and provides
good structural strength. However, due to its porosity,
concrete can be easily permeated and has poor chemical
resistance, making it susceptible to deterioration through
chemical attack. In addition, concrete is highly
prone to cracking due to substrate movement and
freeze-thaw cycles.
Codici di regolamentazione nazionali
A seguito di pericolosi accadimenti, variabili in una scala da
incidenti minori, incidenti sfiorati fino a incidenti con conseguenze catastrofiche, molti Paesi hanno adottato dei codici
di regolamentazione diretti all’installazione e alla manutenzione di un contenimento secondario adeguato. L’agenzia
statunitense Environmental Protection Agency (EPA), per
esempio, fa riferimento ai bacini per cisterne fisse nel Resource Conservation and Recovery Act (RCRA, Subpart J,
Tank Systems, 40 CFR 264. 193). “I sistemi di contenimento secondari devono essere: (b, 1) Progettati, installati e utilizzati per
prevenire la migrazione di scorie o liquidi accumulati fuori dal
sistema fino a terreno, falde acquifere, acque superficiali, in ogni
momento in cui la cisterna sia utilizzata”; e (b, 2) “In grado di rilevare e raccogliere perdite e liquidi accumulati finché il materiale
raccolto non sia rimosso”. Per soddisfare questi requisiti, l’area
di contenimento secondaria deve essere: (C, 1) “Costituita oppure rivestita con materiali compatibili con le scorie presenti nel
sistema di stoccaggio […]” e (e, 1, iii) “priva di fratture o aperture”.
Nel Regno Unito, la normativa del 2001, Control of Pollutions
Regulations, dichiara inoltre che “il contenitore deve essere situato all’interno di un sistema secondario di contenimento che
soddisfi i seguenti requisiti […] (c) la sua base e le sue pareti devono essere impermeabili […]”.
Le aree di contenimento secondarie sono solitamente costruite in cemento, poiché è efficiente dal punto di vista dei
costi e offre una buona resistenza strutturale. Tuttavia, a causa della sua porosità, il cemento può essere facilmente permeato e ha una bassa resistenza chimica, fattore che lo rende suscettibile al deterioramento per attacco chimico. Inoltre,
il cemento si frattura facilmente a causa del movimento del
substrato e dei cicli di congelamento-scongelamento.
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1
1
Crack in concrete.
Una frattura nel
cemento.
2
ASTM D412 testing.
Test ASTM D412.
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© Belzona
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2
Barrier Coatings for Secondary
Containment Areas
I rivestimenti-barriera per le aree di
contenimento secondarie
As concrete does not address the requirement for
chemical resistance, an additional barrier atop is needed
to prevent potential spillages from permeating the
secondary containment area. Over the years, a variety of
solutions have been trialled, from bitumen based paints
to epoxy resin based systems. The right solution would
depend on the type of media stored within the tank, size
of the containment area, expected traffic and weather
conditions, among others.
Where the highest chemical resistance is required in case
of extremely aggressive chemicals, such as concentrated
mineral acids, alkali, amines and alcohols; solventfree epoxy novolac resin based coatings are typically
specified. The drawback of these coatings, however, has
long been associated with the very feature that made
them chemically resistant - their rigidity. The chemical
reaction between the base and solidifier creates an
almost impenetrable “physical barrier”. Subsequently,
once hardened and cured, these epoxy systems become
completely liquid-impermeable and will have excellent
resistance to immersion and exposure to a wide range
of oil and chemical spillages. Rigidity of these coatings,
however, also makes them inflexible and not best suited
for heavy trafficked areas or in cases where the
underlying concrete develops cracks.
Concrete can develop cracks for many reasons, from
excessive loading, to thermal expansion/contraction or
Poiché il cemento non risponde al requisito di resistenza chimica, è necessario che su di esso sia presente un’ulteriore barriera
per prevenire che potenziali fuoriuscite permeino l’area di contenimento secondario. Nel corso degli anni sono state testate diverse soluzioni, dalle vernici a base di bitume fino ai sistemi con resine epossidiche. La soluzione corretta dipende, per
esempio, dal tipo di sostanza stoccata all’interno del serbatoio,
dalla dimensione dell’area di contenimento, dal traffico e dalle
condizioni metereologiche previste.
Laddove è necessaria una resistenza chimica elevata, in caso
di stoccaggio di sostanze chimiche estremamente aggressive
come acidi minerali concentrati, alcali, ammine e alcoli, sono
solitamente specificati rivestimenti a base di resine epossidiche
novolac privi di solvente. Lo svantaggio di questi rivestimenti,
tuttavia, è stato a lungo associato proprio con la caratteristica
che li rende resistenti agli attacchi chimici: la loro rigidità. La reazione chimica tra la base e il solidificatore crea una “barriera
fisica” quasi impenetrabile. Di conseguenza, una volta induriti
e polimerizzati, questi sistemi epossidici diventano completamente impermeabili ai liquidi e possiedono un’eccellente resistenza all’immersione e all’esposizione a un’ampia gamma
di versamenti, da oli a sostanze chimiche. La rigidità di questi
rivestimenti, tuttavia, li rende anche non flessibili e inadatti ad
aree altamente trafficate, o nei casi in cui il cemento sottostante
sviluppi fratture. Il cemento può sviluppare fratture per molte
ragioni: dal carico eccessivo, all’espansione/contrazione termica o durante i cicli di congelamento/scongelamento, che por-
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Th
fo
27 –
Tea
with
WindE
The c
WindE
QHWZR
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Belzona Polymerics Ltd, Harrogate
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during freeze/thaw cycles, which lead to the concrete’s
movement and settlement (Fig. 1). A rigid coating would
crack with the concrete, thus terminating chemical
protection in case of a spill. Recent advancements in
polymer technology have resulted in the development of a
hybrid epoxy coating, which combines high cross-linking
with rubbery domains in the polymer chain, giving the
coating a desired degree of flexibility.
tano al movimento e assestamento del cemento (fig. 1). Un
rivestimento rigido, quindi, si fratturerebbe insieme al cemento
ponendo fine alla protezione chimica in caso di versamento. I
recenti progressi nella tecnologia dei polimeri hanno portato
allo sviluppo di un rivestimento epossidico ibrido, che unisce
un’elevata reticolazione con domini gommosi nella catena polimerica, dando alla soluzione il grado desiderato di flessibilità.
Nuovo materiale sviluppato
New Material Development
One of the recently introduced coatings to successfully
incorporate these features comes from Belzona Polymerics
Ltd and is known as Belzona 4361. To determine the
coating’s crack-bridging abilities, Belzona 4361 was first
tested for elongation, measured in accordance with ASTM
D412. When cured at 20°C/68°F, Belzona 4361’s residual
elongation was recorded at 20%, which would be sufficient
to bridge a typical crack. To ensure the coating maintains
its flexibility at low temperatures, a mandrel bend test in
accordance with ASTM D552 was also performed (Fig. 2),
resulting in a pass at temperatures down to 0°C/32°F.
To further test this coating’s crack-bridging abilities,
Uno dei rivestimenti recentemente introdotti per incorporare con successo queste caratteristiche è di Belzona Polymerics
Ltd, conosciuto con il nome di Belzona 4361. Per determinare
le capacità di crack-bridging del rivestimento, questa soluzione
è stata sottoposta per prima cosa al test di allungamento, misurato secondo lo standard ASTM D412. Quando polimerizza
a 20°C/68°F, l’allungamento residuo di Belzona 4361 è stato
valutato al 20%, sufficiente a coprire una frattura tipica. Per assicurare che il rivestimento mantenga la sua flessibilità a basse
temperature, è stata eseguita anche la prova di piegatura con
mandrino secondo lo standard ASTM D552 (fig. 2), superata a
temperature inferiori a 0°C/32°F.
Per testare ulteriormente le capacità di questo rivestimento
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in co-operation with
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3
3
Containment area.
Area di contenimento.
4
Bund protected with
Belzona 4361.
Bacino protetto con
Belzona 4361.
56
4
Belzona 4361 was submitted for a long-term testing
at the University of Stuttgart, Germany. The university
carries out testing to award a German Federal Water
Act (WHG) Approval which is part of a German water
law for protecting surface water and groundwater. Only
chemical containment coatings with WHG Approval
can be used in areas where strict regulations are in
place, in order to protect ground water against chemical
pollutants. The testing takes two years to complete and
consists of a combination of crack-bridging, chemical
resistance and aging tests. Crack-bridging tests are first
performed by creating a crack within the concrete and
ensuring the coating remains intact. This is followed
by chemical resistance testing where the chemical is
positioned onto the test coating so that the crack in the
concrete is directly underneath. Signs of chemical attack
are visually observed, in particular to see if the chemical
reagent attacks the test coating severely enough to
penetrate through the crack due to the reduction in film
thickness over the crack.
To replicate real life exposure or aging, the coated test
blocks are stored in damp sand and placed outdoors.
After six months and two years respectively of aging
exposure, crack-bridging and chemical resistance tests
are repeated. Belzona 4361 passed the crack-bridging
and chemical resistance tests after six months of aging
exposure, which will be repeated again to complete the
two year’s testing. WHG presents rigorous independent
testing and the results will be equally relevant
in Europe and globally.
Chemical resistance was tested by coating rods and
immersing them in specified chemicals for a period
of up to 12 months.
N. 18 - 2016 JUNE - ipcm® Protective Coatings
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crack-bridging, Belzona 4361 è stato sottoposto a una prova
a lungo termine presso l’Università di Stoccarda, Germania.
L’università effettua le prove per assegnare la certificazione
tedesca Federal Water Act (WHG), parte della legge tedesca
per la protezione dell’acqua di superficie e delle falde acquifere. Soltanto i rivestimenti per il contenimento chimico con
la certificazione WHG possono essere utilizzati nelle aree con
regolamentazioni severe, con l’obiettivo di proteggere le falde dagli inquinanti chimici. Il test è stato completato in 2 anni e consiste in una combinazione di crack-bridging, resistenza
chimica e prove d’invecchiamento. Le prove di crack-bridging
sono eseguite per prime con la creazione di una frattura all’interno del cemento e verificando che il rivestimento resti intatto. Questo test è seguito dalle prove di resistenza chimica,
nelle quali delle sostanze sono posizionate sul rivestimento
campione in modo che la frattura nel cemento si trovi esattamente sotto. Si possono così osservare visivamente i segni di
attacco chimico, in particolare per vedere se il reagente attacca abbastanza duramente il campione fino a penetrare attraverso la frattura a causa della diminuzione dello spessore del
film al di sopra di essa.
Per replicare l’esposizione reale o l’invecchiamento, i blocchi
di prova rivestiti sono stoccati in sabbia umida e posti all’esterno. Dopo rispettivamente sei mesi e due anni di esposizione
all’invecchiamento, i test di crack-bridging e resistenza chimica
sono stati ripetuti. Belzona 4361 ha superato le prove di crackbridging e resistenza chimica dopo 6 mesi di esposizione all’invecchiamento, che saranno ripetute per completare la prova
di due anni. WHG effettua test indipendenti rigorosi e i risultati
sono validi allo stesso modo in Europa e nel resto del mondo.
La resistenza chimica è stata testata rivestendo delle barre e
immergendole in specifiche sostanze chimiche per un periodo fino a 12 mesi.
Marina Silva
Belzona Polymerics Ltd, Harrogate
UK, [email protected]
Table 1 illustrates obtained results for some of the tested
chemicals.
La tabella 1 illustra i risultati ottenuti con alcune delle sostanze utilizzate nelle prove.
Chemical
Belzona 4361 length of resistance
93% Sulphuric Acid
52 weeks and beyond
37% Hydrochloric Acid
52 weeks and beyond
43% Phosphoric Acid
4 weeks
25% Phosphoric Acid
39 weeks
10% Acetic Acid
1 week
2% Acetic Acid
52 weeks and beyond
25% Ammonia
4 weeks
Ethyl Acetate
52 weeks and beyond
Ethanolamine
1 week
Oil, Petrol and Diesel
52 weeks and beyond
Ethanol
52 weeks and beyond
Methanol
17 weeks
Table 1. Chemical Resistance of Belzona 4361
The coating is perfectly suitable to resist aggressive
chemicals, as protection is only required to last until
the leaked chemical can be recovered from the bund.
Best practice reports in some countries do not specify
a universal length of time the coating needs to resist
the spilled chemical and some documents state 72
hours as an acceptable length of protection, see the U.S
Environmental Protection Agency proposal,
40 CFR 112.7(c).
Tabella 1: resistenza chimica di Belzona 4361.
Il rivestimento è perfettamente adeguato per resistere alle sostanze chimiche aggressive, poiché la protezione deve durare
soltanto fino a quando il versamento è stato recuperato dal bacino. In alcuni Paesi, i rapporti sulle best practice non specificano
in modo universale il periodo di resistenza del rivestimento alle sostanze, mentre alcuni documenti riportano 72 ore come
una durata di protezione accettabile (U.S Environmental Protection Agency proposal, 40 CFR 112.7(c)).
Protezione chimica in azione
Chemical Protection in Action
Following its introduction in 2015, Belzona 4361 has
been applied to protect the most critical assets. A
secondary containment area in a Missouri, U.S. power
plant was coated with Belzona 4361 after the existing
chemical protection had failed. The bund in place
to contain spillages from a 93% sulphuric acid tank
(Fig. 3) experienced splashes, spills and poor clean-up
procedures, in addition to movement which resulted in
small gaps forming between the floor and bottom
of the wall inside the containment area.
The power station has already been using a variety
of Belzona materials ever since six years ago Belzona
Gateway Inc, the local Belzona Distributor, solved a major
leak problem bringing their water treatment plant back in
service. It then came as no surprise that this long standing
customer turned to their local Belzona representative for
a solution. After assessing the problem, Belzona Gateway
proposed to use Belzona 4361 due to its excellent chemical
resistance, flexibility and good adhesion facilitating
long-term sealing between the bund’s wall and floor
(Fig. 4). The application was carried out in March 2015
A seguito della sua introduzione nel 2015, Belzona 4361 è stato
applicato per proteggere gli asset più critici. In Missouri (USA),
l’area di contenimento secondario di una centrale elettrica è
stata verniciata con Belzona 4361 dopo il fallimento del precedente sistema di protezione dalle sostanze chimiche. Il bacino di contenimento, installato per contenere i versamenti di
un serbatoio di acido solforico al 93% (fig. 3), ha mostrato perdite, versamenti e procedure di pulizia insufficienti, oltre a movimenti che hanno causato la formazione di piccoli vuoti tra il
pavimento e il fondo della parete all’interno dell’area di contenimento.
La centrale elettrica utilizzava diversi prodotti Belzona già da
6 anni, quando Belzona Gateway Inc, il distributore locale di
Belzona, aveva risolto un grave problema di versamento riportando in servizio il loro impianto di trattamento delle acque. Non è dunque una sorpresa se questo cliente di lungo
corso si è rivolto al rappresentante locale di Belzona per una
soluzione. Dopo aver valutato il problema, Belzona Gateway
ha proposto l’utilizzo di Belzona 4361 per le sue eccellenti caratteristiche di resistenza chimica, flessibilità e buona adesione, che facilitano la sigillatura a lungo termine tra la parete e il
pavimento del bacino (fig. 4). L’applicazione è stata effettua-
ipcm® Protective Coatings - 2016 JUNE - N. 18
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PROTECTIVE COATINGS | INNOVATIONS
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5
Acid tanks, outer view.
Serbatoi di acido,
esterno.
5
and inspected recently, revealing that the Belzona
protection was fully intact.
100% solids epoxy materials adhere well not only to
concrete, but can be successfully used to protect a metal
substrate from the chemicals. Added flexibility of the
coating expands and contracts in sympathy with the
underlying metal substrate. This second case study comes
from China, where Belzona 4361’s chemical resistance
and flexibility were put to the test when it was used to
line two acid tanks at an oil field’s power plant (Fig. 5).
The acid tanks contain 37% hydrochloric acid and were
previously protected with an elastomer lining. In winter,
when the plant transferred the hydrochloric acid from
cold environment (<-0°C/32°F) to room temperature
(>20°C/68°F), the dramatic temperature change caused
the existing elastomer lining to crack and, as a result, the
tanks started leaking. Belzona 4361 was used to line two
tanks in October 2015 (Fig. 6) and the client requested
another two tanks to be coated in 2016.
Utilising coatings which provide chemical resistance as
well as crack-bridging ability is crucial to both comply
with relevant standards and to guarantee lasting
protection from spills. As the industry keeps improving
the safety of their operations, material manufacturers
need to keep up and continue to innovate by utilising
novel raw materials. Of course, provision of an adequate
secondary containment area is only one of the many
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ta nel marzo 2015 e ispezionata recentemente: la protezione
di Belzona era ancora completamente intatta.
I materiali epossidici 100% solidi aderiscono bene al cemento ma posso essere usati con successo anche per proteggere
le superfici in metallo dalle sostanze chimiche. Il rivestimento
flessibile si espande e contrae insieme al metallo che ricopre.
Il secondo caso di successo viene dalla Cina, dove la flessibilità e la resistenza di Belzona 4361 sono stati messi alla prova
quando il prodotto è stato usato per rivestire due serbatoi di
acido in una centrale elettrica a petrolio (fig. 5).
I serbatoi di acido contengono acido cloridrico al 37% e in
precedenza erano stati protetti con un rivestimento elastomerico. In inverno, quando l’impianto ha trasferito l’acido
cloridrico dall’ambiente freddo (<-0°C/32°F) a temperatura
ambiente (>20°C/68°F), lo sbalzo drastico di temperatura ha
causato la frattura del rivestimento elastomerico, causando la
fuoriuscita di materiale dai serbatoi. Belzona 4361 è stato usato per rivestire questi serbatoi a ottobre 2015 (fig. 6), e il cliente ha richiesto il rivestimento di altri due serbatoi per il 2016.
L’utilizzo di rivestimenti che offrono sia resistenza chimica sia
proprietà di crack-bridging è cruciale sia per essere conformi
agli standard più importanti sia per garantire una protezione
duratura contro le perdite. Mentre l’industria continua a migliorare la sicurezza delle operazioni, i produttori di materiali devono stare al passo e continuare a innovare utilizzando
nuove materie prime. Naturalmente, disporre di un’area di
contenimento secondario è soltanto uno dei miglioramenti
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UK, [email protected]
6
Belzona 4361 applied.
© Belzona
Belzona 4361 applicato.
6
improvements that can be done to manage hazards and
minimise risks. Some of the other areas to consider include
system automation and software, with leak detection
technologies and alarm sounding. Such systems can
dramatically reduce human error, which was found to be
a major contributing factor in the progression of several
accidents described in the Seveso Directive. Enhancing
safety protocols will ultimately ensure that accidents
such as Buncefield do not happen again. ‹
che si possono effettuare per gestire i pericoli e minimizzare i rischi. Alcune tra le altre aree da considerare includono
i sistemi di automazione e i software, con tecnologie di rilevamento delle perdite e allarmi sonori. Sistemi come questi possono ridurre drasticamente l’errore umano, una delle
cause principali di diversi incidenti descritti nella Direttiva Seveso. Il miglioramento dei protocolli di sicurezza assicurerà
infine che incidenti come quello di Buncefield non accadano
di nuovo. ‹
References:
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