miércoles, 27 de noviembre de 2013

Instrumentación en áreas de riesgo explosivo - Piping I&C

Áreas de Riesgo Explosivo – Clasificación 


Numerosas industrias y procesos operan con gases, líquidos, polvos o fibras que son inflamables. En determinadas circunstancias, normales (carga de un tanque de combustible, piletas API de separación de hidrocarburos) o anormales ( rotura de sello de una bomba, tareas de mantenimiento, defecto en una junta,  fisuras en un caño, venteo de válvulas de seguridad), se produce la liberación de tales sustancias a la atmósfera con el consiguiente riesgo de explosión. Aunque menos conocidos, tales riesgos se extienden también a sustancias tan insospechadas como la harina, el polvillo de cereal en los silos, azúcar, aserrín y fibra de papel. En esas condiciones, se habla de áreas peligrosas, con riesgo de explosión, o sintéticamente áreas explosivas.


Desgraciadamente, el conjunto de cuestiones asociada a las áreas de riesgo explosivo y las que se desprenden de la necesidad de operar equipos eléctricos y electrónicos en tales áreas, no son tratadas, en general, con el cuidado que merecen.

Para que ocurra una explosión en una zona peligrosa por la presencia de gases o polvillos inflamables deben estar presentes simultáneamente la sustancia combustible, oxígeno en una proporción que caiga dentro del intervalo comprendido entre el Límite Explosivo Inferior  y el L.E. Superior y una fuente de energía suficiente para detonar la mezcla explosiva. Es el clásico triángulo del fuego que se enseña en los cursos básicos de  combate contra el fuego.


Como estas tres circunstancias deben presentarse simultáneamente, sucede con frecuencia que instalaciones inadecuadas sobreviven sin incidentes simplemente por una afortunada combinación probabilística. En otros casos, la duda o la ignorancia llevan a la sobre especificación, con carísimas instalaciones y/o equipamiento cuando en realidad no son necesarios.

En las vísperas de la Guerra del Golfo, y como prueba del potencial militar iraquí, se habló y escribió mucho sobre un tipo de bomba a la que bautizaron pomposamente “la bomba atómica de los pobres”. Sintéticamente, constan de una carga detonante base, capaz de pulverizar una importante masa de combustible ( kerosén o gas oil) en un período de tiempo breve, pero suficiente como para que la niebla en expansión forme una mezcla explosiva con el aire que la circunda. Inmediatamente después estalla una segunda carga que actúa como detonante de la mezcla. Visto en cámara lenta, se trata de una onda expansiva que, a medida que va progresando en su reacción de oxidación violenta y altamente exotérmica, en la expansión de los gases de combustión comprime a su vez a la mezcla vecina, de manera que el frente de la explosión avanza de manera exponencial, encontrando cada vez una  mezcla más comprimida y por ende más reactiva. Así, el efecto final es una detonación de resultados devastadores, con ondas de presión de enorme poder destructivo. Esta descripción ajusta perfectamente en  la cinética de una detonación de gases inflamables en un espacio no confinado. En tales casos, aunque resulte difícil de imaginarlo, el aire que circunda a la mezcla en condiciones de explotar, funciona como el “soporte” contra el cual ocurre la creciente compresión de la mezcla.

En el caso de las explosiones en los ámbitos industriales, numerosos objetos, paredes, sótanos, canaletas y aún la propia envolvente de un tanque, actúan como más eficientes paredes de contención, descriptos como espacios semi confinados o confinados, y los efectos de la explosión son más dañinos. Debe tenerse en cuenta que el frente de una explosión, el punto de progreso de esa bola de fuego que va avanzando, progresa a velocidades muy grandes, entre 0,3 á 3 metros por segundo.

Como sabemos todos por experiencia doméstica cotidiana, no siempre que hay un triángulo de fuego lo que se obtiene es una explosión. Al encender una hornalla de la cocina, acercamos un fósforo o una chispa a una masa de metano – aire en proporciones adecuadas, y solamente tenemos un fuego controlado. La cinética involucrada puede ser la misma, pero la masa en juego hace la diferencia. Si lo analizamos en el caso de encender un horno o un calefón, las condiciones de límite entre uno y otro efecto se verán más claramente. 


Otra conclusión interesante es que la única condición en el triángulo, a la hora de ver  el vértice de la energía, es que esté presente por encima de un umbral mínimo que variará según la mezcla explosiva en juego. La magnitud será cuestión de la masa puesta en juego y otras circunstancias de contorno. Pero la misma chispa sirve para todos los casos.

Intersticio Experimental Máximo de Seguridad (IEMS)


Uno de los métodos para medir y cuantificar la explosividad, se logra mediante un dispositivo denominado Explosímetro de Westerberg, que simplificándolo resulta ser una cámara dividida en dos compartimentos, ambos llenos de la misma mezcla explosiva.  La pared que los separa, tiene una ranura de 25 mm de largo cuyo ancho es variable a voluntad mediante un micrómetro. La presión y temperatura, en general se adoptan normalizadas (20 ºC y 1 bar). En una de las cámaras se genera una chispa, que produce una explosión. En esas condiciones, se va ensayando desde intersticios muy pequeños subiéndolos de a poco cada vez. En ranuras muy cerradas, la energía de gases calientes que logran pasar de una cámara a la otra no alcanza como para hacer que la mezcla allí explote. El intersticio se va aumentando paulatinamente en ensayos sucesivos, hasta que la explosión en una cámara se propaga a la otra. La última lectura de ranura que no dio propagación, se toma como el Intersticio Experimental Máximo de Seguridad (IEMS) .

Como para tener idea del ancho de ranura, los ensayos se realizan típicamente entre 0,1 á 0,01 mm. La base de esta técnica experimental es determinar de una manera reproducible, cuál es el umbral de energía a partir del cual la reacción de oxidación violenta procede espontáneamente. De este método deriva una escala para cada sustancia, que curiosamente se mide en unidades de longitud (mm).

Energía Mínima de Ignición (EMI)


Para cada gas, en su concentración volumétrica más explosiva, se determina experimentalmente la energía mínima que han de tener electrodos normalizados para ser capaces que esa mezcla explote. En tanto se usen mezclas en una proporción de volúmenes distintas que la más explosiva, se obtendrán curvas como la que se muestran en la Figura 1.

Debe tenerse en cuanta que estos métodos representan aproximaciones experimentales y su valor es orientativo. De hecho, una vez que se inicia una explosión, las condiciones en que se desarrolla están en cambio continuo.  Las conclusiones sobre EMI resultan aplicables a determinado diseño de electrodo y en condiciones normalizadas. Pero al ser sistemáticas, reproducibles y cubrir una amplia gama de sustancias, permite establecer el ránking de los malos.




De la observación de ambas trazas se desprende que el hidrógeno forma mezclas explosivas que detonarán con más facilidad (Energía Mínima de Ignición 20 mJ) y en una gama más amplia de concentraciones gas – aire que el propano (EMI 250 mJ). De la observación de la curva para el Propano, por encima del 40% en volumen se infiere que la energía necesaria para que la mezcla explote es muy alta o simplemente, se puede inferir, no ocurrirá explosión.

Esto nos sirve para introducir el concepto de Límite Explosivo. Para cada gas explosivo, en condiciones normalizadas de temperatura y presión, es posible establecer el umbral por debajo del cual la mezcla es demasiado pobre y no habrá explosión. Este es el Límite Explosivo Inferior (LEI o LEL  en inglés). A partir de ese punto, habrá una gama de concentraciones gas aire en que todas las mezclas serán explosivas, hasta llegar a un punto máximo, por encima del cual la concentración volumétrica es demasiado rica y no habrá explosión. Ese será el Límite Explosivo Superior (LES  o UEL  en inglés ).

La circunstancia física descripta no justifica hacer un tratamiento desaprensivo de los problemas asociados a, por ejemplo, sustancias poco explosivas. Al igual que ocurre con la energía eléctrica, no se trata de tenerle miedo, sino de respetarla.

Para respetar a la problemática de las áreas peligrosas, en primer lugar debemos conocer los peligros intrínsecos asociados a la naturaleza de las sustancias puestas en juego (lo que explota), y luego todos los parámetros físicos y temporales del entorno en que esas sustancias podrían explotar (el área en sí, y el modo de operación de los distintos dispositivos y equipos que en ella están).

Finalmente, una y otra vez, cuando atendemos cuestiones de Seguridad, tanto de personas, de equipos y aún ambiental, terminamos adoptando enfoques que combinan el Peligro intrínseco de la cosa con la probabilidad de ocurrencia de la circunstancia que desencadena un incidente asociado a ella. A esa combinación, habitualmente una multiplicación, es lo que llamamos Riesgo

 Temperatura mínima de auto ignición

Resta todavía una propiedad más de las sustancias. La fuente de energía para iniciar el proceso de oxidación no necesariamente ha de ser una chispa. El contacto con una superficie suficientemente caliente alcanza para que en su proximidad se inicie la explosión. Falta, entonces, definir qué se entiende por suficientemente caliente. Los ensayos dan lugar a determinar con buena repetibilidad una temperatura mínima por encima de la cual una mezcla dará lugar a una explosión. Las sustancias fueron agrupadas según un cierto intervalo de temperaturas de auto ignición  (AIT, Autogenous Ignition Temperature  en inglés), como se indica en la tabla siguiente:

T máxima (ºC)
Identificación
450
T1
300
T2
280
T2A
260
T2B
230
T2C
215
T2D
200
T3
180
T3A
165
T3B
160
T3C
135
T4
120
T4A
100
T5
85
T6

Tabla 1: Identificación de Temperaturas de auto ignición 

De la observación de estas propiedades de las mezclas explosivas, resulta práctico agruparlas según la facilidad con que pueden iniciar una explosión, en grupos que presentan características similares. Así, se pueden establecer parámetros de diseño operativo para circuitos electrónicos limitando la energía disponible por debajo de la energía mínima de ignición de las mezclas que pueden estar presentes en un lugar particular. Eso es justamente lo que hacen las normas de caracterización de áreas peligrosas.

Clasificación de áreas

Hasta la actualidad, y pese a los esfuerzos por uniformar los criterios de clasificación de áreas  a nivel internacional persiste una cierta diversidad. No es sencillo opinar sobre por qué sucede algo así, pero la verdadera razón seguramente tendrá que ver con intereses comerciales de países o bloques de países, desarrollo desigual de experiencias de normalización, trabas burocráticas de organismos para gubernamentales, y la condición no inequívoca de la experiencia práctica de cada rama de la industria.
Sin embargo, recientemente se han producido dos avances dignos de mención: por este lado del Atlántico, luego de muchos años de discrepancias, la NFPA ha emitido una clasificación paralela y prácticamente equivalente a la clasificación europea CENELEC y la internacional IEC, en el artículo 505 del National Electrical Code (NEC), emitido en 1999. No obstante, para uso doméstico, mantiene la tradicional triada “Clase – Grupo - División” (Artículos 500 á 503) que desarrollaremos más adelante.

El esquema llamado “europeo” de Clasificación de Áreas con riesgo explosivo, que se describe en la segunda parte de este apunte, ha producido una novedad que habrá de ser obligatoria en su aplicación al 1º de Julio de 2003, la directiva ATEX.

Como una primera aproximación, se presenta a continuación una tabla comparativa

País / Entidad

Peligro

Permanente

Peligro

 Intermitente

Peligro bajo condiciones anormales

EE.UU. NEC Art. 500-503

División 1

División 1

División 2

IEC / CENELEC /Europa / NEC Art. 505

Zona 0

(Zona 20 en Polvos)

Zona 1

(Zona 21 en Polvos)

Zona 2

(Zona 22 en Polvos)

Categoría de Seguridad

Vapores *

G1

G2

G3

Categoría de Seguridad

Polvos*

D1

D2

D3

* El Artículo 505 del NEC cubre solamente gases y polvos explosivos de acuerdo con la directiva europea 94/9 (ATEX).



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