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Descarga Electrostática. Procedimientos para aumentar la seguridad del personal e instalaciones de

las Distribuidoras de Gas Natural de la República Argentina, en las tareas de operación, reparación y mantenimiento de tuberías de polietileno (PE) en servicio.

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1. Abstract

El uso del polietileno (PE) en las instalaciones de tuberías utilizadas en la distribución del gas natural, tienen sobradas ventajas respecto de las de acero por varias razones. El inconveniente que presentan es el de la electricidad estática que genera el flujo de gas al circular en dichas tuberías. El personal de las distribuidoras de gas debe actuar sobre tales tuberías enterradas, en las tareas de operación, reparación y mantenimiento quedando expuesto a incidentes o accidentes actualmente inadmisibles. Durante estas tareas, pueden originarse chispas o arcos eléctricos provocados por descargas electrostáticas que pueden ocasionar incendios o explosiones de la mezcla gas-aire presente y también provocar lesiones o muertes de personas en el entorno de trabajo y daños a las instalaciones. En zonas urbanas los daños pueden llegar afectar a personas no pertenecientes a las distribuidoras y también a los bienes de terceros con las actuaciones legales que ello implica. El objetivo de este trabajo es presentar las bases teóricas y el resultado de investigaciones del proceso de las descargas electrostáticas que se originan en las tuberías de polietileno (PE). A partir de ello se dan recomendaciones para que el personal de las distribuidoras de gas pueda desarrollar sus tareas en condiciones seguras y confiables. El desarrollo del trabajo se fundamenta principalmente en referencias técnicas internacionales a mencionar en la presentación. Seudónimo: Benjamín Franklin 1

2. Palabras claves Carga electrostática. Triboelectricidad. Descarga electrostática. Voltímetro electrostático. Ionización. Pinzado de tuberías de polietileno (PE), resistividad eléctrica superficial.

3. Alcance del tema El sistema de unidades a emplear es el SIMELA (Sistema Métrico Legal Argentino), en concordancia con el Sistema internacional (SI) Es importante destacar que la carga de electricidad estática generada dentro de una tubería de PE no se debe a defectos o anomalías en dicha tubería Todos los materiales que son aislantes eléctricos (y el gas y el PE son aislantes), cuando se ponen en contacto y se separan y /o se frotan2, generan electricidad estática. La electricidad estática se genera naturalmente y normalmente en las paredes internas de las tuberías de PE. Las tuberías de PE se cargan cuando el polvo, partículas de óxido de hierro y suciedad 3 están presentes en el flujo de gas. Por lo tanto, la carga eléctrica se genera inicialmente en el interior de la tubería. El campo eléctrico4 resultante de la carga interior induce una carga exterior en la tubería. Para eliminar las cargas externas por razones de seguridad, los actuales procedimientos que aplican las distribuidoras de gas de nuestro país consisten en el uso de una arpillera húmeda, con la cual se envuelve la tubería de PE. Se coloca la arpillera, en contacto con la tierra húmeda. La electricidad estática que se genera en las tuberías de PE puede convertirse en una amenaza para la seguridad, especialmente donde haya partículas en la tubería. Además la disipación de la carga exterior no tiene ningún efecto en la disipación de la carga interior, dado que la carga interior seguirá confinada y fuertemente adherida a las paredes internas de la tubería, a consecuencia de la alta resistividad superficial del polietileno. Hay otro efecto perjudicial provocado por las descargas electrostáticas en las tuberías de PE. Es el fenómeno denominado “pinholing”. Se originan pequeños orificios, del tamaño de un alfiler y muy difíciles de detectar en las tuberías enterradas. Este tipo de defectos fueron observados por primera vez en 1984, en los Estados Unidos. El campo electrostático excede la rigidez dieléctrica de la tubería y se produce la perforación. Aparece en zonas de restricción de las tuberías, por ejemplo en zonas de “pinzado”, codos, etc. Estos orificios constituyen las vías de escape hacia el terreno, por la gran acumulación de cargas electrostáticas existentes en el interior de las tuberías de PE. A estos orificios se los suelen llamar también “pequeños puntos negros” (small black dots = pinholes)

1 En honor al científico que inventó el pararrayos, logrando desviar a tierra la más formidable descarga

electrostática de la naturaleza: el rayo, fuera de los edificios, obteniendo la protección de vidas humanas y de los

propios edificios y de su contenido. 2 A este fenómeno se lo denomina triboelectricidad (proveniente del griego: tribo: frotar y electricidad), que se

desarrollará detalladamente en el apartado 4 3 En adelante se generalizará con el vocablo “ partículas” 4 Véase el apartado 3.1.6



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En algunos casos el campo electrostático es tan intenso, que puede producir fisuras en las paredes de las tuberías (Fig.1) 3.1 Conceptos de electricidad estática. Cargas electrostáticas. Descargas electrostáticas ESD (Electrostatic Discharge). 3.1.1 Historia5 y Antecedentes. Un enfoque general Se darán los conceptos básicos para una adecuada comprensión de la electricidad estática, que sean útiles para los temas tratados. La electricidad estática ha sido un problema serio en la industria por siglos. La influencia en la producción de fallas de los aparatos, equipos y dispositivos electrónicos es muy importante. Hoy, la ESD afecta la productividad y la calidad del producto, virtualmente en todos los aspectos del medio electrónico actual. A pesar del gran esfuerzo hecho durante las últimas décadas, la ESD aún afecta el rendimiento de la producción, los costos de manufactura, la calidad del producto, la confiabilidad del producto y los márgenes de utilidad. Los expertos de las industrias electrónicas han estimado el promedio de pérdidas de los productos causadas por la electricidad estática, en un rango que varía desde el 8% hasta el 33%. Se estima también que el costo actual de daños provocados por la ESD en la industria electrónica, en el mundo, es del orden de los mil millones de dólares anualmente. El gran desarrollo de la Electrotástica actual, se debió a la necesidad de solucionar los problemas de las descargas electrostáticas en los elementos electrónicos. 3.1.2 Estructura de la materia La materia que nos rodea está conformada por moléculas o por cristales. Las moléculas y los cristales son agrupaciones de átomos que permanecen unidos debido a la interacción electromagnética. Normalmente estas moléculas y cristales no poseen carga eléctrica; la cantidad de carga positiva iguala exactamente la cantidad de carga negativa, es decir, los átomos son neutros. El átomo (Fig.2), a su vez, está constituido por los electrones que forman una nube alrededor de otras partículas que constituyen el núcleo. Cada electrón posee una carga negativa que llamaremos (-e.) El núcleo del átomo está formado por dos clases de partículas: los protones y los neutrones. Cada protón posee una cantidad de carga igual a la de cada electrón pero de signo contrario, (+e).Los neutrones no poseen carga eléctrica. El átomo es neutro, lo cual significa que el número de protones es igual al número de electrones. Este número es lo que los químicos llaman número atómico No se conoce ninguna manera de crear una carga de un tipo (+ ó -), sin que en otra parte aparezca otra carga del otro tipo (- ó +), respectivamente. Una descripción más completa de los diversos modelos de los átomos pueden encontrase en /4/ 3. 1.3 Los conductores, los aisladores y los semiconductores /2/6, /3/, /6/, /8/, /16/, /17/ y /18/ ¿Qué sucede si frotamos con otro material una barra de vidrio, una de lacre y una de cobre? Cuando frotamos una barra de lacre con un pedazo de piel, estamos arrancado electrones de la piel que pasan al lacre. Cuando frotamos una barra de vidrio con un paño de seda, estamos arrancado electrones del vidrio. Esto significa que el lacre queda con carga negativa y el vidrio con carga positiva. Estas cargas quedan fijadas en el lugar que hemos frotado.

5 En el siglo VI, antes de Cristo, Thales de Mileto, reconocido sabio y filósofo, conocía que un trozo de ámbar frotado tenía la propiedad de

atraer objetos livianos.

En el año 1600 William Gilbert (1544-1603) encontró que otras sustancias tenían la propiedad del ámbar. Fue el

primero en usar el término electricidad (del griego ελεκτρον = electrón = ámbar)

En 1733 Francois de Cistenay Du Fay (1669-1739) fue el primero en identificar los dos tipos de cargas eléctricas, que denominó vítrea y

resinosa.

En 1751, se publica en Londres la famosa obra de Benjamín Franklin (17 de enero 1706 -17 de abril 1790) .

”Experiments and Observations on Electricity, made at Philadelphia”, la que causó sensación en Europa, traduciéndose a varios idiomas. El Dr.

E. Phillps ha experimentado en nuestros días los fenónemos descriptos por Franklin en la obra citada. Se hace notar que Franklin denominó a los dos tipo de cargas eléctricas como positiva (+) y ngativa ( -)..Enunció también el Principio de conservación de la electricidad.

En 1785 Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) estableció la ecuación que determina la fuerza originada por cargas eléctricas. En su honor la

unidad de carga eléctrica lleva el nombre de coulomb (C). En 1777 inventó la balanza de torsión para medir la fuerza de atracción o repulsión que ejercen entre si dos cargas eléctricas y estableció la función que relaciona esta fuerza con la distancia. Con este invento, culminado en 1785,

Coulomb pudo establecer la ecuación que rige la interacción entre las cargas eléctricas, actualmente conocida como ley de Coulomb:

La Obra /2/ es recomendada por el método didáctico de enseñanza y por el empleo de matemáticas simples. Uno de autores Lilla Romanelli. Master

Of Science de la Sam Houston University y Doctora en Ciencia Físicas de la Universidad de Buenos Aires (UBA): el otro autor, Alejandro Fendrik,

es Doctor en Ciencias físicas de la UBA. La obra /3/, de Skilling es muy didáctica pero usa matemáticas más complejas, pero es muy didáctico el sistema de exposición de los temas. La obra

/6/ fue escrita por Juan .C. Fernández, profesional destacadísimo del Departamento de Física de la Facultad de Ingeniería de la UBA. Usa

matemáticas superiores- Las obras /8/, /17/ y /18/ son importantes para comprender el desarrollo de la electrostática, incluyendo la descripción de las

máquinas generadoras de carga electrostática, botellas de Leyden, etc. Los tres autores (Loyarte. Simonoff y Ricaldoni) fueron eminentes

científicos.



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Si frotamos análogamente una barra de cobre no queda cargada. Si frotando barras de vidrio o barras de lacre en paños o pieles somos capaces de arrancar electrones que pasan de un material al otro, también deberíamos ser capaces de hacerlo frotando el cobre. Se resuelve si frotamos la barra de cobre, utilizando guantes de goma. Podremos verificar, en ese caso, que el cobre queda cargado pero, a diferencia de lo que sucede con el lacre y con el vidrio, la carga se distribuye por toda la superficie de la barra de cobre en lugar de quedar localizada en la región que hemos frotado. Esta diferencia de comportamiento nos permite dividir a los materiales en dos categorías. Aquellos materiales en los cuales la carga adquirida queda fija en el lugar que frotamos son materiales aislantes (como el vidrio, el lacre y la mayoría de los no metales); en cambio, aquellos materiales en los cuales la carga adquirida se distribuye por toda la superficie son materiales conductores (como el cobre y la mayoría de los metales). La diferencia entonces entre los conductores y los aislantes es que en los primeros las cargas eléctricas (electrones) se pueden mover libremente, mientras que en los segundos las cargas eléctricas permanecen ancladas. Existe una categoría intermedia entre conductores y aislantes los semiconductores, cuyo tratamiento se puede encontrar en la obra /16/ 3.1.4 Electrificación de los conductores 3.1.4.1 Carga por contacto En la parte superior izquierda de la Fig. 3 se muestra un cuerpo conductor cargado positivamente (por pérdida de electrones) Al ponerlo en contacto con otro cuerpo metálico sin carga, las cargas positivas se distribuyen aproximadamente en forma uniforme, como se muestra en la Fig.3, parte inferior izquierda. En forma análoga, en la parte superior derecha de la Fig. 3 se muestra un cuerpo conductor cargado negativamente (por ganancia de electrones) Al ponerlo en contacto con otro cuerpo metálico sin carga, las cargas negativas se distribuyen aproximadamente en forma uniforme, como se muestra en la Fig.3, parte inferior derecha. 3.1.4.2 Carga de un conductor por inducción (Fig. 4) Se puede cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento a él de una varilla cargada. Considérese la esfera conductora no cargada, suspendida de un hilo aislante. Al acercarle una varilla cargada positivamente, los electrones de conducción que se encuentran en la superficie de la esfera se movilizan hacia el lado cercano de ésta; como resultado, el lado lejano de la esfera se carga positivamente y el lado cercano queda con carga negativa. La esfera oscila acercándose a la varilla, porque la fuerza de atracción entre las cargas del lado cercano de la esfera y la propia varilla es mayor que la fuerza de repulsión entre las cargas del lado lejano de la esfera y la varilla cargada. Vemos que se obtiene una fuerza eléctrica neta de atracción, aun cuando la carga neta en la esfera, como un todo, sea nula. La carga por inducción no se restringe a los conductores, si no que se puede presentar en todos los materiales.

3.1.5 Ley de Coulomb En la Fig. 5 dos cargas eléctricas q1 y q2, separadas una distancia “d” quedan sometidas a una fuerza F. El módulo de la fuerza que aparece sobre cada uno de los cuerpos vale lo siguiente: q1 x q2 F = k0-------------- (1) d2 Siendo q1 y q2 los valores absolutos de las cargas. ko una constante que depende de las unidades con las que midamos las cantidades que aparecen en la fórmula. (1). κ0 .= 9 x10 9 Nm2/C2, para el Sistema de Unidades SIMELA Esta ley, conocida con el nombre de ley de Coulomb, es la base de los fenómenos físicos relacionados con la interacción entre cargas eléctricas en reposo. En la ecuación (1) figura el producto de los valores absolutos de las cargas, siendo F el módulo del vector F7 y el producto de las cargas puede tener cualquier signo: Si las cargas son del mismo tipo o signo el producto es positivo, y si las cargas son de distinto tipo o signo, el producto es negativo. El sentido de la fuerza F será repulsivo si el producto de las cargas tiene signo (+) y será atractivo si el producto de las cargas tienen signo (+) y (-). La ley de Coulomb tiene la misma forma que la ley de gravitación universal de Newton. Sin embargo, la interacción electrostática es completamente diferente de la gravitatoria. Por razones prácticas, es habitual expresar a ko en este sistema de unidades SIMELA:

7 La fuerza se representa por un vector F (en negrilla), y éste vector queda determinado, por una dirección, que pasa

por el eje de las cargas, por su módulo F y por un sentido. Las cargas se consideran concentradas en el centro de las

esferas de Fig..5; es decir puntuales..



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1 ko = ------------- (2) 4πε0 A la constante ε0 se la llama permitividad eléctrica del vacío. El coulomb resulta una cantidad de carga enorme y es inapropiado para describir las cargas que aparecen en la electrostática. Pensemos que dos cargas de un coulomb separadas entre sí por un metro se repelen con una fuerza de 9 * 109 newton (N) que equivale aproximadamente al peso de 13.000.000 de personas adultas. Por eso en la práctica se utilizan submúltiplos del Coulomb, como el microcoulomb (1µC = 10-6 C), el nanocoulomb ( 1nC = 10-9 C), etc. Por otra parte, la cantidad de carga del electrón es: e = 1,602176487 x 10-19 C y su masa es de 9,310938215 × 10−31 kg. El protón tiene la misma carga eléctrica que el electrón y una masa de 1,672 621 637 × 10–27 kg Entre las partículas elementales que forman los átomos (electrón y protón), la atracción electrostática resulta mayor que 2 x 10 39, respecto de la atracción gravitatoria de dichas partículas. Podemos afirmar entonces que en los sistemas atómicos la interacción gravitatoria es absolutamente despreciable frente ala interacción electromagnética. La fuerza F se puede expresar como F = F f , siendo F el módulo de la fuerza y f es un vector de módulo f =1. que a u vez determina la dirección, coincidente con la de la fuerza F. 3.1.6 El campo eléctrico Un campo eléctrico es un campo de fuerzas creado por la atracción y repulsión de cargas eléctricas y se mide en volt por metro (V/m). Los campos eléctricos estáticos (también conocidos como campos electrostáticos) son campos eléctricos que no varían con el tiempo (frecuencia de 0 Hz). Los campos eléctricos estáticos se generan por cargas eléctricas fijas en el espacio. Están relacionados con la ley de Coulomb: Sea el campo generado por un cuerpo con carga positiva o negativa q, en C. Si se explora el campo con una carga muy pequeña, qp, para que no influya en la modificación del campo: En un punto cualquiera el campo eléctrico E en V/m es:

E= F/qp (3)

q x q p

F= κ0--------------- (Ley de Coulomb) (4)

d2 En la Fig.6 puede verse el campo eléctrico producido por dos cargas eléctricas 3.1.7 El equilibrio electrostático Se enunciarán las propiedades que presentan los conductores en presencia de campos eléctricos en condiciones de equilibrio electrostático8 El campo electrostático es nulo dentro del conductor. Como dentro del conductor hay partículas cargadas libres, si hubiera campo estas partículas se moverían y la situación no sería electrostática. No existe densidad de carga volumétrica en el interior de un conductor como consecuencia que el campo eléctrico dentro del conductor es cero. Si se aplica un campo eléctrico en la región donde se halla un cuerpo conductor las partículas cargadas de su interior se redistribuyan en su superficie para anular el campo en su interior. Si el cuerpo está cargado, la carga neta se distribuye sobre la superficie. Las líneas de campo electrostático exteriores son normales a las superficies conductoras. En general, el campo exterior sobre la superficie del conductor se puede descomponer en una componente normal y otra tangencial a la superficie. La componente tangencial producirá fuerzas y movimiento en las partículas cargadas en la superficie del conductor. Como esto no es posible en una situación electrostática, la componente tangencial debe ser nula. No hay restricción sobre la componente normal debido a que las partículas cargadas no pueden atravesar la superficie (para campos no demasiado intensos) por la existencia de una barrera de potencial entre el sólido y su ambiente. Como las líneas de campo son perpendiculares a la superficie del conductor en todo punto, la superficie de un cuerpo conductor es una equipotencial. Como además en todo el interior del conductor no hay campo, no hay diferencia de potencial entre dos pares de puntos cualesquiera del conductor. Entonces, todo el cuerpo conductor es un volumen equipotencial.

8 Equilibrio electrostático, significa que no hay cargas eléctricas en movimiento



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Carga inducida. La redistribución de las partículas cargadas en un conductor frente a un campo aplicado es un caso de inducción electrostática. La carga inducida está ligada con la capacidad del conductor..

4. Triboelectricidad En las figuras 7 y 8 se muestra mediante una forma sencilla, como dos materiales, inicialmente en estado neutro desde el punto de vista de las cargas eléctricas, al ponerse en contacto y separase y/o frotarse, generan cargas eléctricas. Este fenómeno se llama triboelectricidad Este proceso de contacto entre materiales, transferencia de electrones y separación, es realmente un mecanismo más complejo de lo que se describe aquí. En el capítulo 3 de la obra /10 / se puede encontrar un desarrollo científico del proceso de generación de cargas. La cantidad de carga creada por la carga triboeléctrica es afectada por el área de contacto, la velocidad de separación, la humedad relativa y otros factores. Una vez que la carga es creada en un material, esta se convierte en una carga electrostática (solo si permanece en el material). Esta carga puede ser transferida desde el material, creando una descarga electrostática o un evento ESD. Adicionalmente otros factores, como la resistencia real del circuito de descarga y la resistencia en la conexión entre las superficies de contacto, también afectan la carga actual que puede causar daños. La sensibilidad humana a la descarga electrostática (ESD) es: A 3000V se puede sentir al tacto. A 5 000V se puede escuchar. A 10 000 V se puede ver la chispa o arco eléctrico

La generación de ESD, puede producirse por: a) carga triboeléctrica, b) inducción y c) por variación de capacidad C en (C). Siendo V la tensión en volt (V) q la carga en coulomb (C ) y C la capacidad en farad (F), resulta V =q/C . 4.1 Serie Triboeléctrica9

Mayo carga (+) Piel humana, Cuero, Piel de conejo, Vidrio, Cuarzo, Mica, Pelo humano, Nylon, Lana, Plomo

Pelo de gato, Seda, Aluminio, Papel (pequeña carga positiva), Algodón (sin carga) Acero, Madera (pequeña carga negativa), Polimetilmetacrilato, Ámbar, Cera, Poliestireno, Globo de goma, Resinas, Goma dura, Níquel, Cobre, Azufre, Latón, Plata, Oro, Platino, Acetato, Rayón, Goma sintética, Poliéster, Espuma de poliestireno, Orlón, Plástico para embalar, Poliuretano, Polietileno, Polipropileno, Vinilo cloruro de polivinilo (PVC), Silicio, Teflón, Goma de Silicona, Ebonita Mayor carga (-) Cuando la piel humana se pone en contacto con una barra de cobre por ejemplo, la piel humana de una persona pierde electrones y el cobre los gana, suponiendo que la persona aislada de tierra. Un material de la parte inferior de la serie y cuando está tocando a un material cercano al tope de la serie, logrará una carga más negativa, y viceversa

5. Capacitor plano. (Fig. 9)

En electricidad y electrónica, un condensador, o capacitor es un dispositivo que almacena energía eléctrica, es un componente pasivo. Está formado por un par de superficies conductoras en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la (otra), generalmente en forma de esferas o placas, separadas por un material dieléctrico (siendo éste utilizado en un condensador para disminuir el campo eléctrico, ya que actúa como aislante) o por el vacío, que, sometidos a una diferencia de potencial (d.d.p) adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de las placas y negativa en la otra (siendo nula la carga total almacenada).

La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide en farad (F), siendo 1 farad la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1 voltio, éstas adquieren una carga eléctrica de 1 Coulomb ( C )

C es la capacidad del capacitor plano, el dieléctrico es el aire de permitividad ε0 y A (m2) es el área de cada una de las placas planas.

9 Faraday descubrió la serie triboeléctrica. El Profesor Tebaldo J. Ricaldoni, en nuestro país, en 1912 la llamaba “Serie

eléctrica”



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El condensador almacena energía eléctrica, debido a la presencia de un campo eléctrico en su interior, cuando aumenta la diferencia de potencial en sus terminales, devolviéndola cuando ésta disminuye.

6 Ionización. Aumento de la conductividad del aire por ionización

La disipación de cargas electrostáticas se puede conseguir, sin contacto entre cuerpos, mediante ionización del aire en las proximidades del objeto cargado. En esas condiciones, el aire se hace suficiente conductor para disipar las cargas electrostáticas. Los dispositivos empleados reciben el nombre de ionizadores, neutralizadores o eliminadores de electricidad estática. Para su utilización se deben considerar los problemas técnicos que se pueden presentar, como las condiciones ambientales (polvo, temperatura, etc.) y de localización del dispositivo en relación al material que se trabaja, piezas de las máquinas y personal.

7 Generación de electricidad electrostática. Influencia de la humedad La influencia de la humedad es muy importante para disminuir las tensiones originadas por las cargas electrostáticas. Para mostrar el efecto de la humedad se muestra la Tabla 1.del ANEXO A

8 Tuberías de polietileno

8.1 Las tuberías de polietileno en la distribución de gas. Durante el 2002, aproximadamente el 50% de la red de distribución de gas natural en los EE.U.U. de Norteamérica era de polietileno (PE), y del 90 % de las que se estaban instalando. Las compañías distribuidoras de gas natural que operan en la Argentina, emplean también en gran proporción las tuberías de PE. Las ventajas más importantes que tienen las tuberías de PE respecto de las de acero son las siguientes:

• No se corroen. • No necesitan protección catódica. • Tienen una vida de por lo menos 100 años. • Tienen menos peso por unidad de longitud, diámetro y espesor de las de la pared... • Presentan una mayor facilidad de montaje de los accesorios de unión y derivaciones.

8. 2 Problema que crea la electricidad estática. Incendios o explosiones El personal de las distribuidoras de gas debe actuar sobre tales tuberías de polietileno PE enterradas, en las tareas de operación, reparación y mantenimiento quedando expuesto a incidentes o accidentes. Durante estas tareas pueden originarse chispas o arcos eléctricos provocados por descargas electrostáticas que pueden ocasionar incendios o explosiones de la mezcla gas-aire presente y también provocar lesiones o muertes de personas en el entorno de trabajo y daños a las instalaciones. En zonas urbanas los daños pueden llegar afectar a personas no pertenecientes a las distribuidoras y también a los bienes de terceros. Hay videos en la web, que muestran casos dramáticos de incendios y explosiones ocasionados en tuberías de PE. La OSHA señala en /15/ algunos accidentes de casos fatales (muerte de personas). Hemos seleccionados dos videos, que se adjuntan en el CD. La explicación de los incidentes en español, se encuentran en el ANEXO A. Estos incidentes, generalmente son producidos por empresas contratistas de otros servicios que realizan trabajos de excavación con equipos y herramientas o retroexcavadoras en zonas próximas al recorrido de las tuberías Las cuestiones de seguridad relacionadas con las descargas electrostáticas en las tuberías de PE, durante las tareas de reparación de dichas tuberías constituyen una importante preocupación para las distribuidoras del gas natural. Así, en los Estados Unidos de Norteamérica, el GTI10 (Gas Technologies Institute), ha pedido en repetidas ocasiones a la industria fabricante de los elementos de los sistemas de distribución de gas, que desarrollen métodos y productos para eliminar la electricidad estática, debido a que es un problema complejo y generalizado. Por otra parte en la medida que transcurre el tiempo, la cantidad de instalaciones de tuberías de PE aumenta continuamente y los eventos no deseables pueden multiplicarse. 8.3 Proceso de carga y descarga electrostática en las tuberías de PE La carga eléctrica en una tubería de PE es originada por contacto y separación y/o fricción contra las paredes de las tuberías, por parte de “partículas” que fluyen con el gas por el interior de dichas tuberías

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Anteriormente se denominaba GRI, Gas Research Institute



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Este hecho es importante y fundamental para implementar el control de las cargas electrostáticas en las redes de distribución del gas natural. La acumulación de electricidad estática en las paredes interiores de las tuberías de PE es una función de la cantidad de partículas, crostas, de la velocidad, de la presión, del caudal del fluido gaseoso y del contenido de humedad del gas La cantidad de la carga electrostática adherida a las paredes interiores de una tubería es directamente proporcional a:

• La cantidad de “partículas” • La velocidad • La presión del gas. • A la cantidad de codos, T y cambios de caudal e inversamente proporcional. • al contenido de humedad

Una de las dificultades particulares para el control de la electricidad estática en los sistemas de distribución de gas natural en tuberías de PE es el hecho de que la carga no se distribuye de manera uniforme o previsible en el lugar exacto donde se genera. En algunas zonas de una tubería de PE se desarrollará una mayor cantidad de cargas que en otras áreas. Debido a esto, se debe asumir desde el punto de vista de la seguridad que las cargas electrostáticas peligrosas están presentes en todas partes de las tuberías de PE. El campo eléctrico resultante de la carga interior de una tubería induce una carga de igual valor y de signo contrario en las paredes externas de la tubería de PE. La comprensión de este fenómeno no es intuitivamente obvio. Por esta razón es necesario explicarlo. Si la carga está en el interior de la tubería de PE y el PE es un aislante eléctrico, ¿cómo puede ser inducida la carga exterior?. Ello se debe a que las tuberías de PE están enterradas. En el terreno se movilizan las cargas eléctricas de signo contrario a la existente en el interior de la tubería y se adosan a la pared externa de la tubería. Al descubrir la tubería, por ejemplo para una tarea de reparación o mantenimiento la carga depositada en el exterior de la tubería podrá ser capaz de producir un arco eléctrico si una persona o una herramienta ligados al terreno (el cuerpo humano es conductor de la electricidad) entra en contacto directo con dicha tubería. Esta es la razón por la que se deben utilizar los procedimientos de supresión de carga estática exterior. Suponiendo que se haya eliminado la carga externa por algún procedimiento, por ejemplo el de la arpillera húmeda puesta a tierra – como se describirá en el apartado 8.5 y se procede a cortar la tubería de PE con una sierra eléctrica circular puesta tierra, podrá producirse una chispa por la carga eléctrica interna, que ha quedado fijada a las paredes internas debido a la alta resistividad superficial del polietileno.11 8.4 Medición de la carga estática El personal de las distribuidoras de gas que opera sobre las tuberías de PE enterradas, del sistema de distribución de gas natural, debe hacer pozos en los puntos A y B (Fig.10) para descubrirlas en caso de rotura en el punto C, por causas de excavadoras u otros equipos. En los puntos A y B se realizan excavaciones (pozos) para llevar a cabo las acciones de “pinzado” de la tubería mediante prensas especiales para obturar el paso del gas y poder realizar las tareas de reparación. 12 El personal de operación debe trabajar en el punto C de la tubería. En tal caso, como primera medida de seguridad se sugiere antes de iniciar las tareas de reparación medir la eventual tensión que presenta la superficie externa y parte de la interna a través del orificio de rotura, si se pudiera. Es recomendable medir la carga eléctrica estática de la tubería con un voltímetro electrostático.13 Es un instrumento de tamaño de bolsillo, robusto, apto para trabajos de campo. Para esta aplicación se sugiere un rango de medición de 0 -30 000V, con varias escalas. Las dimensiones aproximadas de un voltímetro electrostático para una determinada marca son: Altura 112 mm; ancho: 57 mm y profundidad 27 mm. Peso: 160 g Batería 9 V. Precisión: ± 10%.

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Resistividad superficial: Es la resistencia al paso de la corriente por la superficie cuadrada de una muestra plana de pequeño espesor. Se expresa en Ω/ (ohm/cuadrado) y es independiente de la superficie del cuadrado. Se emplea para estimar la disipación de cargas por la superficie de un sólido. 12

Las tuberías de PE admiten estas operaciones de “pinzado”, dado que al retirar las prensas adquieren su forma

original. 13 Las empresas distribuidoras en la Argentina no miden la tensión en las tuberías originadas por cargas electrostáticas.

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Para efectuar la medición se aproxima el electrodo de medición del voltímetro a la tubería, obteniéndose la lectura de la tensión. Se fabrican voltímetros especialmente desarrollados para medir tensiones en tuberías de PE. Por lo tanto, estos instrumentos vienen acompañados con instrucciones completas para su correcta utilización. Posteriormente a la medición, la carga externa puede ser disipada mediante procedimientos usuales indicados en el apartado 8.5 La carga estática en las paredes interiores de tubería de PE no se disipa. ¿Por qué? La carga estática no se puede neutralizar porque se trata de cargas residentes inmóviles en un aislante eléctrico, debido a como se expresara el en el apartado 8.3, que el PE tiene una muy alta resistividad superficial. La carga estática dentro de la tubería de PE, una vez que se genera, se mantiene y supone un grave peligro que puede provocar una chispa en cualquier momento, cuando se exponga al contacto con la tierra, ya sea por medio de: • Herramientas conectadas a tierra • Máquinas conectadas a tierra • Trabajadores (el cuerpo humano es conductor de la electricidad) en contacto con el suelo. 8.5 Métodos actuales de trabajos en las tareas de operación, mantenimiento y reparación. Las tareas de operación, mantenimiento y reparación deben cumplimentar las normas mínimas de seguridad de ENARGAS. Así por ejemplo es importante mencionar la Norma NAG 165-1981. Normas mínimas para obras y trabajos. Cabe destacar que ENARGAS para disipar la carga estática exterior de las tuberías de PE, emplea el método del trapo o arpillera mojados, que envuelven la tubería descubierta en la zona de trabajo y que ponen en contacto con el terreno para disipar las cargas electrostáticas.

9 Condiciones para que el gas natural se encienda El gas natural es un combustible que está compuesto por más del 90% de metano). El metano tiene las siguientes características técnicas: Punto de inflamación: -187.8 ºC (-306 ºF) Temperatura de autoignición: 537 ºC ó (999 ºF) Limites de Inflamabilidad (en aire por volumen, %): Inferior (LEL): 5% Superior (UEL): 15% Sensibilidad de explosión a un impacto mecánico: No aplica. Sensibilidad de explosión a una descarga eléctrica: Una descarga estática puede causar que este producto se encienda explosivamente, en caso de escape.

10 Mejoras que pueden implantarse en los métodos de trabajo.

10.1 Método de la arpillera mojada con una solución de agua jabonosa (según la OSHA) /15/. 10.1.1 El uso de un conductor de cinta húmeda, a tierra y bobinado alrededor o en contacto con toda la sección de la cañería expuesta 10.1.2. Si ya hay gas, el caño debe humedecerse con una solución muy diluida con agua de un detergente de uso común desde el extremo conectado a tierra. A continuación, colocar cinta y dejarla en el lugar. 10.1.3 La cinta debe mantenerse mojada mediante la aplicación ocasional de agua. 10. 2 Recomendación del uso del voltímetro electrostático Se recomienda el uso del voltímetro electrostático como instrumento de medición de las cargas electrostáticas, tal como se indicó en el apartado 8.4. El personal actuante en las tareas de operación, mantenimiento y reparación, aparte de contar con valores que le dan información sobre el riesgo al que pueden quedar sometido por las posibles descargas electrostáticas, le da confianza y tranquilidad psicológica. 10.3 Líquidos disipadores de cargas electrostáticas en spray Existen en el mercado internacional líquidos disipadores de cargas electrostáticas muy eficaces que reemplazan al método de la arpillera mojada con agua jabonosa y permiten aparte de la neutralización total de la cargas externas, también neutralizar parte de las cargas electrostáticas internas por el orificio de la rotura de la tubería. 10.4 Neutralización de cargas electrostáticas internas



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Existen en el mercado internacional sistemas eliminadores de cargas electrostáticas, consistentes en un líquido especial que se agrega como aditivo en el tanque de mercaptano14. Es seguro, no contaminante para el medio ambiente. Circula con el mercaptano y elimina aguas abajo del desodorizador las cargas electrostáticas internas, desapareciendo el problema de los “pinholing” 10.5 Prensas especiales para “pinzado” de tuberías de PE Existen en el mercado internacional equipos para pinzado, como el que se muestra en las Figura 11 Este equipo de pinzado para tuberías de PE de diámetros de 3” a 6 “. Cabe destacar que la prensa indicada en la figura 10 es apta para diámetros de tuberías de hasta 2” La prensa de la Fig. 11 tiene una longitud de 2,00 m, lo que permite realizar el pinzado desde el exterior al pozo o zanja Tiene un ancho de 0,45 m. El pinzado se maneja en forma automática, lo mismo que el despinzado. Puede operar en un pozo con 0,50 m de diámetro. Las ”mandíbulas” son intercambiables. Al equipo lo puede manejar una sola persona. Está construido con aluminio, grado de aviación, de alta resistencia mecánica. Resistente a la alta corrosión y tiene gran durabilidad. Consta de una jabalina de cobre para la puesta tierra. En la fig. 11 puede verse la tubería ya comprimida.

11. Propuesta En función de los temas desarrollados se especifica la propuesta en los apartados 11.1, 11.2, 11.3 y 11.4 11.1 Cursos de capacitación del personal Se considera muy importante dictar cursos de capacitación al personal de operación mantenimiento y reparación sobre el conocimiento básico de la electricidad estática, orientada a obtener métodos seguros en el manejo de las tuberías de PE. Las compañías distribuidoras de gas tienen normalmente muy buenos centros de capacitación teórica y práctica. Recomendamos incorporar este tema en sus programas de capacitación. Téngase presente que es un tema relacionado con la electricidad. Los planteles de operarios generalmente no son electricistas. En la fig 12 se muestran tareas de capacitación en los EEUU. 11.2 Creación de una norma IRAM – AEA sobre procedimientos y equipos Sobre la base de los conceptos expresados en el presente trabajo se propone la implementación de una norma IRAM – AEA, que trate las condiciones mínimas de seguridad de las tareas que desarrollan los operarios de las distribuidoras de gas, en este tipo de instalaciones. Además de emplear equipos con menor riesgo para las personas y las instalaciones- 11.3 Participantes en la elaboración de la norma

• Personal especializado de: • AEA e IRAM • ENARGAS • Compañías distribuidoras de gas natural de la República Argentina • Universidades • Fabricantes de tuberías de PE y accesorios • Especialistas en el tema • Otros entes o firmas que se consideren convenientes

11.4 Ropa de trabajo y calzado adecuados a las condiciones de seguridad que deben tener los operarios. (Véase obra /11/) 12 Anexos Se adjunta el Anexo A, que contiene las figuras, tablas, etc.

13 Recomendaciones y conclusiones finales

Este trabajo ha mostrado los métodos para mejorar la seguridad del personal de las distribuidoras de gas cuando trabaja en las tuberías de polietileno enterradas, empleadas para la distribución del gas Se han realizado propuestas en los apartados 11.1, 11.2, 11.3 y 11.4.

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mercaptano es un compuesto sulfurado que se usa como aromatizante del gas natural de uso hogareño, que es el

metano. El metano no tiene olor. Si se lo enviara así por las cañerías, una fuga no se detectaría y -al acumularse el gas- podría provocar explosiones.



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Normas ISO 14001

Las exigencias de los Sistemas de Gestión Ambiental (norma ISO14001 15Especificaciones y directivas para su uso,. esta norma internacional la puede aplicar cualquier organización16 que desee establecer, documentar, implantar, mantener y mejorar continuamente un sistema de gestión ambienta, cada vez más conciente de la defensa de la ecología.

La norma exige a las organizaciones identificar todos los impactos ambientales y aspectos relacionados y luego implementar medidas para mejorar los procesos en áreas prioritarias con aspectos significativos. La norma ISO 14001 establece una mejor práctica para la gestión proactiva del impacto ambiental de su organización. Si se tiene un Sistema de Gestión Ambiental certificado por ISO 14001, significa que va más allá del mero cumplimiento. Su nuevo enfoque reside en la mejora continua.

14 Referencias /1/ T. Vihetiriäkoski. Abbreviation of Electrostatic Discharge. ESD Journal.15.01.2008 /2/ Lilla Romanelli –Alejandro Fendrik Física Pearson Educación. Prentice Hall. Primera reimpresión – enero 2005. /3/ Hugh Hildreth Skilling. , Los Fundamentos de las Ondas Eléctricas. Ediciones Librería del Colegio. 3ra edición; Buenos Aires 1960 /4/ Marcelo Antonio Sobrevila. Teoría básica de la Electrotecnia. Librería y editorial Alsina 1999. /5/ GRI (Gas Research Institute). Workshop on Plastic pipe Research Results. Effective New Techniques for Discharge of Static Electricity on Inner and Outer pipe surfaces. September 30 – October 1,1992 /6/ Juan Carlos Fernández. Electromagnetismo 2004. Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires. www.fi.uba.a /7/ Stanley V. Marshall. Richard E. DuBroff, Gabriel G. Skick. Electromagnetismo. Conceptos y Aplicaciones. Prentice Hall Hispanoamericana. Cuarta Edición; 1997. /8/Dr. Ramón Loyarte. Física General Tomo IV. Publicaciones de la Universidad Nacional de la Plata; 1935 /9/ Warren Boxleitner. Electrostatic, Discharge and Electronic Equipment. A practical Guide for Designing To Prevent ESD Problems. Published under sponsorship of the IEEE Electromagnetic Compatibility Society. ISBN 0-87942-244-0 . New York 1989 /10/ William D. Greason Electrostatic Discharge in Electronics. Research Studies Press LTD and John Wiley & Sons INC; Great Britain.1992. /11/ John Cadick Electrical Safety Handbook. Mc Graw HillInc. USA; 1994 /12/ Wikipedia: Condensadores y Normas ISO Alcatel –Lucent ESD Control Hand Book- Issue 12 Intermountain gas Company. Información de seguridad de tuberías www.intgas.com /13/ ENARGAS. Norma NAG 136 Redes de polietileno para la distribución hasta 4 bar de gases de petróleo y manufacturado. Instrucciones para la instalación /14/ ENARGAS. Norma NAG 165 Normas de seguridad para Obras y trabajos. /15/ OSHA (Occupational Safety & Health Administration- US Department of Labor) Hazard Information Bulletins Safe and Hazard Information Bulletin on Static Electricity Build-up in Plastic Pipe. September 30 de 1688. /16/ N. Nikulin. Ciencia de los materiales eléctricos. Editorial MIR. Moscú ,1988. /17/Ing.Miguel Simonoff Electricidad y Magnetismo. Publicaciones de La Facultad de Ciencias Físicomatemáticas de la Universidad Nacional de La Plata;1935 /18/ Tebaldo J. Ricaldoni Apuntes de Física. Ángel Estrada y Compañía Editores.15ta edición, Buenos Aires 1912. /19/ Enciclopedia CEAC Electricidad Materiales electrotécnicos. Ediciones CEAC SA Barcelona (España) ; 1977. /20/ Dr. E. Borrás Brucart. Gas natural. Características, distribución y aplicaciones industriales. Editores Técnicos Asociados SA . Barcelona; 1987. /21/ IEEE Std 142-1991. IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Comercial Power Systems. Published by the institute of Electrical and Electroinics Engineers,Inc. /22/ Diccionario de la Lengua Española. Real Academia Española. Vigésima segunda edición; 2001

15 Corresponde a la OSHA 18001 16 Las compañías distribuidoras de gas la adoptan por las implicancias que tienen los incidentes y accidentes del gas

natural en ele medio ambiente

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