Proteccin contra descargas atmosfricas para tanques de almacenamiento de hidrocarburos

Resumen En el siguiente artculo se discute los temas relacionados a la proteccin contra descargas atmosfricas para los diferentes tipos de tanques de almacenamiento de hidrocarburos, tomando como referencia las recomendaciones de la API 545 de 2009, API 2003 de 1998 y NFPA 780 de 2006.

I. INTRODUCCIN

La proteccin contra descargas atmosfricas para tanques de almacenamiento de productos, combustibles e inflamables requiere de mucha atencin, puesto que es alto el porcentaje de tanques que se incendian por causa de los efectos del rayo. Se prestar mayor atencin en los tanques de techo flotante externo (External Floating Roof), que por el tipo de construccin, son los ms vulnerables a los incendios, esto debido a la acumulacin de gases combustibles entre el cuerpo del tanque y los sellos del techo. Se van a presentar las soluciones que recomiendan las normas para el control de cargas electrostticas y corrientes de rayo, en los diferentes tipos de tanques.

II. TIPOS DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO

Se hace referencia a tres tipos de tanque de almacenamiento. Y la proteccin especifica para cada uno de estos.

En la figura 1 se muestra el tanque de techo fijo (Fixed-roof tank). En estos tipos de tanque el cuerpo esta unido mecnicamente con el techo y por ende existe una continuidad elctrica en todo el conjunto. La acumulacin de vapores estan presente en los sistemas de venteo y vlvulas de alivio y presin, en este tipo de tanque existe acumulacin de vapores entre el espejo del liqudo almacenado y el lmite superior del techo.

Se emplean para contener productos no voltiles o de bajo contenido de ligeros (no inflamables) como son: agua, diesel, asfalto, petrleo crudo, etc. Debido a que al disminuir la columna del fludo, se va generando una cmara de aire que facilita la evaporacin del fludo.

En la figura 2 se muestra un tanque de techo flotante interno( Internal floating roof). En este tipo de tanque el techo se encuentra unido mecnica y elctricamente al cuerpo el igual que el tanque de techo fijo, la diferencia radica en que al interior del tanque posee una membrana sobre el nivel superior del lquido cuya funcin es evitar que el producto almacenado se evapor . La memebrana se mueve conforme aumenta o disminuye el nivel del lquido, los vapores conbustibles pueden estar presentes en los sistemas de venteo.

En la figura 3 se muestra un tanque de techo flotante exterior (External floating roof), en este tipo de tanque el techo flota sobre el producto y se mueve conforme el nivel del producto se mueve, los limites del techo con el cuerpo estan provistos con sellos fabricados de materiales aislantes dispuestos a presin contra la pared del tanque, para evitar que se escapen grandes contidades de vapores combustibles, a pesar de esto se acumulan vapores combustibles en estas reas debido al desgaste de los sellos.

En la tabla 1 se muestran las recomendaciones de seleccin del tipo de tanque deacuerdo al flash point del lquido a almacenar.

III. EFECTOS DE LA CORRIENTE DEL RAYO SOBRE LOS TANQUES

Los fuegos causados por el relmpago en tanques de almacenamiento de petrleo son ms comunes de lo que se piensa. Segn una revista de incendios en tanques de petrleo entre los aos 1951 y 2003, el nmero de incendios reportado en las noticias alrededor del mundo era de 15 a 20 incendios por ao. Los incidentes de los fuegos de tanque variaron mucho, desde un fuego de sello a mltiples fuegos simultneos de todo el tanque. De los 480 fuegos reportados en la media, aproximadamente una tercera parte de estos eran debido al relmpago. (Ref. 1)

Otro estudio, conducido por 16 compaas de petrleo, descubri que 53 de 55 fuegos de sello eran causados por el relmpago, y concluy que el relmpago es el recurso ms comn de ignicin..

En la figura 4 se observa el comportamiento tpico de una onda de corriente tipo rayo con cada una de sus componentes tabla 2.

La API 545 relaciona tres posibles eventos que pueden ocurrir para los tanques de techo flotante; impacto directo sobre la pared del tanque, impacto directo en el techo del tanque, impacto en una estructura cerca del tanque. Para tanques de techo fijo se tiene el impacto directo en el techo y el impacto cercano al tanque.

Combustible:Es cualquier sustancia capaz de arder en determinadas condiciones. Cualquier materia que pueda arder o sufrir una rapida oxidacin.

Comburente:Es el elemento en cuya presencia el combustible puede arder (normalmente oxgeno).

Sustancia que oxida al combustible en las reacciones de combustin. El oxgeno es el agente oxidante ms comn. Por ello, el aire, que contiene aproximadamente un 21 % en volumen de oxgeno, es el comburente ms habitual en todos los fuegos e incendios.

Energa de Activacin:Es la energa (calor) que es preciso aportar para que el combustible y el comburente reaccionen.Es la energa necesaria para el inicio de la reaccin.

Reaccin en cadena es el proceso mediante el cual progresa la reaccin en el senode una mezcla comburente-combustible.

Todas las materias combustibles presentan 3 niveles de temperatura caractersticos que se definen a continuacin:

Punto de Ignicin: Es aquella temperatura mnima a la cual el combustible emite suficientes vapores que, en presencia de aire u otro comburente, se inflaman en contacto con una fuente de ignicin, pero si se retira se apaga.

Punto de inflamacin:Es aquella temperatura mnima a la cual el combustible emite suficientes vapores que en presencia de aire u otro comburente y en contacto con una fuente de ignicin se inflama y siguen ardiendo, aunque se retire la fuente de ignicin.

Punto de autoinflamacin:Es aquella temperatura mnima a la cual un combustible emite vapores, que en presencia de aire u otro comburente, comienzan a arder sin necesidad de aporte de una fuente de ignicin.

Para que sea posible la ignicin, debe existir una concentracin de combustible suficiente en una atmsfera oxidante dada. Pero no todas las mezclas combustible comburente son susceptibles de entrar en combustin, sino que solamente reaccionarn algunas mezclas determinadas.

Se definen los lmites de inflamabilidad como los lmites extremos de concentracin de un combustible dentro de un medio oxidante en cuyo seno puede producirse una combustin, es decir:Lmite superior de inflamabilidad: L.S.I.Es la mxima concentracin de vapores de combustible en mezcla con un comburente, por encima de la cual no se produce combustin.Lmite inferior de inflamabilidad: L.I.I.Es la mnima concentracin de vapores de combustible, en mezcla con un comburente, por debajo de la cual no se produce la combustin.

Se tienen en consideracin los siguientes escenarios en los cuales puede presentarse un incendio.

En espacios cerrados:- ignicin de mezclas gaseosas inflamables- ignicin de polvo combustible en suspensin.

En espacios abiertos:- ignicin de nubes de vapor no confinado

Por explosin de recipientes:- de gas comprimido;- de gas licuado o lquido sobrecalentado

En caso de la ocurrencia del evento de incendio se pueden difenciar dos estados generales; deflagracin y detonacin.En las deflagraciones, la velocidad en que el frente de llamas avanza es inferior a la velocidad del sonido; el tiempo que transcurre entre el inicio y la finalizacin de la misma, aunque parezca virtualmente instantnea, es finito y tpicamente comprendido entre 100 y 200 milisegundos.

En el caso de las detonaciones, contrariamente, dicha velocidad es mucho ms elevada, superando la velocidad del sonido.

Tras iniciarse la combustin la llama se propaga por el producto combustible no quemado, incluso a contracorriente del flujo normal del proceso, generndose una onda de presin por delante del producto combustible en llamas, y que se desplaza a una velocidad superior a la de la llama pero inferior a la velocidad del sonido, es decir se produce una deflagracin. Factores tales como la turbulencia y el incremento de la superficie de la llama aceleran el frente de llamas, y si se permite continuar y hay suficiente aire y combustible, se superara la velocidad del sonido apareciendo la detonacin.

A continuacin se muestran las curvas tpicas de los eventos mencionados.

IV. PROTECCIN CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS PARA TANQUES DE ALMACENAMIENTO

Para realizar la proteccin contra descargas para los tanques de almacenamiento tratados en este documento se debe realizar lo siguiente:

1 Para tanques de techo fijo:

Tomando como referencia la NFPA 780 y la API 2003. Lo primero que se debe realizar es el estudio de analisis de riesgo, los tanques de almacenamiento se pueden considerar autoprotegidos( bajantes naturales de rayos) si cumplen los siguiente:

- Si tienen un espesor de fabricacin del techo de 3/16 (4.8mm)- Todas las placas estan atornilladas o soldadas, para que exista una continuidad elctrica.- Las tuberias que entran al tanque metlicas, conectadas con continuidad elctrica al tanque.- Todas las aberturas de vapor o gases se sellan o se les prevee un sistema de proteccin (fire arrester), donde el sistema de almacenamiento produce vapores en condiciones normales de operacin.

De lo anterior se deben verificar las siguientes condiciones:

- El espesor de la lmina en el techo y en los puntos donde se une el techo con el cuerpo no debe ser inferior a 4.8mm, esto debido a efectos de corrosin.- Verificar el tipo de lquido almacenado y los niveles de energa mnimos de ignicin, adems de las presiones de funcionamiento.- Se debe verificar la condicin del sistema de puesta a tierra garantizando equipotencialidad y una resistividad de menos de 10 ohm.- Los diseos de proteccin catdica deben disear con compatibilidad electromgnetica con el sistema de tierra, garantizando que el sistema de tierra no se sacrifique.- Los tubos de proceso deben estar provistos con spark gap en las bridas de aislamiento, y puestos a tierra mnimo cada 30 metros.- Los equipos que estn ubicados por encima del nivel del techo como; radares, vlvulas de presin y vacio, venteos, instrumentos de medida de ; temperatura, presin, nivel deben cumplir las siguientes caractersticas.

1. Ser intrnsecamente seguros por estar en reas clasificadas2. Su diseo estructural debe ser como mnimo en 4.8 mm y no tener materiales aislantes o semiconductores, que puedan generar chispas al momento de una elevacin brusca de un potencial elctrico esto debido a efectos capacitivos.3. Garantizar que en un evento de rayo no presentar diferencias de potencial altas que produzcan chispas (ver figura 11).4. De no existir continuidad elctrica entre los equipos se debe garantizar dicha continuidad, con conectores especiales va chispas.

En la figura 11 se observa un equipo especial diseado para que cuando una alta corriente de falla circula por el no produce chispas.

Para determinar si los tanques de techo fijo se consideran autoprotegidos es necesario verificar el tipo de lquido almacenado, en que porcentaje de concentracin se encuentra, la cantidad de mezcla vapor gas presente en el ambiente, el nivel de ventilacin natural de la zona( velocidad del viento), lmite inferior de la energa de activacin de la mezcla.

De ser requerido apantallar, es necesario implementar todas las consideraciones anteriores esto debido a las tensiones inducidas al tanque, en el momento de un evento. Coordinar muy bien el sistema de apantallamiento con el sistema de tierra para llevar controladamente la corriente de rayo a tierra.

Y verificar que la dicipacin de dicha corriente no eleve bruscamente el potencial elctrico en el tanque. Ademas de el rea vulnerable que se crea con las puntas captadoras, para la cada de un rayo.

2 Para tanques de techo flotante

Para este tipo de tanques se debe cumplir los tems de los tanques de techo fijo.

Aparte de esto se debe garantizar la unin equipotencial entre el techo y el cuerpo del tanque, siguiendo los requerimientos de la API RP 545:

1. Instalar unas derivaciones (shunts) sumergidas 30 cm, entre el techo y el esqueleto del tanque cada 3 metros alrededor del permetro del techo, y sacar cualquier derivacin arriba del sello.

2. Aislar elctricamente todos los componentes del conjunto del sello (incluyendo resortes, conjunto de tijeras, membranas de sello, etc.) y todos los postes de calibracin e indicacin, del techo con un valor de 1KV.

3. Instalar conductores puente entre el techo y el esqueleto del tanque no ms que cada 30 metros alrededor de la circunferencia del tanque. Estos conductores deben ser los ms cortos posibles y espaciados uniformemente alrededor del permetro del techo.

Los anteriores tems son recomendaciones de la norma, en los diseos se recomiendan los numerales 1 y 3, de acuerdo a los estudios las corrientes del rayo son llevadas a tierra controladamente, con estas prcticas.

En caso de un rayo impactar el tanque de techo flotante, se requiere una muy baja resistencia entre el techo y el cuerpo del tanque, la API RP 545 recomienda 0.03 ohm, esto si se usan conductores (bypass), que es una de las soluciones ms econmicas, fcil de implementar adems de la baja impedancia que genera a altas frecuencias.

Las derivaciones shunt pueden generar chispas por la friccin que hacen con la pared del tanque, por esto la norma los recomienda sumergidos en el producto, para eliminar la componente de oxigeno y evitar que el tanque se incendie.

Para crear un vnculo entre el techo y el cuerpo, los constructores de un FRT(tanque de techo flotante) instalan dispositivos llamados derivaciones. Las derivaciones estn hechas de acero tensionado a resorte. Estas derivaciones estn conectadas al techo para que estn tocando la pared del tanque constantemente sin considerar la posicin del techo flotante. La resistencia del contacto depende en las caractersticas del material de la derivacin, la presin del contacto y el estado de la pared del tanque.

NFPA 780, el Estndar para la Instalacin de Sistemas de Proteccin Contra el Rayo, requiere que las derivaciones estn espaciadas no mas de cada 3 metros alrededor del permetro del techo, y que las derivaciones sean construidas de correas de acero 50 milmetros de ancho por 4 milmetros de grueso, Las derivaciones estn abrochadas a la cima del techo flotante y dobladas para que las derivaciones se aprieten contra el interior, haciendo una conexin con el cuerpo.

Desafortunadamente, las derivaciones no proporcionan un vnculo positivo de baja impedancia al esqueleto del tanque para varias razones:

1. Componentes de petrleo crudo, como la cera, el alquitrn, la parafina, etc. cubren el interior de la pared del tanque, formando una barrera resistente entre el cuerpo del tanque y las derivaciones.

2. La corrosin (oxidacin) adentro del cuerpo crea una conexin de alta resistencia entre el cuerpo del tanque y las derivaciones.

3. Aproximadamente 10 a 25% de todos los FRT estn pintados por dentro, tpicamente con una pintura de epoxi. Lo cual puede aislar elctricamente el techo del cuerpo.

Los tanques grandes tpicamente estn fuera-de-crculo. Si un tanque est alargado, las derivaciones se separarn del esqueleto en la dimensin larga del tanque.

Para los tanques de techo flotante interno se deben cumplir los requerimientos anteriores y garantizar equipotencialidad entre la membrana y el cuerpo del tanque, esto para control de las descargas electrostticas.

V. CONCLUSIONES

Para realizar el diseo se recomienda verificar lo siguiente:

- Realizar el analisis de riesgos.- Verificar el tipo de tanque de almacenamieto.- Verificar el contenido y el nivel de concentracin de los vapores explosivos.- Verificar todos los sistemas que tiene el tanque en la parte superior del techo.- Realizar el diseo y las consideraciones tcnicas.

VI. REFERENCIAS

[1] NFPA 780 Standard for the Installation of Lightning Protection Systems[2] API 2003 Protection Against Ignitions Arising Out of Static, Lightning, and Stray Currents[3] API 545 Recommended Practice for Lightning Protection of Aboveground Storage Tanks for Flammable or Combustible Liquids[4] LEC Lightning Eliminators & Consultants www.LightningEliminators.com[5] Bomberos de Navarra Nafarroako Suhiltzaileak[6] ENRAF www.enraf.com