Protección contra descargas atmosféricas para tanques de almacenamiento de hidrocarburos

Resumen En el siguiente artículo se discute los temas relacionados a la protección contra descargas atmosféricas 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. INTRODUCCIÓN

La protección contra descargas atmosféricas para tanques de almacenamiento de productos, combustibles e inflamables requiere de mucha atención, puesto que es alto el porcentaje de tanques que se incendian por causa de los efectos del rayo. Se prestará mayor atención en los tanques de techo flotante externo (External Floating Roof), que por el tipo de construcción, son los más vulnerables a los incendios, esto debido a la acumulación 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 electrostáticas 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 protección 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 mecánicamente con el techo y por ende existe una continuidad eléctrica en todo el conjunto. La acumulación de vapores estan presente en los sistemas de venteo y válvulas de alivio y presión, en este tipo de tanque existe acumulación de vapores entre el espejo del liquído almacenado y el límite superior del techo.

Se emplean para contener productos no volátiles o de bajo contenido de ligeros (no inflamables) como son: agua, diesel, asfalto, petróleo crudo, etc. Debido a que al disminuir la columna del fluído, se va generando una cámara de aire que facilita la evaporación del fluído.

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 mecánica y eléctricamente 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 líquido cuya función es evitar que el producto almacenado se evaporé . La memebrana se mueve conforme aumenta o disminuye el nivel del líquido, 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 presión 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 áreas debido al desgaste de los sellos.

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

III. EFECTOS DE LA CORRIENTE DEL RAYO SOBRE LOS TANQUES

Los fuegos causados por el relámpago en tanques de almacenamiento de petróleo son más comunes de lo que se piensa. Según una revista de incendios en tanques de petróleo entre los años 1951 y 2003, el número de incendios reportado en las noticias alrededor del mundo era de 15 a 20 incendios por año. Los incidentes de los fuegos de tanque variaron mucho, desde un fuego de sello a múltiples fuegos simultáneos de todo el tanque. De los 480 fuegos reportados en la media, aproximadamente una tercera parte de estos eran debido al relámpago. (Ref. 1)

Otro estudio, conducido por 16 compañías de petróleo, descubrió que 53 de 55 fuegos de sello eran causados por el relámpago, y concluyó que “el relámpago es el recurso más común de ignición.”.

En la figura 4 se observa el comportamiento típico 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 oxidación.

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

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

Energía de Activación: Es la energía (calor) que es preciso aportar para que el combustible y el comburente reaccionen.
Es la energía necesaria para el inicio de la reacción.

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

Todas las materias combustibles presentan 3 niveles de temperatura característicos que se definen a continuación:

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

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

Punto de autoinflamación: Es aquella temperatura mínima 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 ignición.

Para que sea posible la ignición, debe existir una concentración de combustible suficiente en una atmósfera oxidante dada. Pero no todas las mezclas combustible comburente son susceptibles de entrar en combustión, sino que solamente reaccionarán algunas mezclas determinadas.

Se definen los límites de inflamabilidad como los límites extremos de concentración de un combustible dentro de un medio oxidante en cuyo seno puede producirse una combustión, es decir:
Límite superior de inflamabilidad: L.S.I.
Es la máxima concentración de vapores de combustible en mezcla con un comburente, por encima de la cual no se produce combustión.
Límite inferior de inflamabilidad: L.I.I.
Es la mínima concentración de vapores de combustible, en mezcla con un comburente, por debajo de la cual no se produce la combustión.

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

En espacios cerrados:
– ignición de mezclas gaseosas inflamables
– ignición de polvo combustible en suspensión.

En espacios abiertos:
– ignición de nubes de vapor no confinado

Por explosión de recipientes:
– de gas comprimido;
– de gas licuado o líquido sobrecalentado

En caso de la ocurrencia del evento de incendio se pueden difenciar dos estados generales; deflagración y detonación.
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 finalización de la misma, aunque parezca virtualmente instantánea, es finito y típicamente comprendido entre 100 y 200 milisegundos.

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

Tras iniciarse la combustión la llama se propaga por el producto combustible no quemado, incluso a contracorriente del flujo normal del proceso, generándose una onda de presión 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 deflagración. 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 detonación.

A continuación se muestran las curvas típicas de los eventos mencionados.

IV. PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS PARA TANQUES DE ALMACENAMIENTO

Para realizar la protección 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 fabricación del techo de 3/16” (4.8mm)
– Todas las placas estan atornilladas o soldadas, para que exista una continuidad eléctrica.
– Las tuberias que entran al tanque metálicas, conectadas con continuidad eléctrica al tanque.
– Todas las aberturas de vapor o gases se sellan o se les prevee un sistema de protección (fire arrester), donde el sistema de almacenamiento produce vapores en condiciones normales de operación.

De lo anterior se deben verificar las siguientes condiciones:

– El espesor de la lámina 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 corrosión.
– Verificar el tipo de líquido almacenado y los niveles de energía mínimos de ignición, además de las presiones de funcionamiento.
– Se debe verificar la condición del sistema de puesta a tierra garantizando equipotencialidad y una resistividad de menos de 10 ohm.
– Los diseños de protección catódica deben diseñar con compatibilidad electromágnetica 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 mínimo cada 30 metros.
– Los equipos que estén ubicados por encima del nivel del techo como; radares, válvulas de presión y vacio, venteos, instrumentos de medida de ; temperatura, presión, nivel deben cumplir las siguientes características.

1. Ser intrínsecamente seguros por estar en áreas clasificadas
2. Su diseño estructural debe ser como mínimo en 4.8 mm y no tener materiales aislantes o semiconductores, que puedan generar chispas al momento de una elevación brusca de un potencial eléctrico esto debido a efectos capacitivos.
3. Garantizar que en un evento de rayo no presentará diferencias de potencial altas que produzcan chispas (ver figura 11).
4. De no existir continuidad eléctrica entre los equipos se debe garantizar dicha continuidad, con conectores especiales vía chispas.

En la figura 11 se observa un equipo especial diseñado 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 líquido almacenado, en que porcentaje de concentración se encuentra, la cantidad de mezcla vapor gas presente en el ambiente, el nivel de ventilación natural de la zona( velocidad del viento), límite inferior de la energía de activación 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 dicipación de dicha corriente no eleve bruscamente el potencial eléctrico en el tanque. Ademas de el área vulnerable que se crea con las puntas captadoras, para la caída de un rayo.

2 Para tanques de techo flotante

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

Aparte de esto se debe garantizar la unión 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 perímetro del techo, y sacar cualquier derivación arriba del sello.

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

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

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

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 más económicas, fácil de implementar además de la baja impedancia que genera a altas frecuencias.

Las derivaciones shunt pueden generar chispas por la fricción 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 vínculo entre el techo y el cuerpo, los constructores de un FRT(tanque de techo flotante) instalan dispositivos llamados “derivaciones”. Las derivaciones están hechas de acero tensionado a resorte. Estas derivaciones están conectadas al techo para que estén tocando la pared del tanque constantemente sin considerar la posición del techo flotante. La resistencia del contacto depende en las características del material de la derivación, la presión del contacto y el estado de la pared del tanque.

NFPA 780, el Estándar para la Instalación de Sistemas de Protección Contra el Rayo, requiere que las derivaciones estén espaciadas no mas de cada 3 metros alrededor del perímetro del techo, y que las derivaciones sean construidas de correas de acero 50 milímetros de ancho por 4 milímetros de grueso, Las derivaciones están abrochadas a la cima del techo flotante y dobladas para que las derivaciones se aprieten contra el interior, haciendo una conexión con el cuerpo.

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

1. Componentes de petróleo crudo, como la cera, el alquitrán, 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 corrosión (oxidación) adentro del cuerpo crea una conexión de alta resistencia entre el cuerpo del tanque y las derivaciones.

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

Los tanques grandes típicamente están fuera-de-círculo. Si un tanque está alargado, las derivaciones se separarán del esqueleto en la dimensión 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 electrostáticas.

V. CONCLUSIONES

Para realizar el diseño se recomienda verificar lo siguiente:

– Realizar el analisis de riesgos.
– Verificar el tipo de tanque de almacenamieto.
– Verificar el contenido y el nivel de concentración de los vapores explosivos.
– Verificar todos los sistemas que tiene el tanque en la parte superior del techo.
– Realizar el diseño y las consideraciones técnicas.

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

Ref. 1 Henry Persson and Anders Lönnermark, Tank Fires, Review of Fire Incidents 1951–2003, Brandforsk Project 513-021.

Por: Darwin Marin, Ricardo Herrera

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