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NTP 396: Deflagraciones producidas por gases, vapores y polvos combustibles: sistemas de protección

Deflagation produites par des gaz, des vapeurs et des poussières combustibles: systèmes de protection
Deflagrations caused by combustible gas, vapour and dust: protective systems

Redactor:

Francisco Alonso Valle
Ingeniero de Minas

CENTRO NACIONAL DE NUEVAS TECNOLOGÍAS

Introducción

Son muy numerosas las instalaciones en la que se tratan o están presentes gases, vapores y polvos combustibles, como por ejemplo procesos químicos, manipulación de carbón, filtración de polvos, recuperación de vapores, manipulación y almacenamiento de grano, molido, etc., con el consiguiente riesgo de que se produzcan explosiones, desgraciadamente frecuentes en la práctica, que son origen de daños a las personas y a las instalaciones.

Por otra parte, a la explosión principal u origen es frecuente que la sucedan otras explosiones secundarias, que llegan a destruir todas las instalaciones ocasionando numerosas víctimas y cuantiosos daños materiales, fig. 1

Fig. 1: Efectos de la explosión de polvo en un silo de maíz (Foto: P. Janssens)

Las posibilidades de que se produzcan tales pérdidas, humanas y materiales, son razones suficientes para desarrollar medidas preventivas que reduzcan o eliminen el riesgo de explosión y medidas de protección que salven vidas y bienes en el caso de que la explosión se produzca.

Objeto

Una explosión puede tener origen químico, combustión rápida, produciendo ruido, calor y una expansión rápida de gases que origina una presión, siendo la velocidad de reacción una característica importante que determina el que la explosión se clasifique en deflagración o 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. Contrariamente, en el caso de la detonación dicha velocidad es mucho más elevada, superando la velocidad del sonido.

Estas características diferenciadoras entre deflagración y detonación hacen que en el caso de la segunda, salvo para gases y líquidos en tuberías, no se pueda disponer de elementos que limiten sus consecuencias en el caso de producirse, ya que no se dispone del tiempo de respuesta adecuado, necesario en todo elemento de protección, además de que las presiones que genera son mucho más elevadas.

Consecuentemente con lo indicado, el objetivo que se plantea en la presente Nota Técnica de Prevención es exponer los elementos de protección frente a deflagraciones que pueden ser empleados en aquellos sistemas, instalaciones o equipos en los que se produzcan o estén presentes gases, vapores y polvos combustibles, sin que por ello se deban obviar las medidas preventivas previas, entre las cuales hay que destacar:

Definición del problema

Si una deflagración ocurre a cielo abierto, se producen llamas y hay una disipación de calor y gases de combustión; ahora bien, si tiene lugar en un recinto cerrado, la presión debida a los gases de combustión se incrementa a gran velocidad alcanzando valores de hasta diez o más veces la presión inicial absoluta del recinto, dependiendo del tipo de producto. Es este el caso de deflagraciones ocurridas en equipos industriales, en los cuales el calor y la presión son retenidos en su interior, sometiéndoles a solicitaciones para las cuales no han sido diseñados. con el resultado final de su destrucción.

A la hora de aplicar medidas de protección frente a deflagraciones en equipos e instalaciones, es necesario determinar previamente unos puntos básicos para definir qué sistema es posible aplicar, siendo los datos más corrientemente requeridos los siguientes:

En muchos casos estos parámetros son bien conocidos y están documentados; en otros, sin embargo, no existe información y será necesario proceder a determinarlos experimentalmente, ya que se podría dar el caso de que las medidas de protección tomadas no sirviesen de nada, al producirse detonaciones en lugar de deflagraciones.

La determinación experimental es efectuada por equipos especialmente diseñados para ese cometido, mostrándose en la figura 2, un ensayo de explosión en equipo esférico de 5 m3.

Fig. 2: Ensayo de explosividad en recipiente de 4 m3

Una vez que se tiene bien determinadas las características que se pueden dar en el equipo o instalación especifico, se procederá a aplicarla medida adecuada, que en el caso de protección frente a deflagraciones puede ser:

Venteo o alivio de presión

Una de las medidas mas conocidas y utilizadas para proteger equipos e instalaciones frente a deflagraciones, es el venteo o alivio de la presión que se genera durante la misma, con lo cual se limita su crecimiento a valores inferiores a la de diseño del equipo, gráfico 1, quedando este protegido.

Gráfico 1: Variación de la presión con y sin venteo

Prácticamente, el venteo o alivio de presión se realiza disponiendo en los equipos membranas ligeras (paneles de ruptura), con una presión de ruptura predeterminada, figura 3 y figura 4, las cuales son capaces de actuar casi instantáneamente, de forma predecible y sin resistencia frente a la presión.

Fig. 3: Paneles de venteo

Fig. 4: Paneles de venteo

Fabricadas de láminas de acero y teflón como elemento sellante, están ranuradas para disminuir su resistencia y presentar un patrón de ruptura determinado, si bien en su constitución pueden entrar otros materiales, como por ejemplo cerámicos, para protección del teflón en procesos que se realicen a elevadas temperaturas.

De forma circular o cuadrada, el área de venteo requerida para proteger de forma efectiva el sistema viene determinada por cálculos contenidos en normas tales como las VDI-3676 y NFPA 68, pudiéndose disponer de dimensiones estándar o fabricarse a medida, así como para sistemas de vacío, presión de trabajo pulsante, y alta temperatura, todo lo cual configura un amplio abanico de posibilidades de utilización.

Otras de las ventajas que presentan los paneles o membranas de ruptura viene determinada por la gran variedad de opciones adicionales que presentan, entre las cuales cabe citar:

En cuanto a su ubicación física, hay que tener en cuenta que en su funcionamiento no solo se efectúa el alivio de presión, sino que hay salida de quemados, inquemados y llamas, figura 5, lo que puede ser origen de explosiones secundarias, razón por la cual la salida debe ser dirigida a una zona segura, lo cual puede condicionar su utilización.

Fig. 5: Venteo de llama

Venteo sin llamas

Dado que en muchas ocasiones no se dispone o no es adecuado dirigir el escape a una zona de seguridad, se hizo necesario disponer de elementos que supriman la salida de llama al producirse la ruptura de la membrana, naciendo el denominado filtro de llama.

Su fundamento se basa en el hecho conocido de que la propagación de una llama puede eliminarse si se disipa su energía, físicamente realizable haciéndola pasar por un intercambiador especialmente diseñado en el que la temperatura se reduce por debajo de la temperatura de ignición de la materia de que se trate. Este tipo de intercambiadores, esquemáticamente representado en la figura 6, presentan una gran superficie de intercambio y su utilización junto a una membrana de ruptura ha dado lugar al sistema conocido como venteo de deflagraciones sin llama. Materialmente se efectúa disponiendo en serie con una membrana de ruptura, un filtro tal como se puede apreciar en la figura 7.

Fig. 6: Venteo de deflagración sin llama, esquema del interior del enfriador

Fig. 7: Venteo de deflagración sin llama

La inclusión del filtro de llamas reduce la capacidad de venteo del panel de ruptura, tal como se puede observar en el gráfico 2, en el que se aprecia la variación en el tiempo de la presión resultante de la deflagración, con y sin filtro de llama.

Gráfico 2: Variación de la presión con y sin filtro de llama

Para paliar este inconveniente se pueden utilizar dos alternativas:

La instalación de un filtro de llamas ofrece opciones adicionales entre las que cabe citar:

El sistema descrito, combinación de panel de ruptura y filtro de llamas, permite ventear las instalaciones en áreas cerradas, siempre y cuando se adopten las medidas adecuadas y las sustancias venteadas cumplan determinados requisitos, como por ejemplo no ser tóxicas.

Una ventaja adicional que presenta el Filtro de Llamas es su reutilización tras una actuación, limitándose las operaciones a realizar a sustituir el panel y limpiar el filtro.

Supresión de deflagraciones

Un método de venteo y filtro de llamas permite aliviar las presiones y evitar la propagación de las llamas, ahora bien, no impide el que se lance al exterior productos inquemados y de combustión, los cuales pueden ser dañinos para las personas y/o el medio ambiente, o bien no ser adecuado por otras diversas razones, lo que da lugar a la necesidad de disponer de otros métodos de protección frente a las deflagraciones que eviten la expulsión de gases.

Es un hecho físico bien conocido que el inicio de una combustión es relativamente lento, acelerándose con el tiempo (milisegundos), y es este estado inicial el que ha permitido desarrollar un sistema de supresión de deflagraciones que opera satisfactoriamente.

Un sistema de supresión de explosiones activo esta diseñado para actuar, tras la detección de una combustión incipiente, descargando instantáneamente agentes extintores que apagan la reacción de combustión, evitando así el incremento de la presión por encima de un valor predeterminado.

Básicamente su funcionamiento se desarrolla en tres etapas, figura 8:

Fig. 8: Esquema de supresión de deflagraciones

Para conseguir una respuesta rápida, los recipientes que contienen el agente extintor están presurizados con nitrógeno y cerrados con un disco de ruptura, el cual rompe bajo la acción de un iniciador pirotécnico que genera un descarga de presión primaria. En la figura 9 se indica un esquema del sistema así como la secuencia de actuación, y en la figura 10 la disposición de uno de estos sistemas.

Fig. 9: Secuencia de actuación de un sistema de supresión de deflagraciones

Fig. 10: Montaje combinado de supresor de deflagraciones y panel de venteo

Aislamiento de deflagraciones

El venteo y la supresión de explosiones son sistemas diseñados para proteger los equipos de las sobrepresiones debidas a una deflagración, mientras que un sistema de aislamiento, lo que pretende es evitar la propagación de la deflagración a lo largo del proceso: Gracias al aislamiento que produce, el efecto queda limitado al equipo donde se inicio la deflagración.

Numerosas investigaciones y pruebas han demostrado que las explosiones se propagan a través de tuberías, y en todo proceso existen conducciones que intercomunican los equipos, o bien las conducciones pueden terminar en áreas de trabajo de personas.

Por otra parte, las explosiones tienden a tener mayor severidad en tuberías que en un recipiente cerrado, como prueba la TABLA 1, donde se indica los datos obtenidos experimentalmente con explosiones realizadas en dos recipientes, de 1 y 5 m3, conectados por una tubería de 10 metros.

TABLA 1

Tal como se aprecia en la figura 11, 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. Ahora bien, 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, que debe ser en todo momento evitada por sus efectos destructores.

Fig. 11: Esquema de la propagación de una deflagración en tubería

Los sistemas de aislamiento se basan en evitar el avance de las llamas, existiendo varias técnicas para lograr el objetivo:

Fig. 14: Esquema de actuación del aislamiento de deflagraciones mediante compuerta

Fig. 15: Secuencia de inicio de disparo

Para conseguir un aislamiento efectivo de la deflagración, la descarga de la cantidad suficiente de agente extintor debe iniciarse milisegundos después de la detección y en un tiempo conocido. En todo caso, se deberá cuidar con mucha atención la elección del agente extintor y la localización en el sistema, así como conocer la velocidad de la llama, entre otros factores. En la figura 17 se muestra la disposición de estos elementos en una conducción.

Fig. 17: Montaje en conducción de sistema de supresión de deflagraciones mediante agente extintor

Bibliografía

(1) Protección de Explosiones. FlKE IBÉRICA.

(2) Explosión Venting, FlKE EUROPA N.V.

(3) Guide for Venting of Dust Deflagrations, FlKE EUROPA N.V.

(4) Flameless Explosión Venting, FlKE EUROPA N.V.

(5) Sistemas de Supresión de Explosiones, FlKE IBÉRICA.

(6) Aislamiento de Explosiones, FlKE IBÉRICA.

(7) Válvulas de Aislamiento de Explosiones, FlKE IBÉRICA.

(8) Catálogos de Productos Fike, FlKE IBÉRICA.

(9) Norma VDI-3676 (VEREIN DEUTSCHE INGENIEURE), Pressure Venting of Dust.

(10) Norma VDl-2263 (VEREIN DEUTSCHE INGENIEURE), Dust Fires and Dust Explosions.

(11) NFPA 68, NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION, Guide for Venting Deflagrations, 1994.