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Líquidos inflamables y combustibles
Electricidad estática en el traspase de líquidos inflamables.
La generación de cargas electrostáticas es un fenómeno natural,
asociado a la propia estructura atómica de la materia, que se
produce como resultado del movimiento relativo entre dos superficies
en contacto, generalmente de sustancias diferentes, tanto líquidas
como sólidas, una de las cuales, o las dos, no es buena conductora
de la electricidad. Dos son los procesos fundamentales de formación
de las cargas: el contacto-separación de sustancias y la fricción.
La electricidad estática representa un desequilibrio temporal en la
repartición de las cargas en la superficie de dos materiales en
contacto por transferencia de electrones, creando un campo eléctrico
y una diferencia de potencial entre aquellos que puede ser muy
elevada.
La magnitud de la carga depende principalmente de la velocidad de
separación y/o fricción de los materiales y de su resistividad
eléctrica, Otros parámetros tales como el estado de oxidación de la
superficie de frotamiento, la presencia de agua no miscible y
partículas como óxido de hierro, la naturaleza de los metales de
recipientes y tuberías, la influencia de la temperatura, etc. tienen
también su importancia sobre la generación de cargas y su polaridad.
Cuando cuerpos conductores están separados por un aislante o incluso
por el aire constituyen un condensador al quedar cargados uno con
una carga positiva y otro con otra carga igual pero negativa. Al
establecer una vía conductora se libera tal energía almacenada
descargándose y produciendo posiblemente una chispa.Es esta
recombinación brusca mediante chispa de las cargas separadas que
constituye el riesgo.
Generalmente tales chispas, denominadas técnicamente descargas
disruptivas, se producen a través del aire entre un cuerpo cargado
eléctricamente y un cuerpo próximo no cargado, pero conectado
eléctricamente a tierra, al encontrarse ambos a una distancia muy
corta. A menor distancia también menor es la tensión necesaria para
que se produzca la chispa.
El parámetro fundamental determinante de la peligrosidad de una
chispa es la cantidad de energía liberada en el instante de
producirse. Esta energía se manifiesta en forma de radiaciones, (que
hacen visible la chispa), de ionización y de calor. Esquemáticamente
es esta última la desencadenante de la reacción de combustión.
Cuando tales descargas electrostáticas con chispa se producen en una
atmósfera inflamable, es relativamente fácil que se inicie el
incendio, dado que la energía de activación que aportan acostumbra
ser superior a la que se precisa para la combustión de gases y
vapores, que suele ser del orden de 0,25 mJ. El peligro de
inflamación existe cuando la chispa es generada por una diferencia
de potencial superior a los 1.000 V. Para que se produzcan incendios
o explosiones deberán cumplirse conjuntamente las tres siguientes
condiciones:
La existencia de una mezcla combustible o comburente susceptible de
explosión o incendio por encontrarse dentro de su rango de
inflamabilidad.
La acumulación de una carga electrostática lo suficientemente alta
para crear una diferencia de potencial generadora de chispa.
La producción de la descarga electrostática (chispa) iniciadora, de
energía suficiente para inflamar una mezcla peligro.
Formación y acumulación de la electricidad estática
La generación de cargas electrostáticas en los trasvases de líquidos
inflamables se produce fundamentalmente por la separación mecánica
de éstos en contacto directo con la superficie sólida a través de la
cual fluyen o sobre la cual se depositan o agitan.
Básicamente, las cargas se generan:
Al fluir el líquido por una canalización y a través de filtros,
válvulas o bombas.
Al salir el líquido proyectado a través de la boca de impulsión.
Al caer el líquido en el interior de recipientes para su llenado,
con el consiguiente movimiento sobre las paredes, generando
turbulencias y salpicaduras.
Al removerse el líquido en el recipiente contenedor ya sea en
operaciones de transporte o de agitación y mezcla.
Riesgos
Son también situaciones especialmente generadoras de cargas
electrostáticas:
La transferencia simultánea de dos fases, como por ejemplo el bombeo
de una mezcla de hidrocarburos/ agua o hidrocarburos/aire.
El arrastre o la sedimentación de sólidos en un liquido.
La decantación de dos líquidos no miscibles.
El flujo ascendente de burbujas de gas a través de un líquido.
En esta generación de cargas son factores determinantes la
resistividad del fluido y la velocidad de trasvase, aunque también
son aspectos importantes la forma y el sistema de llenado de los
recipientes.
Cuanto más baja sea la resistividad de un liquido, menos peligroso
deberemos considerarlo. Aunque no existe un limite preciso al
respecto, puede afirmarse que cuando la resistividad o resistencia
específica de un líquido sea inferior o igual a 1010 W cm. la
probabilidad de que se generen cargas electrostáticas peligrosas es
baja. Los líquidos inflamables de estructura polar como los
alcoholes (etílico, propílico, etc.), ácidos y bases, ésteres, etc.
están dentro de este grupo.
Cuando tal resistividad sea superior a 1010 W cm. pero inferior a
1012 W cm hay que efectuar un control del riesgo, tanto en la
adopción de medidas de prevención y de protección, como de
vigilancia de la posible presencia de impurezas o aditivos que
pudieran hacer variar ostensiblemente su resistividad.
Por encima de una resistividad de 1012 W cm. es necesario adoptar
rigurosas medidas de seguridad dado que se trata de líquidos muy
peligrosos ante este riesgo. En este grupo se encuentran líquidos
inflamables de estructura no polar ya sean hidrocarburos de cadena
lineal larga o ramificada como los derivados aromáticos. Por encima
de los 1015 W cm. de resistividad la experiencia demuestra que los
líquidos dejan de ser peligrosos ya que no existe acumulación de
cargas, al ser su formación prácticamente despreciable.
Ahora bien, tal parámetro aisladamente no es determinante en la
valoración del riesgo. Han sucedido también accidentes en transvases
de líquidos en principio no tan peligrosos, como el alcohol etílico
(7,4.108 W cm.) y el acetato de etilo (1,0.109 W cm.), manejados en
condiciones deficientes.
En general los disolventes alifáticos y los hidrocarburos de bajo
punto de ebullición tienen tendencia a almacenar menos cargas que
los de punto más alto. Evidentemente cuanto mayor sea la velocidad
de flujo del líquido mayor será la generación de cargas y también
mayor será ésta si el líquido es proyectado por aspersión o
pulverización que si es vertido a chorro. En cuanto al sistema de
llenado de recipientes, un vertido libre por gravedad o por
impulsión desde una abertura superior genera muchas más cargas que
si es efectuado mediante bombeo por tubería conectada a la parte
inferior o mediante tubería superior que alcance el fondo del
recipiente.
La acumulación de la electricidad estática es la resultante de dos
acciones antagonistas: la formación y la disipación natural de las
cargas eléctricas. Cuando la conductividad de un material es
suficientemente elevada para asegurar la disipación rápida de las
cargas formadas, no pueden crearse potenciales peligrosos y, en
numerosos casos, las cargas se recombinan tras fracciones de segundo
de haber sido formadas.
En cambio, cuando se trata de transvases de líquidos de elevada
resistividad, los tiempos de relajación una vez detenido su
movimiento hasta que de forma natural se eliminan las cargas
generadas suelen ser de segundos o incluso de minutos. La
experiencia demuestra que, aunque las cargas en operaciones de
transvase son principalmente generadas al fluir los líquidos por las
canalizaciones, el riesgo en ellas es prácticamente inexistente dada
la ausencia de fase gaseosa inflamable. En cambio el riesgo surge
cuando el líquido llega al interior del recipiente, en el que
precisamente se produce la acumulación de cargas en un espacio
confinado peligroso. La repartición de cargas en el propio líquido
no es homogénea, creando sobre la superficie libre del mismo cargas
eléctricas puntuales que son tanto o más importantes que las que se
forman en la interfase líquido/ fase gaseosa inflamable.
Factores causales de muchos de los accidentes investigados, y
relativos a la facilidad en la formación de cargas han sido la
presencia de agua en los hidrocarburos o efectuarse el transvase
simultáneo de dos fases heterogéneas, y la mala concepción del
sistema de llenado de los recipientes.
Peligros de las descargas electrostáticas en las superficies de
los líquidos
Si se transvasa un líquido cargado eléctricamente a un recipiente
las cargas unitarias se irán acumulando en el interior del mismo,
pero al repelerse entre sí se localizarán mayoritariamente hacia sus
superficies exteriores tanto las que están en contacto con el
recipiente como la superior en contacto con el aire. Esta carga
superficial es la que genera más problemas.
Cabe considerar dos situaciones según que el recipiente metálico de
llenado esté en contacto con tierra o aislado de ella.
En el primer caso, y dado que el depósito está al potencial de
tierra, externamente el depósito es eléctricamente neutro como lo es
todo el conjunto del contenedor y el contenido, pero en su interior
existirán diferencias de potencial entre el líquido y las propias
paredes del recipiente, que se mantendrán hasta que tras el
correspondiente tiempo de relajación las cargas del liquido se hayan
ido disipando. Evidentemente ningún tipo de conexión equipotencial o
puesta a tierra puede evitar esta carga superficial interna, que
puede generar, caso de ser lo suficientemente alta, una descarga
disruptiva entre la superficie libre del líquido y la pared interior
del recipiente. El control de esta situación solo podría lograrse
garantizando una atmósfera interior ininflamable.
En caso de que el recipiente esté muy aislado de tierra, por ejemplo
los camiones-cisterna, la carga de la superficie líquida atrae una
carga igual de signo contrario hacia el interior del recipiente,
dejando una carga igual a la del líquido en la pared exterior de la
cisterna suponiendo que ésta sea metálica. Es entonces factible que
se produzca una descarga electrostática por chispa, por ejemplo
entre la boca del recipiente y la tubería de llenado o cualquier
otro elemento metálico conectado eléctricamente a tierra, como un
medidor de nivel o un muestreador de líquido que se introduzca por
dicha boca, generando una situación de alto riesgo al ser
posiblemente en tal zona la atmósfera inflamable.
Cargas electrostáticas de personas
Las personas pueden acumular también cargas tanto por su movimiento
y contacto con el medio exterior como por la influencia de campos
eléctricos a los que estén expuestos.
El contacto con cuerpos susceptibles de carga puede producir la
transmisión de cargas electrostáticas a las personas, así como
también puede hacerlo la proximidad a objetos cargados
eléctricamente.
La acumulación de cargas también depende en gran medida de las
características físicas de las personas, en especial del estado de
su piel (seca o húmeda) y de su nivel de sudoración, aunque también
influye la humedad ambiental. El cuerpo humano es considerado un
buen conductor de la electricidad debido principalmente a su alto
contenido en agua, aunque su vestimenta puede ser un factor negativo
que facilite la acumulación de cargas, debido en ocasiones a la baja
conductividad de aquélla. Así, por ejemplo, la ropa de fibras
sintéticas y el uso de guantes o calzado aislante es
contraproducente cuando exista tal riesgo en atmósferas inflamables.
El aislamiento de la persona del suelo por usar suelas de material
no conductor (goma, plástico) o estar situada sobre pavimento no
conductor es la condición necesaria para que ésta pueda acumular
cargas electrostáticas considerables.
Es normal para una persona alcanzar un potencial del orden de los
10.000 V, y dado que la capacidad del cuerpo humano actuando como
condensador eléctrico es del orden de los 200-300 pF, la energla de
las cargas electrostáticas es de aproximadamente 10 mJ, muy superior
a la que se precisa como energfa de activación de atmósferas
inflamables.
E 1/2 CU2
E 1/2 (200.10-12).(104)2 10 mJ
En tal sentido cabe afirmar que la descarga disruptiva entre un
operario aislado de tierra y un cuerpo conductor (un elemento
cualquiera de la instalación) es muy peligrosa por la energía que
puede aportar. Aunque en ningún caso tal situación conlleva un
riesgo de electrocución ya que la intensidad de la corriente que se
genera es bajísima, y la única sensación que producirá será la de
una ligera sacudida.
Medidas de prevención y protección frente al riesgo de la
electricidad estática
Como se ha mencionado, la generación de electricidad estática en el
trasvase de muchos líquidos inflamables es inevitable. Ante ella las
medidas a adoptar van encaminadas a controlar todas o alguna de las
tres condiciones requeridas ya expuestas, para que se produzca la
deflagración de los vapores.
Distinguiremos entre las medidas preventivas, que tienen por objeto
evitar la existencia de atmósferas inflamables y controlar que la
generación de cargas sea lo más baja posible, de aquellas otras
medidas que denominaremos de protección que tienen por objeto
controlar las descargas disruptivas, a fin de evitar que éstas se
produzcan o bien en caso de producirse que no sean peligrosas. En
este grupo de medidas de protección se encuentran las que controlan
la acumulación de cargas, facilitando su eliminación gradual sin
chispas.
Consideraremos medidas de prevención
Control de atmósferas inflamables.
Control de velocidad de flujo de Iiquidos y del sistema de llenado
de recipientes.
Empleo de aditivos antiestáticos.
Instalación eléctrica y equipos protegidos.
Control de impactos mecánicos y otros focos de ignición
Consideraremos medidas de protección
Interconexiones equipotenciales y puesta a tierra.
Control de los tiempos de relajación.
Ropa de trabajo del personal.
Control de la humedad ambiental y procedimientos seguros de trabajo.
Control de atmósferas inflamables
Control de atmósferas inflamables
Todo líquido inflamable contenido en un recipiente abierto y por
encima de su punto de inflamación emite una cantidad de vapores
capaz de formar con el aire mezclas inflamables. Es por ello
necesario tener en cuenta que el riesgo no estará suficientemente
controlado si sólo abordamos la eliminación y control de los focos
de ignición, ya que aparte de la electricidad estática pueden
ocurrir otros. Las medidas preventivas que evitan la formación de
mezclas vapor-aire inflamables deben tener siempre un carácter
prioritario, dado que ofrecen un más alto grado de fiabilidad frente
al riesgo.
Todo recipiente a vaciar o llenar debe permanecer, ya sea a través
del tubo de aireación o de otra abertura, en constante comunicación
con un fluido gaseoso, que será el propio aire, a no ser que se
prevea otra sustancia gaseosa, por una simple razón de equilibrio de
volúmenes. Por esto, evitaremos la formación de atmósferas
inflamables de dos formas: mediante el empleo de un gas inertizante
o mediante ventilación.
El principal agente inertizante es el nitrógeno, no siendo
aconsejable el uso del anhídrido carbónico y del vapor de agua, ya
que estas sustancias generan a su vez mucha electricidad estática.
En la actualidad en la industria petroquímica suele aplicarse como
agente inertizante gas inflamable de la propia planta y, asegurando
con rigurosas medidas de control que la atmósfera no será peligrosa
al superarse notoriamente el límite superior de inflamabilidad de la
mezcla gaseosa.
La cantidad de gas inertizante a aportar está en función del tipo de
gas empleado como tal y de los vapores inflamables existentes, lo
que exige reducir el contenido del oxígeno por debajo del nivel
mínimo para cada caso. Para la mayoría de líquidos combustibles es
en general suficiente reducir la proporción del oxígeno del aire a
un 11%.
A fin de evitar que el consumo del agente inertizante sea
excesivamente alto se utiliza un sistema de vaciado con atmósfera en
circuito cerrado, incorporando válvulas de regulación automatizadas
para admitir o expulsar el gas inertizante, a medida que el nivel
del liquido en el recipiente disminuya o aumente. En el
almacenamiento de líquidos bajo gas protector y en los depósitos de
techo flotante, no se precisan adicionales medidas preventivas.
Mediante ventilación forzada es también factible asegurar que la
atmósfera interior de un recipiente abierto se sitúe por debajo de
su límite inferior de inflamabilidad (LI.I.). Se trata de lograr
mediante el aporte del suficiente caudal de aire exterior aplicado
adecuadamente para realizar un barrido uniforme de la atmósfera
interior que se contrarreste la cantidad de materia inflamable
evaporada, consiguiendo una concentración ambiental por debajo del
20% del L.I.I. Si bien tal sistema no es de uso generalizado cabe
considerar su aplicación siempre que se haga con el rigor necesario |