005 - Informe Explosiones

2011PUCV Cristhian Castillo M.

Anlisis de Riesgo en Plantas de procesosExplosiones

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Introduccin Para la mayora de la gente una explosin se asocia inmediatamente a una imagen de destruccin. No obstante, y p q la mayora de explosiones que se llevan a cabo diariamente son controladas, como las de los motores de los vehculos, la demolicin de edificios, la extraccin de metales, minerales, etc. i l t En E este i f t informes nos d di dedicaremos a l las explosiones l i accidentales, no deseadas, las cuales pueden generar grandes prdidas econmicas y tambin en vidas humanas humanas, principalmente en el mbito de las industrias de proceso. 2


Definicin: En general se puede definir una explosin como una liberacin repentina de energa, que genera una onda de presin que se desplaza alejndose de la fuente mientras va disipando energa. Esta liberacin tiene que ser, no obstante, bastante rpida y concentrada para que la onda que se genera sea audible. La energa liberada puede haber sido almacenada inicialmente bajo una gran variedad de formas: nuclear, qumica, qumica elctrica o de presin presin.3


En este informe se considerarn nicamente las explosiones derivadas de los escenarios accidentales siguientes: 1. En espacios cerrados: - Ignicin de mezclas gaseosas inflamables (en la literatura anglosajona, anglosajona indicada generalmente con las siglas CVE CVE, confined vapor explosion); g p p - Ignicin de polvo combustible en suspensin.

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2. En 2 E espacios abiertos: i bi t UVCE, - Ignicin de nubes de vapor no confinado (en ingls UVCE unconfined vapor cloud explosion). 3. Por explosin de recipientes: - D gas comprimido; De i id - De gas licuado o lquido sobrecalentado (en ingls BLEVE, BLEVE boiling liquid expanding vapor explosion); - Reacciones fuera de control (en ingls runaway reactions).5


Detonaciones y deflagraciones Muchas de las explosiones accidentales, aunque no todas, suelen originarse por una reaccin de combustin o por reacciones exotrmicas fuera de control. Por esta razn se considerar, en trminos generales, que la explosin va unida a uno de estos dos tipos de reacciones. Las explosiones pueden ser de dos tipos: deflagraciones y g , detonaciones. En una deflagracin, la velocidad de la onda de sobrepresin en el medio sin reaccionar es subsnica. En una detonacin, la velocidad de la onda de sobrepresin en el medio sin reaccionar es supersnica.6


Las detonaciones son siempre para una determinada siempre, cantidad de energa, mucho ms destructivas que las deflagraciones, ya que pueden llegar a tener picos de presin cercanos a los 20 bar, mientras que en las deflagraciones los valores mximos son de unos 8 bar. En determinadas situaciones, sin embargo, una deflagracin puede llegar a convertirse en detonacin (por ejemplo, en el caso de un frente de llama que se propaga dentro de una tubera).

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Tipos de explosiones accidentales a) Explosiones de vapores confinados Este tipo d explosiones ocurren cuando h bi d E t ti de l i d habindose producido un escape de un gas o de un vapor inflamable en un rea confinada el gas est dentro de los lmites de confinada, inflamabilidad y encuentra un punto de ignicin. Se pueden distinguir dos tipos de comportamiento en funcin del grado de confinamiento: uno cuando las dimensiones de la zona confinada tienen una relacin L/D = 1 y, adems, en el interior hay pocos obstculos y divisiones divisiones.8


Si el recinto d d se encuentra el gas i fl l i t donde t l inflamable ti bl tiene L/D > 1 o en su interior hay un gran nmero de obstculos o divisiones al producirse la ignicin el frente de la llama divisiones, puede acelerarse en los lugares donde estn situados los obstculos, pudiendo provocar detonaciones locales y que se llegue a sobrepresiones mucho mayores que en el caso anterior. As, los efectos finales de este tipo de explosin sern mucho ms d t ti h destructivos, principalmente en puntos i i l t t alejados de la fuente de ignicin y a causa de la proyeccin de fragmentos hacia el exterior del recinto recinto. DondeL: Largo del recinto. D: Dimetro equivalente.9


b) E l i Explosiones d nubes d vapor no confinadas de b de fi d Las nubes d vapor no confinadas se generan a raz d l L b de fi d del escape de una cantidad determinada de un vapor combustible, combustible o bien de un lquido a partir del cual se formar el vapor; esto puede ocurrir en una planta de p proceso, durante el transporte o por la rotura de un p p gaseoducto. En cualquier caso, una vez formada la nube, sta puede:

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- Dispersarse en el aire antes de que se produzca la ignicin, sin causar daos; - Prender inmediatamente e iniciar as un incendio de charco (en general, en este caso no habr explosin y los daos ocasionados sern menores); ) - Dispersarse en un rea extensa y producirse la ignicin al cabo de un cierto tiempo, de manera que se formar una gran llamarada; - Lo mismo que en el punto anterior, pero de modo que el frente de la llama se acelera t t que genera una onda f t d l ll l tanto d de sobrepresin.11


c) E l i ) Explosiones d recipientes de i i t El origen d este ti d explosiones puede ser muy di i de t tipo de l i d diverso. En primer lugar, el estallido de un recipiente se puede producir simplemente porque tenga algn defecto de construccin o bien porque haya una prdida de resistencia a yp causa de la corrosin; estos casos son muy poco frecuentes pero pueden ser particularmente peligrosos si el contenido del recipiente es inflamable.

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Otro caso sera cuando el recipiente se calienta desde el exterior (a causa de un incendio o por cualquier otra razn), de manera que la presin en el interior va aumentando mientras el recipiente va perdiendo tambin resistencia por el aumento de temperatura, hasta que se produce la rotura. Tambin se encuentran dentro de este tipo de explosiones las originadas por reacciones f i i d i fuera d de control ( t l (runaway reactions) y los BLEVE, las que se vern ms adelante en informes respectivos respectivos.

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Finalmente, Finalmente entraran tambin en este apartado las explosiones originadas en sistemas de aire comprimido. En algunos casos, parte del aceite utilizado para lubricar el compresor pasa a la tubera de aire comprimido donde forma una pelcula en su interior. Temperaturas elevadas del i d l aire a l salida d l compresor (> 250C) pueden la lid del d vaporizar este aceite y provocar su ignicin. A menudo el resultado de la ignicin ser un incendio, pero ste puede derivar hacia una explosin con las caractersticas propias de una detonacin.14


d) Explosin por suspensin

ignicin

de

polvo

combustible

en

En principio, cualquier producto slido que sea combustible en aire puede experimentar este tipo de explosin, siempre y cuando se encuentre dividido en partculas lo suficientemente pequeas y est en suspensin en una cantidad de aire lo bastante grande, como para que cada partcula tenga espacio suficiente para arder libremente.

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En algunos casos las partculas metlicas pueden reaccionar con otros gases, pero lo ms frecuente es que la g g g reaccin tenga lugar con oxgeno. nicamente aquellos materiales que son estables en oxgeno no experimentan este tipo de fenmeno; es el caso del polvo de silicatos, sulfatos, nitratos, carbonatos y fosfatos, como pueden ser el cemento portland, la arena, etc. Ejemplos de materiales que pueden experimentar este fenmeno son: cereales, lino, fibras, azcar, plsticos, pigmentos orgnicos pesticidas carbn y metales como el orgnicos, pesticidas, aluminio, el magnesio, el zinc, el hierro, etc. 16


Mtodos para estimar las consecuencias de las explosiones de nubes de vapor Como ya se ha dicho, el efecto principal de las explosiones g p es la generacin de una onda de sobrepresin. Estimar las consecuencias que puede tener una explosin sobre equipos de proceso, estructuras e incluso personas requiere: i

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- Determinar la evolucin en el tiempo de la onda de sobrepresin en el ambiente; - Determinar la evolucin en el tiempo de la carga que acta sobre la estructura de inters, como resultado de la interaccin de la misma con la onda de sobrepresin; - Determinar la respuesta a esta carga de la estructura.

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Propagacin de la onda explosiva en el ambiente Los modelos existentes actualmente para estimar las consecuencias de explosiones requieren una serie de parmetros para poder caracterizar la onda de sobrepresin.

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Normalmente, l N l t la presin generada se d i d denomina i sobrepresin y puede ser positiva o negativa. Cuando es p positiva constituye la fase positiva y cuando es negativa, la y p g , fase negativa de la onda de sobrepresin. Otros parmetros interesantes son: el pico de sobrepresin, que es el valor mximo de la sobrepresin, la duracin de las fases positiva y negativa y el impulso que es el rea por impulso, debajo de la curva de sobrepresin vs. tiempo.

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Debido a la forma triangular de la curva de sobrepresin el sobrepresin, impulso asociado se puede estimar como el rea de un tringulo tomando como altura el pico de sobrepresin y como base la duracin d l f d i de la fase. P Para l f la fase positiva: iti

Ec. 1

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Esquema de una onda de choque para diferentes tipos de explosin (Po = presin ambiente, P = pico de sobrepresin, t+ = duracin de la fase positiva, i+ = impulso positivo)24


La primera grfica correspondera a un explosivo convencional (ej. TNT); en este caso una cantidad relativamente pequea de material libera una gran cantidad de energa en muy poco tiempo, es lo ms aproximado al caso ideal. Las nubes de vapor tienen un comportamiento un poco y q , p q diferente ya que, a pesar de que en determinadas condiciones es posible que una nube de vapor detone, en realidad es muy poco frecuente (no se conoce ningn caso de detonacin en nubes de vapor no confinadas) confinadas).

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Lo L ms aceptado es que se t t d d fl t d trata de deflagraciones rpidas, i id aceleradas por la presencia de un determinado grado de confinamiento. confinamiento Por el hecho de tratarse de deflagraciones deflagraciones, la liberacin de energa es mucho ms lenta y esto conduce a picos de sobrepresin ms bajos aunque la duracin de la fase positiva sea mayor. Otra diferencia importante respecto a una explosin ideal es que el dao que stas ocasionan se debe principalmente al paso a l f la fase positiva, mientras l negativa prcticamente iti i t la ti ti t no tiene efectos apreciables.26


Esto E t es di ti t en el caso d l explosiones d nubes d distinto l de las l i de b de vapor, que pueden alcanzar valores de sobrepresin negativa tan elevados que ocasionen por succin daos importantes en las estructuras.

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Mtodo del TNT equivalente El TNT (trinitrotolueno) es un explosivo convencional convencional. Militarmente ha sido un de los explosivos ms utilizados y esto ha permitido que sus efectos hayan sido ampliamente estudiados y tabulados. El mtodo d l TNT equivalente permite predecir, d una t d del i l t it d i de forma rpida y sencilla, los daos ocasionados por la p p , p explosin de una nube de vapor no confinada, a partir de la masa de TNT que equivaldra a la cantidad de hidrocarburo implicado, es decir, que ocasionara el mismo nivel de daos. daos28


Este es probablemente el mtodo ms utilizado (por su facilidad de aplicacin), aunque sus resultados no son p q p siempre lo bueno que cabra esperar. La relacin entre la masa de hidrocarburos y el equivalente TNT viene dada por la expresin siguiente: Donde D dEc. Ec 2

Rendimiento de la explosin explosin. Hc Calor de combustin del hidrocarburo (J/kg). HTNT Calor de combustin del TNT (J/kg). Wc Masa de combustible involucrada en la explosin (kg) (kg). WTNT Masa de TNT equivalente (kg).

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Una vez conocida la masa de TNT equivalente se puede equivalente, determinar el valor del pico de sobrepresin (P), el p () p ( p impulso (I), y la duracin de la fase positiva (t+) en un punto situado a una distancia d del lugar de la explosin. Para ello hay que recurrir a una serie de grficos (Fig. 1, 2 y 3) en los cuales cada uno de estos parmetros viene dado segn la distancia normalizada; sta se puede calcular distancia normalizada ; mediante la siguiente expresin:Ec. 3

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El principal problema de este mtodo es estimar el valor del parmetro , que representa el rendimiento de la explosin. Este rendimiento representa la fraccin de la energa liberada que se invierte en generar la onda de presin. Lannoy, en un estudio realizado sobre 23 accidentes, observ que para nubes de vapor de hidrocarburos, se poda encontrar en la gama de valores comprendida entre 0,02% y 15,9% con una media del 3%. En un 97% de las veces 10% y en el 60% de los casos la media es del 4%.

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En E general, el valor d 0 1 es muy conservador. L valores l l l de 0,1 d Los l ms recomendados actualmente son los del 3 o el 4% (es decir, decir = 0 03 . 0 04) Es interesante observar pues que el 0,03 0,04). observar, pues, rendimiento mecnico de las explosiones de nubes de hidrocarburos es, por suerte, muy bajo. En la prctica, slo una pequea fraccin de la energa p p q g desprendida se convierte en energa mecnica; la mayor parte se convierte en energa luminosa (llamarada).

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Teniendo en cuenta que en las explosiones de este tipo pueden verse implicadas cantidades del orden de unas p q g p cuantas toneladas de vapor, y que la energa liberada para la combustin de 1 kg de hidrocarburo es aproximadamente igual a la liberada para 10 kg de TNT, es este bajo rendimiento lo que hace que las explosiones de nubes no confinadas, a pesar del poder destructivo que tienen, no sean tan devastadoras como en teora podran llegar a ser.

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Fig. 1. Valor del pico de sobrepresin segn la distancia normalizada. g p p g34


En aplicaciones prcticas y para explosiones de nubes de vapor, hay que tener en cuenta que posiblemente no toda la nube est dentro de los lmites de inflamabilidad; ste mtodo, pues, calcula el peor de los casos posibles. Este bajo rendimiento mecnico de las deflagraciones de nubes no confinadas es la razn por la cual los hidrocarburos han sido muy poco usados como explosivos con finalidad blica. Hay solo un par de precedentes: los explosivos FAE (fuel-air explosives), utilizados por los norteamericanos en la guerra del Vietnam y la denominada Vietnam, bomba de combustible, utilizada tambin por los g norteamericanos en la guerra del Golfo.35


Fig. 2. Fig 2 Duracin de la fase positiva de la onda de choque segn la distancia normalizada.36


Las limitaciones del mtodo del TNT equivalente son debidas principalmente a la gran diferencia existente entre p p p la explosin de una nube de vapor y una explosin de TNT. La onda de sobrepresin debida a una explosin de TNT tiene una amplitud muy grande pero es de corta duracin, mientras que para las nubes de vapor la amplitud es menor y la duracin mayor.

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Lo anterior hace que para puntos muy prximos al origen de la explosin (aproximadament hasta 3 veces el dimetro de ) g la nube) el error derivado de este mtodo sea grande, mientras que en puntos alejados (donde P< 30kPa o bien en distancias de unas 10 veces el dimetro de la nube), la curva de sobrepresin vs tiempo se aproxima mucho ms a vs. la ideal y, por tanto, los resultados obtenidos con este mtodo sern mejores. En cualquier caso, si lo que interesa es determinar la resistencia de estructuras ante una determinada explosin de una nube de vapor, lo importante no es el valor puntual de sobrepresin sino la evolucin de sta 38 en el tiempo (forma y duracin de la fase positiva).


Fig. 3. Impulso de la fase positiva de la onda de choque en funcin de la 39 distancia normalizada.


Mtodo multienerga Este mtodo desarrollado por Van den Berg permite mtodo, Berg, predecir la forma, la duracin, la sobrepresin y el impulso de la onda de sobrepresin de una manera sencilla y rpida. El mtodo se b t d basa en l suposicin d que i la i i de nicamente l t la parte de la nube que se encuentra parcialmente o g p totalmente confinada genera la onda de sobrepresin. Esto significa que la explosin de una nube de vapor ser considerada como un conjunto de subexplosiones correspondientes a las distintas reas de la nube que se encuentren parcialmente confinadas. 40


El modelo supone que toda el rea confinada ser ocupada por una mezcla estequiomtrica combustible/aire. La carga g generada por la combustin de esta mezcla se considera de p forma semiesfrica con un radio Ro (= [1,5 Vrea confinada/]1/3). Los parmetros del modelo (sobrepresin, duracin, etc.) en su forma adimensional estn representados grficamente (Fig. 4) en funcin de la distancia normalizada.

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Fig. 4. Grficos necesarios para determinar los parmetros caractersticos de la onda de sobrepresin segn el mtodo 42 multienerga.


Ec. 4

Ec. 5

Ec. 6

Ec. 7

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Donde:

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En E cada uno d l d de los grficos se pueden observar di fi d b diez curvas numeradas del 1 al 10. Hay que escoger el valor que corresponda a la energa explosiva inicial Este es quizs el problema ms importante inicial. de este mtodo; en todo caso, si no son necesarios y p resultados muy exactos, se puede resolver de la manera siguiente:

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para efectos en zonas cercanas se t f t toma el valor 10 que es l l 10, conservador ya que supone la existencia de detonacin; para puntos alejados se puede tomar cualquier valor mayor que 6 ya que, como se puede deducir de las grficas, los efectos en distancias largas no dependen de la energa inicial. En caso de que los resultados obtenidos sean exageradamente conservadores entonces se tendr que estimar l energa i i i l d un modo ms preciso ti la inicial de d i (experimentalmente o bien mediante un anlisis histrico de accidentes). accidentes)46


Otros mtodos En los ltimos aos se han ido desarrollando otros mtodos ms sofisticados, basados en la resolucin de las ecuaciones de conservacin de la masa, el momento y la energa mediante mtodos numricos. Es l E el caso d l programas VENTEX FLACS y REAGAS de los VENTEX, (bi- y tridimensionales).

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Carga que acta sobre las estructuras como resultado de la interaccin de stas con la onda de sobrepresin La carga generada sobre una estructura como resultado de la interaccin de sta con la onda de sobrepresin es debida dos f t d bid a d efectos: l dif la difraccin y el d i l desplazamiento. l i t La difraccin es el efecto resultante de la diferencia de presin generada en la estructura cuando la onda de sobrepresin pasa por encima de ella.

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Al entrar en contacto la onda de sobrepresin y el objeto se objeto, genera una onda que es reflejada y que, al colisionar con q g g los vientos que siguen la onda inicial, origina una sobrepresin muy elevada, denominada sobrepresin reflejada, en la cara expuesta de la estructura. Para grandes explosiones (con picos de sobrepresin superiores a 4,8 bars), la presin dinmica es superior al pico de sobrepresin, de manera que la carga ms grande sobre la estructura ser debida principalmente al efecto del desplazamiento. desplazamiento

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Para explosiones menores pero en estructuras poco P l i t t resistentes (paredes, vidrios, puertas) que se rompan ms fcilmente, fcilmente la presin dentro y fuera se iguala rpidamente y el efecto de difraccin se reduce a valores prcticamente despreciables, y tambin es ms importante el desplazamiento. En general, en las explosiones que se producen en la industria el pico de sobrepresin es mayor que la presin dinmica di i y, por l t t l carga es d bid principalmente a lo tanto, la debida i i l t los efectos de la difraccin ms que a los de desplazamiento; si bien no hay que olvidar que ambos efectos van unidos y estn siempre presentes. 50


Anlisis de Riesgo en Plantas de procesosExplosiones FIN51

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