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Actualización de la Integridad ante Descargas Eléctricas Atmosféricas de

Tanques de Almacenamiento de Sustancias Combustibles PROPOSITO: REALIZADO POR: Revisión Fecha Revisión Página No. ACTUALIZACION CARLOS A. ACOSTA S. 01 Junio 24 / 2010 1 de 21

Actualización de la Integridad ante Descargas Eléctricas

Atmosféricas de Tanques de Almacenamiento de Sustancias Combustibles

RESUMEN: Las conexiones a tierra, las conexiones equipotenciales relacionadas con tierras y los apantallamientos ante descargas eléctricas atmosféricas de tanques o vasijas que contienen líquidos o gases potencialmente inflamables, en los aspectos del protección ante descargas eléctricas atmosféricas para la prevención de incendios, tienen directrices y soporte en las normas nacionales NTC [1], [2] y [3], internacionales IEC [4], [5] y [6] y en las nuevas API [7] y [8], lo cual revalida lo estipulado por las normas [9], [10], [11], [12] y la [13]. La API RP 2003, [13], ha perdido explícitamente su validez en los aspectos de protección ante rayos para evitar incendios de vasijas con sustancias potencialmente inflamables, según [7]. Las conexiones a tierra, las conexiones equipotenciales relacionadas a tierras, de propósito de drenaje de estática, protección ante rayos, protección ante fallas a tierra y con otros propósitos de protección de tanques, como por ejemplo en las partes de detección de fuego, instrumentación, de personas, etc., siguen vigentes según las normas internacionales IEC pero con la apropiada consideración de las nuevas normas API y realmente las normas actuales reciben un reforzamiento actualizado con las protecciones recomendadas por los nuevos documentos, que en Colombia desde finales de los años noventa a la fecha, ya se han implementado en diferentes fases, materiales y sistemas tecnológicos, a excepción de los shunt sumergidos y sistemas de aislamiento eléctrico integrales. Las normas internacionales IEC [4], [5] y [6], como su adaptación en Colombia según las normas NTC [1], [2] y [3], deben ser actualizadas considerando la discriminación en los sistemas de protección para evitar incendios en tanques ante ondas tipo impulso en sus componentes de la onda, como son su frente rápido, parte intermedia y cola lenta. Se deben considerar en los propósitos funcionales de los sistemas de apantallamientos ante rayos de tanques, también el cubrimiento de todas las áreas clasificadas relacionadas con los tanques y personas en sus áreas de influencia. Rayos en este documento se refiere igualmente a Descargas Eléctricas Atmosféricas. 1. CLASIFICACION DE AREAS

Como un ejemplo de clasificación de áreas de vasijas, para el caso de un tanque atmosférico de techo flotante, el volumen entre el techo flotante y la corona de la vasija corresponden a una clasificación Clase I División 1 Grupo D (según la [14] y [15] en su capitulo 500) y (considerando un espesor igual a la altura vertical de 3 metros desde la superficie indicada hacia el espacio aéreo o una capa de vapores de crudo o de producto de 3 metros) el volumen sobre la corona del tanque, el exterior de la pared vertical de la vasija, la superficie del piso del dique y el dique del tanque corresponden a una clasificación Clase I División 2 Grupo D.



2. PROTECCION SEGÚN NORMAS 2.1. CLASIFICACION IEC

Las estructuras Clase I División 1 Grupo D2 y Clase I División 2 Grupo D (según la [14] y [15] en su capitulo 500), en forma similar, según la norma internacional IEC [16], se clasifican en Zona 0.

2.2. RIESGOS

En Colombia el RETIE, [17], estipula en las acciones de protección ante rayos para las industrias, que se debe realizar una valoración de riesgos según una norma de reconocimiento internacional o NTC. El cálculo de riesgos se debe realizar según la norma nacional NTC [2] que sigue la directriz de la norma internacional IEC [5], en la cual ha sido adaptado el parámetro de corriente de la incidencia de los rayos a las condiciones tropicales.

2.3. APANTALLAMIENTO COMO PROTECCION

La norma NTC 4552-3, [3], en su numeral D.1 del Anexo D, expresa ¨ Donde la protección contra rayos es requerida por las autoridades competentes, o como resultado de una evaluación del riesgo hecha de acuerdo con la NTC 4552-2, [2], se debe adoptar por lo menos un SIPRA Nivel II. …¨. Estas dos normas son equivalentes a las IEC 62305-3 [3] y 62305-2 [2], respectivamente, las cuales se han adaptado a los parámetros incidentes de los rayos para zonas tropicales. En la Nota de este mismo numeral, [3], se especifica ¨… Por ejemplo el uso de SIPRA Nivel I se permite en todos los casos, especialmente en aquellos donde el ambiente o los contenidos dentro de la estructura son excepcionalmente sensibles a los efectos de los rayos. …¨. En la NOTA del numeral D.3 de la norma NTC 4552-3, [3], se establece ¨Chispas o impactos perjudiciales en el punto de impacto pueden ocurrir. Esto debería tomarse en consideración en la ubicación del sistema de captación. Las bajantes deben ser instaladas de tal forma que la temperatura de auto-ignición no sea superada, en las zonas donde no sea posible instalar las bajantes por fuera de la zona peligrosa.¨.

2.4. TANQUES DE TECHO FLOTANTE CON SISTEMA DE CAMARA RADAR, MEDICION MANUAL Y ALUMBRADO

Las cámaras radar, por lo general, no tienen una cubierta de espesor mayor a 5 mm acero, según [9] (o de 7 mm aluminio), y su ubicación es de altura vertical mayor a la corona de la vasija, por lo cual la cámara radar no es una estructura tipo ¨pararrayos natural¨. El espacio cercano inmediato a la tapa del sistema de ingreso de la cinta para medición manual del nivel del producto, se clasifica como Zona 0 según la norma internacional y según las normas norteamericanas en Clase I División 1 Grupo D2. Esto quiere decir, que independientemente de la vasija del tanque, hasta el nivel de su corona, si se consideran sólo los elementos existentes sobre la plataforma de la cámara radar, se deben apantallar ante rayos directos los elementos existentes sobre la plataforma de la cámara radar. Una luminaria, si se encuentra sobre la plataforma de la cámara radar, probablemente tiene una carcasa de espesor menor a 5 mm acero (o de 7 mm aluminio), según el requerimiento de norma [9] y su ubicación es de altura vertical mayor a la cámara radar y la corona de la vasija, por lo cual la luminaria en caso de existir se debe apantallar, ya que no es una estructura tipo ¨pararrayos natural¨.



El apantallamiento de tanques de techo flotante, se debe diseñar sin mezcla de normas y con sistemas captadores de rayos avalados por normas internacionales, [4], [5] y [6]. Ejemplo de un sistema de apantallamiento de un tanque:

FIGURA NRO. 1. Apantallamiento por medio de cables de guarda sobre torrecillas. Fuente: Mariano,

[18]. Las distribuciones geométricas, trazadas en diseños por medio del método de la esfera rodante, para el apantallamiento de tanques ante rayos directos, se deben validar según el modelo electrogeométrico generalizado considerando las capacidades ante explosión de las sustancias de almacenamiento, las capacidades ante perforación de los materiales de las estructuras a partir de los cuales se presenta el proceso de enlace final o ¨attachment¨ de la descarga eléctrica atmosférica y de las capacidades ante sobre energías de los sistemas de instrumentación, potencia eléctrica, contraincendio, etc.

2.5. TANQUES GEODESICOS O A PRESION ATMOSFERICA:

Tanques de techo fijo metálicos o no metálicos y a presión atmosférica, pero con presencia de gases o vapores de crudo sobre su parte superior (ya que tienen aberturas en sus cubiertas, existen válvulas de escape Thief Hatch), se deben apantallar.



Por existir aberturas en su cubierta, tienen vapores, por lo cual pierden la característica de ser continuos para considerarlos como sistemas ¨naturales¨ captadores de rayos. Cuando las cubiertas no cumplen los requerimientos de espesores mayores en acero de 5 mm y en aluminio de 7 mm, se deben apantallar los tanques ante rayos directos.

2.6. TANQUES DE GLP O A PRESION:

Tanques de GLP y a presión superior a la atmosférica, pero con presencia de gases o vapores de crudo sobre su parte superior (si tienen aberturas en sus cubiertas, existen válvulas u otros sistemas), se deben apantallar. En su cubierta, debido al cierre por medio de empaques de compuertas, existe la probabilidad de presencia de vapores, por lo cual no son sistemas ¨naturales¨ captadores de rayos.

3. POTENCIALES ELECTRICOS EN TANQUES ANTE DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS INDIRECTAS Y DIRECTAS Los grandes potenciales eléctricos y gradientes de campos eléctrico y magnético de tanques ante descargas eléctricas atmosféricas indirectas y directas, se deben considerar y analizar. Cuando se presentan elevados gradientes de campos eléctrico y magnético, a causa de las descargas eléctricas atmosféricas indirectas, es probable que se generen explosiones, fuego u otros fenómenos nocivos en los tanques de almacenamiento de productos combustibles. Los rayos directos a los tanques causan fuego e incendios, a causa del encendido por la chispa directa a vapores, erosión total o perforación por efectos del impacto directo a partes corroídas o muy delgadas, rebase de capacidades dieléctricas, rebase de capacidades de crudo ante chispa, etc. Cuando un rayo teórico, por ejemplo, para un nivel de protección III según la norma internacional IEC, incide a la corona de la vasija o al centro del techo al tanque (tanque de techo fijo y soldado a la vasija o de techo flotante), si se determinan los potenciales eléctricos, en la pared y techo del tanque, [19], se pueden analizar los requerimientos o no de la necesidad de conectar a tierra o no la vasija, y se debe concluir que si existe conexión dedicada a tierra del tanque, los potenciales son menores en una proporción de 0,6618 (135 KV / 204 KV) en comparación a si no existiera la conexión a tierra. Si un rayo incide a la corona de la vasija, el potencial eléctrico del tanque es mayor a que si el rayo incide al centro del techo. Para el mismo tipo de rayo incidiendo al centro del techo, las distribuciones de campo eléctrico y magnético tienen valores cercanos a 200 kV/m y 26 kA/m, respectivamente, según la referencia [20], para un tanque de diámetro de 50 m y radio de 15 m, conectado a tierra con resistividad eléctrica de 100 Ω-m, permitividad relativa εr = 1. Lo cual indica fuertes campos eléctricos y magnéticos en el interior y por fuera de los tanques, y diferencias de potencial entre las partes conductivas del tanque y otros sistemas conductivos (con o sin aislamiento intencional tal como sub partes del tanque y los circuitos de potencia eléctrica o instrumentación). Las técnicas utilizadas de cálculo pueden ser las denominadas multi campos [19] y [20], de ondas viajeras tipo impulso por medio de parámetros concentrados para cada elemento del modelo de circuito a considerar, o mezcla de las dos técnicas anteriores [21]. Como los rayos indirectos a los tanques causan explosiones, con probabilidad de existir fuego e incendio, a causa de los gradientes de campos eléctrico y magnético, la instalación aérea de conductores eléctricos, como sistema de apantallamiento ante descargas eléctricas atmosféricas



directas, alrededor de los tanques reducen los gradientes de campos eléctrico y magnético inducidos o acoplados al tanque, según la teoría básica de campos electromagnéticos inducidos. Como los rayos directos a los tanques causan fuego e incendios, a causa del encendido por la chispa directa a vapores (como por ejemplo, recordemos que los tanques de almacenamiento de crudo tienen un volumen sobre toda la superficie del tanque y del dique de 3 metros de espesor clasificado como Clase I División 2 Grupo D y para cualquier posición del techo flotante un volumen entre el techo y la corona del tanque clasificado como Clase I División 1 Grupo D), o a erosión total o perforación por efectos del impacto directo a partes corroídas o muy delgadas (espesor en acero menor a 5 mm o en aluminio menor a 7 mm), o por rebase de capacidades dieléctricas, o rebase de capacidades de crudo ante chispa, etc., se deben apantallar instalando sistemas de apantallamiento efectivo o que cumplan el nivel I según la norma internacional, preferiblemente con cables de guarda, ya que así no existirá la fuente de chispa directa a los combustibles y el sistema aéreo de cables y soportes verticales – bajantes reducirá los gradientes de campos eléctrico y magnético inducidos en el tanque.

FIGURA NRO. 2. Potencial eléctrico calculado en la vasija por rayo directo a la corona del tanque. Fuente: Sowa, [19].



FIGURA NRO. 3. Potencial eléctrico calculado en la vasija por rayo directo al centro del techo del tanque. Fuente: Sowa, [19].

FIGURA NRO. 4. Magnitud del campo magnético calculado en la vasija por rayo directo al centro del techo del tanque. Fuente: Sowa, [20].



FIGURA NRO. 5. Potencial eléctrico calculado en el interior del tanque con 50 % lleno de producto por rayo directo al centro del techo del tanque. Fuente: Buccella, [21].

4. CONCEPTOS NO VIGENTES DE LAS NORMA API 2003 Y OTRAS Los conceptos que se esgriman sobre los aspectos de la protección de tanques ante descargas eléctricas atmosféricas según la norma API 2003 edición 2008, [13], no son vigentes a octubre de 2009, ya que fue reemplazada por la API RP 545 edición 1 de octubre 2009, [7], con soporte en la API/EI 545-A edición 1 de octubre de 2009, [8], lo cual revalida lo estipulado por las normas [9], [10], [11], [12] y la [13], en los aspectos del protección ante descargas eléctricas atmosféricas para la prevención de incendios en tanques de almacenamiento con contenidos inflamables o combustibles y también estas 2 nuevas normas establecen los mecanismos apropiados (con énfasis en bajantes corona vasija – techo y bajantes sumergidas techo – vasija); revisión de la interacción rayo – tanque; revisión de la conexión o puesta a tierra de tanques; ensayos de laboratorio a paredes, láminas shunt y bajantes; análisis de visitas a 2 plantas con tanques típicos; resultados de ensayos para determinar los requerimientos de las bajantes corona vasija – techo; resultados de ensayos para determinar la protección mixta de bajantes corona vasija con conductores sumergidos tipo shunt pared vasija – techo o techo – base de la vasija o tubos guía – base de la vasija; y, la introducción de la técnica de materiales aislantes entre partes de los techos flotantes o estructuras de membranas flotantes y la vasija, o entre estos techos de los tanques y los tubos guía, tubos de observación de producto, etc. Para el drenaje de estática, protección ante rayos, protección ante fallas a tierra y con otros propósitos de protección de tanques, como por ejemplo en las partes de detección de fuego, instrumentación, de personas, etc., las recomendaciones en general de realizar conexiones equipotenciales en diferentes partes de los tanques y hacia los electrodos de conexión o de puesta a tierra entre el tanque y el suelo, siguen vigentes según las normas internacionales IEC [4], [5] y [6], pero con la apropiada actualización de lo estipulado al respecto por los nuevos documentos API. Las normas actuales reciben un reforzamiento actualizado con las protecciones recomendadas por los nuevos documentos, que en Colombia desde finales de los años noventa a la fecha, ya se han implementado en diferentes fases, materiales y sistemas tecnológicos, con las excepciones de los shunt sumergidos y sistemas de aislamiento eléctrico integrales. Entre otras recomendaciones documentadas, se han realizado: las bajantes, conexiones a potencial eléctrico igual de los sistemas



de detección de fuego, platinas metálicas (barrajes) de referencia a tierra única en las plataformas de las cámaras radar, conductor de conexión eléctrica techo – vasija siguiendo la ruta del tubo de drenaje de aguas lluvias (recomendación verbal en 2 Estaciones), equipotencialización de elementos estructurales de tanques geodésicos o de techo fijo y membrana flotante. Es perentorio actualizar las normas internacionales IEC [4], [5] y [6], y las correspondientes normas NTC en Colombia, bajo la discriminación en los sistemas de protección para evitar incendios en tanques ante ondas tipo impulso en las diferentes componentes de la onda, como son su frente rápido, parte intermedia y cola lenta. Se deben considerar en los propósitos funcionales de los sistemas de apantallamientos ante rayos de tanques, también el cubrimiento de todas las áreas clasificadas relacionadas con los tanques y personas en sus áreas de influencia, con propósito diferente a evitar incendios. Los apantallamientos o sistemas captadores ante descargas eléctricas atmosféricas, tienen propósitos adicionales funcionales diferentes a evitar incendios, como son la protección de otros elementos externos relacionados con los tanques o personas en su área de influencia, lo cual implica que los sistemas de apantallamiento o sistemas captadores de rayos, se deben considerar en los sistemas de protección de tanques para su propia integridad y la de sus áreas asociadas. Se debe considerar también que estos nuevos documentos, [7] y [8], no proveen una protección completa para todas las ocurrencias posibles de impactos (¨strokes¨) de descargas eléctricas atmosféricas. Se resalta que a nivel experimental, en la referencia [8] no se manifiesta que se ha realizado un soporte investigativo asociado a la incidencia de las descargas eléctricas atmosféricas directas o indirectas a los sistemas de apantallamiento de algún tipo de tanque. Lo estandarizado en la norma de la referencia [7], con soporte experimental en la referencia [8], tiene competencia real o efectiva sólo en los resultados de pruebas de laboratorio del transito de corriente eléctrica a partir de la aplicación de una tensión eléctrica tipo impulso entre las partes discretas y condiciones citadas con o sin ambientes líquidos inflamables indicados en la referencia [8]. Los tanques se han simulado con elementos separados de laboratorio y no integrados a un cuerpo igual a un modelo a escala de un tanque real (como por ejemplo, el modelo de un tanque a escala 80:1 o de tamaño similar al usado como modelo físico de validación experimental del modelo de cálculo de potenciales eléctricos ante rayos de tanques en la referencia [21]), sin una apropiada investigación experimental que determine la respuesta o comportamiento de los diferentes tanques con todas las variantes de sus partes, con o sin conexión a tierra, con fallas o sin fallas en los mantenimientos que permiten fugas no permanentes de vapores potencialmente explosivos en todos los lugares posibles de los tanques, y la existencia o no de grandes curvaturas irregulares (similares al efecto de abolladuras) de las paredes de las vasijas según tolerancias constructivas que también permiten fugas no permanentes de vapores potencialmente explosivos, ante la incidencia a distancia simulada de rayos directos o inducidos. La metodología experimental seguida por esta referencia [8], sigue la tendencia de ensayos realizados en partes de aeronaves (ver la citación en [7] de la referencia SAE ARP 5412 5, Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveform), considerando las aeronaves como sistemas físicos aislados de la energía electromagnética en forma galvánica directa de sistemas con conexión a tierra (suelo o subsuelo del planeta tierra) intencional o no intencional (las aeronaves viajan en el vacío o en el aire, sin una conexión galvánica directa al suelo por medio de conductores eléctricos de baja resistividad eléctrica, recordemos que el vacío o el aire tienen una conductividad eléctrica muy reducida o resistividad eléctrica muy alta, ya que el vacío o el aire no húmedo o no contaminado son aislantes eléctricos) a sistemas entrantes o salientes a los tanques reales de sistemas de conductores eléctricos y de control electrónico intencionalmente conectados a tierra fuera del área de los tanques, o tuberías sin juntas de aislamiento de canalizaciones eléctricas, de



instrumentación, agua – espuma, bases o fondos conectados a los sistemas de protección catódica, asas de las vasijas conectadas a tierra, etc. Los requerimientos de estas dos nuevas normas son para los tanques que cumplen la API 650, o referencia [11], aplica a tanques nuevos y en reconstrucción, a los tanques existentes se les aplicará a discreción del propietario / operador. Como prevención, los mecanismos tipo carretes retráctil de las bajantes, deben disponer de un certificado para operar en áreas clasificadas Clase 1 División 1 Grupo D, en caso contrario se debe optar por el sistema de bajantes por medio de cable plano flexible o circular flexible que existen en diferentes tanques de techo flotante (almacenamiento de crudo) en Colombia, los cuales han sido recomendados por el suscrito desde 1998 y mejorada su instalación paulatinamente por personal técnico de mantenimiento. O los conductores bajantes recomendados recientemente para tanques de membrana flotante techo fijo o geodésico (almacenamiento de nafta). La nueva norma, [7], establece bajantes o denominados conductores de ¨bypass¨ entre la corona de la vasija y el techo flotante, lo cual corrobora los bajantes existentes y proyectados en tanques en Colombia, desde el año 1998 a la fecha, recomendados por el suscrito siguiendo principios básicos eléctricos. Estas bajantes ahora normalizadas, a partir de octubre de 2009, propenden por la protección ante incendios de tanques de techo flotante causadas por descargas eléctricas atmosféricas, en sus componentes de forma de onda media duración intermedia y cola de duración lenta (aún cuando estas nuevas normas no tienen competencia en otros ámbitos de la protección de tanques ante fuego, también son útiles las bajantes para el drenaje de estática y fallas eléctricas a tierra por ejemplo del sistema de detección de fuego tipo cable eléctrico térmico, drenaje de sobre energías a los tubin de los sistemas de detección de fuego de aire comprimido, etc.). La resistencia eléctrica de los conductores bajantes, incluyendo su conexionado, deberá ser menor o igual a 0.03 ohmios (la referencia [7], no especifica la frecuencia de la señal de corriente de medida, pero el suscrito ha sugerido desde el año 1998 resistencias muy bajas partiendo de 0.01 ohmios considerando realmente para cada caso la longitud eléctrica equivalente, resaltando que la resistencia eléctrica que normalmente mide el suscrito es con aplicación de corriente a 104 ciclos/segundo y corriente continua; en un documento a ser publicado en el presente año 2010, se describirá y analizará la metodología utilizada para la toma de registros de resistencias de continuidad eléctrica seguida desde 1998 en tanques geodésicos, de techo flotante, de membrana flotante, tipo bala de GLP, de gasolina, de JP, etc., en Colombia), de la menor longitud posible según el recorrido normal del techo flotante, pueden ser espaciados no más de 30 metros entre ellos a lo largo del perímetro del tanque con una cantidad mínima de 2 (esta distancia de espaciamiento, muy probablemente se ha tomado según requerimientos de conexiones a tierra de cercas de alambres de púas, por el contrario el suscrito ha recomendado en Colombia desde 1998, al menos 4 bajantes por cada tanque, independientemente de la dimensión del tanque y otra bajante adicional por el sector de la escalera), tanto las bajantes como las conexiones de terminación deben ser flexibles (se debe considerar que las normas relacionadas con protección de aeronaves ante rayos, estipulan no utilizar uniones terminales soldadas, ver numeral C.2.4.3. de C.2.4. Equipotencialización e instalación de conductores portadores de corriente de C.2. Requerimientos generales del Anexo C Algunos requerimientos de diseño generales y particulares de la norma [22]), apropiada sección (las secciones de los conductores que se han recomendado en Colombia son de calibre 2/0 AWG en cables de cobre flexible o de sección equivalente en cable plano, reafirmado por la segunda norma nueva, en la cual se establece experimentalmente que la reactancia de los cables no afecta apreciablemente la generación de chispas en los shunt - paredes y sólo se estipula experimentalmente una muy baja resistencia eléctrica) y duración ante corrosión mínimo de 30 años.



En la norma referenciada como [22], se describen los principios básicos generales de la prueba de integridad o medida de resistencias de equipotencialización. Según la nueva norma [7], los shunt o conductores de equipotencialización sumergidos deben estar sumergidos 0.3 metros bajo la superficie superior del producto líquido, espaciados a no más de 3 metros entre ellos a lo largo del perímetro del techo flotante, en caso de realizar la retrofijación de estos conductores no inmersos en el producto por conductores equipotenciales sumergidos, se deben retirar los restantes conductores de equipotencialización que no estén sumergidos. La sección transversal de los shunt debe ser mayor o igual a 20 mm2 en acero austénico (o de sección equivalente de capacidad de corriente similar, en caso de usar otros materiales) y la resistencia a la corrosión por mínimo 30 años, con ancho mínimo de 51 mm. Los conductores de equipotencialización sumergidos en el producto, están en experimentación, lo cual implica que se debe tener cierta prevención al utilizarlos, corroborado con la argumentación siguiente. A partir del punto geométrico en el cual el techo flotante descansa sobre las patas, aparece un volumen de vapores potencialmente combustible clasificados como Clase 1 División 1 Grupo D, en el volumen entre la superficie superior del líquido o producto y la cara inferior del techo flotante. En el caso de no disponer de un conexionado eléctrico apropiadamente unido (muy baja resistencia eléctrica de continuidad a causa de conductores dañados, o uniones soldadas dañadas o terminales en mal estado o contaminantes de alta resistividad eléctrica como parafina en los puntos de contacto, o capas de corrosión sobre la cara interior de la lámina de la vasija, o grandes curvaturas irregulares (con efecto similar a abolladuras) de la lámina de la vasija que cumplan o no los rangos de tolerancias de diseño mecánico de la vasija, etc.), se presentarán deficiencias en la conducción eléctrica ideal inicial, lo cual puede generar calentamientos o chispas y finalmente producir explosión. Como conclusión, para utilizar la técnica de los conductores eléctricos de equipotencialidad sumergidos en el producto, se debe considerar que siempre dispongan de un eficiente contacto eléctrico durante su operación y vida útil. Incluir condiciones típicas, como cuando existen curvaturas irregulares (similares a los efectos de abolladuras) de la lámina de la vasija, así cumplan o no los rangos de tolerancias de diseño mecánico de la vasija, pero que eléctricamente no son apropiadas, por la pérdida de hermeticidad del sello y variaciones en la resistencia eléctrica de contacto shunt sumergidos – cara interior de la lámina de la vasija del tanque a lo largo del recorrido vertical del techo o estructura soporte de las membranas flotantes.



Ejemplos de shunt inmersos en el producto:

FIGURA NRO. 6. Shunt sumergido en sector del sello. Fuente HMT, [24].

FIGURA NRO. 7. Bajante por tubo de drenaje de agua lluvia. Fuente HMT, [24].



FIGURA NRO. 8. Shunt un tubo de observación de producto, tubo anti rotación, etc. Fuente HMT, [24].

La capacidad de aislamiento debe ser tal que su nivel de aislamiento nominal sea mínimo de 1 KV, para los materiales propuestos por la norma API RP 545, [7], como sistema de aislamiento entre el techo flotante - la pared de la vasija o entre el techo flotante - cualquier componente que penetre el techo flotante (escaleras, tubos guía, patas, etc.). Para un nivel nominal de 1 KV el nivel básico de aislamiento (BIL, Basic Level Insulation) es 16 a 18 KV, lo cual es muy inferior a los potenciales que se presentan (ante rayos directos a los tanques [20] o indirectos o inducidos de alrededor de 70 KV entre el techo y la pared de la vasija [21]) entre los puntos donde se ubicarán los materiales tipo aislamiento eléctrico, según lo estipulado por la norma [7], por lo cual realmente se debe disponer de un sistema de aislamiento de capacidad nominal mayor o con mayor BIL o de mayor espesor (el BIL es mayor a mayor espesor del material de interfase tipo aislante, claro no linealmente la progresión o tendencia). La última nueva norma [7], en su soporte [8], presenta las directrices sobre el apantallamiento de los tanques, considerando que construir estos sistemas es de instalación difícil o no prácticos, pero las dificultades y la impracticidad compensan los beneficios. En tanques a presión atmosférica con cubiertas metálicas (geodésicos o cúpulas de aluminio) y techo flotante interior, expresa la norma que no se tienen reportes de daños a causa de rayos directos, lo cual es por la cámara de faraday que funciona como cubierta, lo cual induce a concluir que a un tanque sin cubierta metálica y de techo flotante, una jaula de faraday o sistema de apantallamiento sobre él lo protegerá ante iguales aspectos de los reportes de no incidentes de soporte documental de la nueva norma API RP 545. El diseño del sistema de apantallamiento por medio del método de la esfera rodante, debe ser revisado o validado según el método general del modelo electrogeométrico, considerando los diferentes radios de atracción para la misma estructura, los cuales dependen del elemento a analizar en particular o de la capacidad de soportar los diferentes niveles de corriente de las descargas eléctricas atmosféricas. En la norma indicada como referencia [25], se detalla la argumentación base de Mousa sobre la generalidad del modelo electrogeométrico básico y las limitaciones del caso especial de este modelo, como lo es el método de la esfera rodante, el cual se aplica según normas a estructuras utilizando un radio de atracción único. También esta norma [7], en su soporte [8], establece que los sistemas de conexión de la vasija a los electrodos de puesta a tierra, es dependiente principalmente de los criterios de protección a personas



y de los sistemas de instrumentación y de potencia eléctrica, lo cual debe ser apropiadamente realizado según otras normas considerando los sistemas de protección catódica con las juntas de aislamiento en las bridas de la tubería entrante y saliente. Una parte de la instrumentación, son los sistemas de detección de fuego. Dos de los muchos sistemas de detección de fuego, utilizados en tanques de techo flotante, son del tipo eléctrico con cable térmico y de tipo neumático con tubín de acero o manguera metálica portadores de aire comprimido. Debido a que estos sistemas lineales de detección de fuego se instalan típicamente alrededor de los techos flotantes, entre los sellos primario y secundario, se deben conectar equipotencialmente al sistema de bajantes de equipotencialidad desde la corona de la vasija a la lámina del techo flotante, corona vasija a escalera, etc., por medio de la instalación de la conexión directa o indirecta por medio de descargadores del tipo DPS en encerramientos intrínsecamente seguros apropiados para el área clasificada Clase 1 División 1 Grupo D. Ejemplo de conexión equipotencial a tierra de un sistema de detección de fuego:



FIGURA NRO. 9. Conexión general equipotencial a tierra de un sistema de detección de fuego tipo neumático con tubín de acero o manguera metálica portadores de aire comprimido en tanque de

almacenamiento de crudo del tipo atmosférico de techo flotante. Fuente Carlos Acosta.

Ejemplos de aspectos relevantes típicos de conexiones equipotenciales:



FOTOGRAFIA NRO. 10. Conexión equipotencial de un sistema de detección de fuego tipo neumático

con tubín de acero o manguera metálica portadores de aire comprimido en tanque de almacenamiento de crudo del tipo atmosférico de techo flotante. Se observa un cable bajante corona – techo y un cable en cruz de interconexión de bajantes sobre el techo, así como el cable derivado al

sistema de detección de fuego. Fuente FR.

FOTOGRAFIA NRO. 11. Pérdida de contacto eléctrico de las láminas shunt y la lámina de la vasija de un tanque de almacenamiento de crudo, a causa de la contaminación de la pared de la vasija y

corrosión de tornillo de fijación de la lámina shunt al sello. Fuente FR.



FOTOGRAFIA NRO. 12. Contacto eléctrico variable de lámina shunt a vasija por anomalía de la vasija a causa por gran curvatura (similar al efecto de una abolladura) de la lámina vertical de la

vasija de un tanque de techo flotante. Fuente Carlos Acosta.

FOTOGRAFIA NRO. 13. Contacto eléctrico variable de lámina shunt a vasija por anomalía de la vasija a causa de gran curvatura de la lámina vertical (similar al efecto de una abolladura) de la vasija

de un tanque de techo flotante. Fuente Carlos Acosta.



FOTOGRAFIA NRO. 14. Secciones o elementos estructurales de membrana flotante, pontones cilíndricos, patas, tubos – medición observación de producto escalera y sello, de tanque geodésico a

presión atmosférica con cúpula o domo de aluminio y membrana flotante como techo o cubierta interior del producto. Todos los elementos citados deben disponer de conductores dedicados de equipotencialidad y conectados al electrodo de conexión o de puesta a tierra del tanque. Fuente

Carlos Acosta.



FOTOGRAFIA NRO. 15. Secciones o elementos estructurales de cúpula o domo de aluminio, ventana de observación y venteo de vapores y patas apoyo a vasija, de tanque geodésico a presión atmosférica con cúpula o domo de aluminio y membrana flotante como techo o cubierta interior del

producto. Todos los elementos citados deben disponer de conductores dedicados de equipotencialidad y conectados al electrodo de conexión o de puesta a tierra del tanque.

Adicionalmente como la membrana tiene un espesor muy inferior a 7 mm, debe evitarse la incidencia directa de descargas eléctricas o rayos al domo, por medio de la instalación de un sistema de apantallamiento ante rayos directos y preferiblemente instalar un sistema de cables de guarda.

Fuente Carlos Acosta.



FIGURA NRO. 16. Planta barraje equipotencial ubicado sobre plataforma cámara observación de producto en tanque de almacenamiento de crudo del tipo atmosférico de techo flotante. Fuente Carlos

Acosta.



FIGURA NRO. 17. Alzado de relación de elementos a conectar a barraje equipotencial ubicado sobre plataforma cámara observación de producto en tanque de almacenamiento de crudo del tipo

atmosférico de techo flotante. Fuente Carlos Acosta.

5. BIBLIOGRAFIA

[1] NTC 4552-1 - PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS (RAYOS). PARTE 1: PRINCIPIOS GENERALES, 11/26/2008. [2] NTC 4552-2 - PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS (RAYOS). PARTE 2: MANEJO DEL RIESGO, 11/26/2008. [3] NTC 4552-3 - PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS (RAYOS). PARTE 3: DAÑOS FISICOS A ESTRUCTURAS Y AMENAZAS A LA VIDA, 12/10/2008. [4] IEC 62305-1 Ed. 1.0: Protection against lightning – Part 1: General principles, 2005. [5] IEC 62305-2 Ed. 1.0: Protection against lightning – Part 2: Risk management, 2005. [6] IEC 62305-3 Ed. 1.0: Protection against lightning – Part 3: Physical damage to structures and life hazard, 2005. [7] API RP 545 edición 1 octubre 2009: Recommended Practice for Lightning Protection of Aboveground Storage Tanks for Flammable or Combustible Liquids. [8] API/EI Technical Report 545-4 edición 1 octubre de 2009: Verification of Lightning Protection Requirements for Above Ground Hydrocarbon Storage Tanks. [9] NFPA Edic.2004: NFPA 780 Standard for the Installation of Lightning Protection Systems. [10] IEEE Std 142- 7 junio 2007:Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power System. [11] API 650 edic 11 abril 2007: Welded Steel Tanks for Oil Storage. [12] API 653 edic 4 abril 2009: Tank Inspection, Repair, Alteration, and Reconstruction. [13] API RP 2003 edic 7 enero 2008: Protection Against Ignitions Arising Out of Static, Lightning,



and Stray Currents. [14] API RP 500 edic 2 nov 1997: Recommded Practice for Classification of Locations for Electrical Installations at Petroleum Facilities Classified as Class I, Division 1 and Division 2. [15] NEC Edic.2008: NFPA 70. [16] IEC 60079-10 Ed. 1.0: Classification of hazardous areas, 2002. [17] RETIE, Resol. 18 1294, 06/8/2008. [18] Sistemas de Puesta a Tierra para Instalaciones de Baja Tensión - Curso IEEE 2007, Ing. Eduardo Mariano, Presentación Power Point, http://www.ieee.org.ar/downloads/2007-mariani-tierra.pdf. [19] Ground Potential Rise Around Large Fuel Tank During Lightning Strike, Andrzej Sowa and Jarosław Wiater, Białystok Technical University, Maceió, Brazil, nov 2006. [20] Electrical and Magnetic Field Distribution Nearby Fuel Tank During Lightning Strike, Andrzej W. SOWA and Jarosław M. WIATER, Białystok Technical University, Poland, Kaunas, Lituania, sep 2006. [21] An Efficient Technique for the Evaluation of Lightning-Induced Voltage in a Cylindrical

Vessel Containing Charged Oil, Concettina Buccella, Senior Member, IEEE, and Antonio Orlandi, Senior Member, IEEE, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 39, No. 2,

March/April 2003. [22] D/D Stan 59-113 march 2006: Lightning Strike Protection Requirements for Service Aircraft, UK Defence Stand rdization. a[23] IEEE Std 80-2000: Guide for Safety in AC Substation Grounding. [24] AST Lightning Protection – API 545 Update – Chip Breitweiser, HMT Inc., Presentación Power Point, http://www.api.org/meetings/proceedings/upload/ Storage_Tank_Proceedings_ hip_Breitweiser.pdf. C[25] IEEE Std 998- 11 sept 1996: IEEE Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substations. ________

http://www.ieee.org.ar/downloads/2007-mariani-tierra.pdf

http://www.api.org/meetings/proceedings/upload/

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