La forma más efectiva de protección contra rayos: sistema de transferencia de carga

23. LA FORMA MAS EFECTIVA DE PROTECCION CONTRA RAYOS: SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE CARGA

ESPECIFICACIONES GENERALES.

1. GENERALIDADES

1.1.Definición

El Sistema de Transferencia de Carga (CTS) es una forma de PROTECCIÓN contra rayos que ha sido desarrollada para PREVENIR los impactos de rayo en un sitio, y la auto protección del sistema. El sistema disipa la carga inducida por la célula de tormenta (nube) dentro del área protegida, por medio de la transferencia de esa carga eléctrica, a la atmósfera circundante a través de un proceso de electrostática conocido como el Principio de la “Descarga de Punta”. Las moléculas de aire ionizadas resultantes, forman una masa de moléculas de aire cargadas eléctricamente, llamadas “Carga Espacio” las cuales forman un blindaje entre la célula de tormenta y el sitio. El potencial resultante entre el área protegida y la nube de tormenta se reduce significativamente, previniendo por tanto, los impactos directos de rayo.

1.2. Desempeño del Sistema. 

El CTS deberá ser capaz de disipar continuamente, o transferir a la atmósfera una corriente de al menos la mitad de un ampere  durante una tormenta madura mientras la tormenta esté presente.  Deberá prevenir cualquier descarga de rayo terminando  dentro del área protegida sin que  el sistema se dañe.  El CTS  reducirá  el voltaje entre  el área protegida  y la  nube  de tormenta  a niveles  menores  de  los  que  se requieren  para  iniciar o  atraer  el  rayo. Además, el potencial resultante en el área protegida será significativamente más  bajo  que  el que  exista  alrededor  en  cualquier  punto, durante  la tormenta.

1.3. Componentes del Sistema.

El  sistema  está  formado  por  tres  subsistemas  conformados  por  las       especificaciones siguientes:

1.3.1. Subsistema Ionizador.

La configuración del ionizador deberá diseñarse para asegurar la interfase con la instalación del Cliente de manera que prevenga cualquier impacto directo dentro del área protegida y deberá, sin excepción alguna cumplir con las especificaciones siguientes:

1.3.1.a La configuración del ionizador será hecha de alambre de disipación cuya geometría del espacio estará determinada por pruebas de laboratorio para proveer la máxima corriente de ionización para una fuerza del campo eléctrico dada. Cada punta deberá tener la separación que maximice la corriente de ionización durante la tormenta.

1.3.1.b El ionizador deberá diseñarse para formar, o configurar la forma de las líneas equipotenciales que configurarán toda el área protegida. Bajo ninguna circunstancia se crearán discontinuidades que puedan formar flámulas desde el ionizador o desde dentro de la instalación protegida. Deberá procurarse que todas las  puntas del ionizador estén dentro del área de ionización o aproximadamente al mismo nivel de voltaje.

1.3.1.c El ionizador deberá diseñarse de tal forma que provea el número de puntas de disipación requeridas para cubrir un área específica. En caso de no ser así, la configuración del ionizador proveerá menos puntas de disipación que las requeridas por cálculo para esa área específica. 

1.3.1.d  El ionizador será hecho de alambre de acero inoxidable por medio de una matriz en donde la separación entre puntas sea de 10 cms.

1.3.1.e Cada configuración del Ionizador será montada de tal manera que asegure una “vista” sin obstrucción del campo electrostático de la tormenta desde cualquier dirección. De no ser posible, deberá montarse otro dispositivo en la misma estructura de tal manera que el ionizador no quede fuera del campo electrostático de la tormenta.

1.3.1.f El desempeño de la configuración del ionizador será calificada de acuerdo con el procedimiento de prueba especificado en el Apéndice 1.

1.3.2. Circuito Colector de Corrientes de Tierra (CCCT).

El Circuito Colector de Corrientes de Tierra (CCCT) será diseñado, desarrollando y trazando un circuito para colectar la carga inducida por la nube de tormenta dentro de todos los componentes de la instalación protegida, de acuerdo con el tipo de suelo del sitio. Todos los componentes de la instalación protegida, deberán estar conectados eléctricamente al CCCT. Esto incluye a otros sistemas de puesta a tierra, independientemente de la función original para la que se hayan instalado. Deberá establecerse un punto común de tierra para todos los componentes del sistema. Si el sistema de puesta a tierra existente cumple con el criterio de un punto común de conexión, y tiene un valor de resistencia a tierra de 5 Ohms, puede usarse como CCCT. 

1.3.2.a El CCCT deberá estar formado por electrodos para tierra activados químicamente e interconectados por medio de tubo flexible de cobre no menor a ½” de diámetro o cable de cobre de calibre 2/0 AWG. Los electrodos deberán espaciarse a intervalos no menores a 2.2 veces su longitud. La mezcla de sales metálicas que se usa para rellenar los electrodos activados químicamente deberá seleccionarse adecuadamente de acuerdo con las condiciones del suelo donde se instalarán. Seco, Normal, Muy Húmedo.

1.3.2.b Todas las uniones y conexiones del CCCT deberán hacerse con soldadura exotérmica.

1.3.2.c El CCCT deberá ser enterrado a no menos de 25 cms., y no más de 75 cms., de profundidad. Cualquiera que sean las condiciones requeridas o las variaciones en relación con esta especificación, deberán ser consideradas dentro del diseño de Ingeniería.

1.3.3. Conductor de Interconexión.

El conductor de interconexión (CI), deberá ofrecer una seguridad, extra, un camino de baja impedancia para el CCCT y para el conductor de interconexión al ionizador. El CI puede estar compuesto de alambre de cobre de calibre mayor o del acero de las partes de la estructura de la instalación. Deberá tenerse cuidado para asegurar una buena conductividad, baja impedancia, un camino fácil entre el CCCT y la configuración que sea del ionizador, bajo las condiciones más adversas. Deberá considerarse la probabilidad de cortes o daños a la continuidad de los conductores durante los mantenimientos.

1.4. Aseguramiento de Calidad.

El proveedor del CTS deberá estar comprometido con la manufactura del CTS, los sistemas de tierra, y los sistemas de protección de la instalación en los alcances aquí especificados. El proveedor deberá tener partes de repuesto para garantizar el servicio por lo menos para 15 años.

1.5. Garantía y Seguridad de su funcionamiento.

1.5.1. El CTS Garantiza por escrito la prevención de la terminación de impactos de rayo dentro del área protegida. Si el sistema falla en su funcionamiento de acuerdo a como fue especificado, el fabricante determinará las causas, implementará una acción correctiva de acuerdo con el Cliente, sin costo para el Cliente. Esta garantía tendrá vigencia por un año, y podrá ser ampliada anualmente después del mantenimiento y Certificación.

1.5.2. El CTS propuesto, tendrá una duración no menor a 20 años para asegurar su confiabilidad y cumplimiento a sus requisitos.

1.5.3. El Concursante deberá ofrecer una lista de no menos de 20 Clientes usuarios del sistema que den referencias de la efectividad del sistema propuesto.

1.6. Fabricantes Aceptados.

El Fabricante pre-aprobado de los sistemas de protección contra rayos del tipo “descarga de punta” es Lightning Eliminators & Consultants, Inc. (LEC), con domicilio en: 6687 Arapahoe Road, Boulder, Colorado 80303, USA. (303) 447-2828. Cualquier otro candidato deberá probar ofrecer lo mismo y ser aprobado por el Cliente. Los instaladores deberán ser supervisados por un Ingeniero Instalador Calificado, con al menos 5 años de experiencia.

2. CRITERIO DE DISEÑO ESPECÍFICO.

2.1. Carga del Viento.

Todos los componentes del CTS deberán estar diseñados para soportar vientos de 110 millas por hora (177 km/hr).

2.2. Mantenimiento.

El CTS deberá estar diseñado y construido de tal manera que no requiera mantenimientos periódicos en intervalos menores a 5 años. Sin embargo, las inspecciones anuales y la recarga de los electrodos de tierra químicamente activados debe hacerse.

2.3.Corrosión.

Todos los materiales deberán seleccionarse para asegurar la compatibilidad con cada uno de los otros componentes del sistema para prevenir la corrosión por los efectos galvánicos. Los componentes del CTS, instalados a la intemperie, deberán ser como mínimo de acero galvanizado, de acero inoxidable, o de cobre, en este orden para minimizar la corrosión.

3. INSTALACION DEL CTS.

3.1. Ionizador.

Los sistemas de protección contra rayos deberán instalarse de acuerdo con el equipo, los planos y las especificaciones por escrito del fabricante. La instalación del sistema de prevención de rayos deberá coordinarse con otros trabajos, incluyendo el alambrado eléctrico y todos aquellos necesarios durante la instalación del sistema.

3.2. Circuito Colector de Corrientes de Tierra (CCCT).

Aunque el CTS no es tan sensible a las variaciones del sistema de puesta a tierra, deberá establecerse un aceptable contacto con la tierra física para asegurar su funcionamiento óptimo. Para facilitar la colección de carga, y alcanzar un valor de resistencia a tierra de 5 Ohms. Al término de la instalación del sistema de prevención de rayos, deberá medirse el valor de resistencia a tierra, por medio de medidor de tierra confiable. Donde los resultados de la medición indiquen un valor de resistencia a tierra mayor a 5 Ohms, deberán tomarse las acciones necesarias para reducir esos valores a 5 Ohms o menos, instalando adicionalmente más electrodos de tierra, espaciándolos correctamente, o acondicionando el suelo donde se instalan los electrodos. Entonces, repetir las mediciones hasta alcanzar los valores previstos. 

3.3.Conexiones a tierra.

Los requisitos para conexiones a tierra que usan CTS con la tecnología para la prevención de rayos son mucho más simples que los requeridos para los sistemas del colector de rayos convencional. Debido a que no habrá impactos de rayos en el lugar, los requisitos de conexión a tierra se limitan a  establecer un punto de referencia de potencial igual o un punto común de tierra.

La referencia de potencial igual para sitios de comunicaciones normalmente es referida a la ventana de tierra o al punto común de tierra (CPG por sus siglas en ingles). La implementación y aplicación del CPG es la clave de su funcionamiento. El sistema de conexión a tierra se implementa como sigue:

3.3.1. Instalar una barra “buss” CPG en el punto donde la conexión a la red de tierras entra al edificio.

3.3.2. Conectar la barra “bus” CPG a un electrodo de tierra del tipo Chem Rod, instalado fuera del edificio y cerca del “bus” CPG. Se requiere un electrodo de tierra activado químicamente para reducir el potencial de tierra o la impedancia transitoria.

3.3.3. Hacer que los conductores de tierra vayan por separado de cada bastidor de equipo a la barra “buss” CPG. Usar un conductor de cobre de calibre grande, tal como # 2 AWG o mayor, para reducir la impedancia transitoria. No usar tierras en anillo o el concepto cadena margarita. Mantener cada conexión a tierra por separado y lo más corto posible.

3.3.4. Hacer una conexión a tierra por separado desde la protección de surge del servicio eléctrico al CPG, con un conductor de cobre de un calibre igual o mayor al # 2 AWG.

3.3.5. Hacer una conexión a tierra por separado de los protectores de la línea telefónica al CPG, con un conductor calibre igual o mayor al # 2 AWG.

3.3.6. Estar seguros que todas las otras referencias de tierra también estén conectadas al CPG.

3.3.7. Conectar el blindaje de todos los cables coaxiales externos al CPG lo más cerca posible del CPG.

3.3.8. Usar conectores de presión para las conexiones internas.

3.3.9. Usar conexiones con soldadura exotérmica para todas las conexiones externas.

3.3.10. El CCCT del CTS también deberá estar conectado al CPG. 

4. CAPACITACION DEL PERSONAL.

El personal de mantenimiento del Cliente (Usuario) deberá ser capacitado en procedimientos de prueba y medición de sistemas de puesta a tierra y para determinar los valores de resistencia a tierra del sistema de prevención de rayos. Además el personal de mantenimiento deberá ser instruido para recargar los electrodos de tierra activados químicamente.

5. MANTENIMIENTO Y RECERTIFICACION.

A fin de asegurar que el sistema este en operación a su máxima capacidad, deberá ser inspeccionado periódicamente. El fabricante ofrecerá, a solicitud del Cliente, una cotización para una inspección anual del CTS. La inspección incluirá la recertificación del CTS al término de la inspección. Si el sistema no puede ser recertificado después de la inspección por no cumplir con los requisitos necesarios, se entregará un reporte al Cliente describiendo las medidas correctivas para que el sistema opere en condiciones óptimas de seguridad.

APENDICE 1.

EVALUACION DEL DESEMPEÑO DE UN IONIZADOR

El ionizador es el componente principal de un Sistema de Transferencia de Carga (CTS). El ionizador es un componente de un CTS, diseñado para prevenir la terminación de un impacto de rayo para cualquier área protegida. Para prevenir la terminación del rayo se requiere un método de colección de la carga inducida en esa área y transferir esa carga al ionizador, tan rápido como el mecanismo de cargado crea o induzca la carga. El ionizador debe entonces transferir esa carga a la atmósfera, en la misma forma, usando las moléculas del aire como el medio de transferencia.

La eficiencia del ionizador deberá ser evaluada dentro de un simulador de campo electrostático, por la inyección de corriente de ionización de un tablero de muestra en función del voltaje aplicado. El ionizador debe ser especial para ese diseño usado para el CTS. La corriente de ionización debe ser medida en función del voltaje aplicado al ionizador, cuando el espaciamiento entre el ionizador y la placa ánodo del simulador se ponga a ½ metro.

El procedimiento de prueba consistirá de una serie de mediciones de corriente en función del voltaje aplicado. Los pasos deberán ser en incrementos de cerca de 1 KV, empezando a 10 KV e incrementándolos a cerca de 100 KV. No se forma arco eléctrico entre el ionizador y la placa ánodo del simulador. Un arco eléctrico descalificaría la prueba. La corriente de ionización medida se incluirá en la fórmula siguiente:

               I ≥ 0.002 V²

              V es la fuerza del campo electrostático en Kilovolts.

              I es la corriente de descarga en microamperes por punta.

Otra vez, esto será sin que se produzca ningún arco dentro del ionizador, entre el ionizador y la placa ánodo del simulador.

A voltajes pico, el ionizador también debe producir un efecto corona visible. También deben ser observados los factores siguientes:

A.1 El panel de prueba del ionizador deberá ser una réplica exacta de una porción del ionizador que se usará en el CTS.

A.2 El panel de prueba del ionizador deberá ser del tamaño suficiente como para contener al menos 120 puntas de disipación.

A.3 La prueba de la instalación deberá ser de al menos 2.5 metros cuadrados para crear el campo eléctrico requerido sin efectos marginales.

A.4 El sistema de medición debe calibrarse antes de la prueba, y ofrecerá escalas de 0 a al menos 5 000 Microamperes. 

Imagen de rayos en Nuevo México

Maintenance, maintenance, maintenance

22. MAINTENANCE, MAINTENANCE, MAINTENANCE

Este Blog lo escribió JoOnna Silberman en Abril del 2016, lo transcribo porque Ella tiene mucha razón y pienso que hay que reflexionar acerca de lo que dice a fin de “PREVENIR LO QUE NO DEBE OCURRIR”.

BLOG “PROTECCION CONTRA DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS”

Semana 122/Abril 28, 2016.

En Abril del 2014, escribí un blog sobre inspección y mantenimiento titulado “Las lluvias de Abril traen Rayos: Protección, Inspección y Mantenimiento” y la gente de los medios en el mercado de combustibles se intrigó, pidiéndome  que fuera más explícita en el “fragmento” de este tema. Considerando que yo creo que este es uno de los asuntos más importantes segundo solamente para implementar una solución en la protección contra rayos para empezar, por supuesto, Yo estoy de acuerdo. En Mayo del 2014, Ellos publicaron “Mantenimiento, Mantenimiento, Mantenimiento”. 

Este mes, las noticias del mercado de combustibles van a republicar ese fragmento y Yo pienso fue una buena decisión para recordar todo sobre la importancia de la instalación, la inspección, y el mantenimiento sobre las soluciones de la Protección contra descargas eléctricas atmosféricas. La cual incluye sistema de puesta a tierra, y protección contra eventos eléctricos transitorios. Una vez que Ud., tiene instalado un sistema de protección contra rayos en sus instalaciones, debe ser inspeccionado y mantenido como cualquier parte de un equipo. Esto es imperativo, básico, fundamental, si se quiere que funcione con buenos resultados.

Justamente estamos regresando de una Conferencia y Exhibición sobre Energía Eléctrica en Nueva Orleans y nos asombró como mucha gente instala un sistema de protección contra rayos y se olvida de esa protección. Además de nuestra habitual sorpresa respecto a sus “sistemas colectores de rayos en lugar de sistemas preventores de rayos” cuando preguntamos si habían tenido fallas, ellos dijeron que sí y cuando les preguntamos porque algunos de Ellos no tenían idea?. Cuando les preguntamos si le habían hecho pruebas a los sistemas de  puesta a tierra, contestaron que no, o que habían hecho las pruebas de medición de norma (FoP), lo cual está sujeto a  una multitud de errores de acuerdo con la Norma IEEE 81. Mientras más costoso, aquí en LEC usamos el sistema de medición “Smart Ground” el cual elimina los errores indicados en la Norma IEEE 81. Además, les preguntamos si Ellos habían inspeccionado sus sistemas, y muchos de los asistentes contestaron que no!!!!. Wou!!!!, parece ser que muchos, y no solamente en esta industria, esperan hasta que se presenta un incidente,  antes de que Ellos inspeccionen su Sistema de PROTECCION.

Mucha gente  piensa que invertir en inspeccionar, dar mantenimiento, o hacer pruebas o mediciones, es una extravagancia o no tiene caso. A los que piensan así, Yo les digo que pregunten a las compañías que pensaron lo mismo y que al final terminaron perdiendo millones de dólares debido a los rayos!!!.

Firma: The Lightning Diva

Maintenance, maintenance,maintenance par deux

A continuación el Blog publicado en Mayo del 2014 y Abril del 2016.

MANTENIMIENTO, MANTENIMIENTO, MANTENIMIENTO.

Cuando la PROTECCION CONTRA RAYOS es la solución más adecuada, la regla número uno es hacerla, el equipo necesita estar en buenas condiciones de trabajo para ser efectivo. Como cualquier otra tecnología o equipo, necesita estar bien instalado, bien inspeccionado y bien mantenido.

Ahora, cuando la relación con la extracción, refinación, y almacenamiento de combustibles líquidos, tan ampliamente practicada en la Industria del Gas y el Petróleo, Ud., realmente NO quiere tomar el riesgo de que sus sistemas no trabajen?. Yo pienso que no. La inspección es importantísima y debería ser parte de la responsabilidad y el buen manejo del riesgo y las mejores prácticas del plan de emergencia para la continuidad de los negocios.

Los meses de verano a través del Hemisferio Norte pueden ser brutales, y más en los años recientes, especialmente en los Estados Unidos. Los veranos pasados (en realidad el final de la primavera, el verano y el principio del otoño) han probado ser un desafío en donde los rayos están involucrados. En el año 2013 más de 100,000 impactos de rayo han caído en Oregón en solo dos días, provocando varios incendios a través de las partes central y suroeste del Estado. Washington también ha sido víctima de estos poderosos impactos, más de 60 incendios de bosques después de la tormenta de rayos a principios de Agosto. Colorado tuvo literalmente una explosión de rayos los últimos 4 años, verano tras verano, y en la última semana de Abril y primera de Mayo, a lo largo de la Costa del Golfo en Texas y Luisiana sufriendo tres explosiones de tanques en un periodo de siete días. Estados como New Hampshire y Maine reportaron los rayos más poderosos recordados en la historia.

Además, el último verano los campos petroleros del Norte de Dakota sufrieron cinco incendios que fueron atribuidos a los rayos. Uno en particular impactó un pozo de inyección de agua salada dañando cuatro tanques de almacenamiento que contenían 380 barriles de agua salada y 20 barriles de aceite con un costo mayor a 100 000.00 US. Dólares en daños.

Posteriormente, no solamente hubo impactos de rayo que iniciaron incendios en la Planta de Energía de Edison al Norte de California, toda la Planta salió de operación y hubo más de 120 000 interrupciones de energía a lo largo de Visalia, California. Incidentes como estos deberían recordarnos lo importante que es verificar y revisar los equipos y sistemas de protección antes de cada temporada de rayos, así como los fenómenos meteorológicos y/o desastres naturales que ocurren durante el año.

Un Sistema de Protección contra rayos dañado implica tanto riesgo como si no se tuviera un Sistema de Protección contra rayos. Por supuesto, una vez que ocurre un evento de este tipo en un lugar, puede volver a ocurrir en el mismo lugar nuevamente. Muchos se olvidan de verificar o revisar el equipo. Tome nota, un buen Plan de Mantenimiento de Emergencia, deberá incluir revisar su equipo de Protección contra rayos. Ud., no puede olvidarse por descuido de hacer una buena revisión aunque sea superficialmente para estar seguro de que el  evento no produzca en forma prolongada, un daño inadvertido. Usted ha revisado sus sistemas de protección contra rayos y otros equipos para este propósito?.

Un buen mantenimiento quiere decir que Usted debe inspeccionar el sistema, lo cual incluye la protección contra impactos directos de rayo, el sistema de puesta a tierra y la protección contra eventos eléctricos transitorios. Que tan bueno es el mantenimiento que Usted le da a su equipo?, Cuales son los pasos que Usted sigue para para asegurarse de que está trabajando adecuadamente?. Su Compañía ignora y espera hasta que algo malo sucede?.

Mientras nosotros tenemos algunos Clientes que después de un evento llamarán y preguntarán si nosotros vamos a inspeccionar sus sistemas y otros que han hecho la inspección por ellos mismos y que han descubierto que ha ocurrido un incidente en su sistema, de hecho, necesita reparación y atención inmediatamente. Desafortunadamente, hay quienes no analizan una solución total y se preocupan cuando un impacto directo de rayo golpea sus instalaciones y todavía desconcertado se pregunta porque?. Una vez en un lugar, descubrimos cual fue la causa, Ellos no revisaron sus instalaciones el daño impactó la solución. Otro problema común es ínterin (tiempo)-entre-falla, el cual es una “bomba de tiempo”

“Todas estas operaciones golpean fuera de línea, porque el equipo electrónico más sensible falla o es destruido”.

Es bien sabido que a una instalación, impactos de rayos repetidos  dentro, y en la vecindad han degradado su equipo porque el sistema de puesta a tierra y la protección contra eventos eléctricos transitorios de los instrumentos fue dañada o nunca se instaló desde un principio en el lugar.

Una  parte del equipo, que cuesta cientos de miles y a veces millones de dólares deja de trabajar  años antes de lo que debería. En otro caso, un usuario final no comprendió que una mala decisión haya afectado el haber usado un electrodo del tipo Chem Rod en un sistema de puesta a tierra, y en otra ocasión un árbol haya caído sobre un sistema de arreglo de disipación (DAS). Estas cosas ocurren todo el tiempo y más allá de buscar la causa del daño, es mejor checar y hacer una revisión buscando una práctica de mantenimiento regular.

Las medidas de prevención, son las mejores y más efectivas. Para evitar problemas como este, en la eliminación de los rayos, los usuarios del sistema de arreglo de disipación (DAS), están buscando “Certificar la instalación” de sus sistemas de PROTECCION, y “Recertificarlos” cada año a fin de validar su eficiencia y tener la GARANTIA de FUNCIONALIDAD de sus Sistemas. Si la CERTIFICACION y RECERTIFICACION ANUAL no es hecha por LEC Inc., no hay GARANTÍA ya que no existe certeza de que la Instalación del Sistema de PROTECCION DAS se haya hecho de acuerdo a las especificaciones de Ingeniería de LEC Inc., y se hayan usado los materiales, dispositivos y equipos originales de la Marca LEC.

Uno de los nuevos y más peligrosos problemas que ocurren con más frecuencia y  aumentan cada día en la Industria del Petróleo y Gas son debidos a las descargas eléctricas atmosféricas (Rayos). Los altos campos electrostáticos producidos por un rayo, y una tormenta de rayos, crea un gran riesgo y vulnerabilidad a través de  sus efectos primarios y secundarios ocasionando arcos eléctricos internos y externos en los tanques de almacenamiento, los que invariablemente  terminan en explosiones!!!. Odio repetirme esto: INSPECCION, INSPECCION, INSPECCION – MANTENIMIENTO, MANTENIMIENTO, MANTENIMIENTO.

Aunque al final de cualquier reflexión relacionada con la SEGURIDAD en la Industria Petrolera y el Gas siempre vamos a concluir que es absolutamente necesaria la PROTECCION contra las descargas eléctricas atmosféricas (rayos), en las fuentes de producción, plataformas, pozos, baterías, áreas y tanques de almacenamiento, líneas de transportación, refinerías, casas de compresoras, casas de bombas, equipo e instrumentos electrónicos más sensibles; todos deben ser protegidos, y esas protecciones necesitan ser  inspeccionadas continuamente mediante programas de mantenimiento a fin de que trabajen con eficiencia.

Firma: Lightning Diva.

La técnica de la protección contra rayos

21. TECNICA DE LA PROTECCION CONTRA RAYOS

Lo más común es que la mayoría de la gente piensa que los incendios de los tanques de almacenamiento de petróleo está relacionada con las descargas eléctricas atmosféricas (rayos). De los 480 incidentes de incendio de tanques reportados en promedio, cerca de la tercera parte ha sido atribuida a los rayos.

Otro estudio, patrocinado por 16 compañías petroleras, encontraron que 52 de 55 incendios en tanques de anillo sellado (rim seal), fueron causados por un rayo, y concluyeron que el rayo es la causa más común de este tipo de incendios.

La figura 1 muestra una vista tomada de un video del incendio de un tanque originada por un rayo dentro del techo flotante de un tanque (FRT) localizado en Caribbean Petroleum, Puerto Rico, 2009. La figura 2 muestra una vista tomada de un video del incendio en un tanque, originada por un rayo en una planta desaladora de agua localizada en Texas, E.U. En ambos casos, un rayo fue la causa del incendio. En ambos casos, además del gran costo por la pérdida del producto y los daños físicos a la Planta, fueron grandes y muchos, con incalculables pérdidas económicas.

El incendio en las instalaciones de Texas fue uno de varios incendios relacionado con los rayos, registrados en este tipo de instalaciones en solo unos pocos años. 

Mecánica del incendio: FRT’s. (Tanques de Techo Flotante)

Los impactos de rayo se caracterizan por corrientes de impacto muy elevadas circulando en periodos de tiempo muy cortos. Por ejemplo, el impacto de un rayo promedio descarga cerca de 30 000 amperes de electricidad a la tierra en unos pocos milisegundos. Esta corriente fluirá através de la superficie de la tierra hasta que es neutralizada entre la celda de la nube de tormenta y la tierra física. La corriente fluirá en todas direcciones, aunque las cantidades de corriente variarán dependiendo de la baja impedancia de los caminos recorridos.

Muy probablemente la mayoría de los rayos se impactará en el tope del anillo superior del tanque o en el poste del medidor de la cúpula flotante  del FRT. Sin embargo, una descarga eléctrica atmosférica, puede poner en peligro un FRT si el impacto termina en el techo, las paredes del tanque o cualquier parte anexa o cercana tal como el poste del medidor de nivel o una estructura aterrizada, o la tierra física cercana al FRT. Si el rayo termina en cualquiera de estas partes, o cerca de un FRT, una parte de la corriente total del rayo circulará através de la interfase del “techo- pared” del tanque. Si el rayo terminara en la pared del tanque, como se ilustra en la figura 3, corrientes zigzagueantes circularán del techo a la pared del tanque.

Si el rayo termina cercano a un FRT, a la tierra física o a una estructura aterrizada como se ilustra en la figura 4, pequeñas corrientes circularan através de la interfase techo-pared del tanque. En cualquier caso, las corrientes relacionadas con el rayo circularán  através de la interfase techo pared del tanque. Si la impedancia entre el techo y la pared del tanque es alta, el arco ocurrirá através del sello de la interfase. 

Figura 1: Incendio originado por un rayo. 
Puerto Rico, 2009.

Figura 2: Incendio originado por un rayo. 

Deanville, Texas, E.U., 2015.

Un impacto de rayo típico tiene numerosos componentes, como se muestra en la figura 5. El componente más rápido, o primer rayo de retorno (componente A en la figura) es extremadamente breve, aún contiene la corriente pico. La longitud del componente más lento (componente C) los últimos son mucho más largos que el componente A más rápido o el componente B de transición y es responsable de incendiar el vapor combustible.

Mecánica del incendio: En tanques no-metálicos.

Los tanques no metálicos y recubiertos se usan con frecuencia para almacenar bioproductos corrosivos, tales como agua salada, de procesos de fracturación hidráulica, debido a que estos bioproductos son altamente corrosivos para el acero. Los tanques no-metálicos y recubiertos están expuestos a la corrosión del acero.

Los tanques no-metálicos y recubiertos también están expuestos a un riesgo significativo de ser impactados por un rayo debido a su naturaleza no conductiva. Los tanques no conductivos han aumentado en grandes cantidades  en Denver-Julesburg, Permian, Marcellus y otras Regiones de explotación de Oil Shale  (aceite esquistoso). 

Un tanque no conductivo puede ser construido de material no conductivo (tal como fibra de vidrio) o un tanque de acero recubierto con epoxy u otro material no conductivo. Ellos son considerados no conductivos debido a que, son diferentes de los tanques de acero, la carga eléctrica no puede disiparse de su contenido a la tierra vía paredes y base del tanque. 

Como un ejemplo que funciona, ha sido usado un tanque de almacenamiento común  en un campo de operación relacionado con el petróleo, tal  como uno ha sido usado para un lugar de agua salada de mar. Si el tanque está parcialmente lleno, el fluido arriba contiene normalmente un vapor de combustible. En un tanque convencional de acero, aterrizado, la conductividad del acero permite igualar la carga entre el contenido del tanque, el tanque y la tierra física. Sin embargo, para un tanque no-conductivo o recubierto, no hay transferencia de carga ni valor de carga igual y por lo tanto podría existir un diferencial en el valor de la carga entre el vapor combustible y podría ocurrir una falla a tierra, como se ilustra en la figura 6. Un impacto de rayo directo o cercano causará la elevación de la diferencia de potencial de tierra, y de todos los objetos aterrizados, de cientos de miles de volts en unos pocos milisegundos. Si la diferencia de potencial entre un objeto aterrizado o la superficie está expuesta al vapor y el vapor alcanza la fuerza de ruptura eléctrica del espacio del vapor se formará un arco eléctrico y sobrevendrá un incendio.

PRACTICAS RECOMENDADAS PARA FRT (TANQUES DE CUPULA FLOTANTE).

Históricamente para los FRT´s  (tanques de cúpula flotante) se usaron (shunts) “derivaciones” para conectar el techo flotante a la concha o pared del tanque. Un “shunt” o derivación es una placa metálica de acero sujeta al techo flotante y deslizándose sobre la pared interna del tanque. Desafortunadamente, los “shunts” no garantizan un contacto permanente ni una baja impedancia entre el techo flotante y la pared interna del tanque por diferentes razones, incluidas las siguientes:

Los componentes  pesados del petróleo crudo, tales como la cera y el alquitrán que pueden acumularse sobre el interior de la pared del tanque, aumentando la  resistencia eléctrica de contacto.

La corrosión (oxido) sobre el interior de la pared del tanque lo que incrementará la resistencia eléctrica de contacto entre los “shunts” y la pared del tanque.

Muchos tanques están pintados en el interior, normalmente con una base epóxica, si el interior del tanque está pintado, la pintura funcionará como un aislante eléctrico entre la pared del tanque y los “shunts”.

En los grandes tanques, por el movimiento del contenido, el techo flotante llega a separase de la pared del tanque incluso varias pulgadas. Si un tanque es (elongado) deformado por alguna razón, los “shunts” quedarán separados de la pared del tanque en la periferia del techo flotante.

La API RP 545 es la Recomendación Práctica para la Protección contra Rayos de Tanques de Almacenamiento de Flamables o Líquidos Combustibles; la NFPA 780 es la Norma para la Instalación de Sistemas de Protección contra Rayos. Ambas Normas recomiendan la instalación de múltiples interconexiones  (bypass) Techo-pared de tanque (roof-to-shell) en los tanques de almacenamiento de techo flotante. 

Durante una descarga eléctrica atmosférica, el Componente C del impacto de rayo será conducido por los conductores del bypass, previniendo así sustancialmente el arco en la interfase del sello (que es el Componente C que causa el incendio). Los conductores del bypass asegurarán que el techo y la pared de la concha estén al mismo potencial durante una tormenta, para así disminuir el riesgo de incendio o los vapores inflamables que puedan presentarse. 

Hay miles de tanques de almacenamiento de techo flotante normalmente en operación, con la mayoría de ellos sin los suficientes conductores bypass, aumentando así su riesgo de sufrir un incendio por descargas eléctricas atmosféricas.

PRACTICAS RECOMENDADAS PARA TANQUES DE PRODUCCION NO METALICOS.

La NFPA 77 es la  Recomendación Práctica en Electricidad Estática. La API RP 2003 es la Recomendación Práctica para la Protección Contra Incendios Producidos por Estática, Rayos, y Corrientes Anómalas. Ambas, NFPA 77, API 2003 recomiendan un conductor interno aterrizando dentro de todos los tanques no-conductivos y recubiertos que sean usados para almacenamiento de un fluido potencialmente combustible. Este conductor interno aterrizado deberá ser conectado a la tierra física para que neutralice efectivamente cualquier diferencial de carga que pueda existir entre el contenido del tanque y la tierra. El conductor interno aterrizado deberá recorrer toda la longitud del tanque en el interior del tanque, y ser sujetado o asegurado de alguna manera en el fondo del tanque. Además, todos los aditamentos metálicos del tanque como son: flanges (bordes), hatches (escotillas), etc., deberán también ser unidos y aterrizados. Irónicamente, NFPA 77 va en un lugar que los tanques no-conductivos no están permitidos para almacenamiento de líquidos Clase I, Clase II, o Clase IIIA.

Conclusiones:

Los tanques de almacenamiento de petróleo del tipo techo flotante, tanques no metálicos, y de producción recubiertos son vulnerables a los efectos de las descargas eléctricas atmosféricas (rayos), por múltiples razones relacionadas con estos. Algunas normas industriales aplicables son recomendables para resolver estas situaciones, y ofrecen prácticas, y exitosas técnicas para bajar el riesgo relacionado con las descargas eléctricas atmosféricas (rayos). 

Algunos fabricantes de equipo de protección contra rayos  han contribuido con el diseño y la fabricación de equipo para prevenir los incendios relacionados con los rayos en estos tipos de tanques.

Este es un artículo escrito por Joseph A. Lanzoni de Lightning Eliminators & Consultants, USA. Y es un resumen de la emisión de Tanques y Terminales de la Primavera del 2016.

Sin embargo, la Recomendación Práctica más efectiva para la PROTECCION, contra descargas eléctricas atmosféricas (rayos), de cualquier instalación o estructura, es: un Sistema de Arreglo de Disipación/ Sistema de Transferencia de Carga, (DAS/TCS) por sus siglas en Inglés que incluye un Sistema de Disipación por Ionización, Un Sistema de Puesta a Tierra, y un Sistema preventor  de Transitorios (TVSS). El Sistema propuesto en este documento técnico es un Sistema de Puesta a Tierra del Tanque de Almacenamiento para descargar la Carga Eléctrica Estática de la Atmosfera, sea con origen de la Tormenta Eléctrica o de una descarga de Rayo, inducida en el producto almacenado, en el Techo Flotante, y en las Paredes (Concha) del Tanque de almacenamiento.