lunes, 2 de mayo de 2016

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.