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Electricidad esttica en el traspase de lquidos inflamables. parte 1

Fecha de Publicación: 11/8/2005

Objetivos


La generacin de cargas electrostticas es un fenmeno natural, asociado a la propia estructura atmica de la materia, que se produce como resultado del movimiento relativo entre dos superficies en contacto, generalmente de sustancias diferentes, tanto lquidas como slidas, una de las cuales, o las dos, no es buena conductora de la electricidad. Dos son los procesos fundamentales de formacin de las cargas: el contacto-separacin de sustancias y la friccin.

La electricidad esttica representa un desequilibrio temporal en la reparticin de las cargas en la superficie de dos materiales en contacto por transferencia de electrones, creando un campo elctrico y una diferencia de potencial entre aquellos que puede ser muy elevada.

La magnitud de la carga depende principalmente de la velocidad de separacin y/o friccin de los materiales y de su resistividad elctrica, Otros parmetros tales como el estado de oxidacin de la superficie de frotamiento, la presencia de agua no miscible y partculas como xido de hierro, la naturaleza de los metales de recipientes y tuberas, la influencia de la temperatura, etc. tienen tambin su importancia sobre la generacin de cargas y su polaridad. Cuando cuerpos conductores estn separados por un aislante o incluso por el aire constituyen un condensador al quedar cargados uno con una carga positiva y otro con otra carga igual pero negativa. Al establecer una va conductora se libera tal energa almacenada descargndose y produciendo posiblemente una chispa.Es esta recombinacin brusca mediante chispa de las cargas separadas que constituye el riesgo.

Generalmente tales chispas, denominadas tcnicamente descargas disruptivas, se producen a travs del aire entre un cuerpo cargado elctricamente y un cuerpo prximo no cargado, pero conectado elctricamente a tierra, al encontrarse ambos a una distancia muy corta. A menor distancia tambin menor es la tensin necesaria para que se produzca la chispa.

El parmetro fundamental determinante de la peligrosidad de una chispa es la cantidad de energa liberada en el instante de producirse. Esta energa se manifiesta en forma de radiaciones, (que hacen visible la chispa), de ionizacin y de calor. Esquemticamente es esta ltima la desencadenante de la reaccin de combustin. Cuando tales descargas electrostticas con chispa se producen en una atmsfera inflamable, es relativamente fcil que se inicie el incendio, dado que la energa de activacin que aportan acostumbra ser superior a la que se precisa para la combustin de gases y vapores, que suele ser del orden de 0,25 mJ. El peligro de inflamacin existe cuando la chispa es generada por una diferencia de potencial superior a los 1.000 V. Para que se produzcan incendios o explosiones debern cumplirse conjuntamente las tres siguientes condiciones:

  • La existencia de una mezcla combustible o comburente susceptible de explosin o incendio por encontrarse dentro de su rango de inflamabilidad.
  • La acumulacin de una carga electrosttica lo suficientemente alta para crear una diferencia de potencial generadora de chispa.
  • La produccin de la descarga electrosttica (chispa) iniciadora, de energa suficiente para inflamar una mezcla peligro.
Formacin y acumulacin de la electricidad esttica

La generacin de cargas electrostticas en los trasvases de lquidos inflamables se produce fundamentalmente por la separacin mecnica de stos en contacto directo con la superficie slida a travs de la cual fluyen o sobre la cual se depositan o agitan.
Bsicamente, las cargas se generan:

  • Al fluir el lquido por una canalizacin y a travs de filtros, vlvulas o bombas.
  • Al salir el lquido proyectado a travs de la boca de impulsin.
  • Al caer el lquido en el interior de recipientes para su llenado, con el consiguiente movimiento sobre las paredes, generando turbulencias y salpicaduras.
  • Al removerse el lquido en el recipiente contenedor ya sea en operaciones de transporte o de agitacin y mezcla.
Riesgos

Son tambin situaciones especialmente generadoras de cargas electrostticas:

  • La transferencia simultnea de dos fases, como por ejemplo el bombeo de una mezcla de hidrocarburos/ agua o hidrocarburos/aire.
  • El arrastre o la sedimentacin de slidos en un liquido.
  • La decantacin de dos lquidos no miscibles.
  • El flujo ascendente de burbujas de gas a travs de un lquido.

En esta generacin de cargas son factores determinantes la resistividad del fluido y la velocidad de trasvase, aunque tambin son aspectos importantes la forma y el sistema de llenado de los recipientes.

Cuanto ms baja sea la resistividad de un liquido, menos peligroso deberemos considerarlo. Aunque no existe un limite preciso al respecto, puede afirmarse que cuando la resistividad o resistencia especfica de un lquido sea inferior o igual a 1010 W cm. la probabilidad de que se generen cargas electrostticas peligrosas es baja. Los lquidos inflamables de estructura polar como los alcoholes (etlico, proplico, etc.), cidos y bases, steres, etc. estn dentro de este grupo.

Cuando tal resistividad sea superior a 1010 W cm. pero inferior a 1012 W cm hay que efectuar un control del riesgo, tanto en la adopcin de medidas de prevencin y de proteccin, como de vigilancia de la posible presencia de impurezas o aditivos que pudieran hacer variar ostensiblemente su resistividad.

Por encima de una resistividad de 1012 W cm. es necesario adoptar rigurosas medidas de seguridad dado que se trata de lquidos muy peligrosos ante este riesgo. En este grupo se encuentran lquidos inflamables de estructura no polar ya sean hidrocarburos de cadena lineal larga o ramificada como los derivados aromticos. Por encima de los 1015 W cm. de resistividad la experiencia demuestra que los lquidos dejan de ser peligrosos ya que no existe acumulacin de cargas, al ser su formacin prcticamente despreciable.

Ahora bien, tal parmetro aisladamente no es determinante en la valoracin del riesgo. Han sucedido tambin accidentes en transvases de lquidos en principio no tan peligrosos, como el alcohol etlico (7,4.108 W cm.) y el acetato de etilo (1,0.109 W cm.), manejados en condiciones deficientes.

En general los disolventes alifticos y los hidrocarburos de bajo punto de ebullicin tienen tendencia a almacenar menos cargas que los de punto ms alto. Evidentemente cuanto mayor sea la velocidad de flujo del lquido mayor ser la generacin de cargas y tambin mayor ser sta si el lquido es proyectado por aspersin o pulverizacin que si es vertido a chorro. En cuanto al sistema de llenado de recipientes, un vertido libre por gravedad o por impulsin desde una abertura superior genera muchas ms cargas que si es efectuado mediante bombeo por tubera conectada a la parte inferior o mediante tubera superior que alcance el fondo del recipiente.

La acumulacin de la electricidad esttica es la resultante de dos acciones antagonistas: la formacin y la disipacin natural de las cargas elctricas. Cuando la conductividad de un material es suficientemente elevada para asegurar la disipacin rpida de las cargas formadas, no pueden crearse potenciales peligrosos y, en numerosos casos, las cargas se recombinan tras fracciones de segundo de haber sido formadas.

En cambio, cuando se trata de transvases de lquidos de elevada resistividad, los tiempos de relajacin una vez detenido su movimiento hasta que de forma natural se eliminan las cargas generadas suelen ser de segundos o incluso de minutos. La experiencia demuestra que, aunque las cargas en operaciones de transvase son principalmente generadas al fluir los lquidos por las canalizaciones, el riesgo en ellas es prcticamente inexistente dada la ausencia de fase gaseosa inflamable. En cambio el riesgo surge cuando el lquido llega al interior del recipiente, en el que precisamente se produce la acumulacin de cargas en un espacio confinado peligroso. La reparticin de cargas en el propio lquido no es homognea, creando sobre la superficie libre del mismo cargas elctricas puntuales que son tanto o ms importantes que las que se forman en la interfase lquido/ fase gaseosa inflamable.

Factores causales de muchos de los accidentes investigados, y relativos a la facilidad en la formacin de cargas han sido la presencia de agua en los hidrocarburos o efectuarse el transvase simultneo de dos fases heterogneas, y la mala concepcin del sistema de llenado de los recipientes.

Peligros de las descargas electrostticas en las superficies de los lquidos

Si se transvasa un lquido cargado elctricamente a un recipiente las cargas unitarias se irn acumulando en el interior del mismo, pero al repelerse entre s se localizarn mayoritariamente hacia sus superficies exteriores tanto las que estn en contacto con el recipiente como la superior en contacto con el aire. Esta carga superficial es la que genera ms problemas.

Cabe considerar dos situaciones segn que el recipiente metlico de llenado est en contacto con tierra o aislado de ella.

En el primer caso, y dado que el depsito est al potencial de tierra, externamente el depsito es elctricamente neutro como lo es todo el conjunto del contenedor y el contenido, pero en su interior existirn diferencias de potencial entre el lquido y las propias paredes del recipiente, que se mantendrn hasta que tras el correspondiente tiempo de relajacin las cargas del liquido se hayan ido disipando. Evidentemente ningn tipo de conexin equipotencial o puesta a tierra puede evitar esta carga superficial interna, que puede generar, caso de ser lo suficientemente alta, una descarga disruptiva entre la superficie libre del lquido y la pared interior del recipiente. El control de esta situacin solo podra lograrse garantizando una atmsfera interior ininflamable.

En caso de que el recipiente est muy aislado de tierra, por ejemplo los camiones-cisterna, la carga de la superficie lquida atrae una carga igual de signo contrario hacia el interior del recipiente, dejando una carga igual a la del lquido en la pared exterior de la cisterna suponiendo que sta sea metlica. Es entonces factible que se produzca una descarga electrosttica por chispa, por ejemplo entre la boca del recipiente y la tubera de llenado o cualquier otro elemento metlico conectado elctricamente a tierra, como un medidor de nivel o un muestreador de lquido que se introduzca por dicha boca, generando una situacin de alto riesgo al ser posiblemente en tal zona la atmsfera inflamable.

Cargas electrostticas de personas

Las personas pueden acumular tambin cargas tanto por su movimiento y contacto con el medio exterior como por la influencia de campos elctricos a los que estn expuestos.

El contacto con cuerpos susceptibles de carga puede producir la transmisin de cargas electrostticas a las personas, as como tambin puede hacerlo la proximidad a objetos cargados elctricamente.

La acumulacin de cargas tambin depende en gran medida de las caractersticas fsicas de las personas, en especial del estado de su piel (seca o hmeda) y de su nivel de sudoracin, aunque tambin influye la humedad ambiental. El cuerpo humano es considerado un buen conductor de la electricidad debido principalmente a su alto contenido en agua, aunque su vestimenta puede ser un factor negativo que facilite la acumulacin de cargas, debido en ocasiones a la baja conductividad de aqulla. As, por ejemplo, la ropa de fibras sintticas y el uso de guantes o calzado aislante es contraproducente cuando exista tal riesgo en atmsferas inflamables.

El aislamiento de la persona del suelo por usar suelas de material no conductor (goma, plstico) o estar situada sobre pavimento no conductor es la condicin necesaria para que sta pueda acumular cargas electrostticas considerables.

Es normal para una persona alcanzar un potencial del orden de los 10.000 V, y dado que la capacidad del cuerpo humano actuando como condensador elctrico es del orden de los 200-300 pF, la energla de las cargas electrostticas es de aproximadamente 10 mJ, muy superior a la que se precisa como energfa de activacin de atmsferas inflamables.

E 1/2 CU2

E 1/2 (200.10-12).(104)2 10 mJ

En tal sentido cabe afirmar que la descarga disruptiva entre un operario aislado de tierra y un cuerpo conductor (un elemento cualquiera de la instalacin) es muy peligrosa por la energa que puede aportar. Aunque en ningn caso tal situacin conlleva un riesgo de electrocucin ya que la intensidad de la corriente que se genera es bajsima, y la nica sensacin que producir ser la de una ligera sacudida.

Medidas de prevencin y proteccin frente al riesgo de la electricidad esttica


Como se ha mencionado, la generacin de electricidad esttica en el trasvase de muchos lquidos inflamables es inevitable. Ante ella las medidas a adoptar van encaminadas a controlar todas o alguna de las tres condiciones requeridas ya expuestas, para que se produzca la deflagracin de los vapores.

Distinguiremos entre las medidas preventivas, que tienen por objeto evitar la existencia de atmsferas inflamables y controlar que la generacin de cargas sea lo ms baja posible, de aquellas otras medidas que denominaremos de proteccin que tienen por objeto controlar las descargas disruptivas, a fin de evitar que stas se produzcan o bien en caso de producirse que no sean peligrosas. En este grupo de medidas de proteccin se encuentran las que controlan la acumulacin de cargas, facilitando su eliminacin gradual sin chispas.

Consideraremos medidas de prevencin

  • Control de atmsferas inflamables.
  • Control de velocidad de flujo de Iiquidos y del sistema de llenado de recipientes.
  • Empleo de aditivos antiestticos.
  • Instalacin elctrica y equipos protegidos.

Control de impactos mecnicos y otros focos de ignicin

  • Consideraremos medidas de proteccin
  • Interconexiones equipotenciales y puesta a tierra.
  • Control de los tiempos de relajacin.
  • Ropa de trabajo del personal.
  • Control de la humedad ambiental y procedimientos seguros de trabajo.
  • Control de atmsferas inflamables
Control de atmsferas inflamables

Todo lquido inflamable contenido en un recipiente abierto y por encima de su punto de inflamacin emite una cantidad de vapores capaz de formar con el aire mezclas inflamables. Es por ello necesario tener en cuenta que el riesgo no estar suficientemente controlado si slo abordamos la eliminacin y control de los focos de ignicin, ya que aparte de la electricidad esttica pueden ocurrir otros. Las medidas preventivas que evitan la formacin de mezclas vapor-aire inflamables deben tener siempre un carcter prioritario, dado que ofrecen un ms alto grado de fiabilidad frente al riesgo.

Todo recipiente a vaciar o llenar debe permanecer, ya sea a travs del tubo de aireacin o de otra abertura, en constante comunicacin con un fluido gaseoso, que ser el propio aire, a no ser que se prevea otra sustancia gaseosa, por una simple razn de equilibrio de volmenes. Por esto, evitaremos la formacin de atmsferas inflamables de dos formas: mediante el empleo de un gas inertizante o mediante ventilacin.

El principal agente inertizante es el nitrgeno, no siendo aconsejable el uso del anhdrido carbnico y del vapor de agua, ya que estas sustancias generan a su vez mucha electricidad esttica.

En la actualidad en la industria petroqumica suele aplicarse como agente inertizante gas inflamable de la propia planta y, asegurando con rigurosas medidas de control que la atmsfera no ser peligrosa al superarse notoriamente el lmite superior de inflamabilidad de la mezcla gaseosa.

La cantidad de gas inertizante a aportar est en funcin del tipo de gas empleado como tal y de los vapores inflamables existentes, lo que exige reducir el contenido del oxgeno por debajo del nivel mnimo para cada caso. Para la mayora de lquidos combustibles es en general suficiente reducir la proporcin del oxgeno del aire a un 11%.

A fin de evitar que el consumo del agente inertizante sea excesivamente alto se utiliza un sistema de vaciado con atmsfera en circuito cerrado, incorporando vlvulas de regulacin automatizadas para admitir o expulsar el gas inertizante, a medida que el nivel del liquido en el recipiente disminuya o aumente. En el almacenamiento de lquidos bajo gas protector y en los depsitos de techo flotante, no se precisan adicionales medidas preventivas.

Mediante ventilacin forzada es tambin factible asegurar que la atmsfera interior de un recipiente abierto se site por debajo de su lmite inferior de inflamabilidad (LI.I.). Se trata de lograr mediante el aporte del suficiente caudal de aire exterior aplicado adecuadamente para realizar un barrido uniforme de la atmsfera interior que se contrarreste la cantidad de materia inflamable evaporada, consiguiendo una concentracin ambiental por debajo del 20% del L.I.I. Si bien tal sistema no es de uso generalizado cabe considerar su aplicacin siempre que se haga con el rigor necesario (Consultar referencia bibliogrfica-4).