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• Arnold Isaac Aguilar Quisberth

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INGENIERIA PETROLERA-U.A.G.R.M SEGURIDAD INDUSTRIAL PETROLERA-PET 227 Ing. Mario Jimenez Veizaga

TEMA III: SISTEMAS Y MEDIOS DE PROTECCIÓN EN PLANTAS INDUSTRIALES 1.0 INTRODUCCIÓN. Sin que quepa establecer el criterio uniforme, se puede citar

primeramente la

existencia de estudios estadísticos que indican la participación importante de las inversiones de seguridad con respecto a la inversión total:  Edificios e instalaciones industriales normales: 2-5%.  Aeronaves, instalaciones químicas y nucleares: 30-40%. Todas las acciones dirigidas a dotar a la industria de sistemas preventivos, al igual que aquellas que tienen como objetivo la actuación ante el siniestro, deben estar encuadradas dentro de unos límites razonables, que combinen la seguridad con la inversión requerida para conseguirla. Si se procede a representar gráficamente la relación existente entre seguridad e inversión, se obtendrá una curva como la de la Figura 11.1.

Como se puede apreciar, esta curva es asintótica a la recta que representa el 100% de seguridad y es una forma de lo que se denomina «le y de los rendimientos decrecientes» (parte superior de una curva «S» de Gompertz).

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El punto óptimo de seguridad P será aquel en el que para una inversión «x» se obtenga un «y%» de seguridad. La fijación de este punto estará condicionada por parámetros tales como datos estadísticos, estudio de la probabilidad del incidente y análisis de la evo-lución del mismo. No es aconsejable intentar aumentar la seguridad por encima deeste punto, ya que supondría una in versión desproporcionada para un pequeño incremento de aquélla, debido al carácter asintótico de la gráfica. Cabe considerar aquí algunas líneas generales relativas a diseños seguros: Sistemas Para Prevención De Accidentes Sistemas que permitan asegurar la seguridad en el diseño: • Distancias entre fuentes de peligro y disposición de las mismas. • Normas reconocidas de diseño, por ejemplo: códigos de construcción de equipos, etc. • Descargas de elementos de protección o venteos a antorcha. • Sistemas para bloqueo y parada de emergencia • Redundancias: en control de procesos, dobles cierres en bombas, etc. • Suministros y elementos de equipo vitales doblados, etc. Dispositivos/equipo de aviso/seguridad: alarmas, disparos, tanques de descarga, etc. Sistemas Para Mitigación De Accidentes Para La Detección Temprana: detectores de gases/humos/radiación, pinturas especiales (pinturas que varían de color por ser sensibles a la temperatura o a diferentes productos químicos, denunciando así fugas muy pequeñas desde su inicio)rondas de vigilancia de operadores, sistemas audiovisuales de supervisión, etc.

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Para Mitigación: • Las Protecciones Pasivas, que por el mero hecho de existir, constituyen un factor de reducción de la magnitud de las consecuencias. Es el caso de cubetos de retención, pavimentación, pendientes, drenajes a cubetos de dilución o neutralización, etc. • Las Protecciones Activas constituyen elementos de seguridad que, en situaciones determinadas, son activados automáticamente o manualmente. Se incluyen aquí las válvulas de seccionamiento, cortinas de agua para abatir vapores y diluirlos, pulverizadores, red contra incendios, etc. 2.0 CONSIDERACIONES PREVIAS AL DISEÑO. Propiedades Físicas Y Químicas. Datos de todos los productos que inter-vienen en el diseño. Velocidades De Reacción Y Cargas Energéticas Sectorizadas. Compatibilidad De Productos. Sirve para establecer las tolerancias de corrosión, y los peligros de derrame o mezcla accidental. Toxicidad. Indica la necesidad de equipos especiales para la protección personal. así como diseño y equipo especialmente estancos. Riesgos De Explosión. Pueden determinar la necesidad de atmósfera inerte. Fiabilidad De Los Servicios. Ayudan a diseñar las necesidades de cale-facción o refrigeración en el caso de fallos del suministro eléctrico. Instrumentos. Consideraciones en cuanto a un diseño libre de fallos para diversas averías en los servicios, así como las redundancias necesarias en detección, alarmas y controles críticos. Materiales De Construcción. Dando tolerancias de corrosión cuando sea el caso. Presión De La Red De Agua. Hay que contar con las posibles necesidades de agua durante la extinción de incendios.

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Temperaturas.

Se

deben

establecer

tolerancias

para

las

condiciones

de

sobrecalentamiento durante los incendios y para los riesgos de personal. Potencial Humano. Se deben considerar las protecciones mediante procesos automatizados que exijan un empleo reducido de mano de obra. Inversión. Los gastos en seguridad deben equilibrar también la pérdida de producción durante los accidentes y explosiones. Relación Con Otras Unidades. La importancia de la continuidad de producción, durante los accidentes y explosiones, cuando los productos de una unidad alimenten otra u otras. Situación De Las Instalaciones. Se deben considerar los riesgos de la proximidad. 3.0 SEGURIDAD EN EL EMPLAZAMIENTO Y DISTRIBUCIÓN DE PLANTA. La idea básica de este capítulo es la siguiente: la distancia es un medio de protección pasiva muy importante. Entendemos por distancia la separación: Entre elementos de equipo. Entre fuentes de peligro y elementos humanos (población, operarios, etc). Entre fuentes de peligro y propiedades ajenas a las que afecta. Se lo hace por dos razones importantes: Preventivamente: a que se den en un mismo punto las condiciones para la iniciación de un accidente (por ejemplo: mezcla inflamable + fuente de ignición). Mitigando la propagación de los efectos de un accidente (ejemplos: la ex-tensión de un incendio, los daños de una onda expansiva de explosión, etc). 3.1

SELECCIÓN DEL EMPLAZAMIENTO.

Un emplazamiento ideal para una factoría química o petroquímica, es aquel que es llano (pero no sujeto a inundaciones);separado de las grandes concentraciones de

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población; libre de problemas de tráfico en su entrada principal; y suficientemente cerca de parques de bomberos, hospitales y fuentes de agua. Cuando se ha determinado inicialmente la localización de plantas o polígonos industriales se suele haber buscado emplazamientos alejados de zonas urbanas habitadas. Con ello se ha pre visto una protección pasiva por distancias. 3.2

DISPOSICIÓN DE LA PLANTA Y SUS ELEMENTOS.

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4.0

EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA RESISTENCIA DE LOS

MATERIALES. La temperatura en los materiales de acero ya sea cualquier aumento de la temperatura influye en su comportamiento estructural y resistente. 4.1

DEFORMACIÓN ELÁSTICA Y DEFORMACIÓN PLÁSTICA PARA

MATERIALES DE ACERO. Deformación Elástica (Reversible) Es aquella en la que el cuerpo recupera su forma original al retirar la fuerza que le provoca la deformación. En este tipo de deformación el sólido varía su estado tensional y aumenta su energía interna en forma de energía potencial elástica. Deformación Plástica (Irreversible) Es aquella en la que el cuerpo no recupera su forma original al retirar la fuerza que le provoca la deformación. En los materiales metálicos, la deformación plástica ocurre mediante la formación y movimiento de dislocaciones. Un mecanismo de deformación secundario es el maclado (formación de maclas).Estos mecanismos de deformación plástica (maclas y dislocaciones)se activan cuando la tensión aplicada superan a la tensión de fluencia del material. Es decir, en un ensayo de tracción, a la tensión de fluencia finaliza la zona de deformación elástica y comienza la zona de deformación plástica (la tensión deja de ser proporcional a la deformación).

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DIAGRAMA DE ESFUERZOS A LA TRACCIÓN PARA MATERIALES DE ACERO.

4.2

FRACTURA FRÁGIL Y FRACTURA DÚCTIL.

La Fractura Dúctil de un metal tiene lugar después de una intensa deformación plástica. Si consideramos una barra cilíndrica y se aplica un esfuerzo a la barra de acero cilíndrica tal que exceda su resistencia máxima a la tensión, y se mantiene suficiente tiempo, la barra se fracturará. En la práctica, las fracturas dúctiles son menos frecuentes que las frágiles, y su principal causa es el exceso de carga aplicado a la

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pieza, que puede ocurrir como resultado de un diseño erróneo, una fabricación inadecuada o un abuso (someter la pieza a niveles de carga por encima del soportado).

La ductilidad del acero aumenta con el incremento del alargamiento. La Fractura Frágil tiene lugar sin una apreciable deformación y debido a una rápida propagación de una grieta. Normalmente ocurre a lo largo de planos cristalográficos específicos denominados planos de fractura que son perpendiculares a la tensión aplicada. La mayoría de las fracturas frágiles son transgranulares o sea que se propagan a través de los granos. Pero si los límites de grano constituyen una zona de debilidad, es posible que la fractura se propague intergranularmente. Las bajas temperaturas y las altas deformaciones favorecen la fractura frágil.

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5.0

PROTECCIÓN FRENTE A SOBRECALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO.

DEFINICIONES DE TEMPERATURAS. La ITC (INSTRUCCIONES TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS) -MIE-AP 6 establece las definiciones siguientes: Temperatura De Diseño (Td): Es el valor de temperatura que se toma para el cálculo del espesor del aparato. Temperatura Máxima De Servicio (Tms): Es el máximo valor de la temperatura que se estima puede producirse en el interior del aparato o sistema, en condiciones extremas de funcionamiento. Temperatura De Servicio (Ts): Es el valor de la temperatura alcanzada en el interior del aparato o sistema en condiciones normales de funcionamiento a la presión de servicio. Temperatura Mínima De Servicio (Tmis): Es el mínimo valor de la temperatura que se estima puede producirse en el interior del aparato o sistema en condiciones extremas de funcionamiento. Temperatura De Transición (Tt): Para un metal determinado es la mínima temperatura a partir de la cual la tenacidad a la entalla del metal decrece de forma sensible, pasando la rotura de dúctil a frágil. Presión Y Temperatura De Diseño: Los aparatos a presión, sus secciones y componentes se proyectarán de acuerdo con la combinación más se vera de presión y temperatura, simultáneamente, tomando las máximas admisibles en las condiciones de servicio o trabajo más severas que se puedan alcanzar.»

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6.0 DEFINICIÓN Y TERMINOLOGÍA DE PRESIONES. ITC hace ciertas definiciones relativas a presiones que son: — Presión De Diseño (Pd). Se entiende como el valor de la presión que se toma para el cálculo del espesor del aparato, a la temperatura de diseño. La presión de diseño no podrá ser menor que la presión máxima de servicio. — Presión Máxima De Servicio (Pms). Se entiende como la presión más alta que se puede dar en el aparato o sistema, en condiciones extremas de funciona-miento del proceso. — Presión De Precinto (Pt). También denominada presión de consigna en otros documentos. Se entiende como la presión a la que están tarados los elementos de seguridad que protegen al aparato o al sistema. — Presión De Servicio (Ps). Se entiende como la presión normal de trabajo del aparato o sistema a la temperatura de servicio. — Presión De Prueba (Pp). Se entiende como aquella presión a la que se somete el aparato o sistema para comprobar su resistencia en las condiciones estáticas para las que fue diseñado. Corresponde a la mayor presión efectiva que se ejerce en el punto más alto del aparato o sistema durante la prueba de presión. Salvo indicación en contra, suele ser 1,5 veces la presión máxima de ser-vicio (Pms). 6.1

DISEÑO DE PRESIONES.

Al definir, en el apartado anterior, las varias presiones que se consideran en el diseño de los dispositivos de alivio. En una primera aproximación podemos mostrar las siguientes relaciones:

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Figura 13.2. Relación entre varios términos empleados en relación con las válvulas para el alivio de presión cuando la presión de consigna sea igual a la presión operativa máxima tolerable. (PNC = POMT). La presión de prueba (PP) es la correspondiente al valor de 150. Por otro lado, y considerando las acumulaciones:  10% de POMT para emergencias en proceso.  20% de POMT para emergencias por exposición al fuego. Pueden preverse dos montajes diferentes:



Una sola válvula para los dos casos y acumulaciones.



Una válvula para las emergencias de proceso y otra para los casos de fuego.

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Figura 13.3. Condiciones de presión para válvulas de seguridad instaladas en recipientes a presión (fa-se vapor): válvula única para casos de proceso y/o de fuego.

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Figura 13.4. Condiciones de presión para válvulas de seguridad instaladas en recipientes a presión (fase vapor): una válvula para alivios de proceso y otra sola para alivio ante fuego.

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6.2

Protección frente al vacío.

Existen casos en los que debe protegerse un recipiente frente al vacío originado por: 

Vaciado del recipiente sin reposición del fluido extraído.



Enfriamiento, con contracción del fluido, de un recipiente cerrado.



Igual que el anterior pero con condensación de vapores.



Vacío de proceso. La protección se hace con elementos de alivio (válvulas, discos de ruptura) semejantes a los utilizados para proteger frente a sobrepresiones. El diseño de los recipientes que puedan encontrarse en situaciones de vacío debe tenerlas en cuenta.. Cabe la posibilidad en casos tales, de aligerar el diseño mediante la previsión de aros rigidizadores para refuerzo interior. Son importantes, a estos efectos.

7.0. PROTECCIÓN FRENTE A SOBRE PRESIONES (ALIVIO Y VENTEO) Y VACÍO. 7.1 ALIVIOS CONTROLADOS PARA ESCAPES EVENTUALES.Sistemas de sobre presión.Está representado por todos aquellos recintos cerrados con deposición de presión positiva y purificación de aire atreves de filtros de alta eficacia. Cuenta con sistemas especiales de entrada que previenen la contaminación del interior de la estructura. Existen tipos de estructuras fijas o móviles, y pueden ser usadas temporalmente como áreas de descanso para las tropas. Sistemas de alivio de presiones por venteo.Es un método de protección basado en la apertura de unos parámetros débiles en las paredes de una planta o equipo al principio del desarrollo de una explosión, de forma que la fuerza principal de la explosión se disipa en el aire y el aumento de presión se limita a un nivel aceptable.

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Antes de entrar en la aplicación de esta medida de protección se deben haber tomado las medidas preventivas generales indicadas en el apartado anterior. Para la aplicación del venteo de alivio es primordial conocer el desarrollo de la presión en función del tiempo, al producirse una combustión explosiva.

Fig. 1 grafico de la presión en función del tiempo de una explosión con y sin venteo. En una explosión que tenga lugar en un recipiente cerrado la presión se desarrolla según la curva A de la figura 1. En ausencia de venteo, la presión puede alcanzar una presión máxima (Pmax) igual o mayor de 10 bar manométricos. Esta presión suele ser superior a la que pueden soportar la mayoría de las instalaciones. Si a una presión relativamente baja se abre un venteo de alivio de pequeña superficie, la presión máxima en el recipiente quedara reducida a un valor inferior llamado presión reducida de explosión (Pred), como se ilustra en la figura B. En esta grafica está trazada una línea discontinua que indica la resistencia del recipiente. Se puede observar que la presión reducida (Pred) con un venteo de pequeña superficie aun supera la resistencia del recipiente y podrá producir deformaciones y danos de cierta consideración. Para evitarlo se debe diseñar un venteo de área mayor que de una presión reducida (Pred) inferior como la representada en la curva C. En el grafico también se indica la presión estática de apertura del venteo (Pstat).

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Cuando se adopte el venteo de alivio se debe conocer la presión máxima de explosión el gradiente máximo de explosión, los cuales se deben determinar con ensayos en recipientes normalizados de 20 litros o 1m3. Venteo o alivio de presión.Una de las medidas más conocidas y utilizadas para proteger equipo e instalaciones frente a deflagraciones, es el venteo o alivio de la presión que se genera durante la misma, con lo cual se limita su crecimiento a valores inferiores a la de diseño del equipo gráfico 1, quedando este protegido.

Fig.2 Variación de la presión con y sin venteo. Prácticamente el venteo o alivio de presión se realiza disponiendo en los equipos membranas ligeras (paneles de ruptura), con una presión de ruptura predeterminada, figura 3 y 4 las cuales son capaces de actuar casi instantáneamente, de forma predecible y sin resistencia frente a la presión.

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Fig.3 Panel de venteo

Fig.4 Panel de venteo

Fabricadas de láminas de acero y teflón como elemento sellante, están ranuradas para disminuir su resistencia y presentar un patrón de ruptura determinado, si bien en su constitución pueden entrar otros materiales, como por ejemplo cerámicos, para protección del teflón en procesos que se realicen a elevadas temperaturas. De forma circular o cuadrada, el área de ventea requerida para proteger de forma efectiva el sistema viene determinada por cálculos pudiéndose disponer de dimensiones estándar o fabricarse a medida, así como para sistemas de vacío, presión de trabajo pulsante, y alta temperatura, todo lo cual configura un amplio abanico de posibilidades de utilización. Otras de las ventajas que presentan los paneles o membranas de ruptura viene determinada por la gran variedad de opciones adicionales que presentan, entre las cuales cabe citar:  Indicadores de ruptura del panel y posibilidad de conexión a otros sistemas de seguridad del proceso.  Conexión a tierra, en prevención de la electricidad estática.  Aislamiento para aquellas instalaciones que están aisladas térmicamente y con ello evitar la pérdida de calor y la condensación.  Aplicaciones higiénicas en alimentación y farmacia. En cuanto a su ubicación física, hay que tener en cuenta que en su funcionamiento no solo se efectúa el alivio de presión, sino que hay salida de quemados, inquemados y llamas, figura 5, lo que puedeser origen de explosiones secundarias razón por la cual la salida debe ser dirigida a una zona segura, la cual pude condicionar su utilización.

Fig.5 Venteo de llama Venteo sin llamas.-

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Dado que muchas ocasiones no se disponen o no es adecuado dirigir el escape a una zona de seguridad, se hizo necesario disponer de elementos que supriman la salida de llama al producirse la ruptura de la membrana, naciendo el denominado filtro de llama. Su fundamento se basa en el hecho conocido de que la propagación de una llama puede eliminarse sise disipa su energía, físicamente realizable haciéndola pasar por un intercambiador especialmente diseñado en el que la temperatura se reduce por debajo de la temperatura de ignición de la materia de que se trate. Este tipo de intercambiadores, esquemáticamente representado en la figura 6, presentan una gran superficie de intercambio y su utilización junto a una membrana de ruptura ha dado lugar al sistema conocido como venteo de deflagraciones sin llama. Materialmente se efectúa disponiendo en serie con una membrana de ruptura, un filtro tal como se puede apreciar en la figura 6. La inclusión del filtro de llamas reduce la capacidad de venteo del panel de ruptura, tal como se puede observar en el grafico 2, en el que se aprecia la variación en el tiempo de la presión resultante de la deflagración, con y sin filtro de llama.

7.1.1. VÁLVULAS DE SEGURIDAD.Son válvulas automáticas que sirven para alivianar presiones las mismas que están accionadas por la presión en el lado de proceso de la misma y se abre cuando la presión supera la presión de consigna. Es utilizada principalmente para gases y vapores. Las más importantes son:

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1. Válvulas compensadas.Los elementos de control de flujo consisten en simples orificios que miden el flujo del fluido. Ellos mantienen un flujo razonable mientras la presión que actúa permanece constante. Si la presión varia el flujo que pasa a través de estas válvulas variaría por estas consecuencias. Consisten en mantener constante la caída de presión a través del orificio de control. 2. Válvulas no compensadas.Existen dos subtipos los mismos que poseen el bonete ventee a la atmosfera o a la descarga de la propia válvula.  Si el bonete ventea a la atmosfera la contrapresión hace disminuir la presión de disparo por debajo de la consigna (riesgo de disparo prematuro).  Si el bonete ventea a la descarga la contrapresión incrementa es decir la presión de disparo por encima de la consigna (riesgo de no disparar cuando se desee). 3. Válvulas operadas mediante piloto.El muelle de estas válvulas proporciona un 75% aprox. De la fuerza de cierre sobre el disco el resto lo da la presión del recipiente protegido a través de la válvula piloto. Si se excede la presión de consigna se dispara la válvula piloto que deja escapar la presión de complementaria la cual la mantenía en posición de cierre. Esta válvula es muy costosa y se emplea cuando:  Se requiere mayor estanquidad que la obtenida con válvulas de muelle en la operación normal del proceso.  Las presiones de operación y consigna están muy cerca una de otra. 4. Válvulas de alivio.Es automática y sirve para el alivio de presión y se acciona por la presión en el lado del proceso y se abre gradualmente cuando dicha presión supera la presión de consignas utilizada para líquidos en especial. 5. Disco de ruptura.Es una lámina metálica delgada esta sujetada entre bridas que rompe y deja paso. Su presión de consigna se utiliza:  Cuando se requiere una respuesta rápida (ante explosiones).  Esta intercalada antes o después de una válvula de alivio para su protección corrosiva. 6. Válvula presión/vacío.Utilizadas para la protección de tanques atmosféricos o de presión baja