Numerosas
industrias y procesos operan con gases, líquidos, polvos o fibras que son
inflamables. En determinadas circunstancias, normales (carga de un tanque de combustible,
piletas API de separación de hidrocarburos) o anormales ( rotura de sello de
una bomba, tareas de mantenimiento, defecto en una junta, fisuras en un caño, venteo de válvulas de
seguridad), se produce la liberación de tales sustancias a la atmósfera con el
consiguiente riesgo de explosión. Aunque menos conocidos, tales riesgos se
extienden también a sustancias tan insospechadas como la harina, el polvillo de
cereal en los silos, azúcar, aserrín y fibra de papel. En esas condiciones, se
habla de áreas peligrosas, con riesgo de explosión, o sintéticamente áreas
explosivas.
Desgraciadamente,
el conjunto de cuestiones asociada a las áreas de riesgo explosivo y las que se
desprenden de la necesidad de operar equipos eléctricos y electrónicos en tales
áreas, no son tratadas, en general, con el cuidado que merecen.
Como estas tres circunstancias deben presentarse
simultáneamente, sucede con frecuencia que instalaciones inadecuadas sobreviven
sin incidentes simplemente por una afortunada combinación probabilística. En
otros casos, la duda o la ignorancia llevan a la sobre especificación, con
carísimas instalaciones y/o equipamiento cuando en realidad no son necesarios.
En
las vísperas de la Guerra del Golfo, y como prueba del potencial militar
iraquí, se habló y escribió mucho sobre un tipo de bomba a la que bautizaron
pomposamente “la bomba atómica de los pobres”. Sintéticamente, constan de una
carga detonante base, capaz de pulverizar una importante masa de combustible (
kerosén o gas oil) en un período de tiempo breve, pero suficiente como para que
la niebla en expansión forme una mezcla explosiva con el aire que la circunda.
Inmediatamente después estalla una segunda carga que actúa como detonante de la
mezcla. Visto en cámara lenta, se trata de una onda expansiva que, a medida que
va progresando en su reacción de oxidación violenta y altamente exotérmica, en
la expansión de los gases de combustión comprime a su vez a la mezcla vecina,
de manera que el frente de la explosión avanza de manera exponencial,
encontrando cada vez una mezcla más
comprimida y por ende más reactiva. Así, el efecto final es una detonación de
resultados devastadores, con ondas de presión de enorme poder destructivo. Esta
descripción ajusta perfectamente en la
cinética de una detonación de gases inflamables en un espacio no confinado. En
tales casos, aunque resulte difícil de imaginarlo, el aire que circunda a la
mezcla en condiciones de explotar, funciona como el “soporte” contra el cual
ocurre la creciente compresión de la mezcla.
En
el caso de las explosiones en los ámbitos industriales, numerosos objetos,
paredes, sótanos, canaletas y aún la propia envolvente de un tanque, actúan
como más eficientes paredes de contención, descriptos como espacios semi
confinados o confinados, y los efectos de la explosión son más dañinos. Debe
tenerse en cuenta que el frente de una explosión, el punto de progreso de esa
bola de fuego que va avanzando, progresa a velocidades muy grandes, entre 0,3 á
3 metros por segundo.
Como
sabemos todos por experiencia doméstica cotidiana, no siempre que hay un
triángulo de fuego lo que se obtiene es una explosión. Al encender una hornalla
de la cocina, acercamos un fósforo o una chispa a una masa de metano – aire en
proporciones adecuadas, y solamente tenemos un fuego controlado. La cinética
involucrada puede ser la misma, pero la masa en juego hace la diferencia. Si lo
analizamos en el caso de encender un horno o un calefón, las condiciones de
límite entre uno y otro efecto se verán más claramente.
Otra
conclusión interesante es que la única condición en el triángulo, a la hora de
ver el vértice de la energía, es que
esté presente por encima de un umbral mínimo que variará según la mezcla
explosiva en juego. La magnitud será cuestión de la masa puesta en juego y
otras circunstancias de contorno. Pero la misma chispa sirve para todos los
casos.
Intersticio
Experimental Máximo de Seguridad (IEMS)
Uno
de los métodos para medir y cuantificar la explosividad, se logra mediante un
dispositivo denominado Explosímetro de Westerberg,
que simplificándolo resulta ser una cámara dividida en dos compartimentos,
ambos llenos de la misma mezcla explosiva.
La pared que los separa, tiene una ranura de 25 mm de largo cuyo ancho
es variable a voluntad mediante un micrómetro. La presión y temperatura, en
general se adoptan normalizadas (20 ºC y 1 bar). En una de las cámaras se
genera una chispa, que produce una explosión. En esas condiciones, se va
ensayando desde intersticios muy pequeños subiéndolos de a poco cada vez. En
ranuras muy cerradas, la energía de gases calientes que logran pasar de una
cámara a la otra no alcanza como para hacer que la mezcla allí explote. El
intersticio se va aumentando paulatinamente en ensayos sucesivos, hasta que la
explosión en una cámara se propaga a la otra. La última lectura de ranura que
no dio propagación, se toma como el Intersticio Experimental Máximo de
Seguridad (IEMS) .
Como
para tener idea del ancho de ranura, los ensayos se realizan típicamente entre
0,1 á 0,01 mm. La base de esta técnica experimental es determinar de una manera
reproducible, cuál es el umbral de energía a partir del cual la reacción de
oxidación violenta procede espontáneamente. De este método deriva una escala
para cada sustancia, que curiosamente se mide en unidades de longitud (mm).
Energía
Mínima de Ignición (EMI)
Para cada gas, en su
concentración volumétrica más explosiva, se determina experimentalmente la
energía mínima que han de tener electrodos normalizados para ser capaces que
esa mezcla explote.
En tanto se usen mezclas en una proporción de volúmenes distintas que la más
explosiva, se obtendrán curvas como la que se muestran en la Figura 1.
De
la observación de ambas trazas se desprende que el hidrógeno forma mezclas explosivas
que detonarán con más facilidad (Energía Mínima de Ignición 20 mJ) y en una gama más amplia
de concentraciones gas – aire que el propano (EMI 250 mJ). De la observación de la
curva para el Propano, por encima del 40% en volumen se infiere que la energía
necesaria para que la mezcla explote es muy alta o simplemente, se puede
inferir, no ocurrirá explosión.
Esto
nos sirve para introducir el concepto de Límite Explosivo. Para cada gas
explosivo, en condiciones normalizadas de temperatura y presión, es posible
establecer el umbral por debajo del cual la mezcla es demasiado pobre y no
habrá explosión. Este es el Límite Explosivo Inferior (LEI o LEL en inglés). A partir de ese punto, habrá
una gama de concentraciones gas aire en que todas las mezclas serán explosivas,
hasta llegar a un punto máximo, por encima del cual la concentración
volumétrica es demasiado rica y no habrá explosión. Ese será el Límite
Explosivo Superior (LES o UEL en inglés ).
La
circunstancia física descripta no justifica hacer un tratamiento desaprensivo
de los problemas asociados a, por ejemplo, sustancias poco explosivas. Al igual que ocurre con la energía eléctrica, no
se trata de tenerle miedo, sino de respetarla.
Para
respetar a la problemática de las áreas peligrosas, en primer lugar debemos conocer
los peligros intrínsecos asociados a la naturaleza de las sustancias puestas en
juego (lo que explota), y luego todos los parámetros físicos y temporales del
entorno en que esas sustancias podrían explotar (el área en sí, y el modo de
operación de los distintos dispositivos y equipos que en ella están).
Finalmente,
una y otra vez, cuando atendemos cuestiones de Seguridad, tanto de personas, de
equipos y aún ambiental, terminamos adoptando enfoques que combinan el Peligro
intrínseco de la cosa con la probabilidad de ocurrencia de la circunstancia que
desencadena un incidente asociado a ella. A esa combinación, habitualmente una
multiplicación, es lo que llamamos Riesgo
Temperatura mínima de auto ignición
Resta
todavía una propiedad más de las sustancias. La fuente de energía para iniciar el
proceso de oxidación no necesariamente ha de ser una chispa. El contacto con
una superficie suficientemente caliente alcanza para que en su proximidad se
inicie la explosión. Falta, entonces, definir qué se entiende por suficientemente caliente. Los ensayos
dan lugar a determinar con buena repetibilidad una temperatura mínima por
encima de la cual una mezcla dará lugar a una explosión. Las sustancias fueron
agrupadas según un cierto intervalo de temperaturas de auto ignición (AIT,
Autogenous Ignition Temperature en
inglés), como se indica en la tabla siguiente:
T máxima (ºC)
|
Identificación
|
450
|
T1
|
300
|
T2
|
280
|
T2A
|
260
|
T2B
|
230
|
T2C
|
215
|
T2D
|
200
|
T3
|
180
|
T3A
|
165
|
T3B
|
160
|
T3C
|
135
|
T4
|
120
|
T4A
|
100
|
T5
|
85
|
T6
|
Tabla 1: Identificación de
Temperaturas de auto ignición
De
la observación de estas propiedades de las mezclas explosivas, resulta práctico
agruparlas según la facilidad con que pueden iniciar una explosión, en grupos
que presentan características similares. Así, se pueden establecer parámetros
de diseño operativo para circuitos electrónicos limitando la energía disponible
por debajo de la energía mínima de ignición de las mezclas que pueden estar
presentes en un lugar particular. Eso es justamente lo que hacen las normas de
caracterización de áreas peligrosas.
Clasificación de áreas
Hasta
la actualidad, y pese a los esfuerzos por uniformar los criterios de
clasificación de áreas a nivel
internacional persiste una cierta diversidad. No es sencillo opinar sobre por
qué sucede algo así, pero la verdadera razón seguramente tendrá que ver con
intereses comerciales de países o bloques de países, desarrollo desigual de
experiencias de normalización, trabas burocráticas de organismos para
gubernamentales, y la condición no inequívoca de la experiencia práctica de
cada rama de la industria.
Sin
embargo, recientemente se han producido dos avances dignos de mención: por este
lado del Atlántico, luego de muchos años de discrepancias, la NFPA ha emitido
una clasificación paralela y prácticamente equivalente a la clasificación
europea CENELEC y la internacional IEC, en el artículo 505 del National Electrical Code (NEC), emitido
en 1999. No obstante, para uso doméstico, mantiene la tradicional triada “Clase
– Grupo - División” (Artículos 500 á 503) que desarrollaremos más adelante.
El
esquema llamado “europeo” de Clasificación de Áreas con riesgo explosivo, que
se describe en la segunda parte de este apunte, ha producido una novedad que
habrá de ser obligatoria en su aplicación al 1º de Julio de 2003, la directiva
ATEX.
Como
una primera aproximación, se presenta a continuación una tabla comparativa
País / Entidad
|
Peligro
Permanente
|
Peligro
Intermitente
|
Peligro bajo condiciones anormales
|
EE.UU. NEC Art.
500-503
|
División 1
|
División 1
|
División 2
|
IEC / CENELEC
/Europa / NEC Art. 505
|
Zona 0
(Zona 20 en Polvos)
|
Zona 1
(Zona 21 en Polvos)
|
Zona 2
(Zona 22 en Polvos)
|
Categoría de
Seguridad
Vapores
*
|
G1
|
G2
|
G3
|
Categoría de
Seguridad
Polvos*
|
D1
|
D2
|
D3
|
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