Curso online. Sumario: Explosiones de vapor en expansión de un líquido en ebullición (BLEVE). Conceptos. Proceso de expansión. Reducción de la presión interna. Válvula de alivio de resorte. Ejemplos reales de Bleve. Magnitud de BLEVE. Rotura del contenedor. Roturas por impacto. Casos reales. Intervalos de tiempo en BLEVES causadas por fuego. Protección contra BLEVE. Derrames en depósitos. Derrame por ebullición (Boilover). Derrame superficial (Slopover). Derrame por espumación (Frothover).
Summary: Boiling Liquid Expanding Vapor Explosions (BLEVE). Concepts. expansion process. Internal pressure reduction. Spring relief valve. Real examples of Bleve. BLEVE magnitude. Container rupture. Impact breaks. Real cases. Time intervals in BLEVES caused by fire. Protection against BLEVE. Warehouse spills. Spillage by boiling (Boilover). Superficial spillage (Slopover). Spillage by foaming (Frothover).
BLEVE DE GAS LICUADO
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Los casos en que contenedores de gas licuado fallan y se rompen en pedazos son lo suficientemente comunes como para merecer que se traten en detalle.
Estos fallos se denominan “Explosiones de vapor en expansión de un líquido en ebullición” (BLEVE, “boiling liquid expanding vapor explosion”) constituyendo una explosión por liberación súbita de presión.
Todos los gases licuados se almacenan en contenedores a temperaturas superiores a sus puntos de ebullición y permanecen bajo presión mientras el contenedor está cerrado.
Si se iguala la presión a la atmosférica, por ejemplo, por rotura de recipiente, el calor “almacenado” en el líquido provoca una rápida evaporación de parte del mismo, que será directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre el líquido en el instante de la rotura y su punto normal de ebullición.
En muchos gases licuados inflamables, dicha diferencia, a temperatura ambiente, puede producir la vaporización de 1/3 del líquido.
Como los dispositivos de alivio del exceso de presión están dispuestos para comenzar a descargar a presiones correspondientes a una temperatura del líquido superior a la temperatura atmosférica normal (para impedir la descarga prematura), la temperatura del líquido será mayor que ésta si la rotura del recipiente tiene lugar cuando el dispositivo de alivio está funcionando.
Por lo tanto, en estas condiciones se evapora mayor cantidad de líquido, generalmente más de la mitad del contenido en el recipiente. Es lo que ocurre cuando el recipiente se rompe por la acción del fuego. El líquido que no se evapora se refrigera al disipar calor cuando la presión se reduce a la de la atmósfera y se enfría hasta un punto cercano al de ebullición.
Esta vaporización se acompaña de una gran expansión por el paso del líquido a vapor.
Es este proceso de expansión el que proporciona la energía que agrieta la estructura del recipiente, proyecta los fragmentos y ocasiona la rápida mezcla de vapor con el aire (que da por resultado la característica bola de fuego cuando se produce la ignición al entrar en contacto con el fuego que originó inicialmente la BLEVE), así como la pulverización del resto del líquido frío.
Gran parte de las pequeñas gotas de la pulverización arden al salir proyectadas en el aire; sin embargo, no es raro que el líquido frío salga despedido desde la zona de incendio a demasiada velocidad para que pueda tener lugar su ignición y caiga al suelo todavía en forma líquida.
- En una ocasión se encontraron trozos del pavimento de asfalto disueltos por el gas en estado líquido a distancias de 800 m del lugar donde ocurrió una BLEVE de gas licuado de petróleo. En otros casos, los bomberos que estaban intentando sofocar una BLEVE sintieron frescor al pasar cerca de ellos el líquido frío.
La reducción de la presión interna hasta el nivel de la presión atmosférica en un recipiente es el resultado de un fallo estructural del mismo, que se debe muy frecuentemente al debilitamiento del metal del recipiente por su contacto con el fuego; sin embargo, puede suceder igual si se perfora o se agrieta por alguna otra razón.
- La resistencia del acero al carbono disminuye gradualmente al aumentar la temperatura por encima de los 204ºC.
El efecto de pérdida de resistencia con el aumento de la temperatura es válido para todos los metales comunes y las temperaturas críticas están muy por debajo de las que se alcanzan en caso de incendio.
El funcionamiento totalmente satisfactorio de una válvula de alivio de resorte, dentro de los parámetros de diseño, no puede impedir que suceda una BLEVE. Por su propia naturaleza, este tipo de válvula no puede reducir la presión a la atmosférica, sino solamente hasta un punto algo por debajo de la presión necesaria para comenzar la descarga. Por lo tanto, el líquido siempre permanecerá a una temperatura por encima de su punto de ebullición normal; siempre habrá presión en el interior del recipiente y la estructura de éste estará sometida a esfuerzos de tracción.
Como ya se ha dicho, aunque esta zona puede variar según los diferentes tipos de acero o las características de diseño de las válvulas de alivio, es evidente que si el metal se calienta por encima de este límite, lo que es muy posible en el caso de contacto directo con las llamas, no será capaz de resistir el esfuerzo y el recipiente se romperá.
Es muy difícil calentar el recipiente metálico en forma apreciable en la zona que se encuentra en contacto con el líquido, porque éste disipa el calor del metal actuando como regulador térmico.
- Por ejemplo, cuando la válvula de alivio citada en este ejemplo comienza a descargar, el propano líquido no puede estar por encima de unos 49 a 60ºC. Por consiguiente, la temperatura del metal queda dentro de los límites de seguridad. Esta situación no se produce para el metal situado en la cámara de vapor del recipiente, puesto que el vapor es relativamente mal conductor térmico y tiene poca capacidad de absorción de calor.
En la mayoría de las BLEVE en las que el fallo se debe a sobrecalentamiento del metal, éste se origina en la zona de vapor y se caracteriza por el alargamiento y reducción de espesor y por la aparición de una grieta longitudinal que se alarga hasta alcanzar una magnitud crítica. En este punto, se fragiliza la estructura y se propaga la grieta a la velocidad del sonido. Por último, el contenedor se rompe en pedazos.
Magnitud de una BLEVE
Aunque la mayoría de los fenómenos BLEVE por rotura de contenedor se deben a la exposición al fuego, en algunos casos se han originado por corrosión o por un impacto externo.
Las roturas por impacto son particularmente frecuentes en accidentes de tráfico en los que se ven envueltos vagones de ferrocarril o vehículos de carga. En esos casos, la BLEVE se produce simultáneamente al impacto.
- Sin embargo, en una ocasión, un vagón cisterna que contenía 113,5 m3 de gas licuado del petróleo se debilitó seriamente en un descarrilamiento y la explosión se produjo 40 horas después. El vagón se levantó y cambió de sitio sin incidente alguno. Cuando se produjo la rotura la presión interna aumentaba como consecuencia de la elevación de la temperatura ambiente.
La magnitud de la BLEVE depende fundamentalmente del peso de los trozos en que se rompe el contenedor y la cantidad de líquido que se evapora cuando el contenedor falla. Resulta análogo en muchos aspectos al comportamiento de los cohetes en lo que se refiere a la propulsión de las piezas del contenedor.
La mayoría de las BLEVE de gas licuado ocurren cuando los recipientes se encuentran llenos de líquido entre algo menos de la mitad y tres cuartos de su capacidad. La relación entre la energía liberada y el peso de los trozos del contenedor es de tal magnitud que estos salen despedidos a distancias de hasta 800 m. No son infrecuentes grandes bolas de fuego y se han producido víctimas mortales por quemaduras a grandes distancias en el caso de recipientes de gran tamaño.
- El 19 de noviembre de 1984, cerca de Ciudad de Méjico, se produjo un tremendo desastre debido a múltiples BLEVE´s de gas licuado del petróleo. Según un investigador sueco que cooperó con la NFPA, y contrariamente a los informes publicados inicialmente, el accidente se produjo alrededor de las 5h00´ en la mañana de un lunes, mientras una estación terminal se llenaba de combustible procedente de una refinería situada en otra zona del país, mediante un gaseoducto. Un falto de un componente de la tubería, de 254 mm de diámetro, degeneró en una rotura en la línea de suministro, liberándose una enorme nube de GLP, que se incendió 20 minutos más tarde al alcanzar una llamarada el nivel de suelo.
- La explosión e incendio resultante provocó 500 muertos. La llama procedente de la tubería rota alcanzó uno de los cuatro depósitos esféricos de 1.590 m3 de capacidad, desencadenándose un BLEVE diez minutos después. Procedentes de los cuatro depósitos esféricos y 48 tanques cilíndricos se detectaron 15 BLEVE´s en un sismógrafo. Los dos depósitos esféricos de 2.384 m3 permanecieron en sus cimientos, pero resultaron severamente dañados. Los cuatro depósitos de 10.000 barriles quedaron destrozados. Los 48 tanques cilíndricos resultaron dañados en distinto grado, apareciendo pedazos a 1,1 km.
Intervalos de tiempo en BLEVES causadas por fuegos
El tiempo transcurrido entre el comienzo del contacto con la llama y una BLEVE depende de factores tan variables como las dimensiones y la naturaleza del fuego y las características del recipiente mismo.
Los recipientes no aislados situados en superficie pueden explotar en cuestión de pocos minutos si son pequeños, mientras que si son grandes pueden tardar varias horas, siempre y cuando no se enfríen con chorros de agua.
- En un estudio sobre depósitos y recipientes de almacenamiento de gases licuados de petróleo que oscilaban en capacidad entre 3.800 y 114.000 litros se obtuvo un intervalo de tiempo entre 8 y 30 minutos, ocurriendo el 58 por ciento en quince minutos o menos.
Los datos relativos a recipientes provistos de aislamiento son escasos, puesto que sólo se suelen proteger de esta forma los envases de gases criogénicos y algunos de gases reactivos.
Pero no existe ninguna duda en que el aislamiento proyectado para la protección contra la exposición al fuego puede alargar de manera importante los plazos para que suceda una BLEVE.
- En el caso de un vagón‑cisterna de ferrocarril cargado de un gas licuado de petróleo y protegido con aislamientos, la BLEVE ocurrió después de 20,5 horas de exposición al fuego, lo que es, sin duda, un ejemplo extremo. En los ensayos comparativos realizados con vagones‑cisterna de ferrocarril para transportar gases licuados de petróleo, se produjo la BLEVE en 93 minutos en el caso del vagón protegido y en 25 en el desprovisto de aislamientos.
Protección contra una BLEVE
La protección de recipientes de gases licuados sin aislamientos expuestos al fuego se realiza mediante la proyección de agua, para crear una película acuosa en las partes del recipiente que están en contacto interno con el líquido.
Los métodos empleados varían desde la aplicación de chorros de mangueras hasta la instalación de sistemas de pulverización de agua.
Los datos anteriores sobre magnitud, los intervalos de tiempo de la BLEVE y la protección contra ella son sólo aplicables en el caso de gases inflamables licuados no reactivos.
La energía química adicional de los gases reactivos introduce unos factores químicos que no están presentes en los fenómenos puramente físicos de combustión que tienen lugar en una BLEVE, aunque la apariencia exterior y los efectos generales sean similares.
El peligro puede verse incrementado por la evolución del calor interno de la reacción química (que se suma al calor proveniente del fuego) y por la incapacidad del agua aplicada externamente para enfriar el líquido.
DERRAMES EN DEPOSITO
Existen tres situaciones específicas que merecen mención especial respecto a los fuegos en depósitos abiertos que contienen distintos tipos de aceite:
- Derrame por ebullición
- Derrame superficial
- Derrame por espumación.
1. Derrame por ebullición (Boilover)
Este término sirve para describir un fenómeno que puede producirse espontáneamente durante el incendio de un depósito abierto que contenga ciertos tipos de aceites minerales crudos.
- Así sucede, por ejemplo, cuando el techo del depósito ha sido volado por una explosión, generalmente causada por un rayo. Después de un largo período de combustión tranquila se produce un súbito rebosamiento o eyección de una parte de los crudos residuales que contiene el depósito, cuya causa es la ebullición del agua, que forma una espuma de petróleo y vapor que se expande rápidamente.
Condiciones para que tenga lugar:
La espumación producida es consecuencia de la presencia de las tres condiciones siguientes, que deben existir simultáneamente para que tenga lugar dicho fenómeno:
1. El depósito debe contener agua libre o una emulsión de agua y aceite mineral en el fondo. Esta circunstancia es normal en los depósitos de aceite crudo.
2. El aceite mineral debe contener componentes cuyos puntos de ebullición sean muy dispares, de modo que cuando los más ligeros hayan desaparecido por destilación y combustión, el residuo superficial, a una temperatura de 149ºC o más, sea más denso que el aceite en que sobrenada.
Naturalmente, este residuo se hunde por debajo de la superficie y forma una capa, cuyo espesor aumenta gradualmente, que desciende a una velocidad bastante mayor que la velocidad de regresión de la superficie en combustión. Así se inicia la llamada “onda de calor”, resultando del asentamiento local de una parte del aceite superficial caliente hasta que alcanza el aceite más frío que está debajo. Este fenómeno no debe confundirse con el de conducción de calor de la superficie hacia abajo.
3. El aceite debe contener una cantidad suficiente de productos pesados para que le pueda formar una espuma persistente de aceite y vapor.
- El incendio de un depósito con mayor número de víctimas mortales en toda la historia ocurrió el 19 de diciembre de 1982 en Tacoa (Venezuela). El tanque de almacenaje, situado unos pocos kilómerois al noroeste de Caracas en el pueblecito costero de Tacoa, suministraba combustible a una central de energía que abastecía de electricidad a la ciudad de Caracas (3 millones de habitantes). Cuando se produjo la ignición del tanque murieron dos trabajadores. Después de 6 horas de intenso fuego, se produjo un derrame extremadamente violento. Más de 150 personas resultaron muertas, una cifra superior de heridos, varios desaparecidos y 50 millones de dólares en pérdidas.
2. Derrame superficial (Slopover)
Este derrame puede producirse cuando se aplica un chorro de agua a la superficie caliente de aceite incendiado, siempre y cuando el aceite sea viscoso y su temperatura supere la del punto de ebullición del agua, Puesto que en este fenómeno solamente participa el aceite superficial, el suceso es de importancia relativa.
3. Derrame por espumación (Frothover)
Se produce en recipientes que contienen aceites minerales viscosos a altas temperaturas, pero no inflamados, cuando el agua situada bajo su superficie entra en ebullición.
- Un ejemplo típico puede ser el del asfalto caliente cuando se carga en una cisterna que contiene algo de agua. El primer asfalto se enfría al contacto con el metal frío; al principio no sucede nada, pero cuando el agua se calienta y comienza a hervir, el asfalto rebosa por encima de la cisterna.
Puede producirse una situación similar cuando un depósito que contiene agua en el fondo (o una emulsión acuosa) recibe una carga de aceites minerales residuales de baja calidad a temperaturas inferiores a los 93ºC y más tarde una carga importante de residuos calientes a temperaturas de 149ºC o más.
Cuando ha transcurrido suficiente tiempo para que los residuos calientes alcancen al agua que está en el fondo, puede producirse una ebullición prolongada del agua, que llega a hacer saltar la tapa del depósito y esparcir una espuma aceitosa en una superficie bastante extensa.
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