el gas inerte en buques petroleros
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El gas inerte en buques petroleros
En este artículo se pretende presentar y justificar el uso de uno de los sistemas de seguridad más importante de un buque
petrolero, el gas inerte.
La introducción de los sistemas de gas inerte en los buques
petroleros se remonta a finales de los años 60. En esta década
hubo numerosas e inexplicables explosiones en los tanques, incluso cuando éstos estaban vacíos. Para explicar estos
sucesos la petrolera Shell llegó a la conclusión que estas
explosiones estaban producidas por descargas de electricidad
estática generadas por el impacto de agua a alta presión
contra las paredes metálicas de los tanques. Los tanques
durante la limpieza estaban llenos de aire y contenían
explosivas bolsas de vapor de hidrocarburos.
Para lidiar con esta situación se llegó a la conclusión que
había que reducir al máximo los tres factores de la
combustión: energía de activación, combustible y
comburente.
En la actualidad existe una clara separación entre zonas en un petrolero. La zona peligrosa y la zona segura. La zona
peligrosa es aquella en que existe un riesgo de incendio por estar en contacto con el producto. La zona peligrosa se
considera desde el mamparo de popa de la cámara de bombas hasta el pique de proa del buque. Se considera zona segura
el resto del buque, la superestructura y la cámara de máquinas.
En la zona peligrosa de un buque petrolero hay numerosos sistemas de seguridad como alumbrado antideflagrante,
motores eléctricos correctamente encapsulados, etc. Además de prohibiciones como: hablar por teléfono, soldar, fumar,
utilizar zapatos con partes de metal etc.
Estas medidas sirven para reducir la posibilidad de generar una chispa pero durante el lavado de tanques esta posibilidad
sigue. Se llegó entonces a la conclusión que había que eliminar el comburente. Para conseguirlo se utiliza el llamado gas
inerte.
En los tanques de los buques petroleros se sustituye la atmósfera de aire por una atmósfera inerte, ausente de oxígeno. El
gas inerte además de posibilitar un transporte seguro se utiliza para desplazar los vapores de hidrocarburo en las
situaciones en las que deba accederse a los tanques: inspecciones, revisiones, reparaciones, etc.
Características y procedencia
El gas inerte debe cumplir con una
serie de requisitos para ser viable. En primer lugar no debe contener
oxígeno, o por lo menos, no debe
superar un porcentaje estipulado en los
cuadros de mezclas explosivas. En el
cuadro presentado a continuación se
muestran los límites orientativos de
mezcla explosiva hidrocarburo/O2.
Es seguro por tanto encontrarse por
debajo del 12% pero por seguridad el
tanto por ciento de O2 debe ser de
alrededor del 2%, además este es el
porcentaje de oxígeno en volumen que
tienen los gases de escape de las
calderas.
Imaginemos que partiendo del punto F, con un tanto por ciento en hidrocarburos del 11% y un tanto por ciento en O2 del
2% se introduce aire en los tanques, es decir se pasa del punto F al punto A. En este caso el aire desplazaría el vapor de
hidrocarburo pero se mezclaría con él entrando en el triángulo de inflamabilidad. Para introducir el aire de forma segura
debe hacerse como muestra la figura partiendo del punto F al punto H mediante un desplazamiento con gas inerte. El gas
inerte por tanto desplaza el vapor de hidrocarburo a la atmósfera. En el momento en que el tanto por ciento en
hidrocarburos ha bajado alrededor del 2,5% se introduce el aire y se desplaza el gas inerte llegando al punto A de forma
segura.
Además de no contener oxígeno el gas inerte no debe reaccionar con la carga tampoco debe ser tóxico para evitar
problemas en posibles fugas. Para que el uso del gas inerte sea viable en un petrolero también debe poderse producir en
cantidades significativas a bordo.
El gas inerte generado a bordo procede normalmente de:
Los gases de escape de las calderas
Los gases de escape de turbinas de gas con una reducción de oxígeno mediante postcombustión.
De un generador de gas inerte, quemadores con la cantidad de aire estequiométricamente necesaria para consumir
el oxígeno del aire.
A estos gases de escape se les realiza un lavado con agua de mar para enfriarlos, eliminar el vapor de agua, condensar los
compuestos corrosivos de azufre y arrastrar la carbonilla.
En el artículo presentado a continuación se muestran las partes que constituyen el sistema de gas inerte de un buque
petrolero.
Presiones en el circuito
Se considera que a la salida de la chimenea de la caldera o de generador de gas inerte hay presión atmosférica. En el
circuito de gas inerte los ventiladores, “Blower”, aspiran por tanto hay una presión de vacío, después de los ventiladores
el gas se dirige a los tanques de carga. El vacío supone que en caso de fuga entrará aire en el circuito de gas inerte,
aumentando la concentración en oxígeno.
En el interior de los tanques de carga la presión es ligeramente superior a la atmosférica, 600 mm de columna de agua
por encima, ya que con ligeros incrementos de presión y teniendo en cuenta la gran superficie del tanque, los esfuerzos
en las paredes del mismo pueden aumentar drásticamente.
Si el gas inerte producido es mayor al que se requiere no se puede introducir en el tanque porque haría aumentar la presión
y ello hay un circuito de recirculación.
Recircular el gas inerte puede hacer que una fuga en la zona de baja presión haga aumentar el contenido en oxigeno del
gas. En el caso que aumente el contenido en oxígeno habrá que ventear el gas.
Elementos del circuito
En primer lugar se observa el conducto por el que circulan los
gases “Boiler Up Take”, cabe recordar que el gas inerte no tiene
por qué generarse en la caldera. Puede ser producto de la
combustión de un equipo auxiliar, generador de gas inerte. Estos generadores de gas inerte son equipos utilizados en pequeños
petroleros, mientras que los gases de escape de calderas suelen
utilizarse en los petroleros de crudo. De todas maneras, los
petroleros de crudo también pueden montar generadores de gas
inerte auxiliares para conseguir pequeños caudales de gas. En la
imagen se muestra un generador de gas inerte.
El siguiente elemento que se observa son las válvulas telemandadas que dan paso, o no, a los gases hacia el circuito.
Scrubber
El siguiente elemento que se muestra es el
Scrubber. Mediante el scrubber se limpian los
gases eliminando: óxidos de azufre, partículas
sólidas y vapor de agua. El scrubber es básicamente una lavadora de gas que rocía agua de
mar. Al enfriar con agua debe mantenerse el gas
por encima de su temperatura de rocío. El scrubber
puede incorporar un calentador para prevenir que
el agua se congele si se está navegando en zonas
frías, en cualquier caso, un sistema automático
previene que el agua se caliente demasiado.
El gas circula de abajo a arriba y el agua se gotea
cayendo por gravedad. El contacto con las gotas
de agua hace que el gas se enfríe condensando el
vapor de agua y el ácido sulfúrico y arrastrando la
carbonilla.
El scrubber tiene un pequeño sello antirretorno formado por un baño de agua. Al gas no le supone mucho esfuerzo
burbujear para salir. En el caso que hubiera un retorno de gas la superficie de retorno por la que se daría éste es mucho
mayor que la de entrada por lo que, el gas no podría pasar por el baño.
El gas serpentea por las bandejas para que tenga tiempo de mezclarse e intercambiar calor. El scrubber suele estar dotado
de ventanas de inspección de cristal que tienen una junta que las hace estancas. La junta y el cristal pueden estar agrietados
por lo que se encuentra una zona susceptible de entrada de
aire.
En la parte alta del scrubber está el separador de gotas. Está
compuesto por una serie de rejillas con agujeros no
coincidentes y/o por unas planchas en zigzag de modo las
gotas de agua no pueden ser arrastradas por el gas. Hay más
diseños pero todos se basan en el mismo principio de
funcionamiento
Esta es la variación a la que se somete al gas al pasar por el scrubber.
Ventiladores de gas interte
Son ventiladores centrífugos capaces de mover mucho caudal de gas pero a una presión relativamente pequeña. Como
mínimo deben montarse dos. Cada uno de ellos ha de ser capaz de hacer circular el 125% del gas inerte que se pueda
producir a bordo. La situación de máxima producción de gas inerte se da en la descarga, con las bombas trabajando a
plena potencia.
Cuando el gas abandona el ventilador, se analiza su contenido en oxígeno para ventearlo en caso que la concentración no
sea la adecuada. Para ello se utilizan analizadores de oxígeno a los que se les ha dedicado un artículo distinto.
Una vez conocida la composición del gas que va a ser introducido en los tanques y si las condiciones de presión lo
permiten el gas inerte recorre la segunda parte del sistema. Esta segunda parte tiene como objetivo que el gas inerte acceda a los tanques de forma segura además de, como se verá más adelante, que no retroceda ni aire ni vapor de hidrocarburo.
El primer elemento de seguridad que atraviesa el gas es el sello de cubierta, “deck seal”. En la imagen se muestra la zona
del circuito que va a exponerse así, como el recorrido que realiza el gas.
Sellos de cubierta
Son elementos que evitan que el gas inerte, vapores de hidrocarburos o el líquido vuelvan a la cámara de máquinas. Estos
elementos se encuentran entre los tanques de carga y los ventiladores. El retorno puede ser producido por un paro en los
ventiladores, una caída de planta, una avería, un mal manejo de válvulas, etc. Los sellos de cubierta pueden ser de la
siguiente manera:
Sello húmedo
Está considerado el sello más fiable y con el que están
equipados la mayoría de buques. Estos sellos al igual que el
scrubber cuentan con un separador de gotas.Consiste en un
tubo introducido en un depósito lleno de agua. Este depósito
comunica con la salida del gas inerte hacia los tanques. El
tubo por el que entra el gas inerte está comunicado con el depósito y por tanto tiene el mismo nivel. El gas, al igual
que en el sello del scrubber, entra en el agua y al hacerlo por
una superficie pequeña es capaz de avanzar debido a su
presión. El gas inerte sale fuera del baño de agua y continúa
su camino hacia los tanques.
Este dispositivo cuenta con una bomba de alimentación ya que el gas cuando entra empieza a evaporar el agua, la bomba
se encarga de mantener el nivel constante. Este sello tiene pérdidas de carga importantes.
El sello cuenta además con un escudo antisalpicadura ya que el chorro de entrada de alimentación de agua puede con el
paso del tiempo erosionar la tubería por la que entra el gas.
Sello semiseco
Está constituido por un tubo en forma de U en el cual hay
agua. En la parte baja de la U hay un depósito dotado de
eyectores.
Su principal ventaja ante el sello húmedo es que opera
seco cuando el flujo del gas es en la dirección
deseada. Cuando se necesita de la acción de un bloqueo
debido a un retorno el sello se inunda por efecto venturi.
Mientras el venturi no actúa el depósito se equilibra por
vasos comunicantes con la U. Al gas le es difícil
atravesarlo. A medida que aumenta la velocidad del gas
el venturi aspira subiendo el nivel del tanque y por tanto
bajando en nivel de la U. En caso de retroceso el venturi deja de aspirar y la tubería en forma de U se inunda impidiendo
el retorno de gas o vapor de hidrocarburo.
Sello seco
El sello seco opera normalmente seco y solo se inunda en
caso de detección de un retroceso. Presenta un problema.
El sistema está constituido por más partes y por tanto es
más lento en cuanto a reacción que el sello húmedo. Su
funcionamiento es el siguiente:
El tanque inferior está seco en condiciones de operación
normales. En el momento que se detecta un flujo inverso
se abre la válvula que comunica el tanque superior con el
tanque inferior. Por gravedad el agua cae inundando el
tanque inferior e impidiendo el avance del gas.
Cuando se soluciona el problema que ha provocado la
actuación del sello, el tanque inferior se purga y se llena
de nuevo el tanque superior.
El flujo inverso se detecta por diferencia de presiones o por variación de caudal mediante sensores.
A continuación se muestran los elementos que conforman el final del sistema de gas inerte tras circular éste a través de
los sellos de cubierta.
Rompedor de presión/vacío
Es un dispositivo de seguridad encargado de evitar
sobrepresiones o vacíos por situaciones de
emergencia o mal funcionamiento.
Rompedor de presión vacío
Es un recipiente de acero que se sitúa junto a la
entrada del gas inerte en los tanques de carga.
Si se manipulan mal las válvulas o el tanque se llena
o vacía muy rápido se crea una diferencia de
presión, el gas inerte puede aumentar o reducir la
presión en los tanques y crear fuertes tensiones.
En caso de sobrepresión el sistema está calculado para que el gas no sea capaz de vencer la columna de agua (figura 2).
En caso que la presión supere el valor de cálculo el gas empujará la columna de agua y esta rebosará del tanque, (figura
3). En caso de vacío el gas retrocederá por
tanto el agua tenderá a subir y se empezará a
llenar el tanque de aire, (figura 4).
También hay un medidor de oxígeno a la
entrada del tanque si el tanto por ciento
sube se ventea a la atmósfera sino se
recircula y se vuelve a pasar por el scrubber.
Si se produce más gas inerte del necesario se
recircula o se ventea para no incrementar
demasiado la presión en los tanques. En los
tanques debe por tanto mantenerse una
presión ligeramente superior a la
atmosférica, 600mm de columna de agua.
Funcionamiento del sistema rompedor de
presión vacío
Mástil de venteo
El mástil de venteo es la conexión del tanque con la atmósfera. Puede haber un mástil por tanque o una válvula por tanque
que comunique éstos con el mástil de venteo.Si el tanque está vacío y se quiere hacer alguna operación de inertizado o si
el tanque está lleno de gas inerte y se quiere llenar de aire.
El mástil debe estar a un mínimo de altura sobre la cubierta así como a una distancia razonable del los espacios habitados
del buque.
La reglamentación exige que el gas salga al doble de velocidad de la de posible propagación de una llama, alrededor de
30 m/s. Esto es debido a que en ciertas operaciones se ventea gas mezclado con vapores de hidrocarburo. Para que se
cumpla la normativa las válvulas que comunican el tanque con el mástil son válvulas de alta velocidad.
Válvulas de alta velocidad
Las válvulas aumentan la velocidad del gas merced una reducción de
sección. El gas que sale del tanque está impulsado a la presión de carga
del producto.Estas válvulas cuentan con un sistema similar al del
rompedor de presión vacío por cuestiones de seguridad. En caso de
sobrepresión en el interior de la válvula se aloja un disco que asciende
evacuando al gas. En situaciones de presión normal el paso que se da al
venteo del gas es un estrechamiento.
En caso de vacío la válvula cuenta con un disco secundario similar al
que se aloja en el cuerpo principal de la válvula que abre y permite la
entrada de aire a los tanques. Estos equipos están dotados de unas rejillas
que por cuestiones de capilaridad impiden el paso de llamas.
Válvulas de presión vacío
Artículo escrito por: Francisco Soler Preciado
Bibilografía:
“Specialized training for oil tankers Ch 9”
http://www.atmosferis.com
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