INTEGRIDAD HOLSTICA ANTE DESCARGAS ELCTRICAS

ATMOSFRICAS DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE

SUSTANCIAS COMBUSTIBLES PRIMERA PARTE

Acosta Snchez, Carlos Arturo1

RESUMEN

Las conexiones a tierra, las conexiones equipotenciales relacionadas con tierras y los

apantallamientos ante descargas elctricas atmosfricas de tanques o vasijas que contienen

lquidos o gases potencialmente inflamables, deben ser consideradas como un todo u

holsticamente, en los aspectos del proteccin ante descargas elctricas atmosfricas (rayos)

para la prevencin de incendios, tienen directrices y soporte en normas nacionales NTC [1],

[2] y [3], internacionales IEC [4], [5] y [6] y en las nuevas API [7] y [8], lo cual revalida lo

estipulado por las normas NFPA 780 [9], IEEE 142 [10], API 650 [11], API 653 [12] y la API

RP 2003 [13].

Palabras claves: Rayos Tanques Incendios.

ABSTRACT

The ground connections, equipotential connections related to ground and lightning shields

tanks or vessels containing potentially flammable liquids or gases should be considered as a

whole, or holistically, in the aspects of protection against lightning for fire prevention, have

guidelines and national standards NTC support [1], [2] and [3], IEC international [4], [5] and

[6] and the new API [7] and [8], which validates prescribed by NFPA 780 [9], IEEE 142 [10],

API 650 [11], API 653 [12] and API RP 2003 [13].

Key words: Lightning Tanks Fire.

INTEGRIDAD HOLSTICA ANTE DESCARGAS ELCTRICAS

ATMOSFRICAS DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE

SUSTANCIAS COMBUSTIBLES PRIMERA PARTE

1. INTRODUCCION

Las protecciones ante descargas elctricas atmosfricas o rayos para evitar fuego en tanques de

almacenamiento de combustibles, deben corresponder a las protecciones necesarias segn la

clasificacin de reas bsica del tanque. La proteccin holstica de un tanque debe ser

integrada segn su clasificacin de reas.

A partir de la incidencia de rayos a la corona o centro de tanques, se muestra la tendencia de

los potenciales elctricos y magnticos, presentando razones bsicas para el apropiado

conexionado equipotencial, a tierra (suelo) y apantallamiento.

Se resalta en detalle que la API RP 545 edicin 1 de octubre 2009, [7], con soporte en la

API/EI 545-A edicin 1 de octubre de 2009, [8], ha revalidado lo estipulado por las normas

[9], [10], [11], [12] y la [13], en los aspectos del proteccin ante descargas elctricas

atmosfricas para la prevencin de incendios en tanques de almacenamiento con contenidos

inflamables o combustibles y tambin establecen los mecanismos apropiados de proteccin

equipotencial (con nfasis en bajantes corona vasija techo y bajantes sumergidas techo vasija); revisin de la conexin o puesta a tierra de tanques; y, la introduccin de la tcnica de

materiales aislantes entre partes de los techos flotantes o estructuras de membranas flotantes y

la vasija, o entre estos techos de los tanques y los tubos gua, tubos de observacin de

producto, etc.

Apuntes comparativos respecto a las normas, se detallan, en las dos partes del presente

documento, sobre la implementacin en Colombia desde 1998 de bajantes corona techo, realizacin de mediciones de equipotencialidad elctrica (prueba de integridad o medida de

resistencias de continuidad) en diferentes tanques para determinar el grado de conexin

elctrica de las diferentes partes del tanque respecto a la vasija y electrodo de conexionado a

tierra, y desde el 2003 se han propuesto y construido apantallamientos con cables de guarda

para grandes tanques de techo flotante.

Rayos en este documento se refiere igualmente a Descargas Elctricas Atmosfricas.

2. CLASIFICACION DE AREAS

Como un ejemplo de clasificacin de reas de vasijas, para el caso de un tanque atmosfrico

de techo flotante, el volumen entre el techo flotante y la corona de la vasija corresponden a

una clasificacin Clase I Divisin 1 Grupo D (segn la [14] y [15] en su capitulo 500) y

(considerando un espesor igual a la altura vertical de 3 metros desde la superficie indicada

hacia el espacio areo o una capa de vapores de crudo o de producto de 3 metros) el volumen

sobre la corona del tanque, el exterior de la pared vertical de la vasija, la superficie del piso del

dique y el dique del tanque corresponden a una clasificacin Clase I Divisin 2 Grupo D.

Las estructuras Clase I Divisin 1 Grupo D2 y Clase I Divisin 2 Grupo D (segn la [14] y

[15] en su captulo 500), en forma similar, segn la norma internacional IEC [16], se clasifican

en Zona 0.

3. RIEGOS

En Colombia el RETIE, [17], estipula en las acciones de proteccin ante rayos para las

industrias, que se debe realizar una valoracin de riesgos segn una norma de reconocimiento

internacional o NTC. El clculo de riesgos se debe realizar segn la norma nacional NTC [2]

que sigue la directriz de la norma internacional IEC [5], en la cual ha sido adaptado el

parmetro de corriente de la incidencia de los rayos a las condiciones tropicales.

4. PROTECCIONES SEGN NORMAS

4.1. APANTALLAMIENTO COMO PROTECCION

La norma NTC 4552-3, [3], en su numeral D.1 del Anexo D, expresa Donde la proteccin

contra rayos es requerida por las autoridades competentes, o como resultado de una evaluacin

del riesgo hecha de acuerdo con la NTC 4552-2, [2], se debe adoptar por lo menos un SIPRA

Nivel II. . Estas dos normas son equivalentes a las IEC 62305-3 [3] y 62305-2 [2], respectivamente, las cuales se han adaptado a los parmetros incidentes de los rayos para

zonas tropicales.

En la Nota de este mismo numeral, [3], se especifica Por ejemplo el uso de SIPRA Nivel I se permite en todos los casos, especialmente en aquellos donde el ambiente o los contenidos

dentro de la estructura son excepcionalmente sensibles a los efectos de los rayos. .

En la NOTA del numeral D.3 de la norma NTC 4552-3, [3], se establece Chispas o impactos

perjudiciales en el punto de impacto pueden ocurrir. Esto debera tomarse en consideracin en

la ubicacin del sistema de captacin. Las bajantes deben ser instaladas de tal forma que la

temperatura de auto-ignicin no sea superada, en las zonas donde no sea posible instalar las

bajantes por fuera de la zona peligrosa..

4.2. TANQUES DE TECHO FLOTANTE CON SISTEMA DE CAMARA RADAR,

MEDICION MANUAL Y ALUMBRADO

Las cmaras radar, por lo general, no tienen una cubierta de espesor mayor a 5 mm acero,

segn [9] (o de 7 mm aluminio), y su ubicacin es de altura vertical mayor a la corona de la

vasija, por lo cual la cmara radar no es una estructura tipo pararrayos natural.

El espacio cercano inmediato a la tapa del sistema de ingreso de la cinta para medicin manual

del nivel del producto, se clasifica como Zona 0 segn la norma internacional y segn las

normas norteamericanas en Clase I Divisin 1 Grupo D2. Esto quiere decir, que

independientemente de la vasija del tanque, hasta el nivel de su corona, si se consideran slo

los elementos existentes sobre la plataforma de la cmara radar, se deben apantallar ante rayos

directos los elementos existentes sobre la plataforma de la cmara radar.

Una luminaria, si se encuentra sobre la plataforma de la cmara radar, probablemente tiene

una carcasa de espesor menor a 5 mm acero (o de 7 mm aluminio), segn el requerimiento de

norma [9] y su ubicacin es de altura vertical mayor a la cmara radar y la corona de la vasija,

por lo cual la luminaria en caso de existir se debe apantallar, ya que no es una estructura tipo

pararrayos natural.

El apantallamiento de tanques de techo flotante, se debe disear sin mezcla de normas y con

sistemas captadores de rayos avalados por normas internacionales, [4], [5] y [6].

Ejemplo de un sistema de apantallamiento de un tanque:

FIGURA NRO. 1. Apantallamiento por medio de cables de guarda sobre torrecillas. Fuente:

Mariano, [18].

Las distribuciones geomtricas, trazadas en diseos por medio del mtodo de la esfera rodante,

para el apantallamiento de tanques ante rayos directos, se deben validar segn el modelo

electrogeomtrico generalizado considerando las capacidades ante explosin de las sustancias

de almacenamiento, las capacidades ante perforacin de los materiales de las estructuras a

partir de los cuales se presenta el proceso de enlace final o attachment de la descarga

elctrica atmosfrica y de las capacidades ante sobre energas de los sistemas de

instrumentacin, potencia elctrica, contraincendios, etc.

4.3. TANQUES GEODESICOS O A PRESION ATMOSFERICA:

Tanques de techo fijo metlicos o no metlicos y a presin atmosfrica, pero con presencia de

gases o vapores de crudo sobre su parte superior (ya que tienen aberturas en sus cubiertas,

existen vlvulas de escape Thief Hatch), se deben apantallar.

Por existir aberturas en su cubierta, tienen vapores, por lo cual pierden la caracterstica de ser

continuos para considerarlos como sistemas naturales captadores de rayos.

Cuando las cubiertas no cumplen los requerimientos de espesores mayores en acero de 5 mm y

en aluminio de 7 mm, se deben apantallar los tanques ante rayos directos.

4.4. TANQUES DE GLP O A PRESION:

Tanques de GLP (Gas Licuado a Presin o de Petrleo) y a presin superior a la atmosfrica,

pero con presencia de gases o vapores de crudo sobre su parte superior (si tienen aberturas en

sus cubiertas, existen vlvulas u otros sistemas), se deben apantallar.

En su cubierta, debido al cierre por medio de empaques de compuertas, existe la probabilidad

de presencia de vapores, por lo cual no son sistemas naturales captadores de rayos.

5. POTENCIALES ELECTRICOS EN TANQUES ANTE DESCARGAS ELECTRICAS ATMOSFERICAS INDIRECTAS Y DIRECTAS

Los grandes potenciales elctricos y gradientes de campos elctrico y magntico de tanques

ante descargas elctricas atmosfricas indirectas y directas, se deben considerar y analizar.

Cuando se presentan elevados gradientes de campos elctrico y magntico, a causa de las

descargas elctricas atmosfricas indirectas, es probable que se generen explosiones, fuego u

otros fenmenos nocivos en los tanques de almacenamiento de productos combustibles.

Los rayos directos a los tanques causan fuego e incendios, a causa del encendido por la chispa

directa a vapores, erosin total o perforacin por efectos del impacto directo a partes corrodas

o muy delgadas, rebase de capacidades dielctricas, rebase de capacidades de crudo ante

chispa, etc.

Cuando un rayo terico, por ejemplo, para un nivel de proteccin III segn la norma

internacional IEC, incide a la corona de la vasija o al centro del techo al tanque (tanque de

techo fijo y soldado a la vasija o de techo flotante), si se determinan los potenciales elctricos,

en la pared y techo del tanque, [19], se pueden analizar los requerimientos o no de la

necesidad de conectar a tierra o no la vasija, y se debe concluir que si existe conexin

dedicada a tierra del tanque, los potenciales son menores en una proporcin de 0,6618 (135

KV / 204 KV) en comparacin a si no existiera la conexin a tierra. Si un rayo incide a la

corona de la vasija, el potencial elctrico del tanque es mayor a que si el rayo incide al centro

del techo. Para el mismo tipo de rayo incidiendo al centro del techo, las distribuciones de

campo elctrico y magntico tienen valores cercanos a 200 kv/m y 26 kA/m, respectivamente,

segn la referencia [20], para un tanque de dimetro de 50 m y radio de 15 m, conectado a

tierra con resistividad elctrica de 100 -m, permitividad relativa r = 1. Lo cual indica fuertes

campos elctricos y magnticos en el interior y por fuera de los tanques, y diferencias de

potencial entre las partes conductivas del tanque y otros sistemas conductivos (con o sin

aislamiento intencional tal como sub partes del tanque y los circuitos de potencia elctrica o

instrumentacin). Las tcnicas utilizadas de clculo pueden ser las denominadas multi campos

[19] y [20], de ondas viajeras tipo impulso por medio de parmetros concentrados para cada

elemento del modelo de circuito a considerar, o mezcla de las dos tcnicas anteriores [21].

Como los rayos indirectos a los tanques causan explosiones, con probabilidad de existir fuego

e incendio, a causa de los gradientes de campos elctrico y magntico, la instalacin area de

conductores elctricos, como sistema de apantallamiento ante descargas elctricas

atmosfricas directas, alrededor de los tanques reducen los gradientes de campos elctrico y

magntico inducidos o acoplados al tanque, segn la teora bsica de campos

electromagnticos inducidos.

Como los rayos directos a los tanques causan fuego e incendios, a causa del encendido por la

chispa directa a vapores (como por ejemplo, recordemos que los tanques de almacenamiento

de crudo tienen un volumen sobre toda la superficie del tanque y del dique de 3 metros de

espesor clasificado como Clase I Divisin 2 Grupo D y para cualquier posicin del techo

flotante un volumen entre el techo y la corona del tanque clasificado como Clase I Divisin 1

Grupo D), o a erosin total o perforacin por efectos del impacto directo a partes corrodas o

muy delgadas (espesor en acero menor a 5 mm o en aluminio menor a 7 mm), o por rebase de

capacidades dielctricas, o rebase de capacidades de crudo ante chispa, etc., se deben

apantallar instalando sistemas de apantallamiento efectivo o que cumplan el nivel I segn la

norma internacional, preferiblemente con cables de guarda, ya que as no existir la fuente de

chispa directa a los combustibles y el sistema areo de cables y soportes verticales bajantes reducir los gradientes de campos elctrico y magntico inducidos en el tanque.

FIGURA NRO. 2. Potencial elctrico calculado en la vasija por rayo directo a la corona del

tanque. Fuente: Sowa, [19].

FIGURA NRO. 3. Potencial elctrico calculado en la vasija por rayo directo al centro del

techo del tanque. Fuente: Sowa, [19].

FIGURA NRO. 4. Magnitud del campo magntico calculado en la vasija por rayo directo al

centro del techo del tanque. Fuente: Sowa, [20].

FIGURA NRO. 5. Potencial elctrico calculado en el interior del tanque con 50 % lleno de

producto por rayo directo al centro del techo del tanque. Fuente: Buccella, [21].

6. CONCEPTOS NO VIGENTES DE LAS NORMA API 2003 Y OTRAS

Los conceptos que se esgriman sobre los aspectos de la proteccin de tanques ante descargas

elctricas atmosfricas segn la norma API 2003 edicin 2008, [13], no son vigentes a octubre

de 2009, ya que fue reemplazada por la API RP 545 edicin 1 de octubre 2009, [7], con

soporte en la API/EI 545-A edicin 1 de octubre de 2009, [8], lo cual revalida lo estipulado

por las normas [9], [10], [11], [12] y la [13], en los aspectos del proteccin ante descargas

elctricas atmosfricas para la prevencin de incendios en tanques de almacenamiento con

contenidos inflamables o combustibles y tambin estas 2 nuevas normas establecen los

mecanismos apropiados (con nfasis en bajantes corona vasija techo y bajantes sumergidas techo vasija); revisin de la interaccin rayo tanque; revisin de la conexin o puesta a tierra de tanques; ensayos de laboratorio a paredes, lminas shunt y bajantes; anlisis de visitas

a 2 plantas con tanques tpicos; resultados de ensayos para determinar los requerimientos de

las bajantes corona vasija techo; resultados de ensayos para determinar la proteccin mixta de bajantes corona vasija con conductores sumergidos tipo shunt pared vasija techo o techo base de la vasija o tubos gua base de la vasija; y, la introduccin de la tcnica de materiales aislantes entre partes de los techos flotantes o estructuras de membranas flotantes y

la vasija, o entre estos techos de los tanques y los tubos gua, tubos de observacin de

producto, etc.

Para el drenaje de esttica, proteccin ante rayos, proteccin ante fallas a tierra y con otros

propsitos de proteccin de tanques, como por ejemplo en las partes de deteccin de fuego,

instrumentacin, de personas, etc., las recomendaciones en general de realizar conexiones

equipotenciales en diferentes partes de los tanques y hacia los electrodos de conexin o de

puesta a tierra entre el tanque y el suelo, siguen vigentes segn las normas internacionales IEC

[4], [5] y [6], pero con la apropiada actualizacin de lo estipulado al respecto por los nuevos

documentos API. Las normas actuales reciben un reforzamiento actualizado con las

protecciones recomendadas por los nuevos documentos, que en Colombia desde finales de los

aos noventa a la fecha, ya se han implementado en diferentes fases, materiales y sistemas

tecnolgicos, con las excepciones de los shunt sumergidos y sistemas de aislamiento elctrico

integrales. Entre otras recomendaciones documentadas, se han realizado: las bajantes,

conexiones a potencial elctrico igual de los sistemas de deteccin de fuego, platinas metlicas

(barrajes) de referencia a tierra nica en las plataformas de las cmaras radar, conductor de

conexin elctrica techo vasija siguiendo la ruta del tubo de drenaje de aguas lluvias (recomendacin verbal en 2 Estaciones), equipotencializacin de elementos estructurales de

tanques geodsicos o de techo fijo y membrana flotante.

Es perentorio actualizar las normas internacionales IEC [4], [5] y [6], y las correspondientes

normas NTC en Colombia, bajo la discriminacin en los sistemas de proteccin para evitar

incendios en tanques ante ondas tipo impulso en las diferentes componentes de la onda, como

son su frente rpido, parte intermedia y cola lenta.

Se deben considerar en los propsitos funcionales de los sistemas de apantallamientos ante

rayos de tanques, tambin el cubrimiento de todas las reas clasificadas relacionadas con los

tanques y personas en sus reas de influencia, con propsito diferente a evitar incendios. Los

apantallamientos o sistemas captadores ante descargas elctricas atmosfricas, tienen

propsitos adicionales funcionales diferentes a evitar incendios, como son la proteccin de

otros elementos externos relacionados con los tanques o personas en su rea de influencia, lo

cual implica que los sistemas de apantallamiento o sistemas captadores de rayos, se deben

considerar en los sistemas de proteccin de tanques para su propia integridad y la de sus reas

asociadas.

Se debe considerar tambin que estos nuevos documentos, [7] y [8], no proveen una

proteccin completa para todas las ocurrencias posibles de impactos (strokes) de descargas

elctricas atmosfricas.

Se resalta que a nivel experimental, en la referencia [8] no se manifiesta que se ha realizado un

soporte investigativo asociado a la incidencia de las descargas elctricas atmosfricas directas

o indirectas a los sistemas de apantallamiento de algn tipo de tanque. Lo estandarizado en la

norma de la referencia [7], con soporte experimental en la referencia [8], tiene competencia

real o efectiva slo en los resultados de pruebas de laboratorio del transito de corriente

elctrica a partir de la aplicacin de una tensin elctrica tipo impulso entre las partes discretas

y condiciones citadas con o sin ambientes lquidos inflamables indicados en la referencia [8].

Los tanques se han simulado con elementos separados de laboratorio y no integrados a un

cuerpo igual a un modelo a escala de un tanque real (como por ejemplo, el modelo de un

tanque a escala 80:1 o de tamao similar al usado como modelo fsico de validacin

experimental del modelo de clculo de potenciales elctricos ante rayos de tanques en la

referencia [21]), sin una apropiada investigacin experimental que determine la respuesta o

comportamiento de los diferentes tanques con todas las variantes de sus partes, con o sin

conexin a tierra, con fallas o sin fallas en los mantenimientos que permiten fugas no

permanentes de vapores potencialmente explosivos en todos los lugares posibles de los

tanques, y la existencia o no de grandes curvaturas irregulares (similares al efecto de

abolladuras) de las paredes de las vasijas segn tolerancias constructivas que tambin permiten

fugas no permanentes de vapores potencialmente explosivos, ante la incidencia a distancia

simulada de rayos directos o inducidos. La metodologa experimental seguida por esta

referencia [8], sigue la tendencia de ensayos realizados en partes de aeronaves (ver la citacin

en [7] de la referencia SAE ARP 5412 5, Aircraft Lightning Environment and Related Test

Waveform), considerando las aeronaves como sistemas fsicos aislados de la energa

electromagntica en forma galvnica directa de sistemas con conexin a tierra (suelo o

subsuelo del planeta tierra) intencional o no intencional (las aeronaves viajan en el vaco o en

el aire, sin una conexin galvnica directa al suelo por medio de conductores elctricos de baja

resistividad elctrica, recordemos que el vaco o el aire tienen una conductividad elctrica muy

reducida o resistividad elctrica muy alta, ya que el vaco o el aire no hmedo o no

contaminado son aislantes elctricos) a sistemas entrantes o salientes a los tanques reales de

sistemas de conductores elctricos y de control electrnico intencionalmente conectados a

tierra fuera del rea de los tanques, o tuberas sin juntas de aislamiento de canalizaciones

elctricas, de instrumentacin, agua espuma, bases o fondos conectados a los sistemas de proteccin catdica, asas de las vasijas conectadas a tierra, etc.

7. CONCLUSIONES

Debido a que los rayos directos a los tanques generan fuego e incendios, a causa del encendido

por la chispa directa a vapores (los tanques de almacenamiento de crudo tienen un volumen

sobre toda la superficie del tanque y del dique de 3 metros de espesor clasificado como Clase I

Divisin 2 Grupo D y para cualquier posicin del techo flotante un volumen entre el techo y la

corona del tanque clasificado como Clase I Divisin 1 Grupo D), o a erosin total o

perforacin por efectos del impacto directo a partes corrodas o muy delgadas (espesor en

acero menor a 5 mm o en aluminio menor a 7 mm), o por rebase de capacidades dielctricas, o

rebase de capacidades de crudo ante chispa, etc., se deben apantallar instalando sistemas de

apantallamiento efectivo o que cumplan el nivel I segn la norma internacional,

preferiblemente con cables de guarda, ya que as no existir la fuente de chispa directa a los

combustibles y el sistema areo de cables y soportes verticales bajantes reducir los gradientes de campos elctrico y magntico inducidos en el tanque.

Para los rayos incidentes a la corona de la vasija o al centro del techo al tanque (tanque de

techo fijo y soldado a la vasija o de techo flotante), si se quieren reducir los potenciales

elctricos, en la pared y techo del tanque, es un requerimiento el conectar la vasija a tierra (al

suelo).

Las nuevas tcnicas de equipotencializacin techo vasija, a cambio de las clsicas escobillas, reducen la probabilidad de incendio en los tanques. En Colombia desde finales de

los aos noventa a la fecha, ya se han implementado en diferentes fases, materiales y sistemas

tecnolgicos, con las excepciones de los shunt sumergidos y sistemas de aislamiento elctrico

integrales. Entre otras recomendaciones documentadas, se han realizado: las bajantes por

medio de conductor circular flexible de cobre, conexiones a potencial elctrico igual de los

sistemas de deteccin de fuego, platinas metlicas (barrajes) de referencia a tierra nica en las

plataformas de las cmaras radar, conductor de conexin elctrica techo vasija siguiendo la ruta del tubo de drenaje de aguas lluvias (recomendacin verbal en 2 Estaciones),

equipotencializacin de elementos estructurales de tanques geodsicos o de techo fijo y

membrana flotante.

Es perentorio actualizar las normas internacionales IEC [4], [5] y [6], y las correspondientes

normas NTC en Colombia, bajo la discriminacin en los sistemas de proteccin para evitar

incendios en tanques ante ondas tipo impulso en las diferentes componentes de la onda, como

son su frente rpido, parte intermedia y cola lenta.

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ATMOSFERICAS (RAYOS). PARTE 1: PRINCIPIOS GENERALES, 11/26/2008.

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1 Ingeniero Electricista de la Universidad Industrial de Santander 1987, estudios de Maestra en Potencia Elctrica

Universidad Industrial de Santander 1988 1990, empresa personal ACOSTA SANCHEZ CARLOS ARTURO, empresa dedicada a la consulta e instalacin de Conexiones a Tierra, Apantallamientos, DPS e Impedancias de

Conexin de Neutros a Tierra, Tel. 7-5760342, Av. 4 Nro. 9-62 Barrio San Lus, Ccuta, Colombia, Cel. 312-

5841941, cacostan@gmail.com, www.itanita.com.