Concepto y efectos de las explosiones

Para la mayoría de las personas una explosión se asocia inmediatamente con una imagen de destrucción. No obstante la mayoría de las explosiones que ocurren diariamente son controladas, como las de los motores de vehículos, la demolición programada de edificios, la extracción de minerales, etc.

Existen otros tipos de explosiones accidentales, que son las no deseadas, las cuales pueden generar grandes pérdidas económicas y también de vidas humanas, como la ocurrida recientemente en la Ciudad de Rosario.

En general se puede definir una explosión como una liberación repentina de energía, que genera una onda de presión que se desplaza alejándose de la fuente mientras va disipando energía. Esta liberación tiene que ser, no obstante, bastante rápida y concentrada para que la onda que se genere sea audible. No es necesario pues, que se produzcan daños para poder considerar este fenómeno como una explosión. La energía liberada puede haber sido almacenada inicialmente bajo una gran variedad de formas: nuclear, química, eléctrica o de presión.

Las explosiones pueden ser de dos tipos: Deflagraciones o detonaciones.

Características que influyen en el escape de una fuga de gas.

a)  La velocidad y dirección de la sustancia inflamable en el punto de la fuga

b)  La facilidad de difusión de la sustancia inflamable en la atmósfera existente

c)  La diferencia de densidades entre la sustancia inflamable y el aire

d)  La existencia de obstáculos próximos al punto de fuga

La dimensión de una nube de gas inflamable está determinada por la tasa de escape y por su dispersión en el aire. Para una fuente de escape dada, la tasa de escape aumenta con la velocidad del aire. La velocidad de escape depende también de la presión y de la geometría de la fuente de escape.

El gas procedente de una fuga a alta velocidad penetrará en el aire en forma de chorro hasta que se autodiluya y la extensión de la atmósfera explosiva será casi independiente de la velocidad del viento. Si la fuga es a baja velocidad o si la velocidad cae por interferencia con algún obstáculo, como ocurriría en una instalación industrial o en un edificio, será arrastrada por el viento y su dilución y extensión dependerá de la velocidad del viento.

Se consideran sustancias inflamables aquellas capaces de formar atmósferas explosivas en las condiciones de operación previsibles. El producto inflamable que tiene más riesgo de generar atmósferas explosivas es, considerando sus características y zonas de utilización, el gas combustible (gas natural).

Por regla general, y según lo establecido en las directrices básicas para el transporte, almacenaje y utilización del gas natural,  los accidentes mayores en las industrias del gas pueden producir tres tipos de fenómenos:

  • De tipo mecánico, como ondas de presión y proyectiles, ambos relacionados con las explosiones;
  • De tipo térmico, como incendios y radiaciones térmicas; y
  • De tipo químico, como fuga o salida descontroladas de gas a la atmósfera o al medio ambiente, acompañado de inflamación (fuego) de la mezcla conformada.

Veamos brevemente las consecuencias para las personas e instalaciones que encierra cada uno de estos fenómenos; es lo que se llama el estudio de la vulnerabilidad de personas e instalaciones.

Vulnerabilidad a las explosiones

En caso de ocurrir una explosión, veamos cómo podrían resultar afectados las personas, las instalaciones y el medio ambiente.

Una explosión se produce cuando se libera una gran cantidad de energía en un espacio de tiempo muy corto.

  • Explosión física; en la cual la energía necesaria para que se produzca, procede de un fenómeno físico. El caso típico es la liberación súbita de la energía presente en un gas comprimido. Es necesario que la sustancia se encuentre en un recipiente hermético. Ejemplo: En un gasoducto, en una instalación fija que transporta gas a alta presión, en un cilindro para almacenaje. Etc.
  • Explosión química, es la energía que procede de una reacción química y no es necesario que esté confinada. Ejemplo: una nube de gas natural, producto de una pérdida, que hace contacto con un punto caliente y se inflama.

Las consecuencias inmediatas de una explosión son, por un lado, la generación de ondas de presión que crean compresiones y expansiones alternativas del aire y, por otro lado, la formación de objetos acelerados que actúan como proyectiles. A veces las explosiones pueden ir acompañadas de fenómenos de tipo térmico según sus características, por ejemplo las explosiones físicas pueden originarse por un incendio.

 Daños producidos por una explosión.

Pueden derivar de dos efectos; por ondas de presión, por proyectiles y por fenómenos térmicos.

a.        Por las ondas de presión.

  • Sobre las instalaciones, según la sobre presión que se origine, puede ocasionar desde la rotura de cristales hasta destrucción de equipos, instalaciones y edificios. Además se producirán fragmentos de diferentes tamaños que resultan violentamente expulsados y actuarán como proyectiles
    • Sobre las personas, las ondas de presión van a afectar principalmente a los órganos que contienen aire en su interior, como los pulmones, el estómago o el oído medio entre otros. Así, el daño puede variar desde una ruptura timpánica hasta la muerte por hemorragia pulmonar. También puede producir el desplazamiento de las personas afectadas, proyectándolas contra otros objetos fijos o móviles, produciéndose de esta manera traumatismos múltiples. La vulnerabilidad de las personas va a ser mucho mayor en el interior de los edificios que en el exterior.

b.       Por los proyectiles.

Éstos se pueden originar directamente en el foco de la explosión o bien al actuar las ondas de presión sobre las instalaciones y edificios. Según el tamaño, peso, forma, velocidad y punto de impacto el daño producido por un proyectil sobre una persona va a ser desde una lesión leve hasta poder producir la muerte instantánea.

Así pues, de las lesiones producidas sobre las personas podemos distinguir:

  1. Lesión primaria (producida directamente por la onda de presión),
  2. Lesión secundaria (producida por los proyectiles generados)  
  3. Lesión terciaria (producida por el desplazamiento de los afectados, golpeándose así contra otros objetos).

 c.     Por la temperatura 

  1. Las radiaciones térmicas van a tener un efecto sobre las instalaciones, debilitando las estructuras de éstas (principalmente por acción directa de la llama) afectando, en consecuencia, la resistencia mecánica de los mismos, pudiendo provocar derrumbamientos, por lo que aumentarían así los daños sobre las personas. El tipo de material también puede favorecer la expansión de las llamas.
  2. En las personas: El principal efecto de los fenómenos de tipo térmico sobre las personas será la producción de quemaduras de distinta consideración según sus características, y en ciertos casos de carácter graves o fatales. 
El hecho de que un accidente localizado pueda provocar otros accidentes en instalaciones contiguas se denomina “efecto dominó”, el cual es muy importante tener en cuenta a la hora de planificar la actuación ante un accidente mayor en una zona industrial o en una zona urbana.

 

Conceptos básicos de las explosiones

Las Explosiones de Nubes de Vapor No Confinadas, traducción de la expresión inglesa Unconfined Vapour Cloud Explosión (UVCE) se puede definir como: Deflagración explosiva de una nube de gas inflamable que se halla en un espacio amplío, cuya onda de presión alcanza una sobrepresión máxima del orden de 1 bar en la zona de ignición.

Las explosiones no confinadas ocurren al aire libre y generalmente son originadas por un escape importante de un fluido inflamable (salida descontrolada del fluido) junto a una dispersión moderada para formar una nube inflamable muy grande de aire e hidrocarburo.

Las explosiones confinadas son las que ocurren con alguna barrera de contención. Ejemplos de este tipo son las que suceden en recipientes o tuberías. También se incluyen las explosiones dentro de edificios. Las explosiones al aire libre que encuentran diversos obstáculos como pueden ser equipos de proceso, paredes de edificios, etc., pueden alcanzar cierto grado de confinamiento y turbulencia originando sobrepresiones superiores a las de explosiones no confinadas.

En general las explosiones de nubes de vapor no confinadas son deflagraciones y en contadas ocasiones se han transformado en detonaciones. Esto ha sido ocasionado por las causas anteriores que provocan cierto confinamiento y a las que también se puede añadir las fuentes de ignición potentes.

La diferencia entre deflagración y detonación está en que en la primera la velocidad de propagación del frente de llama es inferior a la del sonido y en la segunda es superior.

En el caso en el que no se alcanzase una deflagración, se tendría un incendio rápido en forma de llamarada que se podría definir como un incendio con llama progresiva de difusión o premezclada con baja velocidad de llama sin producir onda de presión. Su efecto más importante sería la radiación térmica. Este tipo de incendio se ve favorecido por un escape permanente de un fluido inflamable junto a una reducida dispersión del mismo.

El problema de la explosión de una nube de vapor no confinada es que, aparte de que es grande y destructiva, puede afectar a bastante distancia del punto de escape.

Definición y clases de ignición

La ignición de un gas es un proceso donde la combustión de una nube de gas premezclada, es decir de aire-combustible o combustible-oxidante, puede causar un aumento rápido de la presión. Las explosiones de gas pueden ocurrir dentro de equipos de proceso o tuberías, en edificios, en áreas de proceso abiertas, en áreas confinadas, en el campo, etc.

Sin duda, la situación más peligrosa ocurrirá cuando una nube de aire-combustible grande o de gran volumen premezclada se forme y se enciende. El tiempo de descarga para la ignición puede ser de unos pocos segundos o de varios minutos. La presión generada por la onda de combustión depende de que tan rápido se propague la llama y cómo pueda expandirse la presión fuera de la nube de gas. Las consecuencias de las igniciones de gas van desde ningún daño a una total destrucción. En la explosión accidental de una nube de gas-aire, la llama inicialmente saldrá a una velocidad laminar del orden 3-4 m/seg. Si la nube está realmente inconfinada y sin obstrucciones (Sin equipos ni estructuras que rodeen la nube)  no es probable que la llama acelere a más de 20 a 25 m/seg. y la sobrepresión será despreciable si la nube no se confina. En un edificio o en una industria con equipos de proceso como se muestra en el esquema siguiente, puede acelerar la llama a varios cientos de metros por segundo.

Deflagración

Se podría decir que es la quema de una mezcla combustible que no está confinada y que no tiene posibilidades de acumular presión por rebote de las ondas originadas al momento de la ignición. Por ejemplo, si se deja escapar una mezcla de gaseosa inflamable desde un conducto, al encenderlo se verá que solo se producirá una ”ola de fuego” que finalizará al terminar de quemarse la mezcla gas-aire, y a lo sumo se tendrá como consecuencia los efectos térmicos del calor producido. En las deflagraciones, la velocidad der avance del frente de llamas es inferior a la velocidad del sonido. El tiempo que transcurre entre el inicio y la finalización de la misma, aunque aparezca virtualmente instantánea, es finito y típicamente comprendido entre 100 y 200 milisegundos.

En el caso del gas natural, la velocidad de combustión, es decir la que tendrá la llama, será de unos 40 cm/seg.

En el caso que no se alcanzase una deflagración, se tendría un incendio rápido en forma de flash (un fuego con llama de difusión o premezclada con baja velocidad de llama sin producir onda de presión)

Explosión.

Tomando el mismo caso anterior pero haciendo una modificación, la mezcla producto del escape será confinada en un ambiente, al encenderla arderá más rápido, ya que al elevar su temperatura ocupará más espacio generando mayor presión la que se sumará a la presión propia del frente de llamas, estas presiones rebotan contra las paredes del ambiente y son devueltas al lugar de origen, pero en el camino se encontrarán con las que se continúan generando y vuelven a sumarse, y así sucesivamente hasta quebrar la resistencia del local que contiene la mezcla, provocando la destrucción del mismo en forma parcial y en algunos casos en forma total, esto último, se explica por los diferentes materiales utilizados en la construcción, y por los tipos y numero de aberturas existente.

Durante este proceso, se puede llegar muy fácilmente a alcanzar presiones de explosión del orden de 1,0 MPa pero estos valores no son muy comunes, generalmente los ambientes de mampostería de ladrillos con aberturas tradicionales colapsan a llegar a los 0,65 MPa.

Detonación.

La detonación no es un fenómeno muy común de producirse, es más, muy raramente se pueden dar las condiciones como para que ello ocurra, ya que en primer lugar se necesita un confinamiento capaz de soportar presiones muy elevadas del orden de los 100 MPa, y muy raramente, estos lugares cuentan con posibilidades de que se filtren mezclas explosivas, aun así, puede darse el caso, y si ocurriese el fenómeno, la destrucción es total afectando también a los alrededores.

Generalmente suele confundirse una detonación cuando técnicamente ocurrió una explosión, solo que las presiones de la detonación alcanzaron valores más elevados que los de una explosión.

En la detonación la velocidad en que el frente de llama avanza es mucho más elevada, superando la velocidad del sonido.

Clasificación y definición de las explosiones de gas

Las explosiones no confinadas ocurren al aire libre y generalmente son originadas por un escape rápido de gas o una salida descontrolada de gas, por ejemplo por la rotura de un gasoducto, que conforman una nuble inflamable de aire-gas.

Las explosiones confinadas son las que ocurren con algún confinamiento con una barrera de contención ejemplo: presiones dentro de recipientes, dentro de cañerías, y también dentro de edificios. Las explosiones al aire libre que encuentran diversos obstáculos como pueden ser equipos de proceso, paredes de edificios, etc., pueden alcanzar cierto grado de confinamiento y turbulencia originando presiones superiores a las explosiones no confinadas.

Las consecuencias de una explosión de gas dependerá del ambiente en el que esté contenida la nube de gas. Por consiguiente, es común clasificar las explosiones de gas de acuerdo al ambiente donde el evento de explosión ocurre.

  • Explosiones de gas confinadas (tanques, interior de cañerías, recipientes de proceso, etc.)
  • Explosiones de gas parcialmente confinadas (Edificaciones, o módulos costa afuera)
  • Explosiones de las gas inconfinadas en plantas de proceso y otras áreas inconfinadas.

Debe señalarse que estas condiciones no están estrictamente definidas. Por ejemplo, una explosión en una tubería de un área de proceso puede involucrar partes confinadas e inconfinadas.

Explosiones de gas confinadas.

Las explosiones de gas confinadas son las explosiones que ocurren dentro de tanques, en tuberías de proceso, en cuartos cerrados y en instalaciones subterráneas. También se llaman explosiones confinadas a las explosiones internas. Es típico en este tipo de explosiones, que la velocidad de combustión no necesita ser alta para causar un incremento importante de presión.

Explosiones de gas parcialmente confinadas

Las explosiones parcialmente confinadas ocurren cuando se escapa accidentalmente un combustible dentro de una edificación parcialmente abierta. El edificio confina la explosión y la presión de la explosión solo puede salir a través de las áreas abiertas y ventiladas, ocasionando una baja sobrepresión. El tamaño de las aberturas de ventilación y sus áreas son factores importantes en la presión resultante de la explosión.

Explosiones de gas inconfinadas

Se utiliza este término para las explosiones en áreas de proceso. Pruebas a gran escala han demostrado que la ignición de una nube de gas inconfinada por una débil fuente de ignición, producirá una pequeña sobrepresión. El término inconfinado debe usarse con cuidado, pues en una planta de proceso hay áreas parcialmente confinadas y obstruidas, donde la onda de presión alcanza una sobrepresión máxima del orden de 0,1 MPa en la zona de ignición.  

Consecuencias de la explosiones en edificios

Las consecuencias de una explosión de gas dentro de un edificio dependerán principalmente de la concentración de la nube de gas, del volumen y tipo del combustible; la ignición y el diseño geométrico, es decir, de la obstrucción de objetos, el venteo y el confinamiento.

El tipo de explosión que generalmente suele ocurrir en un edificio es de una explosión parcialmente confinada ya que una edificación no es un recinto totalmente cerrado y tampoco tiene las características puras de un espacio completamente abierto para definirlo como una explosión inconfinada. Por lo cual los rangos de las presiones que pueden ocurrir pueden  variar entre 0,1 MPa (que es el límite entre explosiones confinadas y parcialmente confinadas) y 0,6 a 1 MPa. (Que es el valor máximo característico que define a las explosiones de tipo confinado)

En una construcción afectada por una explosión de gas natural, los resultados finales pueden ir de daños parciales importantes a daños totales. Generalmente dependerá del comportamiento de las estructuras sometidas a las presiones y temperaturas debidas a explosiones internas de gas natural; el fenómeno genera también presiones laterales máximas que actúan sobre los elementos estructurales de una edificación por su naturaleza estática. Existen también presiones reflejadas y presiones estáticas que afectan a las estructuras.

 

Fuente: Ing. Aníbal R. Tilca; Camuzzi Gas Pampeana

 

 

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Concepto y efectos de las explosiones