BLEVES: RIESGOS ASOCIADOS AL ALMACENAMIENTO Y TRANSPORTE DE GAS LP EN ZONAS URBANAS Guevara Franco José Luis1; Fernández Villagómez Georgina2; Flores Castillo Laura Patricia1. 1
Universidad de Quintana Roo, División de Ciencias e Ingeniería. Boulevard Bahía s/n, Chetumal, Q. Roo. jlguevara@uqroo.edu.mx 2
División de Ingeniería Civil y Geomática, Facultad de Ingeniería, UNAM. México D.F.
Resumen El gas licuado de petróleo (gas LP), es el combustible de uso común en los hogares en zonas urbanas. Al ser un material inflamable tiene la posibilidad de generar incendios y explosiones debido a fugas accidentales durante su uso, almacenamiento y distribución. Un peligro especial representa la formación de BLEVEs cuya característica principal es precisamente la expansión explosiva de toda la masa de líquido evaporada súbitamente., normalmente, la causa más frecuente de este tipo de explosiones es debida a un incendio externo. La BLEVE es acompañada de ondas de explosión altamente destructivas y emisión de fragmentos en forma de misiles. En la mayoría de las situaciones también hay una bola de fuego generando una radiación térmica. En este estudio se revisó el tamaño típico de los contenedores de gas LP y se desarrolló la simulación para 15 posibles escenarios en zonas urbanas con fuentes fijas y 9 escenarios con tanque móvil de acuerdo a los diferentes tamaños disponibles en el mercado, utilizando el método de equivalencia de TNT para el cálculo de ondas de sobrepresión por BLEVES y cálculo de la radiación térmica por bola de fuego. Se determinaron las zonas de Alto riesgo y de amortiguamiento; analizando el caso del peor escenario posible para una fuente fija y una móvil. Los resultados de este estudio son de utilidad para el personal de atención a emergencias químicas y protección civil para determinar zonas de potencial impacto y planear acciones de evacuación así como de simulacros.
Mexicanos PEMEX, quien manifiesta en su hoja de seguridad una composición aproximada de 60 % propano, 40 % de butano y del 0.0017 al 0.0018 % de etil mercaptano como odorizante, PEMEX, (2007). El gas L.P. es el principal combustible que se utiliza en los hogares, SENER, (2015) y en algunos vehículos como carburante; al ser un combustible con factor de riesgo 4 de acuerdo a Norma NFPA704, “cuando el gas licuado se fuga a la atmósfera, vaporiza de inmediato, se mezcla con el aire ambiente y se forman súbitamente nubes inflamables y explosivas, que al exponerse a una fuente de ignición (chispas, flama y calor) producen un incendio o explosión”, PEMEX, 2(007), de tal manera que el riesgo de incendio y explosión se presenta en la producción, almacenamiento, transporte y consumo. BLEVE Es el acrónimo de Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion, CCPS/AIChE, (1994); cuya traducción sería "Expansión explosiva del vapor de un líquido en ebullición",). La BLEVE es un caso especial de estallido catastrófico de un recipiente a presión en el que ocurre un escape súbito a la atmósfera de una gran masa de líquido o gas licuado a presión sobrecalentados, NTP 293, (2016), La característica principal de una BLEVE es precisamente la expansión explosiva de toda la masa de líquido evaporada súbitamente. La BLEVE produce además del efecto de sobrepresión y fragmentación, bolas de fuego cuya energía radiante puede quemar la piel expuesta e incendiar material combustible cercano.
Palabras clave: BLEVE, Gas LP Riesgo Metodología Introducción El gas natural es una mezcla de hidrocarburos compuesta básicamente por butano y propano de acuerdo a lo establecido en el Reglamento de Gas Licuado de Petróleo, SENER (2007). El gas licuado de petróleo o gas LP es el combustible en cuya composición química predominan los hidrocarburos butano y propano o sus mezclas y que contiene propileno o butileno o la mezcla de éstos como impurezas principales, CENAPRED (2001). La composición del gas LP puede variar en cada país, por ejemplo, en Canadá y Estados Unidos el gas LP es 100 % gas propano, en México el único proveedor de gas LP es Petróleos
En este estudio se revisó el tamaño típico de los contenedores fijos y móviles de gas LP (Rana gas, (2004); Gas Oro, (2009); Urban (2009)) disponibles en el mercado a través de diferentes proveedores en México, INGUNSA (2016). Se desarrolló la simulación para 24 posibles escenarios en zonas urbanas con fuentes fijas y móviles de acuerdo a los diferentes tamaños de contenedores. El volumen de almacenamiento de un tanque de gas es su volumen geométrico interior total expresado en metros cúbicos o equivalentes; la capacidad de almacenamiento (Ca) de un contenedor es el volumen máximo que puede llegar a ser ocupado por gas LP para almacenamiento considerando que el llenado no debe sobrepasar el 85% de su volumen debido a que existe la posibilidad de que el envase se caliente, el
lĂquido contenido se dilatara pudiendo presentar una falla o fractura. En este apartado se tomĂł en consideraciĂłn el daĂąo mĂĄximo catastrĂłfico asĂ como el caso del peor escenario para realizar el anĂĄlisis de consecuencias en zonas urbanas. El tamaĂąo de la fuga estarĂĄ determinado por el contenido del mayor recipiente de proceso o serie de recipientes de proceso conectados entre sĂ, sin estar aislados uno de otro. Si existen vĂĄlvulas automĂĄticas o a control remoto que separen esos recipientes al originar la fuga, se considera reducida ĂŠsta, de manera que siempre se considera que la mĂnima fuga se tomara como el contenido del mayor recipiente. Solo se consideran gases o lĂquidos usados como combustibles. La diferencia entre daĂąo mĂĄximo probable y daĂąo mĂĄximo catastrĂłfico radica en el valor del factor de explosividad utilizado, para determinar el daĂąo mĂĄximo probable se usa un factor de explosividad de 0.02, y un factor de 0.1 para el cĂĄlculo del daĂąo mĂĄximo catastrĂłfico. El caso del peor escenario corresponde a la liberaciĂłn de la mayor cantidad del material inflamable de un tanque de almacenamiento, de transporte o de una tuberĂa o lĂnea del proceso, asĂ como la liberaciĂłn que resulta con la mayor distancia de afectaciĂłn desde la fuente. Las ondas de mayor presiĂłn se estarĂĄn en una circunferencia cerca del centro de la nube explosiva, mientras que las de menor presiĂłn abarcaran una circunferencia de diĂĄmetro mayor. Para evaluar el riesgo potencial por nubes explosivas se consideran las siguientes suposiciones: • La fuga es instantĂĄnea y no se considerarĂĄ el caso de escape de gas paulatino, excepto para fugas en tuberĂas de gran capacidad con material transportado desde instalaciones alejadas. • El material fugado se vaporiza instantĂĄneamente y la nube se forma inmediatamente, de acuerdo a las condiciones termodinĂĄmicas del gas o lĂquido inflamable antes de la fuga.
Ď = densidad del material a la temperatura del proceso T1 (g/ml) VL = volumen del lĂquido contenido (gal) Calculo de la cantidad vaporizada (W) Para lĂquidos o gases licuados con punto de ebulliciĂłn menor a 21.1 ÂşC (caso especĂfico para el gas LP), se supone que el 100% se vaporizara por lo que se tiene:
y
• Se cconsidera el calor de combustiĂłn del TNT (2 000 Btu/lb) para convertir el calor de combustiĂłn del material a un equivalente en peso de TNT. • La temperatura ambiente es constante: 21.1ÂşC. CĂĄlculo del peso del material en el sistema, (Less F. (1985); FMS, (1967), y Davenport (1977), en SCI MODELOS (1993) y; CENAPRED (2001): Si el material en el sistema se encuentra en estado lĂquido se usa: đ?‘Šđ??ż = 8.35đ?œŒđ?‘‰đ??ż
(1)
Donde WL = peso del lĂquido liberado (libras)
(2)
W = WL
(3)
Magnitud de la nube La experiencia ha demostrado que una nube explosiva alcanza una altura hasta de 10 ft, por lo que es conveniente considerar ĂŠsta como la altura general de una nube. El diĂĄmetro (D en ft) de la nube se calcula con: đ?‘Š
đ??ˇ = 22.19 ((â„Žđ?‘€đ?‘‰))
1â „ 2
(4).
Donde h es la altura de la nube formada, M el peso molecular del material y V es la fracción de la nube representada por vapor o gas si la nube entera se encuentra en la concentración explosiva media, calculada por: �=
[đ??żđ??źđ??¸(%) ∗ đ??żđ?‘†đ??¸(%)] 200
(5)
Si se considera la altura estĂĄndar de la nube como 10 pies, se tiene, đ??ˇ = 7.017 [
� ] ��
1â „ 2
(6)
CĂĄlculo de la energĂa desprendida por la explosiĂłn La energĂa desprendida por la explosiĂłn (We) de la nube se expresa por su equivalente en toneladas de TNT y estarĂĄ dada por:
• La nube adquiere una forma cilĂndrica cuya altura es su eje vertical sin considerar dispersiĂłn por viento o estructuras de edificios presentes. • La nube es de concentraciĂłn uniforme y su concentraciĂłn en el aire estĂĄ en el punto medio entre los lĂmites inferior y superior de explosividad del material.
W = WG
đ?‘Šđ?‘’ =
(đ?‘Š đ??ťđ?‘? đ?‘“) 4đ?‘Ľ 106
(7)
Donde We es el peso de TNT que produce una fuerza equivalente a la explosividad de la nube, Hc es el calor de combustiĂłn del material en Btu/lb y f es el factor de explosividad. El factor de explosividad f de materiales varĂa de 0-01 a 0.1, es un valor adimensional y depende de la capacidad del material a detonar. Para determinar el DaĂąo MĂĄximo probable, DM, se usa como factor f= 0.02 y para calcular el DaĂąo MĂĄximo CatastrĂłfico probable, DC, se usa f= 0.1 por lo que se tiene đ??ˇđ?‘€ = 2đ?‘Ľ10−8 đ?‘Š đ??ťđ?‘?, (8) y
đ??ˇđ??ś = 4đ?‘Ľ10−7 đ?‘Š đ??ťđ?‘? (9)
Resultados Una planta tĂpica de almacenamiento/distribuciĂłn de gas LP, tiene al menos un tanque fijo de 250 000 litros (Ranas gas (2004); Gas Oro (2009); Urban (2009)); los contenedores mĂłviles para uso urbano oscilan entre 3 300 a 24 000 litros y un tanque mĂłvil tipo semirremolque tĂpico tiene una capacidad
de 45 000 litros, Gas Oro (2009 ); Los semi-remolques son utilizados para transportar grandes volúmenes de Gas LP de las plantas de almacenamiento a las plantas de distribución, desde 40 000 hasta 55 000 litros de capacidad, INGUNSA (2016). Se desarrollaron 24 posibles escenarios de acuerdo a las dimensiones de los tanques fijos y móviles disponibles en el mercado, ver tablas N°1y 2; desarrollando 15 escenarios para tanques fijos y 9 para tanques móviles. Fuentes fijas: Se elaboraron 15 escenarios que simulan una explosión tipo BLEVE en una planta de almacenamiento o distribución de gas LP, con un tanque fijo, determinando la distancia de impacto de las ondas de presión desde la fuente. La conformación de la zona de amortiguamiento estará dada por la distancia en que se presenta una onda de sobrepresión menor a 1 PSI y mayor a 0.5 y la distancia en que se presenta una onda de sobrepresión de mayor o igual a 1 PSI, desde este punto hasta la fuente, se considera como Zona de Alto riesgo, ver Figura N° 1. Las zonas habitacionales cercanas a la fuente potencial, ubicadas en la zona de amortiguamiento presentaran daños en sus vidrios/cristales de 3 mm. Las zonas habitacionales que quedan ubicadas en la zona de alto riesgo presentaran daños desde desplome parcial de paredes y techo de casas (2 PSI) hasta destrucción casi completa de casa (entre 5 y 7 PSI) según la intensidad de la onda y su cercanía a la fuente. La zona de amortiguamiento calculada para un evento potencial de un tanque fijo de 12 600 litros estará entre los 149.67 y 254.42 metros, la zona de alto riesgo se fija desde la fuente hasta los 150 metros aproximadamente. En el supuesto del caso del peor escenario, considerando un contenedor de 250 000 litros, la zona de amortiguamiento se fija entre los 405.20 y 688.77 metros, la zona de alto riesgo se encuentra en distancias desde la fuente hasta los 405.2 metros. Las potenciales afectaciones a la salud humana como la probabilidad del 90% de ruptura de tímpano se encuentra en el rango de 12.2 PSI, la probabilidad del 99% de fatalidad se encuentra en el rango de 29 PSI, SCRI MODELOS (2005), de tal modo que las personas que se encuentren entre una distancia de 29.28 m. de la explosión sufrirán daños en el tímpano en el caso del contenedor más pequeño (12 600 litros) y hasta 79.26 m. en el caso del contenedor de 250 000 litros; la probabilidad del 99% de fatalidad en el caso del contenedor más pequeño (12 600 litros) se encuentra en un radio de 19.34 m y hasta 52.36 m en el caso del contenedor de 250 000 litros.
Figura 1. La conformación de las zonas de amortiguamiento y de Alto Riesgo
Fuentes móviles: Los escenarios con tanque móvil fueron 9 simulando una explosión tipo BLEVE en evento de transporte de gas en zona urbana, determinando las ondas de sobrepresión a diferentes distancias de la fuente; la conformación de la zona de amortiguamiento estará dada por la distancia en que se presenta una onda de sobrepresión de 0.5 PSI y la distancia en que se presenta una onda de sobrepresión de 1 PSI, desde este punto hasta la fuente, se considera como Zona de Alto riesgo, Las zonas habitacionales cercanas a la potencial fuente móvil ubicadas en la zona de amortiguamiento presentaran daños en sus vidrios/cristales de 3 mm, aun con el vehículo que presenta el contenedor más pequeño de 3 300 litros se ocasionara este daño en un radio de 162 m y con el contenedor más grande, de 55 000 litros el radio alcanza los 402 m. Las zonas habitacionales que están ubicadas en la zona de alto riesgo presentaran daños desde desplome parcial de paredes y techo de casas (2 PSI) hasta destrucción casi completa de casa (entre 5 y 7 PSI) según la intensidad de la onda y su cercanía a la fuente, estos daños se calcularon en radios de 30 m a 74 m dependiendo del tamaño del contenedor. En el caso de un vehículo repartidor de gas de 3 300 litros accidentado en zona urbana, ante una potencial BLEVE se afectara en un rango de 95.76 m hasta 162.78 m con ruptura de ventanas (de 0.5 a 1 PSI) y daños menores a estructuras de casas. Paredes de block recocido o paredes de concreto no reforzado destrozadas (2 a 3 PSI) a una distancia de 55.87 m. Destrucción casi completa de casas (5 a 7 PSI) entre 18.73 m. y 24.90 m. del evento. La probabilidad de fatalidad del 99% se presenta a los 12.37 m (29 PSI); la probabilidad del 90 % de ruptura de tímpano a 18.73 m. (12 PSI).En el supuesto caso del peor escenario de una BLEVE de tanque móvil de 45 000 litros la conformación de la zona de amortiguamiento estará dada por la distancia en que se presenta una onda de sobrepresión de 0.5 PSI ubicada a 388.89 m y la distancia en que se presenta una onda de sobrepresión de 1 PSI (228.78 m), desde este punto hasta la fuente, se considera como Zona de Alto riesgo. A una distancia de 29.56m (PSI) existirá probabilidad de fatalidad del 99%, a 44.75 (12PSI) la probabilidad del 90 % de ruptura de tímpano.
Conclusiones El manejo del gas LP presenta un riesgo potencial de generar una BLEVE así como una Bola de Fuego ocasionando daños al ambiente, en la zona habitacional aledaña, oficinas, comercios y cualquier infraestructura urbana. Muñoz (2011) menciona el uso diversas formas geométricas, en donde se muestra: el modelo Círculo Peligroso, mediante el cual se supone que el mayor peligro se localiza en el centro, lugar del accidente, ver figura N°2, sitio en donde se asume que se inició la explosión pudiendo ser una instalación de almacenamiento/venta de gas LP; y el modelo de Banda Fija, con la que se busca representar de forma tri-dimensional que el peligro se encuentra dentro de un túnel de anchura fija a lo largo de una ruta (carretera o calle) ver figura N° 3; representando un evento potencial en cualquier punto de una calle o carretera por donde circula un vehículo que transporta gas LP.
Las distancias desde las plantas almacenadoras o distribuidoras de gas LP hasta las zonas habitacionales han sido establecidas desde la décadas de los setentas, sin embargo, se ha permitido el establecimiento de instalaciones de gas LP en zonas urbanas así como el desarrollo de zonas habitacionales alrededor de las instalaciones de gas. En el caso de las fuentes móviles, se debe de considerar restricciones en el tamaño de los tanques móviles para distribución del gas LP en zonas de urbanas. Figura 2 Modelo Círculo Peligroso
Los resultados de este estudio así como el Modelo de círculo peligroso y banda fija, delimitando las zonas de alto riesgo y amortiguamiento pueden ser aplicados en los Atlas de riesgo, en la elaboración de Programas de Prevención de Accidentes, Planes de desarrollo y estudios de Riesgo Ambiental. Los resultados de este estudio pueden ser de ayuda para personal de atención de emergencias (rescatistas y personal de protección civil) para planear acciones de atención, evacuación y elaboración de simulacros.
Considerar restricciones de uso de doble semirremolque para el transporte de gas LP en carreteras federales que atraviesen zonas urbanas. Las zonas urbanas son más vulnerables a los riesgos por fuentes móviles que a las fuentes fijas a pesar de la diferencia de los volúmenes pues en las instalaciones fijas se debe de tener distancias y medidas de seguridad en caso de un accidente, en cambio con las fuentes móviles puede ocurrir un incidente en cualquier parte de la zona urbana.
Figura 3. Modelo de Banda Fija
Tabla1 Escenarios (E) Ondas de sobrepresión y delimitación de zonas de riesgo para tanques Fijos de gas LP
E
Volumen Nominal (agua) Litros
Capacidad de llenado al 85% Gas LP kilos
1F 2F 3F 4F 5F 6F 7F 8F 9F 10F 11F 12F 13F 14F 15F
12 600 17 200 19 700 32 700 45 700 66 000 89 000 112 000 125 000 135 000 158 200 181 000 227 000 250 000 350 000
5 783.4 7 894.8 9 042.3 15 009.3 20 976.3 30 294.0 40 851.0 51 408.0 57 375.0 61 965.0 72 613.8 83 079.0 104 193.0 114 750.0 160 650.0
29(PSI) 200 (KPa) 19.34 21.45 22.45 26.01 29.72 33.01 37.11 40.06 41.56 42.64 44.95 47.02 50.70 52.36 58.57
22(PSI) 151.68 (KPa) 21.91 24.31 25.44 30.12 33.67 38.06 42.05 45.40 47.09 48.31 50.94 53.27 57.45 59.33 66.37
SOBREPRESIÓN Zona de Alto Riesgo (m) 14.5(PSI) 12(PSI) 7 (PSI) 5 (PSI) 99.97 82.74 48.26 34.47 (KPa) (KPa) (KPa) (KPa) 26.67 29.28 38.92 47.31 29.58 32.48 43.17 52.48 30.95 33.98 45.17 54.91 36.65. 40.23 53.49 65.01 40.98 44.98 59.80 72.68 46.32 50.85 67.59 82.16 51.17 56.18 74.68 90.77 55.25 60.65 80.62 97.99 57.31 62.91 83.63 101.65 58.80 64.54 85.80 104.29 61.99 68.05 90.46 109.95 64.83 71.17 94.61 115.00 69.92 76.75 102.03 124.01 72.20 79.26 105.37 128.07 80.77 88.67 117.87 143.27
2 (PSI) 13.79 (KPa) 87.32 96.86 101.35 120.00 134.17 151.65 167.55 180.89 187.63 192.51 202.96 212.27 228.92 236.40 264.46
Zona de amortiguamiento (m) 1 (PSI) 0.5 (PSI) 6.86 (KPa) 3.45 (KPa) 149.67 166.03 173.72 205.68 229.96 259.94 287.18 310.05 321.60 329.96 347.87 363.84 392.37 405.20 453.29
254.42 282.22 295.29 349.63 390.90 441.85 488.15 527.03 546.68 560.88 591.33 618.47 666.96 688.77 770.52
Tabla 2 Escenarios (E) Ondas de sobrepresión y delimitación de zonas de riesgo para tanques Móviles de gas LP SOBREPRESIÓN E
Capacidad Capacidad Nominal de llenado al (agua) 85% Gas LP Litros kilos
22(PSI) 151.68 (KPa) 14.02
Zona de Alto Riesgo (m) 14.5(PSI) 12(PSI) 7 (PSI) 99.97 82.74 48.26 (KPa) (KPa) (KPa) 17.06 18.73 24.90
5 (PSI) 34.47 (KPa) 30.27
2 (PSI) 13.79 (KPa) 55.87
Zona de amortiguamiento (m) 1 (PSI) 0.5 (PSI) 6.86 3.45 (KPa) (KPa) 95.76 162.78
16M
3 300
1 514.7
29(PSI) 200 (KPa) 12.37
17M
4 000
1 836.0
13.19
14.95
18.51
19.97
26.55
32.27
59.57
102.10
173.56
18M
5 500
2 524.5
14.67
16.62
20.23
22.21.
29.52
35.89
66.24
113.54
193.00
18.84
22.92
25.16
33.45
40.66
75.05
128.64
218.67
19M
8 000
3 672.0
16.62
20M
12 600
5 783.4
19.34
21.91
26.67
29.28
38.92
47.31
87.32
149.67
254.42
21M
17 200
7 894.8
21.45
24.31
29.59
32.48
43.18
52.48
96.87
166.03
282.23
22M
24 000
11 016.0
23.97
27.17
33.06
36.29
48.25
58.64
108.24
185.53
315.38
23M
45 000
20 655.0
29.56
33.50
40.77
44.75
59.49
72.31
133.48
228.78
388.89
22 950.0
30.62
34.70
42.22
46.35
61.62
74.90
138.25
236.96
402.79
24M
55 000
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