Tema del curso disponible en pdf. Sumario: Concepto de explosión. Explosiones de Alta Explosión. Valoración del daño remoto «Equivalente TNT». Explosión por presión. Bleve. Procesos químicos internos. Ignición de mezcla inflamable. Nube de polvo explosivo. Venteos o alivios de presión. Alternativa al venteo: Supresión de la explosión.
Course topic available in pdf. Summary: Explosion concept. High-Blast Explosions. Remote damage assessment «TNT Equivalent». Pressure explosion. Bleve. Internal chemical processes. Ignition of flammable mixture. Explosive dust cloud. Vents or pressure reliefs. Alternative to venting: Suppression of the explosion.
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Teoría de la extinción de incendios II: Explosiones
Una explosión se caracteriza por una liberación repentina de energía que produce una onda expansiva capaz de causar un daño remoto.
Existen dos tipos de fuentes: La alta explosión y la explosión por presión.
ALTA EXPLOSIÓN
La alta explosión es típica de compuestos como el trinitrotolueno (TNT) y la ciclotrimetilentrinitramina (RDX).
Se trata de sustancias altamente exotérmicas que se descomponen liberando grandes cantidades de energía.
A pesar de que son térmicamente estables (algunos en menor medida, por lo que deben ser insensibilizados para poderlos manejar de forma segura), pueden llegar a detonar, descomponiéndose y propagándose a la velocidad del sonido a través de los sólidos.
Si la cantidad de energía liberada es suficientemente alta, a partir de la fuente se propaga una onda expansiva de gran potencial de destrucción a distancia.
Valoración del daño remoto: equivalente TNT
Para valorar el daño remoto, puede estimarse la magnitud de la explosión en términos de “equivalente TNT” (normalmente en toneladas métricas).
Esta técnica, basada en los muy numerosos datos recogidos sobre el potencial de destrucción del TNT (en gran parte en tiempo de guerra), se basa en leyes empíricas de escalado desarrolladas a partir de estudios del daño ocasionado por cantidades conocidas de TNT.
En tiempos de paz, los explosivos potentes se utilizan en actividades como la minería, las canteras y obras importantes de ingeniería civil.
Su utilización representa un riesgo, por lo que requieren un manejo específico.
EXPLOSIÓN POR PRESIÓN
La explosión por presión puede ser igualmente devastadora, especialmente si se desconocen sus riesgos.
Las sobrepresiones que dan lugar a explosiones pueden deberse a: procesos químicos en instalaciones o simplemente a efectos físicos, como cuando se calienta un recipiente externamente hasta que alcanza una sobrepresión.
Bleve
El término BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion (explosión por vapor en expansión de un líquido hirviendo) tiene su origen aquí, en los problemas de las calderas de vapor.
Actualmente, este término se emplea también cuando, en un depósito que contiene un gas licuado a presión, como el LPG (gas de petróleo licuado), se produce un incendio, que libera el contenido inflamable, y éste a su vez entra en combustión produciendo una “bola de fuego”.
Proceso químico interno
En otros casos, la sobrepresión se debe a un proceso químico interno.
En las industrias de transformación, el autocalentamiento del material puede provocar una reacción incontrolada que genere altas temperaturas y presiones capaces de ocasionar una explosión por presión.
Ignición de mezcla inflamable
Sin embargo, el tipo más común de explosión es el debido a la ignición de una mezcla de gas/aire inflamable confinada en algún aparato de una instalación o en cualquier estructura cerrada.
La condición previa es la formación de una mezcla inflamable, evitable con un diseño y una gestión adecuados.
Una liberación accidental dará lugar a una atmósfera inflamable si la concentración de gas (o vapor) se encuentra entre los límites superior e inferior de inflamabilidad.
Si se introduce una fuente de ignición en una de estas zonas, una llama de premezclado se propagará rápidamente a partir de la misma, convirtiendo la mezcla de combustible/aire en productos de combustión a una temperatura elevada; esta última puede llegar a ser de 2.100 K, lo que demuestra que en un sistema completamente cerrado que se encuentre inicialmente a 300 K, son posibles sobrepresiones de hasta 7 bar.
Sólo los depósitos a presión de diseño especial son capaces de soportar estas sobrepresiones.
Los edificios normales se derrumbarán, a no ser que estén protegidos por paneles de alivio de presión, discos de ruptura o sistemas de supresión de la explosión. Cuando se forma una mezcla inflamable dentro de un edificio, la explosión puede llegar a ocasionar daños estructurales importantes o incluso su destrucción total, si la explosión no se dirige hacia el exterior a través de aberturas originadas en las primeras fases de la explosión (p. ej. rotura de las ventanas).
Nube de polvo explosivo
Explosiones de este tipo se asocian también a la ignición de suspensiones de polvo en el aire (Palmer, 1973), como las producidas cuando se levanta una nube de polvo “explosivo” procedente de estanterías, vigas y cornisas de un edificio y dicha nube queda expuesta a continuación a una fuente de ignición (p. ej., en molinos de harina, elevadores de grano, etc.).
El polvo debe ser combustible (obviamente), aunque no todos los polvos combustibles pueden explotar a temperatura ambiente.
Se han diseñado ensayos estándar para determinar cuándo es capaz un polvo de producir una explosión.
Dichos ensayos se utilizan asimismo para estudiar los “límites de explosividad” de los polvos explosivos,similares conceptualmente a los “límites de inflamabilidad” de gases y vapores.
Por lo general, una explosión de polvo ocasiona daños de gran magnitud, porque la primera explosión genera aún más polvo, dando lugar a una nube de polvo aún mayor que, a su vez, entra inevitablemente en ignición y produce una explosión aún mayor.
Venteos o alivios de explosión
Los venteos o alivios de explosión sólo son eficaces si la velocidad de desarrollo de ésta es relativamente baja, como ocurre cuando se propaga una llama de premezclado en una mezcla inflamable estacionaria o en una nube de polvo explosivo.
Las aberturas de explosión no tienen ninguna utilidad cuando se produce una detonación, ya que dichas aberturas deben originarse en la fase inicial del suceso, cuando la presión todavía es relativamente baja.
Al producirse una detonación, la presión se eleva demasiado rápidamente como para que los alivios sean efectivos, por lo que el recinto cerrado de una planta tendrá que soportar presiones internas tan altas que provocarán su destrucción total.
Puede producirse una detonación de una mezcla de gas inflamable cuando está contenida en una tubería o un conducto largo.
En determinadas condiciones, la propagación de la llama de premezclado empuja el gas sin arder por delante del frente de la llama a una velocidad que incrementa la turbulencia, lo que a su vez incrementa la velocidad de propagación. Se produce así una reacción recurrente que acelera la llama hasta que se forma una onda de choque.
Esto, combinado con el proceso de combustión, produce una onda de detonación que puede propagarse a velocidades muy por encima de los 1.000 m/s. Es posible comparar este fenómeno con la velocidad fundamental de combustión de una mezcla estequiométrica de propano/aire de 0,45 m/s [velocidad a la que se propaga la llama a través de una mezcla de propano/aire en reposo (es decir, sin turbulencias)].
No debe subestimarse la importancia de la turbulencia en el desarrollo de este tipo de explosiones.
Para el éxito de un sistema de seguridad antiexplosión es fundamental que se produzca el venteo rápido de los gases o el tratamiento por supresión en la fase inicial del proceso. Si la velocidad de desarrollo de la explosión es demasiado rápida, el sistema de seguridad no resultará eficaz, pudiendo producirse peligrosas sobrepresiones.
Alternativa al venteo: Supresión de la explosión
Una alternativa al venteo es la supresión de la explosión. Este tipo de protección requiere una detección de la explosión en su fase inicial, lo más próxima posible a la ignición.
El detector se utiliza para activar la rápida liberación de un supresor en el trayecto de la llama de propagación, deteniendo la explosión de forma eficaz antes de que aumente la presión hasta un punto en que la integridad del recinto se vea amenazada.
Los halones se han utilizado habitualmente para este fin, pero ahora se encuentran desfasados y se están estudiando sistemas de pulverización de agua a alta presión.
Este tipo de protección resulta muy caro y de aplicación limitada, pues sólo puede utilizarse en volúmenes relativamente reducidos, donde el supresor pueda distribuirse de forma rápida y uniforme (p. ej., tuberías de transporte de vapor inflamable o polvos explosivos).
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