Upload
doanthuy
View
225
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Analysis of lightning behavior in hydrocarbon storage tanks
Darwin Fabio Marin Yépez
Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales
Facultad de Ingeniería y Arquitectura
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Computación
Manizales, Colombia
2017
Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en
tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Darwin Fabio Marin Yépez
Trabajo presentado como requisito parcial para optar al título de: Magister en Ingeniería Eléctrica
Director:
Ph.D. Camilo Younes Velosa
Línea de Investigación:
Compatibilidad Electromagnética, Electromagnetismo Computacional
Grupo de Investigación:
E3P
Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales
Facultad de Ingeniería y Arquitectura
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Computación
Manizales, Colombia
2017
A Dios por todas las maravillas que nos
permite vivir, a mi esposa e hijos por su
apoyo y paciencia, a mi madre y hermanos
por siempre confiar en mí, y a mi tía por su
apoyo incondicional durante este proceso.
Agradecimientos
Al profesor Camilo Younes por su gran colaboración en la formación investigativa. Por
sus asertivos comentarios en la construcción de este proyecto y por el gran compromiso
que adquirió con este trabajo.
Al profesor César Arango, por brindarme su apoyo y confianza en el proceso docente y
de investigación.
A los Ingenieros Diego del Rio, Juan Diego Pulgarín, Leonardo Aguirre, por sus aportes
significativos en la temática del rayo.
A los compañeros del grupo E3P por las discusiones en diferentes temas de ingeniería
que ayudaron a complementar este trabajo.
Al ingeniero Edwin Arango Paz de CENIT Ecopetrol, por sus aportes significativos en la
identificación del problema.
Al Ingeniero Francisco Ríos de Tipiel S.A, por la oportunidad que me brindo, de formarme
en estos temas desde la aplicación industrial.
A la Universidad Nacional y al Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y
Computación, por su apoyo en las diferentes actividades de la maestría.
Resumen y Abstract IX
Resumen
En esta Tesis se analiza el comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en
tanques de almacenamiento de hidrocarburos, en el capítulo uno se hace un análisis del
estado del arte y el marco teórico de la tesis, en el capítulo dos se hace una revisión
crítica de las normas que actualmente se aplican para el análisis de riesgos y los
sistemas de protección contra descargas eléctricas atmosféricas en tanques de
almacenamiento de hidrocarburos, en el capítulo tres por medio de electromagnetismo
computacional se analiza el comportamiento de los campos eléctrico y magnético
producido por una corriente de rayo en los tanques de almacenamiento de
hidrocarburos, en el capítulo cuatro se propone una metodología para implementar
sistemas de protección en tanques de almacenamiento de hidrocarburos utilizando
sistemas con aislamiento eléctrico.
Finalmente en los capítulos cinco y seis se presentan las conclusiones y
recomendaciones al igual que el análisis de resultados.
Palabras clave: Tanques de almacenamiento, rayos, campo eléctrico, campo
magnético, carga eléctrica transferida.
X
Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Abstract
This thesis analyzes the behavior of atmospheric electric discharges in hydrocarbon
storage tanks. Firstly, a critical revision of the standard that are applied to the analysis of
the impacts of lightning in this type of structures, in the second stay by means of
computational electromagnetism the behavior of the electric and magnetic fields
produced by a lightning current in the storage tanks of hydrocarbons is analyzed.
Finally, a methodology is proposed to implement protection systems in hydrocarbon
storage tanks using electrically insulated systems.
Keywords: Storage tanks, lightning, electric field, magnetic field, Electric charge
transferred.
Contenido XI
Contenido
Pág.
1. Capítulo 1: Introducción ............................................................................................ 19 1.1 Justificación e identificación del problema .......................................................... 20 1.2 Objetivos ............................................................................................................... 23
1.2.1 Objetivo general ................................................................................................ 23 1.2.2 Objetivos específicos......................................................................................... 23
1.3 Marco teórico ........................................................................................................ 23 1.3.1 Descargas atmosféricas en Colombia .............................................................. 23 1.3.2 Campos eléctricos y magnéticos consecuencia de un rayo ............................. 23 1.3.3 Parámetros del rayo en Colombia ..................................................................... 27
1.4 Implementación de la metodología del SIPRA .................................................... 29 1.5 Estructura de la tesis ............................................................................................ 34
2. Capítulo 2: Normas de protección contra rayos .................................................... 37 2.1 Análisis de normas técnicas de protección contra rayos aplicadas a tanques de almacenamiento de hidrocarburos ................................................................................. 37 2.2 Norma técnica colombiana NTC 4552-1-2-3 ....................................................... 37 2.3 Norma técnica europea IEC-62305-1-2-3 ........................................................... 39 2.4 Norma técnica estadounidense NFPA 780 ......................................................... 40 2.5 Norma técnica estadounidense API-RP-545 ....................................................... 41 2.6 Síntesis ................................................................................................................. 44
3. Capítulo 3: Campos electromagnéticos producidos por el rayo .......................... 47 3.1 Modelo de la corriente del rayo............................................................................ 47 3.2 Análisis por el método de las diferencias finitas [FDTD] ..................................... 52 3.3 Descargas eléctricas atmosfericas en superficies metálicas. ............................. 54 3.4 Simulación de un rayo y sus efectos en los tanques .......................................... 56
3.4.1 Simulación en tanques de techo flotante interno con domo en aluminio ......... 56 3.4.2 Simulación de tanque con domo en aluminio con sistema de iluminación ...... 63 3.4.3 Simulación de un tanque de techo flotante externo ......................................... 66
3.5 Ejemplo 1: caso de aplicación para un parque de 4 tanques ............................. 70 3.6 Síntesis ................................................................................................................. 77
4. Capítulo 4: Metodología para el diseño de un SIPRA para tanques .................... 81 4.1 Diagrama de flujo para análisis del SIPRA .......................................................... 81 4.2 Metodología de protección con aislamiento eléctrico ......................................... 85 4.3 Ejemplo 2: caso de aplicación de un SIPRA con aislamiento eléctrico. ............. 86 4.4 Síntesis ................................................................................................................. 94
XII Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
5. Análisis de resultados ............................................................................................... 97
5.1 Análisis de normas de protección contra rayos ................................................... 97 5.2 Análisis de los campos electromagnéticos en tanques producidos por rayos ... 99 5.3 Análisis de los sistemas de protección .............................................................. 100
6. Conclusiones y trabajos futuros ............................................................................ 103 6.1 Conclusiones ...................................................................................................... 103 6.2 Trabajos futuros ................................................................................................. 104 6.3 Discusión académica ......................................................................................... 104
7. Bibliografía ................................................................................................................ 105
Contenido XIII
Lista de figuras
Pág.
Figura 1—1 Lightning Flash Rate_ref_ https://earthobservatory.nasa.gov ...................... 24
Figura 1—2 Infraestructura petrolera de Colombia 2017 vs Cantidad de descargas
atmosféricas por km2_ref http://www.ecopetrol.com.co y [12] .......................................... 24
Figura 1—3 Dipolo eléctrico orientado en el eje z [14] ..................................................... 25
Figura 1—4 Comparación de la probabilidad de ocurrencia de la corriente pico para una
descarga negativa para países en zona tropical [18] ........................................................ 27
Figura 1—5 Cantidad de observaciones de descargas eléctricas atmosféricas
(rayos/km²/año) [18] ............................................................................................................ 28
Figura 1—6 Máximo KL_ Nivel ceraunico en comparación con otros países [18] ........... 28
Figura 1—7 Relación entre la altitud de regiones en Colombia y el número de descargas
a tierra y la corriente pico [22] ............................................................................................ 29
Figura 1—8 Diagrama de flujo para un SIPRA ................................................................. 30
Figura 1—9: Esquema de protección externa en tanques de almacenamiento con
mástiles y cables de guarda. .............................................................................................. 33
Figura 2—1 Tanques de almacenamiento de hidrocarburos: techo fijo, techo flotante
externo, techo flotante interno. ........................................................................................... 43
Figura 3—1: Modelo electromagnético para propagación de campos. Adaptado de
Electromagnetic (antenna-theory) model of Moini et al (2000) .......................................... 48
Figura 3—2: Parámetros para el modelo de la corriente de retorno impactando un
elemento elevado de la tierra física. ................................................................................... 49
Figura 3—3: Modelo exponencial doble del impulso de corriente de rayo para 200kA.
Fuente Software FEKO ...................................................................................................... 50
Figura 3—4: Cubo para el análisis del método FDTD. Fuente. Baba, Yoshihiro_Rakov,
Vladimir A-Electromagnetic computation methods for lightning surge protection studies-
John Wiley & Sons Inc. (2016) ........................................................................................... 53
Figura 3—5: Descripción de tanque de almacenamiento con domo geodésico, visto de
perfil. Fuente. Adaptación desde el software FEKO [17] .................................................. 56
Figura 3—6: Formación del domo geodésico, vista isométrica. Fuente. Adaptación
desde el software FEKO [17] .............................................................................................. 57
Figura 3—7: Intensidad de campo eléctrico [kV/m], vista isométrica (punto de impacto del
rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO ......................................................... 58
Figura 3—8: Intensidad de campo magnético [kA/m].Vista isométrica (punto de impacto
del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO. .................................................. 59
XIV Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Figura 3—9: Vector de poynting[kW/m2].Vista isométrica (punto de impacto del rayo).
Fuente. Adaptación desde el software FEKO. .................................................................. 59
Figura 3—10: Intensidad de campo eléctrico [kV/m], vista de planta (punto de impacto
del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO ................................................... 60
Figura 3—11: Intensidad de campo magnético [kA/m].Vista de planta (punto de impacto
del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO ................................................... 60
Figura 3—12: Vector de poynting[kW/m2].Vista de planta (punto de impacto del rayo).
Fuente. Adaptación desde el software FEKO. .................................................................. 61
Figura 3—13 Intensidad de campo eléctrico [kV/m], vista isométrica (punto de impacto
del rayo en la luminaria). Fuente. Adaptación desde el software FEKO. ......................... 65
Figura 3—14 Intensidad de campo eléctrico [kV/m] con shunt equipotenciales, vista
isométrica (punto de impacto del rayo en la luminaria). Fuente. Adaptación desde el
software FEKO .................................................................................................................... 68
Figura 3—15 Intensidad de campo eléctrico [kV/m] con shunt equipotenciales, vista
isométrica (punto de impacto del rayo en la luminaria). Fuente. Adaptación desde el
software FEKO .................................................................................................................... 70
Figura 3—16: Vista en planta de sistemas de protección externo para el Ejemplo 1: caso
de aplicación para un parque de 4 tanques de 4 tanques de almacenamiento con cables
de guarda y mástiles de apoyo. .......................................................................................... 72
Figura 3—17: Mallado para la solución al modelo de 4 tanques de almacenamiento del
Ejemplo 1. Fuente software FEKO. .................................................................................... 73
Figura 3—18: Carga superficial [dBC/m2].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo).
Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 1 ................................................. 74
Figura 3—19: Corriente superficial [dBA/m].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo).
Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 1 ................................................. 75
Figura 3—20: Intensidad de campo Eléctrico [kV/m].Vista en corte (punto de impacto del
rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 1 ....................................... 75
Figura 3—21: Intensidad de campo Eléctrico [kV/m].Vista Isométrica (punto de impacto
del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 1 ................................. 76
Figura 3—22: Intensidad de campo Magnético [A/m].Vista Isométrica (punto de impacto
del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 1 ................................. 76
Figura 3—23: Intensidad del Vector de poynting [kW/m2].Vista Isométrica (punto de
impacto del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 1 ................... 77
Figura 4—1: Diagrama de flujo para metodología de sistema de protección contra
descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos..... 82
Figura 4—2: Diagrama de flujo para metodología de sistema de protección contra
descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos.
Continuación ....................................................................................................................... 83
Figura 4—3: Diagrama de flujo para metodología de sistema de protección contra
descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos.
Continuación ....................................................................................................................... 84
Contenido XV
Figura 4—4: SIPRA externo con material dieléctrico en los mástiles para reducción del
campo eléctrico en el área de protección .......................................................................... 86
Figura 4—5: Esquema de mástil implementando el aislamiento eléctrico para protección
externa ................................................................................................................................ 87
Figura 4—6: Diagrama eléctrico de configuración del sistema externo con aislamiento
eléctrico. .............................................................................................................................. 88
Figura 4—7: Modelo en el software FEKO del parque de tanques para el ejemplo del
sistema aislado ................................................................................................................... 89
Figura 4—8: Grafica del comportamiento del campo eléctrico en función de la corriente
de rayo aplicado para el Ejemplo 2 .................................................................................... 91
Figura 4—9: Corriente superficial [dBA/m].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo).
Fuente. Adaptación desde el software FEKO ................................................................... 91
Figura 4—10: Carga superficial [dBC/m2].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo).
Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 2 ................................................. 92
Figura 4—11: Campo Eléctrico [kV/m].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo).
Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 2 ................................................. 92
Figura 4—12: Campo magnético [kA/m].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo).
Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 2 ................................................. 93
Figura 4—13: Vector de Poynting [kW/m2].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo).
Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 2 ................................................. 93
Figura 5—1 Resumen de normas para análisis de riesgo y sistemas de protección ...... 98
Contenido XVI
Lista de tablas
Pág.
Tabla 2-1: Análisis de tanques de almacenamiento NTC 4552-3 ..................................... 38
Tabla 2-2: Espesores mínimos de las paredes de los tanques de almacenamiento ....... 39
Tabla 2-3: Análisis de tanques de almacenamiento NFPA 780 ........................................ 40
Tabla 3-1: Parámetros del aluminio, el cobre y el acero para estimar el volumen de fusión
por una descarga atmosférica ............................................................................................ 55
Tabla 3-2: Configuración del domo geodésico del tanque. ............................................... 57
Tabla 3-3: Resultados de campo Eléctrico, Magnético y Vector de poynting. (En el punto
de impacto) ......................................................................................................................... 61
Tabla 3-4: Resultados de volúmenes de fusión en el punto de impacto. ......................... 62
Tabla 3-5 Datos del conjunto poste luminaria simulado. ................................................... 63
Tabla 3-6 Comparación entre un impacto directo en el techo de un tanque y en el
conjunto luminaria poste instalado en la parte alta del tanque. ......................................... 64
Tabla 3-7 Protección de tanques de techo flotante externo antes y después del año 2009.
............................................................................................................................................. 66
Tabla 3-8 Campos electromagnéticos para un impacto en la pared del tanque. Caso 1 . 67
Tabla 3-9 Campos electromagnéticos en tanques de techo flotante con conductor bypass
............................................................................................................................................. 69
Tabla 3-10: Datos de diseño de los tanques del Ejemplo 1. ............................................. 71
Tabla 3-11: Parámetros de la corriente de impulso tipo rayo modelada para el ejemplo. 72
Tabla 3-12: Resultados de campo Eléctrico, Magnético y Vector de Poynting. (En el
punto de impacto) Ejemplo de 4 tanques ........................................................................... 73
Tabla 4-1: Características dieléctricas de la cerámica ...................................................... 87
Tabla 4-2: Resultados de campo Eléctrico, Magnético y Vector de Poynting. (En el punto
de impacto) Ejemplo 2 para 4 tanques ............................................................................... 89
Tabla 4-3: Resultados de campo Eléctrico, Magnético y Vector de Poynting para otras
magnitudes de la corriente de rayo. ................................................................................... 90
1. Capítulo 1: Introducción
Colombia es un país ubicado en zona tropical con unas condiciones particulares en
cuanto a la actividad atmosférica, reportando una gran cantidad de descargas eléctricas
atmosféricas [1] [2].Al igual es un país que cuanta con un desarrollo en cuanto a recursos
petroleros se refiere y en pleno desarrollo de campos de explotación, producción,
transporte y modernización de refinerías. Dentro de los procesos operativos de la cadena
de valor de la producción petrolera se utilizan en gran manera tanques de
almacenamiento de substancias inflamables y combustibles [3] [4], estos tanques son
diseñados en función de las necesidades propias del proceso y de acuerdo a la
tecnología desarrollada disponible en el mercado [4], algunos de los recipientes más
comunes son los de tipo vertical y a presión atmosférica; los más usados son los tanques
de techo fijo, los tanques de techo flotante externo y los tanques de techo flotante interno
[4], los de techo flotante interno se subdividen en tanques de techo cónico y tanques de
techo con domo geodésico.
Estudios de análisis de incidentes en tanques de almacenamiento de hidrocarburos [5]
indican los históricos y las altas probabilidades de incendios que se presentan ante el
impacto directo y efectos indirectos de un rayo en un tanque que almacena
hidrocarburos, considerándose los más propensos a un incendio los tanques de techo
flotante externo [5].
Para el contexto actual existe un desafío en el sector de hidrocarburos en Colombia y en
regiones donde hay industria petrolera, en temas de análisis de riesgo [6] [1] [7] y
sistemas de protección contra descargas atmosféricas para tanques de almacenamiento
de hidrocarburos, buscando puntos de equilibrio de costo beneficio optimizando los
sistemas de análisis de riesgos y evaluando las necesidades de protección externa en los
tanques que almacenan substancias inflamables.
Con base en lo anterior la motivación de este trabajo se basa principalmente en analizar
de forma analítica el comportamiento de los campos electromagnéticos generados por
las descargas eléctricas atmosféricas, que afectan drásticamente las instalaciones
20 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
industriales colombianas y analizar los sistemas de protección típicos propuestos por las
normas [8] [9] [6] [1] y realizar un aporte metodológico para la implementación de
sistemas de protección externos contra rayos que permitan minimizar los riesgos de
incendios de los tanques de almacenamientos de hidrocarburos ante descargas
eléctricas atmosféricas [7] [9] [1] [10].
1.1 Justificación e identificación del problema
Las descargas eléctricas atmosféricas son caracterizadas como fenómenos naturales
con variables bien definidas desde el punto de vista electromagnético [11], es tema de
interés de estudio por las comunidades científicas a nivel mundial que trabajan en función
de entender mucho mejor el comportamiento del fenómeno y clasificar todos los
parámetros con posibilidad de estudio y que se pueden caracterizar obteniendo modelos
matemáticos que permiten realizar descripciones más ajustadas del comportamiento de
los rayos. La importancia del estudio del fenómeno del rayo radica en que es uno de los
eventos naturales que mayor impacto tiene en la sociedad en general, ocasionando
incendios, salida de las líneas de transmisión y distribución, problemas de calidad de la
energía, problemas de compatibilidad electromagnética en los sistemas de comunicación,
como también puede afectar el tráfico aéreo e incluso causar lesiones y muerte a los
seres humanos [12]
En los sistemas industriales donde se procesan y transforman productos inflamables y
combustibles; denominadas industrias petroquímicas del sector oil&gas, presentan en
condiciones normales de operación, mantenimiento y fallas, atmosferas altamente
explosivas [3]. Por las condiciones propias de este tipo de industrias se hace necesario
mantener un control óptimo de las fuentes de ignición [3] que puede desencadenar en un
accidente de alta magnitud por incendios y explosiones que se puedan presentar. Una de
las fuentes de ignición poco controlable y muy probable que se presente son las
producidas por las descargas atmosféricas “Rayos”.
Para el análisis de riesgo y los diseños de protección contra descargas eléctricas
atmosféricas externa e interna se requieren parámetros como la densidad de descargas
a tierra o el valor pico de la corriente (kA) [10] [9].
Básicamente el sector industrial petroquímico en Colombia desarrolla sus campos de
explotación, producción, transporte y refinación en las zonas con altas densidades de
Capítulo 1 21
descargas atmosféricas [1] lo que incrementa la probabilidad de descargas efectivas a
tierra en las facilidades de la industria petroquímica colombiana.
Con base a lo indicado anteriormente se tienen dos variables importantes a analizar
dentro del marco de la protección de descargas atmosféricas en campos de facilidades
petroleras en Colombia, las variables más importantes a analizar y en lo posible controlar
son las descargas eléctricas atmosféricas y la presencia de vapores altamente
inflamables.
Los rayos son fenómenos naturales que presentan un comportamiento estocástico [13]
es decir que no se puede predecir con probabilidad de 1 los puntos donde pueda
impactar un rayo. Como segunda variable de análisis se tienen los vapores altamente
inflamables que se pueden tener presentes en las industrias petroquímicas y en mayor
nivel en los parques de tanques de almacenamiento de hidrocarburos donde se
almacenan grandes volúmenes de materiales inflamables y combustibles [4] [3], estos
parques de tanques presentan una dinámica bien particular asociada a la producción del
petróleo y al igual el control de las emisiones de vapores inflamables a la atmosfera
depende de los diseños de nuevas tecnologías de tanques, la operación y el
mantenimiento de los mismos.
En resumen se tienen dos variables importantes a las cuales hay que prestarles toda la
atención desde el punto de vista de la ingeniería de protección para evitar que se
presenten tragedias producto de incendios y explosiones debido a la ignición de un
tanque de almacenamiento de hidrocarburos por una energía de ignición producto de un
rayo.
Históricos de accidentes e incidentes en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
[5] indican que el problema existe y más aún se ha materializado en muchas ocasiones
terminando en tragedias para el sector de la petroquímica, presentando grandes pérdidas
económicas alto contenido de impacto ambiental y hasta en ocasiones la pérdida de
vidas humanas.
Por lo revisado anteriormente es muy importante el poder controlar los altos valores
energéticos de la corriente de un rayo en las zonas de almacenamiento de hidrocarburos
para evitar que se presenten incendios en este tipo de industrias ubicadas en Colombia,
actualmente hay normas a nivel nacional e internacional que están diseñadas para dar
unas pautas de ingeniería que permitan analizar los riesgos y diseñar sistemas de
protección contra descargas eléctricas atmosféricas y así poder mitigar los accidentes de
origen atmosférico sobre los parques de tanques de almacenamiento de hidrocarburos.
22 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Para realizar una propuesta para la protección contra descargas atmosféricas en
industrias petroquímicas es muy importante conocer en profundidad los equipos
principales de los procesos al igual que el comportamiento de los gases y vapores de
productos inflamables y combustibles presentes en la atmosfera de la industria tanto en
operación normal y ante contingencias. Al igual es necesario conocer los parámetros
eléctricos de los rayos [11] [13] y las probabilidades de tormentas y descargas fijas que
se puedan presentar en las industrias o en cercanías de estas.
Actualmente la industria petroquímica realiza sus sistemas de protección contra
descargas eléctricas atmosféricas con base a las normas [10] [6] [9] [1] y a las
recomendaciones que dichas normas proponen.
Las normas de referencia para realizar los diseños de Ingenieria para los sistemas de
protección contra descargas eléctricas atmosféricas presentan unos vacíos identificados
en cuanto a la recomendación de utilizar los tanques de almacenamiento de
hidrocarburos como estructuras naturales, es decir , considerar los tanques como
estructuras auoprotegidas, al igual que no da parámetros cuantitativos para identificar las
diferencias entre las consecuencias de un impacto directo de un rayo en un tanque de
almacenamiento de hidrocarburos y los efectos secundarios por afectación
electromagnética cuando un rayo impacta las cercanías del tanque en análisis.
En este trabajo se propone analizar el comportamiento de los rayos en tanques de
almacenamiento de hidrocarburos indicando unos valores cuantitativos de campos
electromagnéticos consecuencia de un impacto directo o de un efecto secundario por
inducción electromagnética, con los valores calculados analíticamente y con valores de
referencia para los valores de energía de ignición se puede realizar una propuesta
metodológica en complemento a las referencias normativas tal que se pueden realizar
diseños de sistemas de protección contra descargas eléctricas atmosféricas utilizando las
recomendaciones normativas y realizar un complemento con los valores numéricos de
los campos electromagnéticos mínimos necesarios para iniciar un incendio en un tanque
de almacenamiento de hidrocarburos.
Capítulo 1 23
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general
Presentar valores numéricos de los campos electromagnéticos producidos por la
corriente de un rayo en la superficie de un tanque que almacena hidrocarburos.
1.2.2 Objetivos específicos
Revisar las normas que aplican para el diseño de sistemas de protección contra
descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos.
Realizar simulaciones mediante electromagnetismo computacional y obtener valores de
campos electromagnéticos en la superficie de los tanques.
Ilustrar con ejemplos el comportamiento de los campos electromagnéticos ante impactos
directos y efectos indirectos en la superficie de los tanques de almacenamiento de
hidrocarburos.
1.3 Marco teórico
1.3.1 Descargas atmosféricas en Colombia
Según la información del mapa Figura 1—1 que presenta la nasa a nivel mundial
Colombia está situada como un país con una alta frecuencia de actividad de rayos
efectivos a tierra, y en la figura Figura 1—2 se muestra la infraestructura petrolera de
Colombia y la cantidad de descargas efectivas a tierra, en alto grado de coincidencia se
puede concluir que la mayor parte de la infraestructura petrolera de Colombia se
encuentra construida en las zonas donde existe mayor actividad atmosférica.
1.3.2 Campos eléctricos y magnéticos consecuencia de un rayo
Para calcular los campos electromagnéticos radiados producto de una fuente de corriente
variable en el tiempo se utilizan dos metodologías analíticas una es la técnica del dipolo
eléctrico y la otra es la técnica del monopolo eléctrico, La técnica del dipolo es
ampliamente utilizada para el cálculo de los campos electromagnéticos radiados en
antenas y por rayos.
24 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Figura 1—1 Lightning Flash Rate_ref_ https://earthobservatory.nasa.gov
Figura 1—2 Infraestructura petrolera de Colombia 2017 vs Cantidad de descargas atmosféricas por km2_ref http://www.ecopetrol.com.co y [12]
Capítulo 1 25
Figura 1—3 Dipolo eléctrico orientado en el eje z [14]
En la Figura 1—3 se indica la estructura del dipolo eléctrico orientado en el eje z en
coordenadas esféricas se ubica el punto de medida de los campos electromagnéticos (E,
B), se asume el conductor del canal como perfecto y que solo circula corriente electrica,
para calcular el campo radiado en el punto p se calcula el potencial vectorial A.
( )
∫ ( )
( 1-1)
Donde,
A, Es el potencial magnético.
( ) Es el punto de fuente.
( ) Es el punto de medida.
Es el vector de corriente.
R, es la distancia de separación entre el punto de fuente y el punto de medida.
K, es el número de la onda.
Suponiendo que el radio del dipolo es mucho menor que el de longitud de onda y que la
corriente se considera constante y que solo hay propagación en el eje z, la
expresión se puede reducir a:
( )
( 1-2)
Donde,
r es aproximado a :
√( ) ( ) ( ) √( ) ( ) ( ) ( 1-3)
26 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Con la técnica del dipolo eléctrico es posible realizar los cálculos analíticos del campo
eléctrico y magnético en un punto de observación, básicamente la técnica se puede
plantear en los siguientes pasos.
Se define la magnitud de la corriente
Con se puede calcular el potencial vectorial A
Se utiliza la condición de Lorentz [15] para encontrar el potencial escalar φ
( )
∫ ( )
( 1-4)
Se calcula el campo eléctrico E usando A y φ
( 1-5)
Por último se calcula el campo magnético B usando A
( 1-6)
Con el planteamiento anterior se dejan las bases fundamentales analíticas necesarias
para el cálculo del campo electromagnético radiado por una corriente electrica en un
canal de rayo lineal.
Para determinar los valores de campo eléctrico y magnético en la superficie del tanque
que puede dar origen a igniciones se requiere aplicar los conceptos del cálculo del
campo electromagnético radiado en la superficie de los tanques y hay que tener presente
las siguientes consideraciones generales:
El encendido de materiales inflamables por los rayos puede ocurrir por cuatro
mecanismos [8] [16].
1. Debido a los impulsos de corriente de rayo rápida de hasta 200 KA, la velocidad
asociada los cambios en los campos magnéticos son capaces de inducir tensiones y
corrientes en circuitos y estructuras. A continuación, pueden producirse chispas de
puntos conectados a tierra con suficiente energía para encender una mezcla inflamable.
2. Una descarga eléctrica en una placa de metal podría dar suficiente temperatura local
tal que el vapor en el otro lado de la placa alcanza una temperatura por encima de la
temperatura de ignición espontánea.
3. Por entrada directa en un espacio de vapor.
Capítulo 1 27
4. Al generar corrientes que se conducen a través de las tuberías y generan chispas en
las bridas por no encontrarse al mismo potencial eléctrico.
En esta tesis se propone utilizar un software de simulación de campos electromagnéticos
[17] para estimar las magnitudes de los campos electromagnéticos radiados en la
superficie de los tanques y evaluar las condiciones probables de ignición por efectos del
rayo.
1.3.3 Parámetros del rayo en Colombia
Algunas regiones a nivel mundial presentan mayor actividad de descargas eléctricas
atmosféricas que otras ver Figura 1—1, esto debido a parámetros propios del clima, el
microclima y fenómenos naturales ambientales particulares de cada región.
Colombia es un país tropical ubicado cerca de la línea del ecuador y presenta una alta
actividad atmosférica en sus diferentes regiones, el fenómeno del rayo presenta unos
parámetros bien definidos y estudiados [11] [13], de alta importancia para las
aplicaciones de ingeniería. Integrantes de la comunidad académica del país, como el
grupo PAAS-UN, se han centrado en caracterizar algunos parámetros del rayo en
Colombia con diferentes tecnologías de sistemas de y compararlos con parámetros de
rayo de otros países evidenciando para ciertas zonas de Colombia la severidad en
magnitud de corriente kA, nivel ceraunico y cantidad de descargas a tierra.
En un artículo IEEE publicado en 2015 [18] se realiza una contribución a la
caracterización de tres parámetros del rayo en regiones tropicales; Brasil, Colombia,
Costa Rica y Venezuela, los parámetros analizados son: la corriente pico de rayo, la
densidad de descargas a tierra y el nivel ceraunico.
Figura 1—4 Comparación de la probabilidad de ocurrencia de la corriente pico para una descarga negativa para países en zona tropical [18]
En la Figura 1—4 se indica la probabilidad de ocurrencia para la magnitud de la corriente
de una descarga electrica atmosférica de tipo negativo comparada para países tropicales
para Colombia se observan probabilidades de 50% para corrientes hasta 50kA.
28 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Figura 1—5 Cantidad de observaciones de descargas eléctricas atmosféricas (rayos/km²/año) [18]
En la Figura 1—5 se muestra que para Colombia se presentaron mayor número de
descargas eléctricas (rayos/km²/año) en comparación con los otros países analizados.
Figura 1—6 Máximo KL_ Nivel ceraunico en comparación con otros países [18]
En la Figura 1—6 se muestra el valor del máximo nivel ceraunico para Colombia
comparado con otros países.
Con las referencias indicadas anteriormente se puede concluir que Colombia presenta
unas probabilidades altas para altas magnitudes de corriente pico de descargas
negativas (50%, 50kA) al igual que presenta la más alta densidad de descargas a tierra
(65) en comparación con los otros países analizados y por ultimo presenta el nivel
ceraunico (160) más alto comparando con los otros países analizados.
Otros esfuerzos de la comunidad científica se han centrado en la instalación de sistemas
de medición para caracterización de los parámetros del rayo en diferentes regiones de
Colombia, realizando un tratamiento riguroso de la información y entregando resultados
de un avance muy significativo en el conocimiento más ajustado de los parámetros del
rayo para la región de Colombia.
En otras referencias se analizan parámetros del rayo en diferentes regiones de Colombia
con sistemas de medida [19] [20] [21] que coinciden en que Colombia presenta
particularidades propias en cuanto al comportamiento de descargas eléctricas
atmosféricas presentando valores elevados de probabilidad de corriente pico de
descarga, una alta densidad de descargas a tierra y un alto nivel ceraunico, En la
siguiente referencia [22] se toma como referencia la Figura 1—7 donde se indican los
valores de corrientes pico y numero de descargas a tierra para rayos nube tierra
negativos [11]correlacionados con la altura sobre el nivel del mar para Colombia. La
Capítulo 1 29
industria petrolera en Colombia se desarrolla en un alto porcentaje en alturas de hasta
1000msnm.
Figura 1—7 Relación entre la altitud de regiones en Colombia y el número de descargas a tierra y la corriente pico [22]
Con base en lo analizado en el marco teórico se concluye que Colombia es un país
ubicado en zona tropical con una alta densidad de descargas a tierra, niveles ceraunicos
altos y probabilidades altas de la magnitud de la corriente pico de descarga eléctrica
atmosférica de tipo negativo nube tierra, además el desarrollo de la industria petrolera
colombiana se encuentra ubicado en zonas con altas probabilidades de descargas
efectivas a tierra y es muy probable que los tanques de almacenamiento de
hidrocarburos presenten posibilidades de un incendio o una explosión por ignición
ocasionada por un rayo y que se encuentren en la atmosfera circundante vapores
inflamables o combustibles que puedan materializar el riesgo.
1.4 Implementación de la metodología del SIPRA
Respecto a los rayos se puede afirmar, sin lugar a dudas, que no existen medios para
evitarlos [2] pero existen medidas para ejercer un control que ofrezca seguridad a las
personas y a los equipos eléctricos y electrónicos [6]. El comportamiento de este
fenómeno atmosférico puede ser mejor descrito y analizado en términos estadísticos [9],
teniendo en cuenta su variación espacial y temporal [11]; lo cual es importante al diseñar
e implementar un sistema de protección contra rayos para un sitio específico [6] [23].
No se conoce exactamente el proceso físico mediante el cual la carga almacenada en la
nube de tormenta se transfiere a la tierra en una descarga eléctrica atmosférica. Existen
varias teorías [13] [11] [2] [23]que tratan de explicar con algún detalle las diferentes
etapas de una descarga, pero hasta ahora no existe una teoría única y comprobada con
la que estén de acuerdo todos los investigadores [2].
Por todo lo anterior y teniendo en cuenta el estado del arte en cuanto a conocimiento del
fenómeno del rayo y la protección contra impactos directos e indirectos de éste, las
precauciones de protección apuntan hacia los efectos secundarios y a las consecuencias
30 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
de una descarga eléctrica atmosférica. Esto se logra mediante la implementación del
Sistema Integral de Protección contra Rayos [6] [1], el cual se presenta
esquemáticamente en la Figura 1—8.
Figura 1—8 Diagrama de flujo para un SIPRA
La función del Sistema Integral de Protección contra Rayos – SIPRA es obtener un alto
grado de seguridad mediante la combinación de varios elementos como la protección
externa, la protección interna, la guía de seguridad personal y el sistema de detección de
tormentas [6]. Mediante el Sistema de protección externa contra rayos se interceptan los
rayos que pueden impactar la estructura a proteger y se llevan hasta el sistema de
puesta a tierra en forma segura, a través de las bajantes, ejerciendo un control sobre la
descarga y sus efectos [8] [9]. Con el sistema de protección interna se minimizan los
daños debidos a corrientes y tensiones inducidas por rayos que sean interceptados por el
sistema de protección externa o que impacten en sus alrededores.
La función del sistema de detección de tormentas es dar aviso al personal, para que
tome las precauciones respectivas, en el caso que se acerque una tormenta eléctrica.
Dichas precauciones aparecen en la guía de seguridad personal, la cual debe ser
difundida ampliamente [6].
Para el diseño del Sistema de protección externa contra rayos se debe utilizar el método
de la esfera rodante (rolling ball) [9] [6] [1], el cual tiene su aplicación en el estudio del
apantallamiento que proveen las varillas verticales (puntas captadoras) y/o los
conductores horizontales (cables de guarda) conectados a tierra, a las estructuras y a las
líneas de transmisión. La principal hipótesis en que se basa el método es que la carga
espacial contenida en el líder escalonado [11], está relacionada con la magnitud de la
corriente de la descarga. Con base en estudios teóricos y experimentales se establece
una expresión matemática que relaciona la carga espacial, la magnitud máxima de la
SISTEMA INTEGRAL DE PROTECCIÓN CONTRA RAYOS[SIPRA]
SISTEMA DE PROTECCIÓN EXTERNA
• SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE RAYOS
• CONDUSTORES BAJANTES
• SISTEMA DE PUESTA A TIERRA
SISTEMA DE PROTECCIÓN INTERNA
GUIA DE SEGURIDAD PERSONAL
SISTEMA DE DETECCIÓN DE TORMENTAS
Capítulo 1 31
corriente de retorno del rayo (imax) y la distancia de impacto rSc, la cual sintetiza la teoría
del método electro geométrico.
El método fue desarrollado para diseño de apantallamientos en líneas de transmisión de
energía eléctrica [24]; sin embargo, sus fundamentos tienen aplicación en cualquier tipo
de estructura que se desee proteger contra rayos. En él se busca que los objetos a ser
protegidos (por ejemplo una estructura como una edificación) sean puntos menos
probables a los rayos que los elementos de protección externa (terminales de captación).
Esto se logra determinando la llamada distancia de impacto rsc del rayo a una estructura
u objeto [24] [6], que es la longitud del último paso del líder de un rayo [11], bajo la
influencia de un terminal que lo atrae, o de la tierra.
Durante varias décadas los miembros del Comité CIGRE WG 33.01 han trabajado en
pruebas de laboratorio y campo para desarrollar la ecuación que mejor se ajuste al
método electro geométrico. Actualmente esta ecuación es1:
( ) [ ]
( 1-7)
Donde imax es la magnitud máxima de la corriente de retorno del rayo expresada en kA.
Una expresión más sencilla de esta ecuación es:
( ) [ ] ( 1-8)
Debido al alto riesgo presente en las áreas de explotación petrolera, la distancia de
impacto utilizada para el diseño y cálculo del sistema de protección externa contra rayos
no debe ser mayor de 35 metros (rsc < 35m) [6].
En la práctica, para determinar gráficamente la altura mínima de la instalación de
interceptación, se trazan arcos de circunferencia con radio igual a la distancia de impacto
rsc, entre los objetos a ser protegidos y los terminales de captación, de tal forma que los
arcos sean tangentes a la tierra y a los objetos o tangentes entre objetos; cualquier
estructura por debajo de los arcos estará protegida por el o los objetos que conformen el
arco, y cualquier objeto que sea tocado por el arco estará expuesto a descargas directas
[1].
Elementos de captación de rayos
1 Para la expresión reducida de la ecuación 3-2 el valor de 9.41 puede cambiar a 10.
32 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Es el conjunto de todos aquellos elementos conductores que forman parte del sistema de
protección externo contra rayos, en contacto directo con las bajantes y que buscan
interceptar la descarga eléctrica atmosférica cuando ésta entra a la zona de protección.
Donde se utilicen bayonetas como Instalación de interceptación de rayos, éstas deben
ser de cobre y tener un diámetro no menor de 5/8” (15.9mm) si son varillas sólidas y si
son tubulares de 3/4” (19.05mm) con un espesor mínimo de 0.8mm [9]. En ambos casos
su longitud mínima debe ser de 10” (254mm). Los soportes de estas bayonetas deben
ser como se muestran en la Figura 1—9
Cada uno de los elementos de la instalación de interceptación de rayos de una misma
estructura debe ir conectada a una bajante e interconectados entre sí, por medio de un
cable de material conductor especificado para tal fin.
Bajante
Donde se utilicen bajantes, éstas deben ser cables de material conductor y deben ir
unidas a los elementos metálicos cercanos a lo largo de su recorrido, con el fin de
equipotencializar dichos elementos.
Las bajantes deben distribuirse simétricamente alrededor de la estructura a proteger,
ubicadas en la parte exterior de ésta y distanciadas entre sí 10m como máximo [6] [1];
cada estructura debe poseer por lo menos dos, excepto en las torres de comunicación en
las cuales solo se requiere una bajante.
Todas las bajantes deben estar unidas a la estructura en la parte superior e inferior de
ésta y conectadas firmemente al sistema de puesta a tierra general de la industria.
Protección típica en tanques de almacenamiento
La instalación de interceptación de rayos para cada tanque estará compuesta por postes
que sostienen cables ACSR (aluminio reforzado con acero) de calibre adecuado para
soportar la corriente del rayo, suspendidos horizontalmente alrededor del tanque Figura
1—9 La distancia de separación de los postes y los cables con respecto al tanque, no
debe ser menor a 2m y su ubicación exacta se determina con el método electro
geométrico o de la esfera rodante.
Capítulo 1 33
Figura 1—9: Esquema de protección externa en tanques de almacenamiento con mástiles y cables de guarda.
Todas las partes metálicas del tanque deben estar unidas eléctricamente entre sí; esto
incluye las partes que conforman los elementos como válvulas, tuberías, etc. En el caso
de ser necesario un aislamiento, se deben unir las partes aisladas mediante caminos de
descarga (gaps) encapsulados, de forma que al presentarse una diferencia de tensión
entre las partes separadas actúen éstos y no se presente una chispa al aire libre.
Tanques de techo fijo: Desde el punto de vista teórico, los tanques metálicos con techo
fijo metálico, por ser estructuras con espesor mayor a 5mm, se encuentran protegidos
contra los daños que pueda producir un impacto directo de rayo [9]. Sin embargo, la
posible emisión o fugas de gases a la atmósfera por las válvulas de escape o por fallas
en los sellamientos herméticos, hace necesario el análisis detallado para ver la
necesidad de implementar una instalación de interceptación de rayos especial, que
garantice que un rayo no impacte directamente al tanque; así mismo, las conexiones
eléctricas deben ser firmes, todo enfocado hacia evitar una explosión o incendio, como
se menciona en [3] [4].
Tanques de techo flotante: En un tanque de techo flotante puede producirse un
incendio en el espacio del sello, como resultado de impactos directos o arcos de carga
inducida en el techo flotante. Es por esto que se debe garantizar un buen ajuste de los
sellos y un adecuado diseño de los elementos equipotenciales (shunts) [9]. Los Shunts
son flejes metálicos, colocados a intervalos de no más de 3m en la circunferencia del
techo; que unen y dan un buen contacto entre éste y la carcasa del tanque, de forma que
en el caso de un impacto de rayo, la corriente de éste se propague a tierra sin generar
34 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
chispa. En todos los casos el diseño debe garantizar que se mantiene un buen contacto
entre el pantógrafo y la carcasa en la mayor altura posible del techo.
Es importante tener en cuenta que las capas de pintura pueden actuar como aislante
entre los pantógrafos y la carcasa, con lo cual se perdería la continuidad eléctrica entre el
techo y el resto del tanque.
En este caso también, la posible emisión o fugas de gases a la atmósfera por las válvulas
de escape o por fallas en los sellamientos herméticos, hace necesario implementar una
instalación de interceptación de rayos especial, que garantice que un rayo no impacte
directamente al tanque; así mismo, las conexiones eléctricas deben ser firmes, todo
enfocado hacia evitar una explosión o incendio, como se menciona en [10] [9].
A continuación se presenta la estructura de la tesis.
1.5 Estructura de la tesis
Esta Tesis está dividida en 6 capítulos distribuidos de la siguiente forma:
En el capítulo 1 se desarrolla la introducción, la identificación del problema, los objetivos
y el marco teórico.
En el capítulo 2 se hace una revisión crítica de las normas colombianas [1], americanas
[9], [10]y europeas [6] que aplican para el análisis de riesgos y las medidas de protección
ante eventos de rayos. Identificando las posibles brechas que se dan en interpretación de
las normas y realizando una integración de los conceptos en cuanto a protección de
tanques de almacenamiento de hidrocarburos se refieren.
En el capítulo 3 se realiza un modelado por medio el software FEKO [17], [14]utilizando
herramientas de electromagnetismo computacional, para analizar los campos
electromagnéticos en las superficies de los tanques de almacenamiento haciendo énfasis
en los tanques que se pueden considerar como auto protegidos y parques de tanques
que cuentan con una protección contra rayos que son aplicados de forma típica en la
industria del petróleo.
En el capítulo 4 se propone una metodología para analizar tanques de almacenamiento
de hidrocarburos y determinar los sistemas de protección externo haciendo énfasis en el
sistema de protección con aislamiento eléctrico, se realiza el modelamiento de un
ejemplo de un sistema aislado eléctricamente de protección y se compara con los
sistemas tradicionales de protección, [17] se calculan los campos electromagnéticos para
Capítulo 1 35
los tanques de almacenamiento de hidrocarburos incluyendo los sistemas típicos y se
comparan con los calculados para un sistema aislado eléctricamente [25].
En el capítulo 5 se realiza un análisis de los resultados obtenidos identificando los
efectos de los impactos directos y los efectos indirectos de una descarga eléctrica
atmosférica en un tanque de almacenamiento de hidrocarburos.
Por último el capítulo 6 recopila las conclusiones y recomendaciones del trabajo realizado
y los futuros trabajos de investigación que se pueden desarrollar en esta temática.
2. Capítulo 2: Normas de protección contra rayos
2.1 Análisis de normas técnicas de protección contra rayos aplicadas a tanques de almacenamiento de hidrocarburos
En este capítulo se hace una revisión crítica de las normativas que se utilizan al
momento de caracterización, análisis de riesgos y diseños de sistemas de protección
contra descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de
hidrocarburos.
Para el análisis detallado se tendrá especial atención en los tanques de tipo atmosférico
de techo flotante externo, techo flotante interno y techo fijo ver Figura 2—1.
Las normativas a analizar se encuentran clasificadas para el contexto colombiano [1], el
contexto estadounidense [26] [10] [9] y el europeo [6], para realizar una aplicación de
dichas normas al caso colombiano esto debido a la particularidad de las frecuencias y
magnitudes de los rayos en Colombia.
2.2 Norma técnica colombiana NTC 4552-1-2-3
La norma técnica colombiana [1], establece consideraciones adaptadas de la norma IEC
[6] en cuanto a la valoración de estructuras tipo tanques de almacenamiento de
hidrocarburos, donde se almacenan materiales inflamables y combustibles [3]. Para la
estimación de los riesgos y los análisis de protección contra rayos se hacen necesario la
clasificación de las áreas de acuerdo a la norma [27] [8] para la clasificación de áreas de
los tipos de tanques atmosféricos. Es de aclarar que esta norma en su totalidad es
38 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
adaptada para protección de estructuras de uso común, la metodología para el análisis
de riesgos puede ser usada.
En el numeral D.5.5.2 de la NTC 4552-3, se realiza una descripción particular para los
tanques que almacenan líquidos inflamables y combustibles. En la Tabla 2-1 se resumen
las principales características indicadas en la norma.
Tabla 2-1: Análisis de tanques de almacenamiento NTC 4552-3
Tanques de almacenamiento
Tipo Auto protegido Puesta a tierra Referencia
Tanque de
techo fijo
Se puede considerar auto
protegido con espesores de
5mm para acero y 7 mm para
aluminio.
Es necesaria en caso de
sistemas aislados
En caso de no cumplir los espesores
especificados y la continuidad
eléctrica, se requiere protección
adicional.
Tanque de
techo
flotante
externo
Requiere conexiones
equipotenciales entre el techo
flotante y la pared del tanque
cada 1.5m en todo el diámetro.
Se requiere puesta a tierra
entre tanques. Se requiere
conexión equipotencial si el
tanque lleva escalera
abatible.
El punto crítico es la unión entre el
techo y la pared del tanque, se
debe cumplir equipotencialización.
Elaboración propia.
Con base en el resumen anterior la norma solo da una aproximación a los parámetros de
evaluación de los tanques de almacenamiento de hidrocarburos de forma muy general se
presentan las siguientes indicaciones:
1. La información para considerar una estructura de almacenamiento de hidrocarburos
como auto protegida es muy escasa, solo se basa en los espesores de la lámina del
propio tanque y en la continuidad eléctrica, no se evalúan los tanques a nivel constitutivo
al igual que las zonas o puntos vulnerables a una ignición por la presencia de vapores
inflamables [3] [4].
2. Se indica que los equipos eléctricos y de instrumentación utilizados en estas zonas
deben ser aprobados para este uso, se deja un vacío debido a que no se hace referencia
a una norma que agrupe y valide el uso de equipos especiales para ser usados en las
instalaciones de tanques.
3. No se especifica técnicamente la conexión de un punto del tanque a un sistema de
puesta a tierra ni la conexión equipotencial entre tanques.
4. No se hace una clara distinción entre los tanques de techo flotante interno o externo y
se presenta una posibilidad de disminuir el riesgo a niveles bajos para la presencia de
vapores a nivel del sello. No existen unas características técnicas de recomendaciones
donde se indiquen las variables a afectar para disminuir el nivel del riesgo.
Capítulo 2 39
5. Para las conexiones equipotenciales a 1.5 m por todo el perímetro del tanque de techo
flotante, la norma no hace referencia a unas especificaciones claras del tipo de material a
utilizar y los espesores recomendados para obtener una baja resistencia de contacto
entre la pared y el techo del tanque.
Con los puntos analizados de 1 a 5, es evidente que la Norma [1], no presenta un
alcance técnico ajustado a las necesidades de análisis de riesgo y protección de los
tanques de almacenamiento de hidrocarburos ante rayos, presenta grandes vacíos y no
cubre con una satisfacción técnica actual para diseñar sistemas de protección para
tanques en cumplimiento de la norma. Es evidente que esta norma no fue elaborada para
aplicar al sector industrial de los hidrocarburos para protección de tanques.
2.3 Norma técnica europea IEC-62305-1-2-3
La norma IEC 62305 [6], es la norma de referencia de la NTC 4552 [1], a continuación se
realiza un análisis en las componentes que presenta para los análisis de riesgos y
protección de tanques de almacenamiento de hidrocarburos.
En el numeral D.5.4 Indica que los recipientes metálicos definidos como zona 0 y 20 [8]
deben tener en los posible puntos de impactos de los rayos un espesor mínimo de la
pared de acuerdo a la información registrada en la Tabla 2-2, siempre que el
calentamiento de la superficie interior en el punto de impacto no constituya un peligro, si
el espesor es menor deben instalarse dispositivos de protección adicional.
Tabla 2-2: Espesores mínimos de las paredes de los tanques de almacenamiento
Clase de protección Material Espesor*[mm] Espesor**[mm]
I a IV
Plomo - 2
Acero[inoxidable galvanizado]
4 0.5
Titanio 4 0.5
Cobre 5 0.5
Aluminio 7 0.65
Cinc - 0.7 *Previene las perforaciones, puntos calientes o inflamaciones.
**si no es importante prevenir perforaciones, problemas de puntos calientes o de inflamaciones. Tomada de la tabla 3 de [6].
El numeral D.5.5.2 de [6] es idéntico al D.5.5.2 de [1], de igual manera se aplican los
comentarios realizados de 1 a 5 del numeral 2.2 y de la Tabla 2-1: Análisis de tanques de
almacenamiento NTC 4552-3, lo anterior es debido a que la NTC-4552-1-2-3 es una
adaptación para el caso colombiano de la IEC 62305.
40 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
2.4 Norma técnica estadounidense NFPA 780
En la norma técnica [9] en el capítulo 7, hace referencia a la protección de estructuras
que contienen líquidos, vapores y gases inflamables y combustibles [3] en la Tabla 2-3
se resumen las consideraciones particulares del capítulo.
Tabla 2-3: Análisis de tanques de almacenamiento NFPA 780
Tanques de almacenamiento
Tipo Auto protegido Puesta a tierra Referencia
Tanque
de techo
fijo
Se puede considerar auto protegido con
espesores de 5mm. Se debe evitar el impacto
de una descarga electrica en los dispositivos
de venteo.
Es necesaria en caso
de sistemas aislados
En caso de no cumplir los
espesores especificados y la
continuidad eléctrica, se
requiere protección adicional.
Tanque
de techo
flotante
interno
No requiere conexiones equipotenciales
entre el techo flotante [membrana
geodésica] y la pared del tanque.
Se requiere puesta a
tierra entre tanques.
Para que todos estén
a potencial cero.
Para techo flotante interno la
norma no hace referencia a los
espesores mínimos de techo
para considerar la estructura
auto protegida.
Tanque
de techo
flotante
externo
Requiere conexiones equipotenciales entre el
techo flotante y la pared del tanque cada 3m
en todo el diámetro y debe estar inmerso en
el líquido que contiene el tanque al igual
debe tener conductores equipotenciales
entre el techo del tanque y la pared cada
30m alrededor del perímetro del tanque y de
una resistividad menor de 0.03Ω.
Se requiere puesta a
tierra entre tanques.
Se requiere conexión
equipotencial si el
tanque lleva escalera
abatible.
El punto crítico es la unión
entre el techo y la pared del
tanque, se debe cumplir
equipotencialización.
Elaboración propia
Con base en el resumen anterior, la Norma [9] presenta una aproximación a los
parámetros de evaluación de los tanques de almacenamiento de hidrocarburos de forma
muy general para tanques de techo fijo y techo flotante interno y realiza un desarrollo
más específico para los tanques de techo flotante externo debido a su condición crítica
ante las altas probabilidades de incendio, se presentan las siguientes indicaciones:
1. La información para considerar una estructura de almacenamiento de hidrocarburos
como autoprotegida es muy escasa, solo se basa en los espesores de la lámina del
tanque y en la continuidad, no se evalúan los tanques a nivel constitutivo y las zonas o
puntos vulnerables a una ignición por la presencia de vapores inflamables [3]. Para
tanques de techo fijo se realiza una recomendación de evitar que un rayo impacte los
Capítulo 2 41
elementos de venteo, presión y vacío, pero no indica metodologías claras de diseño de
sistemas de protección contra rayos que se puedan implementar.
2. Para tanques de techo flotante interno solo indica que no es necesario la conexión
equipotencial entre la membrana flotante y la pared del tanque. Es decir que esta norma
no da parámetros claros para considerar una estructura de este tipo como auto protegida
al igual que no da lineamientos de protección puntuales.
3. No se especifica técnicamente la conexión de un punto del tanque a un sistema de
puesta a tierra ni la conexión equipotencial entre tanques.
4. Para los tanques de techo flotante externo se hace más énfasis en las
recomendaciones de elementos adicionales al tanque en función de la protección contra
descargas eléctricas atmosféricas como es el caso de los shunt (conexiones
equipotenciales) entre el techo y la pared del tanque inmersos en el material almacenado
en el tanque y los conductores bypass que son elementos equipotenciales entre la pared
y el tanque ver Figura 2—1.
5. Se dan especificaciones más puntuales para los elementos shunt: deben estar
inmersos en el líquido almacenado 0.3m y se debe adicionar un elemento mínimo cada 3
metros alrededor del perímetro del tanque y la sección mínima del elemento debe ser de
20mm². Para los conductores bypass para equipotencialización se deben instalar como
mínimo cada 30m alrededor del perímetro del tanque entre la cima de la pared del tanque
y el techo flotante externo y como alternativa recomendada de la norma se puede aislar
la pared del techo flotante con un valor de aislamiento eléctrico de 1kV.
Con los puntos analizados de 1 a 5, la norma [9], no es específica para analizar los
sistemas de protección de tanques de techo fijo y de techo flotante interno más si realiza
un análisis un poco más detallado para los tanques de techo flotante externo
presentando especificaciones de elementos que se pueden adicionar al tanque, como los
shunt, los bypass y el aislamiento, tal que permitan realizar un sistema de protección
integral para el tanque de techo flotante externo. Por ultimo no hace recomendaciones
para implementar un sistema convencional de protección adicional a los elementos de
protección integrados a la estructura del tanque.
2.5 Norma técnica estadounidense API-RP-545
El American Petroleum Institute, para el año 2009 saca a circulación el producto API-RP
545 (Recommended Practice for Lightning Protection of Aboveground Storage
Tanks for Flammable or Combustible Liquids) [10] cuyo principal objetivo era entregar
unos lineamientos para la valoración y protección de tanques de almacenamiento de
hidrocarburos, haciendo un especial énfasis en los tanques de techo flotante externo
debido a que son los más susceptibles a incendios por impactos directos e indirectos de
los rayos, al igual se presentan unas recomendaciones particulares para tanques de
techo fijo y tanques de techo flotante interno con domo geodésico. Esta recomendación
42 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
técnica presenta una gran acogida en el sector de los hidrocarburos tomándose inclusive
como norma general y obligatoria para los diseñadores de sistemas de protección contra
descargas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos.
Los tanques de techo flotante interno con domo geodésico son recipientes que
almacenan normalmente materiales inflamables [3], su cuerpo vertical de paredes está
unido a un techo en domo fabricado en aluminio e internamente tiene una membrana
apoyada en una estructura horizontal la cual es considerada como el techo interno del
tanque el cual sube o baja dependiendo del nivel del líquido almacenado Figura 2—1. La
norma [10] presenta un escenario para el impacto directo en el techo del tanque (domo
construido en material de aluminio). En el numeral 4 de la norma API-RP-545 [10] se
presentan las consideraciones para la protección de los tipos de tanques específicos
donde se estima el tanque de techo flotante interno con domo geodésico así:
a. Es probable que en las zonas de los venteos existan vapores inflamables, lo que
ante el impacto de un rayo pueden causar un incendio.
b. Elementos conductores shunt entre el techo flotante interno y la pared del tanque no
son necesarios.
c. Tanques que contengan materiales inflamables con baja presión de vapor [3] con
buen mantenimiento de los techos internos, lo cual permita una buena hermeticidad
entre el techo y las paredes, evitando escape de vapores al volumen comprendido
entre el techo flotante y el domo geodésico, no requieren protección adicional.
En conclusión a los puntos citados del a al c, y revisando el anexo B de la [10] se da un
buen parte histórico del comportamiento de los tanques de techo flotante interno con
domo geodésico ante las descargas eléctricas atmosféricas dejando todo el foco de
análisis al tema de la posible presencia de vapores ante las siguientes circunstancias
operativas y de diseño:
a. Presencia de vapores inflamables en concentración proporcional a la cantidad de
oxigeno mínima para que pueda ocurrir un incendio continuo. Estos deben de ser
controlados por el techo flotante interno.
b. Malas prácticas operativas como lo son las operaciones de sobrellenado,
excediendo los límites de diseño de nivel.
c. Fallas que se puedan dar en el sistema mecánico de flotación, frenado y/o des-
alineamiento de los sellos en relación con la pared del tanque.
d. Mala ventilación en las áreas de presencia del tanque, hace referencia a los
tanques diseñados bajo estándar [4]
En relación al análisis anterior la norma [10], hace énfasis en que no hay necesidad de
protección adicional de un tanque de techo flotante interno con domo geodésico
considerando las condiciones de un correcto diseño, un adecuado montaje, condiciones
Capítulo 2 43
operativas favorables para el correcto desempeño del tanque, especial cuidado en los
elementos móviles como lo son el techo flotante y sus sellos y el adecuado
mantenimiento en el tiempo para conservar las condiciones iniciales de diseño del tanque
[4].
Figura 2—1 Tanques de almacenamiento de hidrocarburos: techo fijo, techo flotante externo, techo flotante interno.
Para condiciones de diseño de sistemas de protección la norma deja en evidencia una
brecha entre sí se puede considerar o no el tanque de techo flotante interno como
estructura auto protegía (bajante natural) [10] [9] [1] [6] en varios aspectos:
1. No se definen valores cuantitativos de la presión de vapor definida como “baja”,
para caracterizar los tanques con el tipo de sustancia que almacena [3].
2. No presenta medidas de lo espesores de techo, para considerarlos como bajantes
naturales, simplemente hace el comentario del comportamiento del techo como una
jaula de Faraday como si es detallado en la norma [6].
3. No especifica consideraciones particulares del efecto del rayo ante un impacto
directo para los diferentes tipos de materiales evaporados que pueden presentar los
tanques en el techo [3].
4. No se presenta un procedimiento de análisis para determinar si la estructura se
puede considerar auto protegida o requiere sistemas de protección adicional como
44 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
lo indican las normas [6] y [1] para otros sistemas diferentes a tanques de
almacenamiento.
5. Queda supeditado el análisis de protección a variables que dependen de factores
humanos en el tiempo como factores de operación y mantenimiento. Deberían ser
recomendaciones de operación no datos de entrada cualitativos para soporte de un
diseño de protección contra rayos para tanques de almacenamiento de
hidrocarburos en complemento a la norma API 545 [10].
Para el caso de los tanques con techo flotante externo se tienen básicamente las mismas
recomendaciones de la [9] esto debido a que la [10] es del año 2009 y la NFPA 780 es
del año 2017, es decir la NFPA 780 [9]tomo las recomendaciones de la API 545 [10]
para los tanques de techo flotante externo.
Para los tanques de techo fijo se reitera la posibilidad de considerar la estructura como
auto protegida con los espesores recomendados por la [10] [6] [1] y tomando en
consideración cualitativamente que es posible que en los elementos de venteo, válvulas
de presión y vacío se pueda tener presencia de vapores inflamables o combustibles [3].
En conclusión la norma [10] da unos lineamientos más específicos al igual que la norma
[9] en cuanto a elementos adicionales a la estructura del tanque que sirven como
elementos de protección ante los fenómenos electromagnéticos producto de un rayo,
para los tanques de techo fijo y techo flotante interno presenta breves descripciones
cualitativas con el hecho de que se pueden presentar vapores ante ciertas condiciones
operativas del proceso y no es clara la norma en cuanto a elementos asociados a la
protección contra rayos de estas estructuras tal como es indicado en el anexo B de la
[10] y el análisis realizado de los puntos 1 a 5 de los techos de domo geodésico.
2.6 Síntesis
En este capítulo se revisaron las normas [8] [6] [9] [1] nacionales e internacionales
haciendo énfasis en el tema de protección de tanques de almacenamiento de
hidrocarburos ante descargas eléctricas atmosféricas.
Con la revisión anterior se evidencia que existen herramientas normativas colombianas e
internacionales para realizar diseños de sistemas de protección para tanques de
almacenamiento de hidrocarburos en especial para los tanques de techo flotante externo,
estos elementos son constitutivos del tanque es decir que forman parte como extensión
de la estructura del tanque. Se evidenció que se presenta más incertidumbre para los
tanques de techo fijo y techo flotante externo en cuanto a las normas no indican
elementos de diseño y análisis para implementar sistemas de protección para este tipo
de tanques y quedan datos cualitativos con pocas herramientas de análisis y un
Capítulo 2 45
panorama de interpretación muy amplio para los ingenieros de diseño de sistemas de
protección.
En el siguiente capítulo se realizara el análisis del comportamiento de las descargas
eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos modelando las
estructuras y los impactos de la corriente de rayo revisando los campos eléctricos y
magnéticos en las superficies de los tanques.
3. Capítulo 3: Campos electromagnéticos producidos por el rayo
Básicamente para que se dé un incendio en un tanque de almacenamiento de
hidrocarburos se requiere la combinación de tres elementos: el oxígeno, el vapor
inflamable o combustible [27] [3] y la energía de ignición, para el presente capítulo se va
analizar la magnitud energética que aporta la corriente de un rayo en las superficies de
los tanques de almacenamiento de hidrocarburos haciendo especial énfasis en el campo
eléctrico kV/m.
3.1 Modelo de la corriente del rayo
De acuerdo a la Norma API-RP-545 [10], se tiene una forma de onda típica de impulso de
la corriente de la descarga atmosferica. Teniendo en consideración que normalmente los
parques de tanques donde se almacenan materiales inflamables y combustibles se
consideran áreas clasificadas [27] y son consideradas como NPR I (nivel de protección
contra rayos) [6] [1] tipo I donde la magnitud de la primera descarga se estima de para un
caso conservador y de descarga negativa con 90% de la probabilidad de ocurrencia [11]
200kA.
48 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Figura 3—1: Modelo electromagnético para propagación de campos. Adaptado de
Electromagnetic (antenna-theory) model of Moini et al (2000)
Los modelos electromagnéticos [23] [11] [28] se basan generalmente en modelar una
antena con un dipolo eléctrico Figura 3—1. Estos modelos incluyen una solución
numérica de las ecuaciones de Maxwell, conociendo la aproximación en magnitud de la
distribución de corriente a lo largo del canal del rayo se pueden obtener los campos
eléctricos y magnéticos remotos propagados.
Las ecuaciones generales para la distribución espacio-temporal de la corriente a lo largo
del canal de rayo y a lo largo de un objeto donde se puede dar un impacto de rayo están
dadas por las siguientes expresiones [15] [23]:
Para h < z' < H,
( ) [ ( ) (
) (
)
( )( )∑
(
)
]
(
)
( 3-1)
Para 0 ≤ z' ≤ h,
( ) ( )∑ [
(
)
(
)] (
)
( 3-2)
49
En las ecuaciones ( 3-1) y ( 3-2),
es la altura del objeto,
ρt y ρg son los coeficientes de reflexión de la corriente superior e inferior para ondas de
propagación ascendente y descendente
H es la altura del canal de la corriente de retorno que se extiende,
es La velocidad de la luz.
u es la función de Heaviside igual a 1 para t ≥ z'/v y 0 para casos contrario
P(z') es la altura, que depende del factor de atenuación de la corriente.
V es la velocidad vertical de la corriente de retorno.
v es la velocidad con que se propaga la onda de corriente.
Figura 3—2: Parámetros para el modelo de la corriente de retorno impactando un elemento elevado de la tierra física.
Para el analisis del impacto directo de un rayo en tanque de almacenamiento o en un
sistema de protección externo a el tanque de hidrocarburos se procedera a modelar la
magnitud de la corriente de la primera descarga de retorno utilizando un modelo de
ingeniería [11, pp. 231-259] ver ecuación para la magnitud de la primera descarga ( 3-3).
( ) [ ]
( 3-3)
50 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Donde es la magnitud de la corriente constante y a, b, son constantes de tiempo en
segundos ver Figura 3—3.
Figura 3—3: Modelo exponencial doble del impulso de corriente de rayo para 200kA. Fuente Software FEKO
Para el analisis del comportamiento del impacto directo del rayo en el techo del tanque y
determinar los valores de E, B, P ( campo eléctrico, magnetico y vector de poynting), se
hace necesario resolver las ecuaciones de maxwell [23] [29, p. 567]. Ecuaciones ( 3-4)(
3-5)( 3-6)( 3-7).
( 3-4)
( 3-5)
( 3-6)
( 3-7)
Y se cumplen las siguientes relaciones;
( 3-8)
( 3-9) Donde:
E= la intensidad de campo eléctrico[V/m].
H= la intensidad de campo magnético[A/m].
51
= la densidad de corriente[A/m2].
= la permitividad eléctrica[F/m].
= la permeabilidad magnética[H/m].
Para calcular el campo radiado en el punto p se calcula el potencial vectorial A.
( )
∫ ( )
( 3-10)
Donde,
A, Es el potencial magnético.
( ) Es el punto de fuente.
( ) Es el punto de medida.
Es el vector de corriente.
R, es la distancia de separación entre el punto de fuente y el punto de medida.
K, es el número de la onda.
Suponiendo que el radio del dipolo es mucho menor que el de longitud de onda y que la
corriente se considera constante y que solo hay propagación en el eje z, la
expresión se puede reducir a:
( )
( 3-11)
Donde,
r es aproximado a :
√( ) ( ) ( ) √( ) ( ) ( ) ( 3-12)
Con la técnica del dipolo eléctrico es posible realizar los cálculos analíticos del campo
eléctrico y magnético en un punto de observación, básicamente la técnica se puede
plantear en los siguientes pasos.
Se define la magnitud de la corriente
Con se puede calcular el potencial vectorial A
Se utiliza la condición de Lorentz [15] para encontrar el potencial escalar φ
52 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
( )
∫ ( )
( 3-13)
Se calcula el campo eléctrico E usando A y φ
( 3-14)
Por último se calcula el campo magnético B usando A
( 3-15)
Para conocer los valores de los campos electromagneticos radiados en las estructuras de
los tanques de alamacenamiento de hidrocarburos es necesario realizar la solución de
las ecuaciones de Maxwell. En forma analítica es un desarrollo muy complejo por lo que
se hace necesario el uso de herramientas matemáticas como los métodos numéricos, a
continución se muestra el método de las diferencaias finitas FDTD [23] [30] usado para la
resolución de los campos electromagnéticos radiados producto de una descarga electrica
atmosferica.
3.2 Análisis por el método de las diferencias finitas [FDTD]
Las soluciones de las ecuaciones de Maxwel para el caso particular de este trabajo se
desarrolló por medio de análisis numérico del método de las diferencias finitas
FDTD(Finite difference time domain).
Según Baba [23, pp. 43-70], el método de las diferencias finitas se basa en un
procedimiento simple presentando una programación sencilla, tiene capacidad de
analizar geometrías complejas y no homogéneas, puede incorporar elementos no
lineales al igual que puede desarrollarse en el dominio del tiempo y la frecuencia ver
Figura 3—4.
53
Figura 3—4: Cubo para el análisis del método FDTD. Fuente. Baba, Yoshihiro_Rakov, Vladimir A-Electromagnetic computation methods for lightning surge protection studies-
John Wiley & Sons Inc. (2016)
La ley de ampere queda expresada en la ecuación ( 3-16):
( 3-16)
Donde:
E= la intensidad de campo eléctrico[V/m].
H= la intensidad de campo magnético[A/m].
= la densidad de corriente[A/m2].
= la conductividad eléctrica[S/m].
= la ley de ohm.
= la permitividad eléctrica[F/m].
= son los pasos numéricos de tiempo.
La ley de Faraday queda expresada en la ecuación:
( 3-17)
54 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Donde:
E= la intensidad de campo eléctrico[V/m].
H= la intensidad de campo magnético[A/m].
= la permeabilidad magnética[H/m].
= son los pasos numéricos de tiempo.
Para este trabajo se desarrolló el modelo de la primera descarga de retorno de un rayo,
realizando simulaciones de los posibles impactos directos sobre la superficie de los
tanques y sobre los sistemas típicos de protección, calculando los campos eléctricos,
magnéticos y el vector de poynting, en el software de electromagnetismo computacional
FEKO versión 14. Tipo educativo [17]. El software permite generar la geometría del
tanque, simular la descarga atmosferica impactando en los puntos más probables del
tanque y obtener los resultados numéricos de las magnitudes de los campos
electromagnéticos; E= la intensidad de campo eléctrico[V/m]. H= la intensidad de campo
magnético[A/m] y el entorno grafico en 3D de los fenómenos electromagnéticos [23, pp.
43-70].
3.3 Descargas eléctricas atmosfericas en superficies metálicas.
Cuando un rayo impacta una superficie metálica ésta se puede perforar, dado los
fenomenos térmicos, magnéticos, acústicos y mecánicos, este fenómeno es probable
cuando el rayo cambia de medio(del aire a una superficie sólida), pudiendo llevar el
material a su temperatura de fusión [13], [25] [31].
Según Cooray [13] [6], se tienen las siguientes relaciones para determinar la superficie
de fusión en un material metálico impactado por un rayo:
( 3-18)
∫ ( )
( 3-19)
(
)
( 3-20)
55
Donde:
=energía convertida en calor[w]
= total de la carga transferida en la descarga del rayo[C].
= corriente[A]
= tiempo de duración de la descarga[s]
= Volumen métalico que se funde[ ].
= tensión de cátodo
Tabla 3-1: Parámetros del aluminio, el cobre y el acero para estimar el volumen de fusión por una descarga atmosférica
Parámetros del aluminio
2700 685 397 908 29 4
Parámetros del cobre
8920 1080 209 385 17.8
3.92
Parámetros del acero
7700 1530 272 469 120
6.5
unidades kg/ °C J/kg J/(kg K) Ωm 1/K
Densidad Temperatura de fusión
Energia especifica de fusión
Calor especifico
Fuente. Cooray an introduction to lightning [13] [11].
Para considerar los tanques de almacenamiento analizados en este trabajo, como
estructuras auto protegidas, se estimarán los valores de volumen de fusión de la Tabla
3-1. Al igual se tiene como tiempo de duración =350µs [11], y según Cooray [13] el
área del canal del rayo se estima en 0.0314 .
Con base en lo anterior se tienen los escenarios más críticos para el análisis de los
impactos de la corriente de rayo en tanques de almacenamiento de hidrocarburos:
1. Impactos directos analizando los puntos de fusión del aluminio y el acero
elementos utilizados para construir los techos de los tanques de almacenamiento
[4].
56 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
2. Puntos donde se presente aumento de temperatura superficial y supere los
puntos de auto ignición de los vapores inflamables y combustibles [3].
3. Chispas de puntos no equipotenciales que puedan iniciar un incendio en
presencia de vapores combustibles e inflamables [3]. Para este ítem se tiene
como referencia valores menores a 200kV/m en la superficie de los tanques [30].
3.4 Simulación de un rayo y sus efectos en los tanques
A continuación se realizan las simulaciones para un caso significativo el cual es el tanque
de almacenamiento de techo flotante interno con domo en aluminio y un impacto directo
de rayo, según la Tabla 3-1 el aluminio presenta puntos de fusión más bajos [13] [25] y
también según la revisión bibliográfica del capítulo2 numeral 2.5 de las normas que
aplican es uno de los tanques que presenta más incertidumbre para considerarlo como
estructura auto protegida o requiere elementos de protección adicional.
3.4.1 Simulación en tanques de techo flotante interno con domo en aluminio
En la Figura 3—5 se presenta la vista frontal de un tanque de techo flotante interno,
donde se hace especial énfasis en el techo tipo domo donde se realizara el análisis del
comportamiento del techo al momento de un impacto directo de un rayo.
Figura 3—5: Descripción de tanque de almacenamiento con domo geodésico, visto de perfil. Fuente. Adaptación desde el software FEKO [17]
57
Para realizar el análisis del impacto directo de un rayo en el tanque de techo flotante
interno se realizaran todos los cálculos numéricos solo considerando el impacto de un
rayo en el techo del tanque, punto más probable en el que ocurra el impacto directo [10].
En la Tabla 3-2 Se indican los parametros constructivos tipicos del domo de un tanque
de techo flotante interno.
Tabla 3-2: Configuración del domo geodésico del tanque.
Materiales del domo geodésico[aluminio]
Estructura Material Espesor[mm]
Estructura en I doble. Aluminio 9.525 mm
Paneles triangulares Aluminio 1.27 mm
Fuente. Ateco tank technologies engineering service co.
Figura 3—6: Formación del domo geodésico, vista isométrica. Fuente. Adaptación desde el software FEKO [17]
En la Figura 3—6 se muestra la formación en malla del tanque con domo geodésico,
para el análisis del impacto directo de un rayo en el domo de aluminio, se tienen las
siguientes premisas de evaluación:
1. Solo se tendrá en cuenta para el análisis las estructuras que soportan el techo y las láminas de cerramiento, ambos materiales en aluminio y con los espesores indicados en la Tabla 3-2
2. Para el análisis del impacto directo se evaluará en un diámetro de techo típico, no es relevante para este estudio diámetros particulares de techos y tanques.
3. Se asume la probabilidad más alta de impacto en las aristas formadas entre el techo y la pared del tanque [10].
4. El tanque va a modelar en una superficie conductora perfecta.
La norma [10], hace referencia a que los tanques de almacenamiento reposan sobre el
suelo [a contacto] y al igual están conectados al sistema de puesta a tierra de baja
58 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
resistividad por medio de conductores de cobre [9] [10] y es una práctica recomendada
para las aplicaciones industriales del sector petroquímico.
En las figuras; Figura 3—7,Figura 3—8, se muestran las simulaciones obtenidas para el
caso que un reyo impacta directamente el techo del tanque, en estas graficas se
muestran los valores registrados de campo eléctrico kV/m y magnético kA/m. en las
figuras Figura 3—9,Figura 3—10,se muestran los resultados de la simulación para el
vector de Poynting kW/m2 y nuevamente el campo eléctrico en vista superior, en las
figuras Figura 3—11,Figura 3—12 se indican los resultados de vector de Poynting y
campo magnético vistos desde una vista superior, se resumen los resultados analíticos
desarrollados en el software de electromagnetismo computacional FEKO. En la Tabla 3-3
se resumen los valores de las magnitudes obtenidas para valores máximos y mínimos.
Figura 3—7: Intensidad de campo eléctrico [kV/m], vista isométrica (punto de impacto del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO
59
Figura 3—8: Intensidad de campo magnético [kA/m].Vista isométrica (punto de impacto
del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO.
Figura 3—9: Vector de poynting[kW/m2].Vista isométrica (punto de impacto del rayo).
Fuente. Adaptación desde el software FEKO.
60 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Figura 3—10: Intensidad de campo eléctrico [kV/m], vista de planta (punto de impacto del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO
Figura 3—11: Intensidad de campo magnético [kA/m].Vista de planta (punto de impacto
del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO
61
Figura 3—12: Vector de poynting[kW/m2].Vista de planta (punto de impacto del rayo).
Fuente. Adaptación desde el software FEKO.
En las gráficas de resultados se manejan las escalas de colores donde se pueden
estimar los valores de campos electromagnéticos propagados en la estructura del
tanque, los tonos rojos son los valores donde es mayor la magnitud de los campos
electromagnéticos y el tono de color azul indican las magnitudes de campo más bajas.
En la siguiente tabla se resumen los valores máximos y mínimos de los campos
electromagnéticos.
Tabla 3-3: Resultados de campo Eléctrico, Magnético y Vector de poynting. (En el punto
de impacto)
Resultados (E,B,P)
Campo Eléctrico(kV/m) Campo Magnético(KA/m) Vector de Poynting(kW/m2)
Max 2800 5.5 3.5 6
min 2400 4.5 3.2 6
Fuente. Elaboración propia, resultados software FEKO.
En la tabla Tabla 3-3 se muestran los valores máximos y mínimos de los campos
electromagnéticos conducidos por la superficie del tanque de almacenamiento de
hidrocarburos como consecuencia del peor de los casos a analizar, una corriente de
primera descarga de retorno de tipo negativo de una magnitud de 200kA, para realizar
los cálculos analíticos de la probabilidad de fusión del material de aluminio del tanque
hay que centrarse en el valor de magnitud del vector energético de Poynting.
Con base en los resultados de la Tabla 3-3, vector de Poynting y las relaciones
explicadas en el numeral 3.3 de este trabajo se pueden estimar analíticamente los
62 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
volúmenes de fusión indicados en la Tabla 3-4, los valores numéricos se calcularon
utilizando las ecuaciones ( 3-18)( 3-19)( 3-20).
Tabla 3-4: Resultados de volúmenes de fusión en el punto de impacto.
Volumen de fusión del aluminio en el punto de impacto directo del rayo (350µs).
(kW/m2) (J/m2) ( )( )
Max 3.5 6 1225 (1.12 -10)(0.112)
min 3.2 6 1120 (1.03 -10)(0.103)
Fuente. Elaboración propia, resultados software FEKO mas el cálculo del volumen de fusión.
Tomando los valores constructivos del domo geodésico registrados en el tanque y en
comparación con la Tabla 3-4 de los volúmenes máximos y mínimos de fusión se puede
apreciar lo siguiente:
Para un volumen de los paneles triangulares de (1mmx1mmx1, 27mm)=1,27 , para el
volumen de fusión máximo de la Tabla 3-4 es de 0,112 este volumen de fusión
representa un 8.8% para una perforación en una superficie de 1 lo cual no es un
porcentaje significativo en relación a toda la superficie total de un techo geodésico de un
tanque. Menos significativo aún para la estructura auto soportada en doble ‖ con espesor
de 9.525 mm.
En este Capítulo se estudió el impacto directo de un rayo, de 200kA de amplitud, sobre el
techo de un tanque de almacenamiento de hidrocarburos de techo flotante interno con
domo geodésico en aluminio y autosoportado que opera a presión atmosférica. Se tienen
las siguientes conclusiones:
1. Según API-RP-545 de 2009, los tanques con domo geodésico tienen buen
comportamiento como una jaula de Faraday y se pueden considerar auto
protegido si los materiales inflamables o combustibles almacenados presentan
una baja presión de vapor. Según el estudio analizado en este artículo el tanque
de techo flotante interno se puede considerar como estructura auto protegida ya
que el volumen de fusión calculado no es significativo comparado con la
superficie total del techo de un tanque típico, con la premisa de diseño operación
y mantenimiento en función de no tener presencia de vapores dentro del domo
geodésico que superen los límites de concentración superior de inflamabilidad [3]
[27].
2. El comportamiento de jaula de Faraday del conjunto domo geodésico paredes del
tanque presenta valores de volumen de perforación de 0.112 máximo y
0.103 mínimo, lo cual no es un orificio significativo para que material
plasmático del rayo pueda ingresar al interior del tanque y alcanzar la energía de
63
ignición en caso de estar presente en la atmósfera interna del tanque vapores
inflamables [3](el tanque está a presión atmosférica).
3. El modelo del tanque de almacenamiento en el software FEKO, se realizó
conectando el tanque de almacenamiento a una superficie final altamente
conductora(simulando la conexión del tanque a un sistema de puesta a tierra de
baja resistividad), lo cual tiene una incidencia con el cálculo de la energía de
transferencia en el punto de impacto Tabla 3-3,Tabla 3-4 ,para una magnitud de
corriente de 200kA, comparado con los valores de carga eléctrica para estimar la
energía transferida en el punto de impacto indicados en el anexo A de [10].
En el siguiente ítem se analiza un ejemplo para un caso de un tanque de
almacenamiento en aluminio con domo geodésico y con un sistema de iluminación
superior.
3.4.2 Simulación de tanque con domo en aluminio con sistema de iluminación
En las facilidades petroleras se requiere operación y mantenimiento de forma continua es
decir que se requiere operar las 24 horas del día, en la parte superior de los tanques de
almacenamiento es necesario contar con sistemas de iluminación que permita en horas
de la noche poder tener visibilidad en la superficie alta del tanque.
Los sistemas de iluminación en la superficie alta del tanque normalmente se diseñan en
cumplimiento de los niveles de lúmenes requeridos para áreas de proceso y en general
terminan instalados en postes metálicos de 6 metros de altura aproximadamente y con
una luminaria al final del poste. Este sistema de iluminación cuenta con conductor de
puesta a tierra y la base del poste queda eléctricamente unida al mismo potencial del
techo y pared del tanque.
Para efectos de probabilidades de descargas eléctricas atmosféricas es altamente
probable que un rayo pueda impactar en un conjunto luminaria poste metálico debido a
que es el punto más alto de referencia [6] y esta al potencial del tanque.
En la Figura 3—13 Intensidad de campo eléctrico [kV/m], vista isométrica (punto de
impacto del rayo en la luminaria). Fuente. Adaptación desde el software FEKO.Figura
3—13 se muestra la simulación realizada para un tanque de almacenamiento de
hidrocarburos de domo geodésico en aluminio y con un conjunto luminaria poste
instalado en la parte superior del tanque. En la tabla
Tabla 3-5 Datos del conjunto poste luminaria simulado.
Conjunto poste luminaria
Material Espesor Diámetro
64 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Poste Metálico 4.8mm 4”
Luminaria Carcasa en aluminio 2mm 50x20 cm
Para los efectos de la simulación se realizó la equipotencialización del conjunto luminaria
poste con toda la estructura del tanque y se realizó un impacto directo de la primera
descarga de retorno de 200kA de magnitud.
A continuación se realizara una comparación entre las magnitudes de los campos
electromagnéticos que se obtienen cuando el rayo impacta directamente el techo del
tanque y cuando impacta en un conjunto poste luminaria instalado en la parte alta del
tanque.
Tabla 3-6 Comparación entre un impacto directo en el techo de un tanque y en el conjunto luminaria poste instalado en la parte alta del tanque.
Resultados (E,B,) para impacto directo de 200kA.
En el techo del tanque de aluminio con domo geodésico.
Campo Eléctrico(kV/m) Campo Magnético(KA/m)
Max 2800 5.5
min 2400 4.5
Resultados (E,B,) para impacto directo de 200kA.
En el conjunto luminaria poste del tanque de aluminio con domo geodésico.
Campo Eléctrico(kV/m) Campo Magnético(KA/m)
Max 1200 25
min 300 10
65
Figura 3—13 Intensidad de campo eléctrico [kV/m], vista isométrica (punto de impacto del rayo en la luminaria). Fuente. Adaptación desde el software FEKO.
De los resultados obtenidos en la Tabla 3-6 se presentan las siguientes conclusiones:
1. El campo eléctrico causado con una descarga directa de 200kA impactando
directamente en el techo de aluminio es de 2800 kV/m y para el impacto con la
misma magnitud de corriente de la primera descarga de retorno para el caso en
que impacta en una luminaria es de 1200 kV/m, se nota una disminución notable
de la reducción de la magnitud del campo cuando impacta en la luminaria.
2. El campo magnético presenta valores máximos de 25 kA/m y mínimo de 10 kA/m
para el caso de una descarga en la luminaria del tanque, se observa que este
campo esta intensificado en la superficie del poste metálico de 4” debido a que
está circulando una corriente de 200kA por una superficie reducida. El campo
magnético ya en la superficie del techo del tanque presenta valores inferiores a 10
kA/m. ver Figura 3—13.
3. Cuando un rayo impacta una luminaria en la parte superior del techo del tanque
los efectos directos del rayo son mucho menores que el impacto directo en el
techo, se deben tener unas conexiones equipotenciales entre el tanque y el poste
y luminaria de tal forma que se permita evacuar la corriente del rayo de forma
segura a tierra.
66 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
A continuación se analizan los efectos de los campos electromagnéticos para tanques de
techo flotante externo.
3.4.3 Simulación de un tanque de techo flotante externo
Los tanques de almacenamiento de hidrocarburos de techo flotante externo son los que
presentan la probabilidad más alta de un incendio [7] por descargas eléctricas
atmosféricas, la norma API-RP- 545 [10] presenta un desarrollo particular en análisis y
enfoque a la protección para este tipo de tanques. Antes del año 2009 los sistemas de
protección propios de los tanques estaban desarrollados en los sistemas shunt como
elemento equipotencial entre el techo del tanque y la pared del tanque, estos elementos
equipotenciales eran construidos por encima del techo flotante. En la siguiente Tabla 3-7
se resumen los elementos de protección utilizados en los tanques de techo flotante antes
de 2009 y después de 2009.
Tabla 3-7 Protección de tanques de techo flotante externo antes y después del año 2009.
Tanques de techo flotante externo
Protección antes del año 2009 Después del año 2009_ API-RP-545
Shunt por encima del techo flotante. Elementos equipotenciales
Shunt inmersos en el líquido como mínimo 30 cm. Elementos equipotenciales anulando el componente de oxigeno ante una posible chispa producida por un rayo.
Protección externa con el método de la esfera rodante SIPRA.
Conductores de Bypass conectados entre la cima del tanque y el techo del tanque.
Aislamiento eléctrico de más de 1kV entre los elementos del techo del tanque y la pared del tanque (sellos, resortes, raspadores.)
Protección externa con el método de la esfera rodante SIPRA.
A continuación se realiza un caso de simulación para analizar el comportamiento de los
campos electromagnéticos en los tanques de techo flotante externo, analizando 2 casos
particulares: el caso 1 con elementos equipotenciales shunt entre el techo del tanque y la
pared sin hacer diferenciación si está inmerso en el líquido o no. El segundo caso con
elementos equipotenciales shunt entre el techo del tanque y la pared y adicionando
conductores bypass entre la cima de la pared del tanque y el techo flotante.
Para el caso 1 se tienen las siguientes premisas de simulación:
Para los efectos de la simulación se realizó la equipotencialización del conjunto techo
pared con toda la estructura del tanque y se realizó un impacto directo de la primera
descarga de retorno de 200kA de magnitud. Para efectos de la simulación se modeló
toda la superficie del techo del tanque a contacto eléctrico con la sección de la superficie
de la pared.
67
A continuación se realizara una comparación entre las magnitudes de los campos
electromagnéticos que se obtienen cuando el rayo impacta directamente el techo del
tanque que se considera el escenario más crítico para impacto directo.
Tabla 3-8 Campos electromagnéticos para un impacto en la pared del tanque. Caso 1
Resultados (E, B,) para impacto directo de 200kA.
En el techo del tanque flotante externo.
Campo Eléctrico(kV/m) Campo Magnético(KA/m)
Max 300 12.5
min 30 1.5
Resultados (E, B,) para impacto directo de 200kA.
En la unión entre el techo y la pared.
Campo Eléctrico(kV/m) Campo Magnético(KA/m)
Max 240 5.4
min 210 4.8
En la Figura 3—14 se muestra el comportamiento de la intensidad de los campos
electromagnéticos en el punto de impacto y en la unión equipotencial entre el techo del
tanque y la pared. Las intensidades más altas se dan en la pared del tanque en el punto
alto y en la unión equipotencial entre la pared y el tanque en el punto inferior donde está
impactando el rayo. Según la referencia de 200kV/m como potencial máximo [30] en el
cual se pueden presentar chispas en los puntos a diferentes potenciales se analizan los
siguientes resultados obtenidos en la simulación. En el punto de unión entre el techo y la
pared es donde existe la probabilidad más alta de que estén presentes vapores y gases
inflamables y es allí donde se presentan potenciales de 240kV/m máximo y 210 kV/m
mínimo. Según estos se resultados se tiene que para elementos equipotenciales shunt
tanto inmersos en el líquido como ubicados por encima del tanque ante una descarga de
200kA se tienen valores por encima de 200kV/m, valores que representan una alta
probabilidad de iniciar un incendio ante una descarga eléctrica atmosférica y en
presencia de vapores inflamables.
68 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Figura 3—14 Intensidad de campo eléctrico [kV/m] con shunt equipotenciales, vista isométrica (punto de impacto del rayo en la luminaria). Fuente. Adaptación desde el
software FEKO
Para el caso 2 se tienen las siguientes premisas de simulación:
Para los efectos de la simulación se realizó la equipotencialización del conjunto techo
pared con toda la estructura del tanque y se realizó un impacto directo de la primera
descarga de retorno de 200kA de magnitud. Se adicionaron conductores bypass entre la
cima de la pared del tanque y el techo flotante. El conductor seleccionado es equivalente
a un cable de cobre de 120 mm2, para simular el conductor bypass. Para el tanque
simulado de 16 metros de diámetro y 12 metros de altura se ubicaron 4 conductores
bypass.
A continuación se realizara una comparación entre las magnitudes de los campos
electromagnéticos que se obtienen cuando el rayo impacta directamente el techo del
tanque que se considera el escenario más crítico para impacto directo.
69
Tabla 3-9 Campos electromagnéticos en tanques de techo flotante con conductor bypass
Resultados (E, B,) para impacto directo de 200kA.
En el techo del tanque flotante externo.
Campo Eléctrico(kV/m) Campo Magnético(KA/m)
Max 40 3.3
min 15 2.7
Resultados (E, B,) para impacto directo de 200kA.
En la unión entre el techo y la pared.
Campo Eléctrico(kV/m) Campo Magnético(KA/m)
Max 150 4.5
min 90 3.9
En la Figura 3—15 se muestra el comportamiento de la intensidad de los campos
electromagnéticos en el punto de impacto y en la unión equipotencial entre el techo del
tanque y la pared con los conductores bypass. Las intensidades más altas se dan en la
pared del tanque en el punto alto y en la unión equipotencial entre la pared y el tanque en
el punto inferior donde está impactando el rayo. Según la referencia de 200kV/m como
potencial máximo [30] en el cual se pueden presentar chispas en los puntos a diferentes
potenciales se analizan los siguientes resultados obtenidos en la simulación. En el punto
de unión entre el techo y la pared es donde existe la probabilidad más alta de que estén
presentes vapores y gases inflamables y es allí donde se presentan potenciales de
150kV/m máximo y 90kV/m mínimo. Según estos se resultados se tiene que para
elementos equipotenciales shunt mas el adicionar un conductor bypass ante una
descarga de 200kA se tienen valores por debajo de 200kV/m, valores que representan
una disminución considerable de la probabilidad de iniciar un incendio ante una descarga
eléctrica atmosférica y en presencia de vapores inflamables.
En conclusión de la simulación realizada se muestran resultados que indican que utilizar
solo conductores equipotenciales shunt no es suficiente en cuanto a protección debido a
que se tienen valores de más de 200kV/m lo cual representa una alta probabilidad de
iniciar un incendio. Adicionando conductores bypass los valores de campo eléctrico
quedan en valores inferiores a 200kV/m, lo cual disminuye la probabilidad de chispas en
elementos que no se encuentren al mismo potencial.
70 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Figura 3—15 Intensidad de campo eléctrico [kV/m] con shunt equipotenciales, vista isométrica (punto de impacto del rayo en la luminaria). Fuente. Adaptación desde el software FEKO
A continuación se realiza la simulación en un ejemplo para un parque de 4 tanques.
3.5 Ejemplo 1: caso de aplicación para un parque de 4 tanques
En el numeral anterior 3.4 se analizó el comportamiento de un impacto directo sobre el
techo de un tanque con domo geodésico en aluminio considerando que no existe
protección contra rayos externa. En este ítem se va a considerar un parque de 4 tanques
de almacenamiento de hidrocarburos que tienen un sistema de protección contra rayos
externo con cables de guarda y mástiles de apoyo.
Se quiere analizar es la magnitud de los campos electromagnéticos cuando se tienen
sistemas de protección externo instalados y si estas magnitudes llegan a ser
representativas para los análisis de riesgos del sistema de protección a implementar [6]
[1]. Cuando los tanques o sistemas de tanques cuentan con sistemas de protección
externo se presenta como riesgo de un incendio los efectos indirectos [16] del rayo es
decir los campos electromagnéticos radiados en las superficies de los tanques, muchos
71
de los incidentes y accidentes que se presentan en la industria petrolera son ocasionados
por los efectos indirectos [30].
En la Figura 3—17.
Tabla 3-10 se resumen los datos de entrada para el modelado del ejemplo de un parque
de 4 tanques con protección externa en cable de guarda y mástiles de apoyo ver Figura
3—17.
Tabla 3-10: Datos de diseño de los tanques del Ejemplo 1.
características constructivas
tanques de almacenamiento de hidrocarburos
tk-01 tk-02 tk-03 tk-04
Tipo de techo techo fijo techo fijo techo fijo techo fijo
Espesor [mm][carbón Steel] 4.8 4.8 4.8 4.8
Autoprotegido no no no no
En la Figura 3—17 Se muestra la formación en malla del parque de 4 tanques de
almacenamiento con protección externa en mástiles con cables de guarda, para el
análisis del impacto directo de un rayo en una de las estructuras de soporte y analizar el
comportamiento de los efectos indirectos del rayo, se presentan las siguientes premisas
de evaluación:
1. Todos los tanques analizados en la simulación son te techo fijo. 2. El impacto directo del rayo se realizara en uno de las estructuras de protección
que soporta los cables de guarda (en un mástil). 3. La configuración de los cables de guarda cumplen con el modelo electro
geométrico [6]. 4. El parque de tanques se va a modelar en una superficie conductora perfecta.
La norma [10], hace referencia a que los tanques de almacenamiento reposan sobre el
suelo [a contacto] y al igual están puestos al sistema de puesta a tierra de baja
resistividad por medio de conductores de cobre [9] [10] y es una práctica recomendada
para las aplicaciones industriales del sector petroquímico. A continuación se muestran los
parámetros eléctricos de entrada para la simulación.
72 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Figura 3—16: Vista en planta de sistemas de protección externo para el Ejemplo 1: caso
de aplicación para un parque de 4 tanques de 4 tanques de almacenamiento con cables de guarda y mástiles de apoyo.
En la siguiente Tabla 3-11 Se muestran los parámetros de la corriente de retorno del
primer impacto del rayo.
Tabla 3-11: Parámetros de la corriente de impulso tipo rayo modelada para el ejemplo.
Forma de onda Amplitud [KA] a[ ] b[ ] Tiempo total de duración[ ] Impulso exponencial doble ecuación ( 3-3) 200 150 5 350
En la Figura 3—17 se muestra el mallado en el software para el modelado de los cuatro
tanques con sistema de protección contra rayos en cable de guarda y cuatro mástiles de
soporte.
73
Figura 3—17: Mallado para la solución al modelo de 4 tanques de almacenamiento del Ejemplo 1. Fuente software FEKO.
En las figuras: Figura 3—18Figura 3—19 se aprecian los valores de carga superficial
C/m2 y corriente superficial A/m2, en las figuras: Figura 3—20Figura 3—21 se muestran
los valores del campo eléctrico kV/m, en las figuras: Figura 3—22Figura 3—23 se
muestran los valores del campo magnético kA/m y del vector de Poynting kW/m2. Las
figuras en general muestran los resultados de la simulación en el software FEKO [17] [23]
y en la Figura 3—17
Tabla 3-12 se muestran los valores de los campos electromagnéticos radiados en la
superficie de los tanques, es decir los efectos indirectos producto del impacto del rayo en
el mástil M1 Figura 3—17
Tabla 3-12: Resultados de campo Eléctrico, Magnético y Vector de Poynting. (En el
punto de impacto) Ejemplo de 4 tanques
Resultados
Campo
Eléctrico(kV/m)
Campo
Magnético(A/m)
Vector de
Poynting(kW/m2)
Carga superficial(C/m2)
Corriente superficial(A/m)
Max 540 480 36000 -56 -50
min 240 200 12000 -80 -80
Fuente. Elaboración propia, resultados software FEKO.
Los campos electromagnéticos son variables en el tiempo y en el espacio [11] [29], por lo
que se pueden propagar en el espacio vacío, es decir que no necesariamente requieren
medios materiales para su propagación. Los efectos indirectos por descargas eléctricas
atmosféricas presentan radiación y propagación en la superficie de los tanques cuando
74 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
las descargas ocurren en cercanías de los parques de tanques, inclusive cuando el rayo
impacta directamente sobre la estructura que está prestando el servicio de protección
contra descargas eléctricas atmosféricas. En la Tabla 3-12 se evidencia mediante los
resultados de simulación que para un impacto directo de una primera descarga de
retorno de 200kA, se presentan valores de campos electromagnéticos en las superficies
de los tanques, haciendo un especial énfasis en el campo eléctrico se tienen valores
máximos de 540kV/m y mínimo de 240kV/m.
Con base en lo anterior y en los resultados obtenidos para el ejemplo se tiene una
referencia en estudios de campo eléctrico en superficies de tanques y sus probabilidades
de incendio debido a puntos metálicos que no se encuentran al mismo potencial y genera
efectos capacitivos, estos efectos generan chispas y pueden dar origen a un incendio en
presencia de vapores inflamables [3] [30] en esta tesis se toma como referencia este
trabajo y se continua analizando el fenómeno con el valor de referencia para el análisis
para tanques de almacenamiento de 200kV/m para campo eléctrico. Según el valor
tomado de [30] se puede presentar chispas en superficies aisladas [gaps con materiales
aislantes o semiconductores] y si alternamente existe presencia de vapores se puede
generar un incendio.
Para el ejemplo analizado se tienen valores de 540kV/m como máximo y 240kV/m como
valor mínimo lo cual indica que existe una probabilidad muy alta de que existan chispas y
se pueda iniciar un incendio por causa de un efecto indirecto de un rayo.
Figura 3—18: Carga superficial [dBC/m2].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 1
75
Figura 3—19: Corriente superficial [dBA/m].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 1
Figura 3—20: Intensidad de campo Eléctrico [kV/m].Vista en corte (punto de impacto del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 1
76 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Figura 3—21: Intensidad de campo Eléctrico [kV/m].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 1
Figura 3—22: Intensidad de campo Magnético [A/m].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 1
De las variables analizadas en los resultados de simulación del ejemplo de los cuatro
tanques de almacenamiento nos centraremos en el valor de referencia para el campo
eléctrico de 200kV/m, indicados en la Figura 3—21, donde se evidencia que para efectos
indirectos analizados en este ejemplo se pueden presentar valores altos de campo
eléctrico 540kV/m para este caso, lo cual se puede concluir que sigue existiendo un
riesgo de incendio aun con sistemas de protección contra rayos. Se deben realizar los
análisis necesarios para siempre tratar de disminuir los riesgos de incendios.
77
Figura 3—23: Intensidad del Vector de poynting [kW/m2].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 1
3.6 Síntesis
En este capítulo se analizó el modelo de la corriente de retorno del rayo, la solución para
el cálculo de los campos electromagnéticos radiados resolviendo las ecuaciones de
Maxwell por medio del análisis numérico de las diferencias finitas FDTD.
El análisis analítico entrega el soporte para modelar en el software FEKO el
comportamiento de los campos electromagnéticos producidos por los impactos de los
rayos en forma directa en un tanque o indirecta en estructuras cercanas, se analizó que
para los tanques con domo en aluminio se pueden considerar como estructuras auto
protegidas siempre que no existan cantidades de vapores considerables entre el techo
flotante y el domo en aluminio ya que las simulaciones dieron resultados para volumen
de fusión de ordenes muy bajos, lo que indica que los posibles puntos pequeños de
fusión no son representativos para iniciar un incendio y si no existe una cantidad
representativa de vapores inflamables.
Para los efectos indirectos revisados en el Ejemplo 1 de 4 tanques de almacenamiento
se concluye que para un impacto directo en una estructura que hace parte del sistema de
protección como el mástil de soporte de los cables de guarda, se tiene valores del orden
de 240kV/m como mínimo lo cual supera el valor de referencia de 200kV/m [30], lo cual
muestra como resultado que los efectos indirectos del rayo pueden causar chispas en
elementos constitutivos del tanque donde se presenten efectos capacitivos por
aislamientos eléctricos y que en condición simultanea se encuentre la presencia de
vapores inflamables esto es muy probable que termine en un incendio. Con el resultado
anterior se verifica que los efectos indirectos son potenciales para iniciar incendios en
parques de tanques así cuenten con un SIPRA en operación.
78 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
En el siguiente capítulo se propone una metodología para realizar diseños de sistemas
de protección en tanques de almacenamiento haciendo especial énfasis en la reducción
de la magnitud de los campos radiados usando sistemas de protección con aislamiento
eléctrico.
4. Capítulo 4: Metodología para el diseño de un SIPRA para tanques
En este capítulo se va a desarrollar la metodología para el diseño de un SIPRA (sistema
de protección contra descargas atmosféricas) para tanques de almacenamiento de
hidrocarburos, teniendo las consideraciones de las normas técnicas analizadas en el
capítulo 2, y el comportamiento de los campos electromagnéticos en la superficie de los
tanques analizado en el Capítulo 3 para efectos directos e indirectos.
4.1 Diagrama de flujo para análisis del SIPRA
Colombia, por estar situada en la zona de confluencia intertropical, presenta una de las
más altas actividades eléctricas atmosféricas del mundo. Por ejemplo, el número de días
tormentosos al año, definido como Nivel Ceráunico – NC, en la zona más tormentosa de
Europa, al sur de Alemania es 30; en la Florida, el estado con mayor actividad de rayos en
EE.UU, es 80 y en Colombia se tienen regiones con más de 200 [11] [13] [1]; como se
aprecia en la distribución espacio - temporal presentada en el mapa de niveles ceráunicos
[1].
Por ello, si bien algunos métodos de protección contra rayos desarrollados por
investigadores a nivel mundial aplican en Colombia, los parámetros estimados en otras
latitudes, no necesariamente tienen aplicación en este país. Los costos económicos y
sociales que actualmente asumen varias empresas por este factor de riesgo, representan
pérdidas incalculables en vidas humanas, instalaciones, equipos, producción y lucro
cesante [21] [12] [25] [30].
A continuación se indica la metodología para el diseño de un SIPRA para tanques de
almacenamiento de hidrocarburos mediante un diagrama de flujo donde se pueden
seguir los pasos necesarios para un análisis integral del sistema a proteger ver Figura
4—1,Figura 4—2,Figura 4—3.
82 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Figura 4—1: Diagrama de flujo para metodología de sistema de protección contra descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Capítulo 4 83
Figura 4—2: Diagrama de flujo para metodología de sistema de protección contra descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos.
Continuación
84 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Figura 4—3: Diagrama de flujo para metodología de sistema de protección contra descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos.
Continuación
Con base en el diagrama de flujo para el sistema de protección contra descargas
eléctricas atmosféricas se tiene las siguientes premisas de diseño:
a. Identificar la estructura a proteger.
b. Clasificar el tipo de tanque a proteger [4].
c. Clasificar el líquido almacenado de acuerdo a [3].
d. Identificar los elementos donde pueden existir vapores inflamables en condiciones
operativas [3].
e. Identificar las áreas clasificadas [27] [8].
f. Realizar el análisis de riesgo [6] [1].
g. Determinar si la estructura es auto protegida [10] [9].
h. En caso de no ser auto protegida pasa a diseño de SIPRA [6] [1].
Capítulo 4 85
i. Diseño de un SIPRA cumpliendo el modelo electro geométrico [6] [1]. o
j. Diseño de un sistema de protección aislado cumpliendo igual el método electro
geométrico ver Capítulo 3: Campos electromagnéticos producidos por el rayo.
k. Todos los tanques a analizar deben ser puestos a un sistema de puesta a tierra
[9].
4.2 Metodología de protección con aislamiento eléctrico
En el caso más frecuente de rayo, es decir, una descarga negativa [11] [13], el avance
del líder descendente negativo a trozos intensifica la Campo eléctrico entre la cabeza del
líder y el suelo. Cuando el Líder negativo se acerca al suelo, este campo es
suficientemente intenso para iniciar una descarga ascendente desde el suelo [13]. La
distancia en esta última fase antes de la conexión de los dos líderes se llama el "striking
point". Esta distancia de impacto depende del área en la que el Campo eléctrico excede
un valor de disrupción electrica. La intensidad de este valor es 500 kV [32, pp. 3-4]. La
carga eléctrica transportada por el líder negativo hace posible calcular el campo eléctrico
entre la cabeza del líder y el suelo al igual que también la intensidad de la primera
descarga de retorno. Nuevamente se hace referencia a la relación de la siguiente
ecuación ( 4-1) que indica la distancia para el sistema de protección a implementar.
( ) [ ] ( 4-1)
Es complejo definir y optimizar un sistema de protección contra rayos es por ello que el
diseño del sistema de protección SIPRA se diseña casi exclusivamente utilizando el
modelo de la esfera rodante [6] [9] [1]. Como se define en los procedimientos
normalizados a nivel internacional y de Colombia. Sin embargo, Estos enfoques
estandarizados no pueden garantizar una fiabilidad total del sistema de protección contra
descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos. Por
lo tanto, para cumplir con el modelo de la esfera rodante y hacer más probable un punto
de impacto a la mayoría de los rayos, es necesario colocar conductores de guarda en
mástiles de apoyo. Con respecto a la norma [1] se tiene un radio de 35m para nivel de
riesgo I en atmosferas explosivas.
Según estudios realizados [30], se tiene un valor de referencia de 200kV/m para las
zonas de protección en los tanques de almacenamiento de hidrocarburos, es decir que
bajo la zona de protección de los tanques que cumple con el método electro geométrico
se deben garantizar valores menores que 200kV/m, para valores de campo eléctrico
superior es muy probable que existan chispas por elevación del potencial en puntos que
no estén equipotencializados y que en condición conjunta existan vapores inflamables
[3].
86 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Utilizando elementos aisladores en la cima de los mástiles que soportan los cables de
guarda se puede ver reducido significativamente el campo eléctrico dentro de la zona de
protección ver la Figura 4—4.
Figura 4—4: SIPRA externo con material dieléctrico en los mástiles para reducción del
campo eléctrico en el área de protección
Para estimar el valor del campo eléctrico en el área de protección usando elementos
aisladores en los mástiles es necesario resolver nuevamente las ecuaciones de Maxwell
por medio de una herramienta computacional, para este trabajo se usó el software FEKO
y el método de las diferencias finitas FDTD para la verificación de los campos.
En el siguiente punto se desarrolla un ejemplo para verificar el comportamiento del
campo eléctrico usando aisladores en los mástiles de apoyo.
4.3 Ejemplo 2: caso de aplicación de un SIPRA con aislamiento eléctrico.
En el Ejemplo 1: caso de aplicación para un parque de 4 tanques se analizó el
comportamiento de un impacto directo sobre el mástil de un sistema de protección
diseñado para los 4 tanques. En este punto se va a analizar el mismo ejemplo
adicionando al sistema de protección un elemento aislante (aislador eléctrico) ver la
Figura 4—5 y nuevamente se hace la simulación para los campos electromagnéticos
radiados y se compara con los resultados del Ejemplo 1.
Capítulo 4 87
En la Tabla 3-10 se resumen los datos de entrada para el modelado del ejemplo de un
parque de 4 tanques con protección externa con cable de guarda y mástiles de apoyo al
igual que en el Ejemplo 1.
Figura 4—5: Esquema de mástil implementando el aislamiento eléctrico para protección externa
A continuación se relacionan los cambios significativos para el modelado del Ejemplo 2:
1. Todos los tanques analizados y simulados son de techo fijo. 2. El impacto directo del rayo se realizará en uno de las estructuras de protección
que soporta los cables de guarda. 3. La configuración de los cables de guarda cumplen con el modelo electro
geométrico [6]. 4. El parque de tanques se va a modelar en una superficie conductora. 5. Se adicionó un aislamiento eléctrico en la cima de la estructura y la bajante
conductora dispuesta a tierra se desplazó.
En la siguiente Tabla 4-1, se resumen los datos del material aislante utilizado en la
simulación del Ejemplo 2 y en la Figura 4—7 nuevamente se indica el parque de 4
tanques a simular adicionando el material aislante y el desplazamiento del bajante
conductor.
Tabla 4-1: Características dieléctricas de la cerámica
Cerámica A 35 [librería Software FEKO]
5.6
0.041
1000 r 0.2m
h 0.8m
88 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Figura 4—6: Diagrama eléctrico de configuración del sistema externo con aislamiento
eléctrico.
En la Figura 4—6 se muestra un circuito equivalente básico que indica el modelo del
dieléctrico.
Dónde:
G y C, son el equivalente eléctrico para modelar un dieléctrico. G tiende a infinito.
[ ]
El circuito analizado básicamente representa una inyección de la primera descarga de
retorno de la corriente de rayo aplicada en un punto aleatorio de un cable de guarda del
sistema de protección R bajante es el equivalente resistivo a el punto más cercano de
una bajante electrica conectada con tierra y R equivalente es el resto del sistema visto en
equivalencia electrica por la corriente del rayo. G y C representan un modelo equivalente
para modelar un dieléctrico el cual en condiciones normales no circula corriente a tierra.
Una vez que se presente una descarga atmosférica el principio de funcionamiento del
circuito visto en el modelo es poder bajar los valores de campo eléctrico en la zona de
protección de los tanques a valores inferiores a 200kV/m [30].
Capítulo 4 89
Figura 4—7: Modelo en el software FEKO del parque de tanques para el ejemplo del sistema aislado
En las figuras: Figura 4—9,Figura 4—10,Figura 4—11,Figura 4—12,Figura 4—13 se
muestran los resultados de la simulación en el software FEKO [17] [23] y en la Tabla 4-2
se muestran los valores de los campos electromagnéticos radiados en la superficie de los
tanques, es decir los efectos indirectos producto del impacto del rayo en el mástil M1 ver
la Figura 4—7.
Tabla 4-2: Resultados de campo Eléctrico, Magnético y Vector de Poynting. (En el punto de impacto) Ejemplo 2 para 4 tanques
Resultados
Campo
Eléctrico(kV/m)
Campo
Magnético(A/m)
Vector de
Poynting(kW/m2)
Carga superficial(C/m2)
Corriente superficial(A/m)
Max 200 500 36000 -32 -30
min 100 250 12500 -72 -50
Fuente. Elaboración propia, resultados software FEKO.
Como referencia según [30] en el análisis para tanques de almacenamiento se tiene
como referencia que con un valor de 200kV/m se pueden presentar chispas en
superficies aisladas [gaps con materiales aislantes o semiconductores] y si existe
presencia de vapores se puede generar un incendio.
Para el ejemplo analizado se tienen valores de 200kV/m como máximo y 100kV/m como
valor mínimo lo cual indica que con el sistema de protección contra rayos de tipo aislado
se pueden reducir los valores del campo eléctrico lo cual indica que la probabilidad de
producirse chispas en el área de influencia de los tanques que se están protegiendo.
90 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
En el ejemplo 2 se realizó la simulación para una condición conservadora de una
corriente de rayo de 200kA, en la siguiente tabla se muestran resultados para otros
valores de corriente típicos que se pueden presentar en la geografía colombiana. El
ejemplo se desarrolla con las mismas condiciones geométricas del Ejemplo 2 y el
sistema de protección ver la Figura 4—7
Tabla 4-3: Resultados de campo Eléctrico, Magnético y Vector de Poynting para otras magnitudes de la corriente de rayo.
Magnitud de la corriente [kA]
Resultados
150
Campo
Eléctrico(kV/m)
Campo
Magnético(A/m)
Vector de
Poynting(kW/m2)
Carga superficial(C/m2)
Corriente superficial(A/m)
Max 160 400 30000 -30 -23
min 80 160 12000 -64 -50
100
Campo
Eléctrico(kV/m)
Campo
Magnético(A/m)
Vector de
Poynting(kW/m2)
Carga superficial(C/m2)
Corriente superficial(A/m)
Max 140 320 17000 -24 -20
min 50 120 6000 -64 -37
80
Campo
Eléctrico(kV/m)
Campo
Magnético(A/m)
Vector de
Poynting(kW/m2)
Carga superficial(C/m2)
Corriente superficial(A/m)
Max 110 260 10500 -24 -20
min 40 100 3500 -46 -32
30
Campo
Eléctrico(kV/m)
Campo
Magnético(A/m)
Vector de
Poynting(kW/m2)
Carga superficial(C/m2)
Corriente superficial(A/m)
Max 48 105 1500 -20 -18
min 15 37 500 -40 -30
En la siguiente gráfica Figura 4—8, se muestran los resultados de las simulaciones
realizadas obteniendo un margen de posibles valores de campo eléctrico para varios
valores de corriente de rayo, tomando valores de corriente de rayo desde 30kA hasta
200kA (caso máximo analizado), como resultado se muestran los posibles valores de
campo eléctrico (kV/m) generado por la corriente de rayo. La gráfica indica que para
valores máximos de corriente de 200kA se pueden tener valores máximos de 200kV/m,
para un sistema de protección con aislamiento eléctrico analizado en el ejemplo 2 para
valores de campo eléctrico mayores a 200kV/m la probabilidad de incendio por efectos
indirectos de rayo es muy alta [30].
Capítulo 4 91
Figura 4—8: Grafica del comportamiento del campo eléctrico en función de la corriente de rayo aplicado para el Ejemplo 2
Figura 4—9: Corriente superficial [dBA/m].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO
92 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Figura 4—10: Carga superficial [dBC/m2].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 2
Figura 4—11: Campo Eléctrico [kV/m].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 2
Capítulo 4 93
Figura 4—12: Campo magnético [kA/m].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 2
Figura 4—13: Vector de Poynting [kW/m2].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo). Fuente. Adaptación desde el software FEKO. Ejemplo 2
94 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
4.4 Síntesis
En este capítulo se analizó la propuesta de metodología para el diseño de sistemas de
protección contra descargas atmosféricas en tanques de almacenamiento de
hidrocarburos.
La metodología propone un análisis integral multidisciplinario en cuanto a el conocimiento
específico del tipo de tanque de almacenamiento [4], el contenido de elementos
inflamables o combustibles [3], el análisis de riesgos [6] [1] y el análisis de las normas
para implementar los elementos de protección externa [10] [9] [6] [1]. Realizando el
análisis pertinente se puede determinar si es una estructura autoprotegida o si se
requiere un sistema de protección externo SIPRA.
Para los efectos indirectos revisados en el Ejemplo 2 para 4 tanques de almacenamiento
con aislamiento eléctrico se concluye que para un impacto directo en una estructura
cercana, para los efectos indirectos de propagación electromagnética se tiene valores
inferiores a 200kV/m como mínimo lo cual está alineado con el valor de referencia [30],
se concluye que un resultado particular para los efectos indirectos del rayo se pueden
controlar adicionando sistemas aislados de protección externa con aislamiento eléctrico
entre los conductores de guarda y el mástil de soporte.
En el siguiente capítulo se realizará un análisis de resultados.
5. Análisis de resultados
A continuación se hace un resumen de los resultados obtenidos en el desarrollo de este
trabajo en relación con los objetivos propuestos.
5.1 Análisis de normas de protección contra rayos
En el capítulo se revisaron las normas [8] [6] [9] [1] nacionales e internacionales haciendo
énfasis en el tema de protección de tanques de almacenamiento de hidrocarburos ante
descargas eléctricas atmosféricas.
Con la revisión se evidenció que existen herramientas normativas colombianas e
internacionales para realizar diseños de sistemas de protección para tanques de
almacenamiento de hidrocarburos en especial para los tanques de techo flotante externo,
estos elementos son constitutivos del tanque es decir que forman parte como extensión
de la estructura del tanque. Se evidenció que se presenta más incertidumbre para los
tanques de techo fijo y techo flotante externo en cuanto a las normas no indican
elementos de diseño y análisis para implementar sistemas de protección para este tipo
de tanques y quedan datos cualitativos con pocas herramientas de análisis y un
panorama de interpretación muy amplio para los ingenieros de diseño de sistemas de
protección.
En la Figura 5—1se resumen las normas más relevantes que existen en este momento
para realizar el análisis de riesgo y los sistemas de protección contra descargas
eléctricas atmosféricas que se pueden aplicar para los estudios y diseño de sistemas de
protección para tanques de almacenamiento de hidrocarburos.
Después de revisar las normas aplicables se tienen las siguientes conclusiones:
1. En temas de tanques de almacenamiento de hidrocarburos la norma más
ajustada para el análisis es la API-RP-545 de 2009 haciendo un especial énfasis
en los tanques de techo flotante externo.
98 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
2. La norma NFPA 780 de 2017, básicamente realiza una fiel adaptación de la
norma API-RP-545 de 2009, haciendo referencias completas para tanques de
techo flotante externo.
3. Las normas en general no son claras para los sistemas de análisis y protección
para tanques de techo flotante interno y techo fijo, presentando incertidumbres
técnicas y posibles sobrecostos en los sistemas de protección a implementar.
4. Las normas tienen grandes brechas en cuanto a la consideración si un tanque es
considerado como estructura autoprotegida, es decir que pueda drenar la
corriente de un rayo a tierra sin presentar riesgos de incendios.
5. Para tanques de techo flotante interno las normas presentan incertidumbre a los
diseñadores de sistemas de protección, para considerar los tanques como
estructura autoprotegida, solo indicando el buen comportamiento como jaula de
Faraday y dejando consideraciones a las particularidades físicas de los materiales
combustibles e inflamables.
Figura 5—1 Resumen de normas para análisis de riesgo y sistemas de protección
En conclusión se propone acompañar el análisis de los riesgos y los diseños de sistemas
de protección contra descargas eléctricas atmosféricas para tanques de almacenamiento
de hidrocarburos con análisis de simulación del comportamiento de los campos
electromagnéticos en las superficies de los tanques y así poder determinar los diseños
ajustados a una valoración técnica y económica ajustada a la particularidad de la
actividad atmosférica en Colombia y a la disminución del riesgo de incendio en estas
estructuras.
Capítulo 5 99
5.2 Análisis de los campos electromagnéticos en tanques producidos por rayos
De acuerdo al objetivo planteado en este trabajo se planeaba identificar analíticamente
por medio de simulaciones de electromagnetismo computacional las magnitudes de los
campos electromagnéticos producidos por las descargas eléctricas atmosféricas en las
superficies de los tanques, debido a que es una de las fuentes generadoras de chispas
para el inicio de un incendio en un tanque de almacenamiento.
Conociendo los valores en magnitud de los campos electromagnéticos es posible
analizar varios escenarios para cada tipo de tanque donde se pueden concluir aportes
significativos en cuanto al análisis de riesgo el comportamiento de los impactos directos e
indirectos y las posibles alternativas de protección siempre en función de mitigar el
riesgo.
Co base en las simulaciones realizadas y el los ejemplos analizados se tienen las
siguientes conclusiones y recomendaciones:
1. Para los tanques de techo fijo tanto los impactos directos como los efectos
indirectos de los rayos presentan magnitudes de campo eléctrico superior a
200kV/m [30], lo cual presenta una alta probabilidad de generar chispas que den
origen a un incendio. Para el caso que tengan venteos operativos a la atmosfera.
2. Los tanques de techo flotante interno presentan valores de campo eléctrico
mayores a 200kV/m, debido a que estos tanques contienen el mayor porcentaje
de vapores en el techo de membrana interno, realmente en la superficie del
tanque (domo en aluminio geodésico), la probabilidad de iniciar un incendio es
casi nula en la superficie del domo. Según los análisis de las simulaciones cuando
se tiene sistemas de iluminación en el techo del tanque los campos
electromagnéticos presentan valores inferiores a 200kV/m en la superficie del
techo del tanque lo cual la probabilidad de incendios es más remota.
3. Para los tanques de techo flotante externo se mostró mediante las simulaciones
que para los shunt equipotenciales tanto inmersos en el líquido inflamable como
ubicado encima del techo flotante, los valores de campo eléctrico supera los
200kV/m en la unión del techo y la pared inmediatamente inferior al punto de
impacto del rayo. También las simulaciones mostraron que adicionando
conductores equipotenciales bypass se reducen considerablemente los valores de
campo eléctrico menores a 200kV/m disminuyendo significativamente la
probabilidad de un incendio ante el evento de un rayo.
4. En los ejemplos de los parques de tanques se mostró mediante las simulaciones
que aunque los parques de tanques presentaban sistemas de protección contra
descargas eléctricas atmosféricas se podían tener valores superiores a 200kV/m
en las superficies de los tanques por efectos indirectos.
En conclusión general se realizó un aporte significativo conociendo la tendencia del
comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en la superficie de los tanques
100 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
de almacenamiento de hidrocarburos, identificando las magnitudes de campo eléctrico y
magnético en las diferentes partes del tanque y ante varios escenarios posibles de
descargas considerando las variaciones en magnitud de la primera descarga de retorno y
de los posibles puntos de impacto, analizando en todos los escenarios el caso más crítico
posible y comparando los resultados con valores críticos de campo eléctrico analizado
por otros autores donde se indican las magnitudes significativas de probabilidades altas
de inicio de un incendio.
5.3 Análisis de los sistemas de protección
De acuerdo a los análisis realizados con las simulaciones se tienen las siguientes
consideraciones y aportes del trabajo:
1. Se mostró mediante las simulaciones que tener un sistema de protección externo
no siempre garantiza valores menores a 200kV/m en la superficie de los tanques
debido a los efectos indirectos de los rayos.
2. Se analizó que para los tanques de techo flotante interno se pueden considerar
como estructuras autoprotegidas para ciertos escenarios ya que el volumen de
fusión no es significativo ante el evento más crítico de un reyo de 200kA de
magnitud.
3. Cuando los tanques de techo fijo y techo flotante interno tienen sistemas de
iluminación en el techo del tanque, ante un evento de un rayo que impacte en el
sistema de iluminación los campos electromagnéticos en la superficie del techo
son menores de 200kV/m, lo cual determina una baja probabilidad de chispas en
puntos a diferente potencial.
4. Para los tanques de techo flotante externo se mostró el buen complemento de los
conductores bypass como sistema de protección disminuyendo notablemente la
probabilidad de chispas en la periferia del contacto entre el techo y la pared del
tanque.
5. Se analizó y mostro analíticamente que cuando se requieran sistemas de
protección externo se pueden usar sistemas de protección con aislamientos
eléctricos. Utilizando este tipo de sistemas de protección se analiza la disminución
del campo eléctrico en la superficie de los tanques por efectos indirectos a valores
inferiores a 200kV/m, lo cual disminuye notablemente la probabilidad de un
incendio por rayo.
6. Se indicó que para los sistemas de protección, tanto autoprotegidos como con
elementos adicionales de protección el sistema de puesta a tierra de baja
resistencia es necesario para mitigar la probabilidad de incendios por rayo debido
a altos campos electromagnéticos circulando por la superficie de los tanques.
Se concluye y recomienda de manera general que para realizar cualquier sistema de
protección contra descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de
hidrocarburos se deben hacer simulaciones del comportamiento de los campos
Capítulo 5 101
electromagnéticos en las superficies de los tanques, dependiendo su tipo y su
configuración y adicional al análisis de riesgo y a la valoración de las normas que aplican,
con esto se puede tener un sistema técnicamente confiable y económicamente viable
siempre mitigando el riesgo de un incendio.
A continuación se realizan algunas conclusiones y trabajos futuros.
6. Conclusiones y trabajos futuros
6.1 Conclusiones
Con la revisión del capítulo 1 existen herramientas normativas para realizar el análisis de
riesgos y diseños de sistemas de protección para tanques de almacenamiento de
hidrocarburos en especial para los tanques de techo flotante externo, estos elementos
son constitutivos del tanque es decir que forman parte como extensión de la estructura
del tanque. Se evidenció que existen niveles altos de incertidumbre para los tanques de
techo fijo y techo flotante externo. En cuanto la estructura de las normas no se presentan
elementos de diseño y análisis para implementar sistemas de protección para este tipo
de tanques y quedan datos cualitativos con pocas herramientas de análisis y un
panorama de interpretación muy amplio para los ingenieros de diseño de sistemas de
protección.
Por medio de las simulaciones obtenidas en el capítulo 2 y lo revisado en el Ejemplo 1se
concluye que para tanques de almacenamiento de techo flotante interno con domo en
aluminio se puede considerar como estructura auto protegida debido a que los
volúmenes de daño del domo por causa de una descarga atmosférica crítica de 200kA no
son significativos.
Como conclusión, para implementar la metodología de sistemas de protección externa
contra rayos en tanques de almacenamiento de hidrocarburos, es necesario realizar un
análisis de las disciplinas involucradas (mecánica, proceso y electrica), indicando el tipo
de tanque, el material inflamable almacenado y los elementos que pueden mantener en
operación evacuando vapores inflamables. Al igual para el análisis del riesgo eléctrico es
necesario caracterizar la zona de ubicación de los tanques e identificar los posibles
valores de corriente de rayo, con lo anterior se puede determinar si los tanques se
pueden considerar como estructuras auto protegidas o requieren un SIPRA.
Los efectos indirectos tienen una probabilidad muy alta de causar incendios en los
tanques de almacenamiento por elevar el campo eléctrico a valores superiores a
200kV/m, se concluye que para un SIPRA con aislamiento eléctrico se pueden reducir los
valores de campo eléctrico a valores menores que 200kV/. Cada caso debe de ser
analizado porque depende de la magnitud de la corriente de rayo de la geometría del
sistema de protección y del material dieléctrico a utilizar.
104 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos
Las simulaciones realizadas indican la importancia de una buena conexión a tierra tanto
para los tanques de almacenamiento como para sistema de bajantes del SIPRA.
6.2 Trabajos futuros
Este trabajo marca pautas para desarrollos futuros en:
- Estudios para el desarrollo de nuevos elementos que puedan hacer parte del
sistema de protección contra rayos.
- Desarrollo de nuevos materiales que se puedan utilizar como elementos
constitutivos de los tanques de almacenamiento y que tengan funcionamiento
como elementos de protección contra rayos.
- Estudios de campos electromagnéticos para cualquier topología de SIPRA.
- Propuesta de normativa especializada de protección contra rayos para tanques de
almacenamiento en Colombia.
6.3 Discusión académica
Se relaciona a continuación el documento puesto a consideración de los expertos de la
comunidad académica:
“Análisis de los impactos directos de descargas eléctricas atmosféricas en tanques de
almacenamiento de hidrocarburos con techo flotante interno con domo geodésico”,
SICEL 2017, Universidad industrial de Santander.
7. Bibliografía
[1] NTC-4552-1-2-3, «Protección contra descargas eléctricas atmosféricas[rayos],»
ICONTEC, Bogotá, 2008.
[2] H. Torres, El rayo Mitos Y leyendas, Bogotá DC: Unilibros, 2002.
[3] NFPA30, Flammable and combustible liquids code, USA: National fire protection
association [Codes & Standards], 2015.
[4] API Standar 650, API Standar 650 welded tanks for oil storage, USA: Copyright
American Petroleum Institute, 2013.
[5] C.-C. L. James I. Chang, «“A study of storage tank accidents”,» Journal of loss in the
process industries, pp. vol. 19, pp. 1-9, 2006.
[6] IEC 62305-1-2-3, «Protection against lightning,» International Electrotechnical
Commission [IEC], 2010.
[7] W. S. C. a. J. W. Miao Zhang, «Risk Assessment for Fire and Explosion Accidents of
steel oil tanks using improved AHP based on FTA,» Published online 00 Month 2015
in Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com). DOI 10.1002/prs.11780, pp. pp 1-10,
2015.
[8] API-RP-505, Recommended Practice for Classification of Locations for Electrical
Installations at Petroleum Facilities Classified as Class I, Zone 0, Zone 1, and Zone
2, USA: American Petroleum Institute, 1997.
[9] NFPA780, «Standard for the Installation of Lightning Protection Systems,» NFPA,
2017.
[10] API-RP-545, «Recommended Practice for Lightning Protection of Aboveground
Storage Tanks for Flammable or Combustible Liquids,» Americam Petroleum
Institute, 2009.
106 Análisis del comportamiento de las descargas eléctricas atmosféricas en tanques de
almacenamiento de hidrocarburos
[11] V. Cooray, Lightning Electromagnetics 1ed, Londres UK: The institution of
Engineering and Technology, 2012.
[12] L. Holle, «Lightning fatalities in Colombia from 2000 to 2009,» Springer
Science+Business Media Dordrecht, p. 14, 2014.
[13] V. Cooray, An Introduction to Lightning 1 ed, Londres, UK: Springer, 2015.
[14] Atef Z. Elsherbeni, Antenna Analysis and Design Using FEKO Electromagmetic
Simulation Software, Londres, UK: 1a ed. by SciTech Publishing, 2014.
[15] Rachidi, «“ The effect of vertically-extended strike object on the distribution of current
along the lightning channel”,» J. Geophys Res. 107 (D23) 4699., 2002.
[16] Miao Zhang, «Risk Assessment for Fire and Explosion Accidents of Steel Oil Tanks
Using Improved AHP Based on FTA,» American Institute of Chemical Engineers,
2015.
[17] Copyright 2015 Altair Engineering, «FEKO is a comprehensive computational
electromagnetics (CEM) code used widely in the telecommunications, automobile,
space and defense industries.,» 21 04 2015. [En línea]. Available:
https://www.feko.info/. [Último acceso: 21 04 2017].
[18] Horacio Torres, «Contribution to Lightning Parameters Study Based on Some
American Tropical Regions Observations,» IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS
IN APPLIED EARTH OBSERVATIONS AND REMOTE SENSING, p. 8, VOL. 8, NO.
8, AUGUST 2015.
[19] Jesús Alberto López, «First data of the Colombia Lightning Mapping Array-COLMA,»
international conference of lightning protection, p. 5, 2016.
[20] Aranguren, «Colombian Total Lightning Detection Network and early detection of
failure risks for power systems,» SICEL, p. 6, 2013.
[21] Daniel E. Villamil, «Towards a Comprehensive Understanding of Lightning Risk
Management in Colombia:An Insight into the Current Context of Disaster Risk
Management,» international conference of lightning protection, p. 4, 2016.
[22] Aranguren a, «Cloud-to-ground lightning activity in Colombia and the influence of
topography,» Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, Elsevier, p. 8,
2016.
Bibliografía 107
[23] Yoshihiro Baba, electromagnetic computation methods for lightning surge protection
studies 1 ed, Singapore: John Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd, 2016.
[24] S. IEEE Power Engineering, IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of
Transmission Lines, IEEE Power Engineering Society Printed in the United States of
America: All rights reserved. Published 1997., 1997.
[25] Laurent Chemartin, «Direct Effects of Lightning on Aircraft Structure: Analysis of the
Thermal, Electrical and Mechanical Constraints,» Journal aerospaceLab, pp. vol. 5,
pp. 1-15, 2012.
[26] API 2003, «Protection Against Ignitions Arising out of Static, Lightning, and Stray
Currents,» American Petroleum Institute, 2015.
[27] API-RP-500, Recommended Practice for Classification of Locations for Electrical
Installations at Petroleum Facilities Classified as Class I, Division 1 and Division 2,
USA: American Petroleum Institute, 1997.
[28] Uman, «The electromagnetic radiation from a finite antenna,» American Journal of
Physics, 43,, pp. 33-38, 1975.
[29] I. Nathan, Engineering Electromagnetics 3 ed, Switzerland: Springer International
Publishing, 2015.
[30] Z. F. Yakun Liu, «Analysis of the Effect on the Large Floating Roof Oil Tanks Struck
by Indirect Lightning based on FDTD,» International Conference on Lightning
Protection (ICLP),, p. 4, 2014.
[31] Y. Kostogorova-Beller, «Physics of Interaction of Lightning Currents with Aluminum
Sheets,» Journal of aircraft, pp. vol. 49,No. 1, pp. 1-10, 2012.
[32] François Issac, «Space Launching Site Protection against Lightning Hazards,»
Journal Aerospace Lab, pp. 3-4, 2012.