Analysis of lightning behavior in hydrocarbon storage tanks · Figura 3—5: Descripción de tanque...

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).


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


descargas eléctricas atmosféricas en tanques de almacenamiento de hidrocarburos.

Continuación ....................................................................................................................... 83



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).


Figura 4—11: Campo Eléctrico [kV/m].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo).


Figura 4—12: Campo magnético [kA/m].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo).


Figura 4—13: Vector de Poynting [kW/m2].Vista Isométrica (punto de impacto del rayo).


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

Contenido XVII

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.


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


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.


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]

https://earthobservatory.nasa.gov/

http://www.ecopetrol.com.co/

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)


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.


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


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.


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


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


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.


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


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


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.


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)


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


( )

∫ ( )

( 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:



= 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)


Donde:



= 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].


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


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.


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


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


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.


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.


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



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.


Max 300 12.5

min 30 1.5


En la unión entre el techo y la pared.


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.


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.



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


En el techo del tanque flotante externo.


Max 40 3.3

min 15 2.7


En la unión entre el techo y la pared.


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.


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.


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


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


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


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.


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.


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


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].


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


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)



Max 200 500 36000 -32 -30

min 100 250 12500 -72 -50


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.


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)



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)



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)



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)



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


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


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




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.


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


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




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.


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.

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