Día: 26 de agosto de 2021

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Incendios por regulador de aluminio

David Gailey

A lo largo de los años, los incendios que involucran reguladores de oxígeno han sido una pesadilla para diseñadores de reguladores e ingenieros de sistemas.  Un incendio por oxígeno es extremadamente violento y muchas veces provoca lesiones graves e incluso muerte. 

Durante los últimos años, ha habido un aumento de los incidentes informados (incendios) que involucran pequeños cilindros de oxígeno médico y de emergencia.  Los reguladores utilizados en dichos cilindros son de tamaño pequeño y habitualmente se fabrican con componentes de aluminio debido a consideraciones de peso.  Actualmente, la FDA, la ASTM y UL se encuentran todos en una loca carrera por ver quién puede prohibir primero el uso de aluminio como material en estos reguladores.  ¿Se están precipitando estas agencias? Para contestar esta pregunta, primero analicemos el problema. 

Compresión adiabática: Para los líquidos confinados a un volumen fijo, el calor puede trasferirse de varias formas: el líquido más tibio puede moverse a regiones más frías (convección) o el calor puede llevarse de caliente a frío (difusión térmica). Para la cavidad interna de un regulador de oxígeno, el mecanismo de transferencia del calor es la «compresión adiabática», también denominada efecto pistón. Esto es cuando un capa de gas externa que se expande y está caliente (debido a abrir rápidamente una válvula del cilindro) actúa como un pistón y comprime la cavidad interior de alta presión de un regulador, calentándolo.  Normalmente, los gases tienen una respuesta térmica muy amplia a los cambios de presión.  El calor generado por el gas no puede difundirse rápidamente a través de las paredes del cuerpo del regulador.  Si el ingeniero ha realizado las tareas adecuadas, el cuerpo del regulador y la válvula pueden soportar este pico elevado de temperatura; sin embargo, si hay partículas extrañas, como suciedad, polvo, aceites, insectos, etc., puede ocurrir una ignición. Las partículas extrañas casi siempre tienen una temperatura menor de combustión que los componentes designados.  Cuando una partícula extraña comienza a arder, ocurre una reacción en cadena que enciende otros componentes hasta que la temperatura es suficientemente alta como para encender metales. Con oxígeno puro y una ignición, el regulador mismo se convierte en un

combustible, ardiendo violentamente y provocando posiblemente lesiones graves a cualquier persona que se encuentre cerca.

 

Un gran porcentaje de los incendios por regulador de oxígeno en el campo pueden atribuirse a contaminación por sustancias o partículas extrañas dentro de la cavidad de alta presión del regulador.  Muchos accidentes pueden evitarse si el usuario final se preocupa por eliminar la posibilidad de tal contaminación y utiliza técnicas adecuadas para abrir las válvulas del cilindro de oxígeno y para cambiar los cilindros de oxígeno.

 

¿Por qué utilizar reguladores de aluminio?

La mayoría de los reguladores industriales poseen predominantemente componentes de latón.  Sin embargo, la industria médica prefiere reguladores pequeños de aluminio o aluminio/latón livianos más en proporción con los pequeños cilindros de acero o aluminio que se utilizan. En comparación al latón, el aluminio posee una temperatura de ignición muy baja y un calor de combustión muy elevado.    Debido a la violencia explosiva del aluminio en llamas, las posibilidades de una falla catastrófica en los reguladores de aluminio es mayor que en los diseños de latón.  Por este motivo, actualmente vemos a muchos fabricantes volver a utilizar componentes de latón en reguladores de gas medicinal.

 

¿Debemos simplemente darnos por vencidos en cuanto a los diseños de aluminio?  Ese es el mensaje que envían la FDA, UL y la ASTM.  ¿Podría un diseño de un regulador de aluminio ser más resistente a las igniciones de oxígeno incluso ante la presencia de partículas?  Tal vez, según las circunstancias, pero primero demos un vistazo práctico a lo que se puede hacer para mejorar la resistencia a igniciones en reguladores de aluminio.  Primero que nada, la presencia de partículas significa que hay contaminación en el equipo de regulación de oxígeno.  La presencia de agentes contaminantes puede controlarse con el uso de filtros y también pueden utilizarse técnicas adecuadas al cambiar los cilindros como quebrar la válvula del cilindro para quitar soplando el polvo y los desechos antes de anexar el regulador. Además, se puede abrir LENTAMENTE la válvula del cilindro después de anexar el regulador para evitar múltiples accidentes. Al abrir la válvula del cilindro lentamente hay más tiempo para que se difunda el calor asociado con el gas comprimido así como para que disminuya el efecto pistón y así, la cantidad de calor generada con el tiempo.  Pero además de utilizar técnicas de seguridad adecuadas, ¿qué puede hacer el ingeniero para garantizar que un regulador de aluminio se diseñe con seguridad? 

 

El pasaje de entrada

Es extremadamente importante que los ingenieros se tomen el tiempo para evaluar adecuadamente el pasaje de entrada de un regulador o sistema.  El pasaje de entrada es la ruta que el gas toma desde el cilindro hasta la válvula reductora de presión.  Los filtros de entrada del regulador deben tener al menos una capacidad de filtración de 66 micrones según la Asociación de Gas Comprimido (E-4, E-7), pero mientras más chico, mejor.

 

Comúnmente, los filtros de diez (10) micrones no son más costosos cuando se compran en cantidad y mejorarán la resistencia a igniciones debido a agentes contaminantes.  Además de los filtros, este pasaje debe tener una superficie grande como si terminara en la válvula del regulador.  Una superficie grande permite que se difunda más calor en las paredes del cuerpo del regulador (consulte la fig.1). Los pasajes pequeños tipo agujero ciego tienen el potencial de aumentar dramáticamente la temperatura durante la compresión adiabática y deben evitarse. Si el diseño no permite un pasaje de entrada de mayor diámetro, perfore el pasaje en el cuerpo, más profundo de lo necesario pasando el área de la válvula, para ampliar esta superficie.  También el uso de un conector de cobre podría mejorar la resistencia a igniciones.

 

El níquel posee un calor de combustión muy elevado en comparación con el aluminio (níquel 200 = 241 kJ/g•mol en comparación con aluminio 6061 T6 = 1676 kJ/g•mol).  Normalmente, el níquel y las aleaciones de níquel son mucho más resistentes a igniciones que el aluminio y las aleaciones de aluminio. Sería poco práctico fabricar cuerpos de regulador de aleaciones de níquel; sin embargo, el enchapado en níquel podría ser una forma efectiva y económica de aumentar la resistencia a igniciones en componentes de válvulas y cuerpos de reguladores de aluminio.  El enchapado en níquel debería ser un proceso no eléctrico de alta calidad que elimine el descamado del enchapado en níquel que, por supuesto, sería contraproducente.

 

Válvulas de escape 

Las pruebas de ignición realizadas en los últimos años por centros independientes de pruebas han demostrado que en algunos reguladores médicos la válvula de escape puede ser una fuente de ignición del regulador.  La selección de material para este tipo de válvulas de escape es crucial.  Los diseñadores deben utilizar materiales no metálicos adecuados para el oxígeno, así como materiales que tengan un calor de combustión bajo y una temperatura de ignición alta.  Podrá encontrar más información general sobre selección de materiales en la publicación TB-12 de la Asociación de Gas Comprimido Design Considerations For Non-metallic Materials In High Pressure Oxygen Supply Systems (Consideraciones de diseño para materiales no metálicos en sistemas de suministro de oxígeno de alta presión).

 

En resumen, existen muy buenos motivos para creer que los reguladores de aluminio pueden tener éxito en un ambiente con oxígeno.  Los recientes esfuerzos de la FDA y UL para prohibir el uso de aluminio en sistemas de regulación de oxígeno parecen ser una reacción instintiva a este grave problema.  Sin embargo, con algo de esfuerzo y pensamientos constructivos este problema de los incendios por regulador de oxígeno podría solucionarse o, al menos, mejorarse considerablemente.

 

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Comprimidos

Vida útil de reguladores de gas comprimido

David Gailey

Los reguladores de gas comprimido, cuando no funcionan de forma óptima, pueden provocar situaciones peligrosas, como la fuga de gases tóxicos, pirofóricos o asfixiantes en la atmósfera, o incluso el riesgo de explosiones o incendios. Como tales, los reguladores son dispositivos que sólo deben ser utilizados por personas experimentadas y conscientes de los peligros inherentes.

Los reguladores están continuamente expuestos a altas tensiones debido a las presiones del cilindro.  Además de eso, los materiales de construcción son atacados internamente por gases severamente y levemente corrosivos. Los ambientes corrosivos externos pueden hacer que los indicadores y resortes se oxiden, que los accesorios pierdan su color y pueden empañar severamente la apariencia de un producto magníficamente fabricado. ¿Cuánto tiempo debe funcionar adecuadamente un regulador bajo condiciones severas? ¿Con qué frecuencia deben probarse o renovarse los reguladores?  ¿Qué pruebas deben incluirse en los cuadros de mantenimiento preventivo?  Existen preguntas que los consumidores formulan constantemente a los fabricantes respecto de la vida útil de los reguladores de gas comprimido.  Desafortunadamente, las respuestas son variadas y un tanto complicadas.

Considere al cliente “A”.  Este cliente utiliza un cilindro de argón cada seis meses y presuriza el regulador una vez a la semana dentro de una habitación esterilizada donde la temperatura, la humedad y demás factores ambientales se encuentran controlados.  Este regulador podría durar 25 años o más sin que se renueven ni reemplacen componentes importantes.  De hecho, Harris Calorific frecuentemente recibe noticias de clientes que han utilizado el mismo regulador de Harris desde la década de 1940 sin problemas; sin embargo, estos casos son extremos.  Compare eso con el cliente “B” que utiliza un regulador de oxígeno varias horas al día en una plataforma petrolera en las afueras de la Costa del Golfo de Misisipi.  Debido al aire salino y al rudo ambiente de la plataforma petrolera, este regulador podría necesitar un reacondicionamiento importante o el reemplazo en tan sólo tres meses.  Ya que las tareas de reguladores de gas comprimido son tan variadas, la vida útil es variada y proporcional al servicio de gas y al ambiente en el cual se utiliza el dispositivo.

 

Factores que afectan la vida de un regulador

Servicio de gas.  Conozca las propiedades del gas a ser regulado y comuníquese con un fabricante o distribuidor de gas a fin de solicitarle ayuda para seleccionar correctamente los reguladores para los gases específicos.   Los reguladores de argón, helio y nitrógeno (CGA 580), bajo un determinado conjunto de condiciones, tendrán una vida útil más prolongada que los reguladores utilizados para cloruro de hidrógeno y sulfuro de hidrógeno (CGA 330) simplemente porque el servicio de gas es más severo (corrosivo).

Algunos gases no corrosivos pueden ser reactivos en ciertos ambientes.  Por ejemplo, el dióxido de carbono puede reaccionar ante la humedad o la condensación dentro de un regulador y así formar ácido carbónico. Dicho ácido es relativamente débil, pero puede atacar ciertos componentes elastoméricos con el tiempo y reducir la vida útil de un regulador de CO2.  Para garantizar que el servicio de gas no afectará de forma adversa la vida esperada de un regulador, comuníquese con el fabricante para analizar la aplicación así como los materiales de construcción metálicos y no metálicos del regulador.

Ambiente del servicio.  Muchas tareas requieren que los reguladores funcionen en el exterior; expuestos a lluvia, nieve, hielo, mucha humedad y gran salinidad.  Éstas son condiciones que pueden reducir la vida útil de los componentes de un regulador.  Un porcentaje significativo de indicadores tienen cajas de acero, que se oxidarán si están expuestas a lluvia, nieve o hielo.  La mayoría de los resortes de ajuste de presión también están fabricados de acero que, aunque estén dentro del regulador, se corroerá con el tiempo en un ambiente húmedo.  Las aleaciones de acero y cobre (latón) generalmente están en contacto entre sí dentro y fuera del regulador.  Si bien uno o ambos componentes podrían estar pintados o enchapados, no puede ignorarse la corrosión electroquímica (galvánica).  La corrosión de las piezas o la falla de los componentes puede acelerarse en ambientes severos. Los fabricantes así como los usuarios que operan reguladores en una tarea de servicio crítico deben considerar estos problemas al recomendar o comprar reguladores de presión.

Elastómeros.   Muchos reguladores industriales cuentan con componentes elastoméricos como diafragmas de neopreno reforzado, asientos o juntas de vitón, juntas tóricas de nitrilo, etc. Los elastómeros pueden ser muy sensibles a los cambios de temperatura extrema y a los elementos.  Durante un período de tiempo (normalmente años), estos materiales tienden a volversequebradizos o a romperse.  Esta degradación puede tener como consecuencia alguna forma de fuga del regulador.

 

Modos típicos de falla

La falla de los componentes internos generalmente resulta en una fuga hacia el ambiente del gas regulado.  No existen indicadores superficiales de que ocurrirá una falla en uno de los componentes principales.  En los reguladores, existen comúnmente dos áreas de preocupación.  La primera es la fuga de gas hacia la atmósfera de los puertos externos o del diafragma. La fuga de los puertos es poco común a menos que se hayan cambiando los accesorios o indicadores de fábrica, o los ajustes de torción sean menores a lo recomendado.  También puede ocurrir una fuga si las roscas del puerto se han dañado debido a nuevas conexiones.

Los diafragmas son componentes dinámicos y flexibles que se mueven axialmente a medida que las presiones y los flujos de gas fluctúan a través del regulador.  Cuando un diafragma se presuriza y luego se relaja, hablamos de una (1) secuencia o ciclo.  Según el Folleto E-4 de la Asociación de Gas Comprimido, los diafragmas deben tener una vida mínima de 25 000 ciclos si están fabricados de elastómero y de 10 000 ciclos si son de material metálico (comúnmente acero inoxidable). Las fugas de un diafragma pueden ocurrir si el mismo excede su vida normal.  Generalmente, esto es un problema mayor en diafragmas de metal que en diafragmas elastoméricos.  La flexión excesiva del diafragma de metal puede provocar una grieta radial, que permite que el gas se escape hacia la atmósfera a través del orificio de ventilación en la tapa.

El segundo tipo de falla y tal vez el más importante en un regulador es la fuga interna, a veces llamada escurrimiento o vacío.  Esto puede ocurrir cuando el asiento se daña o desplaza debido a una partícula extraña como un trozo de metal u otro material.  Cuando el asiento no puede cerrarse del todo, la presión de suministro no se mantendrá y la presión del regulador no puede alcanzar un estado de equilibrio.  La presión descendente o de suministro continuará ascendiendo hasta que el mecanismo de escape de seguridad en el regulador se active (comúnmente una válvula de escape o un diafragma estallan formando un orificio). Es relativamente sencillo detectar este tipo de falla si el dispositivo posee un indicador que lee la presión regulada.  La presión del indicador comenzará a exceder el punto establecido y continuará ascendiendo.  Esto crea una condición potencialmente peligrosa en la que cualquier equipo descendente estaría sujeto a presiones superiores al límite.  Los reguladores deben a menudo revisarse visualmente para detectar este tipo de falla.

Una larga vida del regulador comienza con el buen mantenimiento

Para evitar tiempo fuera de servicio inesperado y mejorar la seguridad en el área de trabajo, nada puede ser más importante que un programa de rutina para el mantenimiento del regulador.  Esto garantizará que el rendimiento del dispositivo se revise a intervalos regulares en los cuales pueden abordarse problemas con facilidad.

Todos los reguladores de gas comprimido deben, como mínimo, revisarse para detectar fugas externas y fugas internas (escurrimiento o vacío) de forma regular.  Además de esto, el dispositivo debe dejar de utilizarse al menos cada cinco años (con más frecuencia en algunos casos) y regresarse al fabricante, o a un agente competente del fabricante, para ser inspeccionado o renovado según

sea necesario. Los reguladores también deben ser etiquetados para identificar la última fecha de inspección. Los usuarios deben consultar con el fabricante para conocer los procedimientos específicos sobre cómo revisar fugas internas y externas, y cuál es la frecuencia recomendada para estas pruebas.

En resumen, los reguladores de gas comprimido no tienen una duración infinita.  Ya que algunos reguladores realizan un servicio más arduo que otros, es difícil establecer cómo o cuándo un dispositivo llegará al final de su vida útil.  Algunas empresas publican pautas en su material, que intentan definir lo que se puede esperar en términos de vida útil.  Los usuarios deben respetar minuciosamente estas pautas para protegerse y proteger su equipo contra los peligros que las fallas del regulador pueden provocar.