El gas inerte en buques petroleros En este artículo se pretende presentar y justificar el uso de uno de los sistemas de seguridad más importante de un buque petrolero, el gas inerte.

La introducción de los sistemas de gas inerte en los buques petroleros se remonta a finales de los años 60. En esta década hubo numerosas e inexplicables explosiones en los tanques, incluso cuando éstos estaban vacíos. Para explicar estos sucesos la petrolera Shell llegó a la conclusión que estas explosiones estaban producidas por descargas de electricidad estática generadas por el impacto de agua a alta presión contra las paredes metálicas de los tanques. Los tanques durante la limpieza estaban llenos de aire y contenían explosivas bolsas de vapor de hidrocarburos.

Para lidiar con esta situación se llegó a la conclusión que había que reducir al máximo los tres factores de la combustión: energía de activación, combustible y comburente.

En la actualidad existe una clara separación entre zonas en un petrolero. La zona peligrosa y la zona segura. La zona peligrosa es aquella en que existe un riesgo de incendio por estar en contacto con el producto. La zona peligrosa se considera

desde el mamparo de popa de la cámara de bombas hasta el pique de proa del buque. Se considera zona segura el resto del buque, la superestructura y la cámara de máquinas.

En la zona peligrosa de un buque petrolero hay numerosos sistemas de seguridad como alumbrado antideflagrante, motores eléctricos correctamente encapsulados, etc. Además de prohibiciones como: hablar por teléfono, soldar, fumar, utilizar zapatos con partes de metal etc.

Estas medidas sirven para reducir la posibilidad de generar una chispa pero durante el lavado de tanques esta posibilidad sigue. Se llegó entonces a la conclusión que había que eliminar el comburente. Para conseguirlo se utiliza el llamado gas inerte.

En los tanques de los buques petroleros se sustituye la atmósfera de aire por una atmósfera inerte, ausente de oxígeno. El gas inerte además de posibilitar un transporte seguro se utiliza para desplazar los vapores de hidrocarburo en las situaciones en las que deba accederse a los tanques: inspecciones, revisiones, reparaciones, etc.

Características y procedencia

El gas inerte debe cumplir con una serie de requisitos para ser viable. En primer lugar no debe contener oxígeno, o por lo menos, no debe superar un porcentaje estipulado en los cuadros de mezclas explosivas. En el cuadro presentado a continuación se muestran los límites orientativos de mezcla explosiva hidrocarburo/O2.

Es seguro por tanto encontrarse por debajo del 12% pero por seguridad el tanto por ciento de O2 debe ser de alrededor del 2%, además este es el porcentaje de oxígeno en volumen que tienen los gases de escape de las calderas.

Imaginemos que partiendo del punto F, con un tanto por ciento en hidrocarburos del 11% y un tanto por ciento en O2 del 2% se introduce aire en los tanques, es decir se pasa del punto F al punto A. En este caso el aire desplazaría el vapor de hidrocarburo pero se mezclaría con él entrando en el triángulo de inflamabilidad. Para introducir el aire de forma segura debe hacerse como muestra la figura partiendo del punto F al punto H mediante un desplazamiento con gas inerte. El gas inerte por tanto desplaza el vapor de hidrocarburo a la atmósfera. En el momento en que el tanto por ciento en hidrocarburos ha bajado alrededor del 2,5% se introduce el aire y se desplaza el gas inerte llegando al punto A de forma segura.

Además de no contener oxígeno el gas inerte no debe reaccionar con la carga tampoco debe  ser tóxico para evitar problemas en posibles fugas. Para que el uso del gas inerte sea viable en un petrolero también debe poderse producir en cantidades significativas a bordo.

El gas inerte generado a bordo procede normalmente de:

Los gases de escape de las calderas

Los gases de escape de turbinas de gas con una reducción de oxígeno mediante postcombustión.

De un generador de gas inerte, quemadores con la cantidad de aire estequiométricamente necesaria para consumir el oxígeno del aire. 

A estos gases de escape se les realiza un lavado con agua de mar para enfriarlos, eliminar el vapor de agua, condensar los compuestos corrosivos de azufre  y arrastrar la carbonilla.

PARTES QUE CONSTITUYEN EL SISTEMA DE GAS INERTE DE UN BUQUE PETROLERO.  

A continuación se muestran las partes que constituyen el sistema de gas inerte de un buque petrolero.  

Presiones en el circuito

Se considera que a la salida de la chimenea de la caldera o de generador de gas inerte hay presión atmosférica. En el circuito de gas inerte los ventiladores, “Blower”, aspiran  por tanto hay una presión de vacío, después de  los ventiladores el gas se dirige a los tanques de carga. El vacío supone que en caso de fuga entrará aire en el circuito de gas inerte, aumentando la concentración en oxígeno.

En el interior de los tanques de carga  la presión es ligeramente superior a la atmosférica, 600 mm de columna de agua por encima, ya que con ligeros incrementos de presión y teniendo en cuenta la gran superficie del tanque, los esfuerzos en las paredes del mismo pueden aumentar drásticamente.

Si el gas inerte producido es mayor al que se requiere no se puede introducir en el tanque porque haría aumentar la presión y ello hay un circuito de recirculación.

Recircular el gas inerte puede hacer que una fuga en la zona de baja presión haga aumentar el contenido en oxigeno del gas. En el caso que aumente el contenido en oxígeno habrá que ventear el gas.

Elementos del circuito

En primer lugar se observa el conducto por el que circulan los gases “Boiler Up Take”, cabe recordar que el gas inerte no tiene por qué generarse en la caldera. Puede ser producto de la combustión de un equipo auxiliar, generador de gas inerte. Estos generadores de gas inerte son equipos utilizados en pequeños petroleros, mientras que los gases de escape de calderas suelen utilizarse en los petroleros de crudo. De todas maneras, los petroleros de crudo también pueden montar generadores de gas inerte auxiliares para conseguir pequeños caudales de gas. En la imagen se muestra un generador de gas inerte.

El siguiente elemento que se observa son las válvulas telemandadas que dan paso, o no, a los gases hacia el circuito.

Scrubber

El siguiente elemento que se muestra es el Scrubber. Mediante el scrubber se limpian los gases eliminando: óxidos de azufre, partículas sólidas y vapor de agua. El scrubber es básicamente una lavadora de gas que rocía agua de mar. Al enfriar con agua debe mantenerse el gas por encima de su temperatura de rocío. El scrubber puede incorporar un  calentador para prevenir que el agua se congele si

se está navegando en zonas frías, en cualquier caso, un sistema automático previene que el agua se caliente demasiado.

El gas circula de abajo a arriba y el agua se gotea cayendo por gravedad. El contacto con las gotas de agua hace que el gas se enfríe condensando el vapor de agua y el ácido sulfúrico y arrastrando la carbonilla.

El scrubber tiene un pequeño sello antirretorno formado por un baño de agua.  Al gas no le supone mucho esfuerzo burbujear para salir. En el caso que hubiera un retorno de gas la superficie de retorno por la que se daría éste es mucho mayor que la de entrada por lo que, el gas no podría pasar por el baño.

El gas serpentea por las bandejas para que tenga tiempo de mezclarse e intercambiar calor. El scrubber suele estar dotado de ventanas de inspección de cristal que tienen una junta que las hace estancas. La junta y el cristal pueden estar agrietados por lo que se encuentra una zona susceptible de entrada de aire.

En la parte alta del scrubber está el separador de gotas. Está compuesto por una serie de rejillas con agujeros no coincidentes y/o por unas planchas en zigzag de modo las gotas de agua no pueden ser arrastradas por el gas. Hay más diseños pero todos se basan en el mismo principio de funcionamiento

Esta es la variación a la que se somete al gas al pasar por el scrubber.

Ventiladores de gas interte

Son ventiladores centrífugos capaces de mover mucho caudal de gas pero a una presión relativamente pequeña. Como mínimo deben montarse dos. Cada uno de ellos ha de ser capaz de hacer circular el 125% del gas inerte que se pueda producir a bordo. La situación de máxima producción de gas inerte se da en la descarga, con las bombas trabajando a plena potencia.

Cuando el gas abandona el ventilador, se analiza su contenido en oxígeno para ventearlo en caso que la concentración no sea la adecuada. Para ello se utilizan analizadores de oxígeno a los que se les ha dedicado un artículo distinto.

ELEMENTOS DE SEGURIDADUna vez conocida la composición del gas que va a ser introducido en los tanques y si las condiciones de presión lo permiten el gas inerte recorre la segunda parte del sistema. Esta segunda parte tiene como objetivo que el gas inerte acceda a los tanques  de forma segura además de, como se verá más adelante, que no retroceda ni aire ni vapor de hidrocarburo. El primer elemento de seguridad que atraviesa el gas es el sello de cubierta, “deck seal”. En la imagen se muestra la zona del circuito que va a exponerse así, como el recorrido que realiza el gas.

Sellos de cubierta

Son elementos que evitan que el gas inerte, vapores de hidrocarburos o el líquido vuelvan a la cámara de máquinas. Estos elementos se encuentran entre los tanques de carga y los ventiladores. El retorno puede ser producido por un paro en los ventiladores, una caída de planta, una avería, un mal manejo de válvulas, etc. Los sellos de cubierta pueden ser de la siguiente manera:

Sello húmedo

Está considerado el sello más fiable y con el que están equipados la mayoría de buques. Estos sellos al igual que el scrubber cuentan con un separador de gotas.Consiste en un tubo introducido en un depósito lleno de agua. Este depósito comunica con la salida del gas inerte hacia los tanques. El tubo por el que entra el gas inerte está comunicado con el depósito y por tanto tiene el mismo nivel. El gas, al igual que en el sello del scrubber, entra en el agua y al hacerlo por una superficie pequeña es capaz de avanzar debido a su presión. El gas inerte sale fuera del baño de agua y continúa su camino hacia los tanques.

Este dispositivo cuenta con una bomba de alimentación ya que el gas cuando entra empieza a evaporar el agua, la bomba se encarga de mantener el nivel constante. Este sello tiene pérdidas de carga importantes.

El sello cuenta además con un escudo antisalpicadura ya que el chorro de entrada de alimentación de agua puede con el paso del tiempo erosionar la tubería por la que entra el gas.

Sello semiseco

Está constituido por un tubo en forma de U en el cual hay agua. En la parte baja de la U hay un depósito dotado de eyectores.

Su principal ventaja ante el sello húmedo es que opera seco cuando el flujo del gas es en la dirección deseada.  Cuando se necesita de la acción de un bloqueo debido a un retorno el sello se inunda por efecto venturi.

Mientras el venturi no actúa el depósito se equilibra por vasos comunicantes con la U. Al gas le es difícil atravesarlo. A medida que aumenta la velocidad del gas el venturi aspira subiendo el nivel del tanque y por tanto bajando en nivel de la U. En caso de retroceso el venturi deja de aspirar y la tubería en forma de U se inunda impidiendo el retorno de gas o vapor de hidrocarburo.

Sello seco

El sello seco opera normalmente seco y solo se inunda en caso de detección de un retroceso. Presenta un problema. El sistema está constituido por más partes y por tanto es más lento en cuanto a reacción que el sello húmedo. Su funcionamiento es el siguiente:

El tanque inferior está seco en condiciones de operación normales. En el momento que se detecta un flujo inverso se abre la válvula que comunica el tanque superior con el tanque inferior. Por gravedad el agua cae inundando el tanque inferior e impidiendo el avance del gas.

Cuando se soluciona el problema que ha provocado la actuación del sello, el tanque inferior se purga y se llena de nuevo el tanque superior.

El flujo inverso se detecta por diferencia de presiones o por variación de caudal mediante sensores.

ELEMENTOS QUE CONFORMAN EL FINAL DEL SISTEMA DE GAS INERTE

A continuación se muestran los elementos que conforman el final del sistema de gas inerte tras circular éste a través de los sellos de cubierta. 

Rompedor de presión/vacío

Es un dispositivo de seguridad encargado de evitar sobrepresiones o vacíos por situaciones de emergencia o mal funcionamiento.

Rompedor de presión vacío

Es un recipiente de acero que se sitúa junto a la entrada del gas inerte en los tanques de carga.

Si se manipulan mal las válvulas o el tanque se llena o vacía muy rápido se crea una diferencia de presión, el gas inerte puede aumentar o reducir la presión en los tanques y crear fuertes tensiones.

En caso de sobrepresión el sistema está calculado para que el gas no sea capaz de vencer la columna de agua (figura 2). En caso que la presión supere el valor de cálculo el gas empujará la columna de agua y esta rebosará del tanque, (figura 3). En caso de vacío el gas retrocederá por tanto el agua tenderá a subir y se empezará a llenar el tanque de aire, (figura 4).

También hay un medidor de oxígeno  a la entrada del tanque si el tanto por ciento sube  se ventea a la atmósfera sino se recircula y se vuelve a pasar por el scrubber.

Si se produce más gas inerte del necesario se recircula o se ventea para no incrementar demasiado la presión en los tanques. En los tanques debe por tanto mantenerse una presión ligeramente superior a la atmosférica, 600mm de columna de agua.  

Funcionamiento del sistema rompedor de presión vacío

Mástil de venteo

El mástil de venteo es la conexión del tanque con la atmósfera. Puede haber un mástil por tanque o una válvula por tanque que comunique éstos con el mástil de venteo.Si el tanque está vacío y se quiere hacer alguna operación de inertizado o si el tanque está lleno de gas inerte y se quiere llenar de aire.

El mástil debe estar a un mínimo de altura sobre la cubierta así como a una distancia razonable del los espacios habitados del buque.

La reglamentación exige que el gas salga al doble de velocidad de la de posible propagación de una llama, alrededor de 30 m/s. Esto es debido a que en ciertas operaciones se ventea gas mezclado con vapores de hidrocarburo. Para que se cumpla la normativa las válvulas que comunican el tanque con el mástil son válvulas de alta velocidad.

Válvulas de alta velocidad

Las válvulas aumentan la velocidad del gas merced una reducción de sección. El gas que sale del tanque está impulsado a la presión de carga del producto.Estas válvulas cuentan con un sistema similar al del rompedor de presión vacío por cuestiones de seguridad. En caso de sobrepresión en el interior de la válvula se aloja un disco que asciende evacuando al gas. En situaciones de presión normal el paso que se da al venteo del gas es  un estrechamiento.

En caso de vacío la válvula cuenta con un disco secundario similar al que se aloja en el cuerpo principal de la válvula que abre y permite la entrada de aire a los

tanques. Estos equipos están dotados de unas rejillas que por cuestiones de capilaridad impiden el paso de llamas.

Válvulas de presión vacío

Function of PV Breaker (Pressure Vacuum Breaker) in Inert Gas (IG system) line onboard ship

Pressure Vacuum Breaker or usually known as PV Breaker is a safety measure used in the IG line on deck. The major functions of a PV breaker are

1) Abnormal rise of Pressure in Cargo tanks when loaded specified rate of gas outlets2) Abnormal rise of Pressure in Cargo tanks when cargo is unloaded beyond specified rate of the inert gas blower3) Abnormal rise or drop of pressure in cargo tanks when the breather valve doesnot operate properly for the fluctuation of the pressure in cargo tanks due to variation in atmospheric and sea water temperatures

Operation

1) When Pressure RisesWhen the pressure in the cargo oil tanks rise, the seal liquid rises in the inner pipe. At this time , if the pressure beyond the specific capacity of the breaker, the seal liquid will push out of the pipe to let the pressure inside the be out

2) When Pressure dropsWhen the pressure in the cargo oil tanks fall, the seal liquid rises in the outer pipe. If the pressure beyond the specific capacity of the breaker, the seal liquid is drown into the cargo oil tanks, and atmospheric air will be inhaled in the tank