No basta con memorizar «GNL en el techo, GLP en el suelo»

Al decidir la ubicación de detectores de gases inflamables, suele enseñarse que deben instalarse arriba para el gas natural, porque es más ligero que el aire, y abajo para el GLP, porque es más pesado. Es un punto de partida útil si se piensa en una pequeña fuga gaseosa en aire estable a temperatura ambiente. Sin embargo, las fugas reales en instalaciones de almacenamiento, descarga y vaporización de GNL y en instalaciones de carga y almacenamiento de GLP son más complejas que esa frase. Al vaporizarse el líquido, la temperatura baja mucho; una descarga a presión arrastra aire circundante, y ventiladores, rejillas, puertas, vehículos y estructuras modifican el flujo.

La autoridad británica de seguridad y salud, HSE, también recomienda situar los sensores fijos de modo que detecten la acumulación antes de que el gas genere un peligro grave, considerando conjuntamente el equipo de proceso, el tipo de sensor, las propiedades y dispersión del gas y el patrón de ventilación. La densidad relativa es un factor para decidir la altura de instalación, no un criterio aislado que coloca automáticamente detectores en un plano. Primero deben comprenderse con precisión las diferencias entre GNL y GLP y después trazarse las rutas previstas de fuga.

El GNL y el GLP difieren incluso en el método de licuefacción

El GNL es gas natural enfriado hasta aproximadamente 162 grados bajo cero para convertirlo en líquido. Su componente principal es el metano, pero la composición real puede incluir etano, propano, nitrógeno y otros componentes, cuyas proporciones varían según la fuente y el tratamiento. Cuando se fuga GNL, intercambia calor con el suelo, el aire y el agua circundantes, hierve rápidamente y produce un gran volumen de vapor. Lo importante no es considerar solo las propiedades del metano a temperatura ambiente, sino también la temperatura del vapor criogénico recién generado.

El GLP es principalmente una mezcla de hidrocarburos de las familias del propano y el butano, almacenada y transportada como líquido a presión. Si se rompe una válvula o una manguera, parte del líquido se vaporiza instantáneamente y el resto puede formar un charco frío que continúa evaporándose. La tasa de liberación y la composición del vapor dependen de la proporción de propano y butano y de la temperatura y presión de almacenamiento, pero los vapores de ambos a temperatura ambiente son más pesados que el aire.

Por tanto, ni «GNL» ni «GLP» designan un único gas puro. La densidad real del vapor y la respuesta del detector se ven afectadas por la composición, la temperatura y el grado de mezcla con aire. El diseñador debe confirmar primero una composición representativa y su posible intervalo de variación en las fichas de datos de seguridad vigentes, las especificaciones de suministro y el balance de materia del proceso.

La densidad del vapor cambia con la temperatura y la composición

A la misma presión, la densidad de un gas suele aumentar con el peso molecular y disminuir con la temperatura absoluta. Incluso el metano, cuyo peso molecular lo hace más ligero que el aire, puede contener más masa en el mismo volumen y resultar más pesado que el aire cálido circundante cuando está muy frío. Por el contrario, al mezclarse el vapor fugado con el aire y calentarse, disminuye la diferencia de densidad. En un combustible de varios componentes, el peso molecular medio también cambia con la composición.

La guía de bolsillo del NIOSH sobre riesgos químicos indica una densidad relativa del propano de 1.55 a la misma temperatura. Esto significa que su vapor es más pesado que el aire incluso a temperatura ambiente. La incorporación de butano puede aumentar aún más el peso molecular medio. Sin embargo, este número no debe aplicarse como un valor fijo a toda una nube de GLP real. Un vapor enfriado por vaporización instantánea, una nube mezclada con aire y una descarga de 2 fases que contiene gotas se comportan de forma distinta de las propiedades de equilibrio de un único componente, el propano puro.

Los datos de densidad relativa orientan, pero una nube real de fuga cambia continuamente de estado. Por eso es débil fijar una altura universal con una regla como «unos centímetros sobre el suelo si la densidad relativa supera 1». Si el sensor queda demasiado lejos de la fuente, solo responderá después de la dilución; si queda demasiado bajo, puede averiarse por lluvia, agua de lavado, polvo o golpes. La ubicación debe incluir también la protección física y el acceso para mantenimiento.

El vapor frío de GNL puede desplazarse inicialmente a ras de suelo

El gas natural a temperatura ambiente suele ser más ligero que el aire y asciende. El vapor inmediatamente posterior a una fuga de GNL es una excepción. La agencia estadounidense PHMSA explica que el vapor generado en el punto normal de ebullición del GNL es aproximadamente 1.5 veces más pesado que el aire a 25 grados y mantiene flotabilidad negativa hasta calentarse lo suficiente tras su liberación. Esta nube fría y densa puede recorrer el suelo, los cubetos, las zanjas y las zonas bajas. La nube blanca visible es niebla creada cuando el gas frío condensa la humedad del aire, por lo que la extensión de esa niebla tampoco coincide exactamente con los límites espaciales de la nube inflamable.

Con el tiempo, al mezclarse con el aire y calentarse, el vapor rico en metano puede pasar por flotabilidad neutra y ascender. Esto no significa que basten sensores superiores porque «al cabo de un rato subirá». La evaluación ambiental de GNL de FERC explica que el vapor frío de GNL es inicialmente más pesado que el aire y se vuelve más ligero al calentarse, pero que en ensayos y modelos reales la nube puede haberse diluido por debajo del límite inferior de explosividad antes de elevarse del suelo. Es decir, la zona en la que hay que detectar pronto la nube inflamable puede encontrarse a baja altura junto a la fuente y a lo largo de su recorrido sobre el terreno.

También existen otros escenarios. Una pequeña fuga gaseosa de una tubería de gas natural ya vaporizado y calentado probablemente se desplazará hacia arriba. El gas de evaporación de la parte superior de un tanque de GNL, la salida de un vaporizador y los bolsillos bajo techos interiores exigen una distribución distinta de una fuga baja. Por eso, incluso en una misma instalación, deben separarse los escenarios de fuga de líquido criogénico y de gas a temperatura ambiente.

El GLP tiene una fuerte tendencia a permanecer en zonas bajas

Los vapores de propano y butano siguen siendo más pesados que el aire después de calentarse hasta la temperatura ambiente. El HSE explica que el GLP vaporizado desciende o permanece a baja altura. El GLP fugado puede extenderse por el suelo y acumularse en fosos, sumideros, desagües, zanjas de cables, sótanos y cubetos. También debe considerarse que una llama encendida en un punto bajo alejado puede retroceder por la ruta del vapor hasta la fuente de fuga.

Eso no significa que sea suficiente un único detector en el suelo. Una descarga a presión sale inicialmente como un chorro en la dirección de la válvula o la brida y arrastra aire circundante. Los ventiladores de impulsión interiores pueden llevar GLP hacia arriba o a otro compartimento, y el viento exterior puede acumular una nube baja en zonas de remolino detrás de estructuras. Se necesita detectarlo primero junto a puntos de fuga probable —conexiones de mangueras de carga, sellos de bombas, compresores, vaporizadores y descargas de válvulas de seguridad— y después añadir sensores en los puntos previstos de desplazamiento y acumulación.

Los sensores bajos cerca de desagües o zanjas son importantes, pero, si se inundan o contaminan, pueden no funcionar precisamente durante el accidente. Deben comprobarse la temperatura y humedad admisibles, la protección contra agua y polvo, la adecuación para atmósferas explosivas, el drenaje de condensado, la protección frente a impactos y el espacio de calibración. Vigilar un peligro a baja altura no equivale a instalar el equipo cerca del agua acumulada.

La distribución real comienza en la fuente de fuga

Distribuir detectores empieza por dividir el equipo en pequeños escenarios de fuga. Un tanque de almacenamiento no se trata como un solo punto: se señalan conexiones, salida de líquido, sellos de bombas y compresores, bridas, puntos de muestreo, brazos y mangueras de descarga, conectores de carga, vaporizadores, reguladores, tuberías de instrumentos, drenajes y ubicaciones de descarga de válvulas de seguridad y venteos. Se incluyen no solo la operación normal, sino también arranque y parada, descarga, purga, mantenimiento, maniobras erróneas y pérdida de alimentación.

A cada escenario se aplican las siguientes preguntas.

  1. ¿Qué sale —líquido, mezcla fría de 2 fases o gas a temperatura ambiente— y en qué dirección?

  2. ¿Cómo influyen la presión de descarga, el tamaño del orificio y la duración en la incorporación de aire y la distancia alcanzada?

  3. ¿Dónde atrapan la nube la pendiente del terreno, los cubetos, los fosos, las zanjas, las paredes y los equipos?

  4. ¿Cómo modifican el flujo las entradas y salidas de aire, los modos de los ventiladores, las puertas abiertas, el movimiento de vehículos y los vientos estacionales?

  5. ¿Dónde debe detectarse antes de que llegue a trabajadores, fuentes de ignición, tomas de aire de salas de control y rutas de evacuación?

  6. ¿Queda la zona peligrosa sin vigilancia cuando un sensor está averiado, en calibración o en mantenimiento?

En interiores son importantes la posición de rejillas, puertas, entradas y salidas de aire y el estado de los ventiladores. En exteriores se examinan la dirección y velocidad del viento, la topografía, la densidad de equipos y las estelas de edificios. El HSE indica que, cuando sea necesario, pueden emplearse ensayos de humo o modelos informáticos para predecir el comportamiento de una fuga y las ubicaciones óptimas. En una gran instalación de GNL o GLP es razonable realizar análisis de dispersión y evaluaciones de cobertura de detectores para escenarios representativos, complementándolos durante la puesta en marcha con pruebas de humo o gas trazador bajo la ventilación real.

Diseñar varias líneas de defensa, no una sola altura

En zonas de manipulación de GNL, se evalúan primero las rutas previstas a baja altura alrededor de bombas, instalaciones de descarga y tuberías donde puede fugarse líquido criogénico, así como dentro de los cubetos. Al mismo tiempo, en las salidas de vaporizadores, salas de compresores y bolsillos del techo donde hay gas natural caliente se evalúa la acumulación superior. No se presupone que una matriz de sensores a una sola altura represente ambos escenarios. Cuando sea necesario, se combinan sensores bajos y altos, sensores junto a las fuentes y vigilancia de tomas de climatización.

En zonas de GLP se priorizan los alrededores de conexiones de carga y transferencia y puntos bajos como fosos, zanjas y desagües. En vez de repetir sensores de suelo a intervalos uniformes en un espacio abierto amplio, conviene aumentar su densidad según la frecuencia real de fugas y la ruta por la que pasará el gas. También se comprueba si los muros del cubeto retendrán vapor, si las aberturas comunican con edificios adyacentes y si el drenaje está separado hacia un lugar seguro.

Los instrumentos personales portátiles complementan los puntos ciegos de los equipos fijos, pero no los sustituyen. Un sistema en el que la alarma portátil solo suena después de que el trabajador entra en la nube peligrosa no proporciona protección temprana de las instalaciones. Por el contrario, incluso en zonas con sensores fijos, antes de entrar en espacios confinados, abrir desagües o equipos y realizar mantenimiento deben medirse remotamente con sonda las partes superior, media e inferior y los bolsillos previstos, y debe decidirse si se mantendrá vigilancia continua durante el trabajo.

El tipo de sensor y el gas de calibración importan tanto como la ubicación

Aunque la ubicación sea correcta, la alarma se retrasará si el sensor no responde adecuadamente a la mezcla objetivo. Los sensores catalíticos necesitan oxígeno y pueden verse afectados por venenos o inhibidores del catalizador. Los infrarrojos detectan hidrocarburos sin oxígeno, pero los gases objetivo y las características de respuesta varían según el producto. Debe comprobarse si la posible presencia de vapor criogénico, condensado, humedad elevada, polvo o sustancias siliconadas queda dentro de los límites de funcionamiento especificados por el fabricante.

Un detector calibrado con metano no muestra la misma lectura para propano o butano, y viceversa. El HSE explica que lo ideal es calibrar con el gas que se pretende medir y, si se utiliza otro, aplicar la relación de corrección facilitada por el fabricante. Si un instrumento vigila GNL y GLP, deben documentarse la respuesta más desfavorable dentro del intervalo de composición previsto, los ajustes de alarma y la estrategia de calibración. Un bump test es una prueba funcional que confirma que el gas alcanza el sensor y activa la alarma; debe distinguirse de una calibración completa que garantiza exactitud cuantitativa.

Los detectores no sustituyen la ventilación, el aislamiento de fugas, los cubetos y drenajes, la protección contra explosiones ni la respuesta de emergencia. Debe probarse qué válvulas y equipos se detienen automática o manualmente tras una alarma, si el modo de ventilación envía el gas hacia rutas de evacuación y si las alarmas pueden comprobarse en campo y en la sala de control. Si cambian la disposición de equipos o la operación de la ventilación, deben revisarse también las ubicaciones existentes.

La conclusión de la revisión no es un «nombre de gas», sino un «escenario de fuga»

Sigue siendo válida la tendencia del GLP a desplazarse a zonas bajas y del gas natural a temperatura ambiente a ascender. Sin embargo, el vapor frío de GNL puede fluir inicialmente por el suelo y cambiar de flotabilidad al calentarse y mezclarse con aire. La propia densidad del vapor también varía con la temperatura y la composición. Por tanto, una regla que sitúe siempre los detectores de GNL en el techo y los de GLP en el suelo puede omitir el peligro real.

Un buen diseño confirma los datos de las sustancias, separa fugas de líquido, de 2 fases y gaseosas, identifica las fuentes y direcciones más probables y coloca sensores en las rutas de transporte y acumulación creadas por la ventilación y el terreno. Después valida las hipótesis con pruebas de humo, modelos de dispersión y ensayos de puesta en marcha, y confirma la calibración para el gas objetivo y el acceso de mantenimiento. La densidad relativa responde a la primera pregunta; el escenario completo de fuga determina la ubicación segura.

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