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Ensayo de presión de cámara de refugio para ambiente explosivo

Las cámaras de refugio y los safe haven tienen el potencial de salvar vidas si se los incorpora en un plan de respuesta ante emergencias completo y si el personal recibe la capacitación adecuada. La capacidad de brindar supervivencia se apoya en que las características de una cámara de refugio que cumplan con requerimientos fundamentales tales como mantener una atmósfera respirable, satisfacer necesidades básicas, como por ejemplo agua, y contar con una integridad estructural que pueda soportar una explosión inicial y un posible segundo evento explosivo.1

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Ensayo de resistencia a explosiones de una cámara de refugio

La explosión presenta un riesgo inherente a las actividades industriales y a la minería, ya sea que se produzcan por prácticas propias del trabajo o de manera natural. Deben coexistir ciertos factores críticos para que ocurra una explosión, es decir: una reacción química no controlada, oxígeno, una fuente de energía/calor y un combustible. Algunos ejemplos de fuentes de combustible habituales en la industria y en la minería incluyen la acumulación de gases inflamables, como por ejemplo metano o sulfuro de hidrógeno, o una cantidad importante de polvo de carbón en las minas de carbón y las plantas alimentadas con carbón.

En ambientes sumamente explosivos, las cámaras de refugio se pueden adaptar para que soporten sobrepresiones específicas medidas en psi (libras por pulgada cuadrada). La resistencia de las cámaras de refugio a las explosiones se puede determinar a través de ensayos de hidrostáticos.

MineARC cuenta con los conocimientos de ingeniería necesarios para realizar sus propios cálculos de análisis de resistencia a explosiones para todas las cámaras de refugio y los safe haven. Asimismo, ingenieros profesionales especialistas pueden realizar una evaluación independiente, con un costo adicional.

¿Por qué se necesitan ensayos de resistencia a explosiones en las cámaras de refugio?

A pesar de los importantes esfuerzos que realizan los países desarrollados para reducir los riesgos, las explosiones todavía siguen siendo eventos comunes en la industria y en la minería. La naturaleza errática de los estratos de roca, el desconocimiento del ambiente y las técnicas de producción, todos, pueden dar lugar a un evento explosivo.

Las consecuencias pueden ser devastadoras: pérdida de la vida, comunidades destrozadas y el potencial cierre de una mina.

En los ambientes de alto riesgo, como son las minas de carbón y las plantas químicas, donde las explosiones son más comunes, la necesidad de cámaras resistentes a explosiones es una obligación.

 

Parámetros de diseño clave para cámaras de refugio en minas de carbón

El Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional de Estados Unidos (NIOSH) ha estado investigando desde 2007 alternativas para refugios de carbón, y ha determinado que es necesario que las cámaras de refugio y los refugios seguros en el lugar reciban una aprobación o certificación de ensayos de presión basados en pruebas de laboratorio y de campo. 1

La normativa final de la Administración para la Salud y Seguridad en Minas (MSHA) de EE.UU. es congruente con el informe de la investigación del NIOSH sobre alternativas de refugios, en lo que se refiere su diseño para carbón. Para recibir la certificación, las cámaras de refugio deben fabricarse de manera para que puedan resistir sobrepresiones de 15 psi durante 0,2 segundos y soportar la expansión característica de la onda explosiva en una mina subterránea. 2

A continuación se resumen las especificaciones de diseño críticas y sus fundamentos, según el NIOSH, que se aplican para opciones de cámaras de refugio y refugios seguros en el lugar, tanto portátiles como fijos, para carbón:

  • Parámetros de resistencia: pruebas de explosión en el laboratorio Lake Lynn, además de bibliografía y prácticas modernas.
  • Los valores para tasa mínima de duración y sistemas de anclaje se basan en investigaciones y prácticas fuera de los Estados Unidos y en directrices respaldadas por estudios para industrias distintas a la minería.1

 

Parámetro Valor o práctica recomendada
Duración mínima nominal* 48 horas
Resistencia Sobrepresión de 15 psi durante 0,2 seg.
Sistema de anclaje Not recommended at this time

*Must withstand a pressure wave that rises to 15 psi in 0.10 sec and then returns to 0 psi after another 0.1 seconds. Any danger to the housing of an inflatable chamber must not affect the deployment time, and all associated equipment must be fully functional after the overpressure. Any damage to the housing of a rigid chamber must not impair operation or sealing of the access door, i.e. there can be no leakage into the chamber from any external point, and all equipment inside the chamber must remain in working condition after the overpressure.

La mayoría de las cámaras MineARC ofrece como valor estándar una protección estática contra sobrepresiones de 5psi, sin embargo, esta defensa se puede aumentar hasta 15psi, o adaptarse a los requerimientos del cliente. El incremento en la resistencia a explosiones incluye:

  • Refuerzos verticales adicionales de 100 mm x 50 mm.
  • Refuerzos laterales adicionales.
  • Gabinete posterior totalmente cerrado para protección de componentes.
  • Cambios en el material.
  • Cambios en el perfil externo de la cámara.

 

Ensayo de resistencia a explosiones de una cámara de refugio

La cámara de refugio CoalSAFE fue sometida a ensayos de resistencia a explosiones debido al riesgo de que ocurran  en la minería de carbón. La cámara también se verificó en condición usada, para replicar las circunstancias de instalación bajo tierra.

Antes del ensayo, se realizó un servicio técnico de la cámara de refugio a cargo de técnicos calificados de MineARC. El servicio incluyó la verificación del estado operativo del equipamiento crítico y también el reemplazo de algunas válvulas check y sellos en puertas. Además, se realizó una verificación de vacío en la cámara para asegurar la conservación de la presión positiva.

El ensayo fue realizado por Baker Engineering and Risk Consultants, Inc. y siguió los protocolos establecidos por la disposición 30 CFR Parte 7 de la Administración para la Salud y Seguridad en Minas (MSHA). MSHA y MineARC verificaron estos protocolos antes de la realización del ensayo.3

Title 30 - Mineral Resources, Code of Federal Regulation, Chapter I, Subchapter B, Part 7, Subpart L, section 7.505 – Structural Components.

§ 7.505 (a) The structure shall—

 (4) Be designed and made to withstand 15 pounds per square inch (psi) overpressure for 0.2 seconds prior to deployment.

§ 7.505 (b) Inspections or tests shall be conducted as follows:

 (2) A test shall be conducted to demonstrate that an overpressure of 15 psi applied to the pre-deployed refuge alternative structure for 0.2 seconds does not allow gases to pass through the structure separating the interior and exterior atmospheres.

 (4) An inspection shall be conducted to determine that the overpressure forces of 15 psi applied to the pre-deployed refuge alternative structure for 0.2 seconds does not prevent the stored components from operating.

 

Se realizaron dos ensayos con gas trazador y una prueba hidrostática en la cámara de refugio CoalSAFE, de acuerdo con los protocolos mencionados. El proceso comenzó colocando la probeta dentro del recipiente de presión e instalando toda la instrumentación y cañerías del sistema. Antes de la realización de cada uno los ensayos se controló el funcionamiento en todos los instrumentos y equipos empleados.

 

Ensayo con gas trazador

El ensayo con gas trazador es un método que se utiliza para detectar fugas de gas. En una cámara de refugio, esto podría significar que ingresen a la cámara gases peligrosos como CH4, CO y CO2, reduciendo la cantidad de aire respirable y afectando la presión interna positiva.

Se realizaron dos ensayos con gas trazador: uno antes de la prueba hidrostática, a fin de asegurar que no hubiera fugas, y otro después de la explosión para confirmar la ausencia de daños estructurales que pudieran permitir el ingreso de gases tóxicos.

Una vez que se selló el recipiente de presión, se creó una presión por vacío de 0,2 psi dentro de la cámara refugio. Luego la empresa introdujo más de 3000 ppm de CO2 dentro del volumen del recipiente de presión. Una vez que se obtuvo la concentración medida, se mantuvo la presión por vacío a 0,2 psi durante un período de 15 minutos. Esto exigió el funcionamiento periódico de la bomba de vacío, ya que la presión de vacío se reducía a lo largo del tiempo.

En ambas ocasiones, la cámara de refugio conservó su hermeticidad, indicada por la concentración interna de CO2, que se mantuvo casi sin cambios.

 

Prueba hidrostática

La ubicación del transductor de presión de vacío se desplazó al exterior del recipiente de presión para retirarlo del espacio presurizado.

Antes del ensayo, se midieron las condiciones de la estructura interna y se registró la alineación de las paredes. Nuevamente, se verificó el funcionamiento de todos los sistemas críticos para soporte de vida dentro de la cámara de refugio. Una vez concluida la verificación, se cortó el aire desde los cilindros hacia la esclusa, se cerró el piloto y se descargó el aire a alta presión para depuración de la esclusa.

Se creó un vacío con una presión de 5 psi dentro de la cámara de refugio utilizando una bomba de vacío que estuvo activa durante todo el ensayo. Se introdujo aire comprimido en el recipiente de presión hasta alcanzar >10 psi, lo que equivale a una presión neta de 15 psi. Este nivel se mantuvo durante un período de más de 200 ms.

 

La cámara de refugio CoalSAFE superó con éxito el ensayo a una presión neta de 15,1 psi durante más de 200 ms, de acuerdo con lo estipulado en el protocolo de ensayo. El daño estructural general fue mínimo, sin cambios en el ancho de la cámara y con una pequeña reducción en su altura y longitud entre la esclusa y la cámara principal. Este daño no afectó la cañería de presión, el equipo de soporte de vida ni la hermeticidad de la cámara.

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  1.  Research Report On Refuge Alternatives For Underground Coal Mines, https://www.cdc.gov/niosh/mining/UserFiles/works/pdfs/Report_on_Refuge_Alternatives.pdf
  2. Federal Register, Volume 73 Issue 251, http://www.gpo.gov/fdsys/pkg/FR-2008-12-31/html/E8-30669.htm (accessed October 03, 2018)
  3. 30 CFR 7.505 - Structural Components. | Us Law | Lii, https://www.law.cornell.edu/cfr/text/30/7.505 (accessed October 02, 2018).