Maximización de la seguridad en las plantas

En la actualidad, los esfuerzos para mejorar la seguridad en las plantas se concentran en varias líneas fundamentales:

• Control y la automatización de procesos (mediante el empleo de sistemas instrumentados de seguridad específicos)
• Flujo de fluidos (mediante el empleo de válvulas de control inteligentes)
• Identificación y monitorización de riesgos (mediante el uso de instrumentos analíticos más pequeños e inteligentes capaces de trazar la presencia de gases tóxicos y combustible, y dotados de comunicaciones inalámbricas)
• Gestión de sistemas de alarma (mediante la racionalización general del diseño y el funcionamiento de los sistemas de alarma)
• Manipulación de materiales pulverulentos en suspensión (para reducir el riesgo de explosión asociado a las actividades de captura de polvo)

Todas ellas se comentan a continuación.

Un elemento clave del modelo de automatización de cualquier planta de procesos es el sistema instrumentado de seguridad (SIS), basado en tecnologías PLT. Por su diseño y su mantenimiento, estos sistemas son independientes del sistema de control de procesos convencional. El SIS cumple una función pasiva durante la mayor parte del tiempo y solo entra en servicio cuando algo va mal. Por ejemplo, en caso de perturbación del proceso o fallo de algún sistema, el SIS adopta medidas contundentes para llevar la planta a una situación segura.

Típicamente, un SIS está compuesto por uno o más sensores, un controlador (por ejemplo un controlador lógico) y uno o más elementos finales de control. Cuando el controlador recibe de los sensores datos que indican una perturbación en el proceso, ordena a los elementos finales de control que realicen determinadas acciones concretas, como cerrar una válvula, ventear un tanque, detener una operación de llenado de un depósito o apagar una máquina. Esta función de seguridad (SIF) se define durante la fase de planificación de la seguridad de la planta.

Los sistemas que se emplean en las industrias de procesos químicos están regulados por normas industriales emanadas de la Comisión Electrotécnica Internacional. Por ejemplo, la norma IEC 61508 hace énfasis en el diseño y la fabricación de sistemas de seguridad, mientras que la IEC 61511 cubre su implantación y funcionamiento. Para garantizar el máximo nivel de protección, el suministrador y el propietario u operador pueden pactar el cumplimiento de estas normas, e incluso hacerlo certificar por un tercero, como TÜV Rheinland o Exida.com. En algunos países, una alternativa equivalente consiste en que sea el propio fabricante el que certifique que el sistema ha sido planificado y construido conforme a las especificaciones y normas.

En general, el sistema básico de control del proceso y el sistema instrumentado de seguridad (SIS) se instalan y funcionan como elementos separados. Sin embargo, esto ha ido cambiando en los últimos años y hoy día existen alternativas. Por ejemplo, empresas como Siemens, Emerson Process Management, ABB, Inc. y Yokogawa han introducido nuevos sistemas que integran el sistema de seguridad en un sistema de control distribuido.

Al mismo tiempo, Honeywell Process Solutions ofrece su Experion Safety Manager, con certificación TÜV, que se integra en la herramienta Experion Process Knowledge System (PKS) y se combina con distintos transmisores y válvulas de seguridad con diagnosis de campo, aprobados para utilizarse dentro de sistemas SIS.

Entre los fabricantes de instrumentación y productos de control de procesos que ofrecen componentes aplicables al diseño de sistemas SIS cabe mencionar, aparte de los ya citados Emerson, ABB y Yokogawa, a Endress + Hauser, Rosemount, Triconex, ICS Triplex, Hima Paul Hildebrandt GmbH + Co. KG, HyTorc, Bettis o Fisher.

De acuerdo con los expertos en seguridad de Emerson, diversos estudios demuestran que el 40-50% de los problemas relacionados con la seguridad se producen en los elementos finales del SIS; es decir, en el dispositivo que debe activar una función de seguridad de parada, venteo o aislamiento, por no hablar de válvulas todo-nada críticas. Un ejemplo: como las válvulas de seguridad pasan grandes periodos de tiempo en una misma posición, cuando de repente se les pide que funcionen, se quedan atascadas.

Para atajar este problema, muchos de los actuales sistemas de seguridad incorporan sensores y actuadores inteligentes, que se aseguran de que los componentes funcionen en condiciones cuando se les necesita. Estas capacidades de diagnosis mejoradas incluyen pruebas automáticas, movimientos parciales de válvulas y diagnosis a demanda de sensores de bucles de seguridad, controladores lógicos y elementos de control finales.

La válvula de control es un componente particularmente crítico en la mayoría de las plantas de proceso. Está sujeta a un desgaste progresivo que, si no se controla y repara oportunamente, puede dar lugar a problemas de accionamiento, guiado de husillos, posicionamiento, integridad de la regulación y deterioro de la capacidad de manejo de fluidos. En último término, unas válvulas de control mal mantenidas pueden degradar la disponibilidad del proceso y generar fugas de líquidos y vapores peligrosas para los trabajadores y el medio ambiente. Este tipo de fallos en las válvulas puede, igualmente, producir paradas no planificadas o incluso averías más serias.

Para proteger mejor sus instalaciones y trabajadores, muchos de los actuales operadores de plantas están optando por posicionadores digitales e interfaces digitales inteligentes. Estos dispositivos permiten controlar con precisión el posicionamiento de las válvulas con respecto a un valor de consigna, y también que la válvula interaccione con un sistema de control supervisor, mediante un protocolo digital. Mediante el empleo de algoritmos y sensores digitales de feedback, los bloques de válvulas inteligentes pueden monitorizar la fricción estática (o sea, el movimiento aleatorio o a tirones del vástago o husillo de una válvula de control como resultado de una elevada fricción), reducir el desgaste y ayudar a los operadores a planificar las actividades de mantenimiento de forma más efectiva.

Según Dresser Masoneilan, los actuales bloques de válvulas inteligentes también pueden transmitir al sistema de control información relevante asociada a la válvula, como el estado del suministro de aire, la presión del actuador o la posición del tapón de la válvula. También pueden decirle al sistema de supervisión que la válvula se está desviando de su consigna, que el accionamiento está bloqueado o que el posicionador tiene dificultades para mantener su posición. Además de Dresser Masoneilan, cabe destacar otros proveedores líderes como Asahi/America, Fisher Rosemount, Invensys Flow Control, APV, Swagelok, Stahl-Armaturen Persta GmbH o Samson AG.

Las alarmas –las que avisan de un valor alto, las de integridad de bucles de control o las de desviación respecto a un valor de consigna– son otro aspecto fundamental de la seguridad de las plantas. Las alarmas advierten de forma precoz a los operarios de “situaciones anormales”. Proporcionan información relevante que ayuda a identificar la causa de la perturbación y se emplean para anticiparse a problemas e incidentes costosos. En algunos casos, incluso disparan de forma automática medidas de protección o respuestas de los equipos, dirigidas a devolver la planta a sus condiciones normales con la mayor rapidez posible. Funcionan de forma temprana y su misión consiste en evitar que entre en escena el SIS.

Sin embargo, en muchas plantas modernas el número de alarmas ha proliferado hasta el punto de afectar a la eficiencia. La causa está en los procesos y los equipos, que son cada vez más complejos y exigentes. Cuando el número de alarmas de una planta crece por encima de lo que resulta útil y práctico, se pierde la utilidad del sistema de alarma como herramienta de diagnosis y prevención de problemas. Las falsas alarmas, las alarmas hipersensibles y las redundancias se vuelven una molestia para los operarios, que pueden llegar a no hacer caso de ellas o desconectarlas si se activan una y otra vez.

Los expertos en seguridad de Honeywell dicen que, para mejorar la efectividad de cualquier estrategia de alarma de una planta, los operadores deben establecer y analizar cotas de referencia para el funcionamiento de las alarmas, evaluar el rendimiento del sistema de alarma actual, y revisar y justificar todas las alarmas existentes, para eliminar las que sean innecesarias o estén duplicadas.

Las plantas también deben mantener una base de datos maestra centralizada de alarmas y utilizarla para hacer comparaciones con las alarmas que se disparan, digamos cada semana, para comprobar que no se hagan cambios no autorizados en el sistema de alarmas optimizado. Invensys Process Systems y Yokogawa Corp., además de APV, Fluid Components International y Omega Engineering poseen experiencia y ofrecen servicios relacionados con la gestión de sistemas complejos de alarmas de plantas.

Cada día, los trabajadores de las plantas de procesos químicos y de las refinerías de petróleo se enfrentan a riesgos asociados a la exposición a productos químicos y otras sustancias tóxicas o combustibles, así como a la falta de oxígeno en espacios confinados. La primera línea de defensa para proteger al personal de estos peligros son los detectores de gases fijos y portátiles, situados estratégicamente por todas las instalaciones. Estos aparatos suelen basarse en sensores de célula catalítica, metal-óxido-semiconductor, de infrarrojos o electroquímicos.

Los detectores de gases son cada vez más pequeños y tienen una funcionalidad creciente. Por ejemplo, muchos de los equipos de detección de gases actuales están diseñados para trabajar sin mantenimiento en emplazamientos remotos, en espacios confinados, en líneas de proceso o en tuberías de descarga. Muchos son capaces de medir distintos gases a la vez con precisiones del orden de ppm. Otros pueden utilizarse fácilmente como instrumentos de mano con los que los operarios rastrean numerosas fuentes potenciales de fugas durante un turno de trabajo, protegiéndose a sí mismos de riesgos potenciales.

Entre los fabricantes de instrumentos en este campo destacan Sierra Monitor Corp., General Monitors Corp., Ametek Process Instruments, Marathon Sensors, Emerson Process Management, Draeger Safety, Endress+Hauser, MSA Instruments, Siemens, Zellweger Analytics, Sira Technology Ltd., Thermo Electron Corp., Industrial Scientific Corp., GFG Instrumentation y Extech Instruyments Corp.

En una planta de procesos químicos a gran escala existen, literalmente, miles de fuentes potenciales de emisiones cargadas de compuestos orgánicos: caudales de efluentes, juntas, acoplamientos mecánicos, torres de refrigeración y un largo etcétera. Llevar un seguimiento en continuo de todas ellas empleando conexiones de cable convencionales puede resultar muy costoso. De hecho, la instalación de instrumentación con cable es tan costosa que, a decir de los expertos del fabricante de tecnologías inalámbricas Accutech, no es raro que el coste del aparato de medición en sí suponga apenas el 10% del coste total del proyecto de implantación.

En comparación, se puede ahorrar mucho tiempo y dinero utilizando sensores inalámbricos –esos que sustituyen las conexiones de cable por señales de radiofrecuencia– para enviar los datos de los sensores e instrumentos de campo al sistema central de control de procesos. Se elimina la necesidad de diseñar e instalar conductos de cable y guías de cable, y se simplifican las pruebas y la puesta en servicio de todos los equipos, estructuras y puntos de acceso. Adicionalmente, la portabilidad de los actuales instrumentos de monitorización hace que resulten muy útiles y económicos a la hora de trazar potenciales fuentes de fugas, ya que un mismo equipo analítico puede desplazarse fácilmente y dedicarse a la inspección periódica de numerosas fuentes potenciales repartidas por todas las instalaciones.

Mientras los partidarios de la tecnología inalámbrica celebran sus reducidos costes de instalación y la mayor efectividad operativa que pueden aportar, algunos críticos cuestionan la fiabilidad y seguridad de las actuales redes inalámbricas y dicen que todavía no son lo bastante robustas para poder emplearse en todas las aplicaciones industriales. No obstante, a medida que cada vez más operadores industriales van adquiriendo experiencia con los sistemas inalámbricos, muchos coinciden en que son muy adecuados para labores de monitorización medioambiental o relacionada con la seguridad, especialmente si pensamos en fuentes remotas o inaccesibles, o fuentes que producen emisiones intermitentes que pueden pasar desapercibidas en procedimientos periódicos de inspección.

Hasta la fecha, se han utilizado con éxito sistemas inalámbricos en numerosas aplicaciones a escala comercial, por ejemplo en detección de fugas de fluidos en plantas petroquímicas, protección contra sobrellenado de depósitos, monitorización de válvulas de aislamiento de alta presión (susceptibles de tener fugas de productos químicos tóxicos, peligrosos o inflamables), sistemas antideflagración, funcionamiento de toberas y muchos aspectos de los sistemas de tratamiento de aguas residuales.

Aparte de Accutech, cabe citar a otros proveedores de equipos inalámbricos como Phoenix Contact GmbH, Transcat Inc., Siemens Energy & Automation, Ember Group, Honeywell Industrial Measurement and Control, Inc., o Elpro Technologies Pty Ltd.

En los últimos veinte años se han reducido los efectos catastróficos de las explosiones de polvo gracias a una mayor conciencia de la seguridad y a exhaustivas medidas técnicas y organizativas. No obstante, su prevención sigue siendo un capítulo importantísimo de seguridad en las plantas de proceso en las que se manipulan productos en polvo. Según el Chemical Safety and Hazard Investigation Board estadounidense, en Estados Unidos se han registrado 197 explosiones de polvo desde 1980, que han causado más de 109 muertes, 592 heridos y considerables daños materiales. En los últimos años se han producido explosiones de polvo de consecuencias mortales en fábricas que manipulan materiales tan diversos como harina, grano, serrín, polvo de resina fenólica, polvo de polietileno o polvo metálico y de carbón.

La Unión Europea ha aprobado directivas sobre protección frente a explosiones que no solo hacen referencia a la calidad de los productos relevantes, sino también a la seguridad industrial. Estas directivas han sido transpuestas a la legislación de los estados miembros en forma de leyes y reglamentos dirigidos a minimizar los riesgos asociados a los incendios y las explosiones de polvo. Todos los países cuentan con unos organismos llamados “organismos notificados”, encargados de evaluar los productos de protección frente a las explosiones, y con autoridades públicas que hacen cumplir la normativa en el terreno de la seguridad industrial y la vigilancia del mercado. En casos extremos, las autoridades pueden retirar productos del mercado si no cumplen los requisitos, o cerrar instalaciones en las que se manipulan polvos combustibles si el operador no cumple las exigencias legales. Con el fin de facilitar la implantación concreta de las características requeridas para los productos, se está compilando –tanto en Europa como a escala internacional– un cuerpo de especificaciones estándar, al cual contribuyen de forma sustancial instituciones alemanas como el Instituto federal de investigación y pruebas de materiales (BAM) y el Instituto federal de física y tecnología (PTB).

En contraste, en Estados Unidos no existe legislación federal que aborde de manera exhaustiva este problema, si bien sí hay algunos programas de mitigación del riesgo activos a escala estatal y local, y las principales empresas siguen recomendaciones industriales y de buenas prácticas, como los de la NFPA (National Fire Protection Association). Los dos textos más importantes de la NFPA son la norma NFPA 654 (Norma para la prevención de incendios y explosiones de polvo causadas por la fabricación, procesamiento y manipulación de partículas sólidas combustibles), y la NFPA 68 (Guía para la ventilación de deflagraciones).

En opinión de los expertos en explosiones del BAM alemán, para que se produzca una explosión de polvo, tanto el polvo como la atmósfera en cuyo seno se encuentra deben tener determinadas propiedades: el polvo debe ser lo suficientemente fino y combustible, la concentración de oxígeno de la atmósfera circundante debe ser adecuada para producir una combustión, la concentración de polvo debe estar comprendida entre unos límites de explosión inferior y superior, y debe existir una fuente de ignición con energía suficiente para desencadenar una explosión (por ejemplo, operaciones de corte o soldadura, fricción mecánica con generación de chispas, aparatos eléctricos, descargas electrostáticas o superficies calientes). Si no se cumple cualquiera de estas condiciones, la nube de polvo no puede explotar. Por este motivo, los esfuerzos para incrementar la seguridad se concentran en evitar al menos una de ellas y, con frecuencia, varias. También se deben tomar medidas para reducir los posibles efectos de las explosiones.

Aparte de la regla general de evitar potenciales fuentes de ignición durante el procesamiento de materiales pulverulentos, antes de valorar la seguridad de una planta también es preciso conocer la inflamabilidad y explosividad teóricas del material. Para estimar hasta qué punto puede ser explosivo un material en polvo, se pueden consultar bases de datos como la Chemsafe de Dechema. En ellas, los usuarios pueden encontrar parámetros de seguridad de interés para numerosos materiales en polvo, por ejemplo en función de la distribución de tamaños de partícula o la humedad.

Las crecientes exigencias de control de la contaminación del aire en los lugares de trabajo han propiciado un mayor uso de sistemas de extracción para controlar las partículas presentes en el aire antes de que alcancen la atmósfera exterior u otros procesos corriente abajo. Ahora bien, como los equipos de captura de polvo acumulan partículas, existe una probabilidad relativamente importante de que se produzcan atmósferas explosivas en ellos.

Al contener de forma inherente partículas finas de polvo, existe una alta probabilidad de explosión en este tipo de equipos si, además, se encuentra presente en ellos una cantidad suficiente de oxígeno y una fuente de ignición. Por ello, es esencial que estas unidades estén bien diseñadas y que se utilicen correctamente.

Empresas como Ruwac Industriesauger GmbH, United Air Specialists, Donaldson Torit, Scientific Dust Collectors o Flex-Kleen ofrecen sistemas de recogida de polvo que, según su publicidad, con propiedades mejoradas de prevención o protección frente a explosiones.

Paralelamente, se encuentran disponibles distintos dispositivos y diseños de protección frente a explosiones, como las válvulas de alivio de presión o los discos de rotura, que mitigan los daños potenciales que pueden producirse si se producen condiciones explosivas en los reactores y equipos de recogida de polvo.

Algunos fabricantes de estos equipos de seguridad son Fike Corp., Oseco, Fenwal Protection Systems, Rembe GmbH Mess und Regeltechnik, Continental Disc Corp. Liberty y BS&B Pressure Safety Management.

La seguridad integral de las plantas requiere un compromiso a todos los niveles de la empresa: el compromiso de hacer inversiones adecuadas en las mejores herramientas disponibles, el compromiso de formar y prestar asistencia a los trabajadores en las mejores técnicas, y el compromiso de revisar regularmente y de forma rigurosa el rendimiento de la seguridad, implantando con rapidez acciones correctivas cuando las prácticas existentes se consideren inaceptables.