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Una explosión de caldera es un fallo catastrófico de una caldera .
Existen dos tipos de explosiones en las calderas. Un tipo es una falla de las partes de presión de los lados de vapor y agua . Puede haber muchas causas diferentes, como una falla de la válvula de seguridad , corrosión de partes críticas de la caldera o bajo nivel de agua. La corrosión a lo largo de los bordes de las juntas de solape fue una causa común de las primeras explosiones de las calderas. En las calderas de locomotoras de vapor , como se adquirió conocimiento por ensayo y error en los primeros días, las situaciones explosivas y los daños consecuentes debido a las explosiones eran inevitables. Sin embargo, la mejora del diseño y el mantenimiento redujeron notablemente el número de explosiones de calderas a fines del siglo XIX. Las mejoras continuaron en el siglo XX. En las calderas terrestres, las explosiones de los sistemas de presión ocurrían regularmente en las calderas de vapor estacionarias en la era victoriana , pero ahora son muy raras debido a las diversas protecciones proporcionadas y a las inspecciones regulares obligadas por los requisitos gubernamentales y de la industria.
El segundo tipo es una explosión de combustible y aire en el horno, que se denominaría más apropiadamente explosión de la cámara de combustión. Las explosiones de la cámara de combustión en calderas que utilizan combustible sólido son poco frecuentes, pero las explosiones de la cámara de combustión en calderas que utilizan gas o petróleo siguen siendo un peligro potencial.
Muchas calderas de tipo volumétrico llevan un gran baño de agua líquida que se calienta a una temperatura y presión ( entalpía ) más altas que las que tendría el agua hirviendo a presión atmosférica. Durante el funcionamiento normal, el agua líquida permanece en el fondo de la caldera debido a la gravedad, las burbujas de vapor suben a través del agua líquida y se acumulan en la parte superior para su uso hasta que se alcanza la presión de saturación; luego, se detiene la ebullición. Si se libera algo de presión, la ebullición comienza de nuevo, y así sucesivamente.
Si el vapor se libera normalmente, por ejemplo abriendo una válvula de mariposa, la acción burbujeante del agua permanece moderada y se puede extraer vapor relativamente seco desde el punto más alto del recipiente.
Si el vapor se libera más rápidamente, la acción de ebullición más vigorosa resultante puede arrojar una fina capa de gotitas en forma de "vapor húmedo" que puede causar daños a las tuberías, motores, turbinas y otros equipos que se encuentren aguas abajo.
Si una grieta grande u otra abertura en el recipiente de la caldera permite que la presión interna caiga muy repentinamente, la energía térmica que queda en el agua hará que una mayor cantidad de líquido se convierta en burbujas de vapor, que luego desplazan rápidamente el líquido restante. La energía potencial del vapor y el agua que escapan se transforman ahora en trabajo, tal como lo habrían hecho en un motor; con suficiente fuerza para desprender el material alrededor de la rotura, distorsionando gravemente la forma de la placa que antes se mantenía en su lugar mediante soportes o se autosostenía gracias a su forma cilíndrica original. La rápida liberación de vapor y agua puede generar una explosión muy potente y causar grandes daños a la propiedad o al personal circundante. Una falla de este tipo se califica como una explosión de vapor en expansión de líquido en ebullición (BLEVE, por sus siglas en inglés). [3]
Las burbujas de vapor que se expanden rápidamente también pueden realizar trabajo arrojando grandes "bolas" de agua dentro de la caldera en dirección a la abertura y a velocidades asombrosas. Una masa de agua que se mueve rápidamente lleva una gran cantidad de energía cinética y, al chocar con la carcasa de la caldera, produce un violento efecto destructivo. Esto puede agrandar enormemente la ruptura original o partir la carcasa en dos. [4]
Muchos fontaneros, bomberos e instaladores de calderas conocen este fenómeno, que se denomina " golpe de ariete ". Un "golpe" de agua de varias onzas que pasa a alta velocidad por una línea de vapor y golpea un codo de 90 grados puede fracturar instantáneamente un accesorio que, de otro modo, sería capaz de soportar varias veces la presión estática normal. Se puede entender entonces que unos cientos o incluso miles de libras de agua que se mueven a la misma velocidad dentro de la carcasa de una caldera pueden hacer estallar fácilmente una placa de tubos, derrumbar una caja de fuego e incluso lanzar toda la caldera a una distancia sorprendente por la reacción cuando el agua sale de la caldera, como el retroceso de un cañón pesado que dispara una bala.
Varios relatos del accidente del reactor experimental SL-1 describen vívidamente el efecto increíblemente poderoso del golpe de ariete en un recipiente a presión:
La expansión causada por este proceso de calentamiento provocó un golpe de ariete a medida que el agua se aceleraba hacia arriba en dirección a la cabeza del recipiente del reactor, lo que produjo aproximadamente 10 000 libras por pulgada cuadrada (69 000 kPa) de presión en la cabeza del recipiente del reactor cuando el agua golpeó la cabeza a 160 pies por segundo (50 m/s)... Esta forma extrema de golpe de ariete impulsó las barras de control, los tapones de protección y todo el recipiente del reactor hacia arriba. Una investigación posterior concluyó que el recipiente de 26 000 libras (12 000 kg) había saltado 9 pies 1 pulgada (2,77 m) y que los mecanismos de accionamiento de las barras de control superiores habían golpeado el techo del edificio del reactor antes de volver a asentarse en su ubicación original. [5]
Una locomotora de vapor que funcione a 350 psi (2400 kPa) tendría una temperatura de aproximadamente 220 °C (400 °F) y una entalpía específica de 960 kJ/kg (440 kJ/lb). [6] Dado que el agua saturada a presión estándar tiene una entalpía específica de solo 420 kJ/kg (190 kJ/lb), [7] la diferencia entre las dos entalpías específicas, 540 kJ/kg (240 kJ/lb), es la energía total gastada en la explosión. Entonces, en el caso de una locomotora grande que puede contener hasta 10 000 kg (22 000 lb) de agua en un estado de alta presión y temperatura, esta explosión tendría una liberación de energía teórica igual a aproximadamente 1200 kilogramos (2600 lb) de TNT .
En el caso de una explosión en la cámara de combustión , estos fenómenos suelen producirse después de que se apague el quemador . Los vapores de petróleo, gas natural, propano, carbón o cualquier otro combustible pueden acumularse dentro de la cámara de combustión. Esto es especialmente preocupante cuando el recipiente está caliente; los combustibles se volatilizarán rápidamente debido a la temperatura. Una vez que se alcanza el límite explosivo inferior (LEL), cualquier fuente de ignición provocará una explosión de los vapores.
Una explosión de combustible dentro de los confines de la caja de fuego puede dañar los tubos presurizados de la caldera y la carcasa interior, lo que puede provocar una falla estructural, fugas de vapor o agua y/o una falla secundaria de la carcasa de la caldera y una explosión de vapor .
Una forma común de "explosión" menor en la caja de fuego se conoce como "tamboreo" y puede ocurrir con cualquier tipo de combustible. En lugar del "rugido" normal del fuego, una serie rítmica de "golpes" y destellos de fuego debajo de la rejilla y a través de la puerta de incendios indican que la combustión del combustible se está produciendo a través de una serie rápida de detonaciones, causadas por una mezcla de aire y combustible inadecuada con respecto al nivel de tiro disponible. Esto generalmente no causa daños en las calderas de tipo locomotora, pero puede causar grietas en las calderas de mampostería si se permite que continúe.
Las placas de las primeras calderas de locomotoras se unían mediante juntas superpuestas simples . Esta práctica era satisfactoria para las juntas anulares, que corrían alrededor de la caldera, pero en las juntas longitudinales, a lo largo de la caldera, la superposición de las placas desviaba la sección transversal de la caldera de su forma circular ideal. Bajo presión, la caldera se esforzaba por alcanzar, lo más cerca posible, la sección transversal circular. Debido a que la superposición de doble espesor era más fuerte que el metal circundante, la flexión y liberación repetidas causadas por las variaciones en la presión de la caldera causaban grietas internas, o ranuras (picaduras profundas), a lo largo de la longitud de la junta. Las grietas ofrecían un punto de partida para la corrosión interna, que podía acelerar el fallo. [8] Finalmente, se descubrió que esta corrosión interna podía reducirse utilizando placas de tamaño suficiente para que ninguna junta estuviera situada por debajo del nivel del agua. [9] [10] Finalmente, la simple costura de solape fue reemplazada por las costuras de correa a tope simple o doble, que no sufren este defecto.
Debido a la constante expansión y contracción de la cámara de combustión, puede producirse una forma similar de "corrosión bajo tensión" en los extremos de los tirantes, donde entran en las placas de la cámara de combustión, y se acelera por la mala calidad del agua. Este tipo de corrosión, a menudo denominada "estrechamiento", [11] puede reducir la resistencia de los tirantes hasta que sean incapaces de soportar la cámara de combustión a presión normal.
También se producen ranuras (picaduras profundas y localizadas) cerca de la línea de flotación, en particular en calderas que se alimentan con agua que no ha sido desaireada ni tratada con agentes depuradores de oxígeno. Todas las fuentes "naturales" de agua contienen aire disuelto, que se libera en forma de gas cuando se calienta el agua. El aire (que contiene oxígeno) se acumula en una capa cerca de la superficie del agua y acelera en gran medida la corrosión de las placas de la caldera en esa zona. [12]
La intrincada forma de la caja de fuego de una locomotora, ya sea de cobre blando o de acero, sólo puede resistir la presión del vapor sobre sus paredes internas si estas están sostenidas por tirantes unidos a las vigas internas y a las paredes externas. Estos tirantes son propensos a fallar por fatiga (porque las paredes internas y externas se expanden a diferentes velocidades bajo el calor del fuego), por corrosión o por desgaste a medida que se queman las cabezas de los tirantes expuestas al fuego. Si los tirantes fallan, la caja de fuego explotará hacia adentro. Se emplea una inspección visual regular, interna y externa, para evitar esto. [9] [13] Incluso una caja de fuego bien mantenida fallará explosivamente si se permite que el nivel del agua en la caldera baje lo suficiente como para dejar la placa superior de la caja de fuego (chapa de corona) descubierta. [14] Esto puede ocurrir al cruzar la cima de la colina, ya que el agua fluye hacia la parte delantera de la caldera y puede exponer la chapa de corona de la caja de fuego. La mayoría de las explosiones de locomotoras son explosiones de la caja de fuego causadas por el descubrimiento de dicha chapa de corona. [15]
Existen muchas causas de explosión de calderas, como un tratamiento deficiente del agua que provoca la formación de incrustaciones y el sobrecalentamiento de las placas, un nivel de agua bajo, una válvula de seguridad atascada o incluso una explosión del horno que, a su vez, si es lo suficientemente grave, puede provocar la explosión de la caldera. La mala formación de los operadores, que da lugar a un descuido o a un mal manejo de la caldera, ha sido una causa frecuente de explosiones desde el comienzo de la revolución industrial. A finales del siglo XIX y principios del XX, los registros de inspección de varias fuentes de Estados Unidos, el Reino Unido y Europa mostraban que la causa más frecuente de las explosiones de calderas era el debilitamiento de las calderas a causa de la simple oxidación, entre dos y cinco veces más que todas las demás causas.
Antes de que la ciencia de los materiales, las normas de inspección y el control de calidad se pusieran al día con la industria de fabricación de calderas, que crecía rápidamente, una cantidad significativa de explosiones de calderas se debían directamente a un diseño deficiente, a una mano de obra deficiente y a defectos no detectados en materiales de mala calidad. La alarmante frecuencia de fallas de calderas en los EE. UU. debido a defectos en los materiales y el diseño atrajo la atención de las organizaciones internacionales de normas de ingeniería, como la ASME , que estableció su primer Código de pruebas de calderas en 1884. La explosión de la caldera que causó el desastre de la fábrica de zapatos Grover en Brockton, Massachusetts, el 10 de marzo de 1905, resultó en 58 muertes y 150 heridos, e inspiró al estado de Massachusetts a publicar sus primeras leyes de calderas en 1908.
Varias fuentes escritas proporcionan una descripción concisa de las causas de las explosiones de calderas:
Las principales causas de las explosiones, de hecho las únicas, son la falta de resistencia en la carcasa o en otras partes de las calderas, la sobrepresión y el sobrecalentamiento. La falta de resistencia en las calderas de vapor puede deberse a defectos originales, mala mano de obra, deterioro por el uso o mala gestión. [16]
Y:
Causa. —Las explosiones de calderas se deben siempre a que alguna parte de la caldera es, por alguna razón, demasiado débil para soportar la presión a la que está sometida. Esto puede deberse a una de dos causas: o bien la caldera no es lo suficientemente fuerte para soportar con seguridad su presión de trabajo adecuada, o bien la presión se ha elevado por encima del punto habitual por el atascamiento de las válvulas de seguridad, o alguna causa similar. [17]
Las máquinas de vapor estacionarias utilizadas para impulsar maquinaria cobraron importancia por primera vez durante la Revolución Industrial , y en los primeros tiempos hubo muchas explosiones de calderas por diversas causas. Uno de los primeros investigadores del problema fue William Fairbairn , quien ayudó a establecer la primera compañía de seguros que se ocupaba de las pérdidas que podían causar dichas explosiones. También estableció experimentalmente que la tensión circunferencial en un recipiente de presión cilíndrico como una caldera era el doble de la tensión longitudinal . [notas 1] Estas investigaciones le ayudaron a él y a otros a explicar la importancia de las concentraciones de tensión en el debilitamiento de las calderas.
Si bien el deterioro y el manejo inadecuado son probablemente las causas más comunes de las explosiones de calderas, el mecanismo real de una falla catastrófica de una caldera no estaba bien documentado hasta que los inspectores de calderas estadounidenses realizaron una experimentación exhaustiva a principios del siglo XX. Se hicieron varios intentos diferentes para provocar la explosión de una caldera por diversos medios, pero uno de los experimentos más interesantes demostró que, en determinadas circunstancias, si una apertura repentina en la caldera permitía que el vapor escapara demasiado rápido, el golpe de ariete podía causar la destrucción de todo el recipiente a presión:
Se probó una caldera cilíndrica y resistió una presión de vapor de 300 libras (300 psi o 2068 kPa) sin sufrir daños. ... Cuando la válvula [de descarga] se abrió de repente a una presión de 235 libras [235 psi o 1620 kPa], la caldera cedió, y el hierro se retorció y se rompió en fragmentos que salieron disparados en todas direcciones. La razón de esto fue que la repentina ráfaga de vapor desde la caldera hacia la tubería de descarga redujo la presión en la caldera muy rápidamente. Esta reducción de presión provocó la formación repentina de una gran cantidad de vapor dentro del agua, y la pesada masa de agua, al ser arrojada con gran violencia hacia la abertura por donde se estaba extrayendo el vapor, golpeó las partes de la caldera cercanas a esa abertura y provocó la fractura. [18]
Pero el mecanismo altamente destructivo del golpe de ariete en las explosiones de calderas se comprendió mucho antes, como escribió D. K. Clark el 10 de febrero de 1860 en una carta a los editores de Mechanics Magazine :
La repentina dispersión y proyección del agua en la caldera contra las superficies limitantes de la caldera es la gran causa de la violencia de los resultados: la dispersión, siendo causada por la generación momentánea de vapor en toda la masa del agua, y en sus esfuerzos por escapar, arrastra el agua delante de sí, y el impulso combinado del vapor y el agua los transporta como proyectiles a través y entre las superficies limitantes, y los deforma o rompe de una manera que no puede explicarse por la simple sobrepresión o por el simple impulso del vapor. [19]
Las explosiones de calderas son comunes en los barcos que se hunden una vez que la caldera caliente toca el agua fría del mar, ya que el enfriamiento repentino del metal caliente hace que se agriete; por ejemplo, cuando el SS Benlomond fue torpedeado por un submarino, los torpedos y la explosión resultante de la caldera hicieron que el barco se hundiera en dos minutos, dejando a Poon Lim como el único sobreviviente en un complemento de 53 tripulantes. [20] [21] [ fuente generada por el usuario ? ]
Las explosiones de calderas son particularmente peligrosas en las calderas pirotubulares (tipo locomotora) porque la parte superior de la caja de fuego (chapa de corona) debe estar cubierta con cierta cantidad de agua en todo momento; o el calor del fuego puede debilitar la chapa de corona o los soportes de la corona hasta el punto de fallar, incluso a presión de trabajo normal .
Esta fue la causa de la explosión de la caja de fuego del ferrocarril de Gettysburg [22] cerca de Gardners, Pensilvania, en 1995, donde el nivel bajo de agua hizo que la parte delantera de la chapa de corona se sobrecalentara hasta que los tirantes de corona normales atravesaron la chapa, liberando una gran cantidad de vapor y agua bajo la presión total de la caldera en la caja de fuego. El diseño de la chapa de corona incluía varias filas alternas de tirantes de seguridad con cabeza de botón, lo que limitaba la falla de la chapa de corona a las primeras cinco o seis filas de tirantes convencionales, lo que impedía el colapso de toda la chapa de corona.
Este tipo de falla no se limita a los motores de ferrocarril, ya que las calderas de tipo locomotora se han utilizado para motores de tracción, motores portátiles, motores de deslizamiento utilizados para minería o tala, motores estacionarios para aserraderos y fábricas, para calefacción y como calderas compactas que proporcionan vapor para otros procesos. En todas las aplicaciones, mantener el nivel de agua adecuado es esencial para un funcionamiento seguro.
Hewison (1983) [23] ofrece un relato exhaustivo de las explosiones de calderas británicas, enumerando 137 entre 1815 y 1962. Cabe destacar que 122 de ellas ocurrieron en el siglo XIX y solo 15 en el siglo XX.
Las explosiones de calderas se dividían generalmente en dos categorías. La primera es la rotura del propio cañón de la caldera, por debilidad/daño o presión interna excesiva, lo que provocaba una descarga repentina de vapor sobre una amplia zona. El agrietamiento por corrosión bajo tensión en las juntas de solape era una causa común de las primeras explosiones de calderas, probablemente causada por la fragilización cáustica . El agua utilizada en las calderas no solía controlarse de cerca y, si era ácida, podía corroer las placas de hierro forjado de la caldera. La corrosión galvánica era un problema adicional cuando el cobre y el hierro estaban en contacto. Las placas de la caldera han sido lanzadas hasta un cuarto de milla (Hewison, Rolt). El segundo tipo es el colapso de la caja de fuego bajo la presión del vapor de la caldera contigua, liberando llamas y gases calientes en la cabina. Un diseño y un mantenimiento mejorados eliminaron casi por completo el primer tipo, pero el segundo tipo siempre es posible si el conductor y el fogonero no mantienen el nivel del agua en la caldera.
Los barriles de las calderas podían explotar si la presión interna era demasiado alta. Para evitarlo, se instalaban válvulas de seguridad para liberar la presión a un nivel determinado. Los primeros ejemplos tenían resortes, pero John Ramsbottom inventó una válvula a prueba de manipulaciones que se adoptó universalmente. La otra causa común de explosiones era la corrosión interna , que debilitaba el barril de la caldera de modo que no podía soportar la presión de funcionamiento normal. En particular, podían producirse ranuras a lo largo de las costuras horizontales (juntas de solape) por debajo del nivel del agua. Se produjeron docenas de explosiones, pero se eliminaron en 1900 gracias a la adopción de juntas a tope, además de programas de mantenimiento mejorados y pruebas hidráulicas periódicas.
Las cajas de fuego eran generalmente de cobre , aunque las locomotoras posteriores tenían cajas de fuego de acero . Se sujetaban a la parte exterior de la caldera mediante soportes (numerosos soportes pequeños). Las partes de la caja de fuego que están en contacto con la presión total del vapor deben mantenerse cubiertas con agua, para evitar que se sobrecalienten y se debiliten. La causa habitual de los colapsos de la caja de fuego es que el nivel del agua de la caldera baja demasiado y la parte superior de la caja de fuego (chapa de corona) queda descubierta y se sobrecalienta. Esto ocurre si el fogonero no ha logrado mantener el nivel del agua o si el indicador de nivel (vidrio de nivel) está defectuoso. Una razón menos común es la rotura de un gran número de soportes, debido a la corrosión o al uso de material inadecuado.
A lo largo del siglo XX, se produjeron en el Reino Unido dos averías en el cañón de la caldera y trece derrumbes de la caja de fuego. Las averías en el cañón de la caldera se produjeron en Cardiff en 1909 y en Buxton en 1921; ambas se debieron a un montaje incorrecto de las válvulas de seguridad, lo que hizo que las calderas superaran sus presiones de diseño. De los 13 derrumbes de la caja de fuego, cuatro se debieron a la rotura de los tirantes, uno a la acumulación de sarro en la caja de fuego y el resto se debieron al bajo nivel del agua.
El Pennsylvania era un barco de vapor con ruedas laterales que sufrió una explosión en la caldera en el río Misisipi y se hundió en Ship Island, cerca de Memphis, Tennessee , el 13 de junio de 1858. De los 450 pasajeros a bordo, más de 250 murieron, incluido Henry Clemens, el hermano menor del autor Mark Twain .
El SS Ada Hancock , un pequeño barco de vapor utilizado para transferir pasajeros y carga hacia y desde los grandes barcos de vapor costeros que paraban en el puerto de San Pedro a principios de la década de 1860, sufrió un desastre cuando su caldera explotó violentamente en la bahía de San Pedro, el puerto de Los Ángeles , cerca de Wilmington, California, el 27 de abril de 1863, matando a veintiséis personas e hiriendo a muchos otros de los cincuenta y tres o más pasajeros a bordo.
El barco de vapor Sultana fue destruido por una explosión el 27 de abril de 1865, lo que provocó el mayor desastre marítimo en la historia de los Estados Unidos. Se estima que 1.549 pasajeros murieron cuando explotaron tres de las cuatro calderas del barco y el Sultana se incendió y se hundió no lejos de Memphis, Tennessee. La causa se atribuyó a una reparación mal ejecutada del armazón de una caldera; el parche falló y los escombros de esa caldera rompieron otras dos.
Otra explosión de un barco de vapor durante la Guerra Civil estadounidense fue la del vapor Eclipse, el 27 de enero de 1865, que transportaba a miembros del 9.º Regimiento de Artillería de Indiana . Un registro oficial informa de 10 muertos y 68 heridos; [24] un informe posterior menciona que hubo 27 muertos y 78 heridos. [25] El informe Regimental Losses de Fox informa de 29 muertos. [26] [27]
La caldera del buque canadiense PS Waubuno pudo haber explotado durante el último viaje del barco en 1879, aunque se desconoce la causa del hundimiento. La explosión podría haberse producido debido a un mantenimiento negligente o al contacto con el agua fría de la bahía Georgian mientras se hundía en medio de una tormenta. [28]
Una explosión de vapor puede ocurrir en cualquier tipo de calentador de agua, cuando se entrega una cantidad suficiente de energía y el vapor creado excede la resistencia del recipiente. Cuando la entrega de calor es suficientemente rápida, puede producirse un sobrecalentamiento localizado, lo que da como resultado un golpe de ariete que destruye el recipiente. El accidente del reactor nuclear SL-1 es un ejemplo de una explosión de vapor sobrecalentado. Sin embargo, en el ejemplo del SL-1, la presión se liberó mediante la expulsión forzada de las barras de control, lo que permitió que se ventilara el vapor. El reactor no explotó, ni se rompió el recipiente.
Las calderas modernas están diseñadas con bombas redundantes, válvulas, monitores de nivel de agua, cortes de combustible, controles automatizados y válvulas de alivio de presión . Además, la construcción debe cumplir con estrictas pautas de ingeniería establecidas por las autoridades pertinentes. La NBIC , la ASME y otras intentan garantizar diseños de calderas seguros mediante la publicación de estándares detallados. El resultado es una unidad de caldera que es menos propensa a accidentes catastróficos.
También mejora la seguridad el uso cada vez mayor de "calderas modulares". Se trata de calderas que se construyen en una fábrica y luego se envían como una unidad completa al lugar de trabajo. Suelen tener una mejor calidad y menos problemas que las calderas que se ensamblan en el lugar de trabajo tubo por tubo. Una caldera modular solo necesita que se realicen las conexiones finales (eléctricas, desconexión, líneas de condensado, etc.) para completar la instalación.
