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La explosión de una caldera es un fallo catastrófico de una caldera . Hay dos tipos de explosiones de calderas. Un tipo es una falla de las partes de presión de los lados de vapor y agua . Puede haber muchas causas diferentes, como fallo 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 superpuestas fue una causa común de las primeras explosiones de calderas.
El segundo tipo es una explosión de combustible/aire en el horno , que sería más propiamente denominada explosión de la cámara de combustión. Las explosiones en calderas alimentadas con combustible sólido son raras, pero las explosiones en calderas alimentadas con gas o petróleo siguen siendo un peligro potencial.
Hay muchas causas para las explosiones de calderas, como un tratamiento deficiente del agua que provoca incrustaciones y sobrecalentamiento de las placas, un nivel bajo de agua, una válvula de seguridad atascada o incluso una explosión de un horno que, a su vez, si es lo suficientemente grave, puede provocar una explosión de la caldera. La mala formación de los operadores, que provoca negligencia u otro 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 diversas fuentes en los EE. UU., el Reino Unido y Europa mostraron que la causa más frecuente de explosiones de calderas era el debilitamiento de las calderas por simple oxidación, entre dos y cinco veces más que todas las demás. otras causas.
Antes de que la ciencia de los materiales, los estándares de inspección y el control de calidad alcanzaran a la industria de fabricación de calderas en rápido crecimiento, un número significativo de explosiones de calderas se debían directamente a diseños y mano de obra deficientes y a fallas no detectadas en materiales de mala calidad. La alarmante frecuencia de fallos de calderas en EE.UU. debido a defectos de materiales y diseño estaban atrayendo la atención de organizaciones internacionales de normalización de ingeniería, como la ASME , que estableció su primer Código de Pruebas de Calderas en 1884. La explosión de la caldera que provocó la Grover Shoe Factory El desastre ocurrido en Brockton, Massachusetts, el 10 de marzo de 1905, provocó 58 muertes y 150 heridos, e inspiró al estado de Massachusetts a publicar sus primeras leyes sobre calderas en 1908.
Varias fuentes escritas proporcionan una descripción concisa de las causas de las explosiones de calderas:
"Las causas principales de las explosiones, de hecho las únicas, son la deficiencia de resistencia en el casco u otras partes de las calderas, el exceso de presión y el sobrecalentamiento. La deficiencia de resistencia en las calderas de vapor puede deberse a defectos originales, mala mano de obra , deterioro por uso o mala gestión." [3]
Y:
"Causa.-Las explosiones de calderas siempre se deben 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 la caldera está no es lo suficientemente fuerte para soportar con seguridad su presión de trabajo adecuada, o bien se ha permitido que la presión aumente por encima del punto habitual debido al pegado de las válvulas de seguridad, o alguna causa similar" [4]
Si bien el deterioro y el mal manejo son probablemente las causas más comunes de explosiones de calderas, el mecanismo real de una falla catastrófica de una caldera no estuvo bien documentado hasta que los inspectores de calderas estadounidenses llevaron a cabo una extensa experimentación a principios del siglo XX. Se hicieron varios intentos diferentes para hacer explotar una caldera por diversos medios, pero uno de los experimentos más interesantes demostró que en ciertas circunstancias, si una apertura repentina en la caldera permitía que el vapor escapara demasiado rápido, el golpe de ariete podía causar la destrucción de toda la caldera. recipiente a presión:
"Se probó una caldera cilíndrica y resistió una presión de vapor de 300 libras (300 psi o 2068 kPa) sin sufrir lesiones". " Cuando la válvula [de descarga] se abrió repentinamente a una presión de 235 libras [235 psi o 1.620 kPa], la caldera cedió, el hierro se retorció y se rompió en fragmentos y fue arrojado en todas direcciones. La razón de esto fue que el repentino El flujo de vapor desde la caldera hacia el tubo de descarga redujo la presión en la caldera muy rápidamente, lo que provocó la formación repentina de una gran cantidad de vapor dentro del agua, y la pesada masa de agua fue arrojada con gran violencia hacia el abertura de donde se extraía el vapor, golpeó las partes de la caldera cercanas a esa abertura y provocó la fractura". [5]
Pero el mecanismo altamente destructivo del golpe de ariete en las explosiones de calderas se conocía mucho antes, como escribió DK Clark el 10 de febrero de 1860 en una carta a los editores de la "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 de agua, y en En sus esfuerzos por escapar, arrastra el agua delante de él, y el impulso combinado del vapor y el agua los transporta como si fueran disparos a través y entre las superficies circundantes, y los deforma o hace añicos de una manera que no puede explicarse por una simple sobrepresión o por simple impulso de vapor." [6]
Las explosiones de calderas son comunes en los barcos que se hunden una vez que la caldera caliente entra en contacto con agua de mar fría, 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 resultante explosión de la caldera provocaron que el barco se hundiera en dos minutos, dejando a Poon Lim como el único superviviente de un grupo de 53 tripulantes. [7] [8]
Las explosiones de calderas son particularmente peligrosas en las calderas pirotubulares (tipo locomotora) porque la parte superior de la cámara de combustión (lámina de corona) debe estar cubierta con cierta cantidad de agua en todo momento; o el calor del fuego puede debilitar la lámina de la corona o los tirantes de la corona hasta el punto de fallar, incluso a presión de trabajo normal .
Esta fue la causa de la explosión de la cámara de combustión del ferrocarril de Gettysburg [9] cerca de Gardners, Pensilvania, en 1995, donde la escasez de agua permitió que la parte frontal de la lámina de la corona se sobrecalentara hasta que la corona normal se mantuvo atravesada por la lámina, liberando una gran cantidad de vapor y agua a plena presión de la caldera en la cámara de combustión. El diseño de la lámina de la corona incluía varias filas alternas de tirantes de seguridad con cabeza de botón, lo que limitaba el fallo de la lámina de la corona a las primeras cinco o seis filas de tirantes convencionales, evitando el colapso de toda la lámina de la corona.
Este tipo de falla no se limita a los motores ferroviarios, ya que se han utilizado calderas tipo locomotora para motores de tracción, motores portátiles, motores deslizantes utilizados para minería o explotación maderera, 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 una operación segura.
Hewison (1983) [10] ofrece una descripción exhaustiva de las explosiones de calderas británicas, enumerando 137 entre 1815 y 1962. Es de destacar que 122 de ellas ocurrieron en el siglo XIX y sólo 15 en el siglo XX.
Las explosiones de calderas generalmente se dividen en dos categorías. La primera es la rotura del propio cilindro de la caldera, por debilidad/daños o presión interna excesiva, lo que provoca una descarga repentina de vapor en una amplia zona. El agrietamiento por corrosión bajo tensión en las juntas superpuestas fue una causa común de las primeras explosiones de calderas, probablemente causadas por fragilización cáustica . El agua utilizada en las calderas no solía estar estrictamente controlada 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. Se han arrojado placas de caldera hasta un cuarto de milla (Hewison, Rolt). El segundo tipo es el colapso de la cámara de combustión bajo la presión del vapor de la caldera contigua, liberando llamas y gases calientes hacia la cabina. El diseño y el mantenimiento mejorados eliminaron casi por completo el primer tipo, pero el segundo tipo siempre es posible si el conductor y el bombero no mantienen el nivel del agua en la caldera.
Los barriles de calderas podrían explotar si la presión interna aumentara demasiado. Para evitar esto, se instalaron válvulas de seguridad para liberar la presión a un nivel establecido. Los primeros ejemplos tenían resorte, pero John Ramsbottom inventó una válvula a prueba de manipulaciones que fue adoptada universalmente. La otra causa común de explosiones fue la corrosión interna que debilitó el cilindro de la caldera hasta el punto de que no podía soportar la presión de funcionamiento normal. En particular, podrían aparecer ranuras a lo largo de las uniones horizontales (juntas traslapadas) debajo del nivel del agua. Se produjeron decenas de explosiones, pero fueron eliminadas en 1900 mediante la adopción de juntas a tope, además de programas de mantenimiento mejorados y pruebas hidráulicas periódicas.
Los fogones generalmente estaban hechos de cobre , aunque las locomotoras posteriores tenían fogones de acero . Se sujetaban a la parte exterior de la caldera mediante tirantes (numerosos soportes pequeños). Las partes del hogar que están en contacto con la máxima presión de vapor deben mantenerse cubiertas con agua para evitar que se sobrecalienten y se debiliten. La causa habitual del colapso del hogar es que el nivel de agua de la caldera desciende demasiado y la parte superior del hogar (lámina de corona) queda descubierta y se sobrecalienta. Esto ocurre si el bombero no pudo mantener el nivel del agua o si el indicador de nivel (medidor de vidrio) está defectuoso. Un motivo menos común es la rotura de un gran número de tirantes, por corrosión o material inadecuado.
A lo largo del siglo XX, se produjeron en el Reino Unido dos fallos en los cilindros de las calderas y trece colapsos de las cámaras de combustión. Las fallas del barril de la caldera ocurrieron en Cardiff en 1909 y en Buxton en 1921; ambos fueron causados por un mal montaje de las válvulas de seguridad que provocaron que las calderas excedieran sus presiones de diseño. De los 13 colapsos de la cámara de combustión, cuatro se debieron a tirantes rotos, uno a acumulación de sarro en la cámara de combustión y el resto se debieron a un bajo nivel de agua.
Muchas calderas de tipo casco 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, comienza de nuevo la ebullición, y así sucesivamente.
Si el vapor se libera normalmente, por ejemplo al abrir una válvula de mariposa, la acción burbujeante del agua sigue siendo 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 pulverización de gotas en forma de "vapor húmedo" que puede causar daños a las tuberías, motores, turbinas y otros equipos aguas abajo.
Si una gran grieta u otra abertura en el recipiente de la caldera permite que la presión interna caiga muy repentinamente, la energía térmica restante en el agua hará que aún más líquido se convierta en burbujas de vapor, que luego desplazarán rápidamente el líquido restante. La energía potencial del vapor y del agua que escapan se transforma ahora en trabajo, tal como lo habrían hecho en una máquina; con fuerza suficiente para despegar el material alrededor de la rotura, distorsionando gravemente la forma de la placa que antiguamente estaba sujeta por tirantes, o autoportada por su forma cilíndrica original. La rápida liberación de vapor y agua puede producir una explosión muy potente y causar grandes daños a la propiedad o al personal circundante.
Las burbujas de vapor que se expanden rápidamente también pueden realizar su trabajo lanzando grandes "chorros" de agua dentro de la caldera en la dirección de la abertura, y a velocidades asombrosas. Una masa de agua que se mueve rápidamente transporta una gran cantidad de energía cinética (procedente del vapor en expansión) y, al chocar con la carcasa de la caldera, se produce un violento efecto destructivo. Esto puede agrandar mucho la ruptura original o romper el caparazón en dos. [11]
Muchos fontaneros, bomberos y técnicos de vapor son conscientes de este fenómeno, que se denomina " golpe de ariete ". Una "babosa" de varias onzas de agua que pasa a través de una línea de vapor a alta velocidad 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. Entonces se puede entender que unos pocos cientos, o incluso unos miles de libras de agua que se mueven a la misma velocidad dentro de la carcasa de una caldera, pueden fácilmente hacer estallar una placa tubular, colapsar una cámara de combustión e incluso lanzar toda la caldera a una distancia sorprendente a través de una reacción como esta. 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 la cabeza de la vasija del reactor, produciendo aproximadamente 10.000 libras por pulgada cuadrada (69.000 kPa) de presión en la cabeza de la vasija 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 toda la vasija del reactor hacia arriba. Una investigación posterior concluyó que la vasija de 26.000 libras (12.000 kg) había saltado 9 pies 1 pulgada (2,77 m) y los mecanismos de accionamiento de la barra de control superior habían golpeado el techo del edificio del reactor antes de regresar a su ubicación original" [12]
Una locomotora de vapor que funciona 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). [13] Dado que el agua saturada a presión estándar tiene una entalpía específica de solo 420 kJ/kg (190 kJ/lb), [14] la diferencia entre las dos entalpías específicas, 540 kJ/kg (240 kJ/lb), es el total Energía gastada en la explosión. Entonces, en el caso de una locomotora grande que puede contener hasta 10.000 kg (22.000 lb) de agua a alta presión y temperatura, esta explosión tendría una liberación de energía teórica equivalente a aproximadamente 1.200 kilogramos (2.600 lb) de TNT .
En el caso de una explosión en la cámara de combustión , esto generalmente ocurre después de que se apaga 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 límites de la cámara de combustión puede dañar los tubos presurizados de la caldera y la carcasa interior, lo que podría provocar fallas estructurales, 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 cámara de combustión se conoce como "tamborileo" y puede ocurrir con cualquier tipo de combustible. En lugar del normal "rugido" del fuego, una serie rítmica de "golpes" y destellos de fuego debajo de la parrilla y a través de la puerta cortafuegos indican que la combustión del combustible se está produciendo a través de una rápida serie de detonaciones, provocadas por una ventilación inadecuada. /mezcla de combustible en función del tiro disponible. Por lo general, esto no causa daños en las calderas tipo locomotora, pero puede causar grietas en las calderas de mampostería si se permite que continúe.
Las placas de las primeras calderas de locomotoras estaban unidas mediante simples uniones superpuestas . Esta práctica era satisfactoria para las juntas anulares, que discurrían alrededor de la caldera, pero en las juntas longitudinales, a lo largo de la caldera, el solapamiento 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 causaron grietas internas o ranuras (picaduras profundas) a lo largo de la junta. Las grietas ofrecieron un punto de partida para la corrosión interna, que podría acelerar la falla. [15] Finalmente se descubrió que esta corrosión interna podía reducirse utilizando placas de tamaño suficiente para que no quedaran juntas por debajo del nivel del agua. [16] [17] Con el tiempo, la costura de regazo simple fue reemplazada por costuras de correa 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 por tensión" en los extremos de los pernos de sujeción donde ingresan a las placas de la cámara de combustión, y se acelera con la mala calidad del agua. A menudo denominado "estricción", este tipo de corrosión puede reducir la resistencia de los pernos 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, particularmente en calderas que se alimentan con agua que no ha sido desaireada ni tratada con agentes eliminadores 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 enormemente la corrosión de las placas de la caldera en esa zona. [18]
La intrincada forma del hogar de una locomotora, ya sea de cobre blando o de acero, sólo puede resistir la presión del vapor sobre sus paredes internas si éstas están sostenidas por tirantes sujetos a vigas internas y a las paredes externas. Es probable que fallen por fatiga (porque las paredes interior y exterior se expanden a diferentes velocidades bajo el calor del fuego), por corrosión o por desgaste cuando las cabezas de los tirantes expuestos al fuego se queman. Si los tirantes fallan, el hogar explotará hacia adentro. Para evitar esto, se realiza una inspección visual periódica, interna y externa. [16] [19] Incluso una cámara de combustión en buen estado fallará explosivamente si se permite que el nivel del agua en la caldera baje lo suficiente como para dejar la placa superior de la cámara de combustión descubierta. [20] Esto puede ocurrir al cruzar la cima de la colina, ya que el agua fluye hacia la parte frontal de la caldera y puede dejar al descubierto la lámina de la corona del hogar. La mayoría de las explosiones de locomotoras son explosiones de fogones causadas por el descubrimiento de la lámina de corona. [21]
El Pennsylvania era un barco de vapor de ruedas laterales que sufrió la explosión de una caldera en el río Mississippi 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 trasladar pasajeros y carga hacia y desde los grandes barcos de vapor costeros que hacían escala 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 muchas otras de los cincuenta y tres o más pasajeros a bordo.
El barco de vapor Sultana fue destruido en una explosión el 27 de abril de 1865, lo que provocó el mayor desastre marítimo en la historia de Estados Unidos. Se estima que 1.549 pasajeros murieron cuando tres de las cuatro calderas del barco explotaron y el Sultana se quemó y se hundió no lejos de Memphis, Tennessee. La causa se atribuyó a una reparación mal realizada en la carcasa de una caldera; el parche falló y los escombros de esa caldera rompieron dos más.
Otra explosión de un barco de vapor de la Guerra Civil estadounidense fue el vapor Eclipse el 27 de enero de 1865, que transportaba miembros de la 9.ª Artillería de Indiana . Un registro oficial reporta 10 muertos y 68 heridos; [22] un informe posterior menciona que 27 murieron y 78 resultaron heridos. [23] Regimental Losses de Fox informa 29 muertos. [24] [25]
Es posible que la caldera del PS Waubuno de Canadá haya explotado en el último viaje del barco en 1879, aunque se desconoce la causa del hundimiento. Una explosión podría haber ocurrido debido a un mantenimiento negligente o al contacto con el agua fría de Georgian Bay mientras se hundía en una tormenta. [26]
Las máquinas de vapor estacionarias utilizadas para impulsar maquinaria cobraron importancia por primera vez durante la Revolución Industrial , y en los primeros días hubo muchas explosiones de calderas por diversas causas. Uno de los primeros investigadores del problema fue William Fairbairn , quien ayudó a crear la primera compañía de seguros que se ocupaba de las pérdidas que podían causar tales explosiones. También estableció experimentalmente que la tensión circular en un recipiente a 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.
Las calderas modernas están diseñadas con bombas, válvulas, monitores de nivel de agua, cortes de combustible, controles automatizados y válvulas de alivio de presión redundantes . Además, la construcción debe cumplir con estrictas directrices de ingeniería establecidas por las autoridades pertinentes. La NBIC , ASME y otros intentan garantizar diseños de calderas seguros mediante la publicación de normas detalladas. El resultado es una unidad de caldera menos propensa a sufrir accidentes catastróficos.
También mejora la seguridad el uso cada vez mayor de "calderas compactas". Se trata de calderas que se construyen en una fábrica y luego se envían como una unidad completa al lugar de trabajo. Por lo general, tienen mejor calidad y menos problemas que las calderas que se ensamblan tubo por tubo en el sitio. Una caldera paquete sólo necesita realizar las conexiones finales (eléctricas, brechas, líneas de condensado, etc.) para completar la instalación.
En las calderas de locomotoras de vapor , como en los primeros tiempos se adquiría conocimiento mediante prueba y error , las situaciones explosivas y los consiguientes daños por explosiones eran inevitables. Sin embargo, la mejora del diseño y el mantenimiento redujeron notablemente el número de explosiones de calderas a finales del siglo XIX. En el siglo XX continuaron otras mejoras.
En las calderas terrestres, las explosiones de los sistemas de presión ocurrían regularmente en las calderas de vapor estacionarias en la época victoriana , pero ahora son muy raras debido a las diversas protecciones proporcionadas y a las inspecciones periódicas impuestas por los requisitos gubernamentales y de la industria.
Los calentadores de agua pueden explotar con sorprendente violencia cuando fallan sus dispositivos de seguridad.
Una explosión de vapor puede ocurrir en cualquier tipo de calentador de agua, donde se entrega una cantidad suficiente de energía y el vapor creado excede la resistencia del recipiente. Cuando el suministro de calor es suficientemente rápido, puede producirse un sobrecalentamiento localizado, lo que provoca un golpe de ariete que destruye el recipiente. El accidente del reactor nuclear SL-1 es un ejemplo de explosión de vapor sobrecalentado. Sin embargo, en el ejemplo SL1, 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 la vasija se rompió.
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