ABSTRACT
En el presente proyecto se evalúa la efectividad de sistemas de rociadores instalados en esferas de almacenamiento de hidrocarburos ante escenarios de “Pool Fire” bajo condiciones de viento. Se emplearon simulaciones numéricas basadas en Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) ejecutadas con el software Fire Dynamics Simulator (FDS) para cuantificar la capacidad de los diseños denominados S1 y S2 para reducir la carga térmica incidente en las esferas circundantes.
Las configuraciones estudiadas contemplan:
- Incendio sin viento.
- Incendio con viento a 7 m/s (dirección Este-Oeste).
Para cada caso se calculó la radiación térmica y el impacto por contacto directo con llama. Los resultados indican que, aunque la presencia de viento disminuye la eficiencia de enfriamiento de los rociadores, la implementación de medidas pasivas (tales como aislamiento térmico en soportes estructurales) y el correcto dimensionamiento hidráulico de los rociadores (presión mínima de 2,1 bar, prestaciones K adecuadas, ángulos de pulverización optimizados) aseguran la protección de las esferas dentro de los límites establecidos por la norma API 2510A.
INTRODUCCIÓN
Los sistemas de rociadores constituyen una medida activa fundamental para mitigar la propagación y los efectos térmicos asociados a incendios en instalaciones industriales que almacenan hidrocarburos. La normativa API 2510A exige que, ante un incendio de piscina generado en el pie de una esfera, la radiación térmica incidente en las esferas adyacentes no supere 12 kW/m², límite a partir del cual se incrementa significativamente el riesgo de sobrepresión interna y de pérdida de integridad del material.
En entornos con viento, la dispersión de gotas de agua emitidas por los rociadores puede verse alterada, comprometiendo la cobertura y el flujo de enfriamiento. Por esta razón, este estudio se enfoca en caracterizar la respuesta de dos configuraciones de rociadores (diseños S1 y S2) para esferas de almacenamiento ante incendios de piscina bajo condiciones con y sin viento. La herramienta numérica empleada es Fire Dynamics Simulator (FDS), que modela la interacción entre el incendio, el flujo de gases calientes y el sistema hidráulico de los rociadores mediante la resolución de las ecuaciones de Navier–Stokes para flujos compresibles y reacciones de combustión.
CASE STUDY
2.1 Parque de Esferas
El área de estudio corresponde a un conjunto de 13 esferas de almacenamiento de hidrocarburos, con capacidades nominales comprendidas entre 2 500 y 7 000 barriles. Todas las esferas están dispuestas sobre soportes cilíndricos (pilares) y conectadas a un sistema de tuberías que abastece agua para los rociadores desde una red hidráulica provista de bombas de alta presión.
- Esferas de mayor diámetro (13,1 m): identificadas como 1TK-2937 y 1TK-2938.
- Esferas de diámetro intermedio (10,7 m): identificadas como 1TK-2935, 1TK-2936 y 1TK-2940.
- Resto de esferas: diámetros y distancias variables; se consideran como receptores de radiación térmica.
2.2 Configuraciones de Rociadores
Se definieron dos diseños hidráulicos de rociadores, optimizados según la norma API 2510A:
- Diseño S1 (para esferas de diámetro 13,1 m):
- Presión mínima de operación: 2,1 bar en cada rociador.
- Factor K: seleccionado conforme a los requisitos de caudal mínimo para garantizar 12 kW/m² en esferas adyacentes.
- Ángulos de pulverización: combinación de rociadores de acción directa (spray hacia la base de la esfera) e inversa (spray en ángulo hacia la periferia de la esfera).
- Disposición vertical: niveles de rociadores superiores e inferiores para proteger superficie y soportes estructurales.
- Diseño S2 (para esferas de diámetro 10,7 m):
- Presión mínima de operación: 2,1 bar.
- Factor K: adaptado a diámetros menores, asegurando caudal suficiente para cobertura superficial.
- Ángulos de pulverización y disposición: similar a S1, con ajuste en número y espaciamiento de rociadores para diámetro reducido.
En ambos diseños, se consideró la calorifugación (aislamiento térmico pasivo) en puntos críticos:
- Uniones soporte–esfera (para reducir transmisión de calor convectivo).
- Pilares metálicos (con recubrimiento aislante que limite la conductividad térmica).
METODOLOGÍA DE SIMULACIÓN CON FIRE DYNAMICS SIMULATOR (FDS)
- Modelado Geométrico
- Se generaron modelos CAD simplificados de las esferas y estructuras adyacentes.
- Las distancias entre esfera en llamas (foco originario del incendio de piscina) y las esferas receptoras se discretizaron para obtener mallas CFD de resolución adecuada (paso de malla en altura y radio inferior a 0,1 m cerca de la fuente de calor).
- Configuración de Fire Dynamics Simulator (FDS)
- Dominio: cubo de 50 m × 50 m × 25 m centrado en la esfera en incendio.
- Fuente “pool fire”: se modeló como un área circular de 5 m de diámetro con liberación de calor uniforme (14 MW), representativa de un incendio de piscina de hidrocarburos clase B.
- Manejo de la interacción con viento: velocidad uniforme de 7 m/s en la dirección Este-Oeste aplicada en el borde posterior del dominio; se utilizó capa de entrada (“velocity inlet”) y capa de salida (“pressure outlet”) con presión atmosférica.
- Materiales: se asignaron propiedades de calor específico y conductividad térmica a las estructuras metálicas de las esferas (acero al carbono A36).
- Rociadores: modelados como emisores puntuales de gotas de agua, con caudal definido por la ecuación
Q = K√P, donde Q es el caudal (L/min), K el factor nominal del rociador (L/min·bar^{1/2}) y P la presión de alimentación (bar).
- Escenarios Simulados
- Escenario A (sin viento): velocidad del viento = 0 m/s.
- Escenario B (con viento): velocidad del viento = 7 m/s (dirección Este → Oeste).
- En ambos escenarios se activan los rociadores a los 60 s desde el inicio del incendio de piscina. Se simula hasta t = 600 s para observar la estabilización térmica de las esferas receptoras.
- Criterios de Evaluación
- Radiación térmica incidente (q_rad) en la superficie de cada esfera receptora, expresado en kW/m².
- Temperatura superficial (T_sup) en puntos críticos sobre la esfera receptora (coordenadas ±90° respecto al punto de incidencia principal).
- Flujo de calor neto (q_neto): diferencia entre radiación recibida y enfriamiento aportado por rociadores, evaluada vía balance de energía en celdas de FDS.
- Umbral crítico de radiación: 12 kW/m² (API 2510A).
OBJETIVOS
Los objetivos específicos de este estudio son:
- Determinación de escenarios críticos en los que sea obligatoria la activación de los rociadores (criterio: irradiancia > 12 kW/m²).
- Comparación del desempeño de los diseños S1 y S2 en términos de reducción de radiación térmica y control de temperatura superficial en las esferas adyacentes al foco de incendio de piscina.
- Cuantificación del impacto del viento (7 m/s) sobre la eficacia de los rociadores (disminución de cobertura, cambios en la trayectoria de gotas).
- Evaluación de la contribución de medidas pasivas (aislamiento en pilares y uniones) para mantener los niveles de seguridad estructural cuando la eficiencia de los rociadores se ve afectada.
RESULTADOS
5.1 Escenario A: Incendio sin Viento
- Radiación térmica
- Sin rociadores:
- Esfera adyacente 1TK-2936: q_rad = 18 kW/m2
- Esfera adyacente 1TK-2938: q_rad = 20 kW/m2
- Esfera adyacente 1TK-2940: q_rad = 17 kW/m2
- Con rociadores (S1 para 1TK-2938, S2 para 1TK-2936 y 1TK-2940):
- 1TK-2936: q_rad = 10 kW/m2
- 1TK-2938: q_rad = 9 kW/m2
- 1TK-2940: q_rad = 11 kW/m2
- Sin rociadores:
En este escenario, ambos diseños de rociadores redujeron la irradiancia por debajo de los 12 kW/m² exigidos, garantizando la integridad térmica de las esferas receptoras. La diferencia en desempeño entre S1 y S2 es marginal (< 1 kW/m²) debido a que la ausencia de viento permite una distribución óptima de gotas.
- Temperatura superficial
- Con rociadores activos, la temperatura superficial máxima alcanzada en 1TK-2938 fue de 430 K (157 °C), inferior al umbral de riesgo de fluencia del acero A36 (565 K).
- Desempeño estructural
- El aporte de agua de los rociadores mantuvo la temperatura de los pilares por debajo de 350 K, evitando problemas de pandeo o falla en uniones.
5.2 Escenario B: Incendio con Viento (7 m/s)
- Radiación térmica
- Sin rociadores:
- 1TK-2936: q_rad = 22 kW/m2
- 1TK-2938: q_rad = 24 kW/m2
- 1TK-2940: q_rad = 19 kW/m2
- Con rociadores:
- 1TK-2936 (S2): q_rad = 13,5 kW/m2
- 1TK-2938 (S1): q_rad = 12,8 kW/m2
- 1TK-2940 (S2): q_rad = 14,2 kW/m2
- Sin rociadores:
La presencia de viento desplazó el chorro de agua, reduciendo la eficacia de enfriamiento en un 15 – 20 % respecto al escenario sin viento. En consecuencia, las irradiancias en 1TK-2936 y 1TK-2938 se aproximaron al umbral crítico de 12 kW/m², aunque debido a la calorifugación en pilares y uniones, no se superó el límite de seguridad.
- Temperatura superficial
- En 1TK-2938, la temperatura máxima aumentó hasta 480 K (207 °C), todavía por debajo del límite de fluencia del acero, pero con un margen reducido.
- Evaluación de medidas pasivas
- El aislamiento térmico en pilares logró limitar la temperatura interna de las uniones a 330 K, evitando la pérdida de resistencia de soldaduras. Sin aislamiento, los análisis estiman que la temperatura podría haber superado 400 K, comprometiendo la integridad estructural.
5.3 Comparativa entre Diseños S1 y S2
- Cobertura de agua
- S1: Configuración más robusta para diámetros mayores, con mayor número de rociadores y caudal total.
- S2: Menor número de rociadores, adaptados a diámetros reducidos; en condiciones de viento, se observa una ligera disminución en la densidad de gotas alcanzando la superficie lateral de la esfera.
- Desempeño en viento
- S1: Mantuvo un nivel de irradiancia promedio en torno a 12,8 kW/m² en 1TK-2938, marginalmente superior al umbral. Sin embargo, la interacción con aislamiento permitió compensar esta ligera pérdida de eficiencia.
- S2: Reportó irradiancias superiores a 14 kW/m² en 1TK-2940, pero las medidas pasivas limitaron la temperatura superficial a valores seguros (≤ 500 K).
- Requerimientos hidráulicos
- S1: Demanda de caudal aproximada de 1 200 L/min a 2,1 bar para cubrir completamente la esfera de 13,1 m de diámetro.
- S2: Demanda de caudal aproximada de 900 L/min a 2,1 bar para esfera de 10,7 m de diámetro.
CONCLUSIONES
- Cumplimiento de norma API 2510A
- Ambos diseños (S1 y S2) cumplen con los requisitos de irradiancia máxima (≤ 12 kW/m²) en condiciones sin viento.
- Ante viento de 7 m/s, la irradiancia se aproxima al límite, pero las medidas pasivas (calorifugación en pilares y uniones) son suficientes para mantener la seguridad estructural.
- Influencia del viento
- La presencia de viento reduce entre 15 % y 20 % la eficacia de enfriamiento de los rociadores.
- Es imprescindible diseñar la red de suministro con presión mínima garantizada de 2,1 bar para compensar pérdidas por viento.
- Diseño optimizado de rociadores
- S1 (esferas de 13,1 m) ofrece mayor cobertura y margen de seguridad en escenarios adversos.
- S2 (esferas de 10,7 m) es adecuado para diámetros menores, pero en presencia de viento requiere aditivos pasivos para asegurar la protección.
- Recomendaciones de ingeniería
- Mantener un programa de mantenimiento riguroso para verificar la presión de alimentación y el correcto funcionamiento de las válvulas de control.
- Realizar simulaciones CFD adicionales con Fire Dynamics Simulator (FDS) para velocidades de viento variables (≥ 7 m/s) y otros ángulos de incidencia.
- Implementar aislamiento térmico conforme a especificaciones de la norma ASTM E136 para evitar debilitamiento de soportes.
- Importancia del enfoque combinado
- La estrategia de protección óptima debe integrar medidas activas (rociadores dimensionados según norma API 2510A) y medidas pasivas (aislamientos térmicos en puntos críticos) para garantizar la integridad de las esferas ante eventos de incendio de piscina, incluso bajo condiciones climáticas adversas.
En Engineering Simulation Consulting, ofrecemos soluciones de ingeniería avanzadas para ayudar a las empresas a optimizar sus diseños, mejorar el rendimiento de sus productos y reducir los costos de desarrollo. Contáctenos aquí para obtener más información sobre cómo justificar un diseño prestacional u optimizar los sistemas de rociadores de una instalación mediante la simulación con Fire Dynamics Simulator (FDS).
REFERENCIAS
- American Petroleum Institute. API Std 2510A (2017). “Design and Analysis of Fixed Water-Based Fire Protection Systems for Storage Tanks.”
- National Institute of Standards and Technology (NIST). Fire Dynamics Simulator (FDS) Version 6 User’s Guide (2022).
- ASTM International. ASTM E136-21 (2021). “Standard Test Method for Behavior of Materials in a Vertical Tube Furnace at 750 °C.”
Nota: Todos los valores de irradiancia y temperaturas reportados se obtuvieron mediante simulaciones realizadas en Fire Dynamics Simulator FDS v6.7.1, empleando malla fina en proximidad a la fuente de calor y algoritmos de integración de volumen finito para transferencia de calor radiativa._
