Comprender y mitigar las explosiones de pozos de registro: entrevista con Stuart Hanebuth

Los sucesos graves en los pozos de registro, que pueden dar lugar a humo, incendios y explosiones, han ganado más atención en los últimos años a medida que la infraestructura de la nación envejece. Las consecuencias potenciales incluyen víctimas mortales, lesiones físicas, daños materiales y accidentes de tráfico. Varias causas pueden provocar estos sucesos, y los ingenieros de servicios públicos ofrecen continuamente soluciones con diversos grados de éxito. En la siguiente entrevista Stuart Hanebuth, destacado experto en sucesos en pozos de registro y en seguridad pública, describe los desafíos de mitigar estos sucesos.

P. ¿Con qué frecuencia se producen anualmente sucesos en pozos de registro?

R. No sabemos con certeza cuántas estructuras subterráneas hay en Estados Unidos, pero estimo que probablemente entre uno y dos millones. Basándome en lo que se ha informado en los medios de comunicación y en las empresas de servicios públicos, yo estimaría que en todo el país se producen probablemente entre tres y cinco mil sucesos graves al año que implican incendios, explosiones o pozos de registro humeantes.

P. ¿Son las explosiones de pozos de registro un fenómeno nuevo?

R. Este recorte de periódico es de 1937. Una tapa de pozo de registro estalló y mató a alguien al caer por el hueco de un ascensor. Es uno de los primeros sucesos en pozos de registro que podemos encontrar, prueba de que estos sucesos existen desde hace mucho tiempo.

P. ¿Podría describir los principales tipos de sucesos en pozos de registro?

R. Hay tres grandes categorías de sucesos en pozos de registro que están relacionados entre sí: pozos de registro humeantes, incendios de pozos de registro y explosiones de pozos de registro. El tipo de suceso más común es un pozo de registro humeante en el que sale mucho humo de una estructura subterránea, pero no hay ningún incendio o explosión visible en la superficie.

Por cierto, cuando digo pozo de registro, me refiero a cualquier estructura eléctrica subterránea con cables. Puede ser una bóveda, una caja de servicio o cualquier número de estructuras, pero debe ser una estructura subterránea. Utilizo el término pozo de registro para simplificar.

P. ¿Cuáles son las causas típicas de los sucesos en pozos de registro y las preocupaciones que rodean a cada uno de ellos?

R. Todos los sucesos en pozos de registro tienen su origen en dos tipos de energía, la impulsada por la combustión y la impulsada por la electricidad. Los sucesos impulsados por la combustión suelen ser el resultado de la descomposición anaeróbica del aislamiento de los cables cuando arde. Los sucesos impulsados por la electricidad son el resultado de un gran arco con una temperatura muy alta. Cada tipo requiere un método de prevención diferente.

Abajo se muestra un ejemplo de un suceso en un pozo de registro impulsado por la combustión. Al fondo pueden verse los camiones de bomberos ya preparados, mientras el humo y los gases que salen de la estructura  pueden convertirse en un incendio importante.  

En los sucesos provocados por la electricidad, la energía para el suceso proviene de una falla eléctrica dentro de la estructura, normalmente un cable subterráneo. La mayoría de los sucesos impulsados por la electricidad se producen en cables de transmisión y de media tensión.

Un gran ejemplo de un suceso impulsado por la electricidad ocurrió en Búfalo, Nueva York, hace varios años y fue captado mientras se grababa una entrevista para las noticias (video cortesía de WGRZ News). Una falla en un cable subterráneo provocó un arco que sobrecalentó el aire e hizo volar la tapa a cinco pisos del suelo.

Este tipo de explosiones tienen una energía increíble. No es infrecuente ver cubiertas que vuelan muchos, muchos pisos en el aire. Increíblemente, la tapa no golpeó a nadie. Pero un trozo de metal de 100 libras que saliera volando hacia una persona provocaría un accidente muy grave. Además de lesiones físicas y víctimas mortales, estos sucesos pueden causar importantes daños materiales, así como en carreteras y otras infraestructuras. Encontrar formas eficaces de mitigar este tipo de sucesos es muy importante.

P. ¿Por qué son tan dramáticas estas imágenes?

R. Durante un suceso en un pozo de registro se pueden liberar enormes cantidades de energía. Normalmente, cuando se produce una explosión de pozo de registro, estamos hablando de entre 6 y 40 megajulios de energía. Es el equivalente a entre 3 y 20 cartuchos de dinamita.

La mayoría de estos sucesos tienen un doble pico, por lo que hay una explosión inicial y, unos cientos de milisegundos después, hay otra. El primer suceso suele ser un arco eléctrico que puede vaporizar todo el aislamiento del cable. A medida que el arco se calienta, obliga a todos los gases a salir de la estructura, lo que hace que la tapa estalle. Una vez que el arco se detiene, los gases se enfrían rápidamente y el aire frío es aspirado de nuevo a la estructura. Esto hace que la relación combustible-aire vuelva a estar en el rango adecuado, provocando una segunda explosión.

Algunos sistemas de mitigación de pozos de registro intentan solucionar este doble pico impidiendo rápidamente que se produzca el segundo. Sin embargo, se necesita una abertura muy grande para aliviar esta presión. Se trata de presiones enormes en relación con el tamaño de la tapa. Esa tapa debe apartarse muy rápidamente, pero el peso de la tapa del pozo de registro va en contra de cualquier acción rápida, lo que hace que estos sistemas de mitigación sean creíbles.

P. ¿Qué pasa con los sucesos impulsados por la combustión?

R. La mayoría de los sucesos en pozos de registro, el 75 %, son sucesos de baja tensión impulsados por la combustión. La fuente de energía más común en estos sucesos procede de la descomposición anaeróbica de la instalación de cables y, en muchos casos, de los materiales de los ductos. La energía procede de los gases que se crean al arder el aislamiento. Ese material en combustión produce enormes cantidades de monóxido de carbono que es empujado hacia el ducto.

Todos sabemos que el monóxido de carbono es tóxico, pero también es increíblemente inflamable. El monóxido de carbono ha entrado en edificios o estructuras adyacentes y ha provocado graves explosiones. Los gases son los peligros más importantes.

P. ¿Cómo se clasifican los sucesos en pozos de registro por clase de voltaje y tipo de energía?

R. Anualmente, de todos los sucesos en pozos de registro, el 95 % se producen en cables de baja tensión que funcionan con menos de 600 voltios aproximadamente. De ellos, el 75 % son sucesos provocados por la combustión.

Los sistemas de baja tensión están diseñados para ser tolerantes a las fallas, por lo que pueden sostener el arco lento que va quemando el aislamiento durante días, semanas, quizás meses. Así que ese arco y esa combustión pueden durar mucho tiempo.

Los sucesos de transmisión y media tensión representan alrededor del 5 % de todos los sucesos. Cuando fallan, se eliminan casi instantáneamente, en unos pocos ciclos. En estos sucesos el arco eléctrico se produce durante 3 o 4 ciclos, quizá más si hay un problema con el sistema de protección, pero se despejan muy rápidamente.

P. ¿Podría explicar con más detalle cómo la descomposición del aislamiento de los cables y de los materiales de los ductos contribuye a los sucesos en pozos de registro.

R. La figura 1 ilustra lo que ocurre. Si se tiende un ducto con un cable de baja tensión y hay una pequeña grieta en el aislamiento, se producirá un problema de funcionamiento y un arco a través de esa grieta. El arco probablemente consume menos de un amperio en la mayoría de los casos, por lo que al sistema de distribución no le parece una falla eléctrica. La energía sigue fluyendo hacia esa falla. Ese pequeño arco está calentando el cable y el aislamiento, que empieza a arder. El humo contiene varios gases, como monóxido de carbono, hidrógeno, metano y otros gases.

FIGURA 1

La mayor parte de lo que arde y provoca incendios y explosiones es monóxido de carbono. El hidrógeno se escapa a través de las grietas y los poros de los ductos, por lo que es bastante irrelevante. El proceso de descomposición de los ductos también deja atrás polvo de carbono casi puro. Así que hay polvo de carbono, gas de monóxido de carbono, algo de hidrógeno y otras cosas que salen justo en el frente de la llama, la zona de reacción. Esos gases deben ir a alguna parte para que fluyan hacia el extremo de baja presión del sistema, es decir, la tapa del pozo de registro. Se necesita un flujo de aire del orden de unos 0,2 metros por segundo para soportar este proceso. A esa velocidad el flujo de aire forzará el frente de la llama a lo largo del material de los cables y ductos, donde seguirá creando grandes cantidades de gas.

Es importante tener en cuenta que se debe contar con el flujo de aire. Sin él la zona de reacción, o frente de la llama, no puede desplazarse por el cable. El gas no tiene dónde ir, y el fuego termina por autoextinguirse. Habrá arco eléctrico, y puede progresar hacia un suceso impulsado por la electricidad, pero un suceso impulsado por la electricidad en el interior de un ducto es mucho menos grave que un suceso impulsado por la combustión que ocurre en un pozo de registro.

P. ¿Podría explicar con más detalle los sucesos impulsados por la electricidad?

R. Los sucesos accionados eléctricamente comprenden alrededor del 30 % de todos los sucesos en pozos de registro, de los cuales el 5 % son sucesos de media tensión y el 25 % son sucesos de baja tensión. Normalmente se producen un gran arco, un cortocircuito eléctrico y una temperatura muy elevada. El arco funde y vaporiza el aislamiento y los conductores. Ese arco puede encender también gases combustibles, lo que puede provocar una explosión secundaria. Estos sucesos son un poco más difíciles de interrumpir porque dependen de sistemas de protección contra fallas muy sensibles.

En muchos de los sucesos graves provocados por la electricidad, hay un problema importante con los equipos de protección eléctrica. Los ajustes de los relés son incorrectos o el sistema permite que la falla persista más tiempo del que debería. Cuanto más persiste esa falla y más se calientan, se queman y se consumen el aislamiento y los conductores, más combustible se crea para el incendio. La mayoría de los sucesos provocados por la electricidad que inician incendios o provocan el desprendimiento de las tapas ocurren en la estructura. Por lo general no se producen en el ducto.

P. ¿Podría un empalme deficiente o defectuoso durante la instalación de un cable provocar un suceso?

R. Lo haría, pero la mayoría de las veces, no provocaría el desprendimiento de la tapa o su explosión. La mayoría de las fallas eléctricas son eliminadas rápidamente por los sistemas de protección y no aparecen en la superficie.

P. ¿Qué está haciendo el Grupo de Trabajo P2417 del IEEE para desarrollar una guía que aborde los sucesos graves en los pozos de registro?

R. El Grupo de Trabajo P2417 ha desarrollado una guía para el humo, el fuego y las explosiones en las estructuras eléctricas subterráneas. El grupo de trabajo incluye a unos 50 ingenieros de servicios públicos que se reúnen dos veces al año durante las reuniones del Comité de Conductores Aislados del IEEE. Nuestro objetivo es recopilar toda la información relevante relativa a los sucesos en pozos de registro y hacerla fácilmente accesible para que los sucesos en pozos de registro sean mitigados. Se trata de una guía, no de una norma, por lo que no hay requisitos obligatorios en este documento. Describe principalmente las mejores prácticas, pero no se hacen recomendaciones. La guía está disponible para comprar en el IEEE.

La guía incluye un gráfico que se centra en la zona de combustión y en los posibles métodos para detener los sucesos en pozos de registro. El gráfico ilustra el papel del flujo de aire en los sucesos de combustión. Nuestra premisa es que si el flujo de aire se restringe a menos de 0,2 metros por segundo, el combustible en la zona de combustión será subsumido y la generación de gas terminará.

P. ¿Qué medidas de mitigación se están probando actualmente y cuáles son los beneficios e inconvenientes de cada una de ellas?

R. Hace unos años una empresa de servicios públicos canadiense tuvo un gran número de fallas en los cables secundarios. Inspeccionaron los cables y descubrieron que alrededor del 5 % de ellos se habían dañado durante la instalación. Los cables se arrastraban por las juntas de los ductos, o por otras obstrucciones de los mismos, y los daños resultantes permitían la entrada de residuos en los ductos. Esto dañaba el aislamiento y provocaba las fallas latentes. Se desarrolló un sistema en el que se tapaban los extremos del cable, seguido de una prueba de presión para ver si la chaqueta podía aguantar la presión del aire. El sistema funcionaba pero era demasiado complejo para las instalaciones en el campo.

Algunas empresas de servicios públicos rellenan los pozos de registro con materiales inertes como la arena. Esto detiene el flujo de aire a través del ducto y evita la acumulación de gases en la estructura. Es bastante eficaz, pero cuando se necesita acceder a la estructura para realizar reparaciones u otros trabajos, hay que llevar un camión de vacío para retirar la arena antes de que el equipo pueda entrar.

Muchas empresas de servicios públicos inspeccionan rápidamente todas sus estructuras después de un suceso. Hace unos 10 años una importante empresa de servicios públicos de EE. UU. realizó un estudio sobre las inspecciones visuales de pozos de registro y determinó que no se redujo el número de incendios o explosiones en los pozos después de que se inspeccionara todo su sistema.

Asegurarse sistemáticamente de que la parte de los cables que están visibles sigue en buen estado tiene sus ventajas. Pero más del 95 % del cable está oculto en el ducto, por lo que la inspección visual del 5 % de los cables que se pueden ver no es realmente eficaz para prevenir incendios o explosiones.

P. ¿Qué hay de la detección temprana de los precursores de los sucesos en pozos de registro?

R. La detección de voltaje por contacto es un método en el que un equipo maneja por los alrededores y busca fallas latentes que estén formando una vía conductora hacia la superficie y que aparezcan como calzadas o aceras energizadas. Algunos estudios han demostrado que este método puede reducir los sucesos en un 20 % si la vigilancia se realiza con frecuencia y de forma constante, lo que no siempre es posible.

La detección de fallas de arco es probablemente la idea más prometedora en la detección temprana. Hay una característica eléctrica específica que se asocia a una falla de arco, pero separarla del ruido de base en el sistema es muy difícil. La falla de arco se parece mucho a un soldador de arco o al arranque de un motor, por lo que es difícil separar un suceso de arco de un equipo que funciona normalmente.

P. ¿Podría describir los sistemas de supervisión del voltaje o de pozos de registro?

R. Estamos viendo un gran interés en los sistemas de supervisión del voltaje. Estos sistemas pueden medir una variedad de parámetros, incluyendo la presencia de humo. Si el sistema detecta humo en un pozo de registro, envía una alarma a un centro de control que enviará un equipo para responder. El objetivo es llegar antes de que se generen suficientes gases combustibles para provocar un incendio o una explosión.

El desafío de este método es que responder a alarmas en el sistema de mantenimiento puede resultar abrumador cuando hay una mayor demanda de otros servicios. Puede haber llamadas de clientes por cortes de electricidad, problemas con el servicio residencial u otros problemas al mismo tiempo que un suceso en un pozo de registro, lo que crea un desafío importante en la respuesta oportuna para el equipo de mantenimiento.

P. ¿Hay alguna otra herramienta de mitigación que le gustaría discutir?

R. Algunas empresas de servicios públicos han instalado tapas de registro ventiladas. La teoría es que si se cortan algunas ranuras en la tapa, eso permitirá la liberación de gases y evitará una explosión. Pero cuando se produce una explosión con presiones y velocidades enormes, la tapa ventilada actúa de forma muy parecida a como lo hace una tapa sólida. De hecho, las tapas ventiladas pueden estar mejorando el flujo de aire a través del ducto y aumentando la propagación de las llamas.

Otro método de mitigación es usar un mecanismo para retener la tapa. La foto de abajo muestra los resultados de una prueba en la que se utilizó una tapa autorretenida con un pestillo, de modo que cuando se produce un suceso, la tapa se levanta y el pestillo la sujeta al anillo metálico donde está montada. En muchos casos, las tapas autorretenidas pueden ayudar a mitigar los efectos de una explosión.

P. Existe cierto desacuerdo sobre el sellado de ductos como solución a los sucesos en pozos de registro. ¿Por qué algunas empresas de servicios públicos no quieren sellar los ductos como medida preventiva?

R. Las empresas de servicios públicos piensan que no podrán mantener los sellos. Pero en realidad no estamos hablando de sellos. Cuando se trata de prevenir sucesos en pozos de registro, actúan como restricciones del flujo de aire para que este no se mueva por el ducto. Es cierto que puede resultar abrumador pensar en el sellado de millones de extremos de ductos en todo el país. Pero, en realidad, no creo que las empresas de servicios públicos tengan una buena razón para no sellar los ductos. Probablemente tengamos que hacer un mejor trabajo para educar a los ingenieros de las empresas de servicios públicos y a los funcionarios de seguridad pública sobre los beneficios de las restricciones al flujo de aire y sobre cómo pueden proporcionar una solución a los sucesos graves en los pozos de registro.

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