Análisis De Escenario Natech: Derrames De Petróleo Desencadenados Por El Impacto De Fenómenos Hidrológicos Extremos En Tanques De Almacenamiento

La creciente industrialización trae consigo un incremento en el almacenamiento, manejo y comercialización de sustancias peligrosas, al mismo tiempo que implica la ocupación de nuevas zonas para la localización de instalaciones, cuya ubicación a menudo es seleccionada sin considerar la exposición a amenazas naturales, y por ende, a las fuerzas externas que tienen el potencial de desencadenar un accidente tecnológico y liberar grandes cantidades de agentes nocivos para la salud pública y el ambiente. Técnicamente este tipo de eventos se conocen bajo el término de NaTech (accidentes tecnológicos desencadenados por eventos de origen natural - Natural disasters triggering TECHnological accidents), (Cruz et al., 2004; Showalter & Myers, 1994).

En general, el diseño y operación de equipos, procesos, estructuras e instalaciones industriales de alto riesgo, sigue un conjunto de normas y estándares internacionales de la industria, que en términos de la seguridad de procesos, son propuestos para soportar las fuerzas operacionales (temperatura, presión, caudal, flujos, etc.), sin considerar la acción de fuerzas externas (Cozzani et al., 2009), como por ejemplo, aquellas ejercidas por la velocidad del agua (fuerza hidrodinámica) y la profundidad de la lámina de agua (fuerza hidrostática) sobre las unidades de proceso, durante una inundación.

La fase y peligrosidad de la sustancia implicada en un evento NaTech, depende del proceso, equipo e instalación afectada por el fenómeno natural, y la severidad del suceso en términos de cantidad liberada, dispersión y receptores afectados, depende del tipo de fenómeno natural que desencadena la pérdida de contención accidental, siendo las inundaciones, tormentas eléctricas y sismos (Krausmann et al., 2008), los principales iniciadores de este tipo de incidentes. En ese orden de ideas, la infraestructura petrolera, como industria de alto riesgo (Yanting & Liyun, 2011), cuya localización o emplazamiento en el contexto mundial, cubre vastas zonas del territorio, está expuesta a diferentes amenazas naturales, siendo los tanques de almacenamiento de hidrocarburos, los equipos más afectados (V. Cozzani et al., 2010) y con mayor criticidad por los altos inventarios de petróleo que potencialmente serían derramados en un evento de este tipo.

Entre los principales daños o afectaciones que sufren este tipo de equipos debido a las inundaciones, según Campedel (2009), se encuentran daños estructurales (desplazamientos, impactos con objetos flotantes, colapso) y fallas eléctricas en la sensórica que automatiza los procesos asociados, mientras que en las consecuencias más graves están aquellas relacionadas con la dispersión y reacción química de la sustancia peligrosa en agua.

En este sentido, la ausencia de estas barreras de seguridad en los estándares de diseño, construcción y operación de equipos y procesos, constituyen una condición de debilitamiento de las instalaciones frente a amenazas naturales y por ende, abre la posibilidad a la ocurrencia de un evento tipo NaTech, cuyo efecto unitario o dominó puede conllevar a la pérdida de contención masiva de sustancias altamente peligrosas.

Investigaciones realizadas por Antonioni et al., 2009, Antonioni et al., 2015, respecto a la evaluación cuantitativa del riesgo (ECR) por derrames de petróleo en tanques de almacenamiento debido a inundaciones, proponen el análisis a partir de la caracterización de la amenaza natural y de la vulnerabilidad de los tanques, este último en función de modelos de fragilidad que determinan la probabilidad de daño en el equipo, mientras que para el fenómeno amenazante plantean el análisis del evento hidrológico, a partir de las fuerzas externas ejercidas por la profundidad de la lámina de agua y por la velocidad de la corriente, asociadas a un determinado periodo de retorno, semejante a lo evidenciado por V. Cozzani et al., 2010 y V. Cozzani et al., 2014, en cuanto a la relación hallada entre la profundidad de la inundación y la ocurrencia de eventos NaTech.

En ese orden de ideas, la selección del evento hidrológico, como punto de partida del análisis, dependerá de los criterios establecidos en la evaluación en cuanto a la magnitud y probabilidad de la inundación de interés, en consideración a que la ocurrencia de estos sucesos está determinada por un periodo de retorno (tr) en años.

A partir de allí, empleando métodos de simulación hidráulica a superficie libre, se obtienen profundidades (hw) y velocidades (vw) de la lámina de inundación que afecta el equipo en análisis (tanque de almacenamiento), teniendo en cuenta que mediante estas dos variables se simplifican los efectos hidráulicos asociados a las fuerzas externas ejercidas por la inmersión lenta, oleaje de alta profundidad, oleaje de velocidad moderada, oleaje de alta velocidad y finalmente oleaje de alta velocidad con profundidad limitada (V. Cozzani et al., 2014).

Posteriormente es necesario determinar el tipo y el nivel de daño ocasionado en el equipo expuesto, debido a la inundación. Para ello diversos autores han propuesto modelos mecánicos de falla que permiten estimar con cierta aproximación la vulnerabilidad del equipo, entre ellos Salzano et al., 2003, G. Antonioni et al., 2009, G. Landucci et al., 2012 y G. Antonioni et al., 2015, cuyas contribuciones se representan mediante curvas de fragilidad, modelos mecánicos de falla bajo carga de inundación.

Por su parte Rojas, S., 2005, Guerrero, Y., 2007 y Zapata C. et al.,2002, han evaluado diversas aplicaciones computacionales para analizar predictivamente el comportamiento de derrames de hidrocarburo en ambientes acuáticos, principalmente en aguas continentales en Colombia, a fin de dimensionar las consecuencias potenciales, empleando diferentes software de modelado de tipo Lagrangiano que convergen en el cálculo de los procesos de desgaste o intemperización del derrame y de los efectos de la hidrodinámica en el transporte del derrame, siendo comunes la estimación de la advección, trayectoria, destino y las pérdidas por evaporación, dispersión mecánica, adherencia a orillas o frontera terrestre y la disolución, en modelos con diferentes capacidades y tipos de licencia.

De otro lado, en un esfuerzo por estimar el comportamiento de los incendios de hidrocarburo que ocurren durante un derrame, Imazu & Nishino (2018) proponen considerar dicho derrame como un conjunto de partículas circulares que flotan ardiendo, cuyas posiciones temporales dependen del campo de velocidades y trayectorias de la inundación y que su ignición inicial es impredecible. La zona de combustión y el flujo de calor radiante para cada una de las partículas incendiadas se estima de manera homogénea e independiente de la dirección del viento, desde el centro de la partícula de hidrocarburo y cesa cuando el espesor de cada partícula del derrame alcanza 1 mm.

Las capas de protección aplicables a los equipos y procesos expuestos a las fuerzas externas ejercidas por los fenómenos naturales, de acuerdo con el concepto propuesto por CCPS (2001), como barreras de seguridad proporcionan soluciones técnicas para evitar, prevenir o mitigar las pérdidas de contención dentro de un amplio espectro de alternativas que van desde las barreras pasivas hasta las activas.

Lecciones aprendidas de eventos NaTech ocurridos en distintas partes del mundo, recogidas por Misuri et. al (2019) y diversos autores, ponen de manifiesto fallas comunes en las barreras de seguridad asociadas a desabastecimiento de agua de los sistemas de protección contra incendios (Steinberg & Cruz, 2004), sistemas de supresión de vapores a base de agua y espuma no disponibles (Girgin, 2011), sistemas de contención de derrames colmatados (eMars), almacenamiento de químicos de refrigeración no disponibles (Additives for Polymers, 2017), válvulas de accionamiento manual inundadas e inaccesibles (NTSB, 1996) y generadores de energía de respaldo completamente inundados (Labib and Harris, 2015), entre otros.

De acuerdo con Necci A., Krausmann E. (2021), algunos ejemplos para tratar el riesgo asociado a las amenazas naturales pueden ir desde barreras físicas cómo: construcción de diques, construcción de canales artificiales, estabilización de riberas, compactación y estabilización de suelos, reorganización de instalaciones industriales y una correcta localización de la planta, mientras que en términos de medidas procedimentales, la definición de roles y funciones, así como la lista de acciones y tiempos de actuación, contribuirán a la reducción del riesgo.

Ahora bien, cuando sea posible anticiparse al impacto del evento natural en la instalación, a través de pronósticos y predicciones, la implementación de medidas como los apagados de emergencia, el establecimiento de un nivel de llenado crítico (CFL) de los equipos para contrarrestar la fuerza de la inundación, las evacuaciones de personal no vital operacionalmente, además de la comunicación permanente con las autoridades locales y organismos de socorro, junto con el monitoreo de la evolución de la amenaza, son determinantes.

Es así como el presente tema, tiene como objetivo analizar la fuerza ejercida por un evento hidrológico extremo sobre una instalación industrial, específicamente sobre un tanque vertical de almacenamiento de hidrocarburo refinado que hace parte de una planta de gas húmedo localizada en la planicie inundable de un río, empleando distintas formulaciones matemáticas para determinar el modo en que falla el recipiente en función de la carga hidrodinámica e hidrostática ejercida por la inundación, para posteriormente, a partir del uso de modelos computacionales bidimensionales y del uso de tecnología LiDAR para generar un modelado 3D de la planta, analizar las consecuencias desencadenadas por la pérdida de contención del producto, en términos del comportamiento y trayectoria del derrame y de la radiación térmica liberada por el incendio de piscina que genera dicho derrame.