Protección contra incendio en cintas transportadoras para minería

Por: Patricio Valdés Gacitúa

Si bien, existen documentos prescriptivos que brindan lineamientos para la protección contra incendio en cintas transportadoras para el sector minero, existe una creciente preocupación por el agua descargada, de tal manera que, mediante un diseño basado en desempeño puede generarse una solución que tenga menor impacto en el medio ambiente.

Existen documentos prescriptivos tales como NFPA 13, NFPA 15, NFPA 122 o el FM Property Loss Prevention Data Sheet 7-11 que brindan lineamientos para la protección contra incendio para cintas transportadoras en minería metálica de superficie y subterránea. Los requerimientos de protección contra incendio prescriptivos se definen por las variables más importantes como el ancho de la cinta, su inclinación, el recubrimiento, cerramiento o lugar donde se encuentran instaladas, así como el material que transportan (características combustibles de la cinta).

Sin embargo, existe una creciente preocupación por el agua descargada por el sistema de rociadores y su impacto en el medio ambiente, sobre todo, cuando las cintas transportan metales pesados u otro material que será arrastrado por el agua descargada del sistema de rociadores en caso de incendio. De esta manera, surge la necesidad de una alternativa de sistemas de protección contra incendios, que puede ser abordada mediante un diseño basado en desempeño (Performance Based Design).

El diseño basado en desempeño se define como un enfoque de ingeniería al diseño de seguridad contra incendios fundamentado: 

(1).- En metas y objetivos de seguridad contra incendios acordados. 

(2).- Análisis de incendios determinísticos o probabilísticos. 

(3).- Evaluación cuantitativa de alternativas de diseño en relación con los objetivos y metas de seguridad contra incendios utilizando herramientas de ingeniería aceptadas, metodologías y criterios de desempeño []. 

Metodología del diseño basado en desempeño

La metodología general de un diseño basado en desempeño se indica a continuación y se grafica en la Ilustración 1.

Definir el alcance del proyecto: se valoran los sectores o recintos del edificio o instalación que serán considerados en el diseño, incluyendo las características del edificio, de su operación, regulaciones aplicables en el diseño, entre otros.

Identificar metas: se define el resultado global deseado de seguridad contra incendios en términos cualitativos, considerando la protección de la vida, protección de la propiedad, continuidad de operación y protección del medio ambiente.

Definir objetivos: se definen los objetivos para el proceso, y también los objetivos normativos o de desempeño que se deben cumplir con el análisis.

Desarrollar criterios de desempeño: es necesario definir valores umbrales o límite que serán aceptados por los ocupantes o las instalaciones. Bajo estos niveles se asume que las personas podrán evacuar y que los objetivos se cumplirán.

Desarrollar incendios de diseño: se desarrollan el o los escenarios de análisis, incluyendo los incendios de diseño que se considerarán dentro del análisis basado en desempeño. Para esto se considera la arquitectura del edificio, los ocupantes, los elementos que entran en ignición, crecimiento del incendio, flashover, decaimiento y extinción. Se debe acotar los escenarios de diseño (los más probables, los más severos).

Desarrollar diseños de prueba: en esta etapa se diseñan y comparan los subsistemas (análisis de un componente específico), sistemas (comparación frente a los requerimientos prescriptivos o criterios de desempeño específicos) o edificios completos (todos los subsistemas utilizados en la estrategia de protección y sus formas de interactuar) que permitan cumplir con los criterios de desempeño.

Evaluar diseños de prueba: en esta etapa se evaluarán los diseños propuestos para cumplir con los objetivos del análisis. Esta evaluación puede ser desarrollada mediante CFD, métodos analíticos, modelos de zona, análisis de ingeniería, entre otros. El diseño deberá satisfacer todos los criterios de desempeño, en cada uno de los escenarios de incendio seleccionados.

Seleccionar los diseños que cumplan los criterios de desempeño: en esta etapa, se seleccionan los diseños que cumplen los objetivos y criterios de desempeño. En caso de no cumplir, los diseños se deben modificar y volver a evaluar.

Selección del diseño final: aquí, se selecciona el o los diseños finales que cumplen con los objetivos y con los criterios de desempeño.

Preparación de informes y documentos de diseño: en dicha etapa, se genera toda la información oficial del estudio prestacional y para el posterior diseño del sistema considerado.

Aplicación del diseño basado en desempeño en cintas transportadoras

Las cintas son sistemas de transporte de material crucial dentro de una operación minera, y por lo tanto, en la mayoría de los casos requerirán de un sistema de protección contra incendio automático. Para proteger una cinta transportadora contra incendios, se debe definir en primera instancia los objetivos de protección, los que deben abarcar la seguridad de vida, la continuidad operacional y para el presente caso, minimizar el impacto al medio ambiente.

En el presente análisis, la utilización del diseño basado en desempeño para la protección de cintas transportadoras se emplea para cuantificar los niveles de seguridad de cada alternativa, además, permite identificar el impacto de las medidas de protección de incendios respecto al cumplimiento de los objetivos de protección. 

Caso de aplicación del diseño basado en desempeño

En el caso que se describe a continuación, existe un conjunto de cintas transportadoras ubicadas sobre el mar, las que transportan concentrado de cobre hacia diferentes barcos cargueros que reciben y exportan el mineral. Debido a las regulaciones y normativas locales, el agua del mar donde se encuentran instaladas las cintas no puede ser contaminada por los metales transportados. Por lo tanto, las cintas se deben encapsular y el agua del sistema contra incendio no se puede drenar o derramar y se debe recolectar (Ilustración 2). Ante dicho escenario, los objetivos del análisis serán:

1) Protección de los ocupantes: diseñar un sistema de protección contra incendios que permita proteger a los ocupantes que no estén íntimamente familiarizados con el desarrollo inicial del incendio, durante el tiempo necesario para evacuar. Permitir que los ocupantes que se encuentren íntimamente relacionados con el incendio puedan evacuar en condiciones sostenibles para la vida. 

2) Continuidad operacional: diseñar un sistema de protección contra incendios que permita minimizar el impacto del fuego y sus productos en las instalaciones, limitando la propagación, energía liberada, entre otros.

3) Protección del medio ambiente: diseñar un sistema de protección contra incendios que permita cumplir con los objetivos 1 y 2 antes mencionados, cumpliendo también con los requerimientos de impacto al medio ambiente.

Criterios de desempeño

Los criterios de desempeño a utilizar, consideran la visibilidad de los ocupantes, la afectación de las personas por gases narcóticos o irritantes (Fractional Effective Dose & Fractional Irritants Concentration), la temperatura del equipamiento eléctrico debido a los gases calientes del incendio, la radiación térmica generada por el incendio y la cantidad de agua descargada por el sistema de protección contra incendio.

Escenarios de incendio

Fuente y modelamiento de ignición: se encontró que después de los incendios de vehículos, los incendios en las cintas transportadoras se encuentran generalmente entre los tipos más comunes de incendios en la industria minera australiana []. Las causas más comunes de incendios en cintas transportadoras en Australia Occidental (que abarcan el período de julio de 2014 a julio de 2017) fueron las siguientes:

• Cojinete defectuoso que provoca la ignición del exceso de grasa en el cojinete.
• Rodillo o rodillos defectuosos que causan fricción y encienden el rodillo.
• Goma loca o triturada.
• Fricción entre el transportador y un rodillo o una polea.
• Metal en contacto con la correa.
• Rocas atascadas contra un rodillo/cinta transportadora causando fricción.
• Briquetas calientes o carbón que encienden la banda.

Los lugares de incendio más comunes: cinta transportadora, rodillo de cinta, rodillo de retorno, rodillo de impacto, polea loca, polea de flexión y polea de cabeza. 

Es importante mencionar que en cintas que transportan materiales no combustibles, la cinta se incendiará cuando esta se detenga, dado que en ese momento existirá un tiempo suficiente para que el polín trabado caliente y combustione la cinta (Ilustración 3). Por otra parte, cuando la cinta se encuentra funcionando con un polín trabado, no existe el tiempo necesario para la transferencia de calor que permita incendiar la cinta, dado que esta pasa sobre el polín caliente en un tiempo mínimo (Ilustración 4). 

Característica del combustible: se debe considerar la materialidad de la correa, las que generalmente corresponden a estireno-butadieno (SBR), un tipo de polímero. Solo la cinta transportadora se tiene en cuenta en el modelado de la propagación del fuego, por lo que los rodillos, material de carga, entre otros, no se incluyen en la tasa total de liberación de calor. Se supone que la mayor parte del material combustible a lo largo de la cinta estará compuesta por la propia cinta transportadora. Cualquier material en la cinta en una mina que no sea de carbón probablemente será inerte, actuando como un disipador de calor y disminuyendo la velocidad de propagación de la llama. Ahora bien, el ancho de la cinta transportadora afectará los cálculos del factor de visión y la transferencia de calor por radiación, lo que afectará la velocidad de propagación de la llama y la tasa de liberación de calor.

Las cintas transportadoras contienen múltiples componentes, sin embargo, es difícil y poco realista obtener todas las propiedades de los materiales requeridas para la su análisis. Por lo tanto, es factible representar las cintas transportadoras simplificadas en un solo componente.

Condiciones físicas, geométricas y de ventilación: tal como se indica anteriormente, dado que el incendio en la correa se generará cuando esta se detenga, no es necesario considerar la velocidad de operación de la correa. Por otra parte, se debe incluir el cerramiento de la cinta, velocidad de la ventilación, características geométricas, elevación o pendiente de la cinta, entre otros. 

Ahora bien, cuando las cintas transportadoras presentan una pendiente, la transferencia de calor efectiva hace que la llama se propague muy rápido y a medida que aumenta la transferencia de calor con llamas de mayor longitud, se libera más combustible volátil por unidad de tiempo, debido al aumento de las tasas de pirólisis. Esta mayor cantidad de combustible da como resultado llamas aún más grandes.

Diseños de prueba

Son las estrategias de protección contra incendios que tienen la intención de cumplir con los objetivos del proyecto. Para ser considerado aceptable, los diseños de prueba deben cumplir los criterios de desempeño cuando se analicen los escenarios de incendio.

Para el presente diseño basado en desempeño se analizarán 4 diseños de prueba, los que se resumen a continuación:

 Resultados y análisis de incendio

Mediante la herramienta de análisis computacional de fluidos (CFD – Computational Fluid Dynamics) es posible obtener resultados del rendimiento de los diseños de prueba respecto de un escenario de incendio en una cinta transportadora. Los diseños de prueba desarrollados en los escenarios ES-02-05-A, ES-02-05-B, ES-02-05-C y ES-02-06-A controlan y extinguen el fuego en un tiempo relativamente breve, cumpliendo con todos los criterios de desempeño. Para poder seleccionar el sistema con el mejor desempeño, se analizará la cantidad de agua descargada, esta, es diferente para cada uno de los diseños propuestos.

En la Ilustración 5 se evidencia el desempeño de los 4 diseños de prueba interactuando con el incendio en una cinta transportadora, donde se aprecia que todos los sistemas propuestos controlan y extinguen el incendio, disminuyendo la potencia a 0 kW en un tiempo máximo de 40 segundos.

En la Ilustración 6 se muestra la comparación del agua descargada por los diferentes diseños de prueba propuestos, donde se evidencia que el sistema de watermist descarga la menor cantidad de agua para controlar y extinguir el incendio, utilizando solo el 10% de agua que se espera se descargue por el sistema de rociadores diseñado acorde a los lineamientos de FM-Global.

Una menor cantidad de agua descargada genera un menor tamaño de recolección, drenaje y acumulación de agua del sistema de protección.

¹ Performance-Based Fire Safety Design, Morgan J. Hurley and Eric R. Rosenbaum

² Design Fire Scenarios Involving Non-Fire Resistant Conveyor Belts -Numerical Study, Rickard Hansen, The University of Queensland

³ Performance-Based Fire Safety Design, Morgan J. Hurley and Eric R. Rosenbaum

Acerca del autor: Socio fundador de MAPA Fire Engineering (www.mapafire.com - patricio.valdes@mapafire.com). MSc. Fire Safety Engineering – Universidad de Ghent, Bélgica.