Incendios por regulador de aluminio

A lo largo de los años, los incendios que involucran reguladores de oxígeno han sido una pesadilla para diseñadores de reguladores e ingenieros de sistemas. Un incendio por oxígeno es extremadamente violento y muchas veces provoca lesiones graves e incluso muerte.

Durante los últimos años, ha habido un aumento de los incidentes informados (incendios) que involucran pequeños cilindros de oxígeno médico y de emergencia. Los reguladores utilizados en dichos cilindros son de tamaño pequeño y habitualmente se fabrican con componentes de aluminio debido a consideraciones de peso. Actualmente, la FDA, la ASTM y UL se encuentran todos en una loca carrera por ver quién puede prohibir primero el uso de aluminio como material en estos reguladores. ¿Se están precipitando estas agencias? Para contestar esta pregunta, primero analicemos el problema.

Compresión adiabática: Para los líquidos confinados a un volumen fijo, el calor puede trasferirse de varias formas: el líquido más tibio puede moverse a regiones más frías (convección) o el calor puede llevarse de caliente a frío (difusión térmica). Para la cavidad interna de un regulador de oxígeno, el mecanismo de transferencia del calor es la "compresión adiabática", también denominada efecto pistón. Esto es cuando un capa de gas externa que se expande y está caliente (debido a abrir rápidamente una válvula del cilindro) actúa como un pistón y comprime la cavidad interior de alta presión de un regulador, calentándolo. Normalmente, los gases tienen una respuesta térmica muy amplia a los cambios de presión. El calor generado por el gas no puede difundirse rápidamente a través de las paredes del cuerpo del regulador. Si el ingeniero ha realizado las tareas adecuadas, el cuerpo del regulador y la válvula pueden soportar este pico elevado de temperatura; sin embargo, si hay partículas extrañas, como suciedad, polvo, aceites, insectos, etc., puede ocurrir una ignición. Las partículas extrañas casi siempre tienen una temperatura menor de combustión que los componentes designados. Cuando una partícula extraña comienza a arder, ocurre una reacción en cadena que enciende otros componentes hasta que la temperatura es suficientemente alta como para encender metales. Con oxígeno puro y una ignición, el regulador mismo se convierte en un combustible, ardiendo violentamente y provocando posiblemente lesiones graves a cualquier persona que se encuentre cerca.

Un gran porcentaje de los incendios por regulador de oxígeno en el campo pueden atribuirse a contaminación por sustancias o partículas extrañas dentro de la cavidad de alta presión del regulador. Muchos accidentes pueden evitarse si el usuario final se preocupa por eliminar la posibilidad de tal contaminación y utiliza técnicas adecuadas para abrir las válvulas del cilindro de oxígeno y para cambiar los cilindros de oxígeno.

¿Por qué utilizar reguladores de aluminio?
La mayoría de los reguladores industriales poseen predominantemente componentes de latón. Sin embargo, la industria médica prefiere reguladores pequeños de aluminio o aluminio/latón livianos más en proporción con los pequeños cilindros de acero o aluminio que se utilizan. En comparación al latón, el aluminio posee una temperatura de ignición muy baja y un calor de combustión muy elevado. Debido a la violencia explosiva del aluminio en llamas, las posibilidades de una falla catastrófica en los reguladores de aluminio es mayor que en los diseños de latón. Por este motivo, actualmente vemos a muchos fabricantes volver a utilizar componentes de latón en reguladores de gas medicinal.

¿Debemos simplemente darnos por vencidos en cuanto a los diseños de aluminio? Ese es el mensaje que envían la FDA, UL y la ASTM. ¿Podría un diseño de un regulador de aluminio ser más resistente a las igniciones de oxígeno incluso ante la presencia de partículas? Tal vez, según las circunstancias, pero primero demos un vistazo práctico a lo que se puede hacer para mejorar la resistencia a igniciones en reguladores de aluminio. Primero que nada, la presencia de partículas significa que hay contaminación en el equipo de regulación de oxígeno. La presencia de agentes contaminantes puede controlarse con el uso de filtros y también pueden utilizarse técnicas adecuadas al cambiar los cilindros como quebrar la válvula del cilindro para quitar soplando el polvo y los desechos antes de anexar el regulador. Además, se puede abrir LENTAMENTE la válvula del cilindro después de anexar el regulador para evitar múltiples accidentes. Al abrir la válvula del cilindro lentamente hay más tiempo para que se difunda el calor asociado con el gas comprimido así como para que disminuya el efecto pistón y así, la cantidad de calor generada con el tiempo. Pero además de utilizar técnicas de seguridad adecuadas, ¿qué puede hacer el ingeniero para garantizar que un regulador de aluminio se diseñe con seguridad?

El pasaje de entrada
Es extremadamente importante que los ingenieros se tomen el tiempo para evaluar adecuadamente el pasaje de entrada de un regulador o sistema. El pasaje de entrada es la ruta que el gas toma desde el cilindro hasta la válvula reductora de presión. Los filtros de entrada del regulador deben tener al menos una capacidad de filtración de 66 micrones según la Asociación de Gas Comprimido (E-4, E-7), pero mientras más chico, mejor.

Comúnmente, los filtros de diez (10) micrones no son más costosos cuando se compran en cantidad y mejorarán la resistencia a igniciones debido a agentes contaminantes. Además de los filtros, este pasaje debe tener una superficie grande como si terminara en la válvula del regulador. Una superficie grande permite que se difunda más calor en las paredes del cuerpo del regulador (consulte la fig.1). Los pasajes pequeños tipo agujero ciego tienen el potencial de aumentar dramáticamente la temperatura durante la compresión adiabática y deben evitarse. Si el diseño no permite un pasaje de entrada de mayor diámetro, perfore el pasaje en el cuerpo, más profundo de lo necesario pasando el área de la válvula, para ampliar esta superficie. También el uso de un conector de cobre podría mejorar la resistencia a igniciones.

El níquel posee un calor de combustión muy elevado en comparación con el aluminio (níquel 200 = 241 kJ/g•mol en comparación con aluminio 6061 T6 = 1676 kJ/g•mol) Normalmente, el níquel y las aleaciones de níquel son mucho más resistentes a igniciones que el aluminio y las aleaciones de aluminio. Sería poco práctico fabricar cuerpos de regulador de aleaciones de níquel; sin embargo, el enchapado en níquel podría ser una forma efectiva y económica de aumentar la resistencia a igniciones en componentes de válvulas y cuerpos de reguladores de aluminio. El enchapado en níquel debería ser un proceso no eléctrico de alta calidad que elimine el descamado del enchapado en níquel que, por supuesto, sería contraproducente.

Válvulas de escape
Las pruebas de ignición realizadas en los últimos años por centros independientes de pruebas han demostrado que en algunos reguladores médicos la válvula de escape puede ser una fuente de ignición del regulador. La selección de material para este tipo de válvulas de escape es crucial. Los diseñadores deben utilizar materiales no metálicos adecuados para el oxígeno así como materiales que tengan un calor de combustión bajo y una temperatura de ignición alta. Podrá encontrar más información general sobre selección de materiales en la publicación TB-12 de la Asociación de Gas Comprimido Design Considerations For Non-metallic Materials In High Pressure Oxygen Supply Systems (Consideraciones de diseño para materiales no metálicos en sistemas de suministro de oxígeno de alta presión).

En resumen, existen muy buenos motivos para creer que los reguladores de aluminio pueden tener éxito en un ambiente con oxígeno. Los recientes esfuerzos de la FDA y UL para prohibir el uso de aluminio en sistemas de regulación de oxígeno parecen ser una reacción instintiva a este grave problema. Sin embargo, con algo de esfuerzo y pensamientos constructivos este problema de los incendios por regulador de oxígeno podría solucionarse o, al menos, mejorarse considerablemente.

David Gailey es el gerente de Productos Especializados de The Harris Products Group, una empresa de Lincoln Electric. Ha pertenecido a Harris por 27 años y ha trabajado como ex presidente del Comité de Aparatos de Gas Industrial de la CGA.