Seguridad funcional de los sistemas de mezcla de gases con mezclas de hidrógeno-nitrógeno
1. introducción
El gas formador, una mezcla de hidrógeno (H₂) y nitrógeno (N₂), se utiliza en numerosos procesos industriales, como la soldadura, el recocido, el tratamiento térmico y el procesamiento de metales. Debido a la proporción de hidrógeno, un gas altamente inflamable, a menudo aumentan los requisitos de seguridad de los procesos. El concepto de seguridad funcional es cada vez más importante, especialmente en aplicaciones críticas para la seguridad.
El nivel de integridad de la seguridad (SIL) conforme a las normas de seguridad IEC 61508 e IEC 61511 puede ser un punto de referencia para ello. Este artículo examina la relevancia del SIL en los sistemas de mezcla de gas para la formación de gas, los retos técnicos y las posibles soluciones.
2 Conceptos básicos: ¿Qué es SIL?
SIL (Safety Integrity Level) es una medida de la fiabilidad de los sistemas. https://es.wikipedia.org/wiki/Safety_Integrity_Level
El operador determina el nivel de integridad de la seguridad para el componente o sistema como parte de una evaluación de riesgos (HAZOP). Como parte del estudio, se identifican y eliminan los peligros potenciales antes de que puedan provocar un accidente. El estudio da lugar a requisitos de seguridad del nivel adecuado. Existe una clasificación de niveles del 1 (el más bajo) al 4 (el más alto), que es una medida de la fiabilidad del sistema en
Los mezcladores de gas para gas de formación (el gas de formación es una mezcla gaseosa de hidrógeno y nitrógeno) también han funcionado sin SIL durante más de cinco décadas. Sin embargo, la tendencia hacia una mayor seguridad y una gestión más exhaustiva de los riesgos con un concepto de seguridad se extiende ahora también a este tipo de mezcladores de gas y sistemas de mezcla de gas (también conocidos como mezcladores de hidrógeno). Así pues, la seguridad de las instalaciones (seguridad del sistema) para la producción de gas de conformación puede aumentarse, por ejemplo, con un analizador de gas hidrógeno SIL 1, una supervisión de la presión diferencial SIL y una desconexión SIL 1. De este modo se vigila y evita de forma fiable la acumulación no autorizada de hidrógeno en el gas de proceso.
3 Gas de conformación: propiedades y riesgos
Normalmente, el gas de conformación está compuesto por un 3-10 % de hidrógeno en nitrógeno. En raras ocasiones, también se producen mezclas de gas con contenidos de hidrógeno significativamente superiores. El límite inferior de explosividad (LIE) del hidrógeno en el aire es de aproximadamente el 4% en volumen y el límite superior de explosividad (LSE) es del 77% en volumen. Esto significa que el hidrógeno sólo puede explotar en el aire dentro de un determinado rango de concentración.
El hidrógeno tiene las siguientes propiedades
Extremadamente ligero y difusivo: Mayor riesgo de fugas.
Baja energía de ignición (~0,02 mJ): Incluso pequeñas chispas pueden desencadenar explosiones.
Amplio espectro de explosión (4-75% en volumen en el aire): Requiere un control preciso del proceso.
Las fuentes de riesgo incluyen:
Enriquecimiento de hidrógeno debido a relaciones de mezcla incontroladas.
Fugas en la tecnología de mezcla de gases o en las tuberías.
Fallos en el control de la presión o en la proporción de mezcla.
Si el contenido de hidrógeno en la mezcla de gases supera el valor límite establecido, puede producirse una atmósfera explosiva en el proceso al mezclarse con el aire. Los analizadores de gas con desconexión de la línea de hidrógeno se utilizan de serie en las mezcladoras de gas de conformado para detectar de forma fiable esta acumulación en una fase temprana y evitarla posteriormente.
Estos riesgos se gestionan mediante soluciones de seguridad como analizadores de gas, control de presión diferencial y parada de emergencia con un nivel SIL validado.
4 Requisitos SIL para mezcladores de gas de conformado
El diseño relacionado con la seguridad de un mezclador de gas de conformación con SIL comprende varios subsistemas. Se utilizan los siguientes componentes relacionados con la seguridad:
4.1 Análisis de gas
Analizador de gas hidrógeno SIL 1: Mide continuamente la concentración de hidrógeno.
Función: Análisis preciso para regular la proporción de mezcla. Documentación. Supervisión del valor límite
Ventaja: Evita el enriquecimiento de hidrógeno no autorizado
4.2 Control de la presión diferencial
Sensor de presión diferencial SIL 1: Supervisa la presión de los flujos de gas (H₂ y N₂).
Función: Detecta cambios incontrolados en un flujo de gas
Ventaja: Control estable del proceso y minimización de los riesgos de explosión.
4.3 Válvulas de seguridad y actuadores
Componentes con certificación SIL: Válvulas de cierre probadas según ISO 13849 o IEC 61508.
Función: Separación segura del suministro de gas, restablecimiento automático o conmutación de derivación.
Ventaja: Mayor seguridad del sistema gracias a actuadores fiables.
5 Particularidades de la integración SIL en sistemas de mezcla de gases
La integración de un circuito SIL en sistemas de mezcla de gas requiere un enfoque holístico que incluya sensores, lógica y actuadores.
5.1 Circuito SIL integral
Componentes: Analizador de gas (sensores), relé de seguridad (lógica), válvulas de cierre (actuadores).
Evaluación: La función de seguridad se valida en el contexto global, no sólo por componentes.
Normas: Cumplimiento de las normas de seguridad IEC 61508 e IEC 61511.
5.2 Cálculo y verificación
Cálculo de la PFDavg: Determinación de la probabilidad media de fallo (Probability of Failure on Demand).
Redundancias: Consideración de sistemas redundantes e intervalos de prueba para minimizar el riesgo.
Documentación: Documentación de seguridad con validación SIL, prueba de funcionamiento y listas de comprobación de la puesta en servicio.
5.3 Desafíos
Comportamiento del hidrógeno: La alta difusividad requiere sistemas densos y una detección precisa del hidrógeno.
Calibración: El sistema de sensores debe ser fácil de mantener en las condiciones del proceso.
Velocidad de reacción: Las funciones de protección deben reaccionar rápidamente ante las desviaciones.
6 Ejemplo práctico: Mezclador de gas de moldeo con SIL 1
Aplicación: Proceso de tratamiento térmico con un 5 % de H₂ en N₂.
Requisitos:
Estabilidad del proceso
Protección contra explosiones
Documentación de las funciones de seguridad
Solución de LT GASETECHNIK:
Analizador de gas H₂ (SIL 1) con señal de 4-20 mA
Control de presión diferencial entre flujos de gas
Desconexión de emergencia mediante relé de seguridad
Válvulas de seguridad según ISO 13849-1 / IEC 61508
Resultado:
Aceptación satisfactoria por parte de operarios y expertos
Funcionamiento sin problemas durante varios años
Diseño de fácil mantenimiento con registros de pruebas
7. Conclusión
El uso del nivel de integridad de seguridad (SIL) para los mezcladores de gas de conformación representa una oportunidad para aumentar la seguridad del proceso. Debido a las propiedades inflamables del hidrógeno, es esencial una evaluación sistemática de la seguridad. A pesar de los mayores costes de adquisición y funcionamiento (prueba anual del circuito SIL), existen varias ventajas:
Mayor seguridad operativa al minimizar los riesgos de explosión
Protección del personal y de la tecnología de la planta
Transparencia: trazabilidad completa mediante documentación
LT GASETECHNIK es uno de los pocos proveedores que puede suministrar mezcladores de gas completos con circuitos SIL y componentes validados para la formación de gas. Con más de 40 sistemas realizados, la empresa ofrece una experiencia demostrada en la planificación, cálculo e implementación de sistemas de mezcla de gas conformes con SIL. LT GASETECHNIK está a su disposición como socio experimentado para cualquier pregunta relacionada con la aplicación de los requisitos SIL en los sistemas de mezcla de gas.
Póngase en contacto con nosotros: mail@lt-gasetechnik.com