Inflamabilidad de los aceites vegetales en superficies calientes

• Artículo escrito por Lorena Deleanu^1,2Constantin Georgescu¹Liviu Catalin Solea¹, Dionis Guglea¹, Cristina Popa^3.
1Universidad "Bajo Danubio", Galați, Rumania; ²Academia Rumana de Ciencias Técnicas (ASTR), Bucarest, Rumania; 3 Asociación Rumana de Normalización (ASRO).

1. Introducción

En la investigación, pero también en la administración, se debaten cuestiones actuales relacionadas con la presencia de sustancias peligrosas en los lugares de trabajo y las formas de reducir los riesgos de su uso. Un tema interesante es el potencial que tienen algunos materiales y fluidos dentro de esta categoría para contribuir a aumentar el riesgo de incendio, en determinadas condiciones de uso, que puede ocurrir de forma accidental. Por ello, surgió la necesidad de una normativa específica en el ámbito de la evaluación de la conformidad de este tipo de productos con los requisitos técnicos, exigencia que puede considerarse un componente del desarrollo sostenible en las industrias extractivas [1], [2], pero también en otros ámbitos: el transporte, los procesos tecnológicos, incluidos los de la industria alimentaria y el turismo.

Desde el punto de vista de los riesgos asociados a las sustancias peligrosas, una de las propiedades más investigadas de los aceites es su inflamabilidad en contacto con superficies calientes, lo que puede provocar una ignición espontánea. Los fluidos hidráulicos son la categoría de aceites más estudiada desde este punto de vista, pero también existe interés en los aceites vegetales, utilizados como fluidos alimentarios o industriales. Algunos aceites también están presentes en las industrias extractivas mineras, donde los accidentes provocados por combustión espontánea pueden tener graves consecuencias, tanto para la infraestructura y los servicios públicos, como para la seguridad y la salud del personal.

La Unión Europea ha establecido regulaciones serias y extensas en el campo de la protección de la salud y la seguridad de los trabajadores. Un ejemplo es la Directiva n.º del Consejo de la Unión Europea. 104 de 3 de diciembre de 1992 (92/104/CEE) relativa a las disposiciones mínimas para la mejora de la protección de la seguridad y de la salud de los trabajadores en las industrias extractivas a cielo abierto y subterráneas (duodécima Directiva específica con arreglo al artículo 16, apartado 1, de la Directiva marco 89/391/CEE), modificada por la Directiva 2007/30/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 20 de junio de 2007 [3].

Pero el riesgo de que los aceites vegetales se incendien al entrar en contacto con superficies calientes también existe en la industria alimentaria e incluso en la cocina de cualquier persona. Los aceites vegetales se utilizan en la industria alimentaria para el procesamiento de alimentos, pero también en equipos, como lubricantes más respetuosos con el medio ambiente y de baja toxicidad.

Esta directiva fue transpuesta a la legislación rumana tarde, mediante la Decisión núm. 1049 de 09/08/2006 sobre las disposiciones mínimas para garantizar la seguridad y la salud de los trabajadores en las industrias extractivas a cielo abierto o subterráneas [4].

El fuego y sus efectos son peligros en todas las actividades económicas porque, debido al proceso tecnológico y/o solución de diseño, generan temperaturas lo suficientemente altas como para iniciar y mantener el fuego. Por ejemplo, las industrias del acero, del vidrio y la química son reconocidas por involucrar procesos caracterizados por altas temperaturas que surgen de requerimientos tecnológicos, pero también debido a la fricción, especialmente en el caso de lubricación defectuosa o eliminación de lubricante por diversas causas. El análisis de las consecuencias del incendio en el área de trabajo es hoy mucho más complejo y debe destacar las implicaciones a corto y largo plazo: los costos de interrupción de la producción, los costos relacionados con la salud y la seguridad del personal, el impacto en el medio ambiente y la sostenibilidad de la organización, etc.

El término ignífugo es poco comprendido o relativamente interpretado cuando se trata de fluidos. Los especialistas consideran apropiado estandarizar la terminología y revisar los métodos de prueba aceptados para evaluar la resistencia al fuego de un fluido determinado [5]-[7]. No existe una única propiedad o prueba para un fluido que cuantifique cualitativamente su resistencia al fuego o a la ignición. Normalmente, las pruebas para evaluar la resistencia al fuego de los fluidos son “incidentes simulados” de modo que las pruebas son una réplica repetible del peor escenario en aplicaciones típicas donde se utiliza un fluido con un riesgo potencial de incendio. Los fluidos pasan o no estas pruebas, y aquellos que las pasan se incluyen en las recomendaciones [8].

Las posibles fuentes de ignición incluyen no sólo piezas de metal al rojo vivo o fundido, chispas o llamas, sino también superficies calientes como colectores de escape de motores, tuberías de vapor presurizado y carcasas de equipos calientes. Los fluidos resistentes al fuego (muchos sintéticos), si bien son más seguros, cuestan más que los fluidos a base de petróleo y/o requieren modificaciones en los equipos o parámetros operativos.

“Resistente al fuego” no significa “a prueba de fuego” o retardante de llama, y ​​casi cualquier fluido puede arder en determinadas circunstancias.

La diversidad de métodos de ensayo para establecer las propiedades de resistencia al fuego de los fluidos, como se muestra en la Figura 1, ha llevado a la formulación de diferentes definiciones para explicar la "resistencia al fuego".

Figura 1. Variables en ensayos de fuego, solo para fluidos, según [9] y [10]

Zinc MD [9] propuso que un fluido resistente al fuego debería tener las siguientes propiedades:

• El fluido debe ser resistente a la ignición;
• el fluido debe tener la capacidad de extinguir la llama y evitar su propagación cuando la fuente de ignición esté presente;
• El fluido se autoextinguirá cuando se retire la llama/fuente de ignición.

2. Procedimiento de prueba para evaluar la inflamabilidad de fluidos en superficies calientes

La investigación sobre el comportamiento de fluidos sobre superficies calientes (con o sin ignición) se realizó por la necesidad de evaluar el riesgo de la presencia de dos factores que interactuarían, el fluido y la superficie caliente, sin estar incluidos en las normas.

Wright, Mowery y LePera [11] presentan una aproximación al problema de los fluidos hidráulicos en situaciones críticas, donde la supervivencia depende de las propiedades de resistencia al fuego de estos fluidos, especialmente para equipos militares. Además de las pruebas de ignición por pulverización, también se presenta la prueba de ignición por superficie caliente, incluida en la norma NPFC-FED-STD-791 Método de prueba de lubricantes, combustibles líquidos y productos relacionados Federal, en la versión anterior a la publicación del artículo, hoy está vigente la edición 2021, FED-STD-791E Método de prueba de lubricantes, combustibles líquidos y productos relacionados [12]. Esta prueba determina la inflamabilidad de un fluido en contacto con una superficie metálica caliente. Este documento es el más cercano en términos de método, procedimiento y cuantificación de resultados a la norma ISO 20823:2003, también adoptada como norma europea y rumana en 2004 [13]. El líquido se vierte sobre un tubo de acero refractario, calentado con un dispositivo eléctrico insertado en el tubo. La temperatura a la que se realiza la prueba detallada en [12] es 1300 °F (704 °C), una temperatura muy cercana a la introducida en SR EN ISO 20823 (que es 700 °C). La velocidad de goteo y el volumen de la muestra de fluido probado son los mismos que en la norma ISO: tiempo de goteo 40…60 s y volumen de goteo 10 ml. El chorro resultante se examina en términos del resultado después de caer sobre el tubo. El líquido puede inflamarse y quemarse tanto en el tubo como al caer desde éste a la bandeja recolectora. Los resultados se informan como [13]:

1. a) "I(T)" cuando el fluido se enciende o arde en el tubo pero no continúa ardiendo cuando se recoge en la bandeja de abajo,
2. b) “I(D)” cuando el fluido se enciende y arde en el tubo, y continúa ardiendo cuando se recoge en la bandeja de abajo,
3. c) “N” cuando el fluido no se enciende ni arde en ningún momento.

Las normas para evaluar las características de incendio de los fluidos se introdujeron después de accidentes graves en los que se demostró que el fluido participó activamente en el inicio y/o mantenimiento del incendio. Phillips y otros. [14] y Shermann JV [15] promovieron el desarrollo y aplicación de normas para pruebas de fuego o ignición de fluidos, enfatizando la idea de que para aplicaciones con alto riesgo de fuego/ignición se requieren fluidos resistentes al fuego, especialmente los sintéticos, no siendo algunas composiciones inflamables incluso a 700 °C, temperatura incluida tanto en la norma americana (704 °C) como en la internacional.

La prueba de ignición de fluidos sobre una superficie metálica (que simula un accidente sobre una pieza real) determina la inflamabilidad de los fluidos, manteniendo constante la temperatura de la superficie metálica. En caso de accidente, la temperatura puede aumentar a medida que se desarrolla el incendio. El método también permite determinar la temperatura de ignición del fluido en estudio aumentando gradualmente la temperatura del tubo sobre el que se deja caer el fluido. El método se utiliza, en particular, para determinar la resistencia a la ignición de fluidos resistentes al fuego que son difíciles de encender. Este procedimiento también se especifica en la norma SR EN ISO 12922:2020 Lubricantes, aceites industriales y productos relacionados (clase L). Familia H (Sistemas hidráulicos) [16]. Especificaciones para fluidos hidráulicos en las categorías HFAE, HFAS, HFB, HFC, HFDR y HFDU.

3. Instalación de prueba y procedimiento de prueba

Las pruebas se realizaron con una instalación automatizada original de la Universidad “Dunărea de Jos” de Galați, para proteger al operador y reducir el riesgo de ignición fuera de las instalaciones (Figura 2).

Cifra. 2. Instalación de pruebas de inflamabilidad de fluidos de superficie caliente. 1 – sistema de refrigeración del gotero, 2 – gotero con camisa de refrigeración, 3 – manipulador 2D del gotero, 4 – depósito con el fluido a ensayar, 5 – carcasa de acero inoxidable, 6 – termopar protegido por una carcasa soldada en el tubo inclinado, 7 – tubo inclinado calentado con una resistencia eléctrica interna, 8 – bandeja para recoger el fluido que cae del tubo, 9 – carcasa ventilada protegida con vidrio ignífugo, 10 – compresor del gotero, 11 – interruptor principal, 12 – ordenador que garantiza la regulación y el funcionamiento de la instalación, 13 – pantalla para la temperatura del tubo inclinado [10]

El procedimiento cumple con la norma SR EN ISO 20823:2004 [13] y ofrece la posibilidad de funcionamiento automático de la instalación, grabación de datos y grabación de vídeo del ensayo. La prueba incluye las siguientes operaciones.

1. Limpieza de la superficie exterior del tubo, que deberá estar aproximadamente a temperatura ambiente, frotando con una esponja de alambre, con un algodón absorbente empapado en disolvente de limpieza y, finalmente, con un algodón seco. La limpieza del tubo entre pruebas se realiza preferiblemente sin retirarlo del soporte, sino con el elemento calefactor aislado eléctricamente o retirado.
2. Montaje del gotero por encima del eje del tubo y a 300 mm de su superficie, en el centro del tubo inclinado.
3. Llene el gotero con el líquido a ensayar, a temperatura entre 20°C y 25°C. La norma establece que se pueden realizar 3 pruebas repetidas en el tubo, con gotas espaciadas equitativamente desde el centro del tubo, comenzando con la posición más baja del tubo y luego más arriba en el tubo.
4. Prueba del tiempo de goteo del fluido y ajuste de la velocidad de goteo utilizando una válvula montada en la tubería de flujo.
5. Conectar la resistencia y equilibrar la temperatura al valor deseado por el operador (máximo 700 ºC ± 5 °C), según indica el termopar protegido por una carcasa metálica, soldada al tubo inclinado.
6. Comprobación del cierre de ventanas antideflagrantes.
7. Deje caer el líquido sobre el tubo a una velocidad de goteo constante, de modo que se gotee 10 ml del líquido de prueba en 40 a 60 s.
8. Observar y filmar el comportamiento del fluido, tanto en la superficie del tubo como cuando el fluido cae en la bandeja inferior.

Repita la prueba 2 veces más a la misma temperatura siguiendo el procedimiento, para nuevas posiciones en el tubo, cada una al menos 50 mm más alta en el tubo que el área de contacto anterior.

4. Resultados sobre la inflamabilidad de los aceites vegetales en superficies calientes

Las imágenes en las siguientes figuras muestran momentos de la prueba del aceite de colza [10], a diferentes temperaturas de la superficie del metal. La figura 3 muestra que el aceite de colza no puede considerarse no inflamable a 505 °C porque en al menos una de las tres pruebas realizadas, el aceite de colza se incendió. A una temperatura más baja, 3 °C, las tres pruebas no produjeron ignición del aceite de colza. A temperaturas superiores a 495 °C, la ignición del aceite se produce con mayor intensidad, con una llama más grande (Figura 510)

Fumar después de la primera gota, segunda 2	Arde en 3 segundos
Segundo 55	Segundo 55
a)	b)
Figura 3. Ensayos con aceite de colza, a una temperatura de tubo inclinado de 505 ºC: a) el aceite de colza no se encendió, b) el aceite de colza se encendió

a) La primera gota de aceite	b) 9º segundo
c) 16º segundo	d) Segundo 55
Figura 4. Prueba n.º 2, con aceite de colza, a una temperatura de tubo inclinado de 510 ºC

Si se requiere una temperatura de ignición, se determinará mediante el método de medio rango, que estará limitado por una temperatura del tubo en la que el fluido no se quema y una en la que el fluido se enciende. Por ejemplo, la Figura 5 muestra los resultados de las pruebas, en el orden en que se realizaron y hasta obtener tres pruebas consecutivas en las que el fluido no quema. Para los resultados obtenidos al probar aceites vegetales, también se debe especificar su composición de ácidos grasos. La Tabla 1 muestra la composición de ácidos grasos de los aceites probados.

Figura 5. Resultados de la prueba del aceite de colza
(azul – el aceite no se quema, rojo – el aceite se quema)

Tabla 1. Composición de los aceites vegetales analizados en ácidos grasos (% peso) (análisis realizado por Expur Bucarest)

conclusiones

Según datos experimentales, los aceites vegetales probados presentan buena resistencia a la ignición en superficies calientes, ya que la temperatura mínima a la que no se encienden es de 490 °C (aceite de oliva), pero superior a la de un aceite hidráulico mineral típico (Figura 6). Se observa que los aceites vegetales tienen una temperatura mínima de ignición en una superficie caliente entre 490 °C y 515 °C, lo que daría como resultado que no son las concentraciones de los constituyentes lo que importa, sino su presencia en el respectivo aceite, incluso en bajas concentraciones, conclusión también destacada en [Georgescu, 2018] [19]. El aceite de colza winterizado tiene un comportamiento mucho mejor frente al fuego: no arde en una superficie calentada a 570 °C, pero su precio es más elevado. Los componentes de cadena corta se encenderán primero, pero generarán suficiente energía para encender aún más los componentes de mayor peso molecular.

Figura 6. Temperatura de ignición de la superficie caliente de los aceites vegetales probados

Las condiciones para el uso eficaz de los resultados de los ensayos de resistencia al fuego de fluidos son el conocimiento de los ensayos posibles que se pueden realizar y la selección de los adecuados y útiles para mejorar la seguridad operacional. La lista de fluidos que se pueden seleccionar y la lista de pruebas que deben “pasar” deben conocerse y establecerse ya en la etapa de diseño del equipo para obtener la solución que reduzca el riesgo de incendio. Es importante analizar accidentes similares, relacionados con aplicaciones reales en el mismo campo de actividad (y no sólo) para obtener posibles mejoras en equipos, procesos tecnológicos, protección del medio ambiente y para la mejora de los operadores.

Estos resultados demuestran una vez más que los resultados experimentales son necesarios para evaluar el riesgo de incendio cuando se utilizan fluidos técnicos y que añadir un aceite base no garantiza a priori mejores características de inflamabilidad, incluso si el aditivo sugiere una mejora.

Otra observación pertinente es que el rango de temperatura entre pruebas no debe ser menor que la tolerancia para las temperaturas medidas; para esta instalación y el rango 20-700 ºC, se determinó que es de ± 3 ºC, por lo que la diferencia entre las temperaturas determinadas como temperatura máxima en la que el fluido no arde sobre la superficie caliente y la temperatura mínima en la que el fluido se enciende sobre la superficie caliente no puede ser inferior a 6 ºC.

Bibliografía

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2. El Séptimo Informe de Luxemburgo, 7 de marzo de 3,1994, Doc. No. 4746/10/91, Requisitos y ensayos aplicables a fluidos hidráulicos resistentes al fuego utilizados para transmisión y control de potencia.
3. Directiva 92/104/CEE del Consejo, de 3 de diciembre de 1992, relativa a las disposiciones mínimas destinadas a mejorar la protección de la seguridad y de la salud de los trabajadores en las minas a cielo abierto y subterráneas (duodécima Directiva específica con arreglo al apartado 16 del artículo 1 de la Directiva 89/391/CEE) (DO L 404 de 31.12.1992, p. 10), modificada por: Directiva 2007/30/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 20 de junio de 2007, Diario Oficial L 165, p. 21, 27.6.2007, https://eur-lex.europa.eu/legal-content/RO/TXT/PDF/?uri=CELEX:01992L0104-20070627.
4. Decisión núm. 1.049 del 9 de agosto de 2006 sobre los requisitos mínimos para garantizar la seguridad y la salud de los trabajadores en la industria extractiva superficial o subterránea, https://legislatie.just.ro/Public/DetaliiDocument/74627.
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7. Jagger SF, Nicol A., Sawyer J. y Thyer AM (2004). La incorporación de datos de pruebas de fuego en una evaluación basada en riesgos de la resistencia al fuego del fluido hidráulico, INTERFLAME, 569-576
8. Directiva 92/104/CEE del Consejo, de 3 de diciembre de 1992, relativa a las disposiciones mínimas para la mejora de la protección de la seguridad y de la salud de los trabajadores en las minas a cielo abierto y subterráneas (duodécima Directiva específica con arreglo al apartado 16 del artículo 1 de la Directiva 89/391/CEE) (DO L 404 de 31.12.1992, p. 10), modificada por la Directiva 2007/30/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, Texto pertinente a efectos del EEE de 20 de junio de 2007, https://eur-lex.europa.eu/legal-content/RO/TXT/HTML/?uri=CELEX:01992L0104-20070627.
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