Determinacion de Fallas y Modos de Falla Industria Petroquimica

8/10/2019 Determinacion de Fallas y Modos de Falla Industria Petroquimica

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DETERMINACIN DE MODOS

DE FALLO Y SUS EFECTOSEN MQUINAS DE LAINDUSTRIA PETROQUMICA

PROYECTO FIN DE CARRERA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA

INGENIERA INDUSTRIAL

Tutores Empresa (Repsol): Jos Javier Sanz ClementeCsar Fernndez Valds

Tutora Universidad: Maria Beln Muoz Abella

MARZ0 2009

JAIME SALVAD RUIZ


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AGRADECIMIENTOS

En primer lugar quera agradecer a mis tus tutores la disponibilidad que han tenido

para orientarme en el proyecto. Por un lado, a Jos Javier y Csar, ya que siendo un

momento de mucha carga de trabajo para la empresa, han sabido dirigirme el proyecto. Y

por otro lado a Beln, que nunca me puso ningn problema y me solucion mis dudas con

gran celeridad.

En segundo lugar quera agradecer a mis padres todas las facilidades que me han

dado a lo largo de estos aos. Desde pequeo me han educado, y transmitido la

importancia de tener una buena formacin acadmica; y siempre me han ayudado y

animado a alcanzar mis metas. Mi hermana tambin ha sido un referente para m, y he de

reconocer que todo ha sido mucho ms fcil tenindola por delante. Tambin quera hacer

una mencin especial a mi abuela, ella siempre se ha interesado en cmo iba con losestudios, siempre se ha preocupado y me ha animado en los momentos duros, adems

de la ayudita econmica que me daba, que he de reconocer no me ha venido nada mal.

Tambin quera agradecer a mis amigos Javi, Luis y Carlos, as como al equipo de

ftbol (con animadoras incluidas), los ratos de ocio que me han servido para desconectar

de la rutina universitaria, hacindome ver las grandezas de la amistad y las diversiones de

la vida da a da y noche a noche.

Por ltimo, tambin quera hacer una mencin a mis compaeros de launiversidad. Como todos sabemos, han sido aos de mucho trabajo y finalmente entre

todos haciendo pia y remando en un mismo sentido hemos sido capaces de superar lo

que en primero veamos imposible. A pesar ello, no todo ha sido trabajo y sudores en la

universidad. Todos lo viajes a Ganda, Pars e incluso Andorra (me ha costado mucho

tiempo decidir si poner este por las risas que suscitara), han sido fantsticos y gracias a

ellos he podido conocer y aprender un poco de cada uno de vosotros. Espero y deseo no

perder el contacto con ninguno y podamos recordar, de aqu a unos aos, las

innumerables e interminables partidas al Slime, Crazy Mamutts, Sexy football,

Bumper Ball, .., entre otros juegos, as como las comidas de la uni, y dems ancdotas

con los profesores.

A todos vosotros tengo una parte reservada en mi corazn.

MUCHAS GRACIAS A TODOS.


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INDICE

1 INTRODUCCIN .............................................................................................61.1 MOTIVACIN ...........................................................................................61.2 OBJETIVOS..............................................................................................61.3 ESTRUCTURA DEL DOCUMENTO .........................................................6

2 REFINERA......................................................................................................82.1 UNIDADES PRINCIPALES DE UNA REFINERA ..................................102.2 MQUINAS Y COMPONENTES DE UNA REFINERA ..........................16

2.2.1 COMPRESORES.............................................................................172.2.1.1 Compresores centrfugos ......................................................................182.2.1.2 Compresores alternativos .....................................................................202.2.1.3 Compresores de anillo lquido...............................................................23

2.2.1.4 Esquema del equipo de compresin .....................................................242.2.2 BOMBAS..........................................................................................25

2.2.2.1 Bombas centrfugas ..............................................................................252.2.2.2 Bombas alternativas..............................................................................262.2.2.3 Bombas dosificadoras...........................................................................272.2.2.4 Esquema del equipo de una bomba......................................................27

2.2.3 TURBINAS.......................................................................................282.2.3.1 Turbinas de vapor .................................................................................282.2.3.2 Turbinas de gas ....................................................................................29

2.2.4 VENTILADORES ( Y SOPLANTES ) ...............................................312.2.5 REDUCTORES DE VELOCIDAD ....................................................32

2.2.6 AGITADORES..................................................................................33

3 LA SEGURIDAD INDUSTRIAL EN UNA REFINERA...................................343.1 CAPAS DE PROTECCIN .....................................................................343.2 GESTION DEL RIESGO .........................................................................38

3.2.1 IDENTIFICACIN DE PELIGROS...................................................383.2.1.1 Tcnicas de identificacin de peligros.................................................. 38

3.2.2 VALORACIN DEl RIESGO............................................................443.2.2.1 Tcnicas de Anlisis de Riesgo.............................................................45

4 ESTUDIO DE MODOS DE FALLO Y NIVEL DE CONSECUENCIAS...........55

4.1 DESCRIPCIN DEL ESTUDIO ..............................................................554.2 ANLISIS DE LOS FALLOS ...................................................................55

4.2.1 Estudio de Compresores..................................................................554.2.1.1 Unidad Hidrodesulfuradora de gasoleo. ................................................ 554.2.1.2 Unidad de Gascon de destilacin..........................................................734.2.1.3 Unidad de Hidrocracker.........................................................................924.2.1.4 Unidad de Gascon de Coquer.............................................................1124.2.1.5 Unidad de Recuperacin de gases de Antorcha Dulce........................134

4.2.2 Estudio de Bombas........................................................................1564.2.2.1 Unidad de Hidrocracker.......................................................................1564.2.2.2 Unidad de Coquer. ..............................................................................174

4.2.3 Estudio de Turbinas .......................................................................183


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5 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ..............................................185

6 BIBLIOGRAFA ...........................................................................................188

ANEXO I (REPRESENTACIN DE LOS P&IDS).............................................. 189

ANEXO II (ESTUDIO DE PROBABILIDAD DE FALLOS INTERNOS EN

COMPRESORES)...............................................................................................203

INDICE DE FIGURAS

Figura 1.- Representacin de una Refinera Tipo............................................................... 8

Figura 2.- Oleoducto .......................................................................................................... 9

Figura 3.- Esquema de una refinera................................................................................ 10

Figura 4.- Esquema de la Unidad de Topping. ................................................................. 11

Figura 5.- Esquema de la Unidad de Vaco...................................................................... 13

Figura 6.- Esquema de la Unidad de Hidrocracker........................................................... 13

Figura 7.- Esquema de la Unidad de Coquer. .................................................................. 14

Figura 8.- Tipologa de compresores................................................................................ 17

Figura 9.- Partes de un Compresor centrfugo ................................................................. 18

Figura 10.- Representacin interna de un compresor centrfugo...................................... 18

Figura 11.- Difusores de compresores centrfugos........................................................... 19

Figura 12.- Ejemplo 1 de compresores centrfugos .......................................................... 19

Figura 13.- Ejemplo 2 de compresores centrfugos ......................................................... 19

Figura 14.- Funcionamiento interno de un compresor alternativo..................................... 20

Figura 15.- Interior de un compresor alternativo............................................................... 20

Figura 16.- Ciclo de compresin....................................................................................... 21

Figura 17.- Etapas del ciclo de un compresor alternativo................................................. 22

Figura 18.- Ejemplo de compresor alternativo .................................................................. 22

Figura 19.- Esquema de funcionamiento de compresor de anillo lquido.......................... 23

Figura 20.- Ejemplo de compresor de anillo lquido.......................................................... 24

Figura 21.- Equipo de un compresor ................................................................................ 24

Figura 22.- Ejemplo de Bomba centrfuga ........................................................................ 25

Figura 23.- Ejemplo de bomba alternativa........................................................................ 26

Figura 24.- Ejemplo 1 de bombas dosificadoras digitales................................................. 27

Figura 25.- Ejemplo 2 de bombas dosificadoras digitales................................................. 27

Figura 26.- Equipo de una bomba.................................................................................... 27

Figura 27.- Esquema de funcionamiento de una turbina de vapor.................................... 28


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Figura 28.- Ejemplo de turbina de vapor .......................................................................... 29

Figura 29.- Ciclo Brayton ideal ......................................................................................... 30

Figura 30.- Ejemplo de turbina de gas.............................................................................. 30

Figura 31.- Ejemplo de un ventilador (soplador)............................................................... 31

Figura 32.- Ejemplos de reductoras de velocidad............................................................. 32

Figura 33.- Ejemplo agitador............................................................................................ 33

Figura 34.- Capas de proteccin de una instalacin........................................................ 34

Figura 35.- Diagrama de flujo de un HAZOP.................................................................... 41

Figura 36.- Posibles parmetros desviatorios................................................................... 42

Figura 37.- Matriz de riesgo ............................................................................................. 45

Figura 38.- Niveles de riesgo ........................................................................................... 46

Figura 39.- Grficas de riesgo para las personas............................................................. 53

Figura 40.- Grficas de riesgo para el medio ambiente.................................................... 53

Figura 41.- Grficas de riesgo para las instalaciones y la produccin. ............................. 53

Figura 42.-Representacin del Demister en un depsito.................................................. 60

INDICEDETABLAS

Tabla 1.- Comparativa entre compresores Alternativos y Centrfugos.............................. 23

Tabla 2.- Tabla tipo de HAZOP ....................................................................................... 44

Tabla 3.- Probabilidad de fallo de cada SIL...................................................................... 47

Tabla 4.- Crdito de las capas de proteccin independiente tpicas................................. 49

Tabla 5.- Frecuencia de escenarios peligrosos ................................................................ 51

Tabla 6.- Ficha SIL de Datos generales ........................................................................... 54

Tabla 7.- Ficha SIL ante Fallo peligroso en demanda ...................................................... 54


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Departamento de Ingeniera Mecnica Departamentos de Mquinas y Seguridad Industrial

Determinacin de los modos de fallo y sus efectos en mquinas de la industria petroqumica 6


1 INTRODUCCIN

1.1 MOTIVACIN

Debido a las graves consecuencias que un fallo de una mquina de la industriapetroqumica pueden ocasionar a los operarios, al medio ambiente y a las instalaciones;es de vital importancia la realizacin de un estudio de seguridad que permita identificar lospeligros, evaluar los riesgos e incorporar las salvaguardas necesarias que permita operaren las mejores condiciones de seguridad.

Como ms adelante se explicar, los fallos internos a las mquinas han sidoampliamente estudiados por sus fabricantes, sin embargo surge la necesidad de analizarlas consecuencias que una desviacin del proceso puede provocar en una mquina

situada en una instalacin industrial.

Conociendo las causas y las consecuencias de un fallo en una mquina es mssencillo evitarlo, y poder introducir las salvaguardas adecuadas para prevenir este fallo dela mquina. Estas salvaguardas deben ser apropiadas al riesgo existente y deben permitiralcanzar a su vez altos niveles de disponibilidad de la planta. La inversin necesaria y loscostes de mantenimiento, tienen que ser consecuentes con el riesgo que previenen omitigan, de forma que los recursos econmicos se inviertan all donde es ms necesariopara la seguridad.

1.2 OBJETIVOS

El objetivo de la memoria consiste en la obtencin de un catlogo o listado, dondequede reflejado el comportamiento de las principales mquinas de una refinera ante lasdesviaciones ms frecuentes de proceso.

Dicho listado, a modo de base de datos, ser empleado en un futuro por laempresa, para determinar el nivel de seguridad que se le debe asignar a cada mquina, apartir de las funciones instrumentadas asociadas a las mismas, ya que son lasencargadas de realizar una funcin concreta cuando el proceso abandona el rgimennormal de trabajo y aparece un riesgo potencial.

1.3 ESTRUCTURA DEL DOCUMENTO

El documento realiza una breve introduccin sobre el funcionamiento de unarefinera, los productos con los que trata, sus principales disposiciones geogrficas y losmtodos de transporte de sus productos.

Seguidamente se analizar un esquema de una refinera tipo, explicando sudisposicin, as como los objetivos y productos con los que trabajan las principalesunidades en las que se divide.

A continuacin se identifican los distintos grupos de componentes o equipos de

procesos de una refinera, como son las maquinas dinmicas, la calderera, los equiposelctricos y los equipos de intercambio de calor. El estudio se centra en el anlisis de los


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equipos dinmicas (compresores, bombas y turbinas), de las que se detallar sus tipos,funcionamiento y caractersticas principales.

Despus se introducir el anlisis de riesgos de proceso, donde se explicardetenidamente las principales tcnicas empleadas en la industria petroqumica paradetectar y prevenir peligros (HAZOP, FMEA); as como las tcnicas de evaluacin deriesgos (Asignacin del SIL).

Una vez realizada la introduccin necesaria para la comprensin de las tcnicasutilizadas en el estudio, se realiza el anlisis HAZOP de la maquinaria crtica de unasunidades determinadas y la determinacin del SIL de sus funciones instrumentadasasociadas; para poder crear un listado donde queden reflejados los daos concretos quesufriran dichas mquinas, ante los fallos de proceso tpicos producidos, as como losmedios de prevencin.

Finalmente se aadir un apartado de conclusiones acerca del estudio realizado yunas alternativas de trabajos futuros a realizar en este campo.


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2 REFINERA

El petrleo se trata de una mezcla compleja no homognea de hidrocarburosinsolubles en agua. Su origen es orgnico, fsil, fruto de la transformacin de materiaanimal y vegetal procedente del plancton y algas, que se depositaron en grandescantidades en fondos ocenicos bajo condiciones de escasez de oxgeno.

Las refineras, como la mostrada en la figura 1, surgen como la necesidad decomercializar este petrleo o crudo que se obtiene directamente de las pozos petrolferos,imposible de ser vendido directamente despus de su extraccin. Por lo tanto, el crudodebe necesariamente sufrir una serie de transformaciones, diferentes en muchos casos;ya que dependiendo del origen del mismo, sus caractersticas pueden variarsustancialmente en cuanto a estado, densidad, poder calorfico, viscosidad, contenido enazufre y calidad entre otras.

Por ello, la operacin de cada refinera debe adaptarse a las caractersticas delcrudo que procesa, por lo que a la hora de disear una refinera, se debe estudiar aconciencia, la procedencia del crudo y sus propiedades principales.

Figura 1.- Representacin de una Refinera Tipo

En pases ms industrializados se requiere de una gran variedad de productosprocedentes del petrleo con elevadas especificaciones de calidad. Esto supone una granexigencia a la industria petroqumica que obviamente redunda en una mayor complejidad.Mientras que por el contrario, en pases menos desarrollados hay una menor exigencia encuanto a calidad de producto.

Generalmente las refineras estn situadas prximas a la costa de cada uno de lospases, en Espaa por ejemplo, tenemos refineras en Tarragona, Cartagena, La Corua,


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La Rbida, Algeciras y Castelln entre otras. Gracias a esta distribucin, se permitereducir los costes de transporte, tratando directamente el crudo procedente de buques depetrleo.

Existen algunas excepciones concretas en las que la ubicacin de las refineras sesita en zonas ms interiores geogrficamente y salvan los problemas de transporte pormedio de oleoductos, como el mostrado en la figura 2, o en gaseoductos. (Ejemplo:Refinera de Puertollano en Espaa).

Figura 2.- Oleoducto


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2.1 UNIDADES PRINCIPALES DE UNA REFINERA

A continuacin, en la figura 3,se muestra un posible esquema tipo de produccin deuna central de refino.

Figura 3.- Esquema de una refinera

Como se ha indicado anteriormente, no todas las refineras tienen este esquemade produccin, ya que dependiendo de las especificaciones de los productos y del tipo decrudo a destilar, existen numerosas variedades.

Seguidamente se introduce brevemente el objetivo de las principales unidadesdentro del esquema de produccin de una refinera tipo mostrado en la Figura 3.

Las principales unidades son:

Unidad de Topping (o Destilacin Atmosfrica)

La Unidad de Topping o Destilacin atmosfrica del crudo, mostrada en figura 4,es la primera operacin de procesamiento que se realiza. Los objetivos que se deseancumplir en esta unidad son:


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Separar, mediante destilacin, distintas fracciones del crudo en funcin de surango de ebullicin. Estas pueden ser ya utilizados comercialmente en algunos

casos (Nafta Petroqumica), o deben ser tratados posteriormente en otrasunidades hasta conseguir las caractersticas (especificaciones) necesarias para suventa.

Reducir el contenido de sales disueltas (cloruro sdico y magnesiofundamentalmente) del crudo y evitar daos por corrosin a las instalacionessituadas en la refinera.

Figura 4.- Esquema de la Unidad de Topping.

Unidad de concentracin de gases (GASCON)

Esta unidad recibe naftas de elevada tensin de vapor, para estabilizarlas.Tambin se envan all las corrientes gaseosas de las diferentes plantas, parafraccionarlas en sus componentes principales. Adems de las naftas estabilizadas, seobtienen tambin propanos y butanos, tratados para controlar su acidez y contenido deazufre. La corriente de gas residual puede destinarse a uso petroqumico, o en caso de noexistir demanda para ello como combustible de la refinera.

Unidad de Regeneracin de Aminas

El sulfhdrico contenido en el gas de reciclo y en el fuel-gas producto, es absorbidocon amina en contracorriente en dos columnas para producir un gas denominado dulce oque carece de azufre. La amina es regenerada en otra columna mediante aporte de calor,donde se produce la desorcin de gas cido, que sale por cabeza y se enva a las plantasde recuperacin de azufre.

Planta de Recuperacin de Azufre

Tratan los gases ricos en H2S procedentes de las unidades regeneradoras deaminas y de la planta de aguas cidas para la obtencin de azufre elemental. De este


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modo se eliminarn los compuestos de azufre de las corrientes, eliminando su impacto enel medio ambiente, y permitir su aprovechamiento como azufre elemental en otrasindustrias.

Unidad de Merox LPG

Se trata de un proceso de eliminacin de SH2 y mercaptanos existentes en losgases de refinera.

Unidad de Hidrotratamiento de Nafta de Coquer

Aqu se hidrogena la nafta producida en la unidad de Coquer tras su paso por launidad de concentracin de gases, con el fin de eliminar el contenido en diolefinas yminimizar el de olefinas y azufre.

Unidad de Isomerizacin

La principal aplicacin es la de conversin de un hidrocarburo de cadena lineal oparafina, en uno de sus ismeros ramificados con el objetivo de mejorar su nmero deoctano.

Unidad de Reformado Cataltico

En las unidades de reformado cataltico se modifican las cadenas de hidrocarburos

para mejorar las caractersticas de las fracciones de naftas pesadas. Estn integradas porsus respectivas hidrodesulfuradoras para eliminar azufre, y tienen por objeto elevar elnmero de octano de la nafta pesada que se ha obtenido durante la destilacin del crudo,obteniendo productos base para la formulacin de las gasolinas.

Unidad de Desulfuracin de Gasoil

El objetivo de esta Unidad de desulfuracin de Gasoil es el de hidrogenar el gasoilproducido en la unidad de Topping con el fin de eliminar el contenido en diolefinas yminimizar el de olefinas y azufre hasta lmites que permitan su comercializacin.

Unidad de Vaco (Destilacin de Vaco)

La funcin que la Unidad de Destilacin a Vaco, tiene en el esquema de unarefinera, es la de producir destilados de alto punto de ebullicin, libres de contaminacinde metales y asfltenos, que permitan su procesamiento posterior en unidades deconversin. Para poder efectuar esta operacin es necesario operar a presin por debajode la atmosfrica para evitar la descomposicin de los productos a elevada temperatura.

En lafigura 5se muestra un pequeo esquema de esta unidad.


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Figura 5.- Esquema de la Unidad de Vaco

Unidad de Hidrocracker

El objetivo de esta unidad es transformar los destilados pesados de vaco y coqueren productos ms ligeros, fundamentalmente GLP, nafta, queroseno y gasleo. Lasreacciones tienen lugar en condiciones severas de presin y temperatura en presencia dehidrgeno y catalizadores.

Cabe destacar que la unidad de Hidrocracker tiene ventajas medio ambientalesintrnsecas en lo que a calidad de productos se refiere. Los productos de esta unidad sonaltamente hidrogenados, con contenidos de azufre y nitrgeno prcticamente nulos, yreducidos niveles aromticos y poliaromticos.

A continuacin, en la figura 6se presenta un esquema de esta unidad:

Figura 6.- Esquema de la Unidad de Hidrocracker


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Unidad de Coquizacin Retardada (Coquer)

El principal objetivo de la Unidad de Coquizacin Retardada, como la mostrada en

la figura 7, es el de reducir la produccin de fuelleos para adaptarse a la demanda delmercado, produciendo mediante un proceso de craqueo trmico severo, hidrocarburosms ligeros. Con esta unidad se puede llegar a un esquema con produccin cero defuelleos. Adems permite reducir el contenido de azufre de las corrientes de refinera.

Figura 7.- Esquema de la Unidad de Coquer.

Unidad de Desulfuracin de Gasoil de Coquer

El objetivo es el de hidrogenar el gasoil ligero producido en la unidad de Coquercon el fin de eliminar el contenido en diolefinas y minimizar el del olefinas y azufre.

Unidad de Hidrogenacin de Butadieno

El objetivo de esta unidad es el de producir hidrotratamiento selectivo debutadieno, para cumplir la especificacin comercial de mximo contenido de diolefinas yacetilenos.

Planta de produccin de Hidrgeno

Esta es una unidad que se instala debido a la elevada necesidad de H2 queunidades como el Hidrocracker y Desulfuradotas requieren.

Unidad de Lubricantes

El residuo de la destilacin atmosfrica, llamado crudo reducido, se continafraccionando bajo vaco para seguir separando distintas fracciones sin modificar suestructura qumica, obteniendo cortes bsicos para la elaboracin de lubricantes.


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Este residuo es refinado con un solvente en la unidad de Desasfaltado, donde semezcla con propano lquido, para separar las resinas asflticas. Luego se separa elpropano del aceite y del asfalto. Posteriormente, se realiza la Refinacin con furfural

(sustancia que se mezcla en parte con el aceite mineral) donde se procesan, agitndolas,las diferentes bases, que salen por la parte superior, tras haber sido eliminados loscompuestos aromticos indeseables. Inmediatamente se realiza la separacin del furfuralutilizado. El paso posterior en la elaboracin de lubricantes es la eliminacin de parafinas(Desparafinado) que se realiza con solventes especiales a baja temperatura. Lossolventes utilizados son Tolueno y Metil-etil-cetona.

El aceite as tratado luego es filtrado y refrigerado. Seguidamente se recupera elsolvente disuelto en ambas fases: aceite y parafina. Libre de compuestos aromticos yparafinas, la base es enviada al Hidroterminado cataltico, donde se pone en contacto alaceite con gas hidrgeno en presencia de un catalizador adecuado.

Unidad de Stripper de Aguas cidas

Las aguas procedentes de los diferentes lavados de las unidades, absorben sales,sulfhdrico y amonaco, por lo que han de ser procesadas para la eliminacin de estosgases antes de su envo a la planta de Tratamiento de Aguas de la Refinera.

Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (TAR)

El objetivo de esta planta es tratar los efluentes lquidos para ser vertidos alexterior (ro, mar) dentro de los lmites medioambientales permitidos.

Unidad recuperadora de gases de antorcha

El objetivo de esta unidad es la recuperacin de gases de antorcha procedentes delas descargas de diversas unidades de proceso, mediante un tratamiento deendulzamiento consistente en una absorcin con amina como disolvente, para unaposterior reutilizacin de estos gases como fuel gas de baja presin.


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2.2 MQUINAS Y COMPONENTES DE UNA REFINERA

Antes realizar el anlisis y estudio de los equipos de una refinera, se presenta unaclasificacin de estos dentro de 4 grandes grupos principalmente:

MQUINAS DINMICAS

Compresores

Bombas

Turbinas

Ventiladores

Reductores de velocidad Agitadores

CALDERERA

Recipientes a presin

Tanques de almacenamiento

ELECTRICIDAD

Motores elctricos

Transformadores

Cuadros de distribucin

Generadores

EQUIPOS DE INTERCAMBIO DE CALOR

Hornos

Calderas

Intercambiadores de calor

Una vez clasificados los principales equipos de una refinera, el estudio deseguridad en cuanto al anlisis de modos de fallo y consecuencias, se centrarprincipalmente en los equipos dinmicos y esencialmente en los compresores, en lasbombas y en las turbinas.


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2.2.1 COMPRESORES

Un compresor es un equipo dinmico utilizado para incrementar la presin de unfluido compresible. El nivel de presin en la aspiracin y en descarga puede ser muyvariable, desde niveles atmosfricos hasta valores muy elevados.

La presin de entrada y salida estn relacionadas, dependiendo del tipo decompresor y de su configuracin. El fluido de trabajo puede ser cualquier gas compresible,tanto gas como vapor, y puede tener un amplio rango de peso molecular.

Las aplicaciones de los gases compresibles varan en funcin de las necesidades,desde productos consumibles, como por ejemplo la refrigeracin de una casa; hastagrandes y complejas instalaciones petroqumicas donde se requiere suministrar gas a unadeterminada presin para la correcta produccin de una reaccin determinada.

Las aplicaciones ms comunes de los compresores son:

Separacin de aire

Extraccin de vapor

Alimentar la red de aire comprimido necesaria para instrumentacin

Proveer de aire a una determina presin para la combustin en hornos y

calderas.

Producir condiciones idneas de presin para que se produzca una reaccin

qumica Producir y mantener niveles de presin adecuados por razones de proceso

en equipos

A continuacin en la Figura 8,se muestra un esquema de la tipologa de los compresoresutilizados en la industria petroqumica.

Figura 8.- Tipologa de compresores

COMPRESORES

CENTRIFUGOS ALTERNATIVOS ANILLOLQUIDO

AccionamientoMOTOR

ELECTRICOTURBINADE GAS

MOTORELECTRICO

Hasta 10 MW


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2.2.1.1 Compresores centrfugos

El compresor centrfugo es una turbomquina formado por un rotor giratorio quetrabaja dentro de una carcasa provista de dos aberturas, una para la aspiracin y otrapara la descarga del fluido. El fluido entra en el compresor en direccin axial prximo aleje de giro del rotor y es impulsado por la fuerza centrfuga en direccin radial. El rotor esel elemento encargado de convertir la energa mecnica de rotacin del eje, en cantidadde movimiento y por tanto energa cintica aplicada al fluido. A la salida, este fluido agran velocidad es tomado por el difusor donde se transforma la energa cintica del fluido,en energa potencial en forma de presin, completando as la escala de conversin deenerga.

Las principales partes internas de un compresor centrfugo se pueden observar acontinuacin en la figura 9.

Figura 9.- Partes de un Compresor centrfugo

En la figura 10, se representa la estructura interna de un compresor centrfugo tipo.

Figura 10.- Representacin interna de un compresor centrfugo

Como se ha indicado anteriormente, el papel que desempea el difusortransformando la energa cintica en potencial (presin), resulta fundamental en elfuncionamiento de los compresores centrfugos. Este difusor puede tener forma de alabes

o de caracol, como se muestran en la figura 11.


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Figura 11.- Difusores de compresores centrfugos

Histricamente, el accionamiento ms utilizado para los compresores centrfugosha sido la turbina de vapor. Con el desarrollo de la energa, los motores elctricos hanrecibido un mayor grado de atencin. En cuanto eficiencia energtica se refiere, elaccionamiento ms utilizado es la turbina de vapor, y slo en aquellos casos donde por

las razones que sean, no existe suficiente vapor para accionar el compresor, se utilizanmotores elctricos

A continuacin en la figura 12 y en la figura 13 , se puede observar unoscompresores centrfugos reales.

Figura 12.- Ejemplo 1 de compresores centrfugos

Figura 13.- Ejemplo 2 de compresores centrfugo


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2.2.1.2 Compresores alternativos

El funcionamiento de los compresores alternativos se basa en el movimientoalternativo que realizada un pistn al moverse linealmente dentro de un cilindro. La accinde desplazamiento del pistn, junto con la entrada de las vlvulas, como se observa en lafigura 14, provoca que una cantidad de gas entre en el cilindro y trabaje en turnos decompresin y descarga.

Figura 14.- Funcionamiento interno de un compresor alternativo

En la figura 15mostrada a continuacin, pueden observar las partes internas de uncompresor alternativo.

Figura 15.- Interior de un compresor alternativo


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La accin de las vlvulas de descarga previene el retorno del gas al interior delcompresor desde la lnea de descarga durante el siguiente ciclo de consumo.

El ciclo de trabajo del compresor, como se puede observar en la figura 16, sedivide en cuatro etapas:

Figura 16.- Ciclo de compresin

A continuacin se analizan detenidamente cada una de las etapas del ciclo de uncompresor alternativo:

A. Comienzo de la compresin. El cilindro se encuentra lleno de gas.

B. Etapa de compresin. El pistn acta sobre la masa de gas reduciendo su volumenoriginal y aumentando la presin del mismo. Las vlvulas del cilindro durante estaetapa permanecen cerradas.

C. Etapa de expulsin. Instantes anteriores a completar la carrera de compresin, lavlvula de descarga se abre. El gas comprimido sale del cilindro por su propia presin,a travs de la vlvula de descarga. Antes de alcanzar el final de carrera, la vlvula de

descarga se cierra dejando el espacio libre del cilindro lleno de gas a la presin dedescarga.

D. Etapa de expansin. El pistn comienza la carrera de retroceso, el gas contenidodentro del cilindro aumenta de volumen con lo que la presin interior del sistema sereduce. Durante esta etapa tanto la vlvula de descarga como la de entradapermanecen cerradas justo antes de acabar la carrera de retroceso, la vlvula deadmisin al cilindro se abre.

E. Etapa de admisin. El pistn durante esta etapa retrocede provocando una depresinen la interior del cilindro que es compensada por la entrada de gas fresco a travs dela lnea de admisin. En el momento en que el pistn va a llegar al punto inferior de lacarrera la vlvula de admisin se cerrar, volviendo al primer estado (A), iniciando unnuevo ciclo.


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A continuacin, en la figura 17, se muestra grficamente las 4 etapasrecientemente explicadas.

Figura 17.- Etapas del ciclo de un compresor alternativo

El compresor alternativo tiene una gran desventaja histrica en relacin con elcompresor centrfugo, debido a su mayor coste de mantenimiento y a su menorcapacidad. Sin embargo, la reciente subida del coste de la energa y el estudio de nuevasplantas de proceso especializadas, han dado una mayor flexibilidad y eficiencia a loscompresores alternativos.

Seguidamente se puede observar en la figura 18, un compresor alternativo real.

Figura 18.- Ejemplo de compresor alternativo


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Departamento de Mecnica Departamentos de Mquinas y Seguridad



La mayora de los compresores utilizados en la industria petroqumica son de estosdos tipos, centrfugos o alternativos. Por ello, en la Tabla 1 se muestra una pequeacomparativa entre ambos tipos de compresores, que nos permite entender la eleccin decada uno de ellos en funcin de las especificaciones que el compresor debe requerir.

Tipo Ventajas Desventajas

Alternativo Gran Flexibilidad en rango operacional

Maneja menor caudalMenor coste por potencia

Menos sensible a cambios en lacomposicin del gas

Alto coste inicialAlto coste de mantenimiento

Mayor tiempo de paradaTamao y peso elevado

Motores de baja velocidad y alto mantenimiento

Centrfugo

Menor coste inicialMenor coste mantenimiento

Menor tiempo de paradaMenor tamao y masaMotores de alta velocidad y bajo

mantenimiento

Rango operativo limitadoLmite inferior de caudal

Alto coste por potencia de motorSensible a cambios en composicin y densidad

del gas

Tabla 1.- Comparativa entre compresores Alternativos y Centrfugos

2.2.1.3 Compresores de anillo lquido

Este tipo de compresores estn constituidos por un rotor con alabes fijos,montados excntricamente dentro de una cmara circular. Son compresores exentos deaceite, sin vlvulas y con relacin de compresin fija. El cilindro est prcticamente lleno

de un lquido que durante el funcionamiento y por la accin de la fuerza centrfuga, esproyectado contra las paredes del cilindro, formndose un anillo lquido, que presentarespecto al rotor la misma excentricidad que la carcasa. La compresin del gas se lograpor la reduccin del volumen entre dos alabes, actuando el lquido como sello. Todo esteproceso se puede observar grficamente en la figura 19.

Figura 19.- Esquema de funcionamiento de compresor de anillo lquido


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La refrigeracin de estos compresores es directa, debido el ntimo contacto entre elgas y el lquido, pudindose mantener la temperatura de descarga muy prxima a laentrada del lquido. Sin embargo, el gas se encuentra saturado con el lquido del anillo, a

la temperatura de descarga. Pueden comprimir casi todos los gases y vapores, aunquecontengan polvo y lquido.

Habitualmente se utiliza agua para generar el anillo lquido, aunque se puedeemplear otros lquidos en el caso de que se quieran obtener resultados especficosdurante el proceso de compresin contra ataques corrosivos de gases y vapores activos.

El grado mximo de compresin alcanzada, depende de la energa adquirida por ellquido en movimiento y por lo tanto, de la naturaleza del mismo, como asimismo de lavelocidad de rotacin de los rotores.

A continuacin, en la figura 20, se observa un compresor de anillo lquido real.

Figura 20.- Ejemplo de compresor de anillo lquido

2.2.1.4 Esquema del equipo de compresin

A continuacin, en la figura 21, se adjunta el equipo completo de un compresor.

Figura 21.- Equipo de un compresor


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El esquema del equipo de compresin mostrado en la figura 21, puede aplicarse acualquier compresor utilizado en la industria petroqumica. Cabe destacar que en elpaquete comprendido por cada compresor, no estn incluidas las vlvulas de entrada y

salida, ni el accionamiento, tal y como se observa en la lnea que acota la figura 21. Lasunidades de accionamiento se registran en inventarios separados (motores elctricos,turbinas de gas o motores de combustin), y por tanto, los fallos producidos en dichosaccionamientos se analizan en estudios de seguridad externos a los realizados alcompresor.

2.2.2 BOMBAS

La bomba es una mquina que absorbe energa mecnica que puede provenir de

un motor elctrico o trmico y la transforma en energa transferible a un fluido comoenerga hidrulica, la cual permite que el fluido pueda ser transportado de un lugar a otro,a un mismo nivel y/o a diferentes niveles y/o a diferentes velocidades.

2.2.2.1 Bombas centrfugas

Una bomba centrfuga es una mquina formada por un conjunto de alabesrotatorios encerrados dentro de una cubierta o carcasa. Los alabes imparten energa alfluido por la fuerza centrfuga que les proporciona el giro del impulsor.

En la figura 22, se puede observar internamente las partes de una bomba centrfuga.

Figura 22.- Ejemplo de Bomba centrfuga

El elemento rotativo de una bomba centrfuga se denomina impulsor. La forma delimpulsor puede forzar al fluido a salir en un plano perpendicular a su eje (flujo radial);puede dar al fluido una velocidad con componentes tanto axial como radial (flujo mixto) opuede inducir un flujo en espiral en cilindros coaxiales segn la direccin del eje (flujoaxial). Normalmente a las mquinas con flujo radial o mixto se las denominan bombascentrfugas, mientras que a las de flujo axial se las conocen como bombas de hlice.

Las bombas centrfugas son el tipo ms utilizado en industria petroqumica (seutilizan en ms del 90% de los casos). Sus principales caractersticas son:

Son aparatos giratorios.


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No tienen rganos articulados y los mecanismos de acoplamiento son muy

sencillos.

La impulsin elctrica del motor que la mueve es bastante sencilla. Para una operacin definida, el gasto es constante y no se requiere

dispositivo regulador.

Se adaptan con facilidad a muchas circunstancias.

2.2.2.2 Bombas alternativas

Las bombas alternativas son unidades de desplazamiento positivo formadas por unpistn que oscila en un cilindro dotado de vlvulas para regular el flujo de lquido hacia elcilindro y desde l durante toda la carrera.

El flujo de descarga de las bombas centrfugas y de la mayor parte de las bombasrotatorias es continuo. Pero en las bombas alternativas el flujo es intermitente y dependedel tipo de bomba.

Las bombas alternativas no succionan los lquidos, sino que reducen la presin enla cmara de succin y la presin externa, generalmente la atmosfrica, empuja el lquidoen la bomba.

En la figura 23 que se muestra a continuacin, se puede observar una bombaalternativa real.

Figura 23.- Ejemplo de bomba alternativa

A continuacin se muestra una pequea comparativa entre las bombas centrfugasy alternativas, donde se observan las ventajas operativas de las primeras.

o El precio de una bomba centrfuga es aproximadamente 1/4 del precio de la

bomba alternativa equivalente.

o El espacio requerido es aproximadamente 1/8 del de la bomba alternativa

equivalente.

o El peso es muy pequeo y por lo tanto las cimentaciones tambin lo son.

o El mantenimiento de una bomba centrfuga slo se reduce a renovar el aceitey el nmero de elementos a cambiar es muy pequeo


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2.2.2.3 Bombas dosificadoras

Son un tipo muy concreto de bombas que sirven para dosificar de manera precisauna sustancia qumica a una corriente de agua, a un depsito de agua o a otro sistemadonde se requiera que la concentracin de una sustancia qumica (cloro, polmeros porejemplo) se mantenga constante.

La exactitud de la dosificacin depende principalmente, de si las bombas regulanel caudal de forma manual o digital.

A continuacin en la figura 24y en la Figura 25se pueden observar dos ejemplosde bombas dosificadoras digitales.

Figura 24.- Ejemplo 1 de bombasdosificadoras digitales Figura 25.- Ejemplo 2 de bombas

dosificadoras digitales.

2.2.2.4 Esquema del equipo de una bomba

Seguidamente, en la figura 26, se aade el esquema de funcionamiento de unabomba motorizada en la industria petroqumica:

Figura 26.- Equipo de una bomba


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2.2.3 TURBINAS

Una turbina es una mquina a travs de la cual transita un fluido de maneracontinua, ya sea lquido o gas, y se extrae energa del mismo, para transformarla enpotencia til. Las partculas de flujo que salen a gran velocidad de la tobera sufren uncambio en la direccin de movimiento, generando una variacin en el momento y por lotanto una fuerza.

En la operacin de las turbinas hay una cantidad de variables que necesitan sercontroladas de alguna forma, las cuales dependen de las cargas de trabajo a las que seansometidas dichas turbinas. Entre estas variables pueden estar la presin inicial del fluido,la presin de salida, la cantidad de flujo por unidad de tiempo y la velocidad de rotacin.

Si el eje de la turbina est acoplado directamente, o a travs de una transmisin a

un mecanismo, ya sea una bomba, un ventilador, un generador; alguna variacin en lacarga de trabajo de alguno de estos mecanismo, presenta un cambio en el trabajo directodel eje de la turbina. Por lo tanto, sta debe tener la habilidad de operar en condiciones debaja, media o alta carga de trabajo. Como hay una relacin directa entre la potenciasuministrada por la turbina y el flujo de vapor o gas que fluye a travs de ella, cualquieroscilacin en la carga de trabajo de la turbina, se ver reflejada en el suministro de fluidoa sta, aumentando disminuyendo dependiendo de las condiciones de trabajorequeridas.

2.2.3.1 Turbinas de vapor

Las turbinas de vapor se emplean principalmente en las centrales elctricas degeneracin de energa elctrica y en servicios de refineras.

El esquema de los componentes necesarios para instalar una turbina de vaporqueda reflejado en la figura 27.

Figura 27.- Esquema de funcionamiento de una turbina de vapor


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Analizando detenidamente cada uno de los componentes, tenemos:

Caldera: su funcin es la de generar el vapor necesario para el funcionamiento dela turbina.

Turbina: es la encargada de utilizar la energa del vapor de la caldera ytransformarla en trabajo til para mover un generador elctrico.

Condensador: se emplea para condensar el vapor que sale de la turbina.

Bomba: usada para alimentar la caldera con el agua que proviene delcondensador.

El principio de funcionamiento de las turbinas de vapor tiene su fundamento en el

ciclo termodinmico conocido como Ciclo Ranking, representado en la figura 28.

Figura 28.- Ejemplo de turbina de vapor

2.2.3.2 Turbinas de gas

En las turbinas de gas debemos resaltar la cmara de combustin, donde se

produce la mezcla de combustible y se quema el aire a alta presin. Los gases queresultan del proceso de combustin pasan a la turbina con una temperatura uniforme.

Para que el proceso de combustin se desarrolle correcta y eficientemente en unaturbina de gas, la cmara de combustin debe cumplir con las siguientes funciones:

Proporcionar los medios necesarios para una adecuada mezcla del aire a alta

presin y del combustible.

Quemar eficientemente la mezcla de aire y combustible.

Entregar los gases con una temperatura uniforme que no sobrepase los lmites de

resistencia de los materiales con los cuales estn construidos los alabes del rotor yestator.

1-2 Proceso de bombeo adiabtico yreversible.

2-3 Transferencia de calor al fluido detrabajo en una caldera a presinconstante.

3-4 Expansin adiabtica y reversibledel fluido en la turbina.

4-5 Transferencia de calor desde elfluido de trabajo a presinconstante en el condensador.


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El modelo termodinmico de las turbinas de gas se fundamenta en el ciclo deBrayton, representado en la figura 29.

Figura 29.- Ciclo Brayton ideal

A continuacin en la figura 30se pueden observar un ejemplo de turbina de gas.

Figura 30.- Ejemplo de turbina de gas

1-2 Compresin isentrpica en uncompresor.

2-3 Adicin de calor al fluido de trabajoa presin constante en unintercambiador de calor ouna cmara de combustin.

3-4 Expansin isentrpica en unaturbina.

4-5 Remocin de calor del fluido detrabajo a presin constante en unintercambiador de calor o en laatmsfera.


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2.2.4 VENTILADORES (Y SOPLANTES)

Los ventiladores, como el mostrado en la figura 31, son mquinas destinadas aproducir un incremento de presin total pequeo; convencionalmente se fija el lmite deptotal para ventiladores en 9806,65 Pa., o una relacin de compresin, = 1,1.

En la actualidad, en el diseo se tiene en cuenta la compresibilidad paraincrementos de presin mucho menores, hasta 2941 Pa., por lo que los ventiladores,hasta dicho incremento de presin, se pueden disear y considerar como unaturbomquina hidrulica.

Los soplantes o turbosoplantes son mquinas destinadas a comprimir gases endonde la relacin de compresin est comprendida en el intervalo (1,1< c < 3) y no tienenrefrigeracin incorporada.

Una clasificacin orientativa de las turbosoplantes es:

Soplantes de BP = 1,1 - 1,5

Soplantes de MP = 1,5 2,5

Soplantes de AP = 2,5 4

El ventilador es una bomba rotodinmica de gas que sirve para transportar gases,absorbiendo energa mecnica en el eje y devolvindola al gas. Se distingue delturbocompresor en que las variaciones de presin en el interior del ventilador son tan

pequeas, que el gas se puede considerar prcticamente incompresible.

Los ventiladores que se emplean comnmente se pueden dividir en tres tipos:

Hlice

Axiales

Centrfugos.

Los ventiladores se pueden disponer con variedad de posiciones de descarga ycon rotacin del impulsor, ya sea en el sentido de las agujas del reloj o viceversa.

Figura 31.- Ejemplo de un ventilador (soplador)


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2.2.5 REDUCTORES DE VELOCIDAD

En la industria mecnica, es de vital importancia poder reducir la alta velocidad delos motores para poder emplearlos como accionamiento de las mquinas a velocidadesdistintas segn su uso. Adems de reducir se deben contemplar las posiciones de los ejesde entrada y salida y la potencia mecnica a transmitir.

Para potencias bajas se utilizan moto-reductores que son equipos formados porun motor elctrico y un conjunto reductor integrado. Las herramientas manuales, talescomo taladros, lijadoras, cepillos, esmeriles; poseen un moto-reductor.

Para mayores potencias se utilizan equipos reductores separados del motor. Losreductores consisten en pares de engranajes con gran diferencia de dimetros, de esta

forma el engrane de menor dimetro debe dar muchas vueltas para que el de dimetromayor de una vuelta, de esta forma se reduce la velocidad de giro. Para obtener grandesreducciones se repite este proceso colocando varios pares de engranes conectados uno acontinuacin del otro.

En la figura 32 mostradaacontinuacin se observan varios ejemplos.

Figura 32.- Ejemplos de reductoras de velocidad

En las dos primeras cajas, es importante notar que se abren en dos mitades y lalnea de unin est en el plano que forman los ejes. Este diseo se basa en laconveniencia de abrir la caja al nivel de los ejes para extraerlos con facilidad y permitir elcambio de rodamientos, sellos de aceite, revisar el desgaste de los dientes y otrosmantenimientos preventivos.

Destacar tambin la tercera imagen de la figura 32, ya que muestra una caja conengranes tipo tornillo sinfin y rueda helicoidal. Este mecanismo es muy conveniente comoreductor de velocidad en un slo paso. El tornillo o gusano se ubica en la parte inferior dela caja para asegurar una lubricacin abundante.


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2.2.6 AGITADORES

El mezclado es el proceso segn el cual varios componentes se ponen encontacto, de tal forma que al final de la operacin se obtiene un sistema homogneo acierta escala (desde molecular hasta macroscpica). Segn la escala de mezclado y lamiscibilidad relativa de las sustancias en presencia, el resultado puede ser una solucin,una coloide o una dispersin micro o macroscpica.

El mezclado se obtiene mediante un proceso de agitacin, que se lleva a cabogeneralmente en un tanque bien de forma continua o mezclador esttico. Segn se tratede mezclar o dispersar dos fluidos miscibles o inmiscibles, un slido en un lquido, un gasen un lquido, o dos slidos granulados, el problema tecnolgico puede ser muy diferente.

Se utiliza en varios procesos:

Homogenizacin

Puesta en suspensin

Preparacin de reactivos

Toda mezcla:

o Lquido / Lquido

o Lquido / Slido

o Lquido / Gas

Un ejemplo de agitador se puede observar en la figura 33.

Figura 33.- Ejemplo agitador


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3 LA SEGURIDAD INDUSTRIAL EN UNA REFINERA

3.1 CAPAS DE PROTECCINTodo proceso industrial que maneje sustancias peligrosas tiene un riesgo inherente quedebe reducirse hasta niveles considerados aceptables. Las instalaciones industrialescuentan con un esquema de capas de proteccin.

Existen dos grandes grupos de capas de proteccin:

o Prevencin: Diseadas para evitar la aparicin de incidentes peligrosos. Laspodemos clasifican en:

Diseo inherente seguro.

El control bsico de proceso.

El sistema de alarmas.

Los sistemas instrumentados de seguridad (SIS).

o Mitigacin: Diseadas para mitigar en la medida de lo posible, las consecuenciasde un evento peligroso que ya ha ocurrido. Estas son:

Los dispositivos mecnicos (vlvulas de seguridad, discos de ruptura, etc.)

Los dispositivos de contencin (diques, muros de hormign, etc.).

Los sistemas de deteccin de Fuego y Gas.

Los sistemas de extincin de incendios.

El Plan de emergencia del Complejo Industrial.

El Plan de emergencia de la Comunidad.

Las capas de proteccin en una refinera tienen un esquema parecido a unacebolla, como el mostrado en la Figura 34 Unas capas actuarn previniendo lamaterializacin del peligro y otras actuarn para mitigar o reducir las consecuencias de unaccidente.

Figura 34.- Capas de proteccin de una instalacin


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A continuacin se analizarn de forma detallada cada una de estas capas de proteccin.

Diseo inherente al proceso

Un diseo inherentemente seguro es aquel que evite riesgos en lugar decontrolarlos, reduciendo por ejemplo la cantidad de material peligroso y el nmerode operaciones peligrosas en la planta.

Control de proceso

Las refineras cuentan con un Sistema de Control cuya misin es realizar el controlcontinuo del proceso, manteniendo sus condiciones en los lmites de operacinconsiderados normales.

Aunque la funcin primaria de estos controladores sea la de monitorizar y controlarel proceso en continuo mantenindolo en las condiciones preestablecidas, tambinpuede realizar funciones de proteccin como:

o Realizar acciones que devuelvan al proceso al rango normal de lasvariables de operacin. En numerosas circunstancias se producenvariaciones admisibles en el proceso, y en este caso no es necesario,por razones de seguridad, parar el proceso.

o Realizar acciones que paren el proceso llevando el sistema a un estadoseguro.

Dado que las funciones de los controladores trabajan en continuo (alta demanda),estn sujetas a chequeos continuos por parte del personal responsable, por lo quelos posibles fallos se detectan de forma inmediata.

Alarmas

La siguiente capa de proteccin por orden de actuacin son las alarmas. Esta capade proteccin es distinta al resto, ya que la alarma, segn su taradopreestablecido, nicamente indica que se ha producido una variacin del procesoanormal, e insta al operario a tomar las medidas pertinentes para solventar estadesviacin de la normalidad del proceso.

La intervencin humana tiene ciertas limitaciones debido a que existe el potencialerror del operario o del procedimiento seguido por este.

Tambin resulta importante priorizar las alarmas procedentes de los controladorespor nivel de importancia, ya que si el operario de panel recibe una batera dealarmas simultaneas, no ser capaz de procesar toda la informacin. Por lo quelas alarmas que requieran intervencin humana debern priorizarse y distinguirseclaramente de las que no requieran de una accin inmediata. Asimismo se debedefinir el tiempo de seguridad del proceso, como el tiempo correspondiente entrela demanda o variacin del proceso a una zona operativa considerada comoinaceptable, hasta que el proceso entra en una situacin peligrosa.


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Sistema Instrumentado de Seguridad (SIS)

Es un sistema compuesto de sensores, procesadores de lgica y elementosfinales, encargados de llevar automticamente un proceso industrial a su estadoseguro o tomar accin para mitigar las consecuencias de un peligro industrialcuando las variables del proceso superan determinados valores lmites dado queel sistema de control del proceso no ha conseguido mantener el proceso en lascondiciones requeridas.

Dispositivos mecnicos

Los dispositivos mecnicos para la mitigacin de peligros son los siguientes:

o PSV y Discos de ruptura: Ambos dispositivos se instalan en lneas o

depsitos. Se encargan de ventear a la atmsfera si se supera unapresin tarada previamente en los mismos.

o Vlvulas Antirretorno: Vlvulas que permiten el libre trnsito de productonica y exclusivamente en el sentido correcto del proceso.

o Puertas de explosin: Ayudan a reducir la sobrepresin en caso de unaexplosin, y por tanto a minimizar el colapso de estructuras y equipos.

o Vlvulas de exceso de flujo: Vlvulas que se colocan generalmente en laslneas en la descarga de esferas y depsitos, que bloquean dicha lneapor exceso de caudal debido a fugas aguas abajo.

Dispositivos de contencin (Proteccin pasiva)

Se tratan de barreras fsicas cuya finalidad es mitigar las posibles consecuencias.Algunos ejemplos seran: cubetos, muros contra explosin, bnkeres.

Sistemas de deteccin de Humos y Gases.

Para poder detectar fugas de gases y fuegos en una planta dentro de una refinerase utilizan sistemas de deteccin de gases y de humos que alarman al operadorcuando se produce un fallo que los genere.

Los sistemas automticos para la deteccin empleados en las plantas

petroqumicas son:

o Detectores de gases combustibles: Utilizan celdas catalticas o sensorespor puente de Wheatstone (circuito elctrico balanceado) para indicar lapresencia de gases que, en presencia de oxgeno conforman unaatmsfera potencialmente peligrosa.

o Detectores de gases txicos:Consta de un sensor electroqumico capazde detectar un gas previamente programado.

o Detectores trmicos: Sensibles a las temperaturas anormalmente altas oa sus rpidos incrementos.

o Detectores de humos: Sensibles a las partculas visibles o invisibles delos productos de combustin.


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o Detectores de llamas: Sensibles a las radiaciones infrarrojas, ultravioletaso visibles producidas por el fuego.

Sistemas de proteccin contra incendiosProteccin activa

La proteccin activa hace referencia a los sistemas que se ponen enfuncionamiento una vez se ha detectado un incendio, o un principio del mismo,para evitar daos mayores y preservar la seguridad de las personas y bienesmateriales que se encuentren en el lugar. Entre estos medios activos seencuentran los: monitores, hidrantes, sistemas fijos de rociadores o sprinklers,etc.

Proteccin Pasiva

La proteccin pasiva contra incendios comprende todas aquellas medidasdirigidas a limitar la propagacin del fuego y retardar sus efectos. La utilizacinde materiales ignfugos para la proteccin de estructuras y equipos permitiraevitar, en la medida de lo posible, una propagacin del fuego en caso deincendio.

El Plan de emergencia del Complejo Industrial.

La respuesta de emergencia depende de los equipos de comunicacin y delos sistemas de alarma para avisar a los operarios de una situacin peligrosa

pudiendo desembocar esta en una posible evacuacin rpida y de la necesidad deequipos de proteccin personal. Los sistemas de alarma y equipos decomunicacin deben ser independientes de sistemas que puedan verse afectadospor el incidente de proceso.

El Plan de emergencia de la Comunidad.

Este plan engloba a toda la comunidad donde est situada la refinera,quedando reflejadas todas las medidas necesarias de evacuacin y mitigacin delos posibles problemas que se puedan ocasionar en la refinera a este nivel.


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3.2 GESTIN DEL RIESGO

En cualquier instalacin industrial que maneje sustancias peligrosas, es necesariollevar a cabo una exhaustiva gestin del riesgo consistente en la identificacin sistemticade los posibles peligros, la evaluacin de los riesgos y la comparacin con criterios dereferencia o aceptabilidad. En caso de que los riesgos identificados sean consideradossuperiores a los aceptables, se tomarn medidas de reduccin de riesgo que van desdeintroducir salvaguardas tcnicas y administrativas o incluso detener las actividades hastacorregir la situacin peligrosa.

A continuacin se describirn las tcnicas utilizadas para la identificacin de losposibles peligros y las utilizadas para el clculo del riesgo.

3.2.1 IDENTIFICACIN DE PELIGROS

El peligroes una condicin fsica o qumica que tiene el potencial de causar daosa las personas, propiedades o ambiente. La gestin del riesgo industrial requiere unasistemtica bsqueda de los posibles peligros desde los ms evidentes hasta aquellosque no son fcilmente identificables.

Existen numerosas tcnicas para la identificacin de peligros en la industria y deellas las que se consideran ms adecuadas para los procesos industriales en los queintervienen equipos dinmicos. Las principales son el Anlisis de Fallos y Accidentes, losPHA (Process Hazard Analysis) y el aprovechamiento de la experiencia operativa.

3.2.1.1 Tcnicas de identificacin de peligrosANLISIS DE FALLOS Y ACCIDENTES EN EQUIPOS DINMICOS

Podemos definir el fallo como el fin o la degradacin de una habilidad necesariapara que la mquina o equipo cumpla con sus funciones. Esto incluye:

Fallo completo del equipo. Fallo de un parte del equipo que provoca la inhabilitacin de la mquina por

una accin correctiva. Deteccin de un fallo durante una inspeccin o mantenimiento preventivo que

requiere su posterior reparacin. Fallo en la seguridad del mecanismo o control que necesita ser cerrado o

reducir su capacidad por debajo de unos limites especficos.

Debemos clasificar los fallos en dos grandes grupos:

Fallos externos a la mquina o fallos originados en el proceso. Fallos internos a la mquina.

Los fallos externos, son lo que se producen en las mquinas por variaciones delrgimen de trabajo motivadas por desviaciones excesivas de los parmetros del procesoen los que estn trabajando y que se podran considerar como externos a la mquina,

este es el objetivo principal del presente trabajo. Ms adelante, en el captulo 4 seanalizarn las variaciones de los parmetros de proceso que pueden generar


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consecuencias indeseadas dando lugar a fallos mecnicos y daos a las personas,instalaciones y medio ambiente. Tambin se identificarn las salvaguardas necesariaspara reducir los riesgos a niveles aceptables.

Por otro lado, existen fallos propios de la mquina y que no estn motivados porlas condiciones del proceso que denominaremos fallos internos a la mquina. Este campoha sido ampliamente estudiado y analizado por los fabricantes de los equipos. Existen enla actualidad numerosos documentos que estudian los modos de fallo as como laprobabilidad de fallo de todo tipo de equipos mecnicos. Se adjunta en el Anexo II unestudio de probabilidad de fallo interno en compresores centrfugos y alternativos.

PHA (ANLISIS DE PELIGROS DE PROCESO)

El trmino PHA se corresponde con las siglas en ingls de Process Hazard

Anlisis (Anlisis de los Peligros de Proceso). Engloba una serie de tcnicas que permitenla adecuada deteccin de peligros, as como la posterior valoracin cualitativa y/ocuantitativa de los riesgos presentes en cualquier proceso, a fin de minimizarlos o, en sudefecto, controlarlos.

Dentro de las tcnicas mas utilizadas para la conduccin de estudios PHA sepodemos destacar:

FMEA (Failure Modes and Effects Analysis)

Es una tcnica formal usada para identificar posibles fallos en un proceso, evaluar lamagnitud de las consecuencias e identificar recomendaciones para reducir laseveridad de las mismas.

El uso temprano y constante de FMEA en el proceso del diseo permite que elingeniero disee fuera de faltas y produzca productos confiables, seguros, para elcliente. FMEA tambin captura la informacin histrica para el uso en la mejora futuradel producto.

El FMEA es un documento vivo. A travs de ciclo de desarrollo del producto, cambio yrealizacin de actualizaciones sobre el producto y el proceso. Estos cambios pueden eintroducen a menudo nuevos modos de fallo, que se deben seguir analizando.

HAZOP (HAZard and OPeratibility analysis)

El estudio HAZOP es una tcnica estructurada y sistematizada de anlisis de riesgosque permite identificar peligros potenciales y problemas operacionales en procesosqumicos, generalmente documentados a travs de diagramas de procesos einstrumentos (P&IDS. Acrnimo de la expresin inglesa Pipe & InstrumentationDiagram. Con esta expresin se designan a los planos que representan, sin escala, elproceso qumico y sus elementos de control automtico).

Realizacin del estudio

El estudio de seguridad HAZOP se realiza bajo una dinmica de grupo, es decir,representantes de cada rea, tales como procesos, mquinas, seguridad, ysuministradores de los diversos componentes, se renen y desarrollan este


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documento en base a la experiencia y a los estudios realizados a los componentescon anterioridad.

Los motivos por los que es necesario realizar un HAZOP son entre otros lossiguientes:

Como buena prctica de ingeniera

En cumplimiento de requisitos legales

Como resultado de recomendaciones explcitas procedentes de:

o Investigacin de un accidente

o Acciones de mejora del Sistema de Gestin de la Seguridad Industrial.

o Iniciativas concretas del servicio de prevencin y salud laboral.

Todos los proyectos de inversin de plantas de proceso, transporte, carga, descarga oalmacenamiento que manejen sustancias peligrosas deberan disponer de un estudioHAZOP y revisar regularmente dicho informe para asegurarse que est actualizado.

Aplicacin de la Tcnica HAZOP

El mtodo HAZOP se centra en el anlisis de las desviaciones de las variables oparmetros caractersticos de la operacin de una instalacin respecto de la intencindel proceso. La tcnica HAZOP utiliza palabras clave (NO, MAS, MENOS, etc.) queaplicadas a los parmetros de proceso (CAUDAL, PRESIN, TEMPERATURA, etc.)

dan lugar a desviaciones (MAS CAUDAL, MENOS PRESIN, etc.) de la intencin ocondicin normal de proceso. Una vez determinadas las desviaciones de las variablesde proceso, se determina la lista de posibles causas que las provocan, el escenario(opcional) que se puede derivar y sus consecuencias.

Para cada causa-consecuencia se tendrn que identificar las salvaguardas quepueden prevenir, detectar, controlar y/o mitigar la situacin identificada. La correctaseleccin de las salvaguardas (o capas de proteccin) es un aspecto muy importanteen esta metodologa. Si las salvaguardas existentes no son suficientes para minimizarel riesgo que genera la situacin planteada, el grupo de trabajo encargado de realizarel HAZOP, propondr unas acciones encaminadas a reducirlo (tanto en frecuenciascomo consecuencias).

En determinadas circunstancias las causas de fallo enumeradas en un HAZOP no sonindependientes, debido a que la ocurrencia de una de ellas determina de mododrstico la probabilidad de ocurrencia de otras causas de fallo. Por ello la dependenciao independencia de las causas debe ser tambin analizada.

A continuacin, se observa en la Figura 35, eldiagrama de flujo que sintetiza lasetapas a seguir para la correcta realizacin de un estudio HAZOP. Seguidamente seanalizar detalladamente cada una de las etapas mostradas en la diagrama.


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Figura 35.- Diagrama de flujo de un HAZOP

DEFINICIN DE NODOS

El proceso se divide en partes mas pequeas (o subsistemas) denominados Nodos.El facilitador o lder de equipo del estudio HAZOP, a partir de su experiencia, y

teniendo en cuenta los aspectos y criterios de la empresa, debe hacer una propuestade divisin del proceso en distintos nodos y elaborar una lista ordenada de los mismos


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DEFINICIN DE LA INTENCIN DEL NODO

En este apartada se describe la operacin segura que se espera del nodo, indicandolos rangos operativos normales de los parmetros ms significativos (caudal, presin ytemperatura, etc.).

SELECCIN DE LOS PARMETROS DE PROCESO

El facilitador realizar una propuesta de los parmetros a considerar en cada nodo delestudio, y el grupo decidir cuales se consideran aplicables finalmente. Losparmetros se tratan de variables que se pueden medir o detectar y que describenciertos aspectos fsicos del proceso. En caso de desviacin respecto a las condicionesfijadas en el descriptivo de intencin, pueden llevar al proceso a una condicin

peligrosa en ausencia de salvaguardas.SELECCIN DE PALABRAS GUA

El anlisis queda representado casi exclusivamente por un reducido conjunto depalabras gua estandarizada (SI/NO/MS/MENOS/OTRO/INVERSO/..)

PLANTEAMIENTO DE LAS DESVIACIONES

El lder de grupo debe generar las desviaciones combinando las palabras gua con losparmetros de proceso:

Palabra gua + Parmetro = Desviacin

No todas las combinaciones de parmetros/palabras gua son compatibles Figura 36,especifica las palabras gua que pueden llegar a ser aplicadas a los principalesparmetros obligatorios que hay que analizar en la realizacin en este tipo de estudiode anlisis de peligro.

Figura 36.- Posibles parmetros desviatorios


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PLANTEAMIENTO DE CAUSAS

La determinacin de las causas de las desviaciones de los parmetros del proceso esla parte ms determinante del estudio HAZOP, ya que es sobre lo que se debe actuaren primer lugar.

La identificacin de causas se realizar en bloque para cada desviacin propuesta.Las causas deben estar definidas con el suficiente nivel de detalle en su formulacinpara identificar adecuadamente las consecuencias. Para ello las causas deben darinformacin sobre el modo de fallo considerado en los equipos o instrumentos,indicando claramente en que posicin opera el elemento causante de la desviacin(vlvula abierta o cerrada, bomba en marcha o paro, error de operador que deja unavlvula cerrada o abierta, )

ESCENARIOS Y CONSECUENCIASUn escenario es una situacin identificada en un proceso que puede ocasionar daoen caso de que se desarrolle completamente y sin control. Un escenario puedeexpresarse como una situacin de accidente con consecuencias evidentes.

Una vez establecidos cada uno de los escenarios es necesario identificar cada una delas consecuencias a partir de la siguiente clasificacin:

Efectos sobre la salud de los trabajadores.

Efectos sobre la salud del pblico situado en el exterior del emplazamiento.

Impacto medioambiental.

Dao a la propiedad incluyendo prdida de imagen de la compaa.

ANLISIS DE LAS SALVAGUARDAS

Para cada uno de los escenarios (causas/consecuencias) detectados ser necesarioidentificar de forma exhaustiva todas las salvaguardas existentes en la instalacin eidentificar en la medida de lo posible sobre qu actan: causas, eventos habilitadores,mitigacin de consecuencias.

A continuacin, en la Tabla 2 , se muestra la ficha tpica donde se desarrolla elestudio HAZOP de proceso.


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Una vez identificado los peligros, las posibles consecuencias de su materializaciny las salvaguardas que previenen o mitigan dichas consecuencias, es necesario calcularlos riesgos y compararlos con un criterio de referencia.

A continuacin se desarrollan las tcnicas de anlisis de riesgos empleadas en unarefinera.

3.2.2.1 Tcnicas de Anlisis de Riesgo.

MATRICES DE RIESGO

La matriz de riesgo es una tcnica utilizada en anlisis de riesgo industrial. En elcaso concreto de una refinera se analiza el nivel de las consecuencias de cada posible

escenario peligroso, as como su probabilidad de ocurrencia. El mtodo de valoracin delriesgo de puedo observar en Figura 37.

Consecuencias

CATASTRFICO Riesgo alto

SEVERO

SIGNIFICANTE Riesgo medio

MENOR

LEVE Riesgo bajo

Consecuencias MUY IMPROBABLE IMPROBABLE POSIBLE PROBABLE FRECUENTE

Figura 37.- Matriz de riesgo

En funcin de la valoracin que la empresa haga de las consecuencias, desdecatastrfica como sera un fallo con un nmero elevado de muertes o unas prdidas muycuantiosas en produccin y activos, hasta leve como sera por ejemplo un fallo concretode una vlvula de corte o de un controlador. As como de la probabilidad de ocurrencia delas mismas, desde muy improbable que no se espera que suceda en toda la vida de laplanta hasta frecuente, se podr catalogar el escenario dentro de una rango deaceptabilidad definido por:

Alto riesgo Riesgo medio Bajo riesgo

En funcin del nivel de riesgo obtenido, se determinarn unas medidas y seintroducirn las salvaguardas concretas a cada escenario para tratar de evitar que seproduzca, as como mitigar las posibles consecuencias que esta puede ocasionar a laspersonas, equipos y medio ambiente.


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DETERMINACIN DEL NIVEL DE INTEGRIDAD DE LA SEGURIDAD (SIL) MEDIANTEEL USO DE MATRICES CALIBRADAS

Los estudios de determinacin del SIL de las funciones Instrumentadas de Seguridad sonotro estudio de evaluacin del riesgo que tiene como objetivo calcular el riesgo existenteen el proceso y requerir a un Sistema Instrumentado una reduccin de riesgodeterminada.

A continuacin se observa en la Figura 38una grfica donde se observan los niveles deriesgo

Riesgo inicialdel proceso

Riesgo dereferencia

Riesgoremanente

Reduccin de riesgo necesario (objetivo de referencia)

Reduccin de riesgo real

Riesgo parcialcubierto por la SIF

Riesgo parcial cubierto porotras capas de proteccin

Riesgo inicialdel proceso

Riesgo dereferencia

Riesgoremanente

Reduccin de riesgo necesario (objetivo de referencia)

Reduccin de riesgo real

Riesgo parcialcubierto por la SIF

Riesgo parcial cubierto porotras capas de proteccin

Figura 38.- Niveles de riesgo

El riesgo inicial asociado a la operacin de una planta de proceso o de un equipo sepuede reducir mediante varias medidas de reduccin de riesgo entre los cuales estn loscontroladores y acciones de los operarios por la actuacin de una alarma hasta lasfunciones instrumentadas de seguridad. La Figura 38 muestra que la suma de lacontribucin de todas ellas debe llevar el riesgo remanente o a un nivel inferior al riesgode referencia.

Definiciones.

Antes de explicar la metodologa SIL, se deben introducir varios conceptos:

Un Sistema Instrumentado de Seguridad(SIS)

Se define como un sistema compuesto de sensores, procesadores de lgica yelementos finales con el propsito de:

1. Llevar automticamente un proceso industrial a su estado seguro cuando ciertascondiciones especficas han sido violadas

2. Permitir que el proceso avance al prximo estado cuando las condicionesespecficas se han cumplido (funciones permisivas)


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3. Tomar accin para mitigar las consecuencias de un peligro industrial.

Funcin Instrumentada de seguridad (SIF)

Una SIF es una funcin instrumentada de seguridad determinada encargada derealizar automticamente un conjunto de acciones concretas mediante un SIS parallevar a estado seguro el proceso ante una desviacin de su condicin normal defuncionamiento.

Probabilidad de fallo en demanda de un SIS

Este concepto determina la credibilidad de que se produzca un fallo de una FuncinInstrumentada cuando se requiere de su accin para solventar una desviacin delfuncionamiento normal del proceso. En Tabla 3, queda representada la probabilidad

de fallo, as como su asignacin realizada por parte de la empresa, de los principalesescenarios.

Nivel de Integridad de Seguridad (SIL)

Es un nivel discreto de la integridad de un sistema instrumentado de seguridad. Deforma simplificada se podra decir que es una medida discreta del inverso de laprobabilidad de fallo en demanda de un SIS.

En concepto SIL asociado a un sistema instrumentado, estipula una probabilidad defallo en la misma. A continuacin en la Tabla 3 se muestra dicha relacin.

NIVEL(SIL)

Probabilidad de Fallo enDemanda

Disponibilidad paracumplir con la

funcin de seguridadSIL 4 0,0001-0,00001 >99,99%SIL 3 0,001-0,0001 99,9%-99,99%SIL 2 0,01-0,001 99%-99,9%SIL 1 0,1-0,01 90%-99%

Tabla 3.- Probabilidad de fallo de cada SIL

Un SIS con un nivel SIL 1 significa que cuando es requerido para realizar la funcin deseguridad para la que est diseado tiene una probabilidad de fallo en un rango de

entre 1 de cada 10 y una de cada 100 veces.

Como el riesgo es producto de la probabilidad por las consecuencias, cuando en unproceso introducimos un SIS con un nivel SIL 1 estamos reduciendo la probabilidad deoc

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Determinacion de Fallas y Modos de Falla Industria Petroquimica