Soldadura oxi-acetilénica prevención de quemaduras e incendios

Resumen

Se enumera una serie de reglas fundamentales para la prevención de accidentes con soldadura oxi-acetilénica (habitualmente se tratan de quemaduras severas), buscando relacionarlas con algunos conceptos teóricos que las sustentan. Se intenta contribuir al nivel de información en áreas grises que algunos fabricantes no suelen explicitar lo suficiente.

Introducción

Def. Una combustión es una reacción química exotérmica de oxido-reducción (o redox, libera calor y eventualmente luz visible).

En la combustión interviene un agente oxidante (comburente) que se reduce (es decir gana electrones) y no tiene que ser necesariamente oxígeno, y un combustible que se oxida.

Una combustión sin oxígeno es por ejemplo la del flúor (F) con el hidrógeno (H), que arde produciendo fluoruro de hidrógeno (FH), liberando calor y luz característicos con una llama de más de 4000 °C, en este caso el fluor es el oxidante. Otras son el tioformaldehido (S=CH2) con el flúor (F), o el cloro (Cl) con el hidrógeno.

A nivel molecular, una descripción cualitativa muy simplificada basada en la teoría de las colisiones moleculares (W. Lewis), de una dada mezcla de 2 gases ideales en equilibrio susceptibles de combustión, que se hallan a una determinada presión y temperatura sin reaccionar, es que en el número total de colisiones son despreciables las moléculas que chocan con una energía mayor que una cierta energía de activación de la reacción, E. Si en la masa gaseosa se introduce una fuente puntual macroscópica de calor externa (puntual en el sentido que su tamaño sea mucho mayor que el camino libre medio de las moléculas del gas), el número de colisiones en los alrededores no aumentará significativamente, pero sí lo hará el número de moléculas con velocidades altas y por consiguiente con una energía superior a la energía umbral de activación E, que disparará localmente la reacción exotérmica redox entre las moléculas de ambos gases, la cual se propagará a los alrededores y a la masa gaseosa con cierta velocidad de combustión, involucrando procesos de transporte de momento, energía y masa. Según sean las moléculas, la reacción exotérmica liberará al medio determinada cantidad de calor, y en el caso de producirse llama, ésta será debido a que algunas átomos y moléculas producto de la reacción se hallarán en estado excitado y su des-excitación se manifestará con la emisión de fotones con longitudes de onda en el rango visible.

Así las llamas para las soldaduras oxi-gas (oxígeno puro (O2) con otro gas combustible, como metano (gas natural), propano, butano, otros hidrocarburos gaseosos y aún hidrógeno) tendrán calores de combustión Q (- variación de Entalpía H, en cnpt) específicos, como por ejemplo :

Q metano (gas natural) = 890 kJ/ mol

Q propano (gas licuado) = 2200 kJ/ mol

Q acetileno = 1300 kJ/ mol

y sus correspondientes temperaturas máximas, alcanzadas en determinada región de sus llamas es :

T metano (gas natural) = 2000 °C

T propano (gas licuado) = 2800 °C

T acetileno = 3300 °C

Estructura de la llama oxi-acetilénica

En particular, para una mezcla gaseosa estequiométrica de oxígeno y acetileno (etino) se observan en la llama dos regiones bien definidas, (que permiten regular la estequiometría a simple vista, lo que resulta más difícil en otras llamas como la oxhídrica (oxígeno e hidrógeno)) :

En la primera región ocurre la combustión de la premezcla oxígeno-acetileno que fluye por la boquilla del soplete. Su geometría es la de un cono de unos pocos milímetros de altura con la base sobre el orificio ejector :

Esta región llamada dardo es reductora, debido a que lo son los productos de la reacción (monóxido de carbono e hidrógeno). Allí se alcanza una temperatura máxima mayor a 3000 °C y aporta 2/3 del calor total de la reacción.

La segunda región de mayor volumen que complementa la combustión de la primera, es la envolvente del dardo y se denomina penacho. Allí ocurre una segunda combustión pero con el oxígeno del aire circundante

El penacho es oxidante (ya que los son los gases producto), la temperatura en su parte central es del orden de 2000°C y aporta 1/3 del calor total de combustión.

Entre el dardo y el penacho existe una región pequeña de transición, la zona gris, que contiene monóxido y dióxido de carbono.

Para la soldadura autógena, es decir la unión por fusión simultánea de dos metales homogéneos iguales con propiedades químicas, físicas y mecánicas equivalentes, es necesario una llama con características reductoras, ya que de ser oxidante producirá óxidos metálicos que cambiarán las propiedades mecánicas y debilitarán la soldadura.

Así una llama oxi-acetilénica es apta para soldar metales ya que en la zona próxima al dardo, el CO actúa como atmósfera reductora sobre los alrededores de la pieza a soldar. En cambio, las llamas de oxi-propano, gas licuado, gas natural y otros hidrocarburos no resultan adecuadas para soldadura de metales ya que es difícil mantener estable la producción de CO. Además en el caso del oxi-propano si bien su calor de combustión supera al oxi-acetileno, está generado en su mayor parte en el penacho, de modo que el campo de temperatura de la llama no tiene su máximo concentrado en el dardo, sino distribuido a lo largo del penacho.

Temperatura de las llamas

Las llamas tienen distintas temperaturas medias, según la reacción química que involucra la combustión y la estructura de la flama. Por ejemplo si el comburente no es oxígeno puro sino aire (22% de O2) y el combustible gas licuado (mezcla de propano y butano) o gas natural (principalmente metano), en la práctica la Tmedia ~ 1300 °C (no alcanza para fundir el Fe cuya T fusión ~ 1500 °C), en cambio si es oxígeno puro y acetileno la Tmedia ~ 2000 °C (y funde el Fe). Para el ser humano la gravedad de una quemadura térmica depende de varios parámetros, como la superficie afectada y la profundidad que está relacionada con la temperatura de la fuente de calor y el tiempo de exposición.

Quemaduras

Una quemadura de unos pocos centímetros de piel humana expuesta brevemente al agua hirviendo (100 °C) no reviste demasiada gravedad siendo de primer grado, no destruye toda la piel sino solo la primera capa. Sin embargo, la temperatura extremadamente elevada de la llama oxi-acetilénica hace que sea de mayor respeto. Aunque el tiempo de exposición sea breve, menor de 1 segundo, y la extensión afectada pequeña (unos pocos centímetros), la quemadura directa reviste cierta gravedad (siendo generalmente al menos de segundo grado) y requiere inmediata atención médica con seguimiento diario a fin de evitar las infecciones, con una recuperación mas bien prolongada del orden de semanas. Entre sus funciones, la piel humana actúa como escudo de protección del interior del organismo contra los gérmenes contaminantes y las infecciones que provocan, contra la acción de factores exógenos (temperatura y otros), regula la pérdida de líquidos y el calor corporal. Groseramente la piel, tiene del orden de 1 milímetro de espesor y 3 capas que interaccionan, epidermis, dermis y endodermis bajo la cuál se halla la fascia profunda, que es una capa de tejido conjuntivo densa y organizada que recubre las estructuras internas (como los músculos). Las quemaduras de segundo grado implican una profundidad tal que se destruye la epidermis y se afecta la dermis.

Como prevención el soldador deberá mantener en todo instante, plena conciencia y respeto sobre la llama, observando hacia donde la dirige, especialmente mientras no esté soldando, acomodando una pieza o trasladando el soplete encendido. Un mal cálculo o una distracción instantánea bastan para producir quemaduras severas o incendios. Surge la necesidad de adquirir la costumbre y habilidad en el uso de guantes de cuero para proteger las manos de quemaduras, que además serán necesarios si por un imprevisto deben manipularse en emergencia partes del equipo de soldadura sobrecalentadas o que hayan tomado fuego.

También son relevantes si caen directamente sobre la piel, las quemaduras producidas por las gotas o masas de metal fundido proyectados durante la soldadura de aquí la necesidad de utilizar delantal de cuero y botines de seguridad que protejan hasta los pies.

Las chispas (pequeñas partículas de metal incandescente), y las partículas sólidas calientes si bien no podrían producir lesiones severas sobre la piel, si lo harán en los ojos, luego la necesidad de anteojos o gafas cerradas aptas para soldar, con el agregado de vidrios de seguridad oscuros tabulados por un número de escala, para filtrar adecuadamente el exceso de radiación ultravioleta, visible e infrarroja nociva para el ojo, según sean los caudales de oxígeno/acetileno utilizados en el trabajo específico (soldadura, soldadura fuerte (alto caudal de acetileno), de aleaciones, oxicorte).

Dado el riesgo presente en las tareas de soldadura y corte , entre las primeros elementos de prevención se consideran las prendas de protección al cuerpo mismo del operador.

Prendas de protección para el operador

Las prendas de protección para tareas de soldadura resguardan al operador de las pequeñas proyecciones de metal fundido, pero no necesariamente contra las grandes como en el caso de una fundición, y también contra los contactos breves con llama. Por lo pronto las prendas no deben ser sintéticas sino del tipo algodón, ya que las primeras al arder se adhieren a la piel agravando la quemadura. Deben estar normalizadas, mostrando por ejemplo en la etiqueta los niveles de inflamabilidad de la tela, calores por contacto, convectivo, radiante y tolerancia a salpicaduras de metal fundido. Los elementos de seguridad mencionados, indispensables para trabajos menores, se completan con los siguientes:

-Ropa de trabajo ignífuga

-Delantal de cuero de descarne.

-Guantes largos, mangas o sacos de cuero de descarne.

-Polainas de cuero.

-Botines de seguridad.

-Gafas para soldadura autógena con mirillas de seguridad volcables transparente/filtro adecuado

-Capucha o capuz (cubre los hombros) si la soldadura es encima de la cabeza

-Protección respiratoria (barbijo para humos de soldadura).

-Biombo metálico.

(Se supone además que el taller debe contar con los mínimos elementos contra incendios, en base a la reglamentación vigente)

Reactividad de las grasas y sus derivados con el oxígeno bajo presión

En general los compuestos orgánicos en particular las grasas y sus derivados, arden en presencia de aire, es decir de oxígeno gaseoso como comburente en una concentración del 21 %. Si la concentración de oxígeno aumenta, en especial por encima del 25 %, la combustión se iniciará con una energía de activación cada vez más baja, será cada vez más rápida, violenta y la temperatura de llama aumentará. Esto ocurre en general, e incluso algunos materiales clasificados como ignífugos en una atmósfera normal pueden arder en una sobre-oxigenada. La inferencia es que :

-No se deben engrasar los guantes, cuando se endurezcan deben ser reemplazados.

-Si se produjera una atmósfera rica en oxígeno (que es incoloro, inodoro, insípido y mas pesado que el aire), éste puede impregnar las ropas del operador sin que este lo advierta.

-El operador debe vestir ropas exentas de grasitud. La ropa engrasada expuesta al oxígeno arde rápidamente, y si está rasgada o deshilachada lo hace con mayor facilidad aún.

La reactividad con el oxigeno, se extiende como corolario al uso de todo el sistema de soldadura autógena :

-No se debe usar oxígeno para limpiar el polvo de la ropa, soplar piezas, tuberías u otros, o enfriar algún objeto. En las aplicaciones específicas del aire comprimido (sopletes para pintar, alimentación de herramientas neumáticas, etc.) no reemplazarlo por oxígeno, ni intercambiar mangueras de aire comprimido con la de oxígeno, porque las primeras puede contener aceites.

-Los grifos y manorreductores (también llamados reductores o reguladores de presión) de las botellas (llamadas botellones, tubos o cilindros), ni ningún otro implemento del equipo oxi-acetilénico de soldadura utilizados con oxígeno, se debe aceitar, ni engrasar ni lubricar, ni manipular con guantes o manos sucias de aceite. Deben estar siempre limpios de grasas, aceites o combustibles de cualquier tipo. No sustituir las juntas de fibra por otras de goma o cuero.

Con este criterio tampoco llenar nunca con oxígeno un botellón que haya sido anteriormente utilizado para otro gas. Ni emplear, con oxígeno reguladores, mangueras y manómetros destinados al uso de otros gases.

Inflamables y combustibles. Atmósferas sobre-oxigenadas

Dada una concentración de comburente en una mezcla, el combustible (gas, vapor e incluso un polvo) tiene un rango de concentraciones para los cuales la mezcla tiene capacidad para inflamarse. Fuera de este campo no se propagará llama aunque el combustible esté en contacto con una fuente de ignición, porque su concentración en la mezcla resultará demasiado pobre o demasiado rica. Sin embargo, el rango de inflamabilidad respecto del aire (límites de inflamabilidad), se amplía significativamente si crece la concentración de oxígeno, lo cuál aumenta la probabilidad de iniciar una combustión y un siniestro. Por ejemplo el propano en aire no será inflamable a concentraciones mayores del 9 % (mezcla demasiado rica en combustible), pero en una atmósfera sobre-oxigenada con 30% de O2 será inflamable hasta una concentración del 20%. Por tales motivos es necesario considerar :

-Nunca permitir que materiales combustibles sean puestos en contacto con el oxígeno. Según se mencionó este es un gas no inflamable que acelera la combustión drásticamente. Reacciona con grasas y lubricantes con gran desprendimiento de calor que puede llegar a la auto-inflamación. En otros casos basta una pequeña llama para provocarla.

-No deben realizarse trabajos de soldadura y corte en locales donde se almacenen materiales inflamables, combustibles (como materiales de empaque y maderas), y en el interior de recipientes que hayan contenido sustancias inflamables. En lugares donde el material es menos inflamable, el incendio puede comenzar por una combustión lenta, que inicialmente pase desapercibida y mas tarde aparecer el humo y llamas.

-Antes de soldar o cortar una pieza metálica se debe asegurar que no vayan a caer chispas, partículas calientes o escorias en algún recoveco "poco accesible" del lugar donde puedan causar un principio de incendio.

Se debe evitar que las chispas producidas por el soplete alcancen o caigan sobre las botellas, mangueras o líquidos inflamables.

-Se debe prever que el calor generado durante la soldadura no inflame objetos combustibles adyacentes ocultos o no visibles desde la posición del soldador.

-El corte y soldadura de recipientes cerrados vacíos produce muchos accidentes por la expansión e inflamación de los gases generados por mínimos residuos inflamables o pintura interiores. En la mayoría de los casos se deben limpiar con agua y llenar /vaciar varias veces. Durante la soldadura o corte deben mantenerse llenos con agua para minimizar el volumen de gases inflamables que pudieran todavía contener y generar.

Es indispensable evitar las atmósferas sobre-oxigenadas y las pérdidas en las mangueras y botellones. Las pérdidas pueden provocar retrocesos, incendios y explosiones, es por ello que deben ser eliminadas :

-Si el soplete tiene fugas se debe dejar de utilizar inmediatamente y proceder a su reparación.

-Las mangueras deben estar siempre en buenas condiciones de uso y sólidamente fijadas con abrazaderas a las tuercas de empalme.

-Antes de iniciar el proceso de soldadura se debe comprobar que no existen pérdidas en las conexiones de las mangueras, reductor al cilindro, mangueras con los reductores y con el soplete, se puede utilizar agua jabonosa libre de grasas aplicada con un pincel o una esponja pequeña. Nunca utilizar una llama para efectuar la comprobación.

– Cuando se crea que la misma manguera está dañada, se debe verificar su estanqueidad sumergiéndola en un recipiente con agua. Si aparece la pérdida, se debe cortar la parte dañada y empalmarla adecuadamente (los parches no son seguros).

-Después de un retroceso de llama, se deben desmontar las mangueras y comprobar que no han sufrido quemaduras y daños internos . En caso de dudas se deben sustituir por unas nuevas.

-Se debe evitar que las mangueras entren en contacto con objetos calientes, bordes afilados, ángulos vivos o caigan sobre ellas chispas, y que sean estranguladas pisadas o aplastadas por objetos pesados.

-Las mangueras deben conectarse a las botellas correctamente, las de oxígeno son verdes, azules o negras (aptas para 20 kg/cm2) con extremo de manguera y tuerca con rosca derecha, y las de acetileno rojas (para 10 kg/cm2) con extremo de manguera y tuerca con rosca izquierda, teniendo estas últimas un diámetro mayor que las primeras.

– El juego de mangueras individuales oxígeno y acetileno deben ser sujetadas cada 60 cm. aproximadamente para hacerlas mas manuables.

-No se debe trabajar con las mangueras apoyadas sobre los hombros o entre las piernas, ni tampoco deben dejarse enrolladas sobre las ojivas de las botellas.

Retrocesos

Los retrocesos o retornos pueden ser de llama y de gas.

El soplete está diseñado para que en la región externa próxima a la boquilla la velocidad del flujo gaseoso V sea igual a la velocidad de propagación del frente de llama Vf, en estas condiciones la llama se mantiene en equilibrio configurando la geometría estable del dardo en esa posición. Vf depende entre otros, de la composición (estequiometría), la presión y la temperatura de la mezcla. Si hay variaciones en los mismos tal que la velocidad del flujo gaseoso V sea menor respecto a la de propagación del frente Vf , la llama retrocederá hacia el interior de la boquilla.

Los retrocesos de llama, son entradas del frente de llama en sentido contrario al flujo normal de los gases de soldadura. Pueden ocurrir en el soplete en sí mismo, o bien retornar por las mangueras y tuberías hasta alcanzar las mismas fuentes de los gases (botellones de oxígeno, acetileno o generadores del mismo (gasógeno)).

Los retrocesos de llama (ponen de manifiesto algún procedimiento incorrecto o un mal funcionamiento del equipo), y pueden ser de 3 clases :

Retroceso intermitente de llama : es un retroceso instantáneo de fuego dentro del pico de la boquilla del soplete, caracterizado por un pequeño estallido seco y la extinción de la llama de trabajo.

Retroceso de llama sostenido : es un retroceso de flama que se realimenta y se propaga hasta la cámara mezcladora del soplete, se caracteriza por un silbido agudo y la salida de humo negro por la boquilla. El operador debe cerrar inmediatamente ambos grifos del soplete empezando por el de acetileno.

Retroceso instantáneo de llama : se trata de un retroceso del frente de llama que sobrepasa el soplete y se propaga instantáneamente por la manguera, que puede quemarse, y hasta cortarse y oscilar violentamente en forma de látigo con su extremo encendido. Se deben cerrar inmediatamente las válvulas de ambos botellones empezando por el acetileno. Están entre los más peligrosos ya que pueden alcanzar los botellones y sus reguladores de presión.

Como se mencionó la composición , presión y temperatura de la mezcla pueden inducir retrocesos de llama. De modo que entre los factores prácticos que modifican estas variables está una incorrecta relación de los gases en la mezcla; un mal estado, montaje o mala maniobra de encendido/apagado del soplete; las chispas o partículas incandescentes de óxido que obstruyan el orificio eyector en la boquilla, o tocar la pieza con el mismo, la baja presión en los botellones o fuentes de gases; o el sobrecalentamiento de la boquilla.

El peligroso fenómeno de los retrocesos, requiere como condición necesaria colocar alguna de las clase de dispositivos de seguridad arresta llamas (flame arrestor) en ambas líneas de conducción de los gases. Si se ubican a continuación de los reductores de presión de oxígeno y acetileno protegerán los botellones o sus fuentes, pero no el retroceso en las mangueras, para lo cual deberían situarse otros dos a continuación del soplete.

Retroceso de gases : ocurren cuando por alguna causa, el gas combustible ingresa a la manguera o línea de alimentación del oxígeno (o a la inversa) formándose una mezcla potencialmente deflagrante.

Un ejemplo es el ingreso de oxígeno a la manguera de acetileno si se obstruyera la boquilla del soplete, (debido a que la presión de suministro de oxígeno es mayor que la de acetileno).

Para evitar estos retornos de gas se deben intercalar válvulas de seguridad antirretorno (non return valve).

Por otro lado aunque el soplete este apagado, puede producirse la auto ignición de la mezcla por no abrir muy lentamente el grifo del botellón de oxígeno. Al hacerlo en forma rápida, si la canalización se encuentra bloqueada por alguna razón (manorreductor o soplete cerrado), puede haber ignición debido a una compresión adiabática que aumenta la temperatura. La consecuencia es que el manorreductor se quema y funde en una fracción de segundo, lo que puede liberar la alta presión del tubo al ambiente, siendo poco probable que el operador logre escapar a la letal llamarada de alta temperatura .

Bibliografía

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Autor:

Gustavo Herren