DESARROLLO DE UN EQUIPO DE DESCARGAS ELECTROSTÁTICAS PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA DE DETONADORESUTILIZADOS EN MINERÍA

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1 DESARROLLO DE UN EQUIPO DE DESCARGAS ELECTROSTÁTICAS PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA DE DETONADORESUTILIZADOS EN MINERÍA Ing. Javier Franco Gonzales Ing.Bernabé Tarazona Bermúdez Ing. Serafín Sosa Barrera Ing. Oswaldo Morales Taquiri RESUMEN Los detonadores de encendido eléctrico y no eléctrico utilizados en minería se ven afectados por la energía electrostática, el cual es acumulado en una persona o durante la manipulación de una máquina, y al establecerse una vía conductora, esta energía almacenadase descarga sobre el detonador. El nivel de energía electrostática acumulada dependerá del voltaje adquirido por una persona o máquina y de su capacidad al comportarse como condensador eléctrico. La posibilidad de iniciación del detonador al recibir la descarga de la energía electrostática dependerá del tipo de detonador y de la configuración durante su manipulación. Para determinar la resistencia de los detonadores de encendido eléctrico y no eléctrico se ha desarrollado un equipo de descargas electrostáticas. Asimismo se han planteado una serie de configuraciones de manipulación de los detonadorespara realizar los ensayos respectivos, presentándose finalmente los valores que servirán como estándares para el control de calidad en el proceso de fabricación y en la evaluación de productos importados. INTRODUCCIÓN La electricidad estática representa un desequilibrio temporal en la repartición de las cargas en la superficie de dos materiales en contacto por transferencia de electrones, creando un campo eléctrico y una diferencia de potencial entre éstos que puede ser muy elevada. La magnitud de la carga depende principalmente de la velocidad de separación y/o fricción de los materiales y de su resistividad eléctrica. Cuando los cuerpos conductores están separados por un aislante o incluso por el aire constituyen un condensador al quedar cargados uno con una carga positiva y otro con otra carga igual pero negativa.al establecer una vía conductora se libera tal energía almacenada descargándose sobre el detonador. Para nuestro caso, la magnitud de la energía cargada en el condensador (humano o máquina) y liberada en el detonador determinará la peligrosidad de explosión de éste. Para que se produzca la explosión del detonador deberá cumplirse conjuntamente las tres siguientes condiciones: La existencia de una configuración del detonador susceptible de explosión por encontrarse dentro del rango de iniciación. La acumulación de una carga electrostática lo suficientemente alta para crear una diferencia de potencial generadora de iniciación del detonador. La producción de la descarga electrostáticainiciadora, de energía suficiente para iniciar el detonador. En condiciones especiales una persona puede alcanzar un potencial del orden de los V.La capacidad del cuerpo humano estándar actuando como condensador eléctrico es del orden de 300 pf y una persona de porte militar de 500 pf. En la labor minera, una máquina en el momento de perforación puede alcanzar un potencial de V y formar la configuración de un condensador de pf. OBJETIVO GENERAL Desarrollar un equipo de descargas electrostáticas para determinar la resistencia de detonadores utilizados en minería. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Determinar: 1

2 a) La resistencia del detonador mediante el nivel de voltaje del equipo de descargas electrostáticas. b) La resistencia del detonador mediante la capacidad de los condensadores. c) La resistencia del detonador mediante el medidor de alto voltaje. d) El nivel de descarga electrostática a recibir de acuerdo al tipo de detonador. e) El nivel de descarga electrostática a recibir de acuerdo al tipo de ensayo. CONFIGURACION DEL EQUIPO La máquina electrostática tendrá la siguiente configuración: El detonador eléctrico, está diseñado para ser usado en voladuras de minería a cielo abierto, subterránea y obras civiles, en donde se requiere de una secuencia de salida de los tiros, logrando un mayor control de la voladura a través de una baja dispersión. Descripción El detonador eléctrico estándar, corresponde a un detonador de alta potencia capaz de convertir un impulso eléctrico en una detonación. Los detonadores eléctricos están compuestos por tres partes fundamentales: a) Cápsula de aluminio o cobre, que contiene una carga primaria de explosivos, una carga secundaria y un tren de retardo excepto el detonador instantáneo. a) Un autotransformador variable de 0 a 220 VAC. b) Un transformador de corriente alterna 220/ VAC. c) Cuatro diodos de selenio de VIP, para la construcción del rectificador de onda completa. d) Un multiplicador de voltaje. e) Condensadores de placas paralelas de 300, 500 y pf. f) Una resistencia atenuadora para medición de alto voltaje de MΩ. g) Un multímetro digital de 0 a VDC y capaz de medir MΩ. b) Un elemento inflamador (eléctricopirotécnico) alojado en un dispositivo antiestático y soldado a dos alambres conductores. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS DETONADORES DE ENCENDIDO ELÉCTRICO c) Dos alambres conductores revestidos por un plástico semiconductor. Recomendaciones generales de uso a) Dependiendo de la sensibilidad del detonador eléctrico, aplicar la energía necesaria para iniciar la serie. b) Siempre usar una fuente de disparo que entregue la energía suficiente al circuito de detonadores eléctricos para una óptima ejecución de voladura. Aplicación 2

3 c) Nunca manipule o utilice detonadores eléctricos en general, cuando exista en el ambiente presencia de electricidad estática, corrientes vagabundas y/o tormentas eléctricas. d) Siempre mantenga los alambres semiconductores del detonador, cables de disparo y circuito de conexión de disparo en cortocircuito. Sólo abrir el circuito para verificar continuidad e iniciar el disparo. e) Nunca conecte algún detonador sísmico eléctrico insensible en la misma línea en serie con otros detonadores eléctricos de distinta sensibilidad o distinto fabricante, debido a que pueden presentarse diferencias en las características de disparo y puede ocurrir falla. f) Siempre utilice los detonadores eléctricos de acuerdo a las recomendaciones entregadas por el fabricante. Características eléctricas de los detonadores eléctricos Diseñado por Per AndersPersson en Es un tubo plástico con un contenido de octógenoaluminizado (HMX) adherido al tubo en su parte interior (adherencia > 95 %). La carga del tubo es aproximadamente 0,015 gramos por metro de tubo. La velocidad de detonación del tubo de choque es de alrededor de 2000 m/s. Este tipo de detonador es un sistema eficaz de iniciación para en minería subterránea, superficial y obras civiles, que ofrece los beneficios de sincronización sin riesgo, eliminando toda posibilidad de conexiones erróneas. Está formado por los siguientes componentes: CARACTERISTICAS ELECTRICAS SENSIBILIDAD DEL DETONADOR NORMAL INSENSIBLE Resistencia del filamento 1,15 + 0,1 Ohm 0,30 + 0,05 Ohm Energía de iniciación mj mj Corriente máximo de 0,25 A (5min) 0,85 A (5min) no iniciación Corriente mínima de 0,5 A 1,5 A iniciación Corriente de disparo 1 A 3 A recomendado para serie de hasta 5 detonadores Resistencia eléctrica cable de cobre 24 AWG 0,0878 Ohm/m 0,0878 Ohm/m CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS DETONADORES DE ENCENDIDO NO ELÉCTRICO Estructura Interna del Detonador de Encendido No Eléctrico Carga explosiva El extremo inferior del detonador contiene una carga base de PETN y una carga primaria de Azida de Plomo lo que le confiere una potencia equivalente a fuerza Nº 12. Cushion disk Esta diseñado para otorgar una gran resistencia al impacto y a la detonación por simpatía. 3

4 Tren de retardo Formado por uno, dos o tres elementos pirotécnicos. En el mercado se ofrece dos escalas: período corto, período largo DelayIgnition Buffer Acelerador de energía, permite una mayor precisión y evita el problema de reversión de la onda de choque. Sello antiestático Diámetro (mm) 7,3 Longitud (mm) 60/68/88/92 Prueba de Esopo 11,0 Diámetro de perforación (mm) Volumen Trauzl (cm 3 ) 34 Resistencia al impacto 2kg/1m No detona De la manguera FANEL Material Termoplástico flexible y de gran resistencia mecánica Diámetro (mm) 3,3 Longitud (m) 4,0/4,2/4,8/12/15/18 Resistencia a la tracción 18 (kg) Velocidad de onda (m/s) EQUIPO DE ENSAYO Elemento fundamental para eliminar el riesgo de iniciación por descargas estáticas accidentales. Tubo de choque El equipo de descargas electrostáticas desarrollado para determinar la resistencia de detonadoresutilizados en minería tendrá el siguiente principio de funcionamiento: Está fabricado con un material termoplástico de alta resistencia mecánica, la cual en su interior está cubierta uniformemente por una sustancia reactiva que al ser activada conduce una onda de choque cuya presión y temperatura son suficientes para iniciar al fulminante de retardo. El equipo de alto voltaje será de tipo variable (0 a 40 kv) en DC, proporcionará la energía necesaria al condensador elegido para el ensayo (300, 500 o ), y la muestra será ubicada en un ambiente construido de concreto armado y una poza con arena donde ésta estará ubicada. En uno de sus extremos está sellado por ultrasonido y en el otro extremo ensamblado con el fulminante de retardo. Para realizar el ensayo, primero se debe cargar el condensador, para lo cual las bolas de acero del equipo de alto voltaje y del condensador estaránunidas y el voltaje de carga será medido con el multímetro enseriado con el atenuador. Tubo de choque Características técnicas Del fulminante de retardo Una vez que el condensador se ha cargado, esta energía debe ser descargada sobre la muestra colocada para el ensayo. Para ello será necesario unir las bolas de acero del condensador con la bola de acero de la muestra. Se tomará nota del resultado de ensayo y se procederá a ensayar una nueva muestra 4

5 PLAN DE ENSAYOS PARA DESCARGA ELECTROSTÁTICA EN DETONADORES DE ENCENDIDO ELÉCTRICO ENSAYO A Se conecta el cuerpo del detonador al polo negativo del condensador y los terminales cortocircuitados al polo positivo, descargando así la energía almacenada en el condensador. ENSAYO B ENSAYO A B C D CONDENSADOR 300 pf 300 pf 300 pf 300 pf VOLTAJE (Volt) Se conecta el polo negativo del condensador a la superficie de uno de los cables del detonador (sin perforar el forro) a aproximadamente 5 cm del engargolado, y los terminales cortocircuitados al polo positivo, descargando así la energía almacenada en el condensador. ENSAYO C Se conecta el polo negativo del condensador al cuerpo del detonador y uno de los cables al polo positivo, descargando así la energía almacenada en el condensador. ENSAYO D ENSAYO A B C D CONDENSADOR 500 pf 500 pf 500 pf 500 pf VOLTAJE (Volt) DETONADOR DE ENCENDIDO ELÉCTRICO INSENSIBLE Se conectan los cables del detonador a los polos negativo y positivo del condensador, descargando así la energía almacenada en ella. TIPOS DE DETONADORES DE ENCENDIDO ELÉCTRICO. Los detonadores de encendido eléctrico existentes en el mercado son de tres tipos:sensible, Insensible y Altamente Insensible Se ha realizado el diseño de condensadores para poder realizar los ensayos tomando en cuenta que una persona estándar puede ser representada por un condensador de 300 pf, una persona de porte militar puede ser representada por un condensador de 500 pf y máquina perforadora puede ser representada por un condensador de. A continuación se presentan los cuadros de plan de ensayos de acuerdo al tipo de detonador. DETONADORES DE ENCENDIDO ELÉCTRICO SENSIBLE ENSAYO A B C D CONDENSADOR VOLTAJE (Volt) Desde 1000 con 1000 hasta Desde 1000 con 1000 hasta Desde 1000 con 1000 hasta Desde 1000 con 1000 hasta DETONADOR DE ENCENDIDO ELÉCTRICO ALTAMENTE INSENSIBLE ENSAYO A B CONDENSADOR VOLTAJE (Volt) 1000 hasta hasta

6 C 1000 hasta D 1000 hasta PLAN DE ENSAYOS PARA DESCARGA ELECTROSTÁTICA EN DETONADORES INICIADOS MEDIANTE UN TUBO DE CONDUCCIÓN DE ONDA DE DETONACIÓN ENSAYO A Se corta 500 mm de longitud de manguera, medida desde la superficie del retardo, y se conecta el cuerpo del detonador al polo negativo del condensador y se introduce por el tubo un alambre de cobre de 1 mm de diámetro, hasta que quede a 450 mm de distancia de la superficie del retardo, y este alambre se coloca al polo positivo del condensador, descargando así la energía almacenada en ella. ENSAYO B Se corta 500 mm de longitud de manguera, medida desde la superficie del retardo, y se conecta el polo negativo del condensador a la superficie de la manguera a una distancia de 300 mm del punto final de la manguera. Se introduce por el tubo un alambre de cobre de 1mm de diámetro, hasta que quede a 450 mm de distancia de la superficie del retardo, existiendo por lo tanto una separación de 50 mm entre los terminales de los alambres de conexión, y este alambre se coloca al polo positivo del condensador, descargando así la energía almacenada en ella. ENSAYO C Se corta 500 mm de longitud de manguera, medida desde la superficie del retardo, y se perfora la manguera con un alfiler a una distancia de 95 mmm del punto final de la manguera, conectando dicho alfiler al polo negativo del condensador, luego se introduce por el tubo un alambre de cobre de 1 mm de diámetro, hasta que quede a 450 mm de distancia de la superficie del retardo, y separado de la punta del alfiler a 45 mm de distancia, finalmente este alambre se coloca al polo positivo del condensador, descargando así la energía almacenada en ella. ENSAYO D Se corta 500 mm de longitud de manguera, medida desde la superficie del retardo, y se conecta el cuerpo del detonador al polo negativo del condensador y se introduce por el tubo un alambre de cobre de 1 mm de diámetro, hasta que quede a 25 mm de distancia de la superficie del retardo, y este alambre se coloca al polo positivo del condensador, descargando así la energía almacenada en ella. Por ser los detonadores iniciados mediante un tubo de conducción de onda de detonación, altamente insensibles, de acuerdo a los fabricantes, se realizarán ensayos de descarga de energía electrostática sólo con el condensador de y con voltajes desde con incrementos de 2000 hasta los voltios. A continuación se presenta el cuadro de plan de ensayos. ENSAYO CONDENSADOR VOLTAJE (Volt) A Desde con 2000 hasta B Desde con 2000 hasta C Desde con 2000 hasta D Desde con 2000 hasta Para todos los ensayos la energía descargada sobre el producto estará regida por la ecuación: Dónde: E: Energía en Joule C: Capacidad en Faradio V: Voltaje en Volt. RESULTADOSDE DESCARGA ELECTROSTÁTICA EN DETONADORES DE ENCENDIDO ELÉCTRICO a) DETONADOR DE ENCENDIDO ELECTRICO SENSIBLE pf V Mj A ,25 No detona B ,25 No detona C ,25 No detona 6

7 D ,25 No detona pf V mj A ,25 No detona B ,25 No detona C ,25 No detona D ,25 No detona b) DETONADOR DE ENCENDIDO ELECTRICO INSENSIBLE pf V mj A No detona B No detona C ,25 No detona D ,25 No detona c) DETONADOR DE ENCENDIDO ELECTRICO ALTAMENTE INSENSIBLE pf V mj A No detona B No detona C No detona D No detona RESULTADOS DE DESCARGA ELECTROSTATICA EN DETONADORES INICIADOS MEDIANTE UN TUBO DE CONDUCCION DE ONDA DE DETONACION pf V mj A No detona B No detona C No detona D No detona CONCLUSIONES 1) Se ha culminado el desarrollo de la máquina electrostática para establecer umbrales máximos de resistencia a descargas de energía eléctrica estática en detonadores de encendido eléctrico y no eléctrico utilizados en minería. 2) Se propone la utilización de esta máquina en la evaluación de la resistencia a la energía electrostática en otros componentes como, los circuitos integrados, combustibles, ensayos en materiales denominados antiestáticos, etc. 3) Queda como tarea la preparación de un manual de laboratorio para la realización de ensayos con este equipo y su inclusión como parte de los cursos que se imparten en la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Ingeniería. 4) La fuente de alta tensión se puede aprovechar para la construcción de equipos laser pulsante embebidos en diferentes medios y realizar el estudio correspondiente. 5) Se ha desarrollado un puente de diodos para alta tensión con voltaje pico inverso de Volt, en base a diodos de selenio. 6) Se han desarrollado condensadores de placas paralelas de 300 pf/25000 V, 500 pf/25000 V y /40000 V. 7) Para poder medir el voltaje de carga de los condensadores se ha tenido que desarrollar un atenuador de 1000 MΩ. 8) La acumulación de energía electrostática en una persona depende del material de su vestimenta, su tamaño y principalmente de la humedad relativa del ambiente en que se encuentra. 9) Se han realizado los ensayos en las diferentes configuraciones de manipulación de los detonadores. 10) La capacidad de soportar un nivel de energía, de un detonador, depende de su sensibilidad BIBLIOGRAFIA 1) NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION Natural Fire codes Vol. 15, Ed Recommended Practice on Static Electricity nº 77 7

8 2) JORGE CORTES CECILIA Electricidad Estática Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo Bilbao ) Jonassen, Niels (1999). "Mr. Static Explosions and ESD". ComplianceEngineering (November/D ecember). Retrieved ) Kaiser, Kenneth L. (2006). Electrostatic discharge. Washington, DC: Taylor & Francis. pp ISBN ) "BaytemsESDzap - Lightweight ESD Simulator Product Overview". Baytems. Aug 25, Retrieved