Projektowanie urządzeń nieelektrycznych do stref zagrożenia wybuchem

Urządzenia nieelektryczne pracujące w atmosferze potencjalnie wybuchowej mogą stać się źródłem zapłonu wskutek tarcia, uderzenia, przegrzania, wyładowania elektrostatycznego albo uszkodzenia ruchomych elementów. Dotyczy to między innymi przekładni, wentylatorów, pomp, sprężarek, mieszalników, młynów i hamulców.

Dyrektywa 2014/34/UE, określana jako dyrektywa ATEX produktowa, obejmuje zarówno urządzenia elektryczne, jak i nieelektryczne przeznaczone do pracy w atmosferach potencjalnie wybuchowych. Aby wykazać zgodność urządzenia z wymaganiami właściwymi dla jego kategorii, należy opracować koncepcję bezpieczeństwa wybuchowego i przeprowadzić ocenę zagrożenia zapłonem.

 

 

 

Najważniejsze informacje o urządzeniach nieelektrycznych w strefach EX

• Urządzenia nieelektryczne również mogą wytwarzać efektywne źródła zapłonu i podlegają wymaganiom dyrektywy ATEX 2014/34/UE.
• Wymagana kategoria urządzenia zależy od strefy zagrożenia wybuchem oraz rodzaju atmosfery wybuchowej.
• Ocena zagrożenia zapłonem obejmuje normalną pracę, przewidywalne uszkodzenia, a dla najwyższych poziomów ochrony także rzadkie awarie.
• Koncepcja bezpieczeństwa może łączyć zapobieganie powstawaniu atmosfery wybuchowej, eliminowanie źródeł zapłonu i ograniczanie skutków wybuchu.

Dlaczego urządzenia nieelektryczne mogą spowodować zapłon?

Brak elementów elektrycznych nie oznacza, że urządzenie jest bezpieczne w atmosferze wybuchowej. Energia potrzebna do zapłonu może pochodzić z procesów mechanicznych, cieplnych lub elektrostatycznych.

Potencjalnymi źródłami zapłonu w urządzeniach nieelektrycznych są między innymi:

• gorące powierzchnie łożysk, obudów i elementów roboczych,
• iskry mechaniczne powstające podczas tarcia lub uderzenia,
• przegrzanie wskutek zatarcia, przeciążenia albo braku smarowania,
• wyładowania elektrostatyczne,
• samozapalenie osadów i materiałów,
• sprężanie adiabatyczne i fale uderzeniowe,
• płomienie i gorące gazy,
• drgania powodujące kontakt ruchomych części,
• źródła zapłonu przedostające się z instalacji współpracujących.

Projektant powinien ocenić nie tylko urządzenie podczas prawidłowej pracy, lecz także możliwe awarie, zużycie, błędny montaż i racjonalnie przewidywalne niewłaściwe użycie.

Jakie wymagania ATEX dotyczą urządzeń nieelektrycznych?

Dyrektywa 2014/34/UE określa zasadnicze wymagania bezpieczeństwa dla urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w atmosferze potencjalnie wybuchowej. Dotyczą one między innymi:

• doboru materiałów,
• projektowania i konstrukcji urządzenia,
• identyfikacji oraz eliminowania źródeł zapłonu,
• wpływu warunków zewnętrznych,
• niezawodności elementów związanych z bezpieczeństwem,
• integracji urządzenia z pozostałymi elementami instalacji,
• wymagań właściwych dla kategorii urządzenia,
• instrukcji, oznakowania i ograniczeń użytkowania.

Techniczny sposób spełnienia wymagań opisują odpowiednie normy. Przy projektowaniu urządzeń nieelektrycznych znaczenie mają między innymi zasady zapobiegania wybuchom oraz metodyka oceny zagrożenia zapłonem wskazana w normach dotyczących urządzeń nieelektrycznych przeznaczonych do atmosfer wybuchowych.

Należy zawsze korzystać z aktualnych wydań norm i zweryfikować, które z nich mają zastosowanie do konkretnego urządzenia, sposobu ochrony i przewidzianych warunków pracy.

Jak dobrać kategorię urządzenia do strefy EX?

Kategoria określa wymagany poziom ochrony urządzenia. Jej dobór zależy od strefy, w której urządzenie będzie pracować, oraz od tego, czy zagrożenie tworzą gazy, pary i mgły, czy palne pyły.

Strefy 0, 1 i 2 odnoszą się do atmosfer tworzonych przez gazy, pary lub mgły, natomiast strefy 20, 21 i 22 – do atmosfer zawierających palne pyły.

Samo przypisanie kategorii nie kończy procesu projektowania. Konieczne jest wykazanie, że urządzenie zapewnia wymagany poziom ochrony w przewidzianych warunkach pracy oraz przy uwzględnieniu awarii właściwych dla danej kategorii.

Na czym polega koncepcja bezpieczeństwa wybuchowego?

Koncepcja bezpieczeństwa wybuchowego opisuje, w jaki sposób zostanie ograniczone ryzyko zapłonu i wybuchu. Powinna uwzględniać trzy podstawowe kierunki działania:

1. zapobieganie powstawaniu atmosfery wybuchowej,
2. zapobieganie występowaniu efektywnych źródeł zapłonu,
3. ograniczanie skutków ewentualnego wybuchu.

W wielu urządzeniach, takich jak przekładnie, hamulce, pompy lub wentylatory, podstawowym rozwiązaniem jest kontrolowanie potencjalnych źródeł zapłonu. Może to oznaczać między innymi właściwy dobór materiałów, ograniczenie temperatury powierzchni, kontrolę luzów, monitorowanie łożysk i zapewnienie odpowiedniego smarowania.

W przypadku mieszalników, młynów, filtrów pyłowych i innych urządzeń procesowych samo eliminowanie źródeł zapłonu może być niewystarczające. Koncepcja może wówczas obejmować także inertyzację, kontrolę stężenia substancji, odciążanie lub tłumienie wybuchu oraz izolowanie wybuchu od pozostałej części instalacji.

Środki ograniczające skutki wybuchu stosuje się wtedy, gdy nie można wystarczająco ograniczyć prawdopodobieństwa powstania atmosfery wybuchowej i jej zapłonu.

Przykład urządzenia nieelektrycznego w wykonaniu ATEX – wentylator promieniowy.

Jak zaprojektować urządzenie nieelektryczne do strefy EX?

Proces projektowy powinien rozpocząć się od określenia przewidywanego zastosowania urządzenia. Należy ustalić między innymi:

• rodzaj atmosfery wybuchowej,
• strefę, w której urządzenie będzie pracować,
• grupę wybuchowości substancji,
• wymaganą klasę temperaturową lub maksymalną temperaturę powierzchni,
• warunki środowiskowe,
• parametry procesu,
• przewidywane obciążenia i cykl pracy,
• możliwe awarie oraz niewłaściwe użycie,
• interakcje z innymi urządzeniami i instalacjami.

Następnie należy dobrać kategorię urządzenia, zidentyfikować potencjalne źródła zapłonu oraz określić środki zapobiegawcze i ochronne. Wyniki powinny zostać udokumentowane i powiązane z wymaganiami dotyczącymi produkcji, kontroli jakości, montażu, użytkowania oraz serwisowania.

Na czym polega ocena zagrożenia zapłonem?

Ocena zagrożenia zapłonem służy wykazaniu, że potencjalne źródła zapłonu zostały zidentyfikowane i odpowiednio ograniczone dla wymaganej kategorii urządzenia.

Analiza obejmuje:

• identyfikację wszystkich potencjalnych źródeł zapłonu,
• ocenę możliwości ich uaktywnienia,
• określenie warunków normalnej pracy i możliwych awarii,
• porównanie częstotliwości występowania źródła zapłonu z wymaganym poziomem ochrony,
• dobór środków eliminujących albo kontrolujących zagrożenie,
• określenie wynikowej kategorii i ograniczeń stosowania urządzenia.

Ocenie należy poddać wszystkie części urządzenia, także elementy pomocnicze, napędy, sprzęgła, uszczelnienia, łożyska i układy sterowania związane z bezpieczeństwem.

Jakie stany pracy należy uwzględnić?

Zakres analizowanych stanów zależy od wymaganej kategorii urządzenia. Pod uwagę bierze się:

• normalne działanie – pracę zgodną z przeznaczeniem i parametrami producenta,
• spodziewane wadliwe działanie – awarie i zaburzenia, których wystąpienia można racjonalnie oczekiwać,
• rzadko występujące wadliwe działanie – mało prawdopodobne uszkodzenia oraz określone kombinacje niezależnych awarii,
• racjonalnie przewidywalne niewłaściwe użycie – sposób wykorzystania niezgodny z instrukcją, który można przewidzieć na podstawie doświadczenia.

W przypadku wątpliwości klasyfikację stanu awaryjnego należy oprzeć na rozwiązaniu zapewniającym wymagany poziom bezpieczeństwa. Analiza powinna uwzględniać rzeczywiste doświadczenia eksploatacyjne dotyczące urządzeń o podobnej konstrukcji.

Jakie źródła zapłonu trzeba przeanalizować?

Zakres oceny nie powinien ograniczać się do gorących powierzchni i iskier mechanicznych. W zależności od konstrukcji urządzenia należy rozważyć między innymi:

• płomienie i gorące gazy,
• gorące powierzchnie,
• iskry wytwarzane mechanicznie,
• urządzenia elektryczne współpracujące z maszyną,
• prądy błądzące i ochronę katodową,
• elektryczność statyczną,
• wyładowania atmosferyczne,
• fale elektromagnetyczne i promieniowanie,
• ultradźwięki,
• sprężanie adiabatyczne i fale uderzeniowe,
• reakcje egzotermiczne i samozapalenie materiałów.

Jak ograniczyć ryzyko związane z elektrycznością statyczną?

Elektryczność statyczna może powstawać podczas przepływu cieczy i pyłów, tarcia materiałów, pracy pasów napędowych, obracania elementów oraz kontaktu i rozdzielania powierzchni.

Środki ochronne mogą obejmować:

• stosowanie materiałów o odpowiednich właściwościach elektrycznych,
• uziemienie i połączenia wyrównawcze elementów przewodzących,
• ograniczanie prędkości przepływu,
• kontrolowanie wilgotności, jeżeli jest to technicznie uzasadnione,
• stosowanie antystatycznych przewodów, pasów i elementów wyposażenia,
• kontrolę rezystancji obuwia i posadzek.

W zakładach, w których skuteczne odprowadzanie ładunków zależy od właściwości podłoża, ważnym elementem ochrony są regularne pomiary posadzek w przestrzeniach zagrożonych wybuchem.

Kiedy potrzebne są systemy ograniczające skutki wybuchu?

Jeżeli nie można w wystarczającym stopniu wyeliminować atmosfery wybuchowej ani potencjalnych źródeł zapłonu, należy rozważyć rozwiązania ograniczające skutki wybuchu.

W zależności od urządzenia mogą to być:

• konstrukcja odporna na ciśnienie wybuchu,
• odciążanie wybuchu,
• bezpłomieniowe odciążanie wybuchu,
• tłumienie wybuchu,
• izolowanie wybuchu od pozostałej części instalacji,
• bezpieczne odprowadzanie produktów spalania.

Dobór rozwiązania powinien uwzględniać parametry atmosfery wybuchowej, wytrzymałość urządzenia, miejsce jego instalacji i możliwe oddziaływanie na pracowników oraz sąsiednią infrastrukturę.

Czy funkcje bezpieczeństwa wymagają oceny niezawodności?

Jeżeli bezpieczeństwo urządzenia zależy od systemu sterowania, jego funkcje powinny zostać zweryfikowane pod względem wymaganej niezawodności. Dotyczy to na przykład:

• wyłączenia urządzenia po przekroczeniu temperatury,
• monitorowania prędkości obrotowej,
• kontroli drgań i stanu łożysk,
• nadzorowania przepływu środka chłodzącego lub smarującego,
• kontroli stężenia tlenu podczas inertyzacji,
• blokad uruchomienia przy niesprawnej wentylacji.

Przy projektowaniu takich funkcji znaczenie mogą mieć normy dotyczące bezpieczeństwa funkcjonalnego i elementów systemów sterowania związanych z bezpieczeństwem. Właściwy poziom niezawodności należy ustalić na podstawie analizy ryzyka.

Jakie informacje powinien zawierać wynik oceny?

Dokumentacja oceny zagrożenia zapłonem powinna przedstawiać:

• opis urządzenia i jego przewidzianego zastosowania,
• parametry atmosfery wybuchowej,
• wymaganą kategorię urządzenia,
• zidentyfikowane potencjalne źródła zapłonu,
• ocenę możliwości ich uaktywnienia,
• zastosowane środki zapobiegawcze i ochronne,
• ocenę ryzyka resztkowego,
• wynikową kategorię urządzenia,
• grupę wybuchowości i klasę temperaturową, jeśli mają zastosowanie,
• warunki, ograniczenia i zasady bezpiecznego użytkowania.

Dokumentacja powinna umożliwiać prześledzenie, w jaki sposób producent zidentyfikował zagrożenia i wykazał spełnienie wymagań.

Projektowanie urządzeń nieelektrycznych wymaga interdyscyplinarnej wiedzy

Opracowanie koncepcji bezpieczeństwa wybuchowego wymaga znajomości mechaniki, technologii procesowej, ochrony przeciwwybuchowej, elektryczności statycznej, automatyki i bezpieczeństwa funkcjonalnego.

Istotne jest również doświadczenie pozwalające ocenić, które awarie są przewidywalne, jak urządzenie zachowuje się podczas zużycia oraz jakie rozwiązania ochronne będą skuteczne w rzeczywistych warunkach eksploatacji.

Najlepsze rezultaty daje uwzględnienie ochrony przeciwwybuchowej już na etapie koncepcji urządzenia. Pozwala to ograniczyć konieczność kosztownych zmian konstrukcji, dobrać właściwe zabezpieczenia i przygotować spójną dokumentację zgodności.

Jeżeli projektujesz lub modernizujesz urządzenie nieelektryczne przeznaczone do strefy EX, skontaktuj się z ekspertami EKO-KONSULT. Pomożemy opracować koncepcję bezpieczeństwa wybuchowego, przeprowadzić ocenę zagrożenia zapłonem i dobrać wymagane środki ochronne.

Najczęściej zadawane pytania o urządzenia nieelektryczne w strefach EX

Czy urządzenia nieelektryczne podlegają wymaganiom ATEX?

Tak. Dyrektywa 2014/34/UE obejmuje urządzenia elektryczne i nieelektryczne przeznaczone do pracy w atmosferze potencjalnie wybuchowej. Producent musi wykazać spełnienie wymagań odpowiednich dla przewidzianej kategorii urządzenia.

Jak dobrać kategorię urządzenia nieelektrycznego?

Kategorię dobiera się do strefy zagrożenia wybuchem oraz rodzaju atmosfery. W strefach 0 i 20 wymagana jest co najmniej kategoria 1, w strefach 1 i 21 kategoria 2, a w strefach 2 i 22 kategoria 3.

Na czym polega ocena zagrożenia zapłonem?

Ocena obejmuje identyfikację potencjalnych źródeł zapłonu, analizę możliwości ich uaktywnienia podczas normalnej pracy i awarii oraz określenie środków pozwalających osiągnąć wymagany poziom ochrony.

Jakie źródła zapłonu mogą wystąpić w urządzeniu nieelektrycznym?

Najczęstsze źródła to gorące powierzchnie, iskry mechaniczne, tarcie, przegrzane łożyska, wyładowania elektrostatyczne, sprężanie adiabatyczne, reakcje egzotermiczne oraz płomienie lub gorące gazy.

Autor: Grzegorz Orlikowski