Cos'è la sicurezza intrinseca? Definizione, limiti e progettazione di aree pericolose

Un tecnico fissa un rilevatore di perdite su un refrigeratore caricato con propano R290. L'utensile funziona con una batteria da 9 V, si trova a circa 20 metrim da un giunto che ha appena iniziato a lacrimare e nessuno guarda due volte l'elettronica al suo interno. La sicurezza intrinseca esiste perché quel secondo sguardo è ciò che impedisce un'esplosione. Il termine descrive una tecnica di protezione che mantiene l'energia elettrica e termica all'interno di un circuito al di sotto del livello che può accendere l'atmosfera infiammabile circostante, durante il normale funzionamento e in un numero definito di condizioni di guasto.

La definizione sembra modesta, ma rimodella tutto a valle. Poiché la protezione deriva dalla limitazione dell'energia anziché dal contenimento di un'esplosione, copre l'intero circuito, compresi i cavi che tornano al quadro elettrico. Significa anche che il progetto può essere calcolato e certificato prima che qualsiasi cosa raggiunga il sito.

La definizione formale e i tre limiti

La dicitura formale deriva dalla norma IEC 60079-11, lo standard alla base della marcatura Ex i, ed è ripetuta nella direttiva europea ATEX 2014/34/UE e nello schema IECEx. Un dispositivo si qualifica come a sicurezza intrinseca quando l'energia che può rilasciare è limitata in modo che l'accensione non possa verificarsi durante il normale funzionamento o in condizioni di guasto definite.

Tre quantità vengono controllate insieme e ognuna di esse può provocare un incendio:

• Tensione, perché una scintilla ha bisogno di potenziale sufficiente per abbattere il divario tra i conduttori.
• Corrente, perché l'energia in una scintilla di interruzione aumenta con la corrente e con l'induttanza del circuito.
• Potenza e temperatura superficiale, perché una superficie calda può accendere un gas senza alcuna scintilla.

I limiti non sono scelti dal progettista. Ogni dispositivo di campo certificato è pubblicato con parametri di entità: tensione di ingresso massima Ui, corrente di ingresso Ii, potenza di ingresso Pi e capacità e induttanza interne Ci e Li. La barriera o isolatore all'altra estremità del cavo pubblica valori di uscita corrispondenti Uo, Io e Po, mentre il cavo aggiunge capacità e induttanza per ogni metro della sua lunghezza. Un ciclo è conforme solo quando ciascuna coppia si allinea con un margine di riserva.

Le regole sono volutamente conservatrici. Le curve di accensione a scintilla vengono applicate con un fattore di sicurezza, comunemente 1,5, quindi il limite certificato è già inferiore all'energia che ha acceso il gas nei test di laboratorio. Per i gas del gruppo IIC come idrogeno e acetilene, un circuito tipico rimane sotto i 30 V, vicino a 100 metriA e una frazione di watt, mentre un progetto comparabile per il metano può sopportare notevolmente di più. Il T6 limita la temperatura superficiale a 85 gradi Celsius e il T4 a 135 gradi Celsius, ben al di sotto della temperatura di autoaccensione dei gas che coprono.

Cosa contiene realmente un circuito a sicurezza intrinseca

Tre parti compongono un'installazione funzionante e tutte e tre devono corrispondere sulla carta prima che una di esse venga ordinata.

Il dispositivo da campo nell'area classificata

Questo è lo strumento, interruttore, bobina o sensore esposto all'atmosfera e la sua marcatura mostra la tolleranza ai guasti che comporta. Ex ia rimane sicuro con due guasti ed è consentito nella Zona 0, dove un'atmosfera infiammabile è presente continuamente o per lunghi periodi. Ex ib copre la Zona 1 con un guasto, mentre Ex ic copre la Zona 2, dove l'atmosfera è improbabile e di breve durata.

La barriera o l'isolatore nell'area sicura

L'apparato associato limita l'energia che raggiunge il campo. Una barriera zener utilizza diodi shunt, un fusibile e un resistore e necessita di una terra di sicurezza dedicata misurata a meno di 1 ohm. Un isolatore galvanico funziona tramite trasformatori o accoppiamento ottico e non necessita di messa a terra di sicurezza, motivo per cui viene spesso scelto laddove la messa a terra è difficile da verificare e mantenere.

Apparati semplici e contatti passivi

Non tutti i componenti necessitano di un proprio certificato. La norma IEC 60079-11 consente apparecchi semplici, definiti come un dispositivo che non genera né immagazzina più di 1,2 V, 0,1 A, 20 microjoule o 25 mW. Interruttori passivi, termocoppie, scatole terminali e semplici contatti di pressostati sono idonei purché il circuito circostante sia già limitato dal punto di vista energetico. È qui che un regolatore di pressione per la refrigerazione trova il suo posto in un progetto: i suoi contatti condividono un alloggiamento con una connessione al processo che può trovarsi in un'area classificata e, poiché tali contatti trasportano sempre e solo una corrente di circuito limitata, la custodia non deve necessariamente diventare una scatola ignifuga.

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Il cavo tra di loro

Il cavo è un componente, non un accessorio. Il cablaggio a sicurezza intrinseca è normalmente rivestito di blu e separato dai circuiti non IS di 50 mm o da una partizione metallica messa a terra e la sua capacità e induttanza per metro vengono inserite nel calcolo del circuito.

Sicurezza intrinseca rispetto ad altri metodi di protezione

La protezione delle aree pericolose è una famiglia di tecniche piuttosto che un’unica risposta. La tabella seguente mette la sicurezza intrinseca accanto ai metodi rispetto ai quali viene spesso valutata.

Dove si manifesta la sicurezza intrinseca nella refrigerazione e nel condizionamento dell'aria

I refrigeranti infiammabili hanno spostato il soggetto dall'impianto chimico alla sala frigo. R290 e R600a rientrano nel gruppo A3, mentre R32 e R454B rientrano nel gruppo A2L, il che significa che lo spazio attorno a un elettrodomestico può essere classificato in cui una perdita è credibile. Una volta che esiste una zona, le parti elettriche collegate a quel circuito devono essere protette di conseguenza.

Componenti elettrici all'interno di un involucro di refrigerante infiammabile

Una bobina del solenoide che si apre sotto carico produce esattamente la scintilla induttiva per cui sono stati scritti i parametri di entità per l'induttanza, e l'apertura di un pressostato in caso di guasto fa lo stesso. Bobine, interruttori e sensori vengono quindi scelti tenendo presente la zona e la potenza nominale della bobina viene controllata separatamente dal corpo valvola. Un'elettrovalvola di refrigerazione come la serie EVR è un esempio familiare di corpo selezionato per pressione, compatibilità con il refrigerante e tenuta, che diventa adatto per un'area classificata solo se abbinato a una bobina e un circuito correttamente dimensionati.

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Il sito mantiene una breve nota tecnica su come Elettrovalvole tipo EVR nei circuiti di refrigerazione comportarsi bene in servizio, il che costituisce un utile punto di partenza per tale verifica.

Energia termica e lavoro a caldo in prossimità di un circuito aperto

La sicurezza intrinseca copre l'energia termica così come l'energia elettrica e il lavoro di manutenzione è il punto in cui questa distinzione si fa sentire. Per brasare un giunto su un circuito appena aperto si intende una fiamma, un tubo caldo e del refrigerante che potrebbero essere ancora presenti nella linea. I controlli pratici sono lo spurgo dell'azoto, il controllo del gas prima dell'accensione del cannello e un cannello la cui fiamma può essere mantenuta alla dimensione effettivamente necessaria per la canna anziché all'impostazione più grande disponibile.

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Di quanta energia stiamo realmente parlando

Energia di accensione delle comuni sostanze infiammabili

La Figura 1 traccia l'energia di accensione di cinque sostanze che si presentano negli impianti di refrigerazione e di processo. L’idrogeno necessita solo di circa 0,017 mJ, circa un sedicesimo dell’energia richiesta dal metano. Questo è il motivo per cui lo stesso trasmettitore può trasportare un margine di corrente confortevole in un impianto di gas naturale e tuttavia non superare il controllo di entità su uno skid a idrogeno, perché il gruppo di gas modifica la curva rispetto alla quale viene eseguito il calcolo. I numeri spiegano anche perché lo standard funziona in milliwatt, poiché un corpo umano ben carico può rilasciare molto più di 0,017 mJ. La progettazione pratica mira quindi al funzionamento in milliwatt, e questa è l'aritmetica alla base del fattore di sicurezza di 1,5.

Energia immagazzinata nel cavo di collegamento

La Figura 2 converte la capacità del cavo in energia immagazzinata con la familiare relazione di mezzo CV al quadrato a una tensione di circuito di 24 V. Il cavo per strumenti a circa 60 pF per metro raggiunge circa 8,6 microjoule su 500 m, mentre il cavo per uso generale a 200 pF per metro passa 28,8 microjoule sulla stessa distanza. La linea tratteggiata indica l'energia di accensione dell'idrogeno di 0,017 mJ, che il cavo per uso generale attraversa a circa 300 m e il cavo per strumenti non raggiunge mai l'intervallo indicato sulla tabella. Questo incrocio è il motivo per cui il tipo di cavo, la lunghezza del cavo e la tensione del circuito appartengono al disegno di controllo invece di essere lasciati all'installatore. Spiega anche perché la sostituzione di un cavo in loco con uno equivalente di capacità maggiore rappresenta una modifica di progettazione piuttosto che una decisione di manutenzione.

Due confronti che decidono un progetto

Quanto valore di barriera consuma un circuito

La Figura 3 prende una disposizione comune, un trasmettitore da 24 V che assorbe 20 mA da una barriera classificata a 28 V, 93 mA e 0,65 W, e mostra la quantità di ciascun limite consumata dal circuito. La tensione è il limite più stretto con circa l'86%, la potenza segue con circa il 74% e la corrente è appena toccata con circa il 22%. Questo squilibrio è normale, perché i circuiti delle aree pericolose sono quasi sempre limitati dalla tensione, mentre l'headroom attuale sembra generoso. È importante quando qualcuno vuole aggiungere un secondo dispositivo alla stessa barriera o allungare la corsa, poiché il budget di tensione scompare molto prima del budget attuale. Controllare tutte e tre le paia, piuttosto che quella che sembra comoda, è ciò che mantiene certificato un loop.

Metodi di protezione attraverso cinque criteri pratici

La Figura 4 assegna un punteggio da uno a cinque alla sicurezza intrinseca, alla protezione ignifuga e alla protezione non incendiaria in base ai criteri che solitamente decidono un progetto: idoneità per la Zona 0, tolleranza alla manutenzione sotto tensione, costo di installazione, semplicità di cablaggio e peso dell'hardware. La sicurezza intrinseca riempie la sagoma verso la Zona 0 e la manutenzione sotto tensione, motivo per cui è l'impostazione predefinita per gli strumenti che devono essere calibrati mentre l'impianto è in funzione. La protezione ignifuga si estende verso la semplicità del cablaggio, poiché è la custodia a svolgere il lavoro e non è necessario alcun calcolo del circuito, ma ha un punteggio basso in termini di manutenzione sotto tensione e peso dell'hardware. La protezione non incendiaria raggiunge il limite esterno in termini di costi e cablaggio perché è destinata solo alla Zona 2, dove un'atmosfera infiammabile è improbabile e di breve durata. Leggendo insieme le tre forme si ottiene la regola pratica: abbinare prima il metodo alla zona, poi lasciare che siano i costi e la manutenzione a scegliere tra i metodi idonei.

La verifica è ciò che distingue un'installazione conforme da un'installazione che sembra semplicemente convincente. Prima che un circuito entri in servizio, controllare il numero di certificato e la marcatura sul dispositivo, verificare che Uo sia pari o inferiore a Ui, che Io sia pari o inferiore a Ii e che Po sia pari o inferiore a Pi, quindi aggiungere la capacità e l'induttanza del cavo rispetto a Co e Lo. Leggere anche le condizioni speciali stampate dopo il numero del certificato, poiché spesso riportano una X e una restrizione sull'utilizzo del dispositivo. Infine, verificare la classe di temperatura rispetto al gas o vapore effettivamente presente, perché un dispositivo classificato per T4 non è automaticamente accettabile dove è stato impostato un limite T6.

La selezione dei componenti di solito decide quanto diventa facile l'esercizio. Un pressostato con parametri di entità pubblicati, una bobina solenoide classificata per la zona e un cavo la cui capacità è indicata sulla scheda tecnica trasformano un calcolo difficile in una breve lista di controllo. Quando un progetto combina circuiti refrigeranti infiammabili con aree classificate, vale la pena rivedere l'elenco dei componenti rispetto al calcolo del circuito in anticipo, prima che i disegni vengano corretti.

Se stai specificando parti per un sistema come questo, parla con il nostro team di ingegneri informazioni sul refrigerante, sulla zona e sulla tensione di controllo prima che venga effettuato l'ordine.