Instalarea sistemului de spectroscopie Raman în zone periculoase (ATEX, IECEx, NEC/CEC)

Acest articol cu scop educativ se concentrează pe sistemele de spectroscopie Raman instalate în atmosfere explozive cu gaze, , inclusiv în mediile din zonele ATEX 0/1/2, IECEx şi clasa I din America de Nord (NEC/CEC).

În articol sunt oferite explicaţii cu privire la mai multe aspecte:

• De ce sistemele Raman intră sub incidenţa cerinţelor pentru zone periculoase şi când instalaţiile trebuie să fie conforme
• Cum apar, cum sunt evaluate şi cum sunt atenuate riscurile de aprindere provocate de radiaţia optică
• Cum transpun cadrele ATEX, IECEx şi din America de Nord aceleaşi principii de siguranţă fizică în reguli de certificare şi instalare
• Cum sunt gestionate riscurile de aprindere provocate de radiaţia optică folosind conceptele de limitare a puterii (Ex op is) şi de sistem de centralizare (Ex op sh) şi cum afectează acest lucru etichetarea şi instalarea

Notă: echipamentele de spectroscopie Raman nu sunt certificate pentru utilizarea în atmosfere explozive cu praf, pulbere sau fibre. Prin urmare, aceste medii nu fac obiectul acestui articol.
De asemenea, acest articol nu abordează mecanismele de aprindere altele decât cele optice sau procedurile detaliate de conformitate cu legislaţia naţională, care necesită abordări separate de proiectare şi certificare a sistemelor.

Sistemele de spectroscopie Raman pot deveni o sursă potenţială de aprindere atunci când radiaţia optică este concentrată într-o atmosferă de gaze sau de vapori inflamabili, chiar dacă sondele Raman nu generează scântei sau componente electrice fierbinţi la punctul de măsurare.

Riscul de aprindere provine din încălzirea localizată cauzată de energia optică focalizată pe suprafeţe sau la nivelul particulelor. Imediat ce o instalaţie Raman este expusă unei atmosfere care ar putea conţine o combinaţie de oxigen şi vapori de gaze inflamabile sau ceaţă, aceasta este considerată a se afla într-o zonă periculoasă şi trebuie să respecte cerinţele relevante privind echipamentele pentru zone periculoase.

Conformitatea cu normele privind zonele periculoase pentru spectroscopia Raman este determinată de fizica aprinderii optice şi nu doar de scânteile electrice sau de legislaţia regională.

Conformitatea sistemelor Raman cu cerinţele pentru zonele periculoase este guvernată de aceleaşi principii fizice de siguranţă la nivel mondial. Cadrele regionale diferă în principal în ceea ce priveşte modul în care zonele periculoase sunt clasificate şi documentate, nu în ceea ce priveşte logica de instalare sau mecanismele de prevenire a aprinderii.

ATEX (Europa) şi IECEx (internaţional) utilizează un sistem de clasificare bazat pe zone (zonele 0, 1, 2) pentru a defini probabilitatea şi durata prezenţei atmosferelor cu gaze explozive. În funcţie de aceste zone se determină unde pot fi instalate sondele Raman şi ce concepte de protecţie trebuie aplicate.

• ATEX(UE) este un cadru legal legat de marcajul CE.
• IECEx(internaţional) oferă un sistem global de conformitate bazat pe standardele IEC.

Codul electric naţional (NEC) şi Codul electric canadian (CEC) pentru America de Nord aplică conceptele de clasă/diviziune sau clasă/zonă pentru locaţiile periculoase cu gaze (clasa I), cu omologări ale echipamentelor emise de obicei de UL, FM sau CSA.

Deşi terminologia diferă, intenţia este echivalentă: definirea locaţiilor periculoase şi asigurarea controlului surselor de aprindere.

• Clasificarea zonelor periculoase defineşte locurile în care pot fi instalate sondele optice şi componentele asociate (zone ATEX/IECEx; clasă/divizie sau clasă/zonă prevăzută de NEC/CEC).
• Limitarea fasciculului, inclusiv dispozitivele de centralizare pe traiectoriile optice şi conexiunile de fibră, împreună cu limitarea puterii laserului la punctul de măsurare (capătul sondei), previne aprinderea provocată de radiaţia optică.
• Conceptele de protecţie optică sunt aplicate la nivel de sistem pentru a asigura că radiaţia laser nu poate aprinde o atmosferă de gaze inflamabile.

În instalaţiile Raman, amplasarea vârfului sondei determină cerinţele privind zonele periculoase, deoarece acesta este locul în care energia optică este emisă în mod intenţionat în cadrul procesului.

• Zona 0: atmosferă explozivă prezentă în mod continuu sau pe perioade lungi
• Zona 1: probabilitate de apariţie ocazională
• Zona 2: apariţie improbabilă sau pentru perioade scurte

Analizorul este adesea instalat fizic într-o zonă nepericuloasă (generală), în timp ce cablurile de fibră optică conectează analizorul la sondă în zona 0, 1 sau 2.

Chiar şi atunci când este instalat într-o zonă generală, analizorul poate necesita totuşi marcarea pentru zone periculoase (Ex) dacă face parte dintr-un sistem care transmite energie optică într-o zonă periculoasă. În astfel de cazuri, analizorul este evaluat şi marcat pe baza conexiunii sale funcţionale cu zona periculoasă, nu doar pe baza locaţiei sale fizice.

Lista următoare prezintă o cartografiere conceptuală simplificată între zonele ATEX cu gaz (stânga) şi clasificările nord-americane (dreapta). Terminologia diferă, dar logica riscului de aprindere este aceeaşi.

• Zona 0 → Clasa I, Diviziunea 1
• Zona 1 → Clasa I, Diviziunea 1
• Zona 2 → Clasa I, Diviziunea 2

Elementele esenţiale ale marcării sistemelor Raman includ:

Grupul de echipamente: grupul II (industrii de suprafaţă, cum ar fi cea chimică şi farmaceutică)

Nivelul de protecţie a echipamentului (EPL):

• Ga → Zona 0
• Gb → Zona 1
• Gc → Zona 2

Grupuri de gaze: IIA, IIB, IIC (IIC fiind cel mai solicitant)

Clasa de temperatură: de exemplu, T6 (85 °C), T4 (135 °C)

Grupul de gaze şi clasa de temperatură sunt specificate de proprietarul instalaţiei pe baza datelor de proces şi determină etichetarea finală a sistemului.

Radiaţia optică poate aprinde atmosferele inflamabile atunci când energia este concentrată şi absorbită de suprafeţe mici sau particule. Standardul IEC 60079-28:2015 descrie acest mecanism şi defineşte concepte de protecţie pentru a preveni aprinderea în atmosfere explozive.

Standardul include tabele de referinţă care definesc limitele de putere ale radiaţiei optice în mod inerent sigure (Ex op is) pentru lungimi de undă, condiţii de expunere şi grupuri de gaze specifice. Aceste tabele oferă orientări de bază pentru nivelurile de putere optică considerate neinflamabile în condiţiile ipotezelor definite.

În aplicaţiile practice Raman, limita puterii de siguranţă aplicabile trebuie confirmată printr-o evaluare a riscurilor generate de sistemele laser (LHA). LHA ia în considerare nu numai valorile de referinţă standard, ci şi parametrii specifici aplicaţiei, inclusiv:

• Grupul de gaze şi sensibilitatea la aprindere
• Lungimea de undă şi geometria fasciculului
• Durata expunerii şi focalizarea optică
• Proiectarea sondei şi ipotezele privind defecţiunile

Prin urmare, LHA defineşte puterea maximă admisibilă a laserului la vârful sondei şi etichetarea finală Ex a sistemului.

Ex op is limitează energia optică astfel încât aprinderea să nu fie posibilă în condiţii normale de funcţionare şi în condiţii de defecţiune definite. În sistemele Raman, acest lucru se realizează de obicei prin limitarea puterii laserului la vârful sondei.

Nu există o valoare universală a puterii laserului care să fie sigură. Deşi standardul IEC 60079-28 oferă limite de referinţă, puterea maximă admisibilă rămâne specifică fiecărei aplicaţii şi trebuie validată prin metoda LHA, care defineşte zona de funcţionare sigură şi etichetarea finală a sistemului.

Ex op sh permite o putere optică mai mare, dar se bazează pe măsuri de siguranţă tehnice şi sisteme de centralizare pentru a asigura că radiaţia optică este dezactivată ori de câte ori ar putea apărea condiţii relevante pentru aprindere.

Acest concept este utilizat în mod obişnuit atunci când:

• Performanţa măsurării necesită o putere a laserului peste limitele Ex op is
• Condiţiile nesigure pot fi detectate şi atenuate în mod fiabil

Ex op sh poate include:

• Detecţia ruperii cablului
• Dispozitive de centralizare la conexiunile fibrelor
• Monitorizarea condiţiilor de proces (de exemplu, pierderea acoperirii cu lichid)
• Oprirea automată a laserului

Ex op sh se aplică la nivel de sistem şi poate implica componente situate în afara zonei periculoase.

În multe aplicaţii de proces, sondele Raman sunt instalate în medii care sunt în mod normal neexplozive, cum ar fi conductele sau recipientele umplute cu lichid. În condiţii normale de funcţionare, prezenţa lichidului împiedică formarea unei atmosfere de gaze inflamabile la vârful sondei.

Cu toate acestea, condiţiile de proces se pot modifica. Pierderea acoperirii cu lichid, degazificarea, uscarea sau funcţionarea anormală pot duce la formarea temporară a unei faze de gaze sau vapori inflamabili la punctul de măsurare. În astfel de scenarii, riscul de aprindere provocată de radiaţia optică se poate modifica dinamic, chiar dacă instalaţia nu este clasificată ca fiind permanent periculoasă.

Ghidurile industriale, inclusiv recomandările NAMUR, recunosc acest scenariu şi descriu utilizarea conceptelor de protecţie optică centralizată (Ex op sh) pentru gestionarea mediilor condiţional explozive. În aceste cazuri, Ex op sh nu numai că permite o putere optică mai mare, dar asigură şi dezactivarea automată a radiaţiei optice ori de câte ori condiţiile trec într-o stare relevantă pentru aprindere (de exemplu, când se pierde acoperirea cu lichid).

Această abordare permite aplicarea în siguranţă a spectroscopiei Raman în procese în care nu se aşteaptă atmosfere explozive în timpul funcţionării normale, dar care nu pot fi excluse în condiţii anormale sau tranzitorii definite, cu condiţia ca logica de detecţie, centralizările şi comportamentul la oprire să fie clar definite şi validate la nivel de sistem.

O instalare tipică a unui sistem Raman include:

• Un analizor amplasat într-o zonă nepericuloasă sau, acolo unde este cazul, într-o incintă certificată pentru instalare în zona 1 / diviziunea 2
• Cabluri de fibră optică dirijate în zone periculoase
• O sondă Raman certificată Ex (ATEX, IECEx sau NEC/CEC America de Nord, după caz) instalată în zona 0, 1 sau 2

În funcţie de conceptul de protecţie optică selectat (Ex op is sau Ex op sh), sistemul certificat se bazează pe limitarea fasciculului, limitarea puterii laserului la sondă şi măsurile de protecţie asociate. Centralizările suplimentare sau funcţiile de monitorizare, atunci când sunt implementate folosind dispozitive separate, nu fac parte din certificarea sistemului Raman şi trebuie evaluate de utilizatorul final ca parte a conceptului general de instalare şi siguranţă.

Aşa cum se arată în ilustraţia de mai sus, locaţia sondei defineşte separarea zonelor (zona 0/1/2), în timp ce analizorul se află de obicei într-o zonă generală. Aprinderea optică este controlată prin Ex op is (putere limitată per LHA) sau Ex op sh (sistem optic centralizat). Combinaţia completă centralizată analizor-sondă de fibră optică este evaluată şi marcată ca un singur sistem certificat, iar analizorul necesită în continuare marcajul Ex atunci când este conectat funcţional la o zonă periculoasă.

Consideraţii privind Ex op sh în timpul instalării – Fibre, conectoare şi mecanisme de centralizare

În instalaţiile practice, aplicarea Ex op sh este mai vizibilă în timpul instalării şi integrării sistemului, decât la sonda în sine.

În timp ce sonda Raman este de obicei proiectată pentru a îndeplini cerinţele definite de protecţie optică, controlul riscului de aprindere la nivel de sistem este adesea determinat de modul în care energia optică este transmisă de la analizor către zona periculoasă. Aceasta include:

• Traseul cablului de fibră optică prin zone periculoase şi nepericuloase
• Conectoare optice situate la limitele zonelor sau în interiorul carcaselor
• Integritatea căii optice între analizor şi sondă

Din acest motiv, sistemele Ex op sh implementează mecanisme de centralizare care monitorizează continuitatea cablului şi starea conectoarelor, asigurându-se că radiaţia laser este dezactivată automat în cazul în care calea optică este întreruptă sau expusă. Aceste măsuri sunt deosebit de relevante în timpul:

• Instalării şi punerii în funcţiune
• Întreţinerii sau reconectării fibrelor
• Apariţiei condiţiilor anormale, cum ar fi deteriorarea cablurilor

Din perspectiva instalării, Ex op sh mută astfel accentul de la certificarea la nivel de componentă la comportamentul la nivel de sistem: traseul de cablu, manipularea conectoarelor şi validarea dispozitivelor de centralizare devin parte a conceptului de siguranţă în zonele periculoase şi trebuie luate în considerare în timpul proiectării, instalării şi documentării.

• Defineşte clasificarea zonei (zone sau clase)
• Specifică grupul de gaze şi clasa de temperatură pe baza datelor de proces
• Asigură instalarea mecanică şi electrică corectă
• Efectuează sau pune în funcţiune evaluările zonelor periculoase şi ale riscurilor generate de sistemele laser

• Furnizează echipamente Raman certificate Ex (analizor, sondă sau componente individuale, după caz), cu sonda marcată conform cerinţelor definite de persoana responsabilă Ex la locaţia clientului
• Comunică metodele de protecţie optică disponibile acceptate de echipament (de exemplu, Ex op is sau Ex op sh)
• Defineşte şi documentează limitele certificate ale puterii laserului, caracteristicile de protecţie încorporate şi etichetarea necesară a echipamentului
• Atunci când se aplică Ex op sh, defineşte clar domeniul de aplicare al certificării şi limita dintre echipamentul certificat şi responsabilităţile generale ale clientului privind integrarea sistemului şi evaluarea siguranţei

Conformitatea cu cerinţele pentru zone periculoase se aplică întregului sistem Raman, nu componentelor individuale. Analizorul, sonda, fibra optică, setările de putere şi funcţiile de siguranţă formează o singură configuraţie certificată. Orice modificare necesită reevaluare.

Paşi necesari pentru persoana responsabilă de zonele Ex la locaţia clientului înainte de selectarea echipamentului pentru zona Ex

1. Confirmă şi documentează clasificarea zonei periculoase
2. Defineşte grupul de gaze şi clasa de temperatură
3. Efectuează evaluarea riscurilor generate de sistemele laser (LHA)
4. Decide dacă este nevoie de Ex op is (limitare de putere) sau de Ex op sh (sistem centralizat)
5. Selectează analizorul şi/sau sonda certificate, asigurându-se că marcajul sondei Ex este adecvat pentru grupul de gaze şi clasa de temperatură definite în timpul clasificării zonei periculoase
6. Planifică arhitectura de instalare şi traseul fibrelor
7. Verifică marcajele (EPL, grupul de gaze, clasa de temperatură, conceptul de protecţie optică)
8. Completează documentaţia conform execuţiei şi păstrează certificatele
9. Instruieşte personalul cu privire la operarea în condiţii de siguranţă

„Puterea laserului este stabilită de instrument.”

Nu. Puterea maximă admisibilă este specifică fiecărei aplicaţii şi definită de condiţiile zonei periculoase.

„Dacă analizorul este certificat, sistemul este conform.”

Nu. Conformitatea este evaluată .la nivel de sistem, astfel încât este necesară şi o sondă certificată Ex.

„Instalaţiile conform standardelor IECEx, ATEX şi NEC/CEC din America de Nord respectă reguli diferite.”

Nu. Indiferent dacă se utilizează clasificarea pe zone sau pe diviziuni, logica de instalare este aceeaşi. Diferenţele constau în modul în care zonele periculoase sunt clasificate şi certificate.

„Ex op sh este o excepţie.”

Nu. Ex op sh este un concept standard de protecţie recunoscut, destinat unor cazuri de utilizare specifice, de obicei atunci când fereastra sondei Raman este scufundată într-un eşantion lichid, iar condiţiile periculoase (gaz, ceaţă sau vapori în combinaţie cu oxigenul) pot apărea numai în absenţa acelui lichid şi pot fi detectate şi atenuate în mod fiabil.

1. 1910.307 - Locaţii periculoase (clasificate). | Administraţia pentru siguranţa şi sănătatea la locul de muncă a SUA
2. Directiva ATEX 2014/34/UE – Cadrul juridic al UE care reglementează echipamentele destinate utilizării în atmosfere potenţial explozive
3. Ghid privind Codul Electric Canadian, Partea 1[i], ediţia a 26-a – O foaie de parcurs: secţiunea 18 Locaţii periculoase - Electrical Industry News Week
4. Clasificarea zonelor periculoase (America de Nord) – )Prezentare generală a conceptelor de clasă/diviziune şi zonă utilizate în cadrele NEC şi CEC
5. IEC 60079-28:2015 – Standard internaţional care defineşte riscurile de aprindere şi conceptele de protecţie (Ex op is, Ex op sh) pentru radiaţia optică în atmosfere explozive
6. Prezentare generală a sistemului IECEx – Sistem internaţional de evaluare a conformităţii pentru echipamente Ex bazat pe standardele IEC
7. Ghidul NAMUR (asociaţie de utilizatori – )Recomandări ale industriei privind implementarea practică a conceptelor de protecţie la explozie în automatizarea proceselor