15 kluczowych pojęć ATEX, które powinien znać każdy inżynier pracujący w strefach zagrożonych wybuchem
Projektowanie, dobór aparatury oraz eksploatacja instalacji przemysłowych w środowiskach, w których występują palne gazy, pary cieczy lub pyły, wymagają od inżynierów biegłej znajomości specyficznej terminologii prawnej i technicznej. Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe, regulowane europejskimi dyrektywami oraz serią wieloarkuszowych norm PN-EN 60079, operuje aparatem pojęciowym, którego błędna interpretacja na etapie obliczeń lub specyfikacji sprzętowej może prowadzić do katastrofalnych skutków. Niniejsze opracowanie stanowi techniczne kompendium piętnastu kluczowych pojęć, które stanowią absolutny fundament wiedzy dla każdego inżyniera automatyka, elektryka oraz mechanika pracującego w obszarach Ex.
https://r-stahl.com/en/global/industries/innovations/explosion-protected-control-devices/
W europejskim porządku prawnym bezpieczeństwo przeciwwybuchowe opiera się na dwóch uzupełniających się aktach prawnych, potocznie nazywanych dyrektywami ATEX. Pierwszą z nich jest dyrektywa produktowa 2014/34/UE, skierowana do producentów urządzeń oraz systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w atmosferze wybuchowej, która definiuje zasadnicze wymagania bezpieczeństwa i procedury oceny zgodności. Drugim filarem jest dyrektywa społeczna 1999/92/WE, nakładająca rygorystyczne obowiązki na użytkowników końcowych oraz pracodawców w zakresie minimalnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i ochrony zdrowia pracowników zatrudnionych na stanowiskach pracy, na których może wystąpić atmosfera wybuchowa. Koordynacja zapisów obu dyrektyw jest niezbędna do zapewnienia pełnej spójności pomiędzy parametrami technicznymi dostarczanego sprzętu a realnymi warunkami operacyjnymi panującymi na instalacji przemysłowej.
Klasyfikacja przestrzeni pod kątem prawdopodobieństwa i czasu występowania atmosfery wybuchowej stanowi punkt wyjścia dla wszelkiej działalności inżynieryjnej w obiektach przemysłowych. Przestrzenie, w których zagrożenie generowane jest przez palne gazy, pary cieczy lub mgły, dzieli się na Strefę 0, gdzie atmosfera wybuchowa występuje ciągle, przez długie okresy lub często, Strefę 1, w której jej pojawienie się jest prawdopodobne w trakcie normalnego działania, oraz Strefę 2, gdzie wystąpienie zagrożenia jest mało prawdopodobne, a jeśli się pojawi, utrzymuje się przez krótki czas. W przypadku palnych pyłów oraz włókien analogicznie definiuje się Strefę 20, Strefę 21 oraz Strefę 22, przy czym kryteria czasowe częstotliwości występowania obłoków pyłu odpowiadają definicjom stosowanym dla mediów gazowych. Obecność samych warstw pyłu nie decyduje bezpośrednio o zaliczeniu przestrzeni do danej strefy, stanowią one jednak potencjalne źródło powstania atmosfery wybuchowej.
Mieszanina wybuchowa, definiowana współcześnie jako atmosfera wybuchowa, to specyficzny układ fizykochemiczny składający się z substancji palnych w postaci gazów, par, mgieł lub pyłów, wymieszanych z powietrzem w warunkach atmosferycznych, w którym po zapłonie spalanie rozprzestrzenia się na całą niespaloną mieszaninę. Kluczowym parametrem determinującym status wybuchowości takiego układu są granice wybuchowości, czyli dolna i górna granica stężenia substancji palnej w powietrzu, pomiędzy którymi samopodtrzymujące się spalanie jest fizycznie możliwe. Inżynier procesowy musi stale monitorować i utrzymywać stężenia substancji palnych poza tym niebezpiecznym przedziałem (najczęściej bezpiecznie poniżej dolnej granicy wybuchowości), stosując m.in. systemy wentylacji wymuszonej lub inertyzacji (np. azotem).
Minimalna energia zapłonu (MIE) to najmniejsza energia wyładowania elektrycznego lub elektrostatycznego, jaka jest zdolna doprowadzić do zapłonu najłatwiej zapalnej mieszaniny danej substancji palnej z powietrzem. Wartość ta, wyrażana zazwyczaj w milidżulach (mJ), stanowi krytyczny wyznacznik przy projektowaniu systemów ochrony, zwłaszcza przy wdrażaniu systemów uziemień elektrostatycznych oraz doborze aparatury iskrobezpiecznej dedykowanej dla odpowiedniej grupy wybuchowości gazów. Przykładowo, wodór charakteryzuje się ekstremalnie niską minimalną energią zapłonu na poziomie niespełna dwudziestu mikrodżuli (0,02 mJ), co sprawia, że nawet niewidoczne dla ludzkiego oka i niewyczuwalne dla człowieka wyładowanie elektrostatyczne (np. z odzieży pracownika) może stać się bezpośrednią przyczyną eksplozji.
Mieszaniny gazowe mogą ulec zapłonowi nie tylko od iskry, ale również w wyniku kontaktu z rozgrzaną powierzchnią obudowy urządzenia. Z tego powodu wszystkie gazy palne i pary cieczy przyporządkowuje się do jednej z sześciu klas temperaturowych, oznaczanych symbolami od T1 do T6, na podstawie ich temperatury samozapłonu. Maksymalna dopuszczalna temperatura powierzchni urządzenia certyfikowanego do pracy w danej klasie musi być niższa (z zachowaniem określonego normatywnie marginesu bezpieczeństwa) od temperatury samozapłonu gazu. Dla klasy T1 maksymalna temperatura powierzchni urządzenia może wynosić do 450°C, podczas gdy najbardziej rygorystyczna klasa T6 ogranicza tę temperaturę do zaledwie 85°C, co wymusza stosowanie bardzo precyzyjnych zabezpieczeń termicznych.
Podział gazów i par na grupy wybuchowości, oznaczane jako IIA, IIB oraz IIC, odzwierciedla podatność danego medium na zapłon poprzez szczeliny konstrukcyjne obudów oraz kryteria energetyczne. Klasyfikacja ta bazuje na dwóch laboratoryjnie mierzonych parametrach, którymi są maksymalny bezpieczny prześwit doświadczalny oraz stosunek minimalnego prądu zapłonu do prądu zapłonu czystego metanu. Grupa IIA reprezentuje gazy o najmniejszej agresywności, takie jak propan, grupa IIB obejmuje media o średnim stopniu zagrożenia, np. etylen, natomiast grupa IIC zrzesza gazy najbardziej niebezpieczne i wysoce podatne na zapłon, wśród których kluczowymi przedstawicielami są wodór oraz acetylen, co implikuje konieczność stosowania najbardziej zaawansowanych technologicznie metod ochrony przeciwwybuchowej.
Zgodnie z wymaganiami normatywnymi aparatura techniczna dedykowana do pracy w przestrzeniach Ex jest dzielona na trzy zasadnicze grupy urządzeń determinowane specyfiką zakładu oraz rodzaju medium palnego. Grupa I obejmuje urządzenia przeznaczone do pracy w wyrobiskach podziemnych kopalń oraz w tych częściach ich instalacji powierzchniowych, które są zagrożone wybuchem metanu lub pyłu węglowego. Grupa II dedykowana jest do urządzeń pracujących w napowierzchniowych gałęziach przemysłu, w których występuje zagrożenie wybuchem gazów, par cieczy lub mgieł. Z kolei Grupa III została wyodrębniona celowo dla przemysłu powierzchniowego, w którym zagrożenie generowane jest przez palne pyły oraz włókna, co ułatwia projektantom jednoznaczną selekcję sprzętu pod kątem specyfiki dominującego medium.
Rodzaje ochrony przeciwwybuchowej to znormalizowane metody konstrukcyjne stosowane w celu uniemożliwienia zapłonu otaczającej atmosfery wybuchowej przez urządzenia elektryczne i nieelektryczne. Do najpopularniejszych metod zalicza się budowę ognioszczelną Ex d, która opiera się na zatrzymaniu wybuchu wewnątrz obudowy, budowę wzmocnioną Ex e, zapobiegającą powstawaniu łuków i iskier na zaciskach, oraz iskrobezpieczeństwo Ex i, ograniczające parametry energetyczne obwodów. W instalacjach procesowych powszechnie stosuje się również osłony pyłowe Ex t, bazujące na mechanicznej szczelności obudowy, a także systemy z osłoną ciśnieniową Ex p, w których wnętrze aparatury przedmuchuje się gazem ochronnym w celu wytworzenia stałego nadciśnienia uniemożliwiającego wniknięcie mediów palnych.
Stopień ochrony IP, definiowany międzynarodowym kodem zgodnie z normą PN-EN 60529, określa poziom szczelności obudowy urządzenia przed wnikaniem ciał stałych oraz wody. W inżynierii przeciwwybuchowej parametr ten jest bezpośrednio powiązany z rodzajami ochrony Ex, a jego minimalne wartości są ściśle determinowane przez charakterystykę strefy zagrożenia oraz rodzaj pyłu. Przykładowo, obudowy urządzeń pracujących w Strefie 21 muszą bezwzględnie legitymować się całkowitą pyłoszczelnością na poziomie co najmniej IP6X dla każdego rodzaju pyłu. W Strefie 22 wymóg IP6X dotyczy pyłów przewodzących prąd (Grupa IIIC), podczas gdy dla pyłów nieprzewodzących (Grupa IIIB) norma dopuszcza stopień IP5X. Zapewnienie odpowiedniego kodu IP jest kluczowe, bo akumulacja palnego osadu wewnątrz rozgrzanej szafy sterowniczej mogłaby doprowadzić do wewnętrznego zapłonu termicznego lub zwarcia.
Skuteczna ocena bezpieczeństwa obiektu wymaga identyfikacji i eliminacji wszystkich potencjalnych źródeł zapłonu, które mogłyby zainicjować reakcję wybuchową w obecności palnego medium. Norma PN-EN 1127-1 kodyfikuje 13 podstawowych, jednoznacznie zdefiniowanych źródeł zapłonu, wśród których kluczowe znaczenie mają gorące powierzchnie, płomienie i gorące gazy, iskry wytwarzane mechanicznie podczas tarcia lub szlifowania, a także urządzenia elektryczne generujące łuki elektryczne. Projektanci muszą również uwzględniać zagrożenia trudniej dostrzegalne, takie jak prądy błądzące, instalacje ochrony katodowej przed korozją, wyładowania elektrostatyczne, promieniowanie elektromagnetyczne w szerokim spektrum częstotliwości, promieniowanie jonizujące, ultradźwięki, a także reakcje egzotermiczne i samozapłon substancji magazynowanych.
Ocena ryzyka wybuchu to kompleksowy i wieloetapowy proces analityczny, do którego przeprowadzenia zobligowany jest każdy pracodawca zarządzający zakładem przemysłowym przetwarzającym media palne. Analiza ta obejmuje szczegółową identyfikację właściwości fizykochemicznych substancji, wyznaczenie stref zagrożenia, wskazanie potencjalnych źródeł zapłonu oraz oszacowanie skali przewidywanych skutków ewentualnej eksplozji dla zdrowia ludzi i integralności mienia. Wyniki tej procedury badawczej, analogiczne do wymagań brytyjskich przepisów DSEAR, stanowią kluczowy element Dokumentu Zabezpieczenia Przed Wybuchem (DZPW) i formalny punkt wyjścia do wdrożenia technicznych środków zapobiegawczych oraz ochronnych.
Zagrożenia generowane przez pyły palne posiadają odmienną specyfikę fizyczną niż zagrożenia gazowe, co wymaga stosowania dedykowanych wskaźników laboratoryjnych do oceny ich wybuchowości. Kluczowym parametrem jest wskaźnik Kst, definiowany jako stała charakterystyczna wybuchu pyłu, określająca maksymalną szybkość narastania ciśnienia wybuchu w zamkniętej przestrzeni testowej dla optymalnego stężenia pyłu. Drugim decydującym wskaźnikiem jest Pmax, oznaczający maksymalne ciśnienie wybuchu, jakie jest w stanie wygenerować dana substancja podczas gwałtownego spalania przestrzennego. Wartości te są niezbędne dla inżynierów mechaników projektujących układy odciążania wybuchu, panele dekompresyjne oraz zawory odcinające na silosach i filtrach przemysłowych.
Strefa bezpieczna, określana w nomenklaturze technicznej jako obszar niezagrożony wybuchem lub przestrzeń Non-Ex, to lokalizacja, w której na podstawie przeprowadzonej oceny ryzyka oraz analizy procesowej nie przewiduje się możliwości uformowania się atmosfery wybuchowej w stężeniach stwarzających zagrożenie. Wyznaczenie granic stref bezpiecznych ma kolosalne znaczenie ekonomiczne i inżynieryjne dla inwestora, ponieważ poza granicami stref Ex dopuszczalne jest stosowanie standardowych, komercyjnych urządzeń przemysłowych bez kosztownych certyfikatów ATEX. Inżynierowie dążą optymalizacyjnie do tego, aby jak największa część infrastruktury sterowniczej, szaf PLC oraz stacji transformatorowych znajdowała się fizycznie właśnie w strefach bezpiecznych, poza zasięgiem emisji gazów i pyłów.
Certyfikat badania typu UE to oficjalny dokument wydawany przez akredytowaną i niezależną jednostkę notyfikowaną, potwierdzający, że dany typ urządzenia spełnia zasadnicze wymagania bezpieczeństwa określone w dyrektywie 2014/34/UE oraz powiązanych normach zharmonizowanych. Posiadanie tego dokumentu jest obligatoryjne dla większości urządzeń elektrycznych przeznaczonych do pracy w Strefach 0, 1, 20 oraz 21. Dla inżyniera dokonującego zakupu aparatury sam certyfikat to jednak za mało – kluczowe jest skrupulatne zweryfikowanie zawartych w nim tak zwanych warunków szczególnych bezpiecznego stosowania, oznaczanych literą X na końcu numeru certyfikatu, które definiują specyficzne ograniczenia montażowe lub eksploatacyjne urządzenia.
Dokument Zabezpieczenia Przed Wybuchem (DZPW) to formalny dokument o charakterze prawno-organizacyjnym, którego sporządzenie przed podjęciem pracy przez personel jest bezwzględnym obowiązkiem pracodawcy zgodnie z rozporządzeniem wdrażającym dyrektywę 1999/92/WE. Dokument ten musi w sposób spójny i wyczerpujący dowodzić, że miejsca pracy zostały ocenione pod kątem ryzyka wybuchu, strefy Ex zostały prawidłowo wyznaczone, a pracownicy zostali właściwie przeszkoleni z zakresu procedur bezpieczeństwa. Ponadto, struktura tego opracowania musi zawierać szczegółowy rejestr wszystkich urządzeń pracujących w strefach zagrożenia wraz z potwierdzeniem ich zgodności z wymaganiami dyrektywy produktowej (2014/34/UE), stanowiąc tym samym nadrzędny kodeks bezpieczeństwa operacyjnego całego zakładu przemysłowego.