Instrumentista de Sistemas-Áreas Classificadas

Instrumentista de Sistemas-Áreas Classificadas

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TEIXEIRA, Paulo Roberto Frade Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR, 2006.

56 p.:il.

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1 Classificação de áreas6
1.1 Definições6
1.1.1 Atmosfera explosiva6
1.1.2 Área classificada6
1.1.3 Explosão6
1.1.4 Ignição6
1.2 Classificação segundo as normas européias (IEC)7
1.2.1 Classificação em zonas7
1.2.2 Classificação em grupos8
1.3 Temperatura de ignição espontânea9
1.3.1 Temperatura de superfície9
2 Método de proteção1
2.1 Possibilidade de explosão1
2.1.1 Métodos de prevenção1
2.2 À prova de explosão (Ex d)12
2.2.1 Características13
2.2.2 Aplicações14
2.3 Pressurizados (Ex p)14
2.4 Encapsulado (Ex m)16
2.5 Imerso em óleo (Ex o)16
2.6 Enchimento de areia (Ex q)17
2.7 Segurança intrínseca (Ex i)17
2.8 Segurança aumentada (Ex e)17
2.9 Não ascendível (Ex n)18
2.10 Proteção especial (Ex s)19
2.1 Combinação das proteções19
2.12 Aplicação dos métodos de proteção19
3 Segurança intrínseca (ex i)2 0
3.1 Origem20
3.1.1 Energia de ignição21
3.1.2 Princípios2
3.1.3 Energia elétrica2
3.2 Limitadores de energia23
3.2.1 Limite de corrente24
3.2.2 Limite de tensão24
3.2.3 Cálculo da potência25
3.2.4 Armazenadores de energia25
3.2.5 Elementos armazenadores controlados26
3.2.6 À prova de falhas26
3.2.7 À prova de defeitos27
3.2.8 Categorias proteção28
3.2.8.1 Categoria “ia”28
3.2.8.2 Categoria “ï b”28
3.2.9 Aterramento28
3.2.10 Equipotencialidade dos terras29
3.2.10.1 Cálculo da sobretensão3 0
3.2.1 Isolação galvânica31
4 Marcação3
4.1 A Certificação da segurança intrínseca34
4.1.2 Equipamentos intrinsecamente seguros34
4.1.3 Equipamentos intrinsecamente seguros associados34
4.2 Parametrização35
4.2.1 Intrinsecamente seguro3 5
4.2.2 Intrinsecamente seguro associado35
4.3 Conceito de entidade36
4.3.1 Aplicação da entidade37
4.3.2 Análise das marcações3 8
4.4 Temperatura de ignição espontânea38
5 Aplicações típicas39
5.1 Barreiras Zener39
5.1.1 Contato seco39
5.1.2 Sensor de proximidade4 0
5.1.3 Solenóides e sinalizadores40
5.1.4 Transmissores de corrente41
5.1.5 Conversor eletropneumático41
5.1.6 Termopares42
5.1.7 Termoresistências42
5.2 Isoladores galvânicos43
5.2.1 Repetidores digitais4
5.2.2 Monitor de velocidade4
5.2.3 Drives digitais45
5.2.4 Repetidores analógicos4 6
5.2.4.1 Smart transmitters47
5.2.5 Drives analógicos47
5.2.6 Termoresistências48
5.2.7 Termopares49

A identificação das áreas de risco das instalações industriais é normalmente executada por engenheiros de processos ou químicos, altamente especializados na área.

A seguir estão alguns termos utilizados na identificação e classificação das áreas de risco, potencialmente explosivas:

Em processos industriais, especialmente em petroquímicas e químicas, onde se manipulam substâncias inflamáveis, podem ocorrer em determinadas áreas a mistura de gases, vapores ou poeiras inflamáveis com o ar quente, em proporções adequadas, formam a atmosfera potencialmente explosiva.

Pode-se entender como um local aberto ou fechado, onde existe a possibilidade de formação de uma atmosfera explosiva, podendo ser dividido em zonas de diferentes riscos, sem que haja nenhuma barreira física.

1.1.3 Explosão

Do ponto de vista da química, a oxidação, a combustão e a explosão são reações exotérmicas de diferentes velocidades de reação, sendo iniciadas por uma detonação ou ignição.

É a chama ocasionada por uma onda de choque, que tem sua origem em uma faísca ou arco elétrico ou por efeito térmico.

A idéia de classificação das áreas de risco visa agrupar as diversas áreas que possuem grau de risco semelhante, tornando possível utilizar equipamentos elétricos projetados especialmente para cada área.

A classificação baseia-se no grau de periculosidade da substância combustível manipulada e na freqüência de formação da atmosfera potencialmente explosiva. Visando a padronização dos procedimentos de classificação das áreas de risco, cada País adota as recomendações de Normas Técnicas. No Brasil a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) utiliza a coletânea de Normas Técnicas da IEC (International Electrotechnical Commission), que trata da classificação das áreas no volume IEC-79-10.

A classificação em zonas baseia-se na freqüência e duração com que ocorre a atmosfera explosiva, conforme demonstrado na Tabela 1.1 e ilustrado na Figura 1.1.

Tabela 1.1 – Classificação IEC em Zonas

Classificação em Zonas Descrição

ZONA 0 Área onde a atmosfera explosiva, formada por gases combustíveis, ocorre permanentemente ou por longos períodos.

ZONA 1 Área onde a atmosfera explosiva, formada por gases combustíveis, provavelmente ocorra em operação normal dos equipamentos.

ZONA 2

Área onde não é provável o aparecimento da atmosfera explosiva, formada por gases combustíveis, em condições normais de operação, e se ocorrer é por curto período de tempo.

ZONA 10 Área onde a atmosfera explosiva, formada por poeiras combustíveis, ocorre permanentemente ou por longos períodos.

ZONA 1

Área onde não é provável o aparecimento da atmosfera explosiva, formada por poeiras combustíveis, em condições normais de operação, e se ocorrer é por curto período de tempo.

Área onde a atmosfera explosiva, formada por substâncias analgésicas ou antisépticas em centros cirúrgicos, ocorre permanentemente ou por longos períodos.

Área onde não é provável o aparecimento da atmosfera explosiva, formada por substâncias analgésicas ou anti-sépticas em centros cirúrgicos, em condições normais de operação, e se ocorrer é por curto período de tempo.

Figura 1.1 – Exemplo de classificação por zonas

Na classificação em grupos os diversos materiais são agrupados pelo grau de periculosidade que proporcionam, conforme ilustra a Tabela 1.2 a seguir:

Tabela 1.2 – Classificação IEC em grupos

Grupos Descrição

Grupo I Ocorre em minas onde prevalecem os gases da família do metano (grisou) e poeira de carvão.

Grupo I Ocorre em indústrias de superfície (químicas, petroquímicas, farmacêuticas, etc), subdividindo-se em IIA, IIB e IIC.

Grupo IIA Ocorre em atmosferas explosivas, onde prevalecem os gases da família do propano.

Grupo IIB Ocorre em atmosferas explosivas, onde prevalecem os gases da família do etileno.

Grupo IIC Ocorre em atmosferas explosivas, onde prevalecem os gases da família do hidrogênio (incluindo-se o acetileno).

Os gases representativos são utilizados para ensaios de equipamentos em laboratório, pois são mais perigosos que as outras substâncias que representam. O Anexo I lista as substâncias mais comuns encontradas na indústria, de acordo com o grupo que pertencem.

NOTA 1: O grupo de a maior periculosidade é o Grupo IIC, conseqüentemente se um equipamento é projetado para este grupo, também pode ser instalado no Grupo IIB e assim sucessivamente.

NOTA 2: Esta classificação segundo a normalização da IEC, não cobre as poeiras e fibras combustíveis, a norma apropriada está em elaboração.

A temperatura de ignição espontânea de um gás é a temperatura em que a mistura se auto detona, sem que seja necessário adicionar energia.

Este parâmetro é muito importante, pois limita a máxima temperatura de superfície que pode ser desenvolvida por equipamentos que deve ser instalado em uma atmosfera potencialmente explosiva.

O Anexo I, traz uma lista dos principais gases com suas respectivas temperaturas de ignição espontânea, classificados segundo as normas IEC.

1.3.1 Temperatura de superfície

Todo equipamento para instalação em áreas classificadas, independente do tipo de proteção, deve ser projetado e certificado para uma determinada categoria da temperatura de superfície, analisando-se sob condições normais ou não de operação, e deve ser menor que a temperatura de ignição espontânea do gás. A Tabela 1.3 ilustra as categorias de temperatura de superfície: segundo as normas Européia e Americana.

Tabela 1.3 – Categorias de temperatura de superfície

Temperatura de Superfície Categoria IEC / Européia Categoria NEC / América

85ºC T6 T6

100ºC

120ºC T5 T5

T4A

135ºC 160ºC 165ºC 180ºC

T4 T3C T3B T3A

200ºC 215ºC 230ºC 260ºC 280ºC

T3 T2D T2C T2B T2A

É importante notar que não existe correlação entre a energia de ignição do gás (grau de periculosidade) e a temperatura de ignição espontânea, exemplo disto é o Hidrogênio que necessita de 20 µ Joules ou 560ºC, enquanto o Acetaldeído requer mais de 180µ Joules, mas detona-se espontaneamente com 140ºC.

É evidente que um equipamento classificado para uma determinada Categoria de

Temperatura de Superfície, pode ser usado na presença de qualquer gás (de qualquer Grupo ou Classe) desde que tenha a temperatura de ignição espontânea maior que a categoria do instrumento.

2 Método de proteção

O risco da ignição de uma atmosfera existe se ocorrer simultaneamente:

• A presença de um material inflamável, em condições de operação normal ou anormal;

• O material inflamável encontra-se em um estado tal e em quantidade suficiente para formar uma atmosfera explosiva;

• Existe uma fonte de ignição com energia elétrica ou térmica suficiente para causar a ignição da atmosfera explosiva.

• Existe a possibilidade da atmosfera alcançar a fonte de ignição (Figura 2.1)

Figura 2.1 – Triângulo de ignição

2.1.1 Métodos de prevenção

Existem vários métodos de prevenção, que permitem a instalação de equipamentos elétricos geradores de faíscas elétricas e temperaturas de superfícies capazes de trabalhar em áreas de atmosfera potencialmente explosiva.

Esses métodos de proteção baseiam-se em um dos princípios:

• Confinamento: este método evita a detonação da atmosfera, confinando a explosão em um compartimento capaz de resistir a pressão desenvolvida para as áreas vizinhas. (exemplo: equipamentos à prova de explosão);

• Segregação: é a técnica que visa separar fisicamente a atmosfera potencialmente explosiva da fonte de ignição (ex: equipamentos pressurizados, imersos e encapsulados);

• Prevenção: neste método controla-se a fonte de ignição de forma a não possuir energia elétrica e térmica suficiente para detonar a atmosfera explosiva (exemplo: equipamentos intrinsecamente seguros).

Este método de proteção baseia-se totalmente no conceito de confinamento. A fonte de ignição pode permanecer em contato com a atmosfera explosiva, conseqüentemente pode ocorrer uma explosão interna ao equipamento.

Um invólucro à prova de explosão deve suportar a pressão interna desenvolvida durante a explosão, impedindo a propagação das chamas, gases quentes ou temperaturas de superfície.

Desta forma o invólucro à prova de explosão deve ser construído com um material muito resistente, normalmente alumínio ou ferro fundido, e deve possuir um interstício estreito e longo para que os gases quentes desenvolvidos durante uma possível explosão, possam ser resfriados, garantindo a integridade da atmosfera ao redor, conforme ilustra a Figura 2.2.

Figura 2.2 – Invólucro á prova de explosão

Os cabos elétricos que entram e saem do invólucro devem ser conduzidos por eletrodutos metálicos, pois também são considerados como uma fonte de ignição. Para evitar a propagação de uma explosão interna, através das entradas e saídas de cabo do invólucro, devem ser instalados Unidades Seladoras, que consistem de um tubo rosqueado para união do eletroduto com o invólucro, sendo preenchida com uma massa especial que impede a propagação das chamas através dos cabos.

Os invólucros à prova de explosão não são permitidos, em zonas de alto risco (Zona 0), pois a integridade do grau de proteção depende de uma correta instalação e manutenção. Abaixo indicamos alguns desses problemas:

• A segurança do invólucro à prova de explosão depende da integridade mecânica, tornando necessária uma inspeção de controle periódica;

• Não é possível ajustar ou substituir componentes com o equipamento energizado, dificultando os processos de manutenção;

• Normalmente também se encontram dificuldades de se remover a tampa frontal, pois necessita de ferramenta especial para retirar e colocar os vários parafusos, sem contar o risco na integridade da junta (interstício);

• A unidade atmosférica e a condensação podem causar corrosões nos invólucros e seus eletrodutos, obrigando em casos especiais a construção do invólucro e metais nobres como o aço inoxidável, bronze, etc; tornando ainda mais caro, os invólucros, devido ao seu peso.

Figura 2.3 – Invólucro a prova de explosão

Este tipo de proteção é indispensável nas instalações elétricas em atmosferas explosivas, principalmente nos equipamentos de potência, tais como: painéis de controle de motores, luminárias, chaves de comando, etc, conforme ilustrado nas Figuras 2.4, 2.5, 2.6 e 2.7.

A técnica de pressurização é baseada nos conceitos de segregação, onde o equipamento é construído de forma a não permitir que a atmosfera potencialmente explosiva penetre no equipamento que contém elementos faiscantes ou de superfícies quentes, que poderiam detonar a atmosfera.

Figura 2.4 – Invólucro á prova de explosão com eletroduto e unidade seladora

Figura 2.6 – Micro switch à prova de explosção

Figura 2.7 – Sirene elétrica à prova de explosâo

Figura 2.5 – Luminária á prova de explosâo

A atmosfera explosiva é impedida de penetrar no invólucro devido ao gás de proteção (ar ou gás inerte) que é mantido com uma pressão levemente maior que a da atmosfera externa.

A sobrepressão interna pode ser mantida ou sem um fluxo contínuo, e não requer nenhuma característica adicional de resistência do invólucro, mas recomenda-se a utilização de dispositivos de alarme que detectam alguma anormalidade da pressão interna do invólucro e desenergizam os equipamentos imediatamente depois de detectada a falha.

Esta técnica pode ser aplicada a painéis elétricos de modo geral e principalmente como uma solução para salas de controle, que podem ser montadas próximas às áreas de risco, conforme mostrado na Figura 2.8.

Figura 2.8- Painel eletrônico em ambiente pressurizado

O processo de diluição contínua deve ser empregado, quando a sala pressurizada possuir equipamentos que produzam a mistura explosiva, tais como: salas cirúrgicas, analisadores de gases, etc.

Desta forma o gás inerte deve ser mantido em quantidade tal que a concentração da mistura nunca alcance 25% do limite inferior de explosividade do gás gerado.

O sistema de alarme neste caso deve ser baseado na quantidade relativa do gás de proteção na atmosfera, atuando também na desenergização da alimentação.

Este tipo de proteção, também é baseado no princípio da segregação, prevendo que os componentes elétricos dos equipamentos sejam envolvidos por uma resina, de tal forma que a atmosfera explosiva externa não seja inflamada durante a operação.

Normalmente esse tipo de proteção é complementar em outros métodos, e visa evitar o curto circuito acidental.

Esse método pode ser aplicado a um relé, botoeiras com cúpula do contato encapsulado, sensores de proximidade e obrigatoriamente nas barreiras zener. A Figura 2.9 ilustra um circuito eletrônico encapsulado:

Figura 2.9 – Circuito eletrônico encapsulado

Também neste tipo de proteção, o princípio baseia-se na segregação, evitando que a atmosfera potencialmente explosiva atinja as partes do equipamento elétrico que possam provocar a detonação.

A segregação é obtida emergindo as partes “vivas” (que podem provocar faíscas ou as superfícies quentes) em um invólucro com óleo.

Normalmente é utilizado em grandes transformadores, disjuntores e similares com peças móveis, aconselhados para equipamentos que não requerem manutenção freqüente. A Figura 2.10 mostra um transformador imerso em óleo isolante.

Figura 2.10 – Transformador imerso em óleo

Similar ao anterior sendo que a segregação é obtida com o preenchimento do invólucro com pó, normalmente o pó de quartzo ou areia, evitando desta forma inflamar a atmosfera ao redor, quer pela transmissão da chama, quer pela temperatura excessiva das paredes do invólucro ou da superfície. Encontrado como forma de proteção para leito de cabos no piso, conforme a Figura 2.1.

Figura 2.1 – Leito de cabos imerso em areia

A Segurança Intrínseca é o método representativo do conceito de prevenção da ignição, através da limitação da energia elétrica.

O princípio de funcionamento baseia-se em manipular e estocar baixa energia elétrica, que deve ser incapaz de provocar a detonação da atmosfera explosiva, quer por efeito térmico ou por faíscas elétricas.

Em geral pode ser aplicado a vários equipamentos e sistemas de instrumentação, pois a energia elétrica só pode ser controlada a baixos níveis em instrumentos, tais como: transmissores eletrônicos de corrente, conversores eletropneumático, chaves fim-de-curso, sinaleiros luminosos, etc. Este método será amplamente abordado no próximo capítulo.

Este método de proteção é baseado nos conceitos de supressão da fonte de ignição, aplicável a equipamentos que em condições normais de operação, não produza arcos, faíscas ou superfícies quentes que podem causar a ignição da atmosfera explosiva para a qual ele foi projetado. São tomadas ainda medidas adicionais visando a proteção sob condições de sobrecargas previsíveis.

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