W wielu gałęziach przemysłu występuje zagrożenie spowodowane substancjami potencjalnie wybuchowymi. Instalacje projektowane z myślą o takich strefach muszą spełniać szereg wymagań. W Europie kwestie związane ze strefami zagrożonymi wybuchem uregulowane są dyrektywą ATEX i zbiorem podlegających jej norm. Jest to zagadnienie bardzo złożone. Co więcej, przepisy zmieniają się dynamicznie, niezależnie w różnych częściach świata. Dlatego w tym artykule skoncentruję się przede wszystkim na wyjaśnieniu podstawowych terminów z wiązanych z tą problematyką. Tam, gdzie niezbędne będzie odwoływanie się do norm, ograniczę się do wymagań europejskich.
Co to jest eksplozja?
Podstawą jest zrozumienie, czym tak naprawdę jest eksplozja. Jest to gwałtowna reakcja (najczęściej utleniania) powodująca wydzielenie się dużej ilości ciepła i znacznego ciśnienia. Aby reakcja taka mogła mieć miejsce, konieczne są 3 czynniki:
- Paliwo
- Tlen
- Źródło zapłonu
Co więcej, paliwo i tlen muszą występować w odpowiednich proporcjach. Za mało lub za dużo danego składnika może oznaczać, że zamiast gwałtownej reakcji wybuchowej wystąpi powolne spalanie lub w ogóle nie dojdzie do zapłonu.
Paliwo
Paliwem mogą być gazy, mgły i pyły. W celu dokładniejszego doboru środków ochrony, poszczególne rodzaje paliwa zostały pogrupowane i sklasyfikowane
Tabela 1 Klasyfikacja gazów na podstawie energii zapłonu
| Klasyfikacja gazów / energia zapłonu | ||
| Oznaczenie CENELEC | Przykładowy gaz | Energia zapłonu/ µJ |
| I | Metan | 280 |
| IIA | Propan | >180 |
| IIB | Etylen | 60…180 |
| IIC | Wodór | >40 |
Tabela 2 Klasyfikacja pyłów
| Klasyfikacja pyłów | |
| Oznaczenie CENELEC | Typowe pyły |
| IIIA | Łatwopalne włókna |
| IIIB | Nieprzewodzący pył |
| IIIC | Przewodzący pył |
Strefy zagrożenia wybuchem
W oparciu o rodzaj paliwa i częstotliwość występowania wyszczególniono następujące strefy zagrożenia wybuchem:
Tabela 3 Strefy zagrożenia wybuchem
| Występowanie | Gaz | Pył |
| Stałe (>1000h/rok) | 0 | 20 |
| Okazjonalne (10..1000h/rok) | 1 | 21 |
| Rzadkie (1..10h/rok) | 2 | 22 |
Ze względu na specyficzne warunki pracy (mieszanina metanu i pyłu węglowego), niezależnie od wyżej wymienionych stref rozpatrywane są kopalnie, mimo że dyrektywa nie przewiduje dla nich osobnego oznaczenia.
Urządzenia do montażu w strefach Ex
Aby urządzenie mogło być zamontowane w danej strefie zagrożonej wybuchem, musi przejść odpowiednie badania i być odpowiednio oznaczone. Ze względu na miejsce wykorzystania urządzenia podzielono na 2 grupy: pracujące w kopalniach i pozostałe.
Tabela 4 Dobór urządzeń ze względu na strefę Ex w jakiej działają
| Strefa | Opis Strefy | Grupa urządzeń | Wymagana kategoria urządzenia | |
| kopalnia | Urządzenie może działać dalej w obecności atmosfery wybuchowej | I (górnictwo) | M1 | |
| kopalnia | Urządzenie musi zostać wyłączone po pojawieniu się atmosfery wybuchowej | M2 | ||
| 0 | Gaz | Ciągła obecność | II (pozostałe) | 1G |
| 20 | Pył | 1D | ||
| 1 | Gaz | Sporadyczna obecność | 2G | |
| 21 | Pył | 2D | ||
| 2 | Gaz | Rzadka obecność | 3G | |
| 22 | Pył | 3D | ||
Jeśli do urządzenia (nawet znajdującego się poza strefą niebezpieczną) ma być podłączony obwód znajdujący się w obszarze zagrożonym wybuchem, także musi mieć ono odpowiednie dopuszczenia. W takim przypadku oznaczenie będzie wzięte w nawias.
Ex II 3(1)G
Powyższe oznaczenie wskazuje, że urządzenie, na którym się znajduje może być montowane w strefach niebezpiecznych poza górnictwem. Spodziewanym źródłem zagrożenia są gazy palne. Urządzenie może być zamontowane w strefie 2 natomiast czujniki i elementy wykonawcze podłączone do niego mogą znajdować się w strefie 0.
Sposoby ochrony przeciwwybuchowej
W celu minimalizacji ryzyka wystąpienia eksplozji lub minimalizacji jej skutków opracowano szereg metod ochrony przeciwwybuchowej.
Poniżej wybrane metody wraz z oznaczeniami.
Tabela 5 metody ochrony przeciwwybuchowej dla stref zagrożonych wybuchem gazu
| Oznaczenie | Opis |
| e | Budowa wzmocniona |
| d | Budowa ognioszczelna – dopuszczalna eksplozja wewnątrz obudowy. Dzięki budowie nie będzie się rozprzestrzeniać |
| nA | Inna ochrona dopuszczalna w strefie 2 – urządzenie nieiskrzące |
| ia, ib, ic | Budowa iskrobezpieczne |
| o | Osłona olejowa – całe urządzenie zanurzone jest w oleju, dzięki czemu jest odizolowane od atmosfery wybuchowej |
| px, py, pz | Obudowa nadciśnieniowa |
Tabela 6 metody ochrony przeciwwybuchowej dla stref zagrożonych wybuchem pyłu
| oznaczenie | Opis |
| tD | Ochrona przez obudowę – separacja od atmosfery wybuchowej |
| iaD, ibD | Budowa iskrobezpieczna |
| pD | Obudowa nadciśnieniowa |
Nie każda z wymienionych metod jest wystarczająca dla każdej strefy. Dla każdej strefy określono minimalne metody ochrony przeciwwybuchowej. W ostatniej wersji dyrektywy ATEX zostały dodatkowo określone poziomy zabezpieczeń przeciwwybuchowych (EPL – equipement protection level).
Tabela 7 Minimalne metody ochrony przeciwwybuchowej
| Strefa | EPL | Minimalne metody ochrony |
| Górnictwo | Ma | |
| 0 | Ga | ia, ma |
| 1 | Gb | ib, mb, px, py, d, e, o, q, s |
| 2 | Gc | n, ic, pz |
| 20 | Da | iaD, maD |
| 21 | Db | ibD, mbD |
| 22 | Dc | icD, tD, pD |
Projektowanie urządzeń musi uwzględniać temperaturę powierzchni zewnętrznych, o ile metoda ochrony nie izoluje tych powierzchni od atmosfery wybuchowej. Ustalono 6 kategorii temperatur (Tabela 8). Oznaczają one maksymalną temperaturę, jaka może pojawić się na elementach mających styczność z niebezpieczną atmosferą
Tabela 8 klasyfikacja temperatury urządzeń grupy II
| Oznaczenie | Temperatura |
| T1 | 450°C |
| T2 | 300°C |
| T3 | 200°C |
| T4 | 135°C |
| T5 | 100°C |
| T6 | 85°C |
Powyższa klasyfikacja dotyczy urządzeń grupy II, czyli wykorzystywanych np. w przemyśle chemicznym. W każdym razie należy porównywać temperaturę określoną przez specyfikację urządzenia z temperaturą samozapłonu spodziewanej atmosfery wybuchowej. Temperatura zapłonu musi być zawsze wyższa niż maksymalna temperatura zewnętrznych powierzchni urządzenia.
W grupie I, czyli w urządzeniach pracujących w kopalniach klasyfikacja ogranicza się do 2 poziomów.
Tabela 9 klasyfikacja dopuszczalnych temperatur dla urządzeń grupy I
| Temperatura | Warunki |
| 150°C | Gromadzenie się pyłu węglowego na powierzchni |
| 450°C | Brak pyłu węglowego na powierzchni |
Iskrobezpieczeństwo
Źródłem zapłonu może być płomień, ciepła powierzchnia lub iskra. Iskra może być mechaniczna (powstała na skutek tarcia o siebie elementów mechanicznych) lub elektryczna. O ile elementy nagrzewające się lub mechanizmy, w których istnieje ryzyko iskrzenia można łatwo zabezpieczyć różnymi metodami, o tyle w przypadku urządzeń elektrycznych sytuacja się komplikuje.
Każde urządzenie elektryczne stanowi potencjalne ryzyko wystąpienia iskry. Może mieć to miejsce w trakcie normalnej pracy (iskrzenie styków przekaźnika) lub w wyniku awarii (uszkodzenie prowadzące do zwarcia). Dopóki iskra występuje wewnątrz danego urządzenia, można próbować odseparować ją od atmosfery wybuchowej. Instalacje automatyki przemysłowej składają się jednak z wielu komponentów, w tym sterowników, czujników i elementów wykonawczych połączonych siecią przewodów elektrycznych. Nawet jeśli wszystkie urządzenia gwarantują odpowiedni dla danej strefy stopień ochrony, to przewody je łączące wprowadzają ryzyko wystąpienia iskry w przypadku ich uszkodzenia.
Dlatego powstała koncepcja iskrobezpieczeństwa. Ideą tej strategii jest zmniejszenie energii powstającej iskry poniżej progu zapłonu spodziewanej atmosfery wybuchowej. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu odpowiednich układów zasilających i ścisłego trzymania się określonych wytycznych odnośnie projektowania instalacji.
Iskrobezpieczeństwo jako jedna z nielicznych metod ochrony przeciwwybuchowej umożliwia umieszczanie urządzeń i podłączania elementów wykonawczych znajdujących się w strefach 0, 20, 1 i 21. Dzięki temu metoda ta stała się podstawą w układach sterujących automatyki przemysłowej.
Układy automatyki WAGO do stref zagrożonych wybuchem
Aby wyjść naprzeciw rosnącemu zapotrzebowaniu na sterowanie i monitoring urządzeń znajdujących się w strefach zagrożonych wybuchem, WAGO rozszerzyło swoją ofertę w zakresie automatyki o moduły dedykowane do środowiska Ex. Innowacyjność tego rozwiązania polega na możliwości swobodnego łączenia sygnałów pochodzących zarówno z, jak i spoza stref Ex w obrębie jednego węzła WAGO. Dobór sprzętu i szczegółowe wytyczne odnośnie zastosowania opisane zostaną w kolejnym artykule.
Krzysztof Nosal, WAGO.PL
Przeczytaj także:
Strefy zagrożone wybuchem, cz. 2
Strefy zagrożone wybuchem, cz. 3