Projektowanie urządzeń nieelektrycznych do stref zagrożenia wybuchem-koncepcja bezpieczeństwa wybuchowego, ocena zagrożenia zapłonem

Urządzenia nieelektryczne, takie jak przekładnie, wentylatory, pompy, kompresory, mieszalniki czy hamulce, w obecności atmosfer wybuchowych mogą stwarzać zagrożenie zapłonem - w wyniku tarcia, uderzenia, gorących powierzchni, oddziaływania elektryczności statycznej i wielu innych zjawisk. W zakresie ochrony przed wybuchem dyrektywa 2014/34/UE zawiera zharmonizowane wymagania odnoszące się zarówno do urządzeń elektrycznych, jak i nieelektrycznych

Urządzenia nieelektryczne, takie jak przekładnie, wentylatory, pompy, kompresory, mieszalniki czy hamulce, w obecności atmosfer wybuchowych mogą stwarzać zagrożenie zapłonem - w wyniku tarcia, uderzenia, gorących powierzchni, oddziaływania elektryczności statycznej i wielu innych zjawisk. W zakresie ochrony przed wybuchem dyrektywa 2014/34/UE zawiera zharmonizowane wymagania odnoszące się zarówno do urządzeń elektrycznych, jak i nieelektrycznych.

Koncepcja bezpieczeństwa wybuchowego

W załączniku nr 2 ww. dyrektywy podane są wymagania w zakresie projektowania oraz budowy urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w atmosferze potencjalnie wybuchowej. Wymagania te uwzględniają takie aspekty, jak:

- dobór materiałów,

- projektowanie i budowa,

- potencjalne źródła zapłonu,

- zagrożenia od oddziaływań zewnętrznych,

- wymagania w odniesieniu do sprzętu związanego z bezpieczeństwem,

- integracja wymagań bezpieczeństwa odnoszących się do systemu,

- wymagania odnoszące się do poszczególnych kategorii urządzeń.

Tab. 1. Zależność pomiędzy strefami zagrożenia wybuchem a wymaganą kategorią urządzeń. Wymagania zasadnicze odnoszące się do kategorii urządzenia

Strefa zagrożenia wybuchem	Wymagana kategoria	Wymagania zasadnicze odnoszące się do kategorii urządzenia
0 / 20	1	Kategoria urządzeń 1 obejmuje urządzenia zaprojektowane tak, aby mogły funkcjonować zgodnie z parametrami ruchowymi ustalonymi przez producenta oraz zapewniać bardzo wysoki poziom zabezpieczenia. Urządzenia tej kategorii muszą zapewniać wymagany poziom zabezpieczenia nawet w przypadku rzadko występujących zdarzeń dotyczących urządzeń i charakteryzują się środkami zabezpieczenia takimi, że: 1) w przypadku defektu jednego ze środków zabezpieczających przynajmniej drugi niezależny środek zapewni wymagany poziom zabezpieczenia albo 2) wymagany poziom zabezpieczenia będzie zapewniony w przypadku wystąpienia dwóch niezależnych od siebie uszkodzeń.
1/21	2	Kategoria urządzeń 2 obejmuje urządzenia zaprojektowane tak, aby mogły funkcjonować zgodnie z parametrami ruchowymi ustalonymi przez producenta i zapewniać wysoki poziom zabezpieczenia. Środki zabezpieczenia dotyczące urządzeń tej kategorii zapewniają wymagany poziom zabezpieczenia nawet w przypadku częstych zaburzeń lub uszkodzeń urządzeń, które zwykle należy brać pod uwagę.
2/22	3	Kategoria urządzeń 3 obejmuje urządzenia zaprojektowane tak, aby mogły funkcjonować zgodnie z parametrami ruchowymi ustalonymi przez producenta oraz zapewniać normalny poziom zabezpieczenia. Urządzenia tej kategorii przeznaczone są do użytku w przestrzeniach, w których występowanie atmosfery wybuchowej spowodowanej przez gazy, pary, mgły lub mieszaniny pyłowo-powietrzne jest mało prawdopodobne lub jeżeli ona rzeczywiście występuje, to ma to miejsce niezbyt często i jedynie przez krótki okres. Urządzenia tej kategorii zapewniają wymagany poziom zabezpieczenia podczas normalnej pracy.

W wielu przypadkach zabezpieczenie urządzeń nieelektrycznych do pracy w przestrzeniach zagrożonych wybuchem ogranicza się do unikania występowania źródeł zapłonu – dotyczy to np. przekładni, hamulców, wentylatorów. W praktyce przemysłowej występuje jednak cały szereg urządzeń, w których ochrona przed występowaniem źródeł zapłonu jest tylko jednym z zastopowanych sposobów zapewnienia wymaganego poziomu bezpieczeństwa. Przykładami tego rodzaju urządzeń mogą być mieszalniki, młyny, filtry pyłowe.

Rys. 1 Przykład urządzenia w wykonaniu ATEX – wentylator promieniowy

Zgodnie z normą PN-EN 1127 do podstawowych zasad ochrony przed wybuchem należy:

- unikanie atmosfer wybuchowych,

- unikanie możliwego efektywnego źródła zapłonu,

- ograniczanie skutków wybuchów.

Minimalizacja ryzyka może być zatem dokonywana dzięki stosowaniu zarówno tylko jednej z powyższych zasad zapobiegania lub ochrony, jak i kombinacji tych zasad. Im bardziej prawdopodobne jest występowanie atmosfery wybuchowej, tym większy zakres środków przeciwdziałających efektywnym źródłom zapłonu i/lub środków ograniczających skutki wybuchu powinien być zastosowany. Zasadniczo pierwszym etapem opracowania koncepcji bezpieczeństwa wybuchowego urządzenia nieelektrycznego jest klasyfikacja przestrzeni zagrożonych wybuchem. W zależności od rodzaju sklasyfikowanej strefy zagrożenia wybuchem dobiera się poziom ochrony przed występowaniem źródeł zapłonu, czyli tzw. kategorię urządzenia. Na tym etapie, przeprowadzając ocenę zagrożenia wybuchem, należy rozważyć, czy w danym urządzeniu nieelektrycznym istnieje możliwość uzyskania odpowiedniej kategorii oraz czy uzyskanie tej kategorii w odniesieniu do sklasyfikowanej strefy jest rozwiązaniem optymalnym.

Jeżeli uzyskanie odpowiedniej kategorii urządzania nie jest możliwe lub jeżeli rozwiązanie to nie jest optymalne (np. do urządzenia nieelektrycznego doprowadzane są źródła zapłonu z zewnątrz, których nie można ograniczyć), trzeba rozważyć zastosowanie środków mających wpływ na ograniczenie czasu występowania atmosfery wybuchowej, w wyniku czego zmieniona zostanie strefa zagrożenia wybuchem, lub też należy rozważyć wprowadzenie środków ograniczających skutki wybuchu (np. konstrukcji odpornej na ciśnienie wybuchu, urządzeń tłumiących lub odciążających wybuch, systemów izolowania wybuchu).

Przy określaniu koncepcji bezpieczeństwa wybuchowego należy pamiętać, że w pierwszej kolejności przyjmuje się środki mające na celu unikanie atmosfery wybuchowej. Z kolei ograniczenie skutków wybuchu powinno być realizowane w sytuacji, w której nie można w danym urządzeniu nieelektrycznym zastosować środków polegających na unikaniu atmosfer wybuchowych i unikaniu efektywnych źródeł zapłonu.

Jako przykład ilustrujący koncepcję bezpieczeństwa wybuchowego urządzenia nieelektrycznego można przedstawić mieszalnik do substancji łatwopalnych. Zazwyczaj w tego typu urządzeniu klasyfikowana jest strefa 0, w związku z czym wymagana kategoria urządzenia to 1. Zakładając, że w wyniku zastosowania środka do ograniczenia występowania atmosfer wybuchowych, np. systemu inertyzacji, strefa zagrożenia wybuchem ulegnie zmianie na 1, wymagana kategoria urządzenia będzie wynosiła 2. Jeśli w rozpatrywanym mieszalniku, np. ze względu na ładunki elektrostatyczne wytwarzane w trakcie mieszania, nie jest możliwe ograniczenie prawdopodobieństwa występowania źródeł zapłonu do poziomu wymaganego dla kategorii 2, dla zapewnienia wymaganego poziomu bezpieczeństwa należy zastosować którąś z metod ochrony przed skutkami wybuchu.

Należy pamiętać, że w sytuacji, w której do realizacji środków ochrony przed wybuchem konieczne jest zastosowanie systemu sterowania, powinien być on zweryfikowany pod kątem niezawodności działania.

Ocena zagrożenia zapłonem

Jak opisano powyżej, dla potwierdzenia, że urządzenie przeznaczone do pracy w atmosferach wybuchowych spełnia wymagania w zakresie ustalonej kategorii urządzenia, przeprowadza się ocenę zagrożenia zapłonem. Tego rodzaju analiza obejmuje identyfikację wszystkich możliwych źródeł zapłonu, określenie częstości ich wystąpienia wraz z odniesieniem do wymaganej kategorii urządzenia, a w przypadku stwierdzenia niezgodności pomiędzy częstością występowania źródła zapłonu a wymaganą kategorią urządzenia – wskazanie działań korygujących.

Ocenie zagrożenia zapłonem powinny być poddane wszystkie części urządzenia nieelektrycznego. Powinny być również uwzględnione wszystkie możliwe źródła zapłonu określone w PN-EN 1127-1. W zależności od przewidzianej kategorii urządzeń powinno się rozpatrywać wszystkie źródła zapłonu powstające podczas normalnego działania, spodziewanego wadliwego działania i rzadko występującego wadliwego działania. Dodatkowo należy uwzględnić źródła zapłonu spowodowane niewłaściwym użyciem.

Przy opracowaniu oceny zagrożenia zapłonem trudności może przysporzyć rozróżnienie stanów spodziewanego wadliwego działania i rzadko występującego wadliwego działania, przy których źródła zapłonu mogą wystąpić. Jako spodziewane wadliwe działanie określa się stany awaryjne, które zgodnie z posiadanym doświadczeniem mogą wystąpić w danym urządzeniu. Z kolei stany awaryjne, które w praktyce się nie zdarzają, jednakże nie można wykluczyć ich wystąpienia, powinno się określać jako rzadko występujące wadliwe działanie. Jako rzadko występujące wadliwe działanie uznaje się również dwa niezależne spodziewane wadliwe działania, które oddzielnie, nie stwarzałyby zagrożenia zapłonem, ale które w połączeniu to zagrożenie stwarzają. W przypadku wątpliwości, w jaki sposób należy klasyfikować stany awaryjne, należy wybierać sytuację bezpieczniejszą, czyli identyfikować te stany jako spodziewane wadliwe działanie.

Ostatnim etapem oceny zagrożenia wybuchem jest określenie wynikowej kategorii urządzenia nieelektrycznego oraz wszelkich ograniczeń w zakresie stosowania tego urządzenia, np. grupy wybuchowości, klasy temperaturowej, wykluczenia w zakresie stosowania konkretnych rodzajów substancji.

Opracowanie koncepcji bezpieczeństwa wybuchowego i oceny zagrożenia zapłonem wymaga szerokiej, interdyscyplinarnej wiedzy. Kwestie ochrony przed wybuchem są opisane w co najmniej kilkudziesięciu normach i specyfikacjach technicznych. Znajomość tych wytycznych pozwala na opracowanie najbardziej efektywnej ochrony przed wybuchem. Istotną rolę przy projektowaniu urządzeń nieelektrycznych odgrywają również wytyczne zakresu niezawodności funkcji bezpieczeństwa, w tym wytyczne zawarte w serii norm PN-EN 61508 i PN-EN ISO 13849.

Podsumowanie

Urządzenia przeznaczone do pracy w przestrzeniach zagrożonych wybuchem muszą spełniać wymagania dyrektywy 2014/34/UE. Dyrektywa ta pozostawia normom nadanie technicznego wyrazu tym wymaganiom.

Zharmonizowana z dyrektywą 2014/34/UE norma PN-EN 1127-1 wskazuje, że w celu określenia wymaganych środków bezpieczeństwa należy opracować koncepcję bezpieczeństwa wybuchowego. W przypadku dużej części urządzeń nieelektrycznych, np. przekładni, hamulców, wentylatorów, koncepcja ta sprowadza się do ograniczania występowania źródeł zapłonu. W przypadku pozostałych urządzeń koncepcja bezpieczeństwa wybuchowego może również obejmować stosowanie środków mających wpływ na unikanie występowania atmosfer wybuchowych oraz ograniczanie skutków wybuchów.

W każdym przypadku przy projektowaniu urządzeń nieelektrycznych należy przeprowadzić ocenę zagrożenia zapłonem, potwierdzając, że wymagana kategoria urządzenia jest spełniona.

Autor Grzegorz Orlikowski