Статья дает базовое понимание основных принципов теории взрывозащиты, необходимых для работы с барьерами искрозащиты инженеров АСУ ТП.
Что такое взрывозащита?
Взрывозащита — это комплекс технических и организационных мер, направленных на предотвращение воспламенения взрывоопасной среды и минимизацию последствий возможного взрыва на объекте.
Базовое понимание принципов взрывозащиты важно для инженеров АСУ ТП, поскольку значительная часть полевого оборудования, с которым они работают (прежде всего — барьеры искрозащиты) работают на границах зон, где возможно образование взрывоопасных газовоздушных или пылевоздушных смесей.
Как происходит взрыв?
С точки зрения промышленной безопасности взрыв возможен при одновременном наличии трех факторов: горючего вещества, окислителя (обычно кислорода воздуха) и источника воспламенения.
Основная задача систем взрывозащиты — исключить хотя бы один из этих факторов.
В автоматизации технологических процессов чаще всего речь идет именно об исключении источника воспламенения, которым может стать электрическая искра, нагретая поверхность оборудования или электромагнитный разряд.
Для инженера АСУ ТП важно понимать: грамотная взрывозащита — это не только специальное оборудование, но и правильная архитектура системы, выбор кабелей, заземление, схемы подключения и соблюдение нормативных требований.
Какими бывают взрывоопасные среды (смеси)?
Взрывоопасные среды делятся на:
- Газовые (метан, водород, пропан)
- Паровоздушные (бензин, ацетон, спирты)
- Пылевые (мука, уголь, алюминий, сахар)
Первые две группы сред (газовые и паровоздушные) подробно описаны в ГОСТ IEC 60079-20-1, ГОСТ Р МЭК 60079-10-1, третья группа в ГОСТ Р МЭК 60079-10-2.
Отметим, что многие инженеры недооценивают опасность пылевых сред, хотя взрывы мучной или угольной пыли по разрушительной силе могут превосходить газовые.
Группы и зоны взрывоопасных смесей
Для инженеров АСУ ТП важно разделять две разные классификации:
- Группы взрывоопасных смесей — характеризуют свойства вещества (насколько легко смесь воспламеняется);
- Зоны взрывоопасных смесей — характеризуют вероятность присутствия взрывоопасной среды на объекте.
Это две независимые классификации, которые многие часто путают.
Группы взрывоопасных смесей
Газовые и паровоздушные смеси
Горючие газы делятся на группы по максимальному экспериментальному безопасному зазору (МЭБЗ) и минимальному воспламеняющему току (МВТ):
- Группа IIA — пропан, аммиак, гексан (наименее опасные по энергии воспламенения)
- Группа IIB — этилен, коксовый газ (более опасные)
- Группа IIC — водород, ацетилен, сероуглерод (наиболее опасные)
Чем «выше» группа:
- тем меньше энергия воспламенения;
- тем опаснее смесь;
- тем жестче требования к оборудованию;
- тем меньше допустимые зазоры в Ex-оборудовании.
Оборудование маркируется по наихудшему случаю: прибор IIC допускается применять в средах IIA, IIB, IIC.
Для шахтного оборудования используется отдельная группа:
- Группа I — рудничный метан (подземные выработки шахт и рудников, опасные по метану и угольной пыли)
Это отдельная категория оборудования для горнорудной промышленности.
Пылевые смеси
Для пылевых смесей применяется другая классификация.
- Группа IIIA — Горючие волокна и летучие частицы (хлопок, текстильная пыль)
- Группа IIIB — Непроводящая пыль (мука, сахар, уголь)
- Группа IIIC — Проводящая пыль (алюминиевая, магниевая пыль)
Отметим, что группа IIIC (проводящая пыль) особенно опасна, поскольку может:
- вызывать короткие замыкания;
- накапливаться внутри оборудования;
- создавать токопроводящие мостики.
Зоны взрывоопасных смесей
Зона показывает, насколько часто на объекте присутствует взрывоопасная смесь.
Газовые и паровоздушные смеси
- Зона 0 — взрывоопасная смесь присутствует постоянно или длительное время (примеры - внутренний объем резервуара, внутренняя часть технологического аппарата, пространство внутри емкости с растворителем)
- Зона 1 — взрывоопасная смесь может появляться при нормальной работе (примеры - зона возле дыхательных клапанов емкостей, фланцы, места отбора проб, участки налива нефтепродуктов)
- Зона 2 — взрывоопасная смесь возникает редко и на короткое время (примеры - помещения рядом с Зоной 1, зоны возле хорошо вентилируемого оборудования, наружные технологические установки)
Пылевые смеси
- Зона 20 — постоянное или длительное облако пыли внутри оборудования (примеры - внутренности силосов, циклоны, фильтры, пылепроводы)
- Зона 21 — пылевое облако может появляться при нормальной работе (примеры - пересыпные станции, дробилки, участки фасовки, загрузка угля или муки)
- Зона 22 — редкое и кратковременное образование облака пыли (примеры - прилегающие помещения, зоны вокруг конвейеров, складские помещения)
Знание группы и зоны взрывоопасной смеси важно для понимания требований к правильному подбору взрывозащищенного оборудования.
Типичные взрывоопасные объекты
Взрывозащищенное оборудование применяется практически во всех непрерывных производствах:
Нефтегазовая отрасль
- НПЗ;
- Газокомпрессорные станции;
- Нефтебазы;
- Морские платформы.
Горнорудная промышленность
- Угольные шахты;
- Рудники;
- Обогатительные фабрики;
- Дробильно-сортировочные комплексы;
- Конвейерные галереи;
- Склады серы и угольного концентрата.
Химическая промышленность
- Реакторные установки;
- Склады растворителей;
- Лакокрасочные производства.
Энергетика и металлургия
- Угольные ТЭЦ;
- Водородные станции;
- Алюминиевые производства.
Пищевая промышленность
- Элеваторы;
- Мукомольные предприятия;
- Сахарные заводы.
Общая методология взрывозащиты
Логика обеспечения взрывозащиты основана на трёх уровнях, следующих строго по приоритету:
Первичная защита: не допустить опасную атмосферу
Герметизация оборудования, принудительная вентиляция, газоанализ. Это главная цель технологов. Если она достигнута, зона безопасна, и можно применять обычное электрооборудование. Но в реальной ситуации на объекте специалисту АСУТП нужно исходить из того, что первичная защиты может быть нарушена.
Вторичная защита: не допустить источник зажигания
Именно на этом уровне к решению задачи взрывозащиты привлекается взрывозащищенное оборудование (прежде всего барьеры искрозащиты) и ведется работа специалиста АСУТП. Ключевой принцип здесь: оборудование всегда должно оставаться безопасным, даже если появилась взрывоопасная смесь.
Третичная защита: минимизировать последствия взрыва
На этом уровне используются сбросные панели, огнепреградители, системы подавления взрыва. Этот уровень не является зоной ответственности инженера АСУТП, но знать о нем необходимо.
Основные физические принципы взрывозащиты
Существует несколько физических принципов, реализованных в конкретных видах взрывозащиты. Инженеру АСУТП важно знать их суть, чтобы понимать, почему в одном месте уместен барьер (Ex i), а в другом — мощный шкаф (Ex d).
Виды взрывозащиты. Активная и пассивная взрывозащита
В соответствии с рассмотренными физическими принципами все современные методы взрывозащиты можно поделить на активные и пассивные.
Пассивная взрывозащита
Пассивная защита направлена на локализацию или сдерживание последствий взрыва.
Данные методы не требуют внешнего управления — они реализованы конструктивно:
- Ex d — взрывонепроницаемая оболочка: корпус выдерживает внутренний взрыв и не допускает его распространения наружу
- Ex e — повышенная надёжность: исключение источников воспламенения конструктивными мерами (усиленная изоляция, увеличенные зазоры)
- Ex ia/ib — искробезопасная цепь: ограничение тока и напряжения до уровня, при котором искра не способна воспламенить смесь
- Ex m — герметизация компаундом: заливка потенциальных источников воспламенения
- Ex p — заполнение/продувка защитным газом: вытеснение взрывоопасной смеси инертным газом или чистым воздухом
- Ex o — масляное заполнение: погружение токоведущих частей в масло
- Ex q — заполнение кварцевым песком
- Ex n — невоспламеняющееся оборудование (только для зоны 2)
Активная взрывозащита
Активная защита предотвращает возникновение источника воспламенения. Именно сюда относится искробезопасность — наиболее распространенный подход в АСУ ТП.
Основные типы активной взрывозащиты:
- Ex i — искробезопасная электрическая цепь;
- Ex e — повышенная надежность;
- Ex p — продувка и избыточное давление;
- Ex m — герметизация компаундом;
- Ex n — защита для зоны 2.
На практике применяют сочетание активных и пассивных методов.
Как уже было сказано, для обеспечения взрывозащиты электрических цепей передачи аналоговых сигналов 4…20 мА реализуется вид взрывозащиты Ex i - искробезопасная электрическая цепь
Искробезопасность Ex i: базовый принцип
Искробезопасная цепь (Intrinsic Safety, Ex i) — это электрическая цепь, в которой энергия ограничена до уровня, недостаточного для воспламенения взрывоопасной смеси даже при аварии.
Ключевая идея проста: даже при коротком замыкании или повреждении цепи не должно возникнуть искры или нагрева, способных вызвать взрыв.
Для ограничения энергии применяются:
- гальванические изоляторы;
- HART-модемы;
- искробезопасные удаленные модули ввода-вывода;
- специальные схемотехнические решения.
При выборе оборудования необходимо учитывать:
- тип взрывоопасной зоны;
- категорию смеси;
- температурный класс;
- параметры искробезопасной цепи;
- совместимость по напряжению, току и индуктивности.
Типичная ошибка некоторых инженеров - проверка только Ex-маркировки без согласования параметров барьеров искрозащиты и полевых устройств. Об этой теме мы расскажем в следующем нашем материале.