1 AT mosphères EXplosibles Eksplosjonssikring Tor Onshus Teknisk kybernetikk Norges teknisk naturvitenskaplige universitet, NTNU tlf: 73594388 fax: 73594399 Tor.Onshus@itk.ntnu.no http://www.itk.ntnu.no/ansatte/onshus_tor Bakgrunn 2 EØS direktiver som blir omsatt i norske forskrifter http://www.lovdata.no/ FHOSEX (bedriftseier), 99/92/EF-Brukerdirektivet Helse og sikkerhet i eksplosjonsfarlig atmosfære FUSEX (utstyrsleverandører), 94/9/EF-Produktdirektivet Utstyr og sikkerhetssystem til bruk i eksplosjonsfarlig område Forskrift om brannfarlig eller trykksatt stoff 1
Forebyggende tiltak og vern 3 Grunnleggende prinsipper a) Forhindre at det dannes eksplosiv atmosfære Hvis vi ikke klarer det: b) Unngå antenning c) Begrense skadevirkning av eksplosjon Risikovurdering av Eksplosjonsfare 4 Skal minimum ta hensyn til: a) Sannsynlighet for eksplosiv atmosfære og varigheten av disse b) Sannsynlighet for tennkilder c) Vekselvirkning mellom anlegg og stoffer d) Konsekvenser av en eksplosjon Risiko = Hvor ofte X Hvor farlig 2
Eksplosjonsverndokument 5 at eksplosjonsfaren er kartlagt og vurdert at egnede tiltak er iverksatt soneklassifisering områder der minimumskravene gjelder at arbeidsplass og utstyr utformes, brukes og vedlikeholdes forsvarlig at det er iverksatt tiltak for bruk av arbeidsutstyr Spesifisering av Anlegget 6 Egenskapene til den eksplosive atmosfæren Klassifisering av atmosfæren Tenntemperatur Sannsynligheten for eksplosiv atmosfære Sone inndeling 3
Utstyrsgrupper 7 Beskrivelse Gasseksempler I Kullgruver Metan IIA Væsker med flammepunkt over 55 o C Propan, Bensin, Tennenergi 200 μj Aceton,Metanol IIB IIC III Væsker med flammepunkt mellom 23 o C og 55 o C Tennenergi 60 μj Væsker med flammepunkt under 23 o C Tennenergi 20 μj Støvpartikler osv Etylen Hydrogen Acetylen Flammepunkt 8 Den temperaturen der væsken avgir nok damp til at dampen kan antennes med en liten flamme 4
Tenntemperatur 9 Den temperaturen der en får antennelse selv om det ikke er en ekstern tennkilde tilstede Temperaturklasser 10 Temperaturklasse T1 T2 T3 T4 T5 T6 Max overflatetemperatur o C 450 300 200 135 100 85 T4 Vanligvis nok Omgivelsestemperatur mellom -20 o C og +40 o C 5
EKSPLOSJONSKURVEN 11 Energi Minimum tennenergi Mager Eksplosiv blanding Fet LEL % gass i luft UEL 12 Ignition Energy (mjoules) 1.0 Propane-air (1 atm) Ethylene-air (1 atmos.) Minimum Ignition Energy (MIE) 0.1 Hydrogen-air (1 atmos.) Flammable Range 0.01 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Lower Explosive Limit (LEL) H 2 Volume concentration (%) (UEL) Upper Explosive Limit 6
Egenskaper for noen gasser 13 Gass Formel Tetthet NEG ØEG Min tenntemp o C Gassgruppe Metan CH4 0.5 5.0 15.0 595 I Hydrogen H2 0.1 4.0 75.6 560 IIC Etan C2H6 1.05 3.0 15.5 515 IIA Etylen C2H4 1.0 425 IIB Butan C4H10 2.1 1.5 8.5 365 IIA Propan C3H3 1.6 2.1 9.5 470 IIA Acetylen C2H2 0.9 1.5 80.0 305 IIC Råolje(gass) 1 10 Soneinndeling (gass, damp og tåke) 14 Sone Beskrivelse Eksempler Sone 0 Kontinuerlige utslippsteder Utslipp skjer kontinuerlig eller i lange perioder Typisk 1000 timer pr år, eller mer enn 10% av total prosesstid Inne i tanker Væskeoverflate Sone 1 Sone 2 Primære utslippssteder Utslipp skjer periodisk eller tilfeldig under normal drift Typisk >10 og 1000 timer pr år Sekundære utslippssteder Utslipp forventes ikke å skje under normal drift, unntaksvis og kortvarige utslipp Typisk 10 timer pr år og 2 timer pr gang Lufterør fra tanker Tappe og Fyllesteder Pakkbokser Fleksible rør Flenser Pakninger Koblinger Ventiler 7
Sonekart - Lagertank 15 Area Classification for a fixed-roof tank with heavier than air vapour Tank vents Liquid surface Key Zone 0 Zone 1 Zone 2 Bund wall Sonekart - Transmitter 16 Outside of pipe Zone 2 Zone 1 Zone 0 Inside of pipe or process vessel 8
Soneinndeling (støv) 17 Sone Beskrivelse Sone 20 Kontinuerlige utslippsteder Utslipp skjer kontinuerlig eller i lange perioder Sone 21 Primære utslippssteder Utslipp skjer periodisk eller tilfeldig under normal drift Sone 22 Sekundære utslippssteder Utslipp forventes ikke å skje under normal drift, unntaksvis og kortvarige utslipp Eksplosjonstrekanten 18 Tennkilde Luft > vol % O 2 Eksplosjonsfarlig gass, fast, støv, væske 9
Noen Tennkilder 19 Varme overflater Flamme eller glødende materiale Mekanisk genererte gnister Elektrisk genererte gnister Elektrostatisk utladning Kjemisk reaksjon Atmosfæriske forstyrrelser Hastighet av forbrenning 20 Navn Forbrennings hastighet Trykkøkning Lydeffekt Forpuffning cm/s < 5 bar puff/smell Eksplosjon m/s 5-15 bar kraftig smell Detonasjon km/s > 20 bar øredøvende drønn 10
Krav til Utstyret 21 Må oppfylle krav gitt av anlegget Maksimal tennenergi Utstyrs gruppe Maksimal overflatetemperatur Temperaturklasser TENNENERGI 22 ma P = 1 --I 2 L + 1 2 2 -- CU 2 R I 2 =konstant 150 ma II B II C 30 V V 11
Krav til Ex beskyttelse 23 Sone Krav til Ex beskyttelse 0, 20 Ex ia, eller utstyr godkjent for sone 0 1, 21 2, 22 Utstyr godkjent i sone 0 pluss Ex ib, d, e, p, o, q, m, s Utstyr godkjent i sone 1 pluss utstyr spesiellt beregnet for sone 2, og kapslet utstyr som normalt ikke danner gnister, minimum IP 44 Jo større sannsynlighet for eksplosiv blanding, Jo mindre sannsynlighet for tennkilder Beskyttelsesarter Metode Beskrivelse Sone Ex o Oljefyllt utførelse 0 Ex p Overtrykkskapsling 1 Isolering Ex q Sandfyllt utførelse 1 Ex m Innstøpt utførelse 1 Kapsling Ex d Eksplosjonssikker utførelse 1 Ex e Tennsikker utførelse 1 Design Ex n Utstyr for bruk i sone 2 2 Begrense Energi Ex i Egensikker utførelse 0-1 Spesiell Ex s Spesialutførelse 0-2 24 Ustyret kan benyttes i soner med mindre strenge krav enn det masimale som er tillatt. 12
Standarder/Normer Beskyttelsesarter 25 IEC 60079 (http://www.standard.no/no/abonnement/standarder/) Eksplosive atmosfærer Et undernummer per beskyttelsesart Kapsling, Ex d 26 13
Ex d Ex e 27 Ex d, svært mye arbeide med helt spesielle gjennomføringer kan ha gnistgivende standard komponenter Ex e, nesten som standard nipler må ha spesielt ikke gnistgivende utstyr Energibegrensing, Ex i 28 14
Barrierer (energibegrensning) 29 3 4 Motstand R1 Z Sikring 1 F1 IS-jord 2 Sikkert område 3 4 Motstand R1 Z = = F1 Sikkert område Sikring 1 2 Zenerbarrierer 30 To eller tre zenerdioder for spenningsbegrensning Motstand i serie for strømbegrensning Sikring på primærsiden for strømbegrensning(sikker side) Jording til IS-jord, max 1 ohm motstand 15
Ulemper ved Zenerbarrierer: 31 Trenger god jordforbindelse Støyfølsom pga. galvanisk kobling gjennom jordforbindelsene Feilspenninger kan slå ut store deler av anlegget Lekkasjestrøm i zenerdiodene kan påvirke målenøyaktigheten 28V zener lekker ved 25-26V, dvs. forskjellig strøm i felt og kontrollrom ekvivalent barrieremotstand for 300W barriere er typisk 340W Høy installasjonskostnad egenis jord må ha stabile powersupply dyr kabling ofte bytte pga. kortsluttninger etc. Utstyr montert i Ex sone må isoleres fra jord og isolasjonsmotstand mot jord testes med 500V Eksempel Zener 24V+ 32 333 max 4-20 ma 1-5V Hazardous area Safe area 250 Conditioning resistor 0 Volts IS Earth 16
Andre typer 33 Trafo Isolerte Barrierer 34 Ikke IS jording Galvanisk skille Bedre enn zenerbarrierer Dyrere i innkjøp 17
Trafo Isoloerte Barrierer (TIB) 35 Ikke krav til IS jord Galvanisk skille mellom felt og I/O kort Slipper IS jord, dyre power etc. Ingen polaritetsproblemer Høy driftssikkerhet, støy og feil undertrykkes i trafoen Kortsluttningssikker Ikke nødvendig med isolasjons fra jord for utstyr i Ex sone, ingen isolasjonstest Hazardous area Safe area Eksempel 36 4-20 ma 16.5V Non-Energy Storing Input Terminals Load (<450 ) MTL5541 Isolation 24Vdc Supply 4-20 ma Powered from Hazardous Area 300 28V 18
37 Beregning og Merking SLØYFEMOTSTAND 38 Komponent Motstand (Ω) Indre motstand i system, inkl.. kraftforsyning 10 Målemotstand for konvertering fra ma til Volt 250 Negativ barriere kanal 80 Positiv barriere kanal 340 Kabel 10 Transmitter 625 Total motstand i sløyfa 1315 19
U = R x I 39 Nødvendig Spenning 1315 Ω x 20 ma = 26.3 V Redusert målemotstand til 62.5 Ω 1112.5 Ω x 20 ma = 22.25 V Målenøyaktighet og A/D omformer 250 Ω x 20 ma =5 V 62.5 Ω x 20 ma =1.25 V ATEX merking 40 20
MERKING og SERTIFIKATER Transmitter Barriere EEx ia IIB T4 37.90 x C eq 1.3 F L eq 0.3 mh U max = 15V [EEx ia] IIC C ext 1.3 F L ext 0.3 mh U max = 15V 41 Betydningen av de forskjellige merkingene er: EEx Godkjent i henhold til CENELEC normene (EN 50014 etc) ia egensikker krets som tolererer to samtidige feil (sone 0) IIB,IIC gassgruppe som utstyret er sertifisert for T4 temperaturklasse 37.90 Godkjennings organisasjon 37 og prøvenummer 90 x Betyr at det er knyttet spesielle vilkår til sertifikatet (må undersøkes før bruk) [..] plasseres i sikkert område C eq Maksimal kapasitans i utstyret L eq Maksimal induktans i utstyret U max Maksimal spenning Utstyrsmerking 42 21
Sonemerking 43 44 Jording 22
KRYSSKOBLING 45 CPU Rekke klemmer 24V + - 220V Blå Rekke klemmer Inn 12 Barriere Barriere 32 Ut 8 + - 24V 220V IS jordskinne for tilkobling av skjerm Kabelavslutning i Instrument 46 Kabel nummer Nippel Indre isolasjon Mutter Identifikasjon av leder + - Signaljord/skjerm iso leres etter testing Ytre kappe Armering kobles til jord Metallinstrumenter jor des til gods/struktur 23
JORDING 47 Sikkerhetsjord (PE, gul/grønn) Mest støyfull, skal avlede strøm og hindre berøringsfare Signaljord (IE, gul/rød) Minst mulig støy, skal ikke avlede strøm Jord for Exi utstyr (IS, lys blå) Spesialjord med en gitt kvalitet EMC 48 EMC-Elektromagnetisk Kompatibilitet EMI-Elektromagnetisk Immunitet ESD-Elektrostatisk utladning 24
JORDSYSTEM 49 Ikke Exi Exi Barriere Armering Skjerm Signal Armering Skjerm Signal PE IE PE IS Metall kapsling Struktur/Hovedjord 25