A operação de equipamentos em atmosferas explosivas e em condições adversas

Deve-se entender as orientações para os equipamentos a ser instalados em atmosferas explosivas em ambientes que podem incluir temperaturas abaixo de –20 °C e condições adversas adicionais, incluindo aplicações marítimas. Seu objetivo é apresentar recomendações a serem consideradas no projeto, fabricação e instalação de equipamentos.

A ABNT IEC/TS 60079-43 de 01/2021 – Atmosferas explosivas – Parte 43: Equipamentos em condições adversas de serviços, na forma de uma especificação técnica, apresenta orientações para os equipamentos para instalação em atmosferas explosivas em ambientes que podem incluir temperaturas abaixo de –20 °C e condições adversas adicionais, incluindo aplicações marítimas. Seu objetivo é apresentar recomendações a serem consideradas no projeto, fabricação e instalação de equipamentos. Destina-se a ser utilizado em equipamentos operando dentro de uma faixa ambiental especificada no certificado de conformidade do equipamento. Para detalhes de classificação climáticas, consultar a Série IEC 60721 e a IEC 60068-1. É destinado a ser utilizado em conjunto com as Séries NBR IEC 60079 e NBR ISO/IEC 80079.

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Como deve ser executada a manutenção dos equipamentos?

Quais são as recomendações sobre materiais?

Por que se preocupar com a radiação solar?

Quais os tipos de proteção “Ex” aos motores elétricos?

Essa norma especifica os requisitos para equipamentos elétricos destinados à instalação em atmosferas explosivas nas seguintes condições padronizadas: temperatura -20 °C a +60 °C; pressão 80 kPa (0,8 bar) a 110 kPa (1,1 bar); e ar contendo contração normal de oxigênio, normalmente 21 % v/v. Em alguns casos, outras partes da Série NBR IEC 60079 também especificam condições além desta faixa padronizada, por exemplo, na NBR IEC 60079-1.

A NBR IEC 60079-0 estabelece a faixa normal de temperatura ambiente como -20 °C a +40 °C, e que equipamentos elétricos projetados para instalação em faixas de temperatura ambiente diferentes desta faixa normal sejam considerados especiais, requerendo uma marcação adicional para informação ao usuário. A NBR IEC 60079-14 apresenta para os usuários os requisitos de seleção e instalação de equipamentos, de forma que estes sejam adequados para as condições ambientais, mas não apresenta orientações específicas para instalação fora das condições atmosféricas normais ou para condições ambientais adversas.

As condições ambientais extremas, como em regiões polares, são preocupantes para a tecnologia de proteção contra a ocorrência de uma explosão. Condições ambientais, como formação de neve, congelamento e precipitação, podem afetar de forma negativa a operação e a segurança dos equipamentos.

As temperaturas baixas extremas e condições climáticas tornam difíceis o processamento de hidrocarbonetos em áreas de processamento abertas, e isto pode representar uma dificuldade para a operação dos equipamentos. Medidas para tratar estas dificuldades são denominadas aclimatação, climatização ou invernização. Este documento representa uma orientação para as condições adversas de serviço, por exemplo, para equipamentos considerados especiais na NBR IEC 60079-0.

Este documento é aplicável ao projeto, fabricação, instalação, inspeção e utilização de tais equipamentos. O Anexo A apresenta orientações sobre os materiais a serem utilizados e o Anexo C apresenta informações sobre os motores elétricos para baixas temperaturas. É possível que algumas informações nesta Especificação Técnica sejam relocadas para as partes aplicáveis da Série NBR IEC 60079 na próxima edição de cada uma destas partes aplicáveis, como informações de orientação.

Esta Especificação Técnica não aborda neste momento outras condições ambientais, como temperaturas elevadas, as quais serão abordadas em uma próxima edição. Pode-se destacar que as condições ambientais e os requisitos específicos de operação são consideradas uma extensão, que pode ocasionar uma falha dos equipamentos ou em suas partes, relacionada com as características dos tipos de proteção “Ex”.

Informações úteis sobre as classificações climáticas podem ser encontradas na Série IEC 60721. Aqueles documentos apresentam informações sobre cinco classificações climáticas: tropical, árida, temperada, fria e polar. Se um fabricante desejar referenciar equipamentos como estando de acordo com aquelas classificações climáticas, é recomendado que a temperatura seja mostrada em uma parte específica da Série IEC 60721, por exemplo, no estabelecimento da temperatura a ser aplicada nos ensaios de resistência térmica ao calor e ao frio, na NBR IEC 60079-0.

Os principais fatores ambientais que podem afetar os equipamentos abordados neste documento, de forma individual ou combinada, incluem: baixa temperatura; umidade; meio corrosivo; camada de neve; precipitação; borrifos de ondas; ventos fortes; radiação solar; e efeitos mecânicos. Os efeitos destes fatores podem ser significativos, particularmente se eles ocorrerem de forma conjunta. Informações sobre estes efeitos são apresentadas a seguir.

Para baixas temperaturas, os seguintes fatores podem ser aplicáveis e convém que sejam considerados: capacitores eletroquímicos podem congelar e falhar; baterias de acumuladores podem descarregar; graxa e compostos de proteção podem se tornar sólidos e trincar; materiais de borracha podem perder a sua elasticidade e falhar; graxas podem congelar, afetando as partes como dobradiças e eixos; relés podem falhar; características de amplificação de transistores podem diminuir; perda de ductibilidade ou fragilização de materiais ou juntas soldadas podem ocorrer; expansão ou contração diferencial de materiais podem apresentar um impacto sobre o encaixe correto de componentes; aumento da viscosidade de óleo e o fluxo pode ser reduzido ou cessado, o que pode causar perda de proteção em sistemas mecânicos; óleo, como dielétrico de isolamento em equipamentos elétricos envelhecidos, pode apresentar conteúdo elevado de água, o que pode reduzir sua resistência dielétrica ou mesmo uma falha de isolamento dielétrico.

Existem outros efeitos ambientais, como a elevada umidade pode ocorrer devido às alterações da temperatura ambiente, por exemplo, em condições marítimas. Nestes casos, os seguintes fatores podem ser aplicáveis e convém que sejam considerados: a permeabilidade dielétrica de materiais isolantes pode aumentar; a resistência superficial de materiais isolantes pode diminuir; a permissividade de entreferros pode diminuir; os processos físico químicos auxiliares em materiais dielétricos e metálicos podem ocorrer, por exemplo, corrosão ou alterações biológicas.

Estes fatores podem causar alterações indesejáveis na capacitância de capacitores, diminuição na resistência de isolação, inchaço e descamação dos dielétricos, corrosão metálica ou formação de mofo no interior dos equipamentos. Sal e outros contaminantes podem acentuar diversos dos problemas causados pela umidade, como a redução das propriedades de isolação e o aumento da corrosão.

Dessa forma, os equipamentos devem ser fabricados de acordo com os requisitos de segurança aplicáveis das normas industriais aplicáveis. Tais normas incluem a Série IEC 60068, sobre ensaios ambientais, as quais incluem alguns ensaios aplicáveis às condições adversas de serviço. A Série IEC TR 60721-4 inclui referências aos ensaios aplicáveis na Série IEC 60068.

Quando um equipamento puder estar sujeito a condições adversas de serviço quando em operação, é recomendado que o fabricante apresente as informações adicionais necessárias para a seleção, instalação, operação e manutenção de equipamentos sob tais condições. É recomendado que os valores superiores e inferiores de temperatura e umidade sejam especificados. Os valores recomendados para as classificações climáticas são apresentados nas IEC 60721-1 e IEC 60721-2-1.

Quando aplicável, convém que a taxa de variação de temperatura para as quais os equipamentos são destinados também sejam especificadas nas instruções do equipamento. Para o mesmo tipo de equipamento, diferentes faixas de temperatura são frequentemente especificadas, para aplicações específicas. Quando as condições de armazenamento e transporte antes da instalação excederem a faixa de temperatura coberta pelo certificado, convém que os impactos potenciais destas temperaturas, sobre o tipo de proteção, sejam abordados nas instruções fornecidas pelo fabricante.

Quando tais informações não forem fornecidas nas instruções, é recomendado que as temperaturas de armazenamento não fiquem fora da faixa coberta pelo certificado. Convém que os tipos de proteção permaneçam efetivos enquanto tais equipamentos permanecerem expostos às condições adversas de serviço.

Isto precisa ser considerado nas fases de seleção e instalação, bem como ser considerado durante as atividades de inspeção e manutenção. Orientações sobre estes aspectos são apresentadas nas Seções 7 e 8. É recomendado que a seleção de equipamentos, projeto das instalações e manutenção levem em consideração os fatores ambientais e o desempenho, como requerido nas NBR IEC 60079-14 e NBR IEC 60079-17.

Esta Especificação Técnica pode também ser utilizado para fornecer orientações adicionais sobre estes aspectos. Quando equipamentos forem destinados à utilização em áreas onde podem estar expostos à névoa salina, convém que sejam aplicados requisitos sobre resistência contra corrosão à névoa salina. Informações úteis sobre classificação de substâncias quimicamente ativas e os efeitos destas substâncias sobre os equipamentos podem ser encontradas na Série IEC 60721-3, IEC 60654-4 e ISO 9223.

Sob condições de camada de neve, são recomendados equipamentos com grau de proteção IP66, de acordo com a NBR IEC 60529 ou NBR IEC 60034-5, de forma a evitar o ingresso da camada de neve no interior do invólucro, de uma forma similar como é feito para o ingresso de poeira. Convém que equipamentos que dissipam calor, em particular aqueles com partes girantes, sejam protegidos contra a queda de neve, a qual pode derreter quando o equipamento é energizado e se solidificar quando o equipamento é desenergizado.

Convém que tais equipamentos sejam instalados de forma que sejam protegidos contra a queda de neve ou sejam aquecidos de forma a evitar a solidificação da neve. Os requisitos para a resistência contra radiação solar somente precisam ser aplicados às partes que sejam expostas à radiação solar durante as condições de serviço, ao invés do equipamento completo. O Anexo B apresenta informações adicionais com relação à radiação solar.

Para equipamentos com superfície submetidas à radiação solar com cores diferentes de branca ou prata, as temperaturas de superfície podem se elevar em pelo menos 5 K. Ver detalhes no Anexo B. Em baixas temperaturas, convém que sejam considerados requisitos mais rigorosos para a integridade mecânica. Para equipamentos, isto pode ser considerado durante a elaboração de uma certificação, como requerido na NBR IEC 60079-0. Para instalações, isto pode significar requisitos adicionais, por exemplo, requisitos de montagem.

Alguns tipos de aço e de ferro fundido se tornam quebradiços a temperaturas abaixo de -20 °C. Para equipamentos destinados a serem utilizados em áreas abertas ou em ambientes fechados, onde as variações de temperatura do ar e de umidade não diferem significativamente daquelas em instalações ao tempo, a temperaturas abaixo de -20 °C, é recomendado que seja considerado o descrito a seguir.

Em juntas roscadas, onde materiais dissimilares com diferentes coeficientes de expansão de temperatura estiverem em contato, é recomendado que cuidado seja levado em consideração para evitar danos aos materiais e de forma a assegurar a requerida rigidez, quando da alteração das dimensões das partes, devido à grande variação da faixa de temperaturas que pode ser encontrada.

Para partes sujeitas a desgaste, por exemplo, resultante de atrito, convém não utilizar as taxas mais rápidas a baixa temperatura, comparadas com o desgaste em climas temperados. Para partes que podem possuir uma baixa resiliência ao impacto a baixas temperaturas, medidas adicionais podem ser necessárias, de forma a assegurar a sua integridade.

Se as condições operacionais dos equipamentos e seus parâmetros de projeto não excluírem a possibilidade de depósito de camada de neve ou gelo (“icing”) que afete o Tipo de Proteção “Ex”, então convém que medidas apropriadas sejam aplicadas, por exemplo, “climatização” (winterization). A climatização pode ser atingida pela instalação de equipamentos em áreas com temperatura controlada ou outras ações que evitem a deposição de neve na superfície, estruturas ou equipamentos.

Ações contra a deposição de neve ou de gelo incluem o aquecimento do ar ou do equipamento. Neve, chuva, pulverização (spray) ou falha nos sistemas de climatização podem levar a um rápido resfriamento dos equipamentos, resultando na queda de pressão interna e na ocorrência de condensação no interior dos equipamentos. Os invólucros podem se deformar e perder as características de proteção contra ingresso devido à exposição ao calor e umidade, seguida de um rápido resfriamento.

As pressões diferenciais causadas pelas variações nas temperaturas podem provocar a migração de água de um invólucro para outro, por meio dos cabos de interconexão. A utilização de um dispositivo adequado de respiro para alívio de pressão pode ser uma solução para este tipo de problema.

As temperaturas ambientes abaixo de -20 °C podem comprometer o Tipo de Proteção “Ex” do equipamento, sendo recomendado que isto seja considerado na avaliação e nos ensaios do equipamento. Quando estas baixas temperaturas não são especificamente avaliadas pela norma do Tipo de Proteção “Ex”, convém que sejam feitas considerações sobre os aspectos críticos que podem ser aplicáveis, com os exemplos apresentados a seguir.

O desempenho das características dos componentes utilizados em equipamentos intrinsecamente seguros, como barreiras e fontes de alimentação com duração de centelha limitada com elementos intrinsecamente seguros dinâmicos, é alterado a baixas temperaturas. Convém que tais alterações sejam consideradas na seleção de componentes apropriados, sendo recomendada uma avaliação de acordo com a NBR IEC 60079-11, utilizando a temperatura de operação especificada pelo fabricante.

Convém que esta característica nominal considere as alterações da operação de componentes semicondutores que tenham um impacto na capacidade de equipamentos intrinsecamente seguros desempenharem suas funções requeridas de segurança intrínseca. A eficiência da segurança intrínseca das fontes de alimentação com elementos intrinsecamente seguros dinamicamente controlados aplicados em tais sistemas depende da temperatura ambiente onde eles são utilizados. Em baixa temperatura, a sensibilidade de elementos dinâmicos semicondutores de elementos intrinsecamente seguros em fontes de alimentação é degradada e o tempo de chaveamento aumenta.

A NBR IEC 60079-11 especifica que os ensaios de ignição de centelha devem ser realizados com o circuito formado, de forma a apresentar as condições mais acendíveis (capazes de causar uma ignição), embora, na prática, os ensaios sejam normalmente executados nas temperaturas ambientes do laboratório. Desta forma, onde baixas temperaturas estiverem presentes, é necessário executar ensaios de segurança intrínseca dos sistemas com fontes de alimentação com proteção intrínseca dinâmica (por exemplo, “Power-i”) em temperaturas em faixas de aplicação, incluindo a temperatura mais baixa para os elementos semicondutores dinâmicos e com as cargas apropriadas conectadas ao equipamento centelhador padrão na máxima temperatura de serviço.

Para componentes semicondutores que proporcionem proteção intrínseca em temperaturas ambientes abaixo de -40°C, sistemas especiais de aquecimento podem ser requeridos. Para equipamentos destinados à utilização em climas marítimos frios, um grau de proteção maior que IP54 pode ser requerido, de forma a assegurar a proteção contra a possibilidade de depósito de cloretos sobre placas de circuito impresso, o que poderia levar a um trilhamento, independentemente de o equipamento estar de acordo com as distâncias de escoamento e com o índice de trilhamento comparativo (CTI) dos materiais isolantes da NBR IEC 60079-11.

Nos invólucros à prova de explosão “d” convém que os dispositivos de fixação que asseguram a integridade de invólucros sejam fabricados de materiais que mantenham a sua rigidez em baixas temperaturas. Isto é especialmente importante para temperaturas abaixo de -40°C. Para juntas resinadas, convém que sejam utilizadas resinas resistentes ao frio. Proteção adicional de superfícies à prova de explosão contra corrosão pode ser requerida, especialmente para equipamentos em climas marítimos. Em juntas onde materiais dissimilares com diferentes coeficientes de temperatura são montados juntos, convém que as alterações de temperatura dos valores superior para o inferior sejam consideradas para o efeito do interstício do caminho de passagem de chama (“flamepath gap”).

Os invólucros pressurizados “p”, operando a baixas temperaturas, podem requerer características adicionais para assegurar uma operação confiável. Aquecedores fixos, purga da atmosfera interna ou outros dispositivos anticondensação podem ser requeridos.

Em equipamentos com imersão em líquido “o” é recomendado que sejam utilizados líquidos adequados para aplicação em baixa temperatura ou é recomendada a instalação de preaquecimento do equipamento. Convém que isto seja especificado nas instruções do fabricante. Embora o certificado de um equipamento possa permitir a sua operação em baixas temperaturas, a funcionalidade do equipamento naquelas baixas temperaturas não é normalmente abordada.

Este documento aborda alguns elementos da funcionalidade para os quais convém que sejam considerados por questões de segurança. Por exemplo, aquecedores podem ser utilizados mesmo se o equipamento estiver operando dentro de seus limites cobertos por seu certificado. Em baixas temperaturas, convém que algumas baterias não sejam consideradas fonte de alimentação alternativa (“backup”) para sistema de iluminação de emergência.

Isto pode ser obtido por um sistema de alimentação ininterrupto (uninterruptible power system – UPS) com a bateria localizada em uma área de temperatura mais alta ou outros meios adequados, por exemplo, sistema de aquecimento. A saída luminosa de lâmpadas fluorescentes é menor em baixas temperaturas.

Pode-se considerar que outras fontes de luz apresentem a saída luminosa necessária. Abordagens mais simples com relação às fontes de alimentação alternativas (backup) podem ser necessárias para outros sistemas que normalmente seriam baseados em baterias.

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