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:

1. Группы взрывоопасных смесей — характеризуют свойства вещества (насколько легко смесь воспламеняется);
2. 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).

Принцип	Суть идеи	Вид взрывозащиты (пример)
Ограничение энергии	Искра и нагрев не способны воспламенить смесь, потому что энергии заведомо недостаточно. Это профиль инженера АСУТП	Искробезопасная цепь (Ex i)
Локализация взрыва	Взрыв происходит внутри прочного корпуса, а в зазоры выходит уже остывший и безопасный газ.	Взрывонепроницаемая оболочка (Ex d)
Повышенная надёжность	Искрение и опасный нагрев в нормальном режиме исключены конструктивно. Очень высокое качество изоляции, зажимов и обмоток	Повышенная надёжность (Ex e)
Изоляция от среды	Источник зажигания изолирован от взрывоопасной атмосферы с помощью заливки, продувки или масла.	Герметизация компаундом (Ex m), продувка избыточным давлением (Ex p), масляное заполнение (Ex o), заполнение порошком (Ex q)

Для инженера АСУТП принципиально понимание Ex i и Ex d/e — именно они чаще всего встречаются в оборудовании на реальных объектах.

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:

• барьеры искрозащиты;
• 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.