ConceitosConceitos

O Problema

“Acidentes ocorridos em várias partes do mundo tiveram como origem um equipamento elétrico indevidadmento especifi cado para trabalhar numa área cuja presença de substâncias inflamáveis no ambiente criava condições especiais p ara sua ocorrência.”

Bossert (2001)

“Os equipamentos elétricos por sua própria natureza p o dem se constituir em fontes de ignição quando operando em um a atmosfera potencialmente explosiva.”

Jordão (1998)

“Nada é mais bem distribuído que o bom senso: ninguém julga que precisa mais do que o que já tem.”

Descartes

Conceitos

Combustão:Propagação da reação química de oxidação exotérmica de um combustível.

Atmosferas explosivas:Podem ocorrer em determinadas áreas a mistura de gases, vapores ou poeiras inflamáveis com o ar que, em proporções adequadas, formam atmosferas explosivas.

A concentração é muito importante pois um gás ainda que muito inflamável não entra em combustão se não houver oxigênio bastante. Por outro lado se houver oxigênio demais o gás também não entra em combustão.

Área Classificada:Espaço limitado onde há risco de explosão (presença de atmosfera explosiva). Não énecessário que o espaço seja limitado fisicamente, de forma que podem haver diferentes classificações quanto ao risco de explosão em uma área aberta.

Deflagração:É uma reação química exotérmica que acontece com velocidade de combustão na ordem de cm/s em uma atmosfera explosiva e não ocorre sem que haja a ignição. Essa forma de combustão é a mais lenta de todas e ocorre quando a concentração está próxima dos pontos limites de explosividade, LEL e UEL, vistos mais adiante.

Conceitos

Explosão:Idem à deflagração, só que com velocidade na ordem de m/s

Detonação:Idem à explosão, só que com velocidade de combustão na ordem de km/s . Essa forma é a mais violenta das combustões e ocorre no ponto de concentração mais favorável à combustão

Ignição: É o início da combustão causada em uma mistura explosiva pelas possíveis fontes: Chama, Centelhamento, Efeito Térmico (superfícies quentes), Compressão / ondas de choque e Luz.

A ignição por compressão necessita de uma brusca variação na pressão de modo a causar também uma brusca variação de temperatura, conforme explica a lei dos gases, PV= RT, onde um aumento de pressão leva a um aumento de temperatura, mantendo-se o volume constante.

Já a ignição por luz é muito rara e normalmente esta luz está fora da faixa visível. Aqui o processo de ignição pode ser Fotoquímico (combinação elétron - lacuna) ou Fototérmico (agitação molecular pelos fótons). Como exemplo podemos citar a mistura Clorine, Hidrogênio e Ar.

Conceitos

Energia de ignição:

Seja qual for a fonte de ignição, esta sempre deverá energizar as moléculas da mistura a ponto de desencadear a reação química de oxidação da mesma. Energias muito baixas dissipam-se sem conseguir dar início à reação. Há portanto uma energia mínima para conseguir a ignição. Tal energia varia com diversos fatores como concentração da mistura, temperatura, concentração de oxigênio no ar comburente, pressão e tipo do gás.

Limites de Ignição:

Existe um ponto ótimo de concentração de uma mistura para o qual ela se torna o mais combustível possível, o que significa que com uma energização mínima já se dá a ignição. Este ponto de concentração é denominado MIE (minimum ignition energie)

Limites de inflamabilidade

Os valores do LIE e LSE são geralmente fornecidos e m porcentagens de volume tomadas a aproximadamente 20oC e 1 atm. Para qualquer gás, 1% em volume representa 10000 pp m (partes por milhão). Para um gás ou vapor inflamável queimar é necessária que exista, além da fonte de ignição, uma mistura chamada "ideal" entre o ar atmosférico (oxigênio) e o gás combustível. A quantidade de oxigênio no ar é praticamente constant e, em torno de 21 % em volume.

Mistura Pobre Limite Inferior de Inflamabilidade (LII)

mínima concentração de gás que, misturada ao ar atmosférico, é capaz de provocar a combustão do produto, a partir do contato com uma fonte de ignição. Concentrações de gás abaixo do LIE não são combustíveis pois, nesta condição, tem-se excesso de oxigênio e pequena quantidade do produto para a queima.

Pouco produto inflamável e muito oxigênio.

Mistura Rica Limite Superior de Inflamabilidade (LSI)

máxima concentração de gás que misturada ao ar atmosférico é capaz de provocar a combustão do produto, a partir de uma fonte de ignição. Concentrações de gás acima do LSE não são combustíveis pois, nesta condição, tem-se excesso de produto e pequena quantidade de oxigênio para que a combustão ocorra

Muito produto inflamável e pouco oxigênio

Mistura IdealRelação volumétrica oxigênio-produto inflamável dentro da faixa de inflamabilidade

Limites de Inflamabilidade

CONCENTRAÇÃO DO VOLUME ( % )

0,01

0,1

1

3010 50 70 90 100

LELUELMIE

27%MIE 4,2%

ENERGI

A DE

IGNIÇÃ

O (mJ)

PROPANO

HIDROGÊNIO

•ACETILENO

32,46,52,3ETILENO

10,94,21,7PROPANO

16,58,24,4METANO

13,04,0GAS NATURAL

77274,0HIDROGÊNIO

788,52,3ACETILENO

Limite superiorUEL (vol %)

Melhor concentraçãoMIE (vol %)

Limite inferiorLEL (vol %)

Substância

Ponto de Fulgor (Flash Point)

Menor temperatura na qual um líquido libera vapor em quantidade suficiente para formar uma mistura inflamável

Temperatura de Ignição expontânea

É a mais baixa temperatura na qual uma mistura sofre ignição sem atuação de uma fonte de ignição externa.

Triângulo do Fogo

Risco de Ignição

O Risco de ignição de uma atmosfera existe se ocorrer simultaneamente :

A presença de uma substância inflamável (em condições de operação normal ou anormal);

A substância inflamável encontra-se em um estado tal e em quantidade suficiente para formar uma atmosfera explosiva;

Existe uma fonte de ignição com energia elétrica ou térmica suficiente para causar a ignição da atmosfera explosiva;

Existe a possibilidade da atmosfera explosiva alcançar a fonte de ignição.

Risco de Ignição

Os riscos de explosão devem ser avaliados globalmen te. São elementos importantes:

os equipamentos de trabalho utilizados,

as características de construção,

as substâncias utilizadas,

as condições de trabalho e especificidade dos processos,

as possíveis interações entre estes elementos, bem como as interações com o ambiente de trabalho.

Em tais avaliações devem ser levados em conta detal hes que alteram os riscos de explosão:

O aumento de temperatura afasta os limites de explosividade

O aumento de pressão também afasta tais limites e além disso multiplica a amplitude da onda de pressão resultante da combustão, que é praticamente diretamente proporcional à pressão ambiente da atmosfera explosiva.

A concentração de oxigênio reduz a energia necessária à ignição da atmosfera explosiva

Conceitos

Atmosfera explosiva:Mistura de gases, vapores ou poeiras inflamáveis com o ar que, em proporções adequadas e sob determinadas condições, formam uma atmosfera potencialmente explosiva.

Áreas classificadas:São todos aqueles espaços ou regiões tridimensionais onde pode ocorrer presença de gases e líquidos inflamáveis, que podem formar uma atmosfera explosiva.

Espaço tridimensional na qual pode-se esperar uma atmosfera inflamável em certa frequencia que requeira precauções para o controle das fontes potenciais de ignição, incluindo equipamentos elétricos fixos.

Plano de áreas classificadasDesenho que mostra a avaliação do GRAU DE RISCO de formação de atmosfera potencialmente explosiva na instalação.

Classificação de Áreas

Para a classificação de uma determinada área são analisados os seguintes parâmetros:

Quantidade e freqüência com que se apresenta a atmosfera explosiva;

O tipo de material e suas características como MIE (menor energia de ignição), MIC (Mínima corrente de ignição) e MESG (Máximo gap, ou interstício, experimental seguro) entre outros;

A temperatura de ignição espontânea da mistura.

IEC (Europa) + ABNT (Brasil)

Zonas:

A classificação segundo as zonas baseia-se na freqüência e duração com que ocorre a atmosfera explosiva.

Zona 0

ocorre atmosfera explosiva sempre ou por longos períodos. (mais perigosa)

Zona 1

provável que ocorra atmosferas explosivas em condições normais de operação ( ocasionalmente).

Zona 2

área onde é improvável o aparecimento da atmosfera explosiva em condições normais de operação ou, quando ocorre, é por curtos períodos ( raramente).

Zona 20

ocorre atmosfera explosiva sempre ou por longos períodos, formada por poeiras combustíveis. (mais perigosa das atmosferas de poeira)

IEC (Europa) + ABNT (Brasil)

Zona 21

ocorre atmosfera explosiva freqüentemente, formada por poeiras combustíveis.

Zona 22

ocorre atmosfera explosiva raramente em condições de anormalidade, formada por poeiras combustíveis.

Classificação especial para centros cirúrgicos

Zona G (Enclosed medical gas system)ocorre em centros cirúrgicos com gases analgésicos durante longos períodos.

Zona M (Medical environment)ocorre em centros cirúrgicos em pequenos volumes com substâncias analgésicas ou anti-sépticos em curto espaço de tempo.

IEC (Europa) + ABNT (Brasil)

Grupos:

A classificação segundo os grupos baseia-se no grau de periculosidade dos materiais.

Grupo Iocorre em minas subterrâneas, onde há a existência de grisu (mistura de ar com metano). Estão nesta categoria as indústrias que processam o carvão com atmosfera de grisu ainda que instaladas na superfície;

Grupo IIocorre em indústrias de superfície (químicas ou petroquímicas) e subdivide-se em:Grupo II A – (menos explosivos)

ocorre em atmosfera explosiva onde prevalece os gases da família do propeno.

Grupo II Bocorre em atmosfera explosiva onde prevalece os gases da família do etileno.

Grupo II Cocorre em atmosfera explosiva onde prevalece os gases da família do hidrogênio, incluindo-se o acetileno. (mais perigosa)

IEC (Europa) + ABNT (Brasil)

Temperatura:

A temperatura de ignição expontânea da mistura classifica-se em:

T1 - 450 graus centígrados;T2 - 300;T3 - 200;T4 - 135;T5 - 100;T6 - 85. (mais perigosa)

NEC (U.S.A)

Divisão:

A classificação segundo a divisão baseia-se na freqüência e duração que ocorre a atmosfera explosiva.

Divisão 0

ocorre a atmosfera explosiva sempre ou por longos períodos (ainda não oficializada pela norma americana).

Divisão 1

provável que ocorra a atmosfera explosiva em condições normais de operação ou em reparos freqüentes. (mais perigosa)

Divisão 2

área onde não é provável o aparecimento da atmosfera explosiva em condições normais de operação ou, se ocorrer, é por curtos períodos. Por exemplo em caso de ruptura de equipamento, falha no sistema de ventilação ou em áreas adjacentes à divisão 1.

NEC (U.S.A)

Classes:

A classificação segundo as classes baseia-se na natureza dos materiais.

Classe I

mistura de gases ou vapores com o ar.Grupos A, B, C, D

Classe II

mistura de poeira combustível com o ar.Grupos E, F, G

Classe III

mistura de fibras em suspensão no ar (fácil ignição).Ex.: rayon, algodão, sisal, juta, fibras de madeira, etc.

NEC (U.S.A)

Grupos: A classificação segundo os grupos baseia-se no grau de periculosidade dos materiais.

Grupo Aocorre em atmosferas explosivas onde prevalecem os gases da família do acetileno. (mais perigosa)

Grupo Bocorre em atmosferas explosivas onde prevalecem os gases da família do hidrogênio.Butadieno, óxido de eteno, hidrogênio

Grupo Cocorre em atmosferas explosivas onde prevalecem os gases da família do etileno (Ciclopropoano, éter etílico, eteno, sulfeto de hidrogênio).

Grupo D ocorre em atmosferas explosivas onde prevalecem os gases da família do propano (gasolina, hexano, nafta-benzina-butano, álcool, acetona, amônia, benzeno, benzol, solventes e vernizes).

Energia liberada durante o processo

de combustão

NEC (U.S.A)

Grupos

Grupo E

poeiras de metais combustíveis (poeiras de alumínio, magnésio, etc com .resistividade menor que 105Ωcm)

Grupo F

poeiras de carvão (poeiras condutoras de carvão mineral ou vegetal, coque, negro de fumo, etc).

Grupo G

poeiras de grãos depositadas e não condutoras ( farinha, amido e outras ou algodão, estopa, rayon, pó de serragem, pó de cortiça, etc com .resistividade maior que 105Ωcm)

NEC (U.S.A)

Temperatura :

É a classificação segundo a temperatura de ignição expontâneada mistura em graus centígrados:

T1450 graus centígrados;

T2300;

T2A - 280; T2B - 260; T2C - 250; T2D - 215;

T3200;

T3A - 180; T3B - 165; T3C - 160;

T4135;

T4A - 120;

T585. (mais perigosa)

NEC (U.S.A)

Obs.:

Os equipamentos de segurança intrínseca se trabalharem em atmosferas de poeira combustível devem obedecer ao seguinte padrão:

Em classe I (grisu) a temperatura deve ser limitada a 450oC Em classe II grupos E e F : 200oC ;Em classe II grupo G ou classe III: 165 oCMina: classe II grupo G (pó de carvão) a temperatura limite é150oC

IEC + ABNT

NEC

Comparação entre as Normas

Quanto à periodicidade:

Comparação entre as Normas

Quanto às substâncias

Representação de áreas classificadas geradas por um tanque de armazenamento de líquido inflamável

Classificação de Áreas

Zona 0 (continuamente presente)

Onde uma mistura explosiva ar / gás estácontinuamente presente ou presente por longos períodos

Zona 1 (frequentemente presente)

Onde é provável ocorrer uma mistura explosiva ar / gás em condições normais de operação

Zona 2 (acidentalmente presente)

Onde é pouco provável ocorrer uma mistura explosiva ar / gás em condições normais de operação ou, caso ocorra, será por um breve período de tempo

ProteProte çção Elão El éétricatrica

Proteção Elétrica

Confinamento

A explosão é confinada em um compartimento capaz de resistir a pressão desenvolvida durante uma possível explosão, não permitindo a propagação para as áreas vizinhas.

Segregação

Separa fisicamente a atmosfera potencialmente explosiva da fonte de ignição.

Prevenção

Controla a fonte de ignição de forma que ela não possua energia térmica ou elétrica suficiente para detonar a atmosfera explosiva.

Supressão

A probabilidade do equipamento elétrico se tornar uma fonte de ignição é reduzida pela adoção de medidas construtivas adicionais.

À prova de Explosão Ex-d

É todo equipamento que estáencerrado em um invólucro capaz de suportar a pressão de explosão interna sem se romper, não permitindo que a explosão se propague para o meio externo.

Este método de proteção baseia-se noconceito de confinamento da explosão.

À prova de Explosão Ex-d

À prova de Explosão Ex-d - Características

O fechamento hermético do todo o equipamento elétrico éimpraticável.

Equipamentos com partes móveis - manoplas de chaves,eixo de botões de comando, eixo de motores elétricos, etc., necessitam de folga para operaçãoJuntas roscadas para penetração de cabosAcesso às partes internas para manutençãoO sistema de eletrodutos e invólucro são submetidos a “respiração” devido às variações de temperatura durante o dia, havendo possibilidade de penetração de gases no interior, formando uma mistura explosiva.

À prova de Explosão Ex-d – DesvantagensInvólucros geralmente muito pesados e volumosos;

Dificuldade para manutenção e instalação (invólucros com juntas flangeadas com muitos parafusos); requer unidades seladoras

Invólucro não vedado à entrada de água e de umidade por condensação

Não admite modificações/furação pelo campo

Os invólucros de alumínio montados na região exposta a névoa salina “se dissolvem” com o tempo

O invólucro não pode ser aberto na área; necessidade de desligar a alimentação elétrica

Pressurizado – Ex-p

Consiste em manter presente no interior do invólucro um gás de proteção com uma pressão positiva superior àpressão atmosférica, de modo que se houver presença de mistura inflamável ao redor do equipamento esta não entre em contato com partes que possam causar uma ignição.

Esta técnica de proteção é baseada no conceito de segregação.

Pressurizado – Ex-p - Características

Utilização, geralmente, de ar de instrumento (limpo, seco e não-contaminado) como gás de proteção

A pressão interna usual é de 0,20 a 0,25“ H2O (5 a 6mm coluna d’água)

Supervisão da pressão interna com alarme e/ou desenergização do equipamento

Técnica utilizada em painéis elétricos de um modo geral e em motores elétricos de grande porte, fora de série

Necessidade de purga do volume interno do invólucro, antes de ser reenergizado após parada.

Pressurizado – Ex-p

Segurança aumentada - Ex-e

Equipamentos que em condições normais de operação não produzem centelhamento ou altas temperaturas e que são dotados de medidas construtivas adicionais de modo a aumentar a sua segurança.

Este método de proteção é baseado no conceito de supressão da fonte de ignição.

Segurança aumentada - Ex-e - Características

Flexibilidade de instalação: permite cabos conectados aos equipamentos através de prensa-cabos, não necessitando dos eletrodutos metálicos e suas unidades seladoras.

Possibilidade de serem utilizados invólucros de plástico, fazendo com que os equipamentos (luminárias, caixas de terminais, etc.) sejam mais leves e mais resistentes àcorrosão em atmosfera marinha.

Segurança intrínseca - “Ex-i”

Circuito, dispositivo ou sistema que não é capaz de liberar energia suficiente para inflamar uma atmosfera explosiva, quer seja em condições normais ou anormais de operação.

Este método utiliza o conceito de prevenção da ignição, através da limitação da energia.

Categoria ia:Equipamento intrinsecamente seguro incapaz de provocar a ignição da atmosfera explosiva em operação normal, com até duas falhas e com os fatores de segurança aplicados:

1,5 para operação normal ou com uma falha;

1,0 para operação normal e duas falhas.

Categoria ib:Equipamento intrinsecamente seguro incapaz de provocar a ignição da atmosfera explosiva em operação normal ou com uma falha e com os fatores de segurança:

1,5 para operação normal e uma falha ;

-1,0 para operação normal e uma falha auto-indicada (sinalização da falha através de alarme).

Segurança intrínseca - “Ex-i” – Analogia com sistemas hidráulicos

Segurança intrínseca - “Ex-i”

Para a limitação de energia pode-se utilizar limitadores resistivos (Barreiras Zener) ou dispositivos eletrônicos limitadores de corrente (semicondutores).

R limita o valor da corrente na área explosiva (Ex i) no caso de curto circuito entre 3 e 4.

Z limita o valor da tensão enviada à área explosiva. O número de zeners é determinado pelo fator de segurança imposto para as categorias ia e ib como será visto no item 7.5 a seguir.

F tem como função proteger os zeners no caso de sobretensão nos pontos 1 e 2.

G ponto de aterramento que garante um caminho de retorno à terra para a corrente dos diodos zeners.

Barreira Zener típica

Área perigosa

F

ZÁrea segura

R

G

Equipamentos “ex-i” : Gráfico Energia de Ignição x Concentração em Volume (%)

Segurança intrínseca - “Ex-i” – Aplicações

sistemas de instrumentação, com possibilidade de abertura dos equipamentos para calibração no campo, com a planta em operação.

Botoeira de ponte rolante.

Chave em tanques de óleo diesel.

Classe de Temperatura

Indica a máxima temperatura de superfície que um equipamento elétrico pode atingir, de forma a não exceder a temperatura de ignição da atmosfera explosiva do gás para o qual ele foi projetado.

Grau de ProteGrau de Prote çção Mecânicaão Mecânica

Grau de proteção mecânica – IP XY(NBR / IEC)

Proteção inerente do equipamento, capaz de evitar danos físicos às pessoas (ex: choque elétrico, ferimentos causados por partes móveis, etc.) e danos ao próprio equipamento, pela penetração de corpos estranhos ou de água.

Essa é uma denominação geral para equipamentos, próprios para operar em áreas classificadas ou não.

DESIGNAÇÃO NEMA (UL) PARA INVÓLUCROS