eletricas em atmosferas explosivas

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III ENCONTRO PETROBRAS SOBRE INSTALAÇÕES ELÉTRICAS EM ATMOSFERAS EXPLOSIVAS 20 a 22 de março de 2002 - Imperial Othon Palace Hotel, Fortaleza, Ceará - Coordenação : SMS/ CORPORATIVO USO DE PAINÉIS ELÉTRICOS PROVISÓRIOS EM ATMOSFERAS POTENCIALMENTE EXPLOSIVAS COPENE PETROQUÍMICA DO NORDESTE S.A. Ferlahyl Figueiredo Razoni Rubens Drummond Uzeda, MSc Sergio Luiz Silveira Alves [email protected] [email protected] [email protected] RESUMO Este artigo mostra a solução adotada pela COPENE para manter o nível de segurança de suas instalações durante a utilização de painéis elétricos provisórios em áreas classificadas. É apresentado, e justificado, cada critério de projeto do painel provisório, que utilizou o conceito de proteção de pressurização (Ex p). Uma abordagem também é feita no procedimento de utilização dos painéis. Finalmente, ações futuras são apresentadas para aperfeiçoamento do projeto inicial PALAVRAS-CHAVE: Atmosfera explosiva; pressurização; instalações elétricas provisórias. 1.0 – INTRODUÇÃO Durante a realização de paradas de manutenção das unidades de produção da COPENE, a quantidade de serviços de caldeiraria, mecânica e complementares (isolamento e refratário) aumenta significativamente. Com isso aumenta-se também a necessidade de instalação de luminárias, máquinas de solda, lixadeiras e outros equipamentos elétricos portáteis. Os pontos de suprimento existentes (tomadas de áreas) não são suficientes para atender esta demanda, sendo necessário instalar uma rede elétrica provisória de grande proporção. Numa parada de manutenção da COPENE podem ser utilizados até 200 máquinas de solda, 2.000 luminárias e um sem número de lixadeiras. Com isso a demanda de potência, somente para suprir essas cargas, pode atingir 2.000kVA. Agora fica a pergunta. Como atender um volume tão grande de serviços e manter os requisitos mínimos de segurança de instalações elétricas em atmosferas potencialmente explosivas? 2.0 – PAINÉIS ELÉTRICOS PROVISÓRIOS A COPENE buscou no mercado painéis adequados para uso em áreas classificadas (atmosferas potencialmente explosivas). Porém seus técnicos notaram que os painéis ofertados não atendiam integralmente a especificação mínima requerida. Dessa forma a COPENE resolveu projetar seus próprios painéis elétricos de modo a atender suas especificidades. 2.1 Requisitos construtivos especiais Diferentes tipos de proteção podem ser utilizados para esse tipo de aplicação, porém os mais comuns são: segurança aumentada (Ex e), prova de explosão (Ex d) e pressurizado (Ex p). Cada um tem suas vantagens e desvantagens, porém para a presente aplicação foi descartada a possibilidade de uso de painel Ex d (muito pesado) ou Ex e (dificuldade de obter-se grau de proteção mínimo IP 54). Já o painel Ex p tornou-se mais atrativo, principalmente dada a disponibilidade de gás de proteção na COPENE (ar de instrumento ou nitrogênio). Outro fator favorável decisivo foi o grau de proteção mínimo exigido para esse tipo de proteção: IP 40. Portanto, resolveu-se pressurizar o painel, dotando-o do tipo de proteção Ex p. 2.1.1 Tipo de proteção p Conceitualmente o tipo de proteção Ex p utiliza-se do princípio de excluir a atmosfera explosiva das prováveis fontes de ignição do equipamento elétrico. Dessa forma elimina-se a possibilidade da presença simultânea de substância inflamável, ar e fonte de ignição. Outros tipos de proteção utilizam o mesmo princípio: Ex m (imerso em resina) e Ex o (imerso em óleo). Alertamos sobre uma confusão comum em torno do tipo de proteção Ex q (imerso em areia). Essa proteção não exclui a atmosfera explosiva da fonte de ignição, já que o gás pode penetrar passivamente pelos interstícios da sílica utilizada. O conceito Ex q utiliza-se do princípio de arrefecimento da energia liberada numa explosão. Com isso evita-se a propagação da explosão para o meio externo. Teoria semelhante é utilizada pelo tipo de proteção Ex d (prova de explosão) porém através de outros meios. O conceito Ex p foi utilizado durante muitos anos, principalmente quando outro tipo de proteção não podia ser efetivamente utilizado. Dessa forma os usuários usavam essa técnica orientados ora pelo bom senso, ora pela própria experiência adquirida ao longo dos anos. Quando o National Electrical Code (NEC) adotou essa técnica como standard, muitos países adotaram postura semelhante [4]. Dessa forma o conceito de proteção Ex p deixou de ser uma prática de instalação e tornou-se um conceito previsto em normalização técnica.

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III ENCONTRO PETROBRAS SOBRE INSTALAÇÕESELÉTRICAS EM ATMOSFERAS EXPLOSIVAS20 a 22 de março de 2002 - Imperial Othon Palace Hotel, Fortaleza, Ceará - Coordenação : SMS/ CORPORATIVO

USO DE PAINÉIS ELÉTRICOS PROVISÓRIOS EM ATMOSFERAS POTENCIALMENTE EXPLOSIVASCOPENE PETROQUÍMICA DO NORDESTE S.A.

Ferlahyl Figueiredo Razoni Rubens Drummond Uzeda, MSc Sergio Luiz Silveira [email protected] [email protected] [email protected]

RESUMO

Este artigo mostra a solução adotada pela COPENEpara manter o nível de segurança de suas instalaçõesdurante a utilização de painéis elétricos provisórios emáreas classificadas. É apresentado, e justificado, cadacritério de projeto do painel provisório, que utilizou oconceito de proteção de pressurização (Ex p). Umaabordagem também é feita no procedimento deutilização dos painéis. Finalmente, ações futuras sãoapresentadas para aperfeiçoamento do projeto inicial

PALAVRAS-CHAVE:Atmosfera explosiva; pressurização; instalaçõeselétricas provisórias.

1.0 – INTRODUÇÃO

Durante a realização de paradas de manutenção dasunidades de produção da COPENE, a quantidade deserviços de caldeiraria, mecânica e complementares(isolamento e refratário) aumenta significativamente.Com isso aumenta-se também a necessidade deinstalação de luminárias, máquinas de solda, lixadeirase outros equipamentos elétricos portáteis. Os pontosde suprimento existentes (tomadas de áreas) não sãosuficientes para atender esta demanda, sendonecessário instalar uma rede elétrica provisória degrande proporção. Numa parada de manutenção daCOPENE podem ser utilizados até 200 máquinas desolda, 2.000 luminárias e um sem número delixadeiras. Com isso a demanda de potência, somentepara suprir essas cargas, pode atingir 2.000kVA. Agorafica a pergunta. Como atender um volume tão grandede serviços e manter os requisitos mínimos desegurança de instalações elétricas em atmosferaspotencialmente explosivas?

2.0 – PAINÉIS ELÉTRICOS PROVISÓRIOS

A COPENE buscou no mercado painéis adequadospara uso em áreas classificadas (atmosferaspotencialmente explosivas). Porém seus técnicosnotaram que os painéis ofertados não atendiamintegralmente a especificação mínima requerida.Dessa forma a COPENE resolveu projetar seuspróprios painéis elétricos de modo a atender suasespecificidades.

2.1 Requisitos construtivos especiais

Diferentes tipos de proteção podem ser utilizados paraesse tipo de aplicação, porém os mais comuns são:segurança aumentada (Ex e), prova de explosão (Ex d)e pressurizado (Ex p). Cada um tem suas vantagens edesvantagens, porém para a presente aplicação foidescartada a possibilidade de uso de painel Ex d(muito pesado) ou Ex e (dificuldade de obter-se graude proteção mínimo IP 54). Já o painel Ex p tornou-semais atrativo, principalmente dada a disponibilidade degás de proteção na COPENE (ar de instrumento ounitrogênio). Outro fator favorável decisivo foi o grau deproteção mínimo exigido para esse tipo de proteção: IP40. Portanto, resolveu-se pressurizar o painel,dotando-o do tipo de proteção Ex p.

2.1.1 Tipo de proteção p

Conceitualmente o tipo de proteção Ex p utiliza-se doprincípio de excluir a atmosfera explosiva dasprováveis fontes de ignição do equipamento elétrico.Dessa forma elimina-se a possibilidade da presençasimultânea de substância inflamável, ar e fonte deignição. Outros tipos de proteção utilizam o mesmoprincípio: Ex m (imerso em resina) e Ex o (imerso emóleo). Alertamos sobre uma confusão comum em tornodo tipo de proteção Ex q (imerso em areia). Essaproteção não exclui a atmosfera explosiva da fonte deignição, já que o gás pode penetrar passivamentepelos interstícios da sílica utilizada. O conceito Ex qutiliza-se do princípio de arrefecimento da energialiberada numa explosão. Com isso evita-se apropagação da explosão para o meio externo. Teoriasemelhante é utilizada pelo tipo de proteção Ex d(prova de explosão) porém através de outros meios.

O conceito Ex p foi utilizado durante muitos anos,principalmente quando outro tipo de proteção nãopodia ser efetivamente utilizado. Dessa forma osusuários usavam essa técnica orientados ora pelo bomsenso, ora pela própria experiência adquirida ao longodos anos. Quando o National Electrical Code (NEC)adotou essa técnica como standard, muitos paísesadotaram postura semelhante [4]. Dessa forma oconceito de proteção Ex p deixou de ser uma práticade instalação e tornou-se um conceito previsto emnormalização técnica.

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Os requisitos construtivos específicos do tipo deproteção p estão previstos na NBR 5420 [1], porémdevem ser complementados também pela NBR 9518[3] e NBR 5418 [2]. Para efeito didático transcrevemoso fluxograma explicativo de McMillan [4] para umamelhor compreensão do conceito Ex-p (Figura 1).

Figura 1 – Como escolher o tipo de pressurização

Como o autor é de nacionalidade britânica, o mesmofaz referência as normas britânicas e européias (BritishStandard e CENELEC). Porém podemos utilizar ofluxograma proposto pois as normas brasileiras estãoharmonizadas com as normas CENELEC.

Os tipos possíveis de pressurização para os painéisprovisórios da COPENE encontram-se destacados nafigura 1. Dessa forma, poderia ter sido utilizadoqualquer tipo de pressurização (estática, compensaçãode perda ou diluição contínua). Porém resolveu-seadotar a pressurização com compensação de perda,usando nitrogênio como gás inerte.

Todo invólucro pressurizado deve ser capaz de resistir,sem sofrer danos, possíveis sobrepressões quepossam ocorrer no sistema de pressurização. Paraevitar um superdimensionamento do painel o projeto

dotou o mesmo com uma válvula de reguladora depressão. Foi instalado também um manômetro paraindicação visível da pressão interna do painel.Instruções foram passadas aos usuários parainstalação dos painéis somente em zona 2. Nesse tipode montagem o desligamento do painel, por falha do

sistema de pressurização, pode ser feito manualmente.Em zona 1, o desarme deve ser feito automaticamenteatravés de um mecanismo acionado por um sensor debaixa pressão.

O painel também não precisa necessariamente ser aprova de ingresso de água já que a pressurização evitaa penetração de líquidos. Porém partículas sólidaspodem penetrar no interior do painel, e dada suanatureza, são difíceis de serem removidas pelapressurização. Portanto o grau de proteção mínimoadmitido para invólucros Ex p é IP 40, o que significaproteção contra entrada de corpos sólidos de diâmetroacima de 1 mm.

Recomenda-se dotar a porta do painel com umsistema de intertravamento que desligue-oautomaticamente caso o painel seja aberto energizado.Todavia, esse mecanismo pode ser substituído por umaviso do tipo “Não abra quando energizado”. Nesse

Instrumentos, motores,interruptores, etc.

Pessoas podementrar?

Invólucro Pressurizado

Existe fonte de gásinterna?

Pessoas podementrar?

Salas de controle,salas de painéis,

alojamentos,oficinas

Apenasdiluiçãocontínua

Ar

Usarmelhorespráticas

Pressurizaçãocom

compensaçãode perda

Apenas gásinerte

Pressurizaçãoestática

Ar ou gásinerte

Pressurizaçãocom diluição

contínua

Ar ou gásinerte

Casa deanalisadores ecabines, etc

Analisadores,cromatógrafos, etc.

É possivelidentificar ou

limitar as fontesinternas?

É possivelidentificar ou

limitar as fontesinternas?

Não permitido

Pressurizaçãocom diluição

contínua

Pressurizaçãocom

compensaçãode perda

Pressurizaçãocom diluição

contínua

Apenas gásinerte

Ar

Ar ou gásinerte

Pressurizaçãocom

compensaçãode perda

Pressurizaçãocom diluição

contínua

Apenas gásinerte

Apenas gásinerte

Não Sim

Sim Não Sim

Não Sim Não

Sim

Não

UsarBS/EN50016

Usarmelhorespráticas

UsarBS/

EN50016

UsarBS/EN50016

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caso, o mecanismo de abertura da porta só pode serfeito através de ferramenta ou chave especial.

Como todo invólucro pressurizado, o processo depurga deve garantir a ausência da mistura inflamávelno seu interior, antes de sua energização. Um cuidadoimportante deve ser tomado com os invólucros doscomponentes elétricos internos ao painel. Nessescasos, o processo normal de purga do painel pode nãoser suficiente para eliminar a atmosfera explosiva dointerior desses componentes. Por esse motivo, osinvólucros dos componentes internos devem serremovidos ou furos grandes devem ser feitos parafacilitar o processo de purga do interior dessescomponentes. Esse procedimento pode ser evitadocaso os componentes internos sejam selados poralgum meio eficaz ou se mostrem incapazes de ignitaruma mistura explosiva. No caso dos painéisprovisórios, o tempo de purga foi sobredimensionadopara garantir que os disjuntores trifásicos (caixamoldada) e os dispositivos DR pudessem ser purgadoscompletamente.

Fica claro que esse conceito de proteção dependemuito dos dispositivos de controle e monitoração dogás de proteção. Exceto os equipamentos compressurização estática, o sistema de pressurizaçãogeralmente não é fornecido pelo fabricante. De algumaforma podemos pensar que esse tipo de proteção émenos influenciado pelo fornecedor quandocomparado com os outros tipos de proteção (Ex e, Exd e outros). Porém quando olhamos em nossa voltanotamos que a segurança das instalações industriais,de um modo geral, dependem igualmente de seusdispositivos de controle e proteção. O texto [4]preconiza o surgimento de uma norma européia [5]que definirá o nível de confiabilidade requerida para osdispositivos de monitoração de um equipamento Ex p.Enquanto isso não ocorre, em casos particulares,podem ser considerado a utilização de instrumentos oucircuitos redundantes.

2.1.2 Requisitos gerais para plugs e tomadas Ex

A inserção e extração de plugs em áreas classificadasdeve ser evitada. Para que não haja faíscas, sugere-sea utilização de fechos especiais que impeçam ainserção e extração dos plugs em atmosferasexplosivas. Outra solução é utilizar uma tomada quepossua características Ex d durante a separação, e Exe após concluída a extração. Contudo, é aceitável quea extração do plug ocorra com a tomada energizada,desde que haja certeza da ausência de misturaexplosiva.

2.1.3 Marcação

Outro requisito indispensável para o uso seguro deequipamentos Ex é a “comunicação” que deve existirentre o usuário e a instalação. Por esse motivo asnormas recomendam a fixação de placas deadvertência sobre o painel para evitar a utilizaçãoincorreta do equipamento. Um pequeno manual deinstruções foi afixado sobre o painel: “Atenção: antesda energização desse painel, ou após uma paradacausada pela perda de pressurização, purgar o mesmodurante 10 minutos.”“Pressão de operação: 0,3 kgf/cm2 ou 4 psi.”“Sempre energizar e desenergizar o painel pelasubestação.”“Não abrir quando energizado. Risco de explosão.”“Nunca retire o plug quando o painel estiverenergizado, a menos que haja certeza da ausência demistura explosiva. Utilize o explosímetro.”“Cuidado, painel pressurizado com nitrogênio (gásasfixiante)”

2.2 Premissas adicionais de projeto

As luminárias destinadas para iluminação do interior deambientes confinados e metálicos como vasos,colunas de destilação e tanques devem utilizarpreferencialmente tensões reconhecidamente seguras.A tensão escolhida foi 24 volts, motivada pelosrequisitos exigidos pela NR-10 [6]: “10.3.2.12. Quandoda realização de serviços em locais úmidos ouencharcados, bem como quando o piso oferecercondições propícias para condução de correnteelétrica, devem ser utilizados cordões elétricosalimentados por transformador de segurança ou portensão elétrica não superior a 24 volts.”

Dois circuitos independentes também foramconcebidos no projeto para suprir as luminárias emambientes confinados. Ver figura 2.

Figura 2 – Diagrama de fiação do painel de iluminação

24V, 60 Hz

TR440V

24Vca 1250 VA

16A cor: Violeta 16A cor: Violeta

16A cor: VM

DR1 25A DR2 25A

VM

Painel Ligado

24V, 60 Hz 24V, 60 Hz

DO 6A

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Como muitos serviços são realizados a noite, mesmono desarme de um circuito, ainda assim haveráiluminação parcial no ambiente. Com essa medidadeseja-se evitar o pânico dentro de um ambienteconfinado escuro, na ocorrência de desarme de umdos circuitos. A figura 3 mostra o interior do painel deiluminação.

Figura 3 – Painel de distribuição 24 V

Para aumentar ainda mais o nível de segurança dospainéis, os dispositivos de interrupção utilizados sãodisjuntores do tipo DR (differential residual) de 25 Acom sensibilidade de 30 mA. Os painéis utilizados paraalimentar ferramentas de 110 e 220 V tambémpossuem disjuntores com proteção diferencial porémde 40 A. As figuras 4 e 5 mostram o esquema elétricoe a foto desse painel respectivamente.

Figura 4 - Diagrama de ligação do painel 220 e 110 V

Figura 5 – Painel de distribuição 440 / 220-110 V.

O terceiro, e último, painel concebido é o de tomadaspara máquinas de solda 440 V. O detalhe particulardesse projeto é a utilização de um transformador440/24 V, 50 VA, dedicado apenas a lâmpada desinalização do painel. Com isso deseja-se evitar quetensões perigosas (440 V) cheguem a base dalâmpada de sinalização.

Figura 6 – Diagrama do painel de tomadas 440 V

Por fim, foi estabelecido um código de cores entreplugs machos e fêmeas para evitar confusão dosníveis de tensão:

Vermelho 440 V : entrada dos painéis e maq. de soldaAzul 220 V : ferramentas portáteisAmarelo 110 V : ferramentas portáteisVioleta 24 V : luminárias portáteis

110V, 60 Hz 220V, 60 Hz

480/220-110 V4kVA

16A cor: AM 16A cor: AZ

32A cor: VM

DR1 40A DR2 40A

VM

Painel Ligado

3~60 Hz, 440V

TR480V

24Vca 50 VA

32A cor: VM

VM

Pai

nel L

igad

o

DO 300A

A B C

32A cor: VM 32A cor: VM 32A cor: VM

RSTN

32A

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2.3 Procedimentos operacionais

Como foi visto, o projeto dotou os painéis de diferentescaracterísticas construtivas visando a proteção contraexplosões. Porém o processo de capacitação dohomem é fundamental para manutenção da segurançado painel. Sem um treinamento adequado, o conceitode proteção do painel pode ser ameaçado. Dessaforma, uma equipe multidisciplinar reuniu-se paradefinir o uso desses painéis em atmosferaspotencialmente explosivas. A COPENE utilizou umaferramenta de uso comum na indústria petroquímicapara avaliar os riscos envolvidos na utilização dessepainel em área classificada. Essa ferramenta éconhecida na COPENE como Análise Preliminar dePerigo (APP) e o trabalho foi coordenado por um líderde HAZOP (Hazard and Operability). Dessa formavárias salvaguardas foram sugeridas para minimizar aexposição do homem ao risco. São elas:

1. Os painéis elétricos provisórios só podem serenergizados através da gaveta da subestação (áreanão classificada). A purga do painel, antes de cadaenergização, é imprescindível;

2. A energização do painel só pode ser feita utilizandoa sistemática de permissão de trabalho;

3. Os painéis elétricos devem ser instaladospreferencialmente em áreas não classificadas. Quandoisso não é possível, aceita-se a instalação do mesmoem zona 2, desde que a sistemática de pressurizaçãoseja obedecida. Sob hipótese alguma os painéispodem ser utilizados em zona 1 ou 0.

4. Pressão de operação: 0,3 kgf/cm2 ou 4 psi. Pressãomínima: 0,00703 kgf/cm2 ou 0,1 psi.

5. Na falha ou queda da pressurização do painel, asfrentes de serviços que estão usando painel devem sersuspensas o mais rápido possível. Após desligamentodas ferramentas desenergizar o painel através dagaveta da subestação.

6. Os painéis provisórios não podem ser instalados nointerior de torres, vasos, colunas de destilação outanques de armazenamento de líquidos inflamáveis,mesmo que estes estejam liberados pela operação;

7. A conexão e desconexão dos plugs só pode ser feitacom o painel desligado, a menos que um explosímetroindique ausência de mistura explosiva.

8. As luminárias utilizadas em ambientes confinadosdevem ter plugs na cor violeta (24 V) e devem ter tipode proteção adequado (Ex e, Ex d, etc.). As mesmasdevem ostentar a marcação INMETRO [7]. Os cabos

de alimentação das luminárias não podem teremendas;

9. A iluminação dos ambientes confinados devem serrealizados por circuitos independentes, de forma aexistir iluminação mesmo com o desligamento de umdos circuitos.

3.0 – COMENTÁRIOS SOBRE O PROJETO

Devemos ressaltar que apesar de termos perseguido ocumprimento da normalização técnica outros requisitosainda devem ser cumpridos. Como foi ditoanteriormente, a NBR 9518 [3] complementa ascaracterísticas descritas na NBR 5420 [1] para que oequipamento possa finalmente ser caracterizado comoEx p. Dessa forma, para aperfeiçoar o projeto dopainel, o mesmo deve ser submetido a ensaiosprevistos em [1] como : ensaios mecânicos (impacto equeda), ensaio para determinação do grau deproteção, ensaios térmicos (medição de temperatura echoque térmico) e outros. Porém, não era nossaintenção projetar um painel Ex p, e sim amplificar osníveis de segurança durante a utilização de painéiselétricos em atmosferas potencialmente explosivas.

4.0 - CONCLUSÕES

Os requisitos construtivos especiais, que definem umequipamento Ex p, foram apresentados nesse texto.As explicações de cada característica particular dessetipo de proteção, vieram acompanhadas dejustificativas teóricas para entender o porquê danecessidade de cada item. Esperamos que essetrabalho ajude os trabalhadores da indústria dopetróleo e correlatas a entender a função de cadadispositivo dos invólucros pressurizados e aplicá-loscorretamente no seu cotidiano profissional.

AGRADECIMENTOS

Queremos agradecer a Mônica Elisa pela paciência naedição e correção das figuras apresentadas nessetrabalho. Agradecemos também nosso colega MuriloAmorim pela condução da análise de risco parautilização do painel.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] NBR 5420 (1992) Equipamentos elétricos paraatmosferas explosivas – Invólucros com pressurizaçãoou diluição contínua – Tipo de proteção “p”

[2] NBR 5418 (1995) Instalações elétricas ematmosferas explosivas

[3] NBR 9518 (1997) Equipamentos elétricos paraatmosferas explosivas – Requisitos gerais

[4] McMillan, A. (1998), Electrical Installations inHazardous Areas, Oxford: Butterworth-Heinemann.

[5] EN 954 (em andamento) Safety of Machinery –Safety Related Parts of Control Systems

[6] NR 10 - Instalações e Serviços em Eletricidadehttp:\\www.mte.gov.br - URL obtida em 04.03.2002

[7] Portaria INMETRO 176/2000