Raman-spektroskopian asennus räjähdysvaarallisille alueille (ATEX, IECEx, NEC/CEC)

Tämä opetusartikkeli keskittyy Raman-spektroskopiajärjestelmiin, jotka on asennettu kaasuräjähdysvaarallisiin ympäristöihin, mukaan lukien ATEX-vyöhykkeet 0/1/2, IECEx ja Pohjois-Amerikan luokan I (NEC/CEC) ympäristöt.

Artikkelissa selitetään:

• Miksi Raman-järjestelmät kuuluvat räjähdysvaarallisten alueiden vaatimusten piiriin ja milloin asennukset edellyttävät vaatimustenmukaisuutta
• Miten optisen syttymisen riskit syntyvät, arvioidaan ja miten niitä vähennetään
• Miten samat fyysisen turvallisuuden periaatteet muuttuvat sertifiointi- ja asennussäännöiksi ATEX:n, IECEx:n ja Pohjois-Amerikan puitteissa
• Miten optisen syttymisen riskejä hallinnoidaan käyttämällä konsepteja tehon rajoitus (Ex op is) ja lukitusjärjestelmä (Ex op sh), ja miten tämä vaikuttaa merkintöihin ja asennukseen

Huomautus: Raman-spektroskopialaitteita ei ole sertifioitu käytettäväksi pöly-, jauhe- tai kuituräjähdysvaarallisissa paikoissa. Tämän seurauksena nämä ympäristöt eivät kuulu tämän artikkelin soveltamisalaan.
Tässä artikkelissa ei myöskään käsitellä ei-optisia sytytysmekanismeja tai yksityiskohtaisia ​​kansallisia lainmukaisuusmenettelyjä, jotka edellyttävät erillisiä järjestelmän suunnittelu- ja sertifiointimenetelmiä.

Raman-spektroskopia-järjestelmistä voi tulla potentiaalinen syttymisen lähde, kun optinen säteily keskitetään syttyvään kaasu- tai höyryilmakehään, vaikka Raman-anturit eivät aikaansaa kipinöitä tai kuumia sähkökomponentteja mittauspisteessä.

Syttymisvaara aiheutuu paikallisesta kuumenemisesta, joka aiheutuu optisen energian kohdistamisesta pinnoille tai hiukkasille. Heti kun Raman-laitteisto altistuu ilmalle, joka voi sisältää yhdistelmän happea ja syttyviä kaasuhöyryjä tai sumua, sen katsotaan olevan vaara-alueella ja sen on täytettävä asiaankuuluvat vaara-alueen laitevaatimukset.

Räjähdysvaarallisten alueiden vaatimustenmukaisuus Raman-spektroskopiassa perustuu optiseen syttymisfysiikkaan, ei pelkästään sähköiseen kipinöintiin tai alueelliseen lainsäädäntöön.

Raman-järjestelmän räjähdysvaarallisten alueiden vaatimustenmukaisuutta säätelevät samat fyysisen turvallisuuden periaatteet maailmanlaajuisesti. Alueelliset puitteet eroavat ensisijaisesti siitä, miten räjähdysvaaralliset alueet luokitellaan ja dokumentoidaan, eivät taustalla olevan asennuslogiikan tai syttymisen estomekanismien suhteen.

ATEX (Eurooppa) ja IECEx (kansainvälinen) käyttävät vyöhykeperustaista luokitusjärjestelmää (vyöhykkeet 0, 1, 2) määrittämään räjähdysvaarallisten kaasuilmakehien esiintymisen todennäköisyys ja kesto. Nämä vyöhykkeet määrittävät, mihin Raman-anturit voidaan asentaa ja mitä suojauskonsepteja on sovellettava.

• ATEX(EU) on oikeudellinen kehys, joka on sidottu CE-merkintään.
• IECEx(kansainvälinen) tarjoaa IEC-standardeihin perustuvan maailmanlaajuisen vaatimustenmukaisuusjärjestelmän.

Pohjois-Amerikka (NEC/CEC) soveltaa Luokka/Divisioona- tai Luokka/vyöhyke-käsitteitä kaasuräjähdysvaarallisiin paikkoihin (luokka I), joiden laitehyväksynnät ovat tyypillisesti UL:n, FM:n tai CSA:n myöntämiä.

Vaikka terminologia on erilainen, tarkoitus on sama: määritellään räjähdysvaaralliset paikat ja varmistetaan sytytyslähteiden hallinta.

• Räjähdysvaarallisten alueiden luokitus määrittelee, minne optiset anturit ja niihin liittyvät komponentit voidaan asentaa (vyöhykkeet ATEX/IECEx:ssä; Luokka/Divisioona tai Luokka/Vyöhyke NEC/CEC:ssä).
• Säteen rajoitus, mukaan lukien lukitukset optisilla reiteillä ja kuituliitännöillä sekä lasertehon rajoitus mittauspisteessä (anturin päässä) estävät optisen syttymisen.
• Järjestelmätasolla käytetään optisia suojauskonsepteja sen varmistamiseksi, että lasersäteily ei voi sytyttää syttyvää kaasuilmakehää.

Raman-laitteissa anturin kärjen sijainti ohjaa räjähdysvaarallisten alueiden vaatimusta, koska tämä on paikka, jossa optista energiaa lähetetään tarkoituksella prosessiin.

• Vyöhyke 0: räjähdysvaarallista ilmaseosta jatkuvasti tai pitkiä aikoja
• Vyöhyke 1: ilmenee todennäköisesti satunnaisesti
• Vyöhyke 2: epätodennäköinen tai läsnä lyhyitä aikoja

Analysaattori asennetaan usein fyysisesti räjähdysvaarattomalle (yleiselle) alueelle, kun taas kuituoptiset kaapelit yhdistävät analysaattorin anturiin vyöhykkeellä 0, 1 tai 2.

Yleiselle alueelle asennettuna analysaattori saattaa silti vaatia räjähdysvaarallisen alueen (Ex) merkinnän, jos se on osa järjestelmää, joka siirtää optista energiaa räjähdysvaaralliselle alueelle. Tällaisissa tapauksissa analysaattori arvioidaan ja merkitään sen toiminnallisen yhteyden perusteella räjähdysvaara-alueeseen, ei pelkästään sen fyysisen sijainnin perusteella.

Seuraavassa luettelossa on yksinkertaistettu käsitteellinen kartoitus ATEX-kaasuvyöhykkeiden (vasemmalla) ja Pohjois-Amerikan luokittelujen (oikealla) välillä. Terminologia eroaa, syttymisriskin logiikka on sama.

• Vyöhyke 0 → Luokka I, Divisioona 1
• Vyöhyke 1 → Luokka I, Divisioona 1
• Vyöhyke 2 → Luokka I, Divisioona 2

Raman-järjestelmän merkinnän tärkeimpiä elementtejä ovat:

Laiteryhmä: Ryhmä II (pintateollisuus, kuten kemian- ja lääketeollisuus)

Laitteen suojaustaso (EPL):

• Ga → Vyöhyke 0
• Ga → Vyöhyke 1
• Ga → Vyöhyke 2

Kaasuryhmät: IIA, IIB, IIC (IIC on vaativin)

Lämpötilaluokka: esim., T6 (85 °C), T4 (135 °C)

Kaasuryhmän ja lämpötilaluokan määrittää laitoksen omistaja prosessitietojen perusteella ja ohjaa lopullisen järjestelmän merkinnän.

Optinen säteily voi sytyttää syttyvät ilmakehät, kun energia keskittyy ja absorboituu pieniin pintoihin tai hiukkasiin. IEC 60079-28:2015 kuvailee tätä mekanismia ja määrittelee suojauskäsitteet syttymisen estämiseksi räjähdysvaarallisissa tiloissa.

Standardi sisältää viitetaulukot, joissa määritellään luonnostaan ​​turvallisen optisen säteilyn (Ex op is) tehorajat tietyille aallonpituuksille, altistumisolosuhteille ja kaasuryhmille. Nämä taulukot tarjoavat perusohjeita optisille tehotasoille, joita ei pidetä syttyvänä määriteltyjen oletusten mukaan.

Käytännön Raman-sovelluksissa, sovellettava turvallinen tehoraja on vahvistettava laservaara-arvioinnin (LHA) avulla. LHA ottaa huomioon standardiviitearvojen lisäksi myös sovelluskohtaiset parametrit, mukaan lukien:

• Kaasuryhmä ja sytytysherkkyys
• Aallonpituus ja säteen geometria
• Altistuksen kesto ja optinen tarkennus
• Anturin suunnittelu ja vikaoletukset

Näin ollen LHA määrittää suurimman sallitun lasertehon anturin kärjessä ja järjestelmän lopullisen Ex-merkinnän.

Ex op is rajoittaa optista energiaa niin, että sytytys ei ole mahdollista normaalikäytössä ja määritellyissä vikatilanteissa. Raman-järjestelmissä tämä saavutetaan tyypillisesti rajoittamalla laserin tehoa anturin kärjessä.

Ei ole olemassa yleisesti turvallista lasertehoarvoa. Vaikka IEC 60079-28 sisältää vertailurajat, suurin sallittu teho pysyy sovelluskohtaisena, ja LHA:n on validoitava se. LHA määrittelee turvallisen käyttöalueen ja lopullisen järjestelmän merkinnän.

Ex op sh sallii suuremman optisen tehon, mutta luottaa suunniteltuihin turvatoimiin ja lukituksiin varmistaakseen, että optinen säteily on estetty aina, kun syttymisen kannalta merkityksellisiä olosuhteita saattaa esiintyä.

Tätä käsitettä käytetään yleisesti, kun:

• Mittaussuorituskyky vaatii lasertehoa, joka ylittää Ex op is:n rajat
• Räjähdysvaaralliset olosuhteet voidaan havaita luotettavasti ja niitä voidaan lieventää

Ex op sh voi sisältää:

• Kaapelikatkon havaitsemisen
• Lukitukset kuituliitännöissä
• Prosessin kunnon monitoroinnin (esim. nesteen peiton häviäminen)
• Automaattinen laserin sammutus

Ex op sh koskee järjestelmätasoa ja voi sisältää komponentteja, jotka sijaitsevat räjähdysvaarallisen alueen ulkopuolella.

Monissa prosessisovelluksissa Raman-anturit asennetaan ympäristöihin, jotka eivät ole normaalisti räjähdysherkkiä, kuten nesteellä täytettyihin linjoihin tai säiliöihin. Normaalikäytössä nesteen läsnäolo estää syttyvän kaasun muodostumisen anturin kärjessä.

Prosessiolosuhteet voivat kuitenkin muuttua. Nestepeittokyvyn menetys, kaasunpoisto, kuivaus tai epänormaali toiminta voi johtaa tilapäiseen syttyvän kaasun tai höyryn muodostumiseen mittauspisteessä. Tällaisissa skenaarioissa optisen syttymisen riski voi muuttua dynaamisesti, vaikka asennusta ei ole määritetty pysyvästi räjähdysvaaralliseksi.

Alan ohjeistuksessa, mukaan lukien NAMURin suositukset, tämä skenaario tunnustetaan ja siinä kuvataan yhteenlukittujen optisten suojauskonseptien (Ex op sh) käyttöä ehdollisesti räjähdysvaarallisissa ympäristöissä. Näissä tapauksissa Ex op sh ei ainoastaan ​​mahdollista suurempaa optista tehoa, vaan varmistaa, että optinen säteily poistetaan automaattisesti käytöstä aina, kun olosuhteet muuttuvat syttymisen kannalta merkittävään tilaan (esimerkiksi kun nestepeitto menetetään).

Tämän lähestymistavan avulla Raman-spektroskopiaa voidaan soveltaa turvallisesti prosesseissa, joissa räjähdysvaarallisia ilmaseoksia ei odoteta normaalin toiminnan aikana, mutta niitä ei voida sulkea pois määritellyissä epänormaaleissa tai ohimenevissä olosuhteissa, edellyttäen, että havaintologiikka, lukitukset ja sammutuskäyttäytyminen on selkeästi määritelty ja validoitu järjestelmätasolla.

Tyypillinen Raman-järjestelmän asennus sisältää:

• Analysaattori joka sijaitsee ei-räjähdysvaarallisella alueella tai, kun sovellettavissa, kotelossa, joka on sertifioitu asennettavaksi vyöhykkeelle 1 / divisioonaan 2
• Räjähdysvaarallisille alueille reititetyt kuituoptiikkakaapelit
• Ex-sertifioitu Raman-anturi (ATEX, IECEx tai Pohjois-Amerikan NEC/CEC, kun sovellettavissa) asennettuna vyöhykkeelle 0, 1 tai 2

Valitusta optisesta suojauskonseptista (Ex op is tai Ex op sh) riippuen sertifioitu järjestelmä perustuu säteen rajoitukseen, lasertehon rajoitukseen anturin kohdalla ja niihin liittyviin suojatoimenpiteisiin. Lisälukitus- tai monitorointitoiminnot, kun ne toteutetaan erillisillä laitteilla, eivät kuulu Raman-järjestelmän sertifiointiin, ja loppukäyttäjän on arvioitava ne osana asennus- ja turvallisuuskonseptia.

Kuten yllä olevasta kuvasta näkyy, anturin sijainti määrittää vyöhykkeen (vyöhyke 0/1/2), kun analysaattori on tyypillisesti yleisellä alueella. Optista syttymistä ohjataan Ex op is:llä (teho rajoitettu LHA:ta kohti) tai Ex op sh:llä (lukittu optinen järjestelmä: kaapelin katkeamisen/kunnon monitorointi → laser sammutus). Täydellinen analysaattorin kuituanturin lukitusyhdistelmä on arvioitu ja merkitty yhdeksi sertifioiduksi järjestelmäksi, ja analysaattori edellyttää edelleen Ex-merkintää, kun se on liitetty toiminnallisesti räjähdysvaaralliseen vyöhykkeeseen.

Ex op sh huomioita asennuksen aikana – kuidut, liittimet ja lukitukset

Käytännön asennuksissa Ex op sh:n Ex op sh käyttö näkyy parhaiten järjestelmän asennuksen ja integroinnin aikana, ei itse anturin kohdalla.

Vaikka Raman-anturi on tyypillisesti suunniteltu täyttämään määritellyt optisen suojauksen vaatimukset, järjestelmätason syttymisriskin hallinta perustuu usein siihen, miten optinen energia välitetään analysaattorista räjähdysvaaralliselle alueelle. Tämä sisältää:

• Kuituoptisen kaapelin reititys räjähdysvaarallisten ja vaarattomien vyöhykkeiden läpi
• Optiset liittimet sijaitsevat vyöhykkeiden rajoilla tai koteloiden sisällä
• Analysaattorin ja anturin välisen optisen reitin eheys

Tästä syystä Ex op sh -järjestelmät toteuttavat lukituksia, jotka valvovat kaapelin jatkuvuutta ja liittimen tilaa , ja varmistavat, että lasersäteily poistetaan automaattisesti käytöstä, jos optinen reitti katkeaa tai paljastuu. Nämä toimenpiteet ovat erityisen tärkeitä seuraavissa tilanteissa:

• Asennus ja käyttöönotto
• Huolto tai kuidun uudelleenkytkentä
• Epänormaalit olosuhteet, kuten kaapelin vaurioituminen

Asennuksen näkökulmasta Ex op sh siirtää painopisteen komponenttitason sertifioinnistajärjestelmätason käyttäytymiseen: kaapelien reitityksestä, liittimien käsittelystä ja lukituksen validoinnista tulee osa räjähdysvaarallisten alueiden turvallisuuskonseptia, ja ne on otettava huomioon suunnittelun, asennuksen ja dokumentoinnin yhteydessä.

• Määrittele alueluokitus (vyöhykkeet tai luokat)
• Määritä kaasuryhmä ja lämpötilaluokka prosessitietojen perusteella
• Varmista oikea mekaaninen ja sähköinen asennus
• Suorita tai tee räjähdysvaarallisen alueen ja laservaara-arvioinnit

• Toimita Ex-sertifioitu Raman-laite (analysaattori, anturi tai yksittäisiä komponentteja soveltuvin osin), jonka anturi on merkitty asiakkaan toimipisteen Ex-vastuuhenkilön määrittelemien vaatimusten mukaisesti
• Ilmoita käytettävissä olevat laitteiden tukemat optiset suojausmenetelmät (esim. Ex op is tai Ex op sh)
• Määrittele ja dokumentoi sertifioidut lasertehon rajat, sisäänrakennetut suojaominaisuudet ja tarvittava sertifikaattitarra
• Kun Ex op sh on käytössä, määritä selkeästi sertifioinnin laajuus ja raja sertifioitujen laitteiden ja asiakkaan yleisten järjestelmäintegraatio- ja turvallisuusarviointivelvollisuuksien välillä

Räjähdysvaarallisten alueiden vaatimustenmukaisuus koskee koko Raman-järjestelmää, ei yksittäisiä komponentteja. Analysaattori, anturi, kuituoptiikka, tehoasetukset ja turvatoiminnot muodostavat yhden sertifioidun kokoonpanon. Jokainen muutos edellyttää uudelleenarviointia.

Asiakkaan toimipisteen Ex-vastuuhenkilön vaatimat vaiheet ennen Ex-alueen laitteiden valitsemista

1. Vahvista ja dokumentoi räjähdysvaarallisen alueen luokitus
2. Määritä kaasuryhmä ja lämpötilaluokka
3. Tee laservaaran arviointi (LHA)
4. Päätä, tarvitaanko Ex op is (tehonrajoitus) vai Ex op sh (lukitusjärjestelmä)
5. Valitse sertifioitu analysaattori ja/tai anturi ja varmista, että Ex-anturin merkintä soveltuu räjähdysvaarallisten alueiden luokituksessa määritellylle kaasuryhmälle ja lämpötilaluokalle
6. Suunnittele asennusarkkitehtuuri ja kuitureititys
7. Tarkista merkinnät (EPL, kaasuryhmä, lämpötilaluokka, optinen suojauskonsepti)
8. Täytä rakennedokumentaatio ja säilytä sertifikaatit
9. Kouluta henkilökuntaa turvalliseen käyttöön

"Laserteho on säädetty mittalaitteella."

Ei. Suurin sallittu teho on sovelluskohtainen ja määritelty räjähdysvaarallisten alueiden olosuhteiden mukaan.

"Jos analysaattori on sertifioitu, järjestelmä on vaatimustenmukainen."

Ei. Vaatimustenmukaisuus arvioidaan järjestelmätasolla, joten tarvitaan myös Ex-sertifioitu anturi.

"IECEx-, ATEX- ja Pohjois-Amerikan standardien (NEC/CEC) asennukset noudattavat erilaisia ​​sääntöjä."

Ei. Käytitpä sitten Vyöhyke- tai Divisioona-luokitusta, asennuslogiikka on sama. Erot ilmenevät siinä, miten räjähdysvaaralliset alueet luokitellaan ja sertifioidaan.

"Ex op sh on poikkeus."

Ei. Ex op sh on standardi, tunnustettu suojauskonsepti, joka on tarkoitettu tiettyihin käyttötapauksiin, tyypillisesti kun Raman-anturin ikkuna on upotettu nestenäytteeseen ja räjähdysvaarallisia olosuhteita (kaasu, sumu tai höyry yhdessä hapen kanssa) voi esiintyä vain ilman kyseistä nestettä, ja ne voidaan luotettavasti havaita ja niitä voidaan lieventää.

1. 1910.307 - Räjähdysvaaralliset (luokitellut) paikat. | Työturvallisuus- ja työterveyshallinto
2. ATEX-direktiivi 2014/34/EU – EU:n lainsäädäntökehys, joka koskee mahdollisesti räjähdysvaarallisissa tiloissa käytettäviksi tarkoitettuja laitteita
3. Guide to the Canadian Electrical Code, Part 1[i], 26th Edition– A Road Map: Section 18 Hazardous Locations - Electrical Industry News Week
4. Räjähdysvaarallisten alueiden luokitus (Pohjois-Amerikka) – Yleiskatsaus NEC- ja CEC-kehyksessä käytettyihin Luokka/Divisioona- ja Vyöhykekäsitteisiin
5. IEC 60079-28:2015 – Kansainvälinen standardi, joka määrittelee syttymisriskit ja suojauskonseptit (Ex op is, Ex op sh) optiselle säteilylle räjähdysvaarallisissa tiloissa
6. IECEx-järjestelmän yleiskuvaus – IEC-standardeihin perustuva kansainvälinen vaatimustenmukaisuuden arviointijärjestelmä Ex-laitteille
7. NAMUR (käyttäjäjärjestö) opastus – Alan suositukset räjähdyssuojauskonseptien käytännön käyttöönotosta prosessiautomaatiossa