BACHARELADO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL FÁBIO RAMOS SANDES MURILO FERREIRA DA SILVA SERPA

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1 BACHARELADO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL FÁBIO RAMOS SANDES MURILO FERREIRA DA SILVA SERPA PROPOSTA DE PROJETO DE LABORATÓRIO COM EQUIPAMENTOS EX-P PARA A DISCIPLINA DE EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS EM ATMOSFERAS EXPLOSIVAS Campos dos Goytacazes/RJ 2018

2 FÁBIO RAMOS SANDES MURILO FERREIRA DA SILVA SERPA PROPOSTA DE PROJETO DE LABORATÓRIO COM EQUIPAMENTOS EX-P PARA A DISCIPLINA DE EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS EM ATMOSFERAS EXPLOSIVAS Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense como requisito parcial para conclusão do curso de Bacharelado em Engenharia de Controle e Automação Industrial. Orientador: Prof. Nilo Américo Fonseca de Melo, D.Sc. Campos dos Goytacazes / RJ 2018

3 FÁBIO RAMOS SANDES MURILO FERREIRA DA SILVA SERPA PROPOSTA DE PROJETO DE LABORATÓRIO COM EQUIPAMENTOS EX-P PARA A DISCIPLINA DE EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS EM ATMOSFERAS EXPLOSIVAS Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense como requisito parcial para conclusão do curso de Bacharelado em Engenharia de Controle e Automação Industrial. Aprovado em 22 de março de Banca Avaliadora: Profº. Nilo Américo Fonseca de Melo (Orientador) Doutorado em Ciências de Engenharia - UENF Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense Profº. Marcos Moulin Valencia Engenheiro Eletricista - UFRJ Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense Profº. William da Silva Vianna Doutorado em Engenharia e Ciência dos Materiais - UENF Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense

4 AGRADECIMENTOS A Deus Pai e Criador agradecemos pela vida, oportunidade pela qual Sua majestosa criação nos coloca em cenário como seres principais em pleno aprendizado. Agradecemos a Ele por guiar-nos nesse caminho de aprendizado, luta e dificuldades, mas sempre nos mostrando o caminho correto a seguir. Reverenciamos os nossos pais pela paciência nos momentos difíceis, o amor incondicional e apoio irrestrito as nossas escolhas e sonhos. A todos membros de nossas famílias agradecemos a segurança transmitida em seus silêncios e expressão de orgulho pelo nosso desempenho e vitórias conquistadas. Prestamos os nossos agradecimentos aos profissionais da educação desta nobre instituição de ensino, por nos terem dado a base solidificada para o nosso crescimento intelectual, que dividiram o seu saber conosco. Agradecemos ao nosso orientador professor doutor Eng.º Nilo Américo Fonseca de Melo, por ter compartilhado conosco seus conhecimentos, seu tempo disponível além de nos ter dado todo o suporte para desenvolvimento do proposto trabalho. Finalizamos os nossos agradecimentos ao reconhecer o grande papel do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense na formação profissional. Agradecemos ao IFF por nos ter acolhido, nos ter permitido ser e crescer. Aos nossos mestres, diretores, reitores, coordenadores e demais funcionários que participaram de nossa formação o nosso muito obrigado.

5 O insucesso é apenas uma oportunidade para recomeçar com mais inteligência. (Henry Ford)

6 RESUMO O uso de derivados do petróleo estimulou o aparecimento de plantas para extração, transformação e refino de substâncias químicas, necessárias para o desenvolvimento tecnológico e industrial. Nos processos industriais surgiram áreas consideradas de risco devido à presença de substâncias potencialmente explosivas, que confinavam o setor de instrumentação a técnica pneumática, pois os instrumentos eletrônicos, baseados na época em válvulas elétricas e grandes resistores de potência, propiciavam o risco de explosões e incêndios, devido à possibilidade de ocorrência de faíscas elétricas e temperaturas elevadas destes componentes. O desenvolvimento dos equipamentos Ex, para serem usados nessas zonas de risco possibilitou a inserção dos referidos equipamentos eletrônicos no setor industrial. A partir do histórico de desenvolvimento de novas tecnologias para os setores industriais, foram criadas normas específicas para equipamentos elétricos e seu uso em áreas classificadas. O Brasil ajustou suas normas da série ABNT NBR IEC com as normas internacionais da IEC. Com o intuito de ilustrar o máximo número de detalhes referentes aos itens possíveis da norma ABNT NBR IEC , que trata especificamente dos equipamentos pressurizados (Equipamentos Ex-p), foi feito um estudo bibliográfico sobre o tema, que serviu para o desenvolvimento de uma proposta de projeto da instalação de equipamentos pressurizados apresentada neste trabalho. Este projeto de laboratório foi elaborado para atender a disciplina de Equipamentos Elétricos em Atmosferas Explosivas, ministrada no curso de Bacharelado em Engenharia de Controle e Automação Industrial e do curso de Engenharia Elétrica, do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense (IFF). Possui, portanto, o propósito de aprimorar o ensino desta disciplina, trazendo uma visão prática e dinâmica ao conteúdo teórico abordado durante as aulas, possivelmente aumentando o nível de conhecimento dos alunos. Palavras chave: Derivados do petróleo. Processos industriais. Equipamentos para zonas de risco. Áreas classificadas. ABNT NBR IEC Equipamentos Ex-p. Laboratório. IFF.

7 ABSTRACT The use of oil derivatives stimulated the appearance of industrial plants for extraction, transformation and refining of chemical substances, needed for the technological and industrial development. In the industrial processes occurred the appearance of areas considered of risk due to the presence of potentially explosive substances, that confined the instrumentation sector to the pneumatic techniques, because the electronic devices, based on that time on electrical valves and big power resistors, propitiated the risk of explosions and fires, due to the possibility of the occurrence of electrical sparks and elevated temperatures of those devices. The development of Ex equipment, in order to be used in those risk zones made possible the insertion of the referred electrical equipment in the industry environment. From the historical development of new technologies for the industrial sector, specific standards were created for electrical equipment and their use in classified zones. Brazil adjusted its standards of the ABNT NBR IEC series with the international standards of IEC. In order to illustrate the maximum number of details referring to the possible items of the ABNT NBR IEC standards, which speaks specifically about the pressurized equipment (Ex-p equipment), a bibliographic study about the subject has been done, that served for the development of the project of installation of pressurized equipment proposal presented within this work. This laboratory project was developed to meet the Electrical Equipment in Explosive Atmospheres course requirements, taught at the Bachelor of Science in Control and Industrial Automation Engineering degree of Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense (IFF). Thus, this work's goal is to improve the course learning by bringing a practical and dynamical vision of the theory taught during classes, possibly increasing the student s level of knowledge. Keywords: Oil derivatives. Industrial Processes. Risk zone equipment. Classified areas. ABNT NBR IEC Ex-p equipment. Laboratory. IFF.

8 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Triângulo do Fogo Figura 2 Tetraedro do Fogo Figura 3 Equipamento com Purga Automática Figura 4 Purga por cima Figura 5 Purga por baixo Figura 6 Sistema de Controle de Purga Pz Figura 7 Sistema de Controle de Purga Py Figura 8 Sistema de Controle de Purga Px Figura 9 Grau de Proteção Figura 10 Layout medido e elaborado da sala-laboratório B-18B do IFF Figura 11 - Módulo do controle de purga px modelo Figura 12 - Módulo de controle de purga px acoplado ao invólucro Figura 13 - Vista detalhada Modelo Figura 14 - Vista explodida Modelo Figura 15 -Válvula de ventilação px EPV Figura 16 Módulo de controle de purga série Figura 17 - Módulo de controle de purga py acoplado ao invólucro Figura 18 - Válvula de ventilação py EPV Figura 19 Sistema de controle de purga série Figura 20 Montagem do sistema de purga externa ao invólucro Figura 21 - Válvula de ventilação EPV Figura 22 Válvula de controle de purga 6500-MAN-PV Figura 23 - Módulo do controle de purga pz modelo Figura 24 Montagem externa ao invólucro pz pressurizado Figura 25 Válvula de ventilação pz EPV Figura 26 Proposta de alocação dos equipamentos... 63

9 LISTA DE QUADROS Tabela 1 Classe de Temperatura segundo a IEC Tabela 2 Pressurização conforme a norma Tabela 3 Dispositivos de segurança baseados no tipo de proteção Tabela 4 Critérios de Projeto... 42

10 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas AIT - Auto Ignition Temperature API - American Petroleum Institute ASTM International - American Society of Testing and Materials International CLP - Controlador Lógico Programável Ex - símbolo para equipamentos com alguma técnica de proteção IEC - International Electrotechnical Commission ICA - Ignition Capable Apparatus ISA - International Society of Automation ISO - International Organization for Standardization LIE Limite Inferior de Explosividade LII - Limite Inferior de Inflamabilidade LSE Limite Superior de Explosividade LSI - Limite Superior de Inflamabilidade MESG - Maximum Experimental Safe Gap NEC - National Electrical Code NBR - Norma Brasileira OIT - Organização Internacional do Trabalho PTC Positive Temperature Coefficient QGBT - Quadro Geral de Baixa Tensão SI Sistema Internacional de Unidade

11 LISTA DE SÍMBOLOS ºC - graus Celsius psia - libras por polegada quadrada absoluta % - porcentagem mm - milímetro m/s - metro por segundo km/s - quilômetro por segundo cm³ - centímetro cúbico cm² - centímetro quadrado m metro mm² - milímetro quadrado l - litro V - volt A - Ampère c.a. - corrente alternada c.c. - corrente contínua Pa - Pascal KPa - kilopascal cm/s - centímetros por segundo Bar - unidade de pressão Bar mbar - milésimos de Bar psi - libras por polegada quadrada L/min - Litros por minuto

12 SUMÁRIO 1.INTRODUÇÃO Objetivos Justificativa Metodologia Contextualização Histórica Estrutura do Trabalho REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Combustão Velocidade de Combustão Propriedades básicas de substâncias inflamáveis Classificação de Área Classificação de equipamentos por Grupos e Zonas Classificação de equipamentos pela classe de temperatura Proteção de equipamentos elétricos em área classificada e suas aplicações Técnica de contenção ou confinamento da explosão Técnica de segregação da faísca Técnica de Prevenção Tipos de proteção de equipamentos elétricos em área classificada À prova de explosão (Ex-d) Pressurizado (Ex-p) Imerso em óleo (Ex-o) / Imerso em areia (Ex-q) / Imerso em resina (Ex-m) Segurança aumentada (Ex-e) Segurança intrínseca (Ex-i)... 31

13 2.5.6 Não acendível (Ex-n) Especial (Ex-s) Tipo de proteção em função da classificação de área Equipamentos elétricos permissíveis em Zona Equipamentos elétricos permissíveis em Zona Equipamentos elétricos permissíveis em Zona EQUIPAMENTOS PRESSURIZADOS (Ex-p) Definição Tipos de Equipamentos Ex-p Técnicas de Pressurização Pressurização com compensação de perdas Pressurização com diluição Pressurização estática Purga e Aspectos Purga para equipamentos Pz Purga para equipamentos Py Purga para equipamentos Px Requisitos construtivos aplicáveis aos invólucros pressurizados Grau de Proteção dos Invólucros Resistência ao impacto Verificação do tempo de purga Barreiras contra partículas e centelhas Materiais Precauções de segurança e dispositivos de segurança Precauções e dispositivos de segurança para pressurização por compensação de perdas e pressurização com diluição Precauções e dispositivos de segurança para pressurização estática... 47

14 3.7 Portas e Tampas Portas e Tampas do Grupo I Portas e Tampas do Grupo II Resistência Mecânica ESTUDO DE CASO Especificação do Laboratório Introdução ao Projeto Painel Ex Px Painel Ex py com pressurização estática Painel Ex-py com pressurização por diluição Painel Ex pz Proposta do Laboratório Montado CONSIDERAÇÕES FINAIS Conclusão Sugestões para trabalhos futuros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 65

15 15 1.INTRODUÇÃO Uma atmosfera explosiva é quando existe em contato com oxigênio uma proporção de gás, poeira, vapor ou fibras, tal que uma faísca proveniente de um circuito elétrico ou do próprio aquecimento gerado por um equipamento em funcionamento pode ser fonte de ignição e se provocar uma explosão. (WEG,2010) Segundo Bega et al. (2006) para que uma reação química da combustão seja iniciada é necessário que exista a ocorrência simultânea das três partes integrantes desta reação: o combustível, o oxidante e a fonte de ignição. Os equipamentos elétricos, por sua própria natureza, podem se constituir em fontes de ignição quando operando em alguma atmosfera potencialmente explosiva. Essa fonte de ignição pode ser ocasionada quer seja pelo centelhamento normal devido à abertura e fechamento de seus contatos, ou ainda por apresentarem temperatura elevada, esta podendo ser intencional (para atender a uma função própria do equipamento) ou provocada por correntes de defeito. (JORDÃO, 2002). Por isso, a solução é prover meios para que a instalação elétrica possa cumprir com o seu papel sem se constituir num risco elevado para a segurança. (JORDÃO, 2002). Jordão (2002) considera então necessário o desenvolvimento de técnicas de proteção de modo que a fabricação dos equipamentos elétricos, sua montagem e manutenção fossem feitos segundo critérios bem definidos (normas técnicas) que garantissem um nível de segurança aceitável para as instalações. Este trabalho retratará o emprego dessas técnicas desenvolvidas, de forma que os seguintes objetivos sejam alcançados. 1.1 Objetivos O objetivo geral do trabalho é propor um projeto com equipamentos Ex-p para um laboratório para atender a disciplina de Instalações Elétricas em atmosferas explosivas do curso de Engenharia de Controle e Automação, para a realização de práticas que permitam visualizar o maior número de aspectos sobre equipamentos Ex-p previsto em normas técnicas pertinentes sobre o assunto, bem como dar prosseguimento ao trabalho realizado por Fillipe Almeida Cordeiro Pinto e Paula Santos Gonçalves Nascimento, onde eles fazem em seu trabalho o desenvolvimento do projeto de um laboratório com equipamentos Ex-d e deixam como forma de

16 16 sugestão para trabalhos futuros a projeção de um laboratório utilizando equipamentos Ex-p, que será feito neste trabalho. O desenvolvimento do projeto do laboratório tem o intuito de aperfeiçoar o aprendizado com a aplicação prática dos conceitos aprendidos na disciplina de Instalações Elétricas em Atmosferas Explosivas, levando em consideração as normas técnicas vigentes e a utilização correta dos equipamentos exigidos por ela, para minimizar a ocorrência de acidentes em aplicações reais. Para que o objetivo geral seja atendido, devem ser definidos os seguintes objetivos específicos: Realizar estudo bibliográfico sobre equipamentos e normas usados em atmosferas explosivas; Levantar espaço físico disponível; Desenvolver o layout do laboratório; Relacionar os equipamentos e acessórios necessários à montagem da instalação do laboratório de acordo com itens e subitens da norma ABNT NBR IEC Justificativa De acordo com Bega et al. (2006), na área de instrumentação industrial, a preocupação com a certificação de equipamentos para instalações em atmosferas explosivas ganhou um grande impulso a partir da década de 50, com a crescente utilização de instrumentos eletrônicos, uma vez que, até então, a instrumentação de campo era basicamente pneumática ou eletromecânica. Ainda segundo Bega et al. (2006), hoje ainda se encontram especificados e comercializados equipamentos com invólucros à prova de explosão. Esta tecnologia e tipo de proteção, entretanto, apresenta uma frequência de utilização decrescente, sendo gradativamente substituída por tecnologias mais recentes, tais como encapsulamento, segurança aumentada e segurança intrínseca. Técnicas e tipos de proteção mais modernos estão sendo especificados e utilizados, uma vez que proporcionam maior grau de segurança, com menores custos de instalação e de manutenção. Bega et al. (2006) também ressalta que devido às responsabilidades envolvidas e às graves consequências de um eventual acidente, todas as etapas e atividades relacionadas com este tipo de instalação de equipamentos elétricos,

17 17 eletrônicos e de instrumentação em áreas classificadas, devem ser acompanhados por uma gestão de risco. Desde os estudos de classificação de áreas, passando pela especificação dos equipamentos e o projeto de instalação, incluindo os serviços rotineiros de inspeção, manutenção e reparos, devem ser realizadas por pessoal treinado e qualificado, e em total concordância com as normas técnicas e legislações aplicáveis. 1.3 Metodologia A metodologia de pesquisa utilizada para a elaboração do trabalho, é do tipo bibliográfica, pois o projeto é baseado em normas técnicas e livros dedicados ao estudo do tema abordado. O estudo foi elaborado com base no estudo de normas brasileiras e internacionais atuais, dentre elas destacam-se as normas brasileiras da série ABNT NBR IEC 60079, com as suas constituintes e anexos, referenciando-se em instalações, equipamentos e acessórios destinados ao uso em atmosferas potencialmente explosivas. Estas normas foram incorporadas a partir da série de normas internacionais IEC e seus Anexos, elaborada pela IEC (International Electrotechnical Comission) que é o órgão internacional de normalização para o setor elétrico. Será abordado de forma mais específica a série de normas nacionais da ABNT que se encontram, portanto, em consonância com a série de normas internacionais da IEC. 1.4 Contextualização Histórica Segundo Jordão (2002), após a II Guerra Mundial, o uso de derivados de petróleo estimulou o aparecimento de plantas para extração, transformação e refino de substâncias químicas, necessárias para o desenvolvimento tecnológico e industrial. Nos processos industriais surgiram áreas consideradas de risco devido à presença de substâncias potencialmente explosivas, que confinavam o setor de instrumentação à técnica pneumática, pois os instrumentos eletrônicos, baseados na época, em válvulas elétricas e grandes resistores de potência, propiciavam o risco de incêndio, devido à possibilidade de ocorrência de faíscas elétricas e temperaturas elevadas destes componentes.

18 18 Com o passar do tempo e a maior influência dos derivados de petróleo nas economias mundiais, os acidentes nas indústrias de processo químico representam um sério problema para a Saúde Pública. O Brasil se insere neste panorama de ocorrência de graves acidentes envolvendo o refino de petróleo com eventos como os ocorridos em 1972, mostrado por COSTA (2011) na Refinaria Duque de Caxias (REDUC), em Duque de Caxias, Rio de Janeiro, resultando em 38 óbitos. 1.5 Estrutura do Trabalho O trabalho apresentará os principais tipos de proteções aplicadas para os equipamentos Ex-p atualmente utilizados. Tópicos serão abordados e mostrarão critérios e requisitos básicos para o projeto de implantação do laboratório com relação ao layout e as questões de segurança local, como itens necessários para o desenvolvimento de um laboratório no Campus Centro do IFF, localizado na sala B- 18B. O trabalho está dividido em cinco capítulos. No primeiro capítulo é feita uma introdução sobre o tema escolhido, além de determinados objetivos e justificativas para tal. No segundo capítulo é feita uma revisão bibliográfica dos principais assuntos dentro do tema definido, mostrando de uma forma geral os requisitos e critérios para escolha de um equipamento a prova de explosão, dependendo de cada circunstância. No terceiro capítulo são abordados os pontos específicos do tipo de proteção relacionado aos equipamentos à prova de explosão, do tipo pressurizado (Ex-p), que serão retratados no projeto. No quarto capítulo, é apresentado o estudo de caso utilizando as normas vigentes como modelo para o desenvolvimento do projeto de instalação do laboratório, visando a observação e aprendizado dos principais tópicos das normas retratadas no estudo de caso, que são pertinentes sobre este tipo de instalação. No quinto capítulo são apresentadas as considerações finais, assim como a conclusão deste trabalho e sugestões para elaboração de trabalhos futuros.

19 19 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Os produtos inflamáveis estão contidos em equipamentos de processo cuja liberação se dará devido as suas falhas ou operações anormais. Estes equipamentos são considerados fontes de risco, ou seja, elementos capazes de liberar este material inflamável para o meio externo. (JORDÃO,2002) Segundo Bega et al. (2011) para evitar a ocorrência de acidentes em instalações industriais, são elaborados estudos de avaliação de risco e de classificação de áreas, de forma a levar em consideração todos os riscos envolvidos nos processos envolvendo substancias inflamáveis e combustíveis. Segundo Jordão (2002) as instalações elétricas nos locais onde possa ocorrer a presença de mistura explosiva são especiais, e, como tal, requerem condições também especiais para a especificação dos equipamentos, para a montagem, operação e manutenção Combustão Segundo Pinto e Nascimento (2017, apud Bega et al, 2006), a combustão é caracterizada pela combinação de três elementos essenciais: combustível, oxigênio e fonte de calor. Essa combinação que promove a combustão pode ser representada pelo Triângulo do Fogo, mostrada na figura 1, apresentada a seguir. Figura 1 Triângulo do Fogo de: Fonte: Jordão (2002) Segundo Jordão (2002), para que inicie a combustão é necessária a presença Combustível: material sólido, líquido ou gasoso capaz de reagir com o comburente, em geral o gás oxigênio, através de uma reação química de combustão;

20 20 Comburente: material gasoso que permite que ocorra reação de oxidação de um material combustível, produzindo assim a combustão; Fonte de ignição: condição ou agente que, ao introduzir energia mínima necessária, pode dar início ao processo de combustão na mistura entre combustível e comburente. Ainda segundo Pinto e Nascimento (2017, apud Camillo Jr, 2011) descobriuse que a combustão se processa em cadeia, ou seja, após o início é mantida pelo calor produzido pelas rupturas das moléculas do combustível que resultam em produtos intermediários instáveis e os elétrons. As reações liberam calor que aumenta a intensidade da combustão. Com esse fenômeno, após iniciada a combustão, um quarto elemento se junta aos três anteriores, a reação em cadeia, e uma outra figura passou a ser utilizada o Quadrado do Fogo, mostrado na figura 2, apresentado a seguir. Figura 2 Tetraedro do Fogo Fonte: Jordão (2002) A Norma da ABNT NBR 7505 define líquidos inflamáveis e combustíveis, baseados no ponto de fulgor, que será explicado no tópico 2.2 deste trabalho, do líquido, da seguinte forma: Líquido Inflamável: Pertencente a Classe I, no caso de possuírem ponto de fulgor inferior a 37,6 ºC e pressão de vapor que não exceda a 40 psi a 37,8 ºC. Podem ser da Classe IA como sendo líquidos que tenham ponto de fulgor abaixo de 22,8 ºC e ponto de ebulição inferior a 37,8 ºC, da Classe IB como sendo líquidos que tenham ponto de fulgor inferior a 22,8ºC e ponto de ebulição igual ou superior a 37,8 ºC, ou da Classe IC como sendo líquidos que tenham ponto de fulgor igual ou superior a 22,8 ºC, porém inferior a 37,8 ºC. Líquido Combustível: Pertencente a Classe II no caso de possuírem ponto de fulgor igual ou superior a 37,8 ºC e abaixo de 60 ºC, a Classe IIIA no caso

21 de possuírem ponto de fulgor igual ou acima de 60 ºC e abaixo de 93 ºC, ou a Classe IIIB no caso de possuírem ponto de fulgor igual ou acima de 93 ºC Velocidade de Combustão Segundo Jordão (2002), a combustão acontece com velocidades diferentes. No caso de uma combustão em regime estável a velocidade de combustão é baixa resultando numa leve elevação de pressão. A velocidade de combustão cresce proporcionalmente na razão entre a quantidade de sustância inflamável e a quantidade de oxigênio no instante da ignição. Dependendo da velocidade de combustão, podemos distinguir: a) Deflagração: a velocidade de combustão no caso de uma deflagração atinge a ordem de centímetros por segundo (cm/s) resulta num ligeiro acréscimo de pressão e um ligeiro efeito de ruído. Misturas que estejam a uma temperatura próxima de seu ponto de inflamabilidade inferior ou superior usualmente queimam na forma de deflagração. b) Explosão: a velocidade de combustão no caso de uma explosão atinge a ordem de metros por segundo (m/s). O processo de combustão ocorre de maneira instável, e há um considerável aumento na pressão (3 a 10 bar). O ruído resultante é forte, devido à expansão dos gases provocada pela alta temperatura. c) Detonação: a velocidade de combustão no caso de uma detonação atinge a ordem de quilômetros por segundo (km/s). A mistura explosiva se decompõe quase que instantaneamente e o acréscimo de pressão pode ser superior a 20 bar. O ruído proveniente de uma detonação é extremamente forte. Sabe-se que a energia necessária para causar a inflamação de uma atmosfera explosiva é, em geral, muito pequena. Sabe-se também que a quantidade de energia elétrica usual na indústria para fins de acionamento de máquinas, iluminação, controle, automação, etc. é muitas vezes superior ao mínimo necessário para provocar incêndios ou explosões. Por isso, a solução é prover meios para que a instalação elétrica (indispensável na indústria) possa cumprir com o seu papel sem se constituir num risco elevado para a segurança,e é necessário saber as propriedades das substâncias inflamáveis para que essa solução seja eficaz.(jordão,2002)

22 Propriedades básicas de substâncias inflamáveis Para elaborar uma classificação de área é necessário que se conheça como se comportam as substâncias inflamáveis, principalmente quando liberadas para a atmosfera. Isto requer o conhecimento de certas propriedades dessas substâncias. Portanto, esse conhecimento é uma ferramenta muito importante no processo de avaliação do grau de risco. (JORDÃO,2010) A seguir são listadas algumas das definições importantes para compreensão dos fatores que dizem respeito aos tipos de proteção que serão abordados posteriormente. Segundo Jordão (2002), temos que: a) Ponto de fulgor (Flash Point): É a menor temperatura na qual o liquido libera vapor em quantidade suficiente para formar uma mistura inflamável. Na presença de uma fonte de ignição, resulta em um flash, que representa o início da combustão, porém não elevada o suficiente para produzir vapor que dê continuidade à combustão. b) Pressão de vapor: Pressão na qual um líquido tem interrompida a passagem de suas moléculas para a fase de vapor devido à pressão que o vapor exerce sobre a superfície do líquido. Esta pressão aumenta com a temperatura. c) Ponto de combustão: Trata-se da temperatura com poucos graus acima do ponto de fulgor. Nesta temperatura, o liquido libera vapor em quantidade suficiente para iniciar a dar continuidade à combustão na presença de uma fonte de ignição. d) Ponto de ignição: É a menor temperatura de uma superfície ou de uma centelha, capaz de iniciar a combustão. e) Temperatura de Auto-Ignição (Auto Ignition Temperature AIT): É a mínima temperatura de superfície capaz de provocar a ignição de uma determinada substância combustível ou inflamável, sob condições especificadas na norma ABNT NBR IEC , na forma de mistura de gás e vapor com o ar. Esta temperatura é determinada experimentalmente, a uma temperatura ambiente de 40ºC. f) Temperatura de ebulição: Temperatura ou faixa de temperatura na qual a pressão de vapor se iguala à pressão atmosférica e se inicia a ebulição. g) Limites de inflamabilidade: Os limites de inflamabilidade referem-se à concentração da mistura formada entre o ar e o gás inflamável ou vapor inflamável.

23 23 Algumas substâncias possuem amplas faixas de inflamabilidade, portanto são mais perigosas que outras com faixas menores. Os limites são: Limite Inferior de Inflamabilidade (LII): é a concentração mínima na qual a mistura se torna inflamável. Também é chamado Limite Inferior de Explosividade (LIE). Abaixo desse limite, dizemos que a mistura é pobre. Limite Superior de Inflamabilidade (LSI): é a concentração que passa a ter produto inflamável em quantidade excessiva para a combustão. Também chamado de Limite Superior de Explosividade (LSE). Acima desse limite, dizemos que a mistura é rica. h) Faixas de concentração: as faixas que compõem a escala de inflamabilidade, que correspondem aos limites das faixas de concentração na qual a mistura é considerada explosiva e que também variam de produto a produto, são: Mistura pobre: Faixa de concentração em que existe muito oxigênio e pouco produto inflamável. Nesta região, não há fogo, pois não há combustível suficiente para a combustão. É limitada de 0% até o LII. Mistura rica: Faixa de concentração em que existe muito produto inflamável e pouco oxigênio. Da mesma forma que na mistura pobre, não há fogo nesta região, porém nesta faixa, é o oxigênio que é deficiente. Está no LSI até 100% de concentração, ou seja, 100% de produto inflamável. i) Mistura inflamável: É chamada de mistura inflamável, onde há a concentração ideal entre o gás/vapor em que a combustão acontece. Está limitada entre a faixa que começa no LII e termina no LSI. j) Energia ou corrente de ignição: Energia mínima capaz de provocar a ignição de uma mistura explosiva. Após conhecidas as propriedades básicas das substâncias inflamáveis, podemos introduzir o estudo sobre a classificação de área e suas especificidades. 2.3 Classificação de Área Segundo Jordão (2002) classificação de área é uma representação de uma avaliação do grau de risco de presença de mistura inflamável da sua unidade industrial, contendo informações a respeito de: Tipo de substância inflamável que pode estar no local; Com que probabilidade essa substância pode estar no meio externo;

24 24 Em que extensão essa probabilidade é esperada, ou seja, quais os limites da área com risco de presença de mistura explosiva; Antigamente, nas indústrias de petróleo e petroquímicas, era mais comum à utilização da normalização técnica americana, podendo-se destacar o NEC (National Electrical Code) e as publicações do API (American Petroleum Institute). Essa prática perdurou até recentemente na maioria das indústrias. No início da década de 1980, uma comissão técnica ficou responsável por elaborar as normas brasileiras da ABNT sobre equipamentos e instalações elétricas em atmosferas explosivas baseadas na norma internacional IEC. (JORDÃO, 2002) Segundo a norma ABNT NBR IEC , uma área pode ser nomeada como sendo classificada ou não classificada, segundo as definições a seguir: Área classificada: está presente ou pode-se esperar que estivesse presente, uma atmosfera de gás, vapor ou névoa em quantidades que exigirão precauções especiais para a construção, instalação e uso de equipamentos; Área não classificada: onde não se espera que uma atmosfera de gás explosivo esteja presente em quantidades que exigem precauções especiais para a construção instalação e uso de equipamentos. Rodrigues Neto e Soares (2010) confirmam e ampliam esta ideia, mostrando que para uma área ser classificada como fonte de risco se for estabelecido que o equipamento pode liberar mistura inflamável para a atmosfera, em primeiro lugar deve-se determinar o grau de risco de liberação, estabelecendo a frequência e a duração da liberação. Os autores relatam também que, segundo a norma ABNT NBR IEC , a abertura de partes de sistemas de processos fechados também será categorizada como fonte de risco quando da elaboração da classificação de áreas e que, por meio deste procedimento, cada fonte de risco deve ser subdivida em três graus: contínuo, primário ou secundário. A seguir, estão listados alguns exemplos destas fontes de risco de acordo com Bega et al. (2011). Fontes de Risco de Grau Contínuo - Superfície de um líquido inflamável em um tanque fixo, com respiro permanente para a atmosfera; - Superfície de um líquido inflamável que esteja aberto para a atmosfera, continuamente ou por longos períodos; Fontes de Risco de Grau Primário

25 25 - Selos de bombas, compressores e válvulas onde a liberação de material inflamável para a atmosfera não é prevista de ocorrer em condições normais de operação; - Flanges, conexões e acessórios de tubulação, onde a liberação do material inflamável para a atmosfera não é prevista de ocorrer em condições normais de operação; - Pontos de coleta de amostras, onde a liberação do material inflamável para a atmosfera não é prevista de ocorrer em condições normais de operação; - Válvulas de alívio, respiros e outras aberturas onde a liberação de material inflamável para a atmosfera não é prevista de ocorrer em condições normais de operação. Fontes de Risco de Grau Secundário - Selos de bombas, compressores e válvulas onde a liberação de material inflamável para atmosfera não é prevista de ocorrer em condições normais de operação. - Flanges, conexões e acessórios de tubulação, onde a liberação do material inflamável para a atmosfera não é prevista de ocorrer em condições normais de operações. Rockwell (2011) afirma que os padrões mundiais atualmente para instalações elétricas em atmosferas explosivas estão tendendo a seguir uma forte harmonização Classificação de equipamentos por Grupos e Zonas Segundo Bega et al (2006) após ser estabelecido o grau da fonte de risco, é necessário determinar a taxa de liberação e outros fatores que podem influenciar o tipo e extensão da zona. A norma brasileira de classificação de área (NBR IEC ), seguindo a Normalização Internacional IEC, classifica as áreas de risco em Zonas e Grupos. A determinação dos tipos de Zonas das áreas classificadas é baseada na frequência ou na probabilidade estatística de ocorrência e duração de uma atmosfera explosiva de gás na área considerada no estudo, como definido a seguir, pela norma NBR IEC :

26 26 Zona 0: área na qual uma atmosfera explosiva de gás consistindo de uma mistura com ar e substâncias inflamáveis em forma de gás, vapor ou névoa continuamente presente ou por longos períodos ou frequentemente. Zona 1: área na qual uma atmosfera explosiva de gás consistindo de uma mistura com ar e substâncias inflamáveis em formas de gás, vapor ou névoa que pode ocorrer ocasionalmente em condições normais de operação. Zona 2: área na qual uma atmosfera explosiva de gás consistindo de uma mistura com ar e substâncias inflamáveis em formas de gás, vapor ou névoa que não é previsto ocorrer em condições normais de operação, mas, se ocorrer, irá persistir somente por um curto período de tempo. Ainda de acordo com a norma NBR IEC os procedimentos para classificação de áreas consideram que uma área na qual a probabilidade de ocorrência de presença de atmosfera explosiva seja maior do que 1000 horas por ano deva ser classificada com Zona 0. Se a probabilidade de ocorrência de presença de atmosfera explosiva seja menor do que 10 horas por ano, segundo os procedimentos de classificação de área, a área deve ser considerada como sendo de Zona 2. Caso a probabilidade de ocorrência seja maior que 10 horas ao ano, porém menor que 1000 horas ao ano, a área classificada deve ser considerada como sendo de Zona 1. A determinação do Grupo é estabelecida em função dos gases explosivos presentes no ambiente, sendo subdividido em Grupo I ou Grupo II. Grupo I é relativo às instalações subterrâneas, como nas minas de carvão, onde se encontra basicamente a presença do gás metano. Grupo II é relativo às instalações de superfície, sendo subdividido em Grupo IIA, IIB e IIC, de acordo com o gás representativo do local da instalação. Grupo IIA: propano; Grupo IIB: eteno; Grupo IIC: hidrogênio. Segundo Bega et al (2006) mais baixa temperatura de ignição das substancias explosivas que possam dar origem a atmosferas explosivas, em uma área sob estudos de classificação de áreas, deve ser superior à temperatura máxima de superfície dos equipamentos elétricos a serem instalados nessa área, de forma a assegurar que os equipamentos elétricos não possam constituir fontes de risco. Por

27 isso há outro requisito que deve ser considerado, que é a classe de temperatura dos equipamentos que será explanado a seguir Classificação de equipamentos pela classe de temperatura De acordo com a norma NBR IEC a temperatura máxima de superfície de um equipamento é a temperatura mais alta que e atingida em serviço sob as condições operacionais mais adversas (mas dentro das tolerâncias admitidas) por qualquer parte ou superfície dos equipamentos elétricos, a qual pode ser capaz de produzir uma ignição da atmosfera explosiva ao seu redor. As condições mais adversas incluem as sobrecargas e condições de falhas admitidas na norma específica para o tipo de proteção considerado. A temperatura da superfície relevante pode ser interna e/ou externa, dependendo do tipo de proteção considerado. Classe de temperatura é uma informação para o usuário do equipamento a respeito das máximas temperaturas de superfícies que os equipamentos podem atingir em operação normal ou de sobrecarga prevista, considerando a temperatura ambiente máxima igual a 40ºC. (Jordão,2002) Tabela 1 Classe de Temperatura segundo a IEC Fonte: Jordão (2002) 2.4 Proteção de equipamentos elétricos em área classificada e suas aplicações Diferentes técnicas construtivas são aplicadas na fabricação de instrumentos para operar em áreas classificadas, distinguindo-os dos instrumentos de uso industrial geral os quais não são apropriados os certificados para aplicação em locais de risco contendo atmosferas explosivas. (Bega et al,2006)

28 Técnica de contenção ou confinamento da explosão O objetivo é confinar a energia resultante de uma eventual explosão ocorrida no interior do invólucro, impedindo que a mesma se propague e provoque a ignição da atmosfera explosiva existente exteriormente. Assim, o gás inflamável pode penetrar no interior do invólucro e entrar em contato com as partes centelhantes ou temperaturas acima da temperatura de ignição do gás. (Bega et al,2006) Técnica de segregação da faísca Tem como objetivo evitar o contato físico entre uma atmosfera explosiva e possíveis fontes de ignição. A segregação é obtida pela imersão em óleo, areia ou pó inerte, pelo encapsulamento ou pela pressurização do interior do invólucro com ar ou gás inerte. (Bega et al,2006) a) Técnica de imersão Esta técnica geralmente é incompatível com as necessidades construtivas requeridas pelos sistemas de instrumentação de campo, sendo também utilizada na área elétrica, em aplicações como em reatores eletrônicos. Na área de instrumentação, um exemplo de aplicação é a construção de caixas de areia, as quais evitam a passagem de gases e vapores inflamáveis do ambiente exterior para o interior de áreas não classificadas, nos locais de entrada e saída de cabos e multicabos. (Bega et al,2006) b) Técnica de encapsulamento Geralmente, a técnica não é aplicável a um instrumento inteiro, mas somente a alguns dos seus componentes integrantes, como fusíveis e pequenos transformadores de sinal. É empregada como auxiliar de outras técnicas de proteção, como no caso de solenoides encapsuladas em resina, com os bornes terminais utilizando o tipo de proteção segurança aumentada, que será abordada posteriormente. (Bega et al,2006) c) Técnica de pressurização ou purga Este método evita o ingresso de uma atmosfera externa dentro de um invólucro ou ambiente, pela manutenção do gás de proteção interno, com uma pressão superior à pressão da atmosfera externa. Nesta técnica, o ambiente interno do painel é mantido pressurizado com ar, possibilitando a instalação de componentes comuns, não necessariamente

29 29 aprovados para instalação direta em atmosferas explosivas. Possui várias aplicações na área de instrumentação, como é o caso dos painéis locais de controle de grandes máquinas, onde o ambiente interno do painel é mantido pressurizado com ar, como é o caso de painéis locais de controle de grandes máquinas ou de remotas de CLPs (Controladores Lógicos Programáveis). (BEGA et al., 2006) Técnica de Prevenção Segundo (Bega et al,2006), esta técnica é resultado de uma elaboração cuidadosa do projeto de um determinado equipamento ou componente elétrico, incorporando características construtivas que tornam impossível a ocorrência do centelhamento ou de sobreaquecimento, mesmo em ocorrência de falha. 2.5 Tipos de proteção de equipamentos elétricos em área classificada Segundo Bega et al. (2011), a especificação e a instalação de equipamentos devidamente certificados são objetivos fundamentais em instalações de sistemas elétricos, de instrumentação ou automação em áreas classificadas. Isto ocorre de forma a assegurar que tais instrumentos não se tornem fontes de ignição quando se tem a sua utilização. Pinto e Nascimento (2017, apud Rodrigues Neto e Soares, 2010) relatam que a norma ABNT estabelece um código para cada tipo de equipamento. Este código composto pelo símbolo Ex, utilizado pela norma NBR IEC, identifica os produtos para instalação em área classificada (atmosfera explosiva) seguido pelo tipo de proteção. A seguir, serão apresentados os tipos de proteção mais utilizados atualmente, segundo Jordão (2002), na área de instrumentação e automação industrial, suas simbologias e características, a partir da norma ABNT NBR IEC que aborda os requisitos gerais para estes métodos À prova de explosão (Ex-d) Proveniente do termo alemão druckfestemkapselung, que significa encapsulamento à prova de fogo (Ex-d), este tipo de equipamento é capaz de suportar uma explosão interna, sem permitir que essa explosão se propague para o meio externo, a partir do resfriamento dos gases resultantes da explosão interna. Ao passar pelo interstício, estes gases irão trocar calor de tal forma que sua

30 30 temperatura caia a um valor abaixo do ponto de ignição da mistura reinante no ambiente externo. Tem como método de proteção o confinamento da explosão dentro de um invólucro robusto. São adequados para a utilização em áreas classificadas como Zona 1 e Zona 2, sendo tratados na norma ABNT NBR IEC Pressurizado (Ex-p) Os equipamentos Ex-p são construídos em invólucros cuja pressão interna é maior que a pressão atmosférica, ou seja, pressão positiva, que utiliza a segregação de faíscas como método de proteção. Dessa forma, isola-se fisicamente a atmosfera potencialmente explosiva as possíveis fontes de ignição de um equipamento ou ainda reduz a classificação da área externa para uma classificação menos rígida internamente. São adequados para a utilização em áreas classificadas como Zona 1 ou Zona 2, sendo tratados na norma ABNT NBR IEC Imerso em óleo (Ex-o) / Imerso em areia (Ex-q) / Imerso em resina (Ex-m) Estes invólucros, da mesma forma que os invólucros pressurizados, utilizam segregação de faíscas como método de proteção. Neste caso, as partes que podem causar centelhas ou alta temperatura são imersos em um meio isolante que pode ser óleo, areia ou resina. Vale ressaltar que a imersão em areia dos equipamentos Ex-q não oferece a segregação total da mistura, porém, devido aos pequenos volumes livres do material de enchimento, isto irá provocar uma redução significativa na quantidade de mistura que entra em contato com as partes energizadas dos equipamentos elétricos. Além disto, a troca de calor entre a chama e o material de enchimento provoca o resfriamento da mesma, evitando a inflamação da atmosfera externa. São adequados para a utilização em áreas classificadas como Zona 1 e Zona 2, sendo tratados na norma ABNT NBR IEC , ABNT NBR IEC e ABNT NBR IEC para os tipos de proteção Ex-o, Ex-q e Ex-m, respectivamente.

31 Segurança aumentada (Ex-e) Proveniente do termo alemão erhoehte sicherheit, que significa segurança reforçada ou aumentada (Ex-e), estes equipamentos usam como medida de proteção a prevenção, na qual se controla a fonte de ignição de forma a não possuir energia elétrica e térmica suficientes para detonar a atmosfera potencialmente explosiva. São equipamentos elétricos nos quais são aplicadas medidas construtivas adicionais que, em condições normais de operação, não produzem arcos, centelhas ou altas temperaturas. São adequados para a utilização em áreas classificadas como Zona 1 e Zona 2, sendo tratados na norma ABNT NBR IEC Segurança intrínseca (Ex-i) São equipamentos elétricos com dispositivo ou circuito que, em condições normais ou anormais (curto-circuito) de operação, não possuem energia suficiente para inflamar a atmosfera explosiva. São divididos em três tipos: Ex-ia, Ex-ib, Ex-ic, de acordo com a zona a ser utilizado o equipamento, sendo tratados nas normas ABNT NBR IEC e ABNT NBR IEC Não acendível (Ex-n) São equipamentos de energia limitada e, em condições normais de operação, não são capazes de provocar a ignição de uma atmosfera explosiva. Este tipo de equipamento só é permitido para a utilização em áreas classificadas como Zona 2, sendo tratado na norma ABNT NBR IEC Especial (Ex-s) Este tipo de proteção é incluído da IEC sem haver nenhuma definição ou menção a norma sobre o assunto, sendo utilizada para equipamentos ainda não previstos em normas. É indicada em casos de desenvolvimento de novos tipos de proteção que não sem nenhum daqueles citados anteriormente, previstos por normas, ou ainda elaborar inovadoras combinações de tipo de proteção. Este método de proteção é tratado na norma ABNT NBR IEC Em casos de invenção de tipo de proteção especial, o inventor deste equipamento tem o direito de industrializar e comercializar o equipamento a partir da

32 32 obtenção do certificado de equivalência. Este certificado é um atestado para o equipamento que possui um nível de segurança equivalente a aqueles previstos na normalização existente e ativa. Como não se pode emitir um certificado de conformidade, pois o mesmo não está conforme com nenhuma norma vigente, a entidade certificadora que irá indicar o local adequado para aplicação deste novo equipamento, seja Zona 0, Zona 1 ou Zona 2. Este certificado, segundo a definição da norma ABNT NBR IEC , é um documento que assegura a conformidade de um produto, processo, sistema, pessoa ou organização com requisitos específicos. 2.6 Tipo de proteção em função da classificação de área De acordo com Jordão (2002), foram listados os equipamentos Ex mais utilizados na indústria atualmente e a seguir serão listados os tipos de proteção para os equipamentos elétricos que são permitidos em função da classificação de área, de forma resumida Equipamentos elétricos permissíveis em Zona 0 Na zona 0, por ser uma zona mais crítica, só são permitidos os seguintes equipamentos elétricos: Equipamentos intrinsecamente seguros, categoria i, (Ex-ia); Outros equipamentos elétricos projetados especificamente para utilização em Zona 0, desde que essa condição esteja claramente definida no certificado emitido por laboratório de ensaios credenciado (Ex-s) Equipamentos elétricos permissíveis em Zona 1 Na zona 1, os equipamentos os tipos de equipamentos elétricos apropriados são: Equipamentos permissíveis em Zona 0; Equipamentos à prova de explosão (Ex-d); Equipamento com pressurização ou diluição contínua (Ex-p); Equipamento imerso em areia (Ex-q); Equipamento imerso em óleo (Ex-o); Equipamento de segurança aumentada (Ex-e);

33 33 Equipamento de segurança intrínseca (Ex-ib); Outros equipamentos projetados especificamente para utilização em Zona 1, que não satisfaçam as exigências de nenhum tipo de proteção normalizado, mas que sejam aprovados por laboratório de ensaios credenciado (Ex-s); Equipamentos que sejam combinações de tipo de proteção dos acima mencionados, como por exemplo: equipamento Ex-de (combinando prova de explosão e segurança aumentada) Equipamentos elétricos permissíveis em Zona 2 Os equipamentos elétricos permissíveis de funcionarem na zona 2 são os seguintes: Equipamentos permissíveis em Zona 0 e Zona 1; Equipamento elétrico com tipo de proteção pressurizado projetado especificamente para proteção em Zona 2 (Ex-p); Outros equipamentos elétricos projetados para utilização em Zona 2, como por exemplo: não acendível (Ex-n); Ex-ic; Equipamentos elétricos construídos de acordo com os requisitos de norma referentes a equipamentos elétricos para uso industrial e que em condições normais de serviço não produzem arcos, centelhas ou superfícies quentes que possam provocar a ignição da atmosfera explosiva. 3. EQUIPAMENTOS PRESSURIZADOS (Ex-p) Nesse trabalho o tipo de proteção abordada será o Ex-p, e segundo Bega et al (2006), a pressurização é uma técnica que evita muitas das desvantagens apresentadas pelos invólucros à prova de explosão (Ex-d), podendo ser aplicada em instrumentos cujos altos níveis de energia de seus circuitos não permitem aplicar a técnica de proteção de segurança intrínseca (Ex-i), motivo pelo qual foi escolhido para projeto do laboratório em questão. A seguir serão detalhados requisitos para instalação correta dos equipamentos elétricos para atmosferas explosivas.

34 Definição A técnica utilizada nos equipamentos pressurizados consiste em manter presente, no interior do invólucro, uma pressão positiva superior à pressão 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. (Jordão,2002) Existem tipos de pressurização que proporcionam uma redução de zona classificada para zona não classificada no interior do invólucro, porém uma delas apenas diminui o número da zona de 1 para 2, isso será explicado mais detalhadamente no tópico 3.2. A pressurização do invólucro é feita por meio da utilização de um gás de proteção, podendo ser ar ou gás inerte, sendo que como gás inerte entende-se que pode ser usado nitrogênio, dióxido de carbono, argônio ou outro gás não inflamável que, quando misturado com oxigênio na proporção de 4 partes do gás inerte para 1 de oxigênio do ar, não piore as propriedades de ignição e flamabilidade, tais como os limites de inflamabilidade. (Jordão, 2002) A norma NBR IEC ressalta que quando o gás de purga for um gás inerte existe risco de asfixia. Sendo assim, convém que uma advertência adequada seja afixada ao invólucro. Alternativamente, pode ser fornecido um meio adequado de purgar o invólucro para remover o gás inerte, antes da abertura de portas ou tampas, o que será explicado detalhadamente no tópico 3.4. Alguns dos equipamentos Ex-p podem possuir fonte de risco interna, o que influencia diretamente em qual técnica de pressurização será utilizada no mesmo. Jordão (2002) diz que fonte de risco interna é um ponto ou local do qual uma substância inflamável na forma de gás, de vapor ou de líquido inflamável pode ser liberada no interior de um invólucro pressurizado de modo que em presença do ar pode formar uma mistura inflamável de gás. De acordo com Bega et al (2006) a pressurização só é eficaz, oferecendo a proteção desejada quando os equipamentos forem montados de forma correta, atendendo aos requisitos de projeto e recomendações do fabricante. Devem ser elaborados desenhos de montagem para cada caso de instalação.

35 Tipos de Equipamentos Ex-p Segundo Jordão (2002, apud IEC , 2007) define três tipos de pressurização, conforme a seguir: Tabela 2 Pressurização conforme a norma Fonte: Jordão (2002) O equipamento px permite instalar um equipamento certificado com um tipo de proteção adequada para área não classificada (dentro do invólucro purgado) em uma área classificada como Zona 1. O equipamento py permite instalar um equipamento certificado com um tipo de proteção adequado para a Zona 2 (dentro do invólucro purgado) em uma área classificada como Zona 1. O equipamento pz permite que com invólucro instalado em uma área classificada como Zona 2, seu interior seja instalado um equipamento certificado com um tipo de proteção adequada para área não classificada. Ainda de acordo com Jordão (2002), para determinação do tipo de proteção deve-se levar em conta: a) a classificação de áreas existente externamente ao invólucro a ser pressurizado; b) se há internamente ao invólucro alguma fonte de risco de produto inflamável;

36 c) se há no interior do invólucro a ser pressurizado algum dispositivo capaz de provocar ignição de uma atmosfera potencialmente explosiva Técnicas de Pressurização As técnicas de pressurização se dividem em três tipos, pressurização com compensação de perdas, pressurização com diluição e pressurização estática Pressurização com compensação de perdas Se o sistema com fonte de risco interna é do tipo sem liberação interna, o gás de proteção pode ser o ar ou gás inerte. (Jordão, 2002). A norma ABNT NBR IEC diz que se o sistema com fonte de risco interna for do tipo com liberação limitada de gás ou líquido, o gás de proteção será o gás inerte. Jordão (2002) faz uma observação ressaltando que: É difícil ou mesmo impossível proteger com compensação de perdas usando gás inerte quando a substância inflamável é capaz de reagir com pouco ou nenhum oxigênio presente, isto é, tem o LSI superior a 80%. Se a substância inflamável possui LSI superior a 80%, ou se a concentração de oxigênio excede 2% em volume ou se há liberação normal de substância inflamável, então um fluxo contínuo deve ser usado para diluir a substância inflamável Pressurização com diluição Como consta na norma ABNT NBR IEC , caso o sistema de contenção seja do tipo sem liberação interna, o gás de proteção pode ser o ar ou gás inerte. Sendo o sistema com fonte de risco interna com liberação de gás ou vapor, Jordão (2002) coloca que a vazão de gás de proteção após purga deve ser suficiente, sob qualquer condição de falha do sistema com fonte de risco interna, para diluir a máxima liberação numa fonte potencial de ignição, isto é, fora da área de diluição, como a seguir: Quando o gás de proteção for o ar, a substância inflamável na liberação deve ser diluída a uma concentração não superior a 25% de seu LII;

37 37 Quando o gás de proteção for um gás inerte, o oxigênio contido na liberação deve ser diluído a uma concentração não superior a 2% em volume. Isso está de acordo com a norma ABNT NBR IEC , que também diz que quando a substância inflamável liberada do sistema com fonte de risco interna tem LSI maior do que 80%, toda a liberação deve ser diluída com ar a uma concentração não superior a 25% do LII. A mesma norma acima diz em nota que é necessário diluir a 25% do LII quando a substância inflamável é capaz de reagir com pouco ou nenhum oxigênio presente, isto é, tenha LSI maior do que 80% Pressurização estática A pressurização estática consiste na manutenção de uma sobrepressão no interior do invólucro sem adição do gás de proteção na área classificada. (Jordão, 2002) Em esclarecimento à definição dada acima, Jordão (2002) explica que a pressurização estática é um método de pressurização no qual o invólucro é preenchido com um gás de proteção a uma determinada pressão e é então selado por um tempo que permita a sua utilização e uso, sem que haja queda na pressão capaz de causar risco. Uma aplicação típica desse tipo de pressurização é no caso de dispositivos que necessitam ser inseridos no interior de vasos, tubulação ou locais similares, onde seria impraticável utilizar um sistema de pressurização que requeresse uma conexão contínua a um sistema de suprimento de gás de proteção. Para que as técnicas de pressurização ocorram de maneira eficaz e segura é necessário ser realizado o processo de purga que será explicado a seguir. 3.4 Purga e Aspectos Segundo a norma ABNT NBR IEC , a purga é uma operação que consiste na passagem de uma quantidade de gás de proteção através do involucro e dos dutos de um involucro pressurizado, de modo que a concentração da atmosfera explosiva de gás seja mantida a um nível seguro. A norma em questão diz que existe a purga manual e a purga automática. Na purga manual, o processo de abertura e fechamento da válvula de entrada e de saída do gás de proteção, após o tempo necessário de purga especificado pelo fabricante, é feita de forma manual. A purga automática conta com um temporizador,

38 38 sensores de pressão e vazão, que junto de um sistema de controle atua nas válvulas de entrada e saída de forma que o processo seja automático. Para que a purga automática seja feita de maneira eficaz, o catálogo geral da Pepperl+Fuchs (2015) diz que é necessário o uso de uma válvula de controle de saída de ar, que se abrirá durante o processo de purga para que o ar contaminado saia do interior do invólucro e que se fechará após esse processo para garantir a pressurização do invólucro. A figura 3 a seguir ilustra um equipamento com purga automática. Figura 3 Equipamento com Purga Automática Fonte: Pepperl Fuchs A purga manual é eficaz, quando é utilizada uma válvula de controle de saída, que será aberta durante o processo de purga para que o ar contaminado saia do interior do invólucro e que será fechada após esse processo para garantir a pressurização e vedação do invólucro. Segundo a norma, as aberturas e divisórias devem ser localizadas de tal modo que seja assegurada efetivamente a purga. Para gases ou vapores, que compõe a atmosfera explosiva, que são mais pesados que o ar, a entrada do gás de proteção deverá estar posicionada próxima da parte superior do invólucro pressurizado, com a saída próxima à parte inferior do invólucro, como exemplifica a figura 4 a seguir.

39 39 Figura 4 Purga por cima Fonte: Pepperl+Fuchs Para gases ou vapores, que compõe a atmosfera explosiva, que são menos pesados que o ar, a entrada do gás de proteção deverá estar posicionada próxima da parte inferior do invólucro pressurizado, com a saída próxima à parte superior do invólucro, como ilustra a figura 5 a seguir. Figura 5 Purga por baixo Fonte: Pepperl+Fuchs A norma enfatiza que a localização de entradas e saídas de lados opostos do invólucro provoca ventilação cruzada, de forma que as aberturas cumpram seu objetivo de assegurar a efetividade da purga. As purgas para cada tipo de equipamentos Ex-p têm seus aspectos especificados na norma ABNT NBR

40 Purga para equipamentos Pz Segundo Bega et al (2006), os requisitos são a manutenção de uma sobrepressão determinada pelas normas e a garantia de que em nenhum ponto a temperatura externa do invólucro ultrapasse 80% da temperatura de ignição do gás ou vapor que possa estar presente o invólucro ainda deve atender a requisitos mínimos de resistência mecânica. Para abertura do invólucro pressurizado além do prévio desligamento do circuito de alimentação elétrica, deve ser guardado um tempo suficiente para permitir o resfriamento de possíveis pontos quentes no interior do invólucro. Bega et al (2006) ainda coloca que no religamento, o invólucro deve ser previamente purgado com, no mínimo quatro vezes seu volume interno antes de se energizar os componentes do circuito seu interior. Um medidor de pressão ou de vazão, não necessariamente dotado de alarme, instalado para indicar falha de pressurização. Esta pode ocorrer por falha no suprimento de ar, por vazamento ou por entupimento. O desligamento automático em caso de falha não é exigido por norma para este tipo de purga. Figura 6 Sistema de Controle de Purga Pz Fonte: Pepperl+Fuchs A norma ABNT NBR IEC discorda de Bega et al (2006) em relação ao volume de purga necessário para deixar o equipamento seguro, pois diz que o mesmo será purgado com volume especificado por seu respectivo fabricante. Este trabalho dará prioridade às regras definidas pela norma ABNT NBR IEC e seus respectivos subitens.

41 Purga para equipamentos Py Em relação aos equipamentos Py, Bega et al (2006) diz que os requisitos de segurança e proteção para este tipo de purga são iguais aos da purga do tipo Z sendo também obrigatória a existência de fusíveis no circuito de alimentação, tornando, assim, remota possibilidade de um curto-circuito mesmo para a massa (carcaça ou invólucro do painel) que possa gerar um ponto quente perigoso. Figura 7 Sistema de Controle de Purga Py Fonte: Pepperl+Fuchs Purga para equipamentos Px Os requisitos são os mesmos aplicáveis para a purga do tipo Y, acrescentando-se, de acordo com Bega et al (2006) que a porta do invólucro deve ser intertravada com alimentação elétrica, desconectando-a imediatamente em caso de abertura. Algumas normas dispensam este requisito quando a abertura somente é possível com o auxílio de ferramentas. Figura 8 Sistema de Controle de Purga Px Fonte: Pepperl+Fuchs

42 42 Bega et al (2006) também diz que é necessário um intertravamento que garanta o desligamento em caso de perda de pressurização e que emita um alarme com conhecimento remoto bem como quando houver o fechamento do invólucro, um temporizador só conectará a alimentação elétrica após um tempo que permita, no mínimo, a renovação de quatro vezes o volume do invólucro. Uma vez explicados os tipos e técnicas de pressurização e os tipos de purga, é importante que sejam explicados os requisitos construtivos para os outros componentes que compõem um equipamento Ex-p, que serão dados a seguir. 3.5 Requisitos construtivos aplicáveis aos invólucros pressurizados 3. Os invólucros devem atender aos critérios de projeto conforme a Tabela Tabela 3 - Critérios de Projeto Fonte: ABNT NBR

43 43 Para um melhor entendimento, serão explicados a seguir os critérios de projeto representados na tabela 3 para dar prosseguimento ao estudo de caso definido no escopo do trabalho Grau de Proteção dos Invólucros Segundo a norma NBR 8370, as medidas aplicadas ao invólucro de equipamento elétrico, visam: proteção de pessoas contra o contato a partes energizadas sem isolamento, contra entrada de corpos sólidos estranhos e proteção contra ingresso de água em seu interior. A figura 9 abaixo, mostra um esquema genérico da nomenclatura dos graus de proteção dos invólucros. Figura 9 Grau de Proteção Fonte: NBR 8370 O primeiro dígito tem o significado relativo à proteção do equipamento contra penetração de corpos sólidos estranhos, variando numa escala de 0 a 6, onde 0 é não protegido e 6 é a proteção com estanqueidade a pó (menor partícula possível). Essa escala também tem significado relativo à proteção de pessoas contra acesso a partes perigosas, tendo 0 como não protegido e 6 como protegido contra acesso com um fio. O segundo dígito tem significado relativo à proteção do equipamento contra penetração de água com efeitos danosos, variando numa escala de 0 a 8, onde 0 é não protegido e 8 é protegido contra submersão. A letra adicional tem significado relativo à proteção de pessoas contra acesso a partes perigosas, variando de A até D, onde quando não houver letra adicional é não protegido e D é protegido contra acesso com um fio. A letra suplementar tem o significado relativo a informações suplementares referentes à: equipamentos de alta tensão, movimento durante ensaio, estático durante ensaio e intempéries.

44 44 Para que seja feito o dimensionamento de forma correta, a norma exige que requisitos mínimos de grau de proteção IP sejam atendidos especificamente para cada tipo de equipamento Ex-p. Como pode ser visto na Tabela 3, os equipamentos px, py e pz com indicador necessitam de uma proteção mínima do tipo IP4X, onde o equipamento é protegido contra penetração de corpos sólidos de diâmetro de 1mm e proteção de pessoas contra o acesso de partes perigosas com um fio. Já o equipamento pz com alarme requer um grau de proteção um pouco inferior em relação aos outros citados, do tipo IP3X, onde ele é protegido contra penetração de corpos sólidos com diâmetro de 2,5mm e proteção de pessoas contra o acesso de partes perigosas com ferramenta Resistência ao impacto A Tabela 4 da norma ABNT NBR IEC não diz respeito à resistência ao impacto dos invólucros, mas se refere à limitação de área de superfície para evitar formação de carga eletroestática. Informações sobre resistência ao impacto podem ser encontrados no item desta norma. De acordo com a norma ABNT NBR IEC o invólucro deve ser submetido ao efeito de uma massa de ensaio de 1 kg caindo de uma altura h, que varia de acordo com a aplicação do equipamento. O ensaio deve ser feito com o equipamento montado e pronto para uso. É enfatizado que o ponto de impacto deve ser o local considerado o mais frágil e deve ser nas partes externas que possam estar expostas ao impacto Verificação do tempo de purga A norma ABNT NBR IEC requisita que o equipamento do tipo px tenha dispositivos de temporização, monitoramento de pressão e vazão, onde esses dispositivos só permitirão a alimentação elétrica após um tempo que permita, no mínimo, a renovação de quatro vezes o volume do invólucro e pressão mínima interna, que reafirma o que o Jordão (2002) diz em relação a purga para equipamentos px. Para os equipamentos py, pz com indicador e pz com alarme, há a necessidade da marcação de tempo e um medidor de vazão para que o tempo e a

45 vazão mínimos definidos por norma sejam respeitados antes da energização e o procedimento de purga seja feito de forma eficaz Barreiras contra partículas e centelhas Segundo a norma ABNT NBR IEC , o invólucro pressurizado e os dutos para o gás de proteção, se existirem, devem ser fornecidos com uma barreira contra partículas e centelhas para proteger a área classificada contra expulsão de partículas incandescentes. Há algumas exceções à regra, como por exemplo, não se faz necessária a barreira quando a exaustão do dispositivo de alívio normalmente fechado está direcionada para uma Zona 1, se partículas incandescentes não forem normalmente produzidas. Não é necessária a barreira em outro caso específico, que é quando a exaustão está direcionada para Zona 2, se partículas incandescentes não forem produzidas normalmente. As partículas incandescentes devem ser consideradas como se produzidas normalmente, a menos que os contatos de abrir/fechar operem com menos de 10 A e a tensão de trabalho não exceda 275 V em corrente alternada ou 60 V em corrente contínua, e os contatos tenham uma proteção Materiais Ainda segundo a norma NBR IEC , os materiais utilizados para invólucros, dutos e conexões não devem ser adversamente afetados pelo gás de proteção especificado. Também não podem ser afetados pela admissão de partículas de água ou óleo provenientes da fonte de gás de proteção, no caso os ventiladores ou compressores responsáveis pelo fornecimento de ar de instrumento ou dos gases inertes como nitrogênio, argônio ou dióxido de carbono. 3.6 Precauções de segurança e dispositivos de segurança Os equipamentos a prova de explosão do tipo pressurizado se encontram em ambientes com possibilidade de explosão, portanto a norma ABNT NBR IEC especifica dispositivos de segurança baseado no tipo de proteção e no tipo de pressurização.

46 Precauções e dispositivos de segurança para pressurização por compensação de perdas e pressurização com diluição A Norma diz que os dispositivos de segurança utilizados para auxiliar na pressurização dos invólucros não devem ser capazes de causar uma explosão ou devem ser instalados fora da área classificada. Esses dispositivos de segurança requeridos pela Norma fazem parte de um sistema de controle, que será explicado a partir do tópico 3.5, para que seja feito com segurança o processo de pressurização. A tabela 3 abaixo mostra os dispositivos necessários para cada tipo de equipamentos Ex-p de acordo com seus critérios construtivos. Tabela 4 Dispositivos de segurança baseados no tipo de proteção Fonte: ABNT NBR IEC Para os equipamentos px e py, é necessária a utilização de sensor de pressão, como por exemplo, um pressostato. Esse sensor tem a função de detectar a pressão mínima exigida por norma para cada equipamento, atuando no sistema de controle de purga de forma que, caso a pressão no interior do invólucro seja menor que a mínima exigida, o sensor atue desenergizando o sistema interno ao invólucro até que o processo de purga e pressurização seja refeito. Para os equipamentos do tipo py, é necessária a utilização de um sensor ou indicador de pressão com o mesmo propósito de detecção da pressão mínima. Utilizando o sensor no equipamento pz, ele se comporta da mesma forma que o sensor para px e py. Quando for utilizado o indicador, a pressão interna do sistema é

47 47 indicada e caso seja menor que a pressão mínima exigida, os procedimentos previstos em norma sejam feitos para se retomar o funcionamento seguro do equipamento Precauções e dispositivos de segurança para pressurização estática Segundo a norma ABNT NBR IEC todos os dispositivos de segurança utilizados para evitar uma explosão nos equipamentos protegidos por pressurização estática não devem ser capazes de causar uma explosão. Ainda segundo a Norma, o gás de proteção para esse tipo de pressurização deve ser inerte. A concentração de oxigênio, depois do preenchimento com gás inerte, deve ser menor que 1% do volume do invólucro. Fontes de liberação internas não são permitidas, além da necessidade de o invólucro ser preenchido com o gás inerte em uma área não classificada, utilizando procedimento especificado pelo fabricante. 3.7 Portas e Tampas As portas e tampas dos invólucros pressurizados são partes fundamentais para atender o propósito dos equipamentos protegidos do tipo Ex-p, portanto serão explicados os critérios para utilização dos tipos de portas e tampas em cada Grupo do Gás reinante no ambiente e as normas vigentes para cada caso específico Portas e Tampas do Grupo I A norma ABNT NBR IEC diz que os invólucros pressurizados do Grupo I devem ter fechos especiais, de acordo com 9.2 ABNT NBR IEC ou ser intertravadas, de modo que a alimentação elétrica para os equipamentos elétricos não protegidos por um tipo de proteção seja desligada automaticamente quando forem abertas e de forma que a alimentação não possa ser religada até que sejam fechadas. O item 9.2 da norma ABNT NBR IEC diz que quando qualquer uma das normas para um tipo de proteção específica requerer uma fixação especial, esta deve estar em conformidade com algumas regras. As regras vigentes dizem que a rosca deve ser uma rosca métrica com passo grosseiro de acordo com a ABNT NBR ISO 262, com uma classe de tolerância de 6G/6H de acordo com a ABNT NBR ISO e ABNT NBR ISO 965-3; a cabeça do

48 48 parafuso ou porca deve estar de acordo com as ISO 4014, ISO 4017, ISO 4032 ou ISO 4762, e, no caso de conjunto de parafusos com cabeça sextavada, ISO 4026, ISO 4027, ISO 4028 ou ISO Jordão (2002) reitera que os invólucros pressurizados do Grupo I, com pressurização estática devem ter, além dos fechos especiais, um aviso do tipo: ATENÇÃO! NÃO ABRA EM ÁREA CLASSIFICADA Portas e Tampas do Grupo II Jordão (2002) cita em conformidade com a norma ABNT NBR IEC , que para os invólucros do Grupo II, não é necessária a utilização de fechos especiais. Mas a norma faz uma nota dizendo que portas e tampas, com exceção daquelas que só podem ser abertas com o uso de chave ou ferramenta, devem ser intertravadas, de modo que a alimentação elétrica para os equipamentos elétricos não protegidos por um tipo de proteção seja desligada automaticamente quando forem abertas e de forma que a alimentação não possa ser religada até que sejam fechadas. A mesma norma ainda diz que pressões internas elevadas podem fazer com que as portas ou tampas abram violentamente. Os operadores e pessoal de manutenção devem estar protegidos de acidentes através dos seguintes métodos: a) utilização de fechos múltiplos, de forma que o invólucro seja despressurizado com segurança antes de que todos os fechos estejam liberados; b) utilização de fecho de 2 posições para permitir a despressurização segura ao abrir o invólucro; c) limitar a pressão interna a 2,5kPa, no máximo. Para o invólucro pressurizado com pressurização estática do Grupo II, portas e tampas somente devem ser abertas pela utilização de ferramentas, e é marcado: ATENÇÃO NÃO ABRA EM ÁREA CLASSIFICADA Para o tipo px, o invólucro pressurizado que contenha partes quentes que requeiram um tempo para resfriamento, não devem abrir prontamente sem o uso de uma chave ou ferramenta.

49 Resistência Mecânica A norma ABNT NBR IEC diz que, os invólucros pressurizados, dutos e qualquer de suas partes conectadas, devem resistir a uma pressão igual a 1,5 vez a máxima sobrepressão especificada pelo fabricante, em regime de trabalho normal com todas as saídas fechadas, com no mínimo de 200 Pa. A norma acima diz e Jordão (2002) reitera que, em regime de trabalho, onde exista uma pressão que seja capaz de causar uma deformação no invólucro, nos dutos ou em qualquer parte a ele conectada, deve ser utilizado um dispositivo de segurança para limitar a sobrepressão interna máxima a um nível abaixo do que poderia afetar adversamente o tipo de proteção. Se o fabricante não fornecer o dispositivo de segurança, o equipamento deve ser marcado com um X e o certificado de conformidade deve conter todas as informações necessárias exigidas para o usuário assegurar a conformidade com as exigências da norma. 4. ESTUDO DE CASO Neste capítulo será abordada a elaboração de um projeto de instalação do laboratório de equipamentos elétricos do tipo Ex-p usados em atmosferas explosivas, para ser utilizado como prática da disciplina de Instalações e Equipamentos Elétricos para Atmosferas Explosivas para o curso de Engenharia de Controle e Automação, bem como para o curso de Engenharia Elétrica, ambos oferecidos pelo Instituto Federal Fluminense Campus Campos Centro. Para não expor o aluno da instituição a um risco real de explosão, não será utilizada mistura explosiva, somente serão utilizados os equipamentos que normalmente estão presentes em áreas classificadas, sendo assim os painéis presentes dentro do laboratório devem ser considerados como se estivessem presentes no interior de uma área classificada. Para tornar a experiência do aluno com os equipamentos pressurizados mais real, será feita a pressurização normal dos equipamentos, porém serão utilizados dispositivos de segurança previsto na norma ABNT NBR IEC e algumas redundâncias de segurança, com a intenção de prevenir um acidente e manter a integridade física do estudante. 4.1 Especificação do Laboratório O projeto do laboratório foi realizado levando-se em consideração as dimensões da sala de estudos B-18B, localizada no Bloco B, do Instituto Federal

50 50 Fluminense Campus Campos Centro, que estão dispostas em metros como será dado a seguir: 7,80m X 6,45m, com um pé direito de 2,78m, possuindo também dentro da área da sala destinada a implementação do laboratório um cômodo com dimensões de 3,06m X 2,00m para instalações futuras. Este projeto pode ser aplicado em qualquer outra sala ou ambiente da instituição. A seguir é apresentada a planta baixa básica da sala de estudos B-18B como referência: Figura 10 Layout medido e elaborado da sala-laboratório B-18B do IFF Fonte: Pinto e Nascimento (2017) 4.2 Introdução ao Projeto Os equipamentos representados neste projeto são do tipo pressurizado, simbologia Ex-p, em suas diversas aplicações e características, que foram explicadas no capítulo 3 desse trabalho, seguindo a norma ABNT NBR IEC e seus subitens, mais especificamente a norma ABNT NBR IEC

51 51 O projeto é constituído de painéis, representando os invólucros pressurizados e seus equipamentos internos e externos para serem aplicados em áreas classificadas do tipo Zona 1 e Zona 2. Para ilustrar a classificação de áreas, o espaço físico do laboratório poderá dividido em 3 faixas: Zona 1, Zona 2 e área não classificada. Essa divisão tem a intenção de demonstrar onde pode ser alocado cada painel de acordo com sua classificação de área. Ilustrando-se o que foi apresentado no capítulo 3 e permitindo-se a aplicação prática satisfatória da disciplina em questão, é proposto a montagem de painéis distintos, um para cada tipo de pressurização existente (px, py, pz), usados no Grupo II, como foi explicado no tópico deste trabalho, bem como maneira de ilustrar outras características já citadas anteriormente. Também se propõe a montagem de um invólucro para demonstrar a pressurização estática, abordada no tópico No tópico a seguir será apresentado cada painel com suas características construtivas e um desenho retratando os equipamentos presentes no mesmo. 4.3 Painel Ex Px O painel Ex dimensionado, irá ilustrar o processo de purga automática, pressurização por compensação de perdas, invólucro com entrada por cima e saída por baixo, bem como o procedimento da purga para Ex Px, reduzindo o interior do invólucro pressurizado de zona 1 para zona não classificada, permitindo que sejam usados no seu interior equipamentos comuns, não sendo necessária a utilização de equipamentos Ex. O gás de proteção indicado é o ar comprimido fornecido pelas linhas de abastecimento da instituição, o sistema de controle de purga e pressurização escolhido foi o modelo Tipo X & Ex px da série 6000 da Pepperl+Fuchs. O sistema permite a utilização de um invólucro padrão com grau de proteção IP66 contendo um volume máximo de 12,1 m³. As medidas do invólucro serão 1,60m X 0,60m X 0,60m, feito em aço inox 316L. A porta do invólucro necessita de intertravamento, por não necessitar de ferramenta para abertura, que desliga os equipamentos elétricos não protegidos por uma proteção quando for aberta, seguindo os requisitos de segurança presentes na norma ABNT NBR IEC e explicitados no item deste trabalho.

52 52 A porta do invólucro precisa de fechos múltiplos de forma que o invólucro seja despressurizado com segurança antes que todos os fechos estejam liberados. A pressão interna máxima do sistema será de 2,5kPa, prevista em norma e também mostrada no item deste trabalho, como forma de preservar a integridade física dos estudantes. O sistema de controle de purga segue os critérios de projeto, mostrado na Tabela 3, possuindo dispositivo de temporização e de monitoração de pressão e vazão. Podem ser vistas a seguir as figuras 11 e 12 representando respectivamente, o módulo de controle, e o módulo de controle acoplado ao invólucro. Figura 11 - Módulo do controle de purga px modelo 6000 Fonte: Pepperl+Fuchs Figura 12 - Módulo de controle de purga px acoplado ao invólucro Fonte: Pepperl+Fuchs É possível notar ao observar a figura 12 que a entrada do gás de proteção ocorre pela parte superior do invólucro e a saída pela parte inferior, simulando um

53 53 caso em que o gás proveniente da atmosfera explosiva seja mais pesado que o ar, seguindo as normas vigentes e que pode ser mostrado no item 3.4 deste trabalho. Caso a pressão do sistema caia abaixo de 0,2 polegadas de coluna d água (49,82 Pa) o sistema é desligado automaticamente e a sequência de purga recomeça, pressão diferencial deve estar acima de 0,2 polegadas de coluna de água para que o sistema seja religado. As figuras 13 e 14 abaixo mostram com mais detalhes o sistema de controle de purga da série 6000 da Pepperl+Fuchs. Figura 13 - Vista detalhada Modelo 6000 Fonte: Pepperl+Fuchs Figura 14 - Vista explodida Modelo 6000 Fonte: Pepperl+Fuchs

54 54 As medidas do sistema de purga modelo 6000 são 39,5 cm de comprimento, 18,3 cm de largura 15,29 cm de profundidade, sua acoplagem pode ser feita verticalmente ao invólucro, como foi mostrado na figura 12. A figura 15 mostra a válvula de ventilação que é acoplada ao invólucro escolhido para ser purgado e pressurizado, e mostra com detalhes a barreira contra centelhas e partículas, seguindo os critérios de projetos apresentados na Tabela 3. Figura 15 -Válvula de ventilação px EPV-6000 Fonte: Pepperl+Fuchs 4.4 Painel Ex py com pressurização estática O painel Ex-py dimensionado, que simula uma invólucro específico para sensores, ilustra o processo de purga manual, pressurização estática, invólucro com entrada por cima e saída por baixo, bem como o procedimento da purga para Ex-py, reduzindo o interior do invólucro pressurizado de Zona 1 para Zona 2, portanto se torna necessária a utilização de equipamentos Ex com outro tipo de proteção que se encaixem de acordo com a classificação de área referida, que podem ser consultados no item deste trabalho. A norma ABNT NBR IEC determina que o gás de proteção utilizado para o tipo de pressurização em questão deve ser inerte, porém com o intuito de evitar acidentes como asfixia por gás inerte, não deve ser utilizado o gás inerte, mas a presença e utilização do mesmo podem ser simuladas em cilindros com ar comprimido, posicionados na Zona não classificada do laboratório. O sistema de controle de purga e pressurização escolhido foi o modelo Tipo Y & Ex-py da série 3000 da Pepperl+Fuchs. É indicado o equipamento de número 3003 da Pepperl+Fuchs, especificamente escolhido de acordo com o volume do invólucro utilizado.

55 55 O sistema permite a utilização de um invólucro padrão com grau de proteção IP66 contendo um volume máximo de 2,54 m³. Como esse painel simula um invólucro para alocação de sensores, as medidas dimensionadas são 0,5m X 0,50m X 0,50m, feito em aço inox 316L. A porta do invólucro necessita de ferramenta para abertura, logo não necessita de um intertravamento elétrico, previsto pela norma ABNT NBR IEC e abordado no tópico 3.7.2, como o invólucro do item 4.3. O invólucro deverá apresentar o aviso abaixo, também previsto na norma citada anteriormente. ATENÇÃO NÃO ABRA EM ÁREA CLASSIFICADA Bem como o invólucro Ex-px, este invólucro conta com o mesmo sistema de fechos múltiplos e limitação de pressão para evitar acidentes. O sistema de controle de purga segue os critérios de projeto, mostrado na Tabela 3, possuindo marcação de tempo e vazão. Podem ser vistas a seguir as figuras 16 e 17 representando respectivamente, o módulo de controle, e o módulo de controle acoplado ao invólucro. Figura 16 Módulo de controle de purga série 3003 Fonte: Pepperl+Fuchs

56 56 Figura 17 - Módulo de controle de purga py acoplado ao invólucro Fonte: Pepperl+Fuchs A figura 18 mostra a válvula de ventilação que é acoplada ao invólucro escolhido para ser purgado e pressurizado, de forma que seja feito o alívio para o processo de purga e selagem em processo de pressurização. Figura 18 - Válvula de ventilação py EPV-3003 Fonte: Pepperl+Fuchs 4.5 Painel Ex-py com pressurização por diluição Para poder demonstrar o processo de pressurização por diluição, é proposto que seja montado um outro painel Ex-py, uma vez que a pressurização por diluição é usada quando existem fontes de risco internas ao invólucro que foi explicado no tópico 3.1 deste trabalho. Como o painel Ex-py dimensionado anteriormente, o interior do invólucro tem a classificação de área reduzida de zona 1 para zona 2, sendo necessária a

57 57 utilização de outros equipamentos à prova de explosão, que sejam permissíveis em zona 2. Essa relação pode ser encontrada no tópico 2.6 deste trabalho. O sistema de controle de purga escolhido foi o modelo da série 6500 da Pepperl+Fuchs, que pode ser usado como Ex-px ou Ex-py, podendo funcionar com pressurização por compensação de perdas, ou com pressurização por diluição, apenas mudando o modo de operação em sua interface homem-máquina (IHM). O modelo 6500 é feito em aço inoxidável 316L, com grau de proteção IP66, com as dimensões de 150mm X 150mm X 145mm, e sua montagem pode ser feita externamente ao invólucro, internamente ao invólucro, ou ainda internamente com controlador remoto, com o intuito de facilitar o manuseio, fica sugerido a montagem externa ao invólucro. As figuras 19 e 20 a seguir mostram o módulo de controle 6500, e sua montagem feita de maneira externa ao invólucro. Figura 19 Sistema de controle de purga série 6500 Fonte: Pepperl+Fuchs Figura 20 Montagem do sistema de purga externa ao invólucro Fonte: Pepperl+Fuchs

58 58 Nota-se pela figura 20 dada acima, que existem terminais para conexão dos cabos ao sistema de controle de purga, dentre esses terminais, aqueles que não forem utilizados devem ser selados com um prensa cabos certificado. Propõe-se que o invólucro seja feito em aço inoxidável 316L, com as dimensões de 1m X 1m X 0,5m, possuindo um volume interno total de 0,5 m³, estando abaixo do limite para este sistema de controle de purga que é de 12,75 m³. As portas do invólucro não necessitarão de ferramentas para abertura, logo o sistema necessitaria de um intertravamento para que os equipamentos elétricos internos fossem desenergizados. No caso específico do Ex-py, os equipamentos elétricos no interior do invólucro possuem outro tipo proteção Ex que atenda no mínimo critérios de zona 2, e nesse caso tanto a Norma ABNT NBR IEC quanto o item deste trabalho mostram que não é necessário o intertravamento por utilizar equipamentos com outro tipo de proteção. Para evitar a abertura da porta do invólucro de forma violenta, há fechos de diversos fechos de forma que o sistema seja despressurizado antes da abertura de todos os fechos, seguindo instruções de segurança da norma vigente e presentes no tópico deste trabalho. Na figura 20, também pode-se notar a presença da válvula de ventilação, para que seja possível a utilização do método de pressurização por diluição, o manual de purga e pressurização da série 6500 da Pepperl+Fuchs diz que é preciso usar uma válvula de ventilação contínua, as válvulas da série EPV-6500 possuem dois tipos, a de fluxo contínuo e a padrão, dentre as de fluxo contínuo, sugere-se a utilização da EPV , visto que ela possui um diâmetro menor, sendo mais efetiva quando usada em invólucros menores, possuindo um fluxo de diluição entre 17 L/min e 85 L/min, e assim como as outras válvulas da série EPV-6500 possui comunicação intrinsecamente segura com o sistema de controle de purga e barreira contra faísca, além de um sensor de pressão para monitoramento, podendo ser montada tanto internamente como externamente ao invólucro, ainda com o intuito de melhorar o manuseio, fica sugerido que a montagem da válvula de ventilação seja feita externamente.

59 59 Figura 21 - Válvula de ventilação EPV-6500 Fonte: Pepperl+Fuchs Para que a pressurização por diluição seja feita de maneira eficaz, recomenda-se que seja utilizado em conjunto com a válvula de ventilação contínua EPV , a válvula de controle de purga 6500-MAN-PV, que requer uma pressão entre 3.5 e 6.9 Bar para funcionar, essa válvula regula o fluxo de entrada do gás de proteção, e em conjunto com a válvula de ventilação e o sistema de controle de purga mantém o nível da diluição seguro dentro do invólucro, bem como a pressão no interior do invólucro a um nível seguro. Vale lembrar nessa aplicação, em caso de perda de pressão, não é necessário haver o desligamento dos equipamentos internos, apenas um indicador de pressão deve detectar a queda de pressão no sistema, mas o fabricante indica a utilização de um alarme para que seja feito o reparo. A figura 22 mostra a válvula de controle de purga 6500-MAN-PV. Figura 22 Válvula de controle de purga 6500-MAN-PV Fonte: Pepperl+Fuchs

60 Painel Ex pz O painel Ex Pz proposto, possui processo de purga automática, pressurização por compensação de perdas, invólucro com entrada por baixo e saída por cima, bem como o procedimento da purga para Ex Pz, reduzindo o interior do invólucro pressurizado de zona 2 para zona não classificada, permitindo que sejam usados no seu interior equipamentos comuns, não sendo necessária a utilização de equipamentos Ex. É proposta a utilização de ar comprimido como gás de proteção, semelhante ao que foi feito no painel Ex Px, utilizando-se das linhas de abastecimento da instituição e a unidade de controle de purga proposta é a Tipo Z & Ex Pz da série 5500 da Pepperl+Fuchs. O modelo de controle de purga 5500 possui uma classe de temperatura, como foi visto na tabela 1 deste trabalho, que varia de acordo com a temperatura do ambiente em que está localizado, podendo ser T6, caso a temperatura esteja entre - 20 C até +40 C, ou T4 caso o ambiente varie de -20 C até +60 C. Este modelo também possui a característica de poder ser montado tanto na parte interna do invólucro, como na parte externa do mesmo, neste trabalho a montagem proposta é feita na parte externa do invólucro, com o intuito de facilitar o manuseio. O invólucro do controlador de purga modelo 5500 não é protegido por pressurização, possuindo um invólucro à prova de explosão (Ex-d), com grau de proteção tipo 4X IP66, com as dimensões de 16,5cm X 20,3cm X 10,5cm, de aço inoxidável tipo 316. Ele faz o controle da purga e monitora a pressurização do invólucro a ser pressurizado mantendo no interior do mesmo uma pressão mínima segura de 0,7 mbar (70 Pa). A figura 23 abaixo mostra o módulo do controle de purga escolhido.

61 61 Figura 23 - Módulo do controle de purga pz modelo 5500 Fonte: Pepperl+Fuchs O display da interface homem-máquina não deve ser exposto ao sol, sendo assim ele deveria ser posicionado dentro do laboratório de maneira estratégica para que isso não ocorresse, os pontos de acesso ao módulo de controle que não forem usados devem ser tampados com equipamento apropriado. O invólucro proposto a ser pressurizado terá 0,5m X 0,5m X 0,5m, feito de aço inoxidável 316, com grau de proteção tipo 4X IP66, possuindo um sensor de pressão diferencial acoplado a ele para fazer a comunicação com a unidade de controle pneumaticamente, providenciando valores para controle da manutenção da pressão e purga. A porta do invólucro necessita de ferramenta para abertura, logo não necessita de um intertravamento elétrico, previsto pela norma ABNT NBR IEC e abordado no tópico 3.7.2, como o invólucro do item 4.3. Em caso de perda de pressão no interior do invólucro, o equipamento poderá permanecer energizado, como foi visto em norma e no tópico 3.4 desse trabalho, necessitando apenas de um indicador de pressão que indique a falha. Caso ocorra abertura do invólucro ou perda da pressão positiva, é necessário refazer o processo de purga. A seguir será apresentada a figura 24, mostrando o invólucro com o módulo de controle.

62 62 Figura 24 Montagem externa ao invólucro pz pressurizado Fonte: Pepperl+Fuchs O número 1 da imagem acima indica uma termorresistência, que é usada para medir a temperatura do ambiente e regular a classe de temperatura a ser usada, o número 2 indica a válvula de ventilação EPV-5500 que foi proposta a ser usada com o invólucro. A válvula de ventilação EPV-5500 possui barreira contra centelha, e se propõe usar a do tipo EPV , visto que o tipo 03 possui melhor vedação que o tipo 01 e 02, sendo a mais indicada para uso com invólucros menores, como é o caso deste trabalho onde o invólucro a ser pressurizado proposto possui 0,125m³ de volume total. A figura 25 ilustra a válvula em questão, que se propõe ser montada na parte superior direita do invólucro, visto que a entrada do gás de proteção ocorreria pelo lado inferior esquerdo, fazendo assim a ventilação cruzada, já apresentada anteriormente nesse trabalho. Figura 25 Válvula de ventilação pz EPV-5500 Fonte: Pepperl+Fuchs