Norma Técnica Brasileira adotada ABNT NBR IEC 60079-28 apresenta os requisitos para os tipos de proteção Ex “op is”, Ex “op pr” ou Ex “op sh”, para equipamentos e sistemas ópticos instalados em atmosferas explosivas de gases inflamáveis ou poeiras combustíveis.
1. Introdução sobre áreas classificadas e proteção óptica
Diversos processos industriais incluem o armazenamento, transporte ou processamento de gases ou líquidos inflamáveis ou de poeiras combustíveis, as quais, se entrarem em contato com uma fonte de ignição, podem provocar acidentes com resultados catastróficos, como grandes explosões, com grandes impactos negativos para as instalações, as pessoas, a comunidade vizinha e o meio ambiente.
As áreas nas quais possam existir atmosferas explosivas formadas por gases inflamáveis ou poeiras combustíveis são denominadas áreas classificadas, que requerem que os equipamentos a serem instalados possuam características específicas de fabricação e certificação, além de procedimentos específicos de montagem, inspeção, manutenção e recuperação, a serem realizadas por profissionais ou empresas de serviços “Ex” com as devidas certificações.
As áreas classificadas são agrupadas em Grupo I, para instalações em minas subterrâneas de carvão, Grupo II, para instalações contendo gases ou líquidos inflamáveis e Grupo III, para instalações contendo poeiras combustíveis.
Para equipamentos elétricos, de instrumentação, de automação, de telecomunicações ou mecânicos a serem instaladas em áreas classificadas, existe a obrigatoriedade de possuírem tipos de proteção “Ex” específicos, como segurança aumentada (Ex “e”) ou segurança intrínseca (Ex “i”).
Os equipamentos com tipos de proteção “Ex” podem proporcionar os seguintes níveis de proteção (EPL – Equipment Protection Level) contra a possibilidade de se tornarem uma fonte de ignição: muito alto (nível de proteção “a”), alto (nível de proteção “b”) ou elevado (nível de proteção “c”).
Desta forma, dependendo de os equipamentos serem destinados a serem instalados em áreas classificadas contendo Gases (G) ou Poeiras (D – Dust) ou Minas subterrâneas de carvão (M), os equipamentos podem ser marcados com os EPL: Ga, Gb, Gc, Da, Db, Dc, Ma ou Mb. Estes níveis de proteção são utilizados quando da especificação ou seleção dos equipamentos “Ex” a serem instalados de acordo com as “Zonas” de Classificação de áreas do local da instalação, como Zonas 0, 1 ou 2 (Gases inflamáveis) ou Zonas 20, 21 ou 22 (poeiras combustíveis).
Equipamentos ópticos na forma de lâmpadas, lasers, LEDs, switches ópticos, conversores eletro-ópticos e fibras ópticas, são cada vez mais utilizados em sistemas de comunicação, inspeção, sensoreamento e medições em instalações industriais, inclusive em redes de automação do tipo Ethernet instaladas em áreas classificadas contendo atmosferas explosivas de gases inflamáveis ou poeiras combustíveis.
No processamento de materiais, em muitos casos, são utilizadas pelos equipamentos de automação ou telecomunicações em áreas classificadas radiações ópticas com sinais de níveis elevados de energia, com elevada irradiância, capazes de gerar a ignição de gases inflamáveis ou poeiras combustíveis, devido à possibilidade de geração de pontos quentes com temperatura acima da temperatura de ignição das substâncias explosivas que estejam presentes no local das instalações.
Nesta área de sistemas ópticos, o definido o termo “irradiância”, que significa a potência radiante incidente sobre um elemento de uma superfície dividida pela área deste elemento. Nesta área de sistema ópticos, é definido também o termo “potência óptica ou radiante”, que significa a taxa do fluxo de energia óptica radiante no tempo.
Dependendo das características e nível de energia do sinal óptico e da sua radiação, esta radiação pode ser capaz de causar a ignição de uma atmosfera explosiva presente na área classificada existente no local da instalação dos equipamentos “Ex”.
Uma radiação óptica pode ser absorvida por superfícies ou partículas, levando estas a se aquecerem e, sob determinadas circunstâncias, permitir que estas atinjam uma elevada temperatura, a qual pode causar a ignição de uma atmosfera explosiva presente no ambiente.
Equipamentos ópticos na forma de lâmpadas, lasers, LED, switches e fibras ópticas, são cada vez mais utilizados em sistemas de comunicação, inspeção, sensoriamento e medições. No processamento de materiais, são utilizadas radiações ópticas com elevada irradiância. Quando estas instalações são realizadas no interior ou próxima às atmosferas explosivas, a radiação de tais equipamentos pode passar através destas atmosferas.
Dependendo das características da radiação, esta pode ser capaz de causar a ignição de uma atmosfera explosiva presente no ambiente. A presença ou a ausência de um elemento absorvente adicional da radiação, como partículas, influencia significantemente na ocorrência ou não da ignição.
2. Panorama geral de utilização de equipamentos ópticos nas indústrias
Pode ser verificado no presente momento um aumento constante na utilização de equipamentos industriais com radiação óptica. As aplicações mais frequentes deste tipo de equipamentos são nas áreas de automação, medições, comunicação e monitoração. Equipamentos sensores que se baseiam na radiação óptica são também utilizados em analisadores de processo e na medição de nível de líquidos no interior de equipamentos como vasos e tanques.
Algumas das formas mais frequentes de utilização de equipamentos com radiação óptica são equipamentos ou dispositivos com laser, switches ópticos, conversores eletro-ópticos, fibras ópticas e lâmpadas.
Dentre as características mais significativas da aplicação de equipamentos que utilizam sistemas ópticos na área de comunicação de dados, podem ser citadas as elevadas taxas de comunicação, da ordem de Tb/s (terabit/s) e a imunidade do sinal óptico a interferências eletromagnéticas externas, como ocorre com os cabos metálicos utilizados nas áreas convergentes de TI (Tecnologia da Informação) e TA (Tecnologia da Automação).
Em termos dos tipos de proteção “Ex” contra a possibilidade de ignição de uma atmosfera explosiva que possa estar presente na área classificada no local da utilização ou instalação destes equipamentos ou sistemas ópticos, existem diversas vantagens, uma vez que não são possíveis a existência de centelhas elétricas, além da isolação elétrica apresentada pelos meios de transmissão óptica.
A radiação óptica em áreas classificadas pode causar a ignição de uma atmosfera explosiva que esteja presente no local da instalação destes equipamentos, o que pode levar a acidentes catastróficos, com grandes impactos negativos sobre os equipamentos e as instalações, as pessoas que estiverem trabalhando no local, as comunidades próximas e ao meio ambiente.
3. Mecanismos de ignição provocados por equipamentos com radiação óptica em áreas classificadas
Os diferentes processos pelos quais uma radiação óptica pode causar a ignição de uma atmosfera explosiva composta por gases inflamáveis ou poeiras combustíveis são os seguintes:
PROCESSO DE IGNIÇÃO ÓPTICA 1:
A energia proveniente de uma radiação óptica é absorvida por partículas ou por superfícies que estejam presente no local da instalação, as quais, por sua vez, atuando na forma de “anteparos” da radiação óptica, se tornam em pontos quentes, devido à absorção da energia. Sob determinas condições desfavoráveis, dependendo do nível de potência do sinal óptico e das características das partículas ou das superfícies que atuam como anteparos, este processo pode resultar em temperaturas elevadas, acima dos limites de temperatura de autoignição dos gases ou poeiras que possam existir no local, sendo capazes de causar a explosão destas atmosferas explosivas presentes ao redor destes equipamentos ópticos.
PROCESSO DE IGNIÇÃO ÓPTICA 2:
O comprimento da radiação óptica corresponde ou coincide com a faixa de absorção óptica do gás inflamável ou da poeira combustível presente na atmosfera explosiva existente no local da instalação, em áreas classificadas, iniciando um processo de ignição térmica.
PROCESSO DE IGNIÇÃO ÓPTICA 3:
Ocorrência de uma ignição fotoquímica, decorrente da foto dissociação de moléculas do oxigênio, devido à presença da radiação óptica, na faixa de comprimento de onda de luz no espectro ultravioleta, em locais com a presença de atmosferas explosivas formadas por gases inflamáveis ou poeiras combustíveis.
PROCESSO DE IGNIÇÃO ÓPTICA 4:
Um feixe direto de laser pode induzir um processo de colapso ou de ruptura térmica ou autoignição de um gás inflamável ou de uma poeira combustível existente nas proximidades de um “ponto focal” do feixe de luz, que possua um nível elevado de potência óptica, produzindo um plasma ou uma onda de choque, as quais podem agir como uma fonte de ignição. Este processo pode ser acelerado devido à existência de um material sólido que esteja presente nas proximidades do ponto focal, cuja temperatura pode atingir um nível acimada da autoignição da atmosfera explosiva presente no local.
4. Avaliação do risco de ignição por radiação óptica em áreas classificadas, de acordo com a Norma ABNT NBR IEC 60079-28
Um método de avaliação da possibilidade da ocorrência de uma ignição decorrente de uma radiação óptica em uma área classificada contendo atmosferas explosivas formadas por gases inflamáveis ou poeiras combustíveis é apresentado na Figura a seguir.
Nesta metodologia são consideradas as possibilidades de presença simultânea dos três fatores de risco capazes de gerar uma ignição, incluindo materiais absorventes de radiação óptica, de fontes de radiação óptica e da presença de atmosferas explosivas.
Metodologia de avaliação do risco de ignição por radiação óptica em áreas classificadas
5. A Norma Técnica brasileira adotada sobre proteção de equipamentos e sistemas ópticos Ex “op”
A Norma Técnica Brasileira adotada ABNT NBR IEC 60079-28 (Atmosferas explosivas – Parte 28: Proteção de equipamentos e de sistemas de transmissão que utilizam radiação óptica) descreve precauções e requisitos a serem considerados quando forem instalados equipamentos “Ex” que transmitam radiação óptica em atmosferas explosivas de gases inflamáveis (Grupos I ou II) ou poeiras combustíveis (Grupo III).
A Norma Técnica Brasileira ABNT NBR IEC 60079-28 especifica os requisitos, ensaios e marcação de equipamentos “Ex” que emitem radiação óptica, destinados à utilização em atmosferas explosivas. Esta Norma também abrange equipamentos localizados fora da atmosfera explosiva ou protegidos por um Tipo de Proteção “Ex” relacionado na Norma ABNT NBR IEC 60079-0 (Requisitos gerais para equipamentos “Ex”), mas que geram radiação óptica que penetra uma área classificada contendo atmosfera explosiva.
A Norma ABNT NBR IEC 60079-28 descreve as precauções e requisitos a serem tomados quando da utilização de equipamentos “Ex” com transmissão óptica em atmosferas explosivas, apresentando um método de ensaio para verificar se um feixe óptico não é capaz de causar uma ignição sob determinadas condições de ensaio, caso os limites dos valores ópticos não puderem ser assegurados por avaliação ou por medição da intensidade do feixe de luz.
O escopo de aplicação da Norma ABNT NBR IEC 60079-28 abrange equipamentos “Ex” de fibra óptica “Ex” e equipamentos ópticos “Ex”, incluindo equipamentos laser e LED.
Os requisitos especificados na Norma ABNT NBR IEC 60079-28 NÃO SÃO APLICÁVEIS aos seguintes equipamentos:
1) LED divergentes utilizados, por exemplo, para mostrar o estado de equipamentos ou funções de luz de fundo.
2) Todas as luminárias (fixas, portáteis ou transportáveis), lanternas de mão e de capacetes; destinadas a serem alimentadas pela rede elétrica (com ou sem isolação galvânica) ou por baterias: com fontes de luz contínua divergente (para todos os EPL) ou com fontes de luz a LED (para EPL Gc ou Dc somente).
3) Fontes de radiação óptica para aplicações EPL Mb, Gb ou Gc e Db ou Dc que atendam os limites de Classe 1 (Equipamento óptico considerados seguro para utilização em condições normais de operação, não perigosos mesmo para longas exposições e com o uso de instrumentos ópticos de aumento, com potência óptica muito baixa ou encapsulados) de acordo com a Norma internacional IEC 60825-1 (Safety of laser products – Part 1: Equipment classification and requirements).
4) Cabos de fibra óptica simples ou múltiplos que não são parte do equipamento de fibra óptica se estes cabos atenderem às normas industriais pertinentes, juntamente com meios de proteção adicionais, por exemplo cabeamento robusto, eletroduto ou eletrocalha (para EPL Gb, Db, Mb, Gc ou Dc) ou atenderem às normas industriais pertinentes (para EPL Gc ou Dc).
5) Equipamento “Ex” que possua um invólucro que confine integralmente a radiação óptica e que atenda a um tipo de proteção “Ex” adequado conforme requerido pelo respectivo EPL, com o invólucro em conformidade com uma das seguintes condições:
- Um invólucro para o qual uma ignição devida a uma radiação óptica em combinação com superfícies absorventes internas, seria aceitável como tipo de proteção Ex “d” (Norma ABNT NBR IEC 60079‑1), ou
- Um invólucro para o qual é fornecida uma proteção contra o ingresso de uma atmosfera explosiva de gases inflamáveis, como invólucro pressurizados Ex “p” (Norma ABNT NBR IEC 60079‑2), invólucros com respiração restrita Ex “nR” (Norma ABNT NBR IEC 60079‑15), ou
- Um invólucro para o qual é fornecida uma proteção contra o ingresso de uma atmosfera explosiva de poeira combustível, como tipo de proteção Ex “t” (Norma ABNT NBR IEC 60079‑31), ou
- Um invólucro para o qual é fornecida uma proteção contra o ingresso de partículas absorventes (como invólucros IP6X) e onde nenhum material absorvente seja esperado.
6. Os tipos de proteção Ex “op” especificados na Norma Técnica brasileira adotada ABNT NBR IEC 60079-28
A Norma ABNT NBR IEC 60079-28 específica os requisitos a serem aplicados para equipamentos ópticos com tipos de proteção Ex “op is”, Ex “op pr” e Ex “op sh” destinados a serem instalados em áreas classificadas do Grupo I (minas subterrâneas de carvão), Grupo II (gases inflamáveis) ou Grupo III (poeiras combustíveis), que podem proporcionar níveis de proteção de equipamento (EPL) Ga, Gb, Gc, Da, Db, Dc, Ma e Mb.
Radiação óptica inerentemente segura – Ex “op is”
Radiação visível ou em infravermelho que é incapaz de produzir energia suficiente sob condições normais ou de falha especificada para causar a ignição de uma atmosfera explosiva específica
O conceito da proteção óptica inerentemente segura (Ex “op is”) se refere a equipamentos “Ex” que possam emitir uma radiação óptica no espectro da luz visível ou infravermelho, cujos equipamentos, em condições normais de operação ou em condições de falhas definidas na Norma ABNT NBR IEC 60079-28, não tenham um nível de energia óptica suficiente para causar a ignição de uma determinada atmosfera explosiva presente no local da instalação, em área classificada. A abordagem de segurança relacionada com este tipo de proteção Ex “op is” é a limitação do nível de irradiância óptica.
Um exemplo de um conversor eletro óptico com tipo de proteção Ex “op is”, devidamente protegido contra a possibilidade do sinal óptico possuir um nível de energia capaz de causar a ignição de uma atmosfera explosiva é apresentado na Figura a seguir.
Exemplo de switch gerenciável para redes Ethernet com tipo de proteção óptica Ex “op is” para aplicações em redes de comunicação de dados com fibras ópticas atmosferas explosivas.
Marcação: Ex e mb ib [ib or is] IIC T4, [Ex op is Da] IIIC
Radiação óptica protegida – Ex “op pr”
Radiação visível ou em infravermelho que está confinada ou “protegida” em uma fibra óptica ou outro meio de transmissão sob condições normais de construção com proteção mecânica adicional com base na premissa de que não há fuga de radiação do confinamento.
Um exemplo de um cabo de fibra óptica “Ex op pr” devidamente protegido contra impactos mecânicos e contra a possibilidade de dispersão de sinal óptico para o seu meio externo é apresentado na Figura a seguir.
Exemplo de cabo de fibra óptica adequado para utilização em áreas classificadas, com proteção “óptica” (“Ex op pr”)
Sistema óptico com intertravamento – Ex “op sh”
Sistema para confinar a radiação visível ou infravermelha dentro de uma fibra óptica ou outro meio de transmissão com desligamento por intertravamento para reduzir de forma confiável a intensidade do feixe não confinado a níveis seguros, dentro de um período especificado, no caso de falha do confinamento tornando a radiação não confinada.
7. A harmonização das normas técnicas brasileiras sobre atmosferas explosivas com as respectivas normas internacionais das Séries IEC 60079 e ISO/IEC 80079
As Normas Técnicas Brasileiras adotadas das Séries ABNT NBR IEC 60079 (Atmosferas explosivas) e ABNT NBR ISO 80079 (Equipamentos mecânicos “Ex”) elaboradas pelas Comissões de Estudo do Subcomitê SCB 003:031 da ABNT/CB-003 (COBEI) são idênticas, em termos de conteúdo técnico, estrutura e redação, sem desvios técnicos nacionais em relação às respectivas normas internacionais elaboradas pelo TC 31 da IEC, de acordo com requisitos especificados na ABNT DIRETIVA 3 – Adoção de documentos técnicos internacionais.
Seguindo a tendência e a convergência normativa mundial dos países membros da IEC, incluindo o Brasil, as Normas Técnicas nacionais que envolvem os processos de avaliação da conformidade de empresas de prestação de serviços “Ex”, de competências pessoais “Ex” e de equipamentos elétricos e mecânicos “Ex” são Normas adotadas, idênticas às respectivas normas internacionais da IEC.
Esta política de normalização tem por objetivo harmonizar as Normas Nacionais com a Normalização internacional, de forma a padronizar os procedimentos de projeto, fabricação, ensaios, marcação, avaliação da conformidade, instalação, inspeção, manutenção, reparos, recuperação de equipamentos e competências pessoais “Ex”.
Ações como estas contribuem para a integração dos fabricantes, laboratórios de ensaios, empresas usuárias, organismos de certificação de produtos e de pessoas e provedores de treinamentos brasileiros com o mercado e a comunidade internacional “Ex”, bem como para a elevação dos níveis de segurança, saúde, meio ambiente, avaliação de risco, ensaios, qualidade, desempenho, confiabilidade, procedimentos de execução de serviços e competências pessoais relacionados com as instalações nacionais “Ex”.
Mais informações sobre o estágio atual de evolução das Normas técnicas Brasileiras das Séries ABNT NBR IEC 60079 e ABNT NBR ISO/IEC 80079 podem ser encontradas no Website do Subcomitê SCB-003:031 (Atmosferas explosivas) da ABNT/CB-003 (Eletricidade): http://cobei-sc-31-atmosferas-explosivas.blogspot.com/
8. Considerações sobre proteção óptica em equipamentos para instalação em áreas classificadas
São indicadas a seguir algumas considerações sobre os riscos de ignição e as formas de proteção de equipamentos ópticos Ex “op” contra a possibilidade de representarem uma fonte de ignição de atmosferas explosivas em áreas classificadas.
- Equipamentos que utilizam a radiação óptica são cada vez mais utilizados atualmente em diversas aplicações industriais, incluindo a indústria do petróleo, petroquímica, de terminais portuários, de armazenamento de grãos, indústria sucroalcooleira, indústria de alimentos e de fertilizantes.
- Equipamentos que utilizam a radiação óptica, como por exemplo as fibras ópticas e os switches ópticos são frequentemente utilizados em aplicações industriais, na área de automação e comunicação, devido às suas características de elevadas taxas de comunicação de dados e as suas imunidades à fortes interferências externas, presentes em instalações, industriais, durante a transmissão dos sinais de comunicação.
- O contínuo desenvolvimento de equipamentos e sistemas que empregam elevados níveis de potência ópticos são cada vez mais utilizados em áreas classificadas contendo atmosferas explosivas formadas por gases inflamáveis ou poeiras combustíveis, podendo representar fontes de ignição capazes de provocar explosões com consequências catastróficas para as pessoas, as instalações e o meio ambiente.
- Com base em avaliações de risco de ignição, a Norma Técnica Brasileira adotada ABNT NBR IEC 60079-28 descreve três conceitos de proteção de equipamentos e sistemas que utilizam a radiação óptica a serem utilizados em processos de avaliação da conformidade e certificação: Ex “op is” (radiação óptica inerentemente segura), Ex “op pr” (equipamentos com proteção da radiação óptica) e Ex “op sh” (sistemas ópticos com intertravamento de segurança).
- As Normas Técnicas Brasileiras adotadas sobre o tema “atmosferas explosivas” das Séries ABNT NBR IEC 60079 e ABNT NBR ISO/IEC 80079 são idênticas às respectivas normas internacionais do TC 31 da IEC, atendendo aos requisitos da DIRETIVA 3 da ABNT – Adoção de documentos técnicos internacionais.
9. Autor
Roberval Bulgarelli
- Consultor Técnico sobre equipamentos e instalações em atmosferas explosivas
- Coordenador do Subcomitê SCB 003:031 (Atmosferas explosivas) da ABNT/CB-003 – Eletricidade
- Representante do Brasil no TC 31 (Atmosferas explosivas), TC 95 (Relés de proteção) e no IECEx (Sistemas internacionais de certificação “Ex”) da IEC
- Condecorado com o Prêmio Internacional de Reconhecimento IEC 1906 Award
- Organizador do Livro “O ciclo total de vida das instalações em atmosferas explosivas”
- Mestrado em proteção de sistemas elétricos de potência (POLI/USP)