Tam, gdzie lecą skry

Podjęcie decyzji o sposobie zabezpieczenia się przed wybuchem wymaga rozważań o wiele szerszych, niż tylko zorientowanie się w rodzaju aplikacji na obiekcie i dostosowanie oznaczenia kodowego. Na dokonanie optymalnego wyboru wpływ mają rozmaite parametry oraz zastosowanie takich technik, jak: połączenia magistralne, przewodowe sieci transmisyjne czy transmisja bezprzewodowa.    

Wyobraźmy sobie następującą sytuację: głos z radiotelefonu informuje operatora w dyspozytorni, że jego rozmówca, technik obsługi, jest gdzieś na krańcu obiektu, obok mierników poziomu cieczy w zbiornikach. Operator wie, że skoro kolega odezwał się, to znaczy, że napotkał jakiś problem w działaniu sprzętu. Pojawiający się po chwili komunikat nieco rozjaśnia sytuację: „nie mogę dostać się do ostatniego zbiornika, na stopniach siedzi kot”. Na pół poirytowany, na pół rozbawiony operator zaczyna podpowiadać, aby technik przepędził bezczelnego mruczka, ale ten przerywa mu ze zniecierpliwieniem: „słuchaj, to jest ryś i wygląda na wściekłego, nie wiem, czy dam radę przejść obok niego”. Po chwili dodaje: „wchodzę”.  Telefon milknie na długi czas. Zbyt długi. A co gorsza aparatura pomiarowa na ostatnim zbiorniku pozostaje niesprawdzona…   
Oczywiście powyższa sytuacja to wymysł jak z filmu grozy, który raczej nie ma szans na zaistnienie w świecie zautomatyzowanych systemów pomiarowych. Niemniej dość dobrze ilustruje problemy, z jakimi borykano się dawniej, zanim nadeszła doba automatyzacji. W tamtych czasach załoga przedsiębiorstwa naprawdę musiałaby sama zająć się przysłowiowym „rysiem” na stopniach prowadzących na szczyt zbiornika. Zautomatyzowane układy pomiarowe i sterowania potrafią realizować wiele funkcji i eliminują zagrożenia, na jakie mógłby być narażony pracownik obsługi. Poza nieprawdopodobnym rysiem do zupełnie realnych należy konieczność wspinaczki czy niesprzyjająca pogoda. Mogą to być również zagrożenia ze strony mediów w zbiornikach. Przede wszystkim: napromieniowanie, zatrucie albo poparzenie. Często pojawiają się także inne poważne problemy, a wśród nich kwestia ochrony przed wybuchem.

Niebezpieczeństwa, jakie występują przy produkcji i przetwarzaniu paliw – głównie wybuchowa atmosfera – wymagają stosowania przeciwwybuchowych odmian konstrukcyjnych w budowie aparatury i przyrządów. Oczywiście dotyczy to przyrządów, które do działania potrzebują zasilania energią elektryczną. Przyrządy pneumatyczne czy hydrauliczne (z niepalnym medium) są z natury rzeczy bezpieczne. Stosowane sposoby zabezpieczeń to iskrobezpieczeństwo (IS), inaczej mówiąc „bezpieczeństwo wewnętrzne” oraz specjalne, przeciwwybuchowe obudowy (należy do nich między innymi: obudowa z przewietrzaniem, obudowa z osłoną piaskową lub olejową, obudowa wzmocniona ze specjalnymi szczelinami, które „gaszą” płomień – przyp. Józef Czarnul).  

Budując lub modernizując zakład czy instalację, musimy odpowiedzieć sobie na kilka podstawowych pytań. Które ze znanych rozwiązań będzie najlepsze dla określonego obiektu? Czy i pod jakimi warunkami można użyć łączności bezprzewodowej? Jakie korzyści daje jedno rozwiązanie w porównaniu z innymi?
Podjęcie tego rodzaju decyzji nigdy nie jest ani łatwe ani proste.

Krok pierwszy: ustalenie rodzaju zagrożenia na obiekcie
Bardzo rzadko decyzja dotycząca sposobu zabezpieczenia może być podjęta szybko i łatwo. Mają na to zasadniczy wpływ rozliczne okoliczności. Poczynając od wyposażenia, z jakim mamy do czynienia, poprzez rodzaj zagrożenia aż do polityki przedsiębiorstwa. W pewnych gałęziach przemysłu taka decyzja zależy głównie od praktykowanego w zakładzie standardu.

Przemysł rafineryjny i chemiczny, na którym będziemy się koncentrować, nie są oczywiście jedynymi przypadkami, w których występuje zagrożenie wybuchem. To zagrożenie ma też miejsce w innych gałęziach gospodarki, jak chociażby: oczyszczalniach ścieków (metan), olejarniach (palne opary), zakładach zbożowych oraz górnictwie czy przemyśle drzewnym (palne pyły).
Jednak w zakładach chemicznych i podczas przeróbki paliw zagrożenie wybuchem jest powszechne i stale obecne. Natomiast w innych sektorach występują jedynie pewne strefy lub miejsca o takim zagrożeniu. Często mamy przy tym do czynienia z innym niebezpieczeństwem, na przykład zatruciem.

Ogólnie biorąc – fakt, czy zastosujemy urządzenia w odpowiednio skonstruowanej obudowie, czy też iskrobezpieczne, bardziej zależy od miejsca, aniżeli rodzaju i stopnia zagrożenia. Na ogół w niewielu przypadkach występuje potrzeba rozważenia tego zagadnienia. Można je oszacować na poziomie 5% wszystkich zastosowań w przemyśle wydobywczym i przetwórczym. Niemniej przy pierwszym podejściu lub na początku prac automatyzowania określonego zakładu należy przeprowadzić analizę, która da odpowiedź na pytanie: czy przeciwwybuchowe urządzenia są w nim naprawdę potrzebne?

Analiza zagrożenia winna się odbywać w zgodzie z wiedzą personelu o miejscu instalowania przyrządów oraz na podstawie pomiarów dokonywanych za pomocą czujników. Ważną rolę pełnią też własne odczucia (zapach).
Działania te mają na celu ustalenie obecności łatwopalnych gazów w miejscu pomiaru, a także określenie stopnia zagrożenia wyrażanego odpowiednią klasyfikacją według obowiązujących norm i przepisów. Jeśli występują gazy palne, mamy do czynienia z zagrożeniem odpowiadającym klasie 1. oraz grupie 1. (klasyfikacja rodzajów mieszanin wybuchowych oraz temperatur zapłonu). Jeżeli obecność palnych gazów jest czasowa lub ma miejsce wyłącznie podczas nietypowych sytuacji, wtedy jest to zagrożenie odpowiadające klasie 1. i grupie 2. W tym drugim przypadku wystarczające jest zastosowanie urządzeń, które nie stwarzają zagrożenia w obecności substancji palnych. W tej kategorii plasuje się olbrzymia większość obiektów przemysłowych. Natomiast w pozostałych nielicznych obiektach lub węzłach technologicznych (przy klasie 1. i grupie 1.), konieczna jest aparatura iskrobezpieczna, bądź w obudowach spełniających wymagania przeciwwybuchowości.

Kilka podstawowych informacji
Mówiąc krótko, technika przeciwwybuchowej aparatury obejmuje przyrządy w obudowie wystarczająco mocnej, aby stawić opór dla określonego rodzaju wybuchu. Oznacza to nic innego jak fakt, że wybuch, który nastąpił w obudowie, nie przeniesie się na otoczenie i nie spowoduje wybuchu lub zapalenia się mieszanin palnych. Z tego względu temperatura gazów wydostających się z obudowy musi być wystarczająco niska.  

Przeciwwybuchowe obudowy są badane i klasyfikowane przez niezależne laboratoria. Określają one ciśnienie wewnątrz obudowy oraz długość płomienia, który nie powinien przedostać się na zewnątrz przez szczeliny w obudowie. Standardowo sprawdzane są w ten sposób: elementy oświetleniowe, wyłączniki silników, silniki pomp oraz inne wyroby, które mają być usytuowane w strefach zagrożonych wybuchem. Urządzenia o takiej konstrukcji powinny być stosowane wyłącznie w sytuacjach, gdy nie są produkowane w odmianie iskrobezpiecznej. Przykładem takich właśnie urządzeń są silniki elektryczne o dużej mocy lub rozruszniki do nich.

Iskrobezpieczeństwo polega na tym, że urządzenie elektryczne (jego poszczególne zespoły czy elementy) nie są w stanie wygenerować iskry o tak dużej mocy, aby zainicjować zapalenie bądź wybuch mieszaniny łatwopalnej lub wybuchowej. W tym celu konieczne są ograniczenia dotyczące: napięć, natężeń prądu, pojemności oraz indukcyjności elektrycznej takiego urządzenia. Osiąga się to przy zastosowaniu diod Zenera (ograniczanie prądu) lub separacji galwanicznej (napięcie zasilacza nie może się przedostać na zasilany przyrząd), która znajdujące się poza strefą zagrożenia. W praktyce wybór pada najczęściej na dyspozytornię.

Przyrządy mające cechę iskrobezpieczeństwa, mogą być otwierane i obsługiwane na obiekcie przy ciągłym zasilaniu napięciem. Taki przyrząd może na przykład zostać użyty do pomiaru temperatury wewnątrz zbiornika lub rurociągu. Tam, gdzie aparatura o wzmocnionej obudowie nie mogłaby być zastosowana. Przy czym wykonanie iskrobezpieczne jest często tańsze, niż wykonanie ze specjalną obudową. Z drugiej strony obserwuje się tendencję do coraz większej złożoności budowy przyrządów w wersji IS.

Jeżeli atmosfera w miejscu instalowania przyrządu wykazuje zagrożenie wybuchem, należy zastosować odpowiednie, czyli przeciwwybuchowe, odmiany przyrządów pomiarowych ulokowanych w niebezpiecznym obszarze. W tym celu należy gruntownie zaznajomić się z właściwymi przepisami. Następnie trzeba stosownie do nich dobrać oznaczenie rodzaju zagrożenia, które wyrażone jest odpowiednim kodem w przepisach (normach). Jest to konieczne, gdyż standardy ulegają ciągłym zmianom ze względu na rozwój wiedzy, jak też postępującą globalizację na światowym rynku. Do tego dochodzi fakt, że istnieją także lokalne organizacje i urzędy, które mają uprawnienia do interpretacji przepisów i norm na obszarze danego kraju lub określonej gałęzi gospodarki.  

Z kolei korporacja przemysłowa, która ma wiele zakładów rozrzuconych po świecie, musi zdawać sobie sprawę z tego, że identyczne sytuacje w różnych miejscach mogą być inaczej traktowane. Oczywiście specjalista posiadający gruntowną wiedzę na ten temat, poradzi sobie z tego rodzaju problemem. Jednakże powinien to uczynić już na etapie projektowania zakładu lub określonej instalacji technologicznej.    

Przykład parku zbiorników  
Przyjrzyjmy się, jak różne zakłady radzą sobie z tym w praktyce. Jak mówi Mark Menezes, specjalista od pomiarów z kanadyjskiego oddziału Emerson Process Management w rafineriach przyjmuje się wyższy stopień zagrożenia, niżby to wynikało z analizy i ścisłego stosowania się do przepisów.

– W ostatnich 10 latach wiele rafinerii zmodernizowało swoje instalacje przeróbki ropy naftowej, pozyskiwanej z kanadyjskich oleistych piasków lub złóż w Wenezueli – mówi przedstawiciel Emersona. – Jeżeli chcemy przerabiać tak ciężkie surowce, musimy najpierw rozbić je na prostsze. Operacja taka, zwana krakingiem, odbywa się przy wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu, z użyciem dużej ilości pary wodnej. Powstałe po takiej operacji węglowodory lekkie należą do najbardziej łatwopalnych gazów, zaś wysokie ciśnienie sprzyja powstaniu przecieków do atmosfery. Stąd zagrożenie wybuchem otoczenia instalacji krakingu jest wysokie.  

Mark Menezes dodaje, że sprawę komplikuje obecność związków siarki, które nagminnie występują w tego typu ciężkich surowcach. Silna korozyjność związków siarki podnosi niebezpieczeństwo wystąpienia nieszczelności. To wszystko sprawia, że tego rodzaju instalacja przemysłowa tworzy środowisko wymagające wyjątkowej uwagi.

Jednym z obiektów pod specjalnym nadzorem jest park zbiorników. Operator procesu powinien dysponować wiedzą o stopniu napełnienia każdego zbiornika paliwem lub innymi palnymi związkami chemicznymi.

– Można to oczywiście zrobić przez osobistą inspekcję zbiorników, lecz zazwyczaj bywa to trudne lub niebezpieczne, a zatem niepożądane – uważa Frank Van Bekkum, specjalista Honeywell Process Solution. – W dodatku parki zbiorników są zlokalizowane w znacznej odległości od dyspozytorni. Ich zawartość może być szkodliwa dla zdrowia lub niebezpieczna dla życia. Dostęp do zbiorników bywa utrudniony przez warunki pogodowe, jak wiatr, deszcz, śnieg i mróz. Bardzo często wymaga też od obsługi wejścia na znaczną wysokość.

Z tego względu współczesne rafinerie wyposażone są w rozmaitą aparaturę do pomiaru poziomu w zbiornikach. Rozwiązania techniczne zawierają między innymi radarowe przetworniki pomiarowe. Wymagają one znacznego nakładu prac ze strony działu utrzymania ruchu i odpowiedniej komunikacji ze sterownią. Poza tym powinny być umieszczone w przeciwwybuchowych obudowach.

– Można jednak zastosować iskrobezpieczny czujnik temperatury, który jest zanurzony w mierzonym medium – mówi Frank Van Bekkum. – Oferujemy również oddzielne urządzenie w przeciwwybuchowej skrzynce, które jest połączone z iskrobezpiecznym czujnikiem. Nawet gdyby uszkodzeniu uległ czujnik lub kwasoodporna osłona, w której z reguły jest umieszczony, cała instalacja nadal pozostaje bezpieczna.

Chociaż, jak podkreśla przedstawiciel Honeywell, zadanie wydaje się dość proste, to jednak przy wielu operacjach mamy do czynienia z wzajemnym nakładaniem się wymagań. A to powoduje, że system automatyzacji staje się trudny do wykonania.

– Urządzenia iskrobezpieczne nie są jedynym rozwiązaniem w przypadku parku zbiorników. Mamy tutaj przecież pompy i zawory regulacyjne, które wymagają zasilania o znacznej mocy oraz muszą mieć komunikację z systemem automatyki – wymienia Frank Van Bekkum. – Te zaś urządzenia nie są produkowane w iskrobezpiecznych wersjach.

Rozmówca Control Engineering dodaje, że jeśli na obiekcie występują urządzenia iskrobezpieczne, należy także w strefie bezpiecznej przygotować dla nich źródła zasilania z odpowiednią separacją.

Historia a przyszłość
Bez względu na zastosowaną technikę większość ewentualnych problemów wynika z błędów popełnianych przez ludzi. Pojawiają się nie tyle podczas instalowania nowych przyrządów, co raczej wtedy, gdy przeprowadza się modernizacje bez odpowiedniego przygotowania i rozpoznania zagadnienia.

– Posłużę się przykładem istniejącego czujnika, który został zamieniony na nowy, oparty na innej metodzie działania i pochodzący od innego producenta – mówi F. Van Bekkum. – Pracownicy działu remontowego to wiedzą, lecz nie poinformowali o tym kolegów z działu obsługi produkcji. Z kolei utrzymanie ruchu wymaga stosowania się do zaleceń producenta. Dlatego wszyscy z obsługi instalacji powinni być zawsze informowani o każdej zmianie.

Kłopoty lub pomyłki mogą być także rezultatem zastosowania dwóch sposobów zabezpieczenia w jednym miejscu. Zarówno operatorzy procesu, jak też personel utrzymania ruchu, jest przygotowywany poprzez szkolenia i praktyki do obsługiwania konkretnego zakładu. Jeszcze częściej szkolenie dotyczy określonej linii technologicznej lub nawet pojedynczego węzła produkcyjnego. Rozszerzanie szkoleń i praktyk na zbyt duży obszar – a w tym szereg różnych technik – nie tylko jest czasochłonne i kosztowne, ale może niepotrzebnie absorbować załogę.

Obaj specjaliści zarówno M. Menezes, jak też F. Van Bekkum są zgodni co do tego, że w większości przypadków użycie jednego lub drugiego sposobu zabezpieczeń przed wybuchem nie jest uzasadnione techniczną koniecznością czy rodzajem instalacji produkcyjnej. Najczęściej bywa to decyzja podejmowana bez szczegółowego przemyślenia zagrożeń, lecz na zasadzie zwyczaju lub tradycji.

M. Menezes uważa, że przyrządy przeciwwybuchowe ze wzmocnioną obudową są powszechniejsze, bo weszły do użycia jako pierwsze. Szczególnie ma to swój wyraz w USA, w przeciwieństwie do Europy, gdzie obecnie wyraźnie przeważają odmiany iskrobezpieczne.

– Zaletą iskrobezpiecznych przyrządów jest stosunkowo niski koszt instalacji – mówi przedstawiciel Emersona – Z drugiej strony ich konstrukcja jest dość złożona, co wymaga od załogi większej wiedzy, niż w przypadku urządzeń w obudowach przeciwwybuchowych. Jeśli instalujemy wzmocnione przyrządy przeciwwybuchowe, a potem łączymy je przewodami w sposób wymagany dla tego rodzaju obudów (specjalne dławiki na przyłączach), to nawet gdy nastąpi wybuch, przyrząd wytrzymuje, a potem wszystko wraca do normy i przyrząd nadal działa poprawnie. Dlatego w większości zakładów w USA, wszystkie wyroby usytuowane w instalacji zagrożonej wybuchem są wykonywane jako przeciwwybuchowe.  

Wpływowa bezprzewodówka
Obaj nasi specjaliści, M. Menezes i F. Van Bekkum, są zgodni w ocenie trendów na przyszłość. Ich zdaniem należy spodziewać się narastającej przewagi przyrządów iskrobezpiecznych kosztem urządzeń w specjalnej obudowie. Wpływ na to mają dwie przyczyny: coraz częstsze stosowanie na obiektach sieci komunikacyjnych opartych na magistralach oraz rozprzestrzenianie się komunikacji bezprzewodowej.

– W przypadku instalacji z siecią FOUNDATION fieldbus instaluję jeden separator galwaniczny na zasilaniu w strefie bezpiecznej i dołączam do jednej magistrali pięć przyrządów w wykonaniu iskrobezpiecznym – mówi M. Menezes. – Koszt separatora rozkłada się wtedy na pięć urządzeń. Wiele zakładów, które wykorzystywały przyrządy ze wzmocnioną obudową, przeszło na technikę iskrobezpieczeństwa przy łączeniu sprzętu automatyzacji siecią transmisyjną FOUNDATION fieldbus. Sieci na bazie magistrali są też chętnie wprowadzane do sterowania silnikami. Nie muszę prowadzić oddzielnych przewodów prądowych ze sterowni do każdego silnika, bo zasilam go miejscowo. Natomiast sygnałami poprzez magistralę Profibus czy DeviceNet uruchamiam jednocześnie aż osiem silników.

Również technika bezprzewodowej łączności zachęca do przechodzenia na iskrobezpieczne przyrządy automatyki. Wiele urządzeń, które pracują w sieciach łączności bezprzewodowej, ma zasilanie bateryjne. Z tego względu są już iskrobezpieczne. Jeżeli na obiekcie trzeba zmierzyć temperaturę w reaktorze, relatywnie tanie okazuje się zainstalowanie na reaktorze bezprzewodowego przetwornika temperatury.

– Poziom mocy w linii sygnałowej nie jest w stanie wygenerować iskry, która mogłaby spowodować wybuch mieszaniny łatwopalnej – mówi M. Menezes. – Jeżeli jest jakikolwiek kłopot z baterią zasilającą w przyrządzie na obiekcie, pracownik obsługi idzie na miejsce, otwiera pokrywę i bez obawy wymienia baterię na nową. Tym samym nie powoduje zagrożenia na obiekcie, który z natury rzeczy jest zagrożony wybuchem. Właśnie takie możliwości wprowadza na obiekt technika iskrobezpieczeństwa.  

Mark Menezes podaje też inny przykład. W jednym z zakładów, przy pomiarze węglowodorowego związku, doszło do uszkodzenia membrany separującej w oddalonym nadajniku ciśnienia. Przeciwwybuchowość przyrządu była zapewniona oddaleniem nadajnika ciśnienia od przetwornika pomiarowego. Sam przetwornik był zlokalizowany w miejscowej sterowni, w strefie niezagrożonej wybuchem, razem z wyposażeniem elektrycznym w zwykłym wykonaniu. Tymczasem mierzone medium, pod ciśnieniem ponad 100 barów (2 000 psi), po uszkodzeniu membrany wnikało do separatora i dalej przewodem łączącym separator z przetwornikiem przedostawało się do pomieszczenia sterowni!
Technika bezprzewodowa nigdy nie dopuszcza do powstania takiej sytuacji*.

M. Menezes dodaje, że aby zapobiec możliwości powstania opisanej awarii, stosuje się podwójne membrany separujące. To jednak komplikuje przyrząd i podnosi jego cenę.  

– W dawniejszych rozwiązaniach zabezpieczenie przeciwwybuchowe było prostsze i wygodniejsze – zauważa przedstawiciel Emerson Project Management. – Teraz mamy wiele przyrządów łączonych magistralą lub komunikacją bezprzewodową, zatem iskrobezpieczeństwo staje się koniecznym kierunkiem działania, szczególnie przy aparaturze pomiarowo-kontrolnej.

Opinię tę podziela Jeff Becker, specjalista ds. komunikacji bezprzewodowej w Honeywell Process Solutions. Jak mówi, nabywcy stosują techniki bezprzewodowe przy pomiarach szczególnie ważnych parametrów procesu. W miejscach narażonych na zagrożenie wybuchem, które były poprzednio trudno dostępne lub wręcz niedostępne. Zastosowania takie sprawdzają się między innymi w: instalacji butanu do pomiaru ciśnienia, inwentaryzacji zawartości w zbiornikach, monitorowania zaworów bezpieczeństwa, tryskaczy przeciwpożarowych, zerwania membran. Innymi słowy: kluczowych miejsc w instalacjach petrochemicznych i chemicznych.   

– Technika bezprzewodowa umożliwia spełnienie wymagań określonych przez obowiązujące przepisy dotyczące środowiska naturalnego, stopnia zagrożenia wybuchem i bezpieczeństwa – twierdzi Jeff Becker.

F. Van Bekkum dodaje, że chociaż zastosowaniu techniki łączności bezprzewodowej towarzyszy sporo emocji, przemysł coraz szybciej zmierza w tym kierunku i uzyskuje z tego tytułu wiele korzyści.

Jeanine Katzel
Artykuł pod redakcją inż. Józefa Czarnula, automatyka z wieloletnim doświadczeniem.  

*Sytuacja bardzo groźna. Teoretycznie możliwa, ale bardzo mało prawdopodobna. Od separatora do komory przetwornika prowadzi rurka kapilarna, a cała przestrzeń w separatorze, kapilarze i komorze pomiarowej przetwornika jest wypełniona niepalną cieczą pośredniczącą. Komora przetwornika poddawana jest takiemu samemu ciśnieniu, jakie panuje w mierzonym medium i jest szczelna, podobnie jak kapilara i wszystkie przyłącza. Dopiero po powstaniu drugiego uszkodzenia na drodze od ściany sterowni do przetwornika mogłoby spowodować przedostanie się palnego medium do atmosfery w sterowni – przyp. Józef Czarnul.  
Od redaktora polskiego wydania
1. Mówiąc o zabezpieczeniu się przed wybuchem, mamy na myśli instalowanie sprzętu automatyzacji na obiekcie, przy którym istnieje stała lub tylko czasowa możliwość pojawienia się gazów palnych w atmosferze, które tworzą z powietrzem mieszaninę wybuchową. Sprzęt taki w żadnym wypadku nie może się stać źródłem zapłonu owej mieszaniny i to bez względu na to, czy przeniknęła ona do wnętrza przyrządu, czy też nie.

2. Według norm (nie tylko PN czy EN) iskrobezpieczeństwo jest jednym ze sposobów zapobiegania wybuchowi, który zdecydowanie różni się od pozostałych. Szczegółowo opisują to obowiązujące standardy PN-EN-60079.1 do 11 dla przemysłu z wyjątkiem górnictwa, grupa norm PN-EN 26184 x, PN-EN 50015, PN-EN 50017, PN-EN 50019 oraz wciąż obowiązująca PN/E-08 11. Istnieje też grupa norm dotycząca bezpieczeństwa w wyrobiskach górniczych.