Установка систем Raman-спектроскопии во взрывоопасных зонах (ATEX, IECEx, NEC/CEC)

В данной обучающей статье рассматриваются системы Raman-спектроскопии, устанавливаемые во взрывоопасных газовых средах, включая зоны ATEX 0/1/2, среды IECEx и североамериканские зоны класса I (NEC/CEC).

В статье рассматриваются следующие вопросы:

• Почему системы Raman подпадают под требования для взрывоопасных зон и в каких случаях установка должна соответствовать этим требованиям
• Как возникают, оцениваются и снижаются риски оптического воспламенения
• Как требования ATEX, IECEx и североамериканских норм отражают одни и те же физические принципы безопасности в правилах сертификации и монтажа
• Как риски оптического воспламенения контролируются с помощью концепций ограничения мощности (Ex op is) и системы с блокировкой (Ex op sh), а также как это влияет на маркировку и монтаж

Примечание. Оборудование Raman-спектроскопии не сертифицировано для применения во взрывоопасных средах, содержащих пыль, порошок или волокна. В связи с этим такие среды не рассматриваются в данной статье.
В данной статье также не рассматриваются неоптические механизмы воспламенения или подробные национальные процедуры обеспечения нормативного соответствия, для которых требуются отдельные подходы к проектированию и сертификации систем.

Системы Raman-спектроскопии могут стать потенциальным источником воспламенения, когда оптическое излучение концентрируется во взрывоопасной газовой среде или среде, содержащей воспламеняющиеся пары, несмотря на то что Raman-зонды не создают искр или горячих электрических компонентов в точке измерения.

Риск воспламенения возникает вследствие локального нагрева, вызванного сфокусированной оптической энергией на поверхностях или частицах. Если установка Raman эксплуатируется в среде, которая может содержать смесь кислорода и воспламеняющихся газов, паров или тумана, она считается установленной во взрывоопасной зоне и должна соответствовать применимым требованиям к оборудованию для взрывоопасных зон.

Соответствие систем Raman-спектроскопии требованиям для взрывоопасных зон определяется физическими принципами оптического воспламенения, а не только наличием электрического искрения или региональными нормативными требованиями.

Соответствие систем Raman требованиям для взрывоопасных зон основывается на одинаковых физических принципах безопасности во всем мире. Региональные нормативные требования различаются главным образом подходами к классификации и документированию взрывоопасных зон, а не базовой логикой монтажа или механизмами предотвращения воспламенения.

ATEX (Европа) и IECEx (международная система) используют классификацию на основе зон (зоны 0, 1, 2) для определения вероятности и продолжительности присутствия взрывоопасных газовых сред. Эти зоны определяют, где могут устанавливаться Raman-зонды и какие концепции защиты должны применяться.

• ATEX(ЕС) представляет собой нормативную систему, связанную с маркировкой CE.
• IECEx(международная система) обеспечивает глобальную систему оценки соответствия на основе стандартов МЭК.

В Северной Америке (NEC/CEC) используются концепции «класс/разделение» или «класс/зона» для взрывоопасных газовых зон (класс I), при этом допуски на оборудование обычно выдаются организациями UL, FM или CSA.

Несмотря на различия в терминологии, цель остается одинаковой: определение взрывоопасных зон и обеспечение контроля источников воспламенения.

• Классификация взрывоопасных зон определяет, где могут устанавливаться оптические зонды и связанные с ними компоненты (зоны в ATEX/IECEx; класс/разделение или класс/зона в NEC/CEC).
• Локализация луча, включая блокировки на оптических трактах и волоконно-оптических соединениях, вместе с ограничением мощности лазера в точке измерения (на конце зонда) предотвращает оптическое воспламенение.
• Концепции оптической защиты применяются на уровне системы, чтобы исключить возможность воспламенения взрывоопасной газовой среды лазерным излучением.

В установках Raman требования для взрывоопасных зон определяются местом установки наконечника зонда, поскольку именно в этой точке оптическая энергия целенаправленно вводится в технологический процесс.

• Зона 0: взрывоопасная среда присутствует постоянно или в течение длительного времени
• Зона 1: вероятно периодическое присутствие взрывоопасной среды
• Зона 2: присутствие взрывоопасной среды маловероятно либо возможно только в течение коротких периодов времени

Анализатор часто физически устанавливается вне взрывоопасной зоны (в общепромышленной зоне), при этом анализатор соединяется с зондом, установленным в зоне 0, 1 или 2, посредством волоконно-оптических кабелей.

Даже при установке в общепромышленной зоне анализатору все равно может требоваться маркировка для взрывоопасных зон (Ex), если он является частью системы, передающей оптическую энергию во взрывоопасную зону.В таких случаях оценка и маркировка анализатора выполняются на основе его функциональной связи со взрывоопасной зоной, а не только исходя из места физической установки.

Ниже приведено упрощенное концептуальное соответствие между газовыми зонами ATEX (слева) и североамериканскими классификациями (справа).Терминология различается, однако логика оценки риска воспламенения остается одинаковой.

• Зона 0 → класс I, разделение 1
• Зона 1 → класс I, разделение 1
• Зона 2 → класс I, разделение 2

Ключевые элементы маркировки систем Raman включают:

Группа оборудования: группа II (наземные отрасли промышленности, такие как химическая и фармацевтическая)

Уровень защиты оборудования (EPL):

• Ga → зона 0
• Gb → зона 1
• Gc → зона 2

Группы газов: IIA, IIB, IIC (IIC — наиболее требовательная группа)

Температурный класс: например, T6 (85 °C), T4 (135 °C)

Группа газа и температурный класс определяются владельцем установки на основе технологических данных и используются для формирования окончательной маркировки системы.

Оптическое излучение может вызвать воспламенение взрывоопасной среды, если энергия концентрируется и поглощается небольшими поверхностями или частицами. В стандарте IEC 60079-28:2015 описан данный механизм и определены концепции защиты для предотвращения воспламенения во взрывоопасных средах.

Стандарт содержит справочные таблицы, определяющие пределы мощности оптического излучения с искробезопасной защитой (Ex op is) для конкретных длин волн, условий воздействия и групп газов. Эти таблицы содержат базовые рекомендации по уровням оптической мощности, которые при определенных допущениях считаются невоспламеняющими.

В практических применениях Raman допустимый безопасный предел мощности должен подтверждаться в рамках оценки лазерной опасности (Laser Hazard Assessment, LHA). LHA учитывает не только стандартные справочные значения, но и параметры, зависящие от конкретного применения, включая:

• Группу газа и чувствительность к воспламенению
• Длину волны и геометрию луча
• Продолжительность воздействия и фокусировку оптического излучения
• Конструкцию зонда и допущения относительно отказов оборудования

Таким образом, LHA определяет максимально допустимую мощность лазерного излучения на наконечнике зонда и окончательную Ex-маркировку системы.

Ex op is ограничивает оптическую энергию таким образом, чтобы воспламенение было невозможно при нормальной эксплуатации и определенных условиях отказа. В системах Raman это обычно достигается путем ограничения мощности лазерного излучения на наконечнике зонда.

Универсального безопасного значения мощности лазерного излучения не существует. Хотя IEC 60079-28 устанавливает справочные предельные значения, максимально допустимая мощность зависит от конкретного применения и должна подтверждаться в рамках LHA, определяющей безопасные рабочие пределы и окончательную маркировку системы.

Ex op sh допускает более высокую оптическую мощность, однако основан на применении инженерных мер безопасности и блокировок, обеспечивающих отключение оптического излучения при возникновении условий, способных привести к воспламенению.

Данная концепция обычно применяется в следующих случаях:

• Для обеспечения требуемых характеристик измерения необходима мощность лазерного излучения, превышающая пределы Ex op is
• Небезопасные условия могут надежно обнаруживаться и устраняться

Ex op sh может включать:

• Обнаружение обрыва кабеля
• Блокировки на волоконно-оптических соединениях
• Контроль технологических условий (например, потери покрытия жидкостью)
• Автоматическое отключение лазера

Ex op sh применяется на уровне системы и может включать компоненты, расположенные вне взрывоопасной зоны.

Во многих технологических процессах Raman-зонды устанавливаются в средах, которые в нормальных условиях не являются взрывоопасными, например в трубопроводах или резервуарах, заполненных жидкостью. При нормальной эксплуатации наличие жидкости предотвращает образование воспламеняемой газовой среды на наконечнике зонда.

Однако технологические условия могут изменяться. Потеря покрытия жидкостью, дегазация, высыхание или нештатная работа могут привести к временному образованию воспламеняемой газовой или паровой фазы в точке измерения. В таких случаях риск оптического воспламенения может динамически изменяться, даже если установка не классифицируется как постоянно взрывоопасная.

Отраслевые руководства, включая рекомендации NAMUR, учитывают данный сценарий и описывают применение концепций оптической защиты с блокировкой (Ex op sh) для управления условно взрывоопасными средами. В таких случаях Ex op sh не только позволяет использовать более высокую оптическую мощность, но и обеспечивает автоматическое отключение оптического излучения при переходе условий в состояние, связанное с риском воспламенения (например, при потере покрытия жидкостью).

Данный подход позволяет безопасно применять Raman-спектроскопию в процессах, где образование взрывоопасной среды не ожидается при нормальной эксплуатации, но не может быть исключено при определенных нештатных или переходных режимах, при условии что логика обнаружения, блокировки и алгоритмы отключения четко определены и валидированы на уровне системы.

Типовая установка системы Raman включает:

• Анализатор, расположенный вне взрывоопасной зоны или, при необходимости, в корпусе, сертифицированном для установки в зоне 1 / разделении 2
• Волоконно-оптические кабели, проложенные во взрывоопасные зоны
• Сертифицированный по Ex система Raman-зонд (ATEX, IECEx или североамериканские требования NEC/CEC — в зависимости от применимости), установленный в зоне 0, 1 или 2

В зависимости от выбранной концепции оптической защиты (Ex op is или Ex op sh) сертифицированная система использует локализацию луча, ограничение мощности лазерного излучения на зонде и соответствующие защитные меры. Дополнительные блокировки или функции мониторинга, реализованные с помощью отдельных устройств, не входят в сертификацию системы Raman и должны оцениваться конечным пользователем в рамках общей концепции монтажа и безопасности.

Как показано на приведенной выше иллюстрации, место установки зонда определяет классификацию зоны (зона 0/1/2), тогда как анализатор обычно располагается в общепромышленной зоне. Контроль оптического воспламенения обеспечивается с помощью Ex op is (мощность ограничивается согласно LHA) или Ex op sh (система оптической блокировки: контроль обрыва кабеля/условий эксплуатации → отключение лазера). Полная комбинация «анализатор — волоконно-оптический кабель — зонд — блокировка» оценивается и маркируется как единая сертифицированная система, при этом анализатору по-прежнему требуется Ex-маркировка при функциональном подключении к взрывоопасной зоне.

Особенности Ex op sh при монтаже — волокна, соединители и блокировки

В практических установках применение Ex op sh наиболее заметно на этапе system монтажа и интеграции системы, а не на уровне самого зонда.

Хотя Raman-зонд обычно проектируется в соответствии с установленными требованиями к оптической защите, контроль риска воспламенения на уровне системы часто определяется способом передачи оптической энергии от анализатора во взрывоопасную зону. К ним относятся:

• Прокладка волоконно-оптических кабелей через взрывоопасные и невзрывоопасные зоны
• Оптические соединители, расположенные на границах зон или внутри корпусов
• Целостность оптического тракта между анализатором и зондом

По этой причине системы Ex op sh используют блокировки, контролирующие целостность кабеля и состояние соединителей, обеспечивая автоматическое отключение лазерного излучения при нарушении или размыкании оптического тракта. Данные меры особенно важны в следующих случаях:

• Монтаж и ввод в эксплуатацию
• Техническое обслуживание или повторное подключение волоконно-оптических линий
• Нештатные условия, такие как повреждение кабеля

С точки зрения монтажа Ex op sh, таким образом, смещает акцент с сертификации отдельных компонентов на поведение системы в целом: прокладка кабелей, обращение с соединителями и валидация блокировок становятся частью концепции безопасности для взрывоопасных зон и должны учитываться при проектировании, монтаже и подготовке документации.

• Определение классификации областей (зон или классов)
• Определение группы газа и температурного класса на основе технологических данных
• Обеспечение правильного механического и электрического монтажа
• Проведение или организация оценки для взрывоопасных зон и оценки лазерной опасности

• Поставка оборудования Raman с Ex-сертификацией (анализатора, зонда или отдельных компонентов — в зависимости от конфигурации), при этом маркировка зонда должна соответствовать требованиям к взрывозащите, установленным ответственным за Ex-защиту на объекте заказчика.
• Предоставление информации о поддерживаемых оборудованием методах оптической защиты (например, Ex op is или Ex op sh)
• Определение и документирование сертифицированных предельных значений мощности лазерного излучения, встроенных функций защиты и требуемой маркировки оборудования
• При применении Ex op sh необходимо четко определить область действия сертификации и разграничить ответственность между сертифицированным оборудованием и общей интеграцией системы, а также оценкой безопасности, выполняемыми заказчиком.

Соответствие требованиям для взрывоопасных зон распространяется на систему Raman в целом, а не на отдельные компоненты. Анализатор, зонд, волоконно-оптические линии, настройки мощности и функции безопасности образуют единую сертифицированную конфигурацию. Любое изменение требует повторной оценки.

Действия, выполняемые ответственным за Ex-защиту на объекте заказчика перед выбором оборудования для взрывоопасной зоны

1. Подтверждение и документирование классификации взрывоопасных зон
2. Определение группы газа и температурного класса
3. Проведение оценки лазерной опасности (Laser Hazard Assessment, LHA)
4. Определение необходимости применения Ex op is (ограничение мощности) или Ex op sh (система с блокировкой)
5. Выбор сертифицированного анализатора и/или зонда с обеспечением соответствия Ex-маркировки зонда группе газа и температурному классу, определенным при классификации взрывоопасной зоны
6. Планирование архитектуры монтажа и прокладки волоконно-оптических линий
7. Проверка маркировки (EPL, группа газа, температурный класс, концепция оптической защиты)
8. Подготовка исполнительной документации и хранение сертификатов
9. Обучение персонала безопасной эксплуатации

“Мощность лазера фиксируется прибором.”

Нет. Максимально допустимая мощность зависит от конкретного применения и определяется условиями взрывоопасной зоны.

“Если анализатор сертифицирован, система соответствует требованиям.”

Нет. Соответствие требованиям оценивается на уровне системы, поэтому также требуется Ex-сертифицированный зонд.

“Установки IECEx, ATEX и североамериканские стандарты (NEC/CEC) используют разные правила.”

Нет. Независимо от применения классификации по зонам или разделениям логика монтажа остается одинаковой. Различия заключаются в подходах к классификации и сертификации взрывоопасных зон.

“Ex op sh — это исключение.”

Нет. Ex op sh представляет собой стандартную признанную концепцию защиты, предназначенную для определенных случаев применения, как правило, когда окно Raman-зонда погружено в жидкую пробу, а опасные условия (газ, туман или пар в сочетании с кислородом) могут возникать только при отсутствии этой жидкости и могут надежно обнаруживаться и устраняться.

1. 1910.307 – взрывоопасные (классифицированные) зоны. | Управление по охране труда и промышленной безопасности США (Occupational Safety and Health Administration)
2. Директива ATEX 2014/34/EU – нормативная система ЕС, регулирующая оборудование, предназначенное для применения в потенциально взрывоопасных средах
3. Руководство по Канадским электротехническим нормам и правилам (Canadian Electrical Code), часть 1[i], 26-е издание — раздел 18 «Взрывоопасные зоны» — Electrical Industry News Week
4. Классификация взрывоопасных зон (Северная Америка) – обзор концепций «класс/разделение» и «класс/зона», используемых в рамках NEC и CEC
5. IEC 60079-28:2015 – международный стандарт, определяющий риски воспламенения и концепции защиты (Ex op is, Ex op sh) для оптического излучения во взрывоопасных средах
6. Обзор системы IECEx – международная система оценки соответствия Ex-оборудования, основанная на стандартах IEC
7. Руководство NAMUR (ассоциация пользователей) – отраслевые рекомендации по практическому применению концепций взрывозащиты в автоматизации технологических процессов