INTRODUÇÃO
A elaboração do plano de classificação de áreas é uma importante etapa no
projeto de instalações elétricas para indústrias que processam produtos
inflamáveis. Tradicionalmente, a utilização de normas americanas (em especial a
API-RP-500
[7]
) resultava na repetição de uma dada figura geométrica para as mais diversas
condições de processo, o que pode levar a diversos questionamentos.
A IEC, através de modelos matemáticos expressos na norma 60079-10
[1]
, procura apresentar um contexto mais realista, tratando cada unidade
industrial de acordo com suas características.
O autor mostra os princípios desta nova filosofia que será incorporada pelo
Brasil, através de
norma ABNT prevista para 2003.
Apresentando a IEC
60079-10:
A classificação de áreas é um método de análise do ambiente onde atmosferas
explosivas gasosas poderão ocorrer, de forma a permitir a seleção e instalação
de equipamentos elétricos especiais (também chamados de equipamentos Ex).
Da experiência prática, constatamos que em poucas situações é possível, através
de simples observação de uma planta ou desenho de projeto, indicar quais partes
corresponderão às três categorias de classificação de áreas (Zonas 0, 1 e 2).
Uma análise mais detalhada é portanto necessária e envolve o estudo das
probabilidades de ocorrência da atmosfera explosiva.
O primeiro passo é fixar a probabilidade de formação da atmosfera explosiva. A
IEC passa a diferenciar reunindo dados como: a provável freqüência e duração da
liberação, a taxa de liberação, concentração, velocidade do vento, grau de
disponibilidade da ventilação e outros fatores que afetem o tipo e/ou a
extensão da Zona, para confeccionar uma base de dados consistente para
determinar a provável presença da atmosfera explosiva.
[5]
Como recomendação básica, as áreas Zona 0 e 1 devem ser minimizadas em número e
extensão através de projeto (incluindo-se a especificação de equipamentos de
processo com baixas quantidades e freqüência de liberação) ou mediante
adequados procedimentos operacionais. Em outras palavras, cabe ao projeto de
engenharia prover as instalações majoritariamente como Zona 2 ou
não-classificadas, de forma a aumentar a segurança da unidade industrial.
[11]
Comparações entre as características API e IEC:
O método de cálculo citado na IEC 60079-10 avalia a suficiência da ventilação e
permite a determinação do tipo de Zona atribuído à área classificada pelo
seguinte procedimento:
1) Estima-se a ventilação mínima requerida para prevenir o aparecimento de uma
atmosfera explosiva e usa-se esta vazão para calcular um volume hipotético com
atmosfera explosiva
Vz,
o qual com um tempo de dispersão estimado
t
, permite determinar o grau de ventilação.
2) Determina-se o tipo de zona a partir do grau e disponibilidade da ventilação
e do grau da fonte de risco.
Ainda que primariamente concebido para uso em área interna, o método exposto
pode também ser aplicado em áreas externas. Para este caso, a IEC
60079-10 fornece uma tabela para referência.
O API RP-500 não informa as condições para as quais foram elaboradas as figuras
de classificação de áreas, sendo que ao longo da norma constam notas com
dizeres como: “as distâncias assinaladas são para uma refinaria típica”; “as
distâncias assinaladas devem ser empregadas com critério, podendo ser menores
ou maiores, dependendo do caso”.
[7]
Responda-me leitor: - Nossos projetistas atentam para estas notas, ou todas as
unidades – quaisquer que sejam - costumam receber extensões de áreas
“idênticas” às mencionadas nas figuras desta norma API ?
Outro detalhe importante é que o API RP-500 não enfoca com detalhes as
características físico-químicas das substâncias, preferindo considerar o
ambiente da instalação.
Sabe-se hoje
[2]
que os gases com densidade superior à do ar (ou mesmo gases que quando
liberados na atmosfera possuem densidade maior que a do ar), tendem a se
dispersar de modo peculiar. Tais gases, ao serem liberados na atmosfera, tendem
a se espalhar junto ao solo, por efeito da gravidade, em todas as direções.
Simultaneamente a este espalhamento inicial devido à gravidade (
slumping
), o gás começa a sofrer os efeitos do campo de ventos na região.
A simulação matemática da dispersão atmosférica de gases mais densos do que o
ar (também denominados
"gases pesados") requer tratamento específico.
O comportamento dos gases densos resulta na formação de nuvens que se estendem
a distâncias laterais consideráveis (grande dispersão horizontal). Uma outra
característica peculiar à dispersão de gases pesados é que uma vez terminada a
fase densa da dispersão, a ação da turbulência atmosférica dilui a nuvem de uma
forma tal, que a taxa de crescimento da altura da nuvem é consideravelmente
menor do que aquela esperada para um gás leve.
Estas considerações - à primeira vista extremamente teóricas - estão resultando
na prática numa verdadeira “revolução” nos projetos de classificação de áreas.
[9]
O API procurou “correr atrás” da novidade implantada pela IEC, lançando a norma
denominada API RP-505
[6]
(que traz como anexo tópicos da IEC 60079-10), introduzindo o conceito de
áreas Classe I, Zona 0, 1 e 2 e um método quantitativo para classificação. O
National Electrical Code (NEC)
[8]
de 1999, permitiu que a classificação de áreas de novas instalações americanas
pudesse ser - opcionalmente - elaborada conforme API RP-505, desde que
conduzida por um “Registered professional engineer”.
Não foi permitido pelo NEC que uma indústria que já possuísse uma classificação
de áreas feita originalmente com a API RP-500, tivesse uma ampliação
classificada pela nova norma. Também não é permitido nas novas instalações
americanas classificadas segundo o API RP-505, o emprego de equipamentos
elétricos e eletrônicos com marcação EEx (certificação segundo normas
européias), e sim marcação AEx (certificação segundo norma UL 2279).
[10]
Será que o país defensor da “globalização” estaria tentando criar uma “reserva
de mercado”?
O Código Elétrico Canadense (CEC), que sempre seguiu o NEC, em 1998 inovou e
tornou obrigatória - e não opcional - a adoção da filosofia IEC para as novas
instalações, abandonando o conceito das figuras pré-concebidas.
Como diferencial notável, a IEC 60079-10 procura levar em conta o ambiente da
instalação, especialmente sua ventilação.
Na avaliação do sistema de ventilação devemos considerar:
- gases mais pesados que o ar;
- mudanças na densidade do ar com a temperatura;
- obstáculos que possam influenciar a ventilação.
Os seguintes conceitos são abordados pela IEC 79-10:
Grau de ventilação:
Alto – reduz a concentração da fonte quase
que instantâneamente;
Médio – controla a concentração, mantendo-a abaixo do
limite inferior de explosividade (LIE) enquanto a liberação estiver em curso e
diminuindo-a após cessar a emissão;
Baixo – não controla a emissão, nem evita
concentração indevida após o término da emissão.
Disponibilidade de ventilação:
O tamanho da nuvem do gás e o tempo que ela persiste após cessar a emissão
podem ser controlados por meio de ventilação. Um método para avaliar o grau de
ventilação necessário para controlar a extensão e persistência de uma atmosfera
explosiva é descrito a seguir. Este método é aproximado, entretanto o uso de
fatores de segurança deve assegurar que o erro seja para o lado da segurança.
A garantia do grau de ventilação primeiro requererá o conhecimento da máxima
taxa de liberação de gás ou vapor, seja por experiência de campo, cálculos ou
dados estatísticos.
A taxa mínima teórica de ventilação para diluir uma dada liberação de material
inflamável, para uma concentração definida abaixo do LIE, pode ser calculada
por meio da fórmula:
(1)
Onde:
= vazão mínima de ar [m
3
/s]
= máxima taxa de liberação da fonte de risco [kg/s]
LIE = limite inferior de explosividade [kg/m
3
]
T = temperatura ambiente
em Kelvin
Nota: Para converter LIE [%vol] para LIE [kg/m
3
] deverá ser usada a seguinte fórmula:
LIE [kg/m
3
] = 0,416 x 10
-3
x M x LIE [%vol]
(2)
onde:
M = massa molecular [kg/kmol]
Com um dado número de trocas de ar por unidade de tempo
C
, relacionada à ventilação geral da área, o hipotético volume
Vz
de uma atmosfera explosiva em torno da fonte da liberação pode ser estimado
usando-se a fórmula:
(3)
onde:
C = número de trocas de ar por unidade de
tempo [s
-1
]
k =
fator de segurança: 0,25 para fontes de risco de grau contínuo e primário; 0,5
para fontes de risco de grau secundário.
A fórmula anterior seria aplicável para uma instantânea e homogênea mistura no
ponto de liberação, com condições ideais de fluxo de ar fresco. Na prática,
tais situações poderão não ser encontradas, por exemplo devido a obstáculos ao
fluxo de ar, resultando em partes mal ventiladas na região. Portanto, a troca
efetiva de ar na fonte da liberação será mais baixa do que a dada por
C
na fórmula (5), levando a um aumento no volume
Vz
. Introduzindo-se um fator de correção
f
na fórmula anterior, resulta em:
(4)
onde:
f
= denota a eficiência da ventilação em dissolver uma
atmosfera explosiva, e varia de 1 (ideal) até 5 (fluxo de ar impedido).
Vz
= representa um volume sobre o qual a concentração média de gás
inflamável ou vapor será 0,25 ou 0,5 vezes o LIE, dependendo do valor do fator
de segurança
k
usado em (3). Isto significa que nas extremidades do volume hipotético
estimado, a concentração do gás ou vapor será significativamente menor que o
LIE; isto é, o volume hipotético onde a concentração estará acima do LIE será
menor que
Vz
.
Para uma área fechada, C é dado por:
(5)
Onde:
= vazão total de ar
V
o
= volume total ventilado
Em áreas abertas, até mesmo baixas velocidades de vento produzem alto número de
trocas de ar. Consideremos um cubo hipotético com dimensões de poucos metros
numa área aberta. Neste caso uma velocidade de 0,5 m/s produzirá um número de
trocas de ar maior que 100/h (0,03/s)
Numa aproximação conservativa, usando-se então C= 0,03/s para situação de área
aberta, o volume
Vz
poderá ser obtido pela fórmula:
(6)
Porém devido à mecânica de dispersão, este método resultará em volume
sobredimensionado. A dispersão geralmente é mais rápida na condição de área
aberta.
Tempo de persistência:
O tempo
t
necessário para uma concentração média cair de um valor inicial
X
o
para o LIE multiplicada por
k
após a liberação ter cessado pode ser estimada por :
(7)
Onde:
X
o
= concentração inicial da substância inflamável
medida na mesma unidade do LIE. Em algum ponto da atmosfera explosiva, a
concentração poderá atingir 100 %. Entretanto, ao calcular
t, o adequado valor para X
o
a ser considerado dependerá de cada caso, considerando-se entre outros, o
volume assim como a freqüência e duração da liberação. Na maioria dos casos é
razoável considerar
X
o
acima do LIE.
t
=
mesma unidade de tempo que
C.
[ s ]
f = fator de não-homogenização da
mistura - veja fórmula (4) - variando de 5 para ventilação limitada ( por
exemplo, com uma única abertura de exaustão ), até 1 ( por exemplo, ventilação
entrando num teto perfurado e múltiplos exaustores ).
k
=
fator de segurança relacionado com o LIE – ver fórmula (4).
A avaliação do grau de ventilação:
Seria simplista dizer que um grau de liberação contínuo conduziria à Zona 0, um
grau primário à Zona 1 e um grau secundário à Zona 2. Isto pode não ser verdade
devido ao efeito da ventilação.
Em alguns casos, o grau e disponibilidade da ventilação poderão ser tão altos,
que na prática não haverá área classificada. Do mesmo modo, o grau de
ventilação pode ser tão baixo que resulte num grau mais severo da Zona (por
exemplo, Zona 1 resultante de uma fonte secundária de liberação).Isto ocorre
por exemplo quando o nível de ventilação é tal que a atmosfera explosiva
persiste e é dispersada muito lentamente após a fonte de liberação ter cessado.
O volume
Vz
pode ser usado para classificar a ventilação como alta, média ou baixa. O
tempo de persistência t pode ser usado para decidir qual grau de ventilação é
requerido para uma área de forma a atender às definições de Zona 0, 1 ou 2.
A ventilação pode ser considerada alta se
Vz
for pequeno ou próximo de zero.
O termo “ventilação alta” deve ser empregado apenas nos casos de ventilação
artificial em torno da fonte, em pequenas áreas fechadas ou com taxas de
liberação muito baixas.
Deve ser enfatizado que numa área fechada pode haver muitas fontes de
liberação. Não é conveniente ter muitas pequenas áreas classificadas dentro de
uma área não-classificada.
Também deve ser visto que com as taxas de liberação típicas consideradas para
classificação de áreas, a ventilação natural é insuficiente até mesmo em áreas
abertas.
Portanto, é normalmente impraticável ventilar artificialmente áreas fechadas de
grande extensão nas taxas requeridas.
O volume
Vz
não dá uma idéia do tempo que uma atmosfera explosiva persiste após cessar a
liberação. Isto não é relevante para casos de alta ventilação, mas é um fator a
considerar se a ventilação for baixa ou média.
Análise de caso
Para ilustrar melhor o procedimento descrito na IEC, aplicaremos às fórmulas
expressas na IEC
60079-10 os dados reais de uma planta industrial.
Depois, compararemos os resultados obtidos com a figura padronizada pelo API
RP-500 para o tipo de instalação estudado.
* Dados da instalação:
Ponto sob análise:
flange na entrada de compressor de gás natural
Fluido: Gás natural
LIE:
0,033 kg/m
3
Temperatura ambiente:
10
o
C
Velocidade do vento: 1 m/s
Fator de segurança:
0,5 ( fonte de risco grau secundário )
Valor de
:
obtido por software
[3]
Quantidade
trocas de ar: 200 /h
Velocidade de liberação: 500 m/s (obtido por
software)
Direção da
liberação: horizontal
Tipo de liberação: contínua
Tipo de solo no
local: concreto liso, sem árvores
Umidade relativa do ar: 70 %
·
Cálculos:
a) Vazão mínima de ar para manter a mistura abaixo do LIE:
b) Volume hipotético da atmosfera explosiva:
c) Tempo de persistência:
d) Avaliação:
Com fonte de risco de grau secundário, grau de ventilação médio e
disponibilidade de ventilação boa, a área é considerada Zona 2. Para
determinação da extensão, a IEC
600
79-10 prevê o uso de códigos e normas locais, que poderão incluir requisitos
adicionais.
|
|
e) Comparemos com a figura aplicável do API RP-500 (adotando-se
a terminologia IEC):
CONCLUSÕES:
O advento de procedimentos de análise, baseados nas características específicas
de cada processo, tratará o estudo de áreas classificadas como uma ferramenta
de gerenciamento de riscos.
O uso de softwares especializados de simulação para fornecer uma visualização
da propagação de gases através de modelos matemáticos, contribui para uma maior
percepção dos riscos envolvidos na instalação.
Como o tema exige o conhecimento de características físico-químicas das
substâncias, reforça-se a recomendação – expressa no item 4.1 da IEC 60079-10 –
de que para a elaboração de plantas de classificação de áreas, sejam
constituídos grupos de trabalho compostos por pessoas conhecedoras das
propriedades físicas dos gases, do processo, dos equipamentos, da segurança
industrial, da manutenção e da operação.
A “tradição”, dos engenheiros eletricistas terem a exclusividade na elaboração
das plantas de classificação de áreas, deverá ser abandonada na nova filosofia.
Isto está previsto inclusive no API
RP-505, cuja nota no apêndice E, diz
textualmente: “a conclusão da classificação deverá envolver esforços
coordenados entre engenheiros de processo, engenheiros de utilidades,
especialistas de segurança, engenheiros de instrumentação e engenheiros
eletricistas”.
Como conseqüência, o estudo de classificação de áreas receberá maior atenção e
esmero em sua confecção, pois que hoje o que freqüentemente testemunhamos são
trabalhos tipo “copiar e colar” do API RP-500, feito por pessoas que até
desconhecem o conceito de área classificada.
Embora relegadas a segundo plano quando a classificação de áreas era feita pelo
API RP-500, as listas de dados
[4]
(cujo modelo básico encontra-se no anexo da IEC
60079-10), passarão a ter fundamental importância, pois serão referenciadas
também nas ampliações da planta industrial.
O uso de figuras pré-concebidas para classificação de áreas deverá ficar
limitado às condições padronizadas, avaliando-se com métodos quantitativos as
especiais.
Com a publicação da norma brasileira baseada na IEC 60079-10, passaremos por
uma fase de transição que entendemos será muito positiva, pois consolidará o
conceito de gerenciamento de risco, podendo até permitir à cada empresa a
adoção da solução de engenharia mais adequada à sua realidade.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
[ 1 ] IEC 60079-10 – Classification of hazardous areas.
Third edition – 1995.
[ 2 ] Análise de riscos das futuras instalações do pólo industrial de Guamaré.
Princípia Engenharia de Confiabilidade e Informática – 1996.
[ 3 ] Phast for Windows – versão 5.2 – User manual.
[ 4 ] N-2155 – Norma Petrobras - Lista de dados para classificação de áreas,
1999.
[ 5 ] Fanara, José R.A., Rangel Jr., Estellito – Extensões de áreas
classificadas. In: V ENCONTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA, Petrobrás, Rio de
Janeiro, dez 1999, Anais p 104 – 118.
[ 6 ] API RP-505 – Recommended practice for classification of locations at
petroleum facilities classified as Class I, Zone 0, Zone 1 and Zone 2. American
Petroleum Institute, 1997.
[ 7 ] API RP-500 – Recommended practice for classification of locations for
electrical installations at petroleum facilities. American Petroleum Institute,
1991.
[ 8 ] National Electrical Code, NFPA, EUA, 1999.
[
9 ] Bishop, D.N., Jagger, D. M, Propst, J.E. - New area classification
guidelines. IEEE paper, 1998. 11 p.
[ 10 ] Babiarz, P.S., Ligett, D.P., Wellman, C.M. - How products will be
adapted to the dual hazardous area classification system. IEEE paper, 1996. 7 p
[ 11 ] CABUM! - Site sobre equipamentos e instalações Ex.
http://www.cabum-ex.net.br
CURRÍCULO RESUMIDO DO AUTOR:
Estellito R. Junior é engenheiro eletricista,
representante brasileiro no Comitê TC-31 da IEC que elabora as
normas internacionais sobre atmosferas explosivas, comenta as normas API e ISA sobre
instalações em áreas classificadas, executa auditorias em projetos e montagens elétricas industriais e é especialista
em classificação de áreas, tendo apresentado diversos trabalhos técnicos em
congressos nacionais e internacionais.