A detecção de gás em atmosferas explosivas

Sempre houve a ideia de se desenvolver os detectores de gás desde que se tem conhecimento dos efeitos nocivos dele em espaços confinados ou atmosferas explosivas. Nesses locais, antes do desenvolvimento de sensores eletrônicos, eram usados pássaros que eram colocados nos locais em gaiolas e, se parassem de cantar ou morressem, os usuários seriam alertados. Deve-se conhecer o projeto e a implantação de sistemas fixos de detecção de gás, incluindo equipamentos de detecção de gás associados ou periféricos, para a detecção de gases/vapores inflamáveis e oxigênio, quando utilizados em uma aplicação relacionada à segurança.

gás2Da Redação –

Os detectores de gás usam um sensor para medir a concentração de gases específicos na atmosfera e ele serve como ponto de referência e escala, produzindo uma corrente elétrica mensurável quando ocorre uma reação química causada por um gás específico. O sensor monitorará essas correntes e alertará o usuário quando a presença de gás se aproximar de uma quantidade perigosa.

Os primeiros instrumentos foram feitos para detectar apenas um gás, mas agora eles podem medir vários de uma só vez – mais comumente, oxigênio (O2), gases ou vapores inflamáveis, sulfeto de hidrogênio (H2S) e monóxido de carbono (CO). Estes são os gases que um detector de quatro gases monitora.

A maioria dos detectores de gás portáteis usa um sensor de pelistor/esferas catalíticas e, para funcionar com precisão, é necessário um mínimo de 10% de oxigênio no ambiente para evitar o acúmulo de alcatrão e combustível não queimado no anel ativado. Teoricamente, o sensor pode durar até quatro anos, mas é muito sensível e pode quebrar facilmente se o monitor bater ou cair.

A maioria dos sensores chegará ao fim de suas vidas quando completarem três anos e precisarão ser substituídos. Esse pode ser um processo oneroso que deixará o detector fora de ação, portanto, pode-se precisar de instrumentos extras para garantir a cobertura enquanto o trabalho de reparo está sendo realizado. Outros componentes, como telas de luz de fundo e alertas de áudio, também começarão a apresentar falhas, por isso é importante manter os detectores bem conservados.

Os sensores pelistor podem ser contaminados por muitas coisas, incluindo os gases que estão detectando. Os sensores contaminados podem não registrar níveis perigosos de gases e ficarão gradualmente mais lentos e sem resposta ao longo do tempo. Seu desempenho depende de ensaios completos, usando a calibração e o ensaio de resposta, para garantir que eles estejam sempre medindo a quantidade correta de gás para manter os locais em segurança.

Os sensores infravermelhos não requerem oxigênio, portanto, funcionarão em atmosferas completamente inertes. Isso os torna ideais para a detecção em espaços confinados e atmosferas explosivas, sendo que a coleta de amostras em tanques, onde há a falta de oxigênio, é um problema. Eles também são imunes à contaminação do sensor, portanto não há necessidade de calibração para garantir que o detector de gás esteja funcionando corretamente.

Um sensor pelistor tradicional usa uma bobina de alumínio aquecida que drena uma grande quantidade de energia. No entanto, os detectores de gás que usam sensores infravermelhos são muito mais eficientes em termos de energia com baterias que não precisam ser carregadas com tanta frequência.

Dessa forma, uma explosão é qualquer onda de combustão não controlada e, para criar uma explosão, ele deve ser combustível (por exemplo, um gás explosivo como o hidrogênio) e oxidante (como o oxigênio do ar) e uma fonte de energia de ignição (por exemplo, uma superfície quente ou uma faísca elétrica). Esses três itens são comumente referidos como o triângulo do fogo.

Além disso, são necessárias duas facetas adicionais, algo para misturar o combustível e o oxidante (como a turbulência criada em um vazamento de gás sob pressão) e a contenção. No entanto, é prática industrial comum usar o termo explosão para combustão confinada e não confinada.

Para qualquer mistura de gás combustível ou vapor com um oxidante, há uma energia de ignição crítica. Se alguém liberar menos do que essa quantidade crítica de energia na mistura, não haverá uma explosão de autopropagação. Alguma combustão pode ocorrer de forma transitória, mas a onda de combustão não cresce e se autopropaga. Se alguém liberar pelo menos a quantidade crítica de energia, a onda de combustão passará pelos estágios incipientes do crescimento e se autopropagará como uma onda plana, resultando em uma explosão.

Em uma concentração crítica chamada concentração mais facilmente inflamada, a quantidade de energia necessária para causar a ignição é mínima. Se o experimento de ignição for conduzido sob condições que permitam assumir que toda a energia injetada na nuvem de gás/vapor é utilizada no processo de combustão, a energia crítica é chamada de energia mínima de ignição. Como a concentração varia mais facilmente inflamada, a quantidade de energia necessária para causar a ignição aumenta, aproximando-se assintoticamente em menor concentração, no limite explosivo mais baixo, geralmente chamado limite inferior de inflamabilidade e em concentração mais alta, no limite explosivo superior geralmente chamado de limite superior de inflamação.

O enriquecimento de oxigênio aumenta a liberação de calor na zona de combustão da frente de onda em desenvolvimento e, portanto, diminui a contribuição inicial de energia necessária da fonte de ignição. A concentração mais facilmente inflamada de oxigênio e vapores ou gases inflama cerca de um centésimo da energia mínima de ignição da concentração mais facilmente inflamada do mesmo vapor ou gás no ar.

Como as velocidades da chama são consideravelmente mais altas, o aumento da pressão em um gabinete à prova de explosão também pode ser muito maior. Nenhum meio de proteção contra explosão considerado para misturas atmosféricas deve ser considerado seguro em misturas enriquecidas com oxigênio sem exame cuidadoso.

O efeito qualitativo do aumento da temperatura é relativamente fácil de estimar. Todo material tem uma temperatura de ignição espontânea na qual ele irá inflamar espontaneamente. Obviamente, se a temperatura de uma mistura for aumentada, a quantidade de energia elétrica necessária diminuirá, chegando a zero na temperatura de ignição.

O efeito da pressão é compreensível ao se considerar que, quando a pressão aumenta, o número de moléculas por unidade de volume aumenta. A liberação de calor por unidade de volume aumentará consequentemente, e a energia de ignição necessária para fazer com que a esfera de chama incipiente cresça até seu diâmetro crítico diminua.

Da mesma forma, diminuir a pressão diminui a quantidade de energia liberada na zona de combustão e aumenta a energia de ignição elétrica necessária. Essa relação foi verificada experimentalmente em muitos ambientes de mudança de pressão. Dobrar a pressão de um gás reduz a energia de ignição para aproximadamente 25% do seu valor anterior.

A NBR IEC 60079-29-3 de 10/2019 – Atmosferas explosivas – Parte 29-3: Detectores de gás — Orientações sobre segurança funcional de sistemas fixos de detecção de gases apresenta orientações para o projeto e a implantação de sistemas fixos de detecção de gás, incluindo equipamentos de detecção de gás associados ou periféricos, para a detecção de gases/vapores inflamáveis e oxigênio, quando utilizados em uma aplicação relacionada à segurança, de acordo com a IEC 61508 e a IEC 61511. Esta norma também é aplicável à detecção de gases tóxicos.

Os sistemas fixos de detecção de gás têm sido utilizados há muitos anos para realizar funções de segurança instrumentada. Como qualquer sistema instrumentado, um sistema fixo de detecção de gás normalmente é composto de entradas de detector de gás único ou múltiplo, de uma unidade de controle e de um único ou múltiplos elementos finais ou saídas. Equipamentos periféricos adicionais podem ser incorporados em um sistema fixo de detecção de gás, por exemplo, um sistema de amostragem de gás ou um sistema de condicionamento de gás.

Se um sistema fixo de detecção de gás, incluindo qualquer equipamento periférico aplicável pretender ser efetivamente utilizado para funções instrumentadas de segurança, é essencial que o sistema como um todo atenda a determinados padrões mínimos e níveis de desempenho. É importante compreender que a quantidade de pontos de sensores e suas localizações apropriadas, suas redundâncias, o gerenciamento da manutenção periódica, verificação, calibração de respostas específicas e outras características específicas (como projeto e sistemas de amostragem de gás) são todos previstos para apresentarem um grande efeito na integridade geral do sistema instrumentado de segurança (SIS – Safety Instrumented System) ou na capacidade (SIL – Safety Integrity Level) de qualquer unidade funcional individual.

Isto, entretanto, não exclui o requisito de cada função instrumentada de segurança (SIF – Safety Instrumented Function) de possuir uma integridade funcional autônoma. Essa norma abrange os requisitos mínimos e níveis de desempenho de sistemas fixos de detecção de gás, os quais são baseados na utilização de sistemas elétricos, eletrônicos ou de eletrônica programável (ES/PES – Electrical/Electronic System/Programmable Electronic System), para toda aplicação, quando o objetivo declarado envolver a redução de risco ou se o sistema de detecção de gás for utilizado como um sistema adicional de segurança.

Esta norma não é aplicável a detectores portáteis ou sistemas fixos de detecção de gás quando o objetivo declarado da aplicação não envolver a redução de risco. Entretanto, esta norma poderia ser utilizada como um documento de boas práticas para estes dispositivos ou sistemas. A expressão sistema de detecção de gás dentro desta norma é genérica e é aplicável tanto a detectores fixos de gás autônomos (stand-alone), que podem possuir seus próprios níveis internos de desligamento (trip) e de alarme e saídas chaveadas (contatos), como sistemas complexos fixos de detecção de gás autônomos (Anexo A – Aplicações típicas).

Essa norma considera a possível complexidade de uma cadeia de fornecimento, que um fabricante de sistema de detecção de gás, vendedor ou integrador pode encontrar, o que inclui, mas não se limita à utilização de detectores de gás autônomos, que são integrados em um sistema geral de segurança, por um fabricante de equipamentos de detecção de gás, vendedor ou integrador de sistema (ou equivalente); ao projeto e utilização de subsistemas fixos de detecção de gás, incluindo qualquer equipamento de detecção associado ou periférico, que são integrados em um sistema geral de segurança por um fabricante de equipamentos de detecção de gás, vendedor ou integrador de sistema (ou equivalente); ao projeto e à utilização de um sistema fixo de detecção de gás completo, incluindo equipamentos de detecção associados ou periféricos, que forma o sistema de segurança geral.

A IEC 61508 – Partes 1, 2 e 3 abrangem o projeto de detectores de gás autônomos, unidades de controle ou elementos finais. Orientações sobre o projeto de equipamentos periféricos estão incluídas naquelas partes da norma internacional. Para a aplicação desta norma, é importante entender e classificar a aplicação do sistema fixo de detecção de gás.

As três principais aplicações são: como um sistema de prevenção – o sistema total ou uma malha individual de controle instrumentada possuindo uma função de segurança e um nível de integridade de segurança claramente definido; como um sistema de mitigação – o sistema total ou uma malha individual de controle instrumentada possuindo um função de segurança e um nível de integridade de segurança claramente definido; como um sistema de proteção adicional de segurança – isto abrange os sistemas fixos de detecção ou uma malha individual de controle instrumentada que operam em paralelo (secundário) a um sistema de segurança instrumentado, e que somente é solicitado quando o sistema primário fixo de detecção ou uma malha individual de controle instrumentada falhar ou um outro nível de proteção falhar.

Sob nenhuma circunstância a utilização de um sistema de proteção adicional de segurança de detecção de gás pode contribuir para a declaração da tolerância de falha de hardware HFT (Hardware Fault Tolerance) para o sistema instrumentado de segurança. Um sistema fixo de detecção de gás, como mostrado na figura abaixo, pode operar muitas vezes por ano, dependendo da aplicação, e desta forma esta norma aceita que a taxa de solicitação associada com na solicitação (on demand) (solicitação baixa) convém que seja especificada nos requisitos de segurança (por exemplo, poderia ser > 1/ano mas <10/ano).

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Para auxiliar em uma possível complexidade e requisitos associados exclusivos com os sistemas fixos de detecção de gás, um sistema fixo de detecção de gás pode ser dividido em unidades funcionais. Cada unidade funcional pode variar em complexidade; uma unidade funcional pode ser um detector de gás simples ou uma combinação de componentes que formam um equipamento periférico. Cada unidade funcional é avaliada de forma independente com base na IEC 61508 durante a fase inicial do projeto da unidade funcional, permitindo assim que dados de segurança sejam atribuídos para uma unidade funcional.

Os elementos básicos de um subsistema/sistema (por exemplo, um detector de gás, controlador lógico etc.) são projetados como um produto em conformidade com a IEC 61508, Partes 1, 2 e 3. Cada unidade funcional é então montada de acordo com esta norma para fornecer um sistema fixo de detecção de gás completo. Não é necessário reavaliar as unidades funcionais individuais, quando elas são utilizadas em uma configuração diferente – é necessário avaliar apenas a combinação de unidades funcionais.

Esta norma é baseada no modelo de ciclo de vida de segurança detalhado na IEC 61508, mas acrescenta informações adicionais e de apoio para auxiliar nas fases específicas deste ciclo de vida de segurança típico. Especifica os requisitos previstos na Gestão de Segurança Funcional, que convém que sejam atendidos por todas as pessoas ou empresas que estão envolvidas na cadeia de fornecimento de um sistema fixo de detecção de gás.

A gestão de Segurança Funcional é aplicável a todas as fases do ciclo de vida de segurança, independentemente do produto, subsistema, sistema de fornecimento ou serviço que estiver sendo fornecido. Para esta norma, a capacidade SIL exclui a consideração de cobertura de detecção de gás ou o transporte de gás ou vapor para o ponto de medição. A NBR IEC 60079-29-2 é pertinente a estes dois assuntos.

Outras partes desta norma e normas regionais, nacionais ou internacionais aplicáveis, especificam de forma separada os requisitos de desempenho de um detector de gás, e a unidade de controle de detecção de gás (controlador lógico). Essas normas são comumente conhecidas como normas de desempenho metrológico e são relacionadas com precisão do valor medido e o desempenho do sistema, mas não com a integridade em relação à função de segurança.

Essa norma é aplicável à integridade da função de segurança. Em determinadas jurisdições, pode ser requerido que um organismo de certificação de produto certifique o desempenho de equipamentos para a medição de gases ou vapores inflamáveis, gases tóxicos ou oxigênio utilizados em aplicações relacionadas à segurança. Especifica considerações relacionadas com a segurança para sistemas fixos de detecção de gases, incluindo equipamentos associados ou periféricos, em termos de estrutura e filosofia da IEC 61508 e introduz requisitos particulares requeridos por sistemas fixos de detecção de gases, como mostrado na figura abaixo.

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Esta norma não considera o nível de integridade de segurança (Safety Integrity Level) SIL 4. O SIL 4 é assumido como sendo não realístico para ser atingido por sistemas de detecção de gases. É raro para qualquer estudo de risco determinar um nível de integridade de segurança mais alto que SIL 2, para um sistema de detecção de gás. Essa norma é aplicável para sistemas fixos de detecção de gás, que podem ser formados das seguintes unidades funcionais de hardware: sensor de gás/transmissor; unidade de controle de detecção de gás (controlador lógico); amostragem de gás (simples ou multiplexadas); condicionamento de gás; ajustes e calibração automática; módulo de saída (se não for parte da unidade de controle).

Recomenda-se assegurar que cada um dos requisitos apresentados nas Seções 5 a 16 tenham sido satisfeitos, para o critério definido e, desta forma, os objetivos da seção tenham sido atendidos. Um sistema fixo de detecção de gás pode operar diversas vezes por ano, dependendo da aplicação, de forma que esta norma recomenda que a taxa de demanda associada a sob demanda (demanda baixa) seja especificada nos requisitos de segurança (por exemplo, uma referência poderia ser > 1/ano porém <10/ano).

Os intervalos de ensaios funcionais para o modo de baixa demanda são determinados com a premissa de que a taxa de demanda é no máximo 1 por ano. Se a taxa de demanda especificada for maior do que 1 por ano por fator “X”, o intervalo dos ensaios de verificação funcional deve ser reduzido pelo fator “X”.

Os sistemas fixos de detecção de gás diferem dos sistemas instrumentados comuns, de diversas formas. Durante as fases de projeto e de engenharia de qualquer sistema fixo de detecção, é necessário compreender as características ou as demandas específicas associadas à detecção de gás. Os sistemas de detecção de gás são constituídos de um mecanismo de transporte para mover o gás ou vapor do vazamento para o elemento sensor, de forma diferente dos dispositivos de segurança de processo, como sensores de pressão e de temperatura, os quais estão em contato direto com o processo.

Desta forma, a determinação do ponto de localização do elemento sensor não faz parte desta norma. Entretanto, recomenda-se compreender que a localização do ponto do sensor pode ter um efeito geral na operação de qualquer sistema fixo de detecção de gás, independentemente do sistema estar ou não relacionado com a segurança. Nessa norma é assumido que o gás ou vapor alcança o sensor. Ver a NBR IEC 60079-10-1 para considerações sobre classificação de áreas. Por exemplo, ver a ISA TR84.00.07 para orientações sobre a avaliação da efetividade de sistemas de gás.

Os sensores de gás podem incorporar um elemento de filtro passivo para proteger a membrana do sensor de gás, contra poeira, sujeira ou umidade contida no ar, ou pode incorporar um disco de metal sinterizado para proteção contra a ocorrência de uma explosão. Todos os tipos de elementos de filtro passivo possuem um modo de falha perigoso não detectado (por exemplo, entupimento), e desta forma requerem inspeções programadas e um teste de verificação funcional.

Recomenda-se que o estado de função de segurança por ponto de sensor considere a utilização intrínseca destes filtros passivos, convém entretanto incluir dentro do estado de função de segurança um tempo de resposta aceitável, a partir do momento em que o ensaio de verificação funcional for iniciado. Os sensores de gás podem incorporar um elemento de filtro ativo para condicionar ou carregar o gás ou o vapor detectado. Convém que estes filtros ativos sejam especificados pelo fabricante e possuam um tempo de vida definido.

Todos os filtros deste tipo possuem modos de falhas perigosos não detectados (por exemplo, entupimento, saturação e desativação), e desta forma requerem inspeções programadas e ensaios de verificação funcional. Os sensores de gás podem incorporar um filtro catalítico. Estes filtros não possuem um tempo de vida definido; entretanto, eles sofrem os mesmos efeitos como os filtros passivos.

Convém que estes filtros sejam tratados como filtros passivos, a menos que as condições ambientais afetem o material catalítico. Todos os filtros deste tipo possuem modos de falhas perigosas não detectados, e desta forma requerem inspeções programadas e ensaios de verificação funcional.

Convém que todos os princípios de operação dos sensores sejam avaliados de acordo com a adequação para a aplicação. Dependendo da aplicação e dos princípios dos sensores, estes podem ser tornar: envenenados – incapazes de detectar o gás pretendido; inibidos – sensibilidade reduzida ou incapaz de detectar o gás pretendido; saturados – incapazes de realizar corretamente as medições, devido à concentração excessiva do gás pretendido; consumidos – sensibilidade reduzida ou incapaz de detectar o gás pretendido porque a vida útil do sensor foi consumida; desidratados – alteração na sensibilidade ou na precisão; hidratados – alteração na sensibilidade ou na precisão; sujeitos a efeito de dormência – incapaz de detectar alterações de baixa concentração; sujeitos a interferência óptica – sujeito a leitura espúrias de gás; sujeitos a bloqueio óptico – incapaz de detectar o gás pretendido.

Algumas destas condições de sensor podem ser detectadas por diagnósticos, e desta forma, a falha pode ser de perigo detectável. Outras condições de sensor podem não ser detectadas por diagnósticos, e sendo assim, qualquer falha pode ser de perigo não detectável, e desta forma, as inspeções programadas e ensaios de verificação funcional do sensor (calibração) são requeridos.

Tecnologias específicas de sensores estão sujeitas a falhas de causa comum; substâncias presentes no ar podem inibir ou envenenar tecnologias específicas de sensores (por exemplo, sensores catalíticos), enquanto os sensores eletroquímicos estão sujeitos a reações químicas adversas. Os sensores que utilizam estas tecnologias possuem um modo de falha perigoso não detectável (aplicação específica), a menos que o diagnóstico do sensor detecte a perda da sensibilidade do sensor.

Se o envenenamento ou as reações químicas adversas não puderem ser excluídas de uma aplicação, inspeções programadas e testes de verificação funcional do sensor (calibração) são requeridos. Se estes modos de falha não puderem ser excluídos de uma aplicação, sensores redundantes não irão melhorar a integridade da segurança, uma vez que estes modos de falhas são de causas comuns aos sensores. A integridade da segurança pode ser melhorada em tais casos somente pela utilização de diferentes princípios de detecção.

Tecnologias específicas dos sensores possuem um tempo de vida dado em ppm.h ou %vol.h. Sensores que possuem restrições de tempo de vida podem apresentar um modo de falha perigoso não detectado, e desta forma inspeções programadas e ensaios de verificação funcional do sensor (calibração) são requeridos, a menos que o diagnóstico do sensor detecte a proximidade do fim de vida.

Diferente da medição de processo, os sensores de gás não apresentam valores de leituras negativas de gás. Sinais abaixo de zero podem ser ocasionados por desvio de zero ou sensibilidades cruzadas adversas. Os gases e vapores geram diversos riscos. Eles podem ser inflamáveis, tóxicos ou ambos.

Os níveis de oxigênio podem ser excessivos ou deficientes. Recomenda-se que todas as análises de riscos e de perigos considerem todos os riscos associados com os gases e vapores, o que inclui efeitos de curto prazo e de longo prazo. Recomenda-se que a dispersão dos gases inclua modelamentos de dispersão considerando as densidades específicas do gás/vapor. Recomenda-se que as condições ambientais, incluindo a presença de outros gases, sejam considerados.

Algumas das funções de detecção de gás são preventivas, enquanto outras somente mitigam as consequências. As funções de detecção de gás que atenuam as consequências podem não ser totalmente eficazes mesmo se ativadas. A determinação da eficácia da função de mitigação está fora do escopo desta norma, porém é mais uma função específica da operação da planta e do pessoal.

A maioria dos sensores de detecção de gases sofrem com sensibilidades cruzadas que podem aumentar ou diminuir a resposta ao gás. Em geral, as sensibilidades cruzadas podem gerar alarmes falsos ou impedir que alarmes sejam acionados. Portanto, convém que uma atenção especial seja dada aos gases ou vapores que possam estar presentes na área de aplicação do sensor.

Os sistemas de detecção de gás utilizam os sinais de estados especiais, para indicar a condição de pontos de medição individuais, circuitos de malhas de comando individuais ou do sistema como um todo. Os estados especiais podem indicar: ponto de medição, malha de controle ou sistema em modo de inicialização; ponto de medição, malha de controle ou sistema inibido/sobreposto (bypass); ponto de medição, malha de controle ou sistema em calibração; outras condições do sistema que impedem o monitoramento da concentração do gás no local.

Os estados especiais acionam um contato ou outro sinal de saída transmissível. A utilização destes sinais de estado especiais devem ser claramente definidas na função de segurança, e nem sempre é necessário para iniciar um estado de segurança sob uma condição de estado especial. Os sinais de estados especiais são requisitos da NBR IEC 60079-29-1. A conformidade com as normas de desempenho de metrologia é requerida para todos os níveis SIL.

As normas de desempenho de metrologia incluem a NBR IEC 60079-29-1 e a NBR IEC 60079-29-4. Outras normas podem ser aplicáveis em determinadas jurisdições, incluindo as normas para gases tóxicos e detecção de oxigênio. As normas de desempenho de metrologia incluem ensaios de compatibilidade eletromagnética (EMC) em conformidade com a IEC 61326-1. Convém que os equipamentos de detecção de gás associados apresentem considerações similares referente à EMC.



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