CC BY
17УДК 621.313-316
С.Г. Максютов, к.т.н., доцент, e-mail: [email protected]; С.П. Постнов, к.э.н., доцент, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина
ОСНОВЫ ВЫБОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ДЛЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗОН
Установившаяся тенденция к расширению области применения электроприводов в нефтегазовой промышленности требует более квалифицированного подхода к выбору аппаратной части схем их управления. Высокий уровень компетентности требует решений, связанных с выбором электрических аппаратов, которые используются в схемах управления электроприводами, эксплуатируемых во взрывоопасных зонах.
На сегодняшний день технические нормы и накопленный опыт эксплуатации предполагают установку большинства аппаратов и блоков схем управления вне взрывоопасной зоны, что позволяет снизить риски и расходы,связанные с эксплуатацией взрывозащищенных аппаратов. Однако это неприменимо для всех элементов схемы управления электроприводами - стационарных шкафов, пультов, кнопок и переключателей управления. Прежде всего это связано с обеспечением безопасности технологических процессов в нефтегазовой промышленности. Методику выбора устройств и аппаратов, эксплуатируемых во взрывоопасных зонах на стадии проектирования,в наиболее общем случае можно представить в виде следующей последовательности шагов.
1. Определяется класс взрывоопасной зоны. Источником в данном случае могут служить техническое задание на проектирование, декларация промышленной безопасности, спецификация на помещения (объект), в которые планируется установка оборудования, план размещения технологического оборудования открытой площадки и т.п. Класс взрывоопасной зоны определяется технологом (технологическим отделом) проектной или эксплуатирующей организации. Согласно ГОСТ Р 51330.9, класс взрывоопасной зоны определяется специалистами, хорошо знающими свойства горючих газов и паров, технологический процесс и оборудование, в сотрудничестве с инженерами по безопасности, электриками и другим техническим персоналом. Раз-
мер взрывоопасной зоны можно определить по соответствующей штриховке1 на чертежах проектной документации на объект.
Классификация взрывоопасных зон определена в ряде нормативных документов: ПУЭ (гл. 7.3) [1]; ГОСТ Р 51330.9-99 [2]; ГОСТ Р 51330.22-99 [3]; ГОСТ Р МЭК 61241-3[4]. Как показал анализ этих документов, классификация согласно ПУЭ и согласно национальным стандартам различаются. Сегодня не существует нормативного документа, который бы устанавливал соответствие между классификацией ПУЭ и классификацией национального стандарта. В таблице 1 осуществлено сопоставление классов зон. Данная информация может быть использована для выбора решений при проектиро-
ПУЭ ГОСТ Р 51330.9-99 ГОСТ Р 51330.22-99
- 0 (взрывоопасная смесь присутствует постоянно или длительно) -
B-I 1 (существует вероятность присутствия взрывоопасной газовой смеси в нормальных условиях эксплуатации) -
B-Ia 2 (присутствие взрывоопасной смеси в нормальных условиях эксплуатации маловероятно или оно редко и не очень продолжительно) -
B-I6 - -
B-Ir 1 или 2 -
- - 20 (горючая пыль в виде облака имеется постоянно или часто при нормальном режиме работы оборудования)
B-II - 21 (горючая пыль в виде облака может присутствовать при нормальном режиме работы оборудования)
В-IIa - 22 (облако горючей пыли может возникать редко при ненормальном режиме работы оборудования)
1 Наносится согласно ГОСТ Р 51330.9.
Таблица 1. Соотношение классов взрывоопасных зон ПУЭ и национальных стандартов
Таблица 2. Допустимый уровень взрывозащиты или степень защиты оболочки электрических аппаратов и приборов в зависимости от класса взрывоопасной зоны
КЛАСС ВЗРЫВООПАСНОЙ ЗОНЫ УРОВЕНЬ ВЗРЫВОЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ВИД ВЗРЫВОЗАЩИТЫ ИЛИ СТЕПЕНЬ ЗАЩИТЫ ОБОЛОЧКИ
В-I 1. Взрывобезопасное -взрывонепроницаемая оболочка, соответствующая категории и группе взрывоопасной смеси; -заполнение или продувка оболочки под избыточным давлением защитным газом с автоматическим отключением при падении избыточного давления ниже допустимой величины; -масляное заполнение оболочки; -кварцевое заполнение оболочки; -специальный вид взрывозащиты; -искробезопасная электрическая цепь.
2. Особо взрывобезопасное -кварцевое заполнение оболочки; -специальный вид взрывозащиты; -искробезопасная электрическая цепь.
B-Ia, В-Ir 1. Повышенной надежности против взрыва - для аппаратов и приборов, искрящих и не подверженных нагреву выше 80 °С -заполнение или продувка оболочки под избыточным давлением защитным газом, с подачей сигнала при падении избыточного давления ниже допускаемой величины; -масляное заполнение оболочки; -специальный вид взрывозащиты; -защита в виде е; -искробезопасная электрическая цепь.
2. Без средств взрывозащиты для аппаратов и приборов, не искрящих и не подверженных нагреву выше 80°С -оболочка со степенью защиты не менее 1Р54
B-I6 Без средств взрывозащиты -оболочка со степенью защиты не менее 1Р44
В-II 1. Взрывобезопасное (при соблюдении требований ПУЭ п. 7.3.63) -специально предназначенное для работы в зонах с взрывоопасными смесями пыли или волокон с воздухом; -взрывонепроницаемая оболочка для любой категории и группы взрывоопасной смеси; -заполнение или продувка оболочки под избыточным давлением защитным газом, с автоматическим отключением при падении избыточного давления ниже допустимой величины; -масляное заполнение оболочки; -кварцевое заполнение оболочки; -специальный вид взрывозащиты; -искробезопасная электрическая цепь.
2. Особо взрывобезопасное (при соблюдении требований ПУЭ п. 7.3.63) -кварцевое заполнение оболочки; -специальный вид взрывозащиты; -искробезопасная электрическая цепь.
В-IIa Без средств взрывозащиты (при соблюдении требований ПУЭ п. 7.3.63) -специально предназначенное для работы в зонах с взрывоопасными смесями пыли или волокон с воздухом; -оболочка со степенью защиты не менее 1Р54Х.
вании электротехнического оборудования во взрывоопасных зонах, с точки зрения выбора соответствующего уровня взрывозащиты, в том числе и элементов управления электроприводами.
Необходимо отметить, что Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии проводит работу по гармонизации национальных стандартов с международными стандартами МЭК. Возможно, со временем будет пересмотрена и приведена в соответствие с национальными стандартами и глава 7.3 ПУЭ.
2. Исходя из класса взрывоопасной зоны, определяются уровень и вид взрывозащиты оболочки устройств управления и аппарата, как указано в таблице 2. Условия выбора - электрооборудование может применяться, если уровень его взрывозащиты или степень
защиты его оболочки соответствуют указанным в таблице 2 условиям или являются более высокими. В проектной документации, как правило, не указывают марку конкретного аппарата или устройства управления, а указывают его номинальные данные и маркировку, обозначающую взрывозащищенность. Правила маркировки взрывозащищен-ного оборудования устанавливает ГОСТ Р 51330.0-99.
СУЩЕСТВУЮТ ТРИ ТИПА ЗНАКОВ МАРКИРОВКИ ВЗРЫВОЗАЩИТЫ АППАРАТОВ:
1) работающие во взрывоопасной среде смеси газа или паров с воздухом. Имеют маркировку- 0[Exib]IICT4 или PBExdl/ IExdIIBT3 [5];
2) работающие во взрывоопасной среде смеси горючей пыли или волокон с воздухом - DIP А21 TA T3 [6];
3) с оболочкой, обеспечивающей степень защиты не хуже IP54 для взрывоопасных зон В-IIa, В-1б [1]. Условное обозначение уровня взрывозащиты ставится перед знаком Ex, причем обозначение для аппаратов, относящихся к группе I, то есть к рудничному оборудованию, отличается от обозначения группы II, как указано в таблице 3.
Классификационную маркировку взры-возащищенного оборудования по АТЕХ (Aтmospheres Explosibles (взрывоопасные смеси газов)) рассмотрим на примере, предложенном в таблице 4. Расшифровка маркировки согласно порядковому номеру в примере означает следующее.
• Цифра 1. Ex в шестиграннике - маркировка взрывозащищенного оборудования по АТЕХ. Она определяет, что взрывозащищенный аппарат имеет
WWW.NEFTEGAS.INFO
\\ взрывозащищенное оборудование \\ 13
Таблица 3. Обозначение уровня взрывозащиты
УРОВЕНЬ ВЗРЫВОЗАЩИТЫ ГРУППА I ГРУППА II
Повышенной надежности против взрыва РПЕх 2Ех
Взрывобезопасный РВЕх 1Ех
Особо взрывобезопасный РОЕх 0Ех
сертификаты одной из испытательных лабораторий стран ЕС.
• Цифра 2. Область применения:
I - подземные выработки (шахтное оборудование);
II - наземное применение (химическая промышленность, нефтегазовые предприятия и т.п.).
• Цифра 3. Категория зоны:
0 - постоянное присутствие взрывоопасных веществ (более 1000 часов в год). Используется при частом возникновении взрывоопасных или воспламеняющихся концентраций опасных газов или смесей (газов, взвесей);
1 - частое присутствие: 10-1000 часов в год. Используется при возникновении взрывоопасных или воспламеняющихся концентраций опасных газов или смесей (газов, взвесей) лишь время от времени (например, при аварийных ситуациях);
2 - краткосрочные - менее 10 часов в год. Используется при редких случаях возникновения такого рода ситуаций.
• Цифра 4. Окружающая атмосфера: G - газ;
D - пыль (для горючих пылей, волокон и взвесей).
• Цифра 5. Буква Е означает соответствие европейским нормам (требования стандарта CENELEC).
• Цифра 6. Ех - знак взрывозащи-щенного оборудования по стандарту CENELEC.
• Цифра 7. Тип взрывозащиты. Существует следующая классификация видов защиты:
d - взрывонепроницаемая оболочка (как в данном примере); е - защита вида е (повышенная); о - масляное заполнение; р- заполнение или продувка оболочки под избыточным давлением; q - кварцевое заполнение;
m - заполнение компаундом; i - искробезопасная электрическая цепь: данный тип взрывозащиты гарантирует, что опасная ситуация не может возникнуть в результате искры (при коротком замыкании), либо в случае внезапного обрыва цепи питания (энергия внутренней индуктивности прибора), либо в результате нагрева токоведущих проводов; ia - опасная ситуация не может возникнуть при нормальной эксплуатации при помехах на линии и при любой комбинации двух возможных неисправностей;
ib - опасная ситуация не может возникнуть при нормальной эксплуатации, при помехах на линии и одной неисправности.
После главного вида защиты может указываться дополнительный. • Цифра 8. Категория взрывоопасности газовой смеси.
Индекс состоит из двух элементов -римской цифры, обозначающей область применения, и буквы, обозначающей подгруппу.
Римские цифры, определяющие область применения, в свою очередь обозначают:
I - подземные работы;
II - наземное применение (как в данном примере).
Для видов защиты d и i в случае наземного применения вводятся подгруппы IIA, IIB и IIC. Данные подгруппы различаются по величине безопасного экспериментального максимального зазора (БЭМЗ - максимальный зазор между фланцами оболочки, через который не происходит передача взрыва из оболочки в окружающую среду) и/ или величине МТВ (отношением минимального тока воспламенения смеси взрывоопасного газа и минимального
тока воспламенения метана), что и показано в таблице 5. • Цифра 9. Температура воспламенения взрывоопасных газов и смесей. Согласно национальному стандарту, существует классификация по температуре самовоспламенения приведенная в таблице 6.
Маркировка взрывозащиты может содержать квадратные скобки. Это указывает на то, что это связанное оборудование. Связанное оборудование, размещенное во взрывоопасной зоне и имеющее вид взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка», маркируется следующим образом: Exd[ia] 11ВТ4. Связанным называется электрооборудование, которое содержит одновременно как искроопасные, так и искробезопасные электрические цепи, но конструкция его выполнена так, что искроопасные цепи не могут повлиять на степень безопасности искробезо-пасных цепей. Примером связанного электрооборудования являются барьеры искробезопасности. 3. Для каждого из выбранных устройств управления и аппаратов производится выбор элементов, обеспечивающих герметизацию ввода для кабелей, обеспечивающих их подключение в схему управления электроприводом. В соответствии с национальными стандартами и ПУЭ кабельные вводы являются Ех-компонентом и имеет маркировку взрывозащиты ExdICU/ExdIICU или ExdIICU в соответствии с ГОСТ Р 51330.099. Они предназначены для применения во взрывозащищенном электрооборудовании I и II групп в соответствии с ГОСТ Р 51330.099.
Алгоритм выбора для Ех-кабельных вводов и кабельных уплотнений, используемых в месте перехода из взрывоопасной зоны в безопасную или из одной взрывоопасной зоны в другую, приведен ниже.
3.1. Выбор Ех-кабельных вводов производится после выбора типа кабеля.
3.2. При наличии бронированных кабелей в схеме необходимо выбирать Ех-кабельный ввод с устройством за-
Таблица 4. Пример маркировки взрывозащищенного электрооборудования
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ МАРКИРОВКА ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
1 2 3 4 5 6 7 8 9
II 0 G Е Ех d IIB T4
Таблица 5. Требования к аппаратуре по категориям взрывоопасности газовой смеси
КАТЕГОРИЯ ВЗРЫВООПАСНОЙ СМЕСИ БЭМЗ (ММ) МТВ
I (рудничный метан) более 1,0 1,0
IIA 0,9 и более 0,8
IIB от 0,5 до 0,9 от 0,4 до 0,8
IIC 0,5 и менее менее 0,45
Таблица 6. Классификация газов и смесей по температуре воспламенения
ГРУППА СМЕСИ ТЕМПЕРАТУРА САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ, °С
Т1 более 450
Т2 от 300 до 450
Т3 от 200 до 300
Т4 от 135 до 200
Т5 от 100 до 135
Т6 от 85 до 100
крепления брони или специальные вводы для такого типа кабеля. Устройства закрепления и специальные вводы различаются в зависимости от типа брони кабеля: стальная или алюминиевая лента, сетчатая стальная оплетка, стальная однорядная проволока и пр. Для кабелей со свинцовой оболочкой выбирают Ех-кабельный ввод с устройством уплотнения этой оболочки (в типе кабельного ввода добавляется индекс РВ). 3.3. На схеме и в спецификации указываются места уплотнения кабелей и характер уплотнения, например, по внешней оболочке или по внешней и внутренней. При выборе способа уплотнения ориентируются на структуру кабеля (например, плотность прилегания проводников и т.п.) и свойства его наполнителя (например, гигроскопичность и т.п.). Возможны два варианта уплотнения: заливка компаундом (применяется всегда при условии, что свободный внутренний объем оболочки превышает 2 л) и с помощью кабельных сальников. При выборе типа сальников для уплотнителей необходимо учесть, что резиновые сальники и уплотнители при длительном контакте с газами (пропан, бутан, сероводород, окись и двуокись углерода и т.п.) и высоких температурах теряют свои рабочие свойства. Это связано с тем, что практически все резины содержат в своем составе пластификаторы (дибутилфталат (ДБФ), дибути-себацинат (ДБС), сложный эфир ЛЗ-7 и др.), которые вводят в резины для улучшения их технологических свойств и морозостойкости. Они же значительно повышают и термостойкость резин за счет уменьшения доли балластного материала, однако одним из недостатков серийных пластификаторов является
их низкая температура испарения [7]. В результате нагрева и воздействия газов резиновые уплотнители становятся жесткими, теряют тепло- и морозостойкость, а их размеры уменьшаются на 5-20% [8]. В связи с этим в описании мест уплотнения кабелей необходимо ориентировать выбор на материалы, из которых эти уплотнители выполнены (например: сальники из двухрецептур-ной резины на основе гидрированного бутадиен-нитрильного каучука или уплотнитель из термопластичного эла-стопласта). Это ограничение по использованию резины в качестве материала уплотнителей крышек оболочек должно учитываться и при выборе шкафов и аппаратов, что также влияет на конечный выбор их типа и марки. 3.4. В спецификации также необходимо отразить условия окружающей среды, в которых будут эксплуатироваться Ех-кабельные вводы, предусмотрев необходимый уровень защиты IP. При эксплуатации в сероводородной среде необходимо использовать вводы, стой-
кие к коррозии. Возможно, потребуются Ех-кабельные вводы из нержавеющей стали, покрытие их никелем или другими металлами.
3.5. Указать места и способ герметизации резьбы на входе в оболочку шкафа или аппарата для обеспечения защиты IP66 (или IP67/IP68). 4. На основании пп. 1-3 составляется спецификация применяемого взрыво-защищенного электрооборудования с учетом требований гл. 7.3 ПУЭ [1] и соответствующих национальных стандартов (или технических условий) на отдельные виды электрооборудования. В предлагаемой статье предпринята попытка ответить на важные практические вопросы, возникающие при проектировании схем управления электроприводами объектов нефтегазовой промышленности. Данная публикация не является официальным документом,и ее нельзя использовать при решении юридических вопросов, связанных с деятельностью в области промышленной безопасности.
Литература:
1. ПУЭ. Правила устройства электроустановок. Шестое издание. - М., Энергосервис, 2002.
2. ГОСТ Р 51330.9-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 10. Классификация взрывоопасных зон.
3. ГОСТ Р 51330.22-99. Электрооборудование, применяемое в зонах, опасных по воспламенению горючей пыли. Часть 3. Классификация зон.
4. ГОСТ Р МЭК 61241-3-99. Электрооборудование, применяемое в зонах, опасных по воспламенению горючей пыли. Часть 3. Классификация зон.
5. ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 11. Искробезопасная электрическая цепь i.
6. ГОСТ Р МЭК 61241-1-1-99. Электрооборудование, применяемое в зонах, опасных по воспламенению горючей пыли. Часть 1. Электрооборудование, защищенное оболочками и ограничением температуры поверхности.
7. Липовцева С.Г., Юровский В.С., Синичкина Ю.А. Разработка и исследование резин для уплотнителей трубопроводов // Каучук и резина. 2007, № 3.
8. Соколовский А.А., Вайнштейн Э.Ф., Ухова Е.М., Кузьминский А.С. Старение резин в напряженном состоянии. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1988.
WWW.NEFTEGAS.INFO
\\ взрывозащищенное оборудование \\ 15
