Tehlikeli alanlarda Raman spektroskopisi kurulumu (ATEX, IECEx, NEC/CEC)

Bu eğitim makalesi, ATEX Bölgeleri 0/1/2, IECEx ve Kuzey Amerika Sınıf I (NEC/CEC) çevre koşulları dahil olmak üzere, gazlı patlayıcı ortamlara kurulan Raman spektroskopi sistemlerine odaklanmaktadır.

Şöyle açıklanıyor:

• Raman sistemleri neden tehlikeli alan gereksinimlerine girer ve kurulumlar ne zaman bu gereksinimlerine uymak zorundadır?
• Optik ateşleme risklerinin nasıl ortaya çıktığı, nasıl değerlendirildiği ve nasıl azaltıldığı
• ATEX, IECEx ve Kuzey Amerika düzenlemeleri, aynı fiziksel güvenlik ilkelerini nasıl sertifikasyon ve kurulum kurallarına dönüştürür?
• Optik tutuşturma risklerinin, güç sınırlama (Ex op is) ve kilitlemeli sistem (Ex op sh) koruma konseptleriyle nasıl kontrol altına alındığını ve bunun ekipman etiketlemesi ile kurulum gereksinimlerine etkilerini öğrenin

Not: Raman spektroskopisi cihazları, toz, pudra veya lif içeren patlayıcı ortamlarda kullanım için onaylanmamıştır. Sonuç olarak, bu çevre koşulları bu makalenin kapsamı dışındadır.
Bu makale, ayrı sistem tasarımı ve sertifikasyon yaklaşımları gerektiren optik olmayan ateşleme mekanizmalarını veya ayrıntılı ulusal yasal uyum prosedürlerini de ele almamaktadır.

Raman spektroskopisi sistemleri, ölçüm noktasında kıvılcım veya yüksek sıcaklıkta çalışan elektrikli bileşenler oluşturmasa da, optik ışınım yanıcı bir gaz veya buhar ortamındayoğunlaştığında potansiyel bir tutuşma kaynağı haline gelebilir.

Alevlenme riski, yüzeylerde veya parçacıklarda yoğunlaşan optik enerjinin neden olduğu yerel ısınmadan kaynaklanır. Bir Raman sistemi, oksijen ile yanıcı gaz buharları veya sisinin bir arada bulunabileceği bir ortama maruz kaldığı anda, tehlikeli bir alanda kabul edilir ve ilgili tehlikeli alan ekipman gereksinimlerine uymak zorundadır.

Raman spektroskopisi için tehlikeli alanlara uygunluk, yalnızca elektriksel kıvılcımlar veya bölgesel mevzuat değil, optik tutuşma fiziği tarafından belirlenir.

Raman sistemlerinin tehlikeli alanlara uygunluğu, dünya çapında aynı fiziksel güvenlik ilkelerine uygundur. Bölgesel çerçeveler, esas olarak tehlikeli alanların sınıflandırılması ve belgelenmesi açısından farklılık gösterir; temel kurulum mantığı veya tutuşma önleme mekanizmaları açısından ise farklılık göstermez.

ATEX (Avrupa) ve IECEx (uluslararası) standartları, patlayıcı gaz ortamlarının oluşma olasılığını ve süresini belirlemek için Bölgeye dayalı bir sınıflandırma sistemi (Bölge 0, 1, 2) kullanır. Bu bölgeler, Raman problarının nereye kurulabileceğini ve hangi koruma önlemlerinin alınması gerektiğini belirler.

• ATEX(EU), CE işareti ile bağlantılı bir yasal çerçevedir.
• IECEx(uluslararası), IEC standartlarına dayalı küresel bir uygunluk sistemi sunmaktadır.

Kuzey Amerika (NEC/CEC) gaz tehlikeli konumlar (Sınıf I) için Sınıf/Bölüm veya Sınıf/Bölge kavramlarını kullanır; ekipman onayları genellikle UL, FM veya CSA tarafından verilir.

Terminoloji farklı olsa da amaç aynıdır: Tehlikeli konumları tanımlamak ve tutuşma kaynaklarının kontrol altında tutulmasını sağlamak.

• Tehlikeli alan sınıflandırması, optik probların ve ilgili bileşenlerin nereye kurulabileceğini belirler (ATEX/IECEx'te Bölgeler; NEC/CEC'de Sınıf/Bölüm veya Sınıf/Bölge).
• Işın hapsetme, optik yollar ve fiber bağlantılar üzerindeki kilit mekanizmalarıyla birlikte, ölçüm noktasında (prob ucu) lazer gücünün sınırlandırılmasıyla optik tutuşmayı önler.
• Lazer ışınlarının yanıcı gaz ortamını tutuşturmaması için sistem düzeyinde optik koruma önlemleri uygulanmaktadır.

Raman sistemlerinde, prob ucunun konumu tehlikeli alan gereksinimlerini belirler; zira optik enerji, prosese kasıtlı olarak buradan yayılır.

• Bölge 0: Patlayıcı ortamın sürekli veya uzun süreler boyunca mevcut olduğu yerler
• Bölge 1: Ara sıra meydana gelme olasılığı var
• Bölge 2: Olasılığı düşük veya kısa süreli

Analizör genellikle fiziksel olarak tehlikeli olmayan (genel) bir alana kurulur; fiber optik kablolar ise analizörü Bölge 0, 1 veya 2’deki proba bağlar.

Analizör, genel bir alana kurulmuş olsa bile, optik enerjiyi tehlikeli bir bölgeye ileten bir sistemin parçasıysa, yine de tehlikeli alan (Ex) işaretlemesi gerektirebilir. Bu tür durumlarda, analizör cihazı yalnızca fiziksel konumu değil, tehlikeli alana olan işlevsel bağlantısı temelinde değerlendirilir ve sınıflandırılır.

Aşağıdaki liste, ATEX gaz bölgeleri (solda) ile Kuzey Amerika sınıflandırmaları (sağda) arasındaki basitleştirilmiş kavramsal eşleşmeyi göstermektedir. Kullanılan terimler farklı olsa da, tutuşma riski mantığı aynıdır.

• Bölge 0 → Sınıf I, Bölüm 1
• Bölge 1 → Sınıf I, Bölüm 1
• Bölge 2 → Sınıf I, Bölüm 2

Raman sistemli işaretlemenin temel unsurları şunlardır:

Ekipman grubu: Grup II (kimya ve ilaç gibi yüzey endüstrileri)

Ekipman Koruma Seviyesi (EPL):

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

Gaz grupları: IIA, IIB, IIC (IIC en zorlu olanıdır)

Sıcaklık sınıfı: örn. T6 (85 °C), T4 (135 °C)

Gaz grubu ve sıcaklık sınıfı, tesis sahibi tarafından proses verilerine göre belirlenir ve sistemin nihai etiketlemesini belirler.

Optik radyasyon, enerji yoğunlaştığında ve küçük yüzeyler veya parçacıklar tarafından emildiğinde yanıcı ortamları tutuşturabilir. IEC 60079-28:2015 standardı bu mekanizmayı açıklamakta ve patlayıcı ortamlarda tutuşmayı önlemeye yönelik koruma kavramlarını tanımlamaktadır.

Standart, belirli dalga boyları, maruz kalma koşulları ve gaz grupları için doğası gereği güvenli optik radyasyon (Ex op is) güç sınırlarını tanımlayan referans tablolarını içermektedir. Bu tablolar, belirli varsayımlar altında tutuşma riski taşımayan optik güç seviyeleri için temel bir kılavuz niteliğindedir.

Pratik Raman uygulamalarında, geçerli güvenli güç sınırı bir Lazer Tehlikesi Değerlendirmesi (LHA) yoluyla teyit edilmelidir. LHA, yalnızca standart referans değerleri değil, aynı zamanda aşağıdakiler de dahil olmak üzere uygulamaya özgü parametreleri de dikkate alır:

• Gaz grubu ve ateşleme hassasiyeti
• Dalga boyu ve ışın geometrisi
• Pozlama süresi ve optik odaklama
• Prob tasarımı ve arıza tahminleri

Bu nedenle LHA, prob ucundaki izin verilen maksimum lazer gücünü ve sistemin nihai Ex etiketlemesini belirler.

Ex op is, optik enerjiyi sınırlayarak normal çalışma koşullarında ve tanımlanmış arıza durumlarında tutuşmanın önlenmesini sağlar. Raman sistemlerinde bu, genellikle prob ucundaki lazer gücünü sınırlayarak sağlanır.

Evrensel olarak güvenli bir lazer gücü değeri yoktur. IEC 60079-28 standardı referans sınırlar sunsa da, izin verilen maksimum güç uygulamaya göre değişir ve güvenli çalışma aralığını belirleyen ve sistemin nihai etiketlemesini yapan LHA tarafından onaylanmalıdır.

Ex op sh, daha yüksek optik güç sağlar ancak ateşlemeyle ilgili durumların ortaya çıkabileceği her durumda optik radyasyonun devre dışı kalmasını sağlamak için özel olarak tasarlanmış güvenlik önlemlerine ve kilitleme sistemlerine dayanır.

Bu kavram genellikle şu durumlarda kullanılır:

• Ölçüm performansı, Ex op is sınırlarının üzerindeki lazer gücü gerektirir
• Güvenli olmayan durumlar güvenilir bir şekilde tespit edilip önlenebilir

Ex op sh şunları içerebilir:

• Kablo kopması algılama
• Fiber bağlantılardaki kilitler
• Proses koşullarının izlenmesi (örneğin, sıvı kaplamasının kaybolması)
• Otomatik lazer kapatma

Ex op sh, sistem düzeyinde geçerlidir ve tehlikeli alanın dışında bulunan bileşenleri de kapsayabilir.

Birçok proses uygulamasında, Raman probları genellikle patlama riski olmayansıvı dolu hatlar veya kaplar gibi çevre koşullarında kurulur. Normal çalışma koşullarında, sıvının varlığı prob ucunda yanıcı bir gaz ortamının oluşmasını engeller.

Ancak, proses koşulları değişebilir. Sıvı kaplamasının kaybolması, gazın çıkması, kuruma veya anormal çalışma, ölçüm noktasında geçici olarak yanıcı bir gaz veya buhar fazının oluşmasına neden olabilir. Bu tür durumlarda, tesisat kalıcı olarak tehlikeli olarak sınıflandırılmamış olsa bile, optik tutuşma riski dinamik olarak değişebilir.

NAMUR önerileri de dahil olmak üzere endüstrideki kılavuzlar bu durumu dikkate almakta ve koşullu olarak patlayıcı çevre koşullarının yönetilmesinde kilitli optik koruma konseptlerinin (Ex op sh) kullanımını açıklamaktadır. Bu durumlarda, Ex op sh sadece daha yüksek optik güç sağlamakla kalmaz, aynı zamanda koşullar tutuşma riski taşıyan bir duruma geçtiğinde (örneğin, sıvı kaplaması kaybolduğunda) optik ışınımın otomatik olarak devre dışı kalmasını da garanti eder.

Bu yaklaşım, algılama mantığı, emniyet kilitleri ve kapatma prosedürlerinin sistem düzeyinde açıkça tanımlanmış ve doğrulanmış olması koşuluyla, normal çalışma sırasında patlayıcı ortamların oluşmasının beklenmediği ancak belirli olağan dışı veya geçici koşullar altında bu olasılığın tamamen ortadan kaldırılamadığı proseslerde Raman spektroskopisinin güvenli bir şekilde uygulanmasına olanak tanır.

Tipik bir Raman sistemi kurulumu şunları içerir:

• Güvenli bir bölgede veya uygun olduğu durumlarda, Bölge 1 / Bölüm 2'ye kurulum için onaylanmış bir muhafaza içinde bulunan analizör
• Tehlikeli bölgelere döşenen fiber optik kablolar
• Bölge 0, 1 veya 2’ye monte edilmiş, ATEX, IECEx veya Kuzey Amerika NEC/CEC sertifikalı Raman probu

Seçilen optik koruma konseptine (Ex op is veya Ex op sh) bağlı olarak, sertifikalı sistem ışın sınırlamasına, probda lazer gücünün sınırlandırılmasına ve ilgili koruyucu önlemlere dayanmaktadır. Ayrı cihazlar kullanılarak uygulanan ek kilitleme veya izleme fonksiyonları, Raman sistemi sertifikasının bir parçası değildir ve genel kurulum ve güvenlik konseptinin bir parçası olarak son kullanıcı tarafından değerlendirilmelidir.

Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi, probun konumu bölgeleri (Bölge 0/1/2) belirlerken, analizör cihazı genellikle genel bir alanda bulunur. Optik ateşleme, Ex op is (LHA başına güç sınırlı) veya Ex op sh (kilitli optik sistem: kablo kopması/durum izleme → lazerin kapatılması) aracılığıyla kontrol edilir. Analizör, fiber prob ve kilitleme mekanizmasından oluşan tüm kombinasyon, tek bir sertifikalı sistem olarak değerlendirilip işaretlenir; ancak analizör, tehlikeli bir bölgeye işlevsel olarak bağlandığında yine de Ex işaretine sahip olmalıdır.

Kurulum sırasında dikkate alınması gereken hususlar – Fiberler, soketler ve kilit mekanizmaları

Pratik uygulamalarda, Ex op sh teknolojisinin kullanımı, probun kendisinden ziyade sistem kurulumu ve entegrasyonu sırasında en belirgin şekilde görülür.

Raman probu genellikle belirli optik koruma gereksinimlerini karşılamak üzere tasarlanmış olsa da, sistem düzeyinde tutuşma riski kontrolü çoğu zaman optik enerjinin analizörden tehlikeli alana nasıl iletildiğine bağlıdır. Paketin içeriği:

• Tehlikeli ve tehlikeli olmayan bölgelerden geçen fiber optik kablo döşeme
• Bölge sınırlarında veya muhafaza içlerinde bulunan optik soketler
• Analizör ile prob arasındaki optik yolun bütünlüğü

Bu nedenle, Ex op sh sistemleri kablo sürekliliğini ve soket durumunu izleyen emniyet kilitleri kullanır; böylece optik yol kesintiye uğrarsa veya açığa çıkarsa lazer ışınımı otomatik olarak devre dışı bırakılır. Bu önlemler özellikle şu dönemlerde önemlidir:

• Montaj ve devreye alma
• Bakım veya fiber bağlantısının yeniden kurulması
• Kablo hasarı gibi olağan dışı durumlar

Kurulum açısından bakıldığında, Ex op sh bu nedenle odak noktasını bileşen düzeyindeki sertifikasyondansistem düzeyindeki davranışa kaydırır: kablo döşeme, soket kullanımı ve kilitleme doğrulaması, tehlikeli alan güvenlik konseptinin bir parçası haline gelir ve tasarım, kurulum ve dokümantasyon aşamalarında dikkate alınmalıdır.

• Alan sınıflandırmasını tanımlayın (bölgeler veya sınıflar)
• Proses verilerine göre gaz grubunu ve sıcaklık sınıfını belirleyin
• Mekanik ve elektrik tesisatının doğru bir şekilde kurulduğundan emin olun
• Tehlikeli alan ve lazer tehlikesi değerlendirmelerini yapmak veya yaptırmak

• Ex sertifikalı Raman ekipmanını (analizör, prob veya uygun olduğu durumlarda tek tek bileşenler) tedarik edin; prob, müşteri tesisindeki Ex sorumlusu tarafından belirlenen gereksinimlerine uygun olarak işaretlenmiş olmalıdır
• Ekipman tarafından desteklenen mevcut optik koruma yöntemlerini belirtin (örneğin Ex op is veya Ex op sh)
• Sertifikalı lazer güç sınırlarını, yerleşik koruma özelliklerini ve gerekli ekipman etiketlemelerini belirleyin ve belgelendirin
• Ex op sh uygulandığında, sertifikasyonun kapsamını ve sertifikalı ekipman ile müşterinin genel sistem entegrasyonu ve güvenlik değerlendirmesi sorumlulukları arasındaki sınırı açıkça tanımlayın

Tehlikeli alanlara uygunluk, tek tek bileşenler için değil, tüm Raman sistemi için geçerlidir. Analizör, prob, fiber optik, güç ayarları ve güvenlik fonksiyonları tek bir sertifikalı konfigürasyon oluşturur. Herhangi bir değişiklik, yeniden değerlendirme gerektirir.

Patlama tehlikesi bulunan alan için ekipman seçimi öncesinde, müşteri tesisinde görevli patlama tehlikesi sorumlusu tarafından atılması gereken adımlar

1. Tehlikeli alan sınıflandırmasını doğrulayın ve belgelendirin
2. Gaz grubunu ve sıcaklık sınıfını tanımlayın
3. Lazer Tehlikesi Değerlendirmesi (LHA) yapın
4. Ex op is (güç sınırlaması) mi yoksa Ex op sh (kilitli sistem) mi gerekli olduğuna karar verin
5. Tehlikeli alan sınıflandırması sırasında belirlenen gaz grubu ve sıcaklık sınıfına uygun Ex prob işaretine sahip, onaylı analizör ve/veya prob seçin
6. Kurulum mimarisini ve fiber kablolama planını hazırlayın
7. İşaretleri kontrol edin (EPL, gaz grubu, sıcaklık sınıfı, optik koruma konsepti)
8. İşlem sonrası dokümantasyonu eksiksiz olarak hazırlamak ve sertifikaları saklamak
9. Personele güvenli çalışma konusunda eğitim verin

“Lazer gücü enstrüman tarafından sabitlenmiştir.”

Hayır. İzin verilen maksimum güç, uygulamaya göre değişir ve tehlikeli alan koşullarına göre belirlenir.

“Analizör sertifikalıysa, sistem uygunluk şartlarını karşılar.”

Hayır. Uygunluk sistem düzeyinde değerlendirilir; bu nedenle Ex sertifikalı bir prob da gereklidir.

“IECEx, ATEX ve Kuzey Amerika standartlarına (NEC/CEC) uygun tesisatlar farklı kurallara tabidir.”

Hayır. İster Bölge ister Bölüm sınıflandırması kullanılsın, kurulum mantığı aynıdır. Farklılıklar, tehlikeli alanların nasıl sınıflandırıldığı ve sertifikalandırıldığı konusunda yatmaktadır.

“Ex op sh bir istisnadır.”

Hayır. Ex-op-sh, belirli kullanım durumları için tasarlanmış, kabul görmüş standart bir koruma konseptidir. Bu durumlar genellikle Raman prob penceresinin sıvı bir numuneye daldırıldığı ve tehlikeli koşulların (oksijenle birleşen gaz, sis veya buhar) yalnızca bu sıvının yokluğunda ortaya çıkabileceği, ancak güvenilir bir şekilde tespit edilip etkisinin azaltılabileceği durumlardır.

1. 1910.307 - Tehlikeli (sınıflandırılmış) konumlar. | İş Güvenliği ve Sağlığı İdaresi
2. ATEX Direktifi 2014/34/EU – Potansiyel olarak patlayıcı ortamlarda kullanılmak üzere tasarlanmış ekipmanlara ilişkin AB yasal çerçevesi
3. Kanada Elektrik Yönetmeliği Kılavuzu, Bölüm 1[i], 26. Baskı – Bir Yol Haritası: Bölüm 18 Tehlikeli Konumlar - Elektrik Sektörü Haberleri Haftası
4. Tehlikeli alan sınıflandırması (Kuzey Amerika) – NEC ve CEC çerçevelerinde kullanılan Sınıf / Bölüm ve Bölge kavramlarına genel bakış
5. IEC 60079-28:2015 – Patlayıcı ortamlarda optik radyasyon için tutuşma risklerini ve koruma kavramlarını (Ex op is, Ex op sh) tanımlayan uluslararası standart
6. IECEx sistemine genel bakış – IEC standartlarına dayalı patlamaya karşı korumalı ekipmanlar için uluslararası uygunluk değerlendirme sistemi
7. NAMUR (kullanıcı birliği) kılavuzu – Proses otomasyonunda patlama koruma konseptlerinin pratik uygulamasına ilişkin endüstri önerileri