Raman-spektroskopi-installation i farlige områder (ATEX, IECEx, NEC/CEC)

Denne faglige artikel fokuserer på Raman-spektroskopisystemer installeret i miljøer med fare for gaseksplosioner, herunder ATEX-zoner 0/1/2, IECEx- og North American Class I (NEC/CEC)-miljøer.

Den forklarer:

• Hvorfor Raman-systemer hører under krav for farlige områder og hvornår installationer kræver compliance
• Hvordan optiske antændelsesrisici opstår, vurderes og afhjælpes
• Hvordan ATEX-, IECEx- og nordamerikanske rammeværk omsætter de samme fysiske sikkerhedsprincipper til certificerings- og installationsregler
• Hvordan optiske antændelsesrisici håndteres ved hjælp af koncepter for effektbegrænsning (Ex op is) og indbyrdes låste systemer (Ex op sh), og hvordan dette påvirker mærkning og installation

Bemærk: Raman-spektroskopiudstyr er ikke certificeret til anvendelse i eksplosionsfarlige miljøer med støv, pulver eller fibre. Det betyder, at disse miljøer ikke behandles i denne artikel.
Artiklen behandler heller ikke ikke-optiske antændelsesmekanismer eller detaljerede nationale procedurer for overholdelse af nationale lovkrav, som kræver særskilte tilgange til systemdesign og -certificering.

Raman-spekroskopisystemer kan blive en potentiel antændelseskilde, når optisk stråling koncentreres i en atmosfære med brandfarlige gasser eller dampe, selv om Raman-prober ikke genererer gnister eller varme elektriske komponenter på målepunktet.

Antændelsesrisikoen skyldes lokal varmeudvikling forårsaget af fokuseret optisk energi på overflader eller partikler. Så snart en Raman-installation udsættes for en atmosfære, som kunne indeholde en kombination af oxygen og brandfarlig gasdamp eller -tåge, anses det for at være et farligt område, og installationen skal derfor opfylde de relevante krav for udstyr til farlige områder.

Overholdelse af kravene for eksplosionsfarlige områder for Raman-spektroskopi er baseret på fysikken bag optisk antændelse og ikke udelukkende på elektriske gnister eller regionale lovkrav.

Raman-systemets overholdelse af kravene for eksplosionsfarlige områder er baseret på de samme fysiske sikkerhedsprincipper over hele verden. Regionale regelværk adskiller sig primært i den måde, hvorpå farlige områder klassificeres og dokumenteres, ikke i de grundlæggende installationsprincipper eller mekanismer til forebyggelse af antændelse.

ATEX (Europa) og IECEx (international) anvender et zonebaseret klassificeringssystem (zoner 0, 1, 2) til at definere sandsynligheden for og varigheden af tilstedeværelsen af eksplosionsfarlige gasatmosfærer. Disse zoner bestemmer, hvor Raman-prober kan installeres, og hvilke beskyttelsesprincipper der skal anvendes.

• ATEX(EU) er et lovgivningsmæssigt rammeværk knyttet til CE-mærkning.
• IECEx(international) udgør et globalt overensstemmelsessystem baseret på IEC-standarder.

NEC/CEC (Nordamerika) anvender Class/Division- eller Class/Zone-principper for eksplosionsfarlige områder med gasatmosfærer (klasse I), med udstyrsgodkendelser sædvanligvis udstedt af UL, FM eller CSA.

Selv om terminologien er forskellig, er formålet det samme: at definere eksplosionsfarlige områder og sikre, at antændelseskilder håndteres.

• Klassificering af eksplosionsfarlige områder definerer, hvor optiske prober og tilhørende komponenter kan installeres (zoner i ATEX/IECEx; Class/Division eller Class/Zone i NEC/CEC).
• Stråleindkapsling, herunder sikkerhedsafbrydere (interlocks) på optiske strækninger og fiberforbindelser, kombineret med begrænsning af lasereffekten ved målepunktet (probens ende), forhindrer optisk antændelse.
• Optiske beskyttelsesprincipper anvendes på systemniveau for at sikre, at laserstråling ikke kan antænde en brandfarlig gasatmosfære.

I Raman-installationer er probespidsens placering afgørende for kravene til det eksplosionsfarlige område, fordi det er her optisk energi bevidst sendes ind i processen.

• Zone 0: eksplosionsfarlig atmosfære til stede kontinuerligt eller i lange perioder
• Zone 1: vil sandsynligvis forekomme lejlighedsvis
• Zone 2: usandsynligt eller til stede i korte perioder

Analysatoren er ofte installeret fysisk i et ikke-farligt (ikke-klassificeret) område, mens fiberoptiske kabler forbinder analysatoren med proben i zone 0, 1 eller 2.

Selv ved installation i et ikke-klassificeret område skal analysatoren måske alligevel have (Ex)-mærkning til eksplosionsfarlige områder, hvis den er en del af et system, som overfører optisk energi til en eksplosionsfarlig zone. I sådanne tilfælde vurderes og mærkes analysatoren på basis af dens funktionelle forbindelse til det eksplosionsfarlige område, ikke kun dens fysiske placering.

Følgende liste viser en forenklet begrebsmæssig sammenhæng mellem ATEX-gaszoner (til venstre) og nordamerikanske klassificeringer (til højre). Terminologien er forskellig, men de principper, der ligger til grund for vurderingen af antændelsesrisikoen, er de samme.

• Zone 0 → Class I, Division 1
• Zone 1 → Class I, Division 1
• Zone 2 → Class I, Division 2

Vigtige elementer i mærkningen af Raman-systemer omfatter:

Udstyrsgruppe: Gruppe II (landbaserede industrier som den kemiske og farmaceutiske industri)

Udstyrsbeskyttelsesniveau (EPL):

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

Gasgrupper: IIA, IIB, IIC (hvor IIC er den mest krævende)

Temperaturklasse: f.eks. T6 (85 °C), T4 (135 °C)

Gasgruppe og temperaturklasse er specificeret af anlægsejeren baseret på procesdata og er afgørende for den endelige systemmærkning.

Optisk stråling kan antænde brandfarlige atmosfærer, når energi koncentreres og absorberes af små overflader eller partikler. IEC 60079-28:2015 beskriver denne mekanisme og definerer beskyttelsesprincipper til forebyggelse af antændelse i eksplosionsfarlige atmosfærer.

Standarden omfatter referencetabeller, der angiver effektgrænserne for egensikker optisk stråling (Ex op is) ved specifikke bølgelængder, eksponeringsbetingelser og gasgrupper. Disse tabeller indeholder grundlæggende retningslinjer for optiske effektniveauer, der under givne forudsætninger anses for ikke at kunne forårsage antændelse.

I praktiske Raman-anvendelser skal den gældende sikre effektgrænse bekræftes ved en laserfarevurdering (LHA). Laserfarevurderingen (LHA) tager ikke kun hensyn til standardreferenceværdierne, men også anvendelsesspecifikke parametre, herunder:

• Gasgruppe og antændelsesfølsomhed
• Bølgelængde og strålegeometri
• Eksponeringsvarighed og optisk fokusering
• Probedesign og fejlantagelser

Laserfarevurderingen (LHA) definerer derfor den maksimalt tilladte lasereffekt ved probespidsen og den endelige Ex-mærkning af systemet.

Ex op is begrænser optisk energi, så antændelse ikke er mulig under normal drift og definerede fejlbetingelser. I Raman-systemer opnås dette typisk ved at begrænse lasereffekten ved probespidsen.

Der findes ingen universelt sikker lasereffektværdi. Selv om IEC 60079-28 indeholder referencegrænser, er den maksimalt tilladte effekt afhængig af den konkrete anvendelse og skal verificeres ved hjælp af en laserfarevurdering (LHA), som fastlægger de sikre driftsgrænser samt den endelige mærkning af systemet.

Ex op sh tillader højere optisk effekt, men er afhængig af konstruerede sikkerhedsforanstaltninger og interlocks, som sikrer, at den optiske stråling afbrydes, når der kan opstå antændelsesrelevante forhold.

Dette koncept anvendes ofte, når:

• Måleydelsen kræver en lasereffekt, der overstiger grænserne for Ex op is
• Usikre forhold kan detekteres og afhjælpes på pålidelig vis

Ex op sh kan omfatte:

• Detektering af kabelbrud
• Interlocks på fiberforbindelser
• Overvågning af procesforhold (f.eks. tab af væskedækning)
• Automatisk laserafbrydelse

Ex op sh anvendes på systemniveau og kan omfatte komponenter, der er placeret uden for det eksplosionsfarlige område.

I mange procesanvendelser installeres Raman-prober i miljøer, der normalt ikke er eksplosionsfarlige, f.eks. væskefyldte rørledninger eller beholdere. Under normal drift forhindrer tilstedeværelsen af væske, at der dannes brandfarlig gasatmosfære ved probespidsen.

Men procesbetingelserne kan ændre sig. Tab af væskedækning, afgasning, udtørring eller unormal drift kan medføre, at der midlertidigt dannes en brandfarlig gas- eller dampfase ved målepunktet. I sådanne situationer kan risikoen for optisk antændelse ændre sig dynamisk, selv om installationen ikke er klassificeret som permanent eksplosionsfarlig.

Branchevejledninger, herunder anbefalinger fra NAMUR, anerkender dette scenarie og beskriver anvendelsen af optiske beskyttelseskoncepter med interlocks (Ex op sh) til håndtering af betinget eksplosionsfarlige miljøer. I disse tilfælde gør Ex op sh ikke blot højere optisk effekt mulig, men sikrer også, at den optiske stråling automatisk afbrydes, når forholdene ændrer sig til en tilstand med risiko for antændelse (f.eks. ved tab af væskedækning).

Denne tilgang gør det muligt at anvende Raman-spektroskopi sikkert i processer, hvor eksplosionsfarlige atmosfærer ikke forventes under normal drift, men ikke kan udelukkes under definerede unormale eller forbigående driftsforhold, forudsat at detektionslogikken, interlocks og nedlukningsfunktionen er klart defineret og valideret på systemniveau.

En typisk Raman-systeminstallation omfatter:

• En analysator placeret i et ikke-farligt område eller, hvor det er muligt, i et kabinet certificeret til installation i zone 1 / division 2
• Fiberoptiske kabler trukket ind i eksplosionsfarlige områder
• En Ex-certificeret Raman-probe (ATEX, IECEx eller NEC/CEC (Nordamerika) efter behov) installeret i zone 0, 1 eller 2

Afhængigt af det valgte optiske beskyttelseskoncept (Ex op is eller Ex op sh) er det certificerede system baseret på stråleindeslutning, begrænsning af lasereffekten ved proben samt tilhørende beskyttelsesforanstaltninger. Yderligere interlocks eller overvågningsfunktioner, som implementeres ved hjælp af separate enheder, er ikke omfattet af certificeringen af Raman-systemet og skal vurderes af slutbrugeren som en del af det samlede installations- og sikkerhedskoncept.

Som vist i illustrationen ovenfor er det probens placering, der bestemmer zoneklassificeringen (zone 0/1/2), mens analysatoren typisk er placeret i et ikke-klassificeret område. Optisk antændelse kontrolleres ved hjælp af Ex op is (effektbegrænsning i henhold til LHA) eller Ex op sh (optisk system med interlocks: kabelbruds-/-tilstandsovervågning → laserafbrydelse). Den samlede kombination af analysator, fiber, probe og interlocks vurderes og mærkes som ét certificeret system, og analysatoren kræver fortsat Ex-mærkning, når den er funktionelt forbundet med en eksplosionsfarlig zone.

Overvejelser i relation til Ex op sh under installation – fibre, konnektorer og interlocks

I praktiske installationer er anvendelsen af Ex op sh mest synlig under systeminstallation og -integration, ikke ved selve proben.

Selv om Raman-proben typisk er konstrueret til at opfylde de fastsatte krav til optisk beskyttelse, er kontrollen af antændelsesrisikoen på systemniveau ofte bestemt af den måde, hvorpå den optiske energi overføres fra analysatoren til det eksplosionsfarlige område. Løsningen omfatter:

• Føring af fiberoptiske kabler gennem eksplosionsfarlige og ikke-klassificerede zoner
• Optiske konnektorer placeret ved zonegrænser eller inde i kapslinger
• Integriteten af den optiske signalvej mellem analysator og probe

Derfor anvender Ex op sh-systemer interlocks, der overvåger kabelkontinuitet og konnektorstatus og sikrer, at laserstrålingen automatisk afbrydes, hvis den optiske signalvej afbrydes eller blotlægges. Disse foranstaltninger er særligt relevante under:

• Installation og ibrugtagning
• Vedligeholdelse eller gentilslutning af fiber
• Unormale betingelser, som f.eks. beskadigelse af kabler

Set fra et installationsperspektiv flytter Ex op sh derfor fokus fra certificering på komponentniveau til adfærd på systemniveau: kabelføring, håndtering af konnektorer og validering af interlocks bliver en del af sikkerhedskonceptet for det eksplosionsfarlige område og skal indgå i projektering, installation og dokumentation.

• Definér områdeklassificeringen (zoner eller klasser)
• Specifér gasgruppe og temperaturklasse baseret på procesdata
• Sørg for korrekt mekanisk og elektrisk installation
• Gennemfør eller få gennemført vurdering af eksplosionsfarlige områder og laserfare

• Levér Ex-certificeret Raman-udstyr (analysator, probe eller individuelle komponenter, hvor relevant), hvor proben er mærket i overensstemmelse med de krav, der er fastlagt af den Ex-ansvarlige hos kunden
• Informér om de optiske beskyttelsesmetoder, der understøttes af udstyret (f.eks. Ex op is eller Ex op sh)
• Fastlæg og dokumentér de certificerede grænser for lasereffekt, de indbyggede beskyttelsesfunktioner samt den krævede udstyrsmærkning
• Når Ex op sh anvendes, skal certificeringens omfang samt grænserne mellem det certificerede udstyr og kundens ansvar for den overordnede systemintegration og sikkerhedsvurdering være klart defineret

Overholdelse af kravene for eksplosionsfarlige områder gælder for hele Raman-systemet, ikke for de enkelte komponenter. Analysator, probe, fiberoptik, effektindstillinger og sikkerhedsfunktioner udgør tilsammen én certificeret konfiguration. Enhver ændring kræver en fornyet vurdering.

Trin, som den Ex-ansvarlige hos kunden skal gennemføre, før der vælges udstyr til et eksplosionsfarligt område

1. Bekræft og dokumentér klassificeringen for det eksplosionsfarlige område
2. Definer gasgruppe og temperaturklasse
3. Gennemfør laserfarevurdering (LHA)
4. Afgør, om Ex op is (effektbegrænsning) eller Ex op sh (system med interlocks) er påkrævet
5. Vælg en certificeret analysator og/eller probe, og kontrollér, at probens Ex-mærkning er egnet til den gasgruppe og temperaturklasse, der er fastlagt ved klassificeringen af det eksplosionsfarlige område
6. Planlæg installationsarkitektur og føring af fiberoptiske kabler
7. Verificer mærkninger (EPL, gasgruppe, temperaturklasse, princip for optisk beskyttelse)
8. Udarbejd den endelige dokumentation for den udførte installation, og opbevar certifikaterne
9. Uddan personalet i sikker betjening

“Lasereffekten er fastlagt af instrumentet.”

Nej. Den maksimalt tilladte effekt er anvendelsesspecifik og fastlægges ud fra forholdene i det eksplosionsfarlige område.

“Hvis analysatoren er certificeret, er systemet i overensstemmelse med kravene.”

Nej. Overensstemmelse med kravene vurderes på systemniveau, og derfor kræves også en Ex-certificeret probe.

“Installationer iht. IECEx, ATEX og NEC/CEC (nordamerikanske standarder) følger forskellige regler.”

Nej. Uanset om der anvendes zone- eller divisionsklassificering, er de grundlæggende installationsprincipper de samme. Forskellene ligger i klassificeringen og certificeringen af eksplosionsfarlige områder.

“Ex op sh er en undtagelse.”

Nej. Ex op sh er et standardiseret og anerkendt beskyttelseskoncept, som er udviklet til specifikke anvendelser, typisk hvor Raman-probens vindue er sænket ned i en væskeprøve, og hvor eksplosionsfarlige forhold (gas, tåge eller damp i kombination med ilt) kun kan opstå i fravær af denne væske og kan detekteres og afhjælpes på pålidelig vis.

1. 1910.307 - Eksplosionsfarlige (klassificerede) steder. | Den amerikanske arbejdsmiljømyndighed OSHA
2. ATEX-direktivet 2014/34/EU – EU's lovgivningsmæssige ramme for udstyr beregnet til anvendelse i potentielt eksplosionsfarlige atmosfærer
3. Guide til Canadian Electrical Code, Part 1[i], 26th Edition– A Road Map: Section 18 Hazardous Locations - Electrical Industry News Week
4. Klassificering af eksplosionsfarlige områder (Nordamerika) – oversigt over Class/Division- og Zone-principperne, som anvendes i NEC- og CEC-regelværkerne
5. IEC 60079-28:2015 – International standard, der definerer antændelsesrisici og beskyttelsesprincipper (Ex op is, Ex op sh) for optisk stråling i eksplosionsfarlige atmosfærer
6. Oversigt over IECEx-systemet – internationalt system for overensstemmelsesvurdering af Ex-udstyr baseret på IEC-standarder
7. NAMUR-vejledning (brugerorganisation – branchens anbefalinger til praktisk implementering af eksplosionsbeskyttelsesprincipper i procesautomation