Installazione dei sistemi di spettroscopia Raman in aree pericolose (ATEX, IECEx, NEC/CEC)

Questo articolo didattico si occupa dei sistemi di spettroscopia Raman installati in atmosfere esplosive per la presenza di gas, tra cui gli ambienti classificati ATEX Zone 0/1/2, IECEx e NEC/CEC Classe I (Nord America).

Spiega quanto segue:

• Perché i sistemi Raman devono rispettare i requisiti delle aree pericolose e quando le installazioni richiedono la conformità
• Come si manifestano e in che modo vengono valutati e mitigati i rischi di accensione ottica
• In che modo i quadri normativi ATEX, IECEx e nordamericani traducono gli stessi principi di sicurezza fisica in regole di certificazione e installazione
• Come vengono gestiti i rischi di accensione ottica attraverso metodi basati sulla limitazione della potenza (Ex op is) e sull'interblocco dei sistemi (Ex op sh) - e in che modo questo influisce sull'etichettatura e l'installazione

Nota: le apparecchiature spettroscopiche Raman non sono certificate per l'uso in atmosfere esplosive per la presenza di polveri, polveri sottili o fibre. Di conseguenza, questi ambienti esulano dall'ambito di questo articolo.
Inoltre, questo articolo non tratta i meccanismi di accensione non ottici né le procedure dettagliate di conformità legale a livello nazionale che richiedono approcci separati per la progettazione e la certificazione del sistema.

I sistemi di spettroscopia Raman possono diventare una potenziale fonte di accensione quando la radiazione ottica si concentra in un'atmosfera di gas o vapori infiammabili, anche se le sonde Raman non generano scintille o non provocano il riscaldamento dei componenti elettrici nel punto di misura.

Il rischio di accensione deriva dal riscaldamento localizzato causato dall'energia ottica focalizzata su superfici o particelle. Non appena viene esposta a un'atmosfera che potrebbe contenere una combinazione di ossigeno e vapori o nebbie di gas infiammabili, un'installazione Raman viene considerata in un'area pericolosa e deve soddisfare i relativi requisiti per le apparecchiature destinate ad aree pericolose.

La conformità in aree pericolose dei sistemi di spettroscopia Raman dipende dalla fisica dell'accensione ottica e non solo dalla presenza di scintille elettriche o dalle legislazioni regionali.

La conformità in aree pericolose dei sistemi Raman è dettata dagli stessi principi di sicurezza fisica in tutto il mondo. I quadri normativi regionali differiscono principalmente per le modalità di classificazione e documentazione delle aree pericolose, non per la logica di installazione o i meccanismi di prevenzione dell'accensione.

ATEX (Europa) e IECEx (internazionale) utilizzano un sistema di classificazione a zone (Zone 0, 1, 2) per definire la probabilità e la durata della presenza di atmosfere con gas esplosivi. Queste zone determinano dove possono essere installate le sonde Raman e quali metodi di protezione devono essere applicati.

• ATEX(UE) è un quadro legale legato al marchio CE.
• IECEx(internazionale) fornisce un sistema di conformità globale basato sugli standard IEC.

NEC/CEC (Nord America) applicano i concetti di Classe/Divisione o Classe/Zona per i luoghi pericolosi con presenza di gas (Classe I), con approvazioni delle apparecchiature generalmente rilasciate da UL, FM o CSA.

Anche se la terminologia è diversa, lo scopo è lo stesso: definire le aree pericolose e garantire il controllo delle fonti di accensione.

• La classificazione delle aree pericolose definisce dove è possibile installare sonde ottiche e componenti associati (Zone in ATEX/IECEx; Classe/Divisione o Classe/Zona in NEC/CEC).
• Il confinamento del fascio - che include gli interblocchi sui percorsi ottici e sui collegamenti in fibra, oltre che la limitazione della potenza laser nel punto di misura (estremità della sonda) - previene l'accensione ottica.
• I metodi di protezione ottica vengono applicati a livello di sistema per garantire che la radiazione laser non possa innescare un'atmosfera di gas infiammabile.

Nelle installazioni Raman, è la posizione dell'estremità della sonda a determinare i requisiti dell'area pericolosa, perché è in quel punto che l'energia ottica viene emessa intenzionalmente nel processo.

• Zona 0: atmosfera esplosiva presente in modo continuo o per lunghi periodi
• Zona 1: probabilità di formazione occasionale di atmosfera esplosiva
• Zona 2: atmosfera esplosiva improbabile o presente per brevi periodi

L'analizzatore è spesso installato fisicamente in un'area sicura (generica) con cavi a fibre ottiche che lo collegano alla sonda in Zona 0, 1 o 2.

Anche quando installato in un'area generica, l'analizzatore potrebbe comunque richiedere la marcatura per aree pericolose (Ex) se fa parte di un sistema che trasmette energia ottica in una zona pericolosa. In tali casi, l'analizzatore viene valutato e classificato in base al suo collegamento funzionale con l'area pericolosa e non solo in base alla sua posizione fisica.

L'elenco che segue mostra una mappatura concettuale semplificata tra le zone ATEX per la presenza di gas (a sinistra) e le classificazioni nordamericane (a destra). La terminologia è diversa ma la logica del rischio di accensione è la stessa.

• Zona 0 → Classe I, Divisione 1
• Zona 1 → Classe I, Divisione 1
• Zona 2 → Classe I, Divisione 2

Gli elementi chiave per la marcatura dei sistemi Raman includono:

Gruppo di apparecchiature: Gruppo II (industrie di superficie come quella chimica o farmaceutica)

Livello di protezione delle apparecchiature (EPL):

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

Gruppi di gas: IIA, IIB, IIC (dove IIC è il più restrittivo)

Classe di temperatura: ad es. T6 (85 °C), T4 (135 °C)

Il gruppo di gas e la classe di temperatura sono specificati dal proprietario dell'impianto in base ai dati di processo e determinano l'etichettatura finale del sistema.

Quando l'energia viene concentrata e assorbita da piccole superfici o particelle, le radiazioni ottiche possono innescare atmosfere infiammabili. IEC 60079-28:2015 descrive questo meccanismo e definisce i metodi di protezione per prevenire l'accensione in atmosfere esplosive.

Lo standard include tabelle di riferimento che definiscono i limiti di potenza della radiazione ottica intrinsecamente sicura (Ex op is) a seconda delle lunghezze d'onda, delle condizioni di esposizione e dei gruppi di gas. Queste tabelle forniscono indicazioni di base sui livelli di potenza ottica considerati non sufficienti a innescare un'accensione in base a determinate condizioni operative.

Nelle applicazioni pratiche Raman, il limite di potenza sicura applicabile deve essere confermato tramite una valutazione del rischio laser (LHA - Laser Hazard Assessment). La LHA tiene conto non solo dei valori di riferimento standard ma anche dei parametri specifici dell'applicazione, tra cui i seguenti:

• Gruppo di gas e sensibilità all'accensione
• Lunghezza d'onda e geometria del fascio
• Durata dell'esposizione e messa a fuoco ottica
• Costruzione della sonda e ipotesi di guasto

La LHA definisce quindi la potenza laser massima consentita all'estremità della sonda e l'etichettatura Ex finale del sistema.

Ex op is limita l'energia ottica in modo che, in condizioni di normale funzionamento e in presenza di determinate condizioni di guasto, l'accensione non sia possibile. Nei sistemi Raman, questo risultato si ottiene in genere limitando la potenza del laser all'estremità della sonda.

Non esiste un valore di potenza laser universalmente sicuro. Anche se IEC 60079-28 fornisce limiti di riferimento, la potenza massima ammissibile rimane specifica dell'applicazione e deve essere validata dalla LHA che definisce il perimetro operativo sicuro e l'etichettatura finale del sistema.

Ex op sh permette di utilizzare una maggiore potenza ottica ma si basa sull'introduzione nativa di misure di sicurezza e interblocchi in grado di garantire la disabilitazione della radiazione ottica al verificarsi di condizioni che potrebbero innescare un processo di accensione.

Questa soluzione viene generalmente utilizzata quando:

• Le prestazioni di misura richiedono una potenza laser superiore ai limiti Ex op is
• Le condizioni di pericolo possono essere rilevate e mitigate in modo affidabile

Ex op sh può includere:

• Rilevamento della rottura del cavo
• Interblocchi sui collegamenti in fibra
• Monitoraggio delle condizioni di processo (ad es. perdita del battente di liquido)
• Spegnimento automatico del laser

Ex op sh si applica a livello di sistema e può coinvolgere componenti situati al di fuori dell'area pericolosa.

In molte applicazioni di processo, le sonde Raman vengono installate in ambienti normalmente non esplosivi, come tubazioni o recipienti pieni di liquidi. In condizioni operative normali, la presenza di liquido impedisce la formazione di un'atmosfera gassosa infiammabile in corrispondenza dell'estremità della sonda.

Tuttavia, le condizioni del processo possono cambiare. La perdita del battente di liquido, il degassamento, l'essiccazione o un funzionamento anomalo possono portare alla formazione temporanea di una fase gassosa o vapore infiammabile nel punto di misura. In tali scenari, il rischio di accensione ottica può variare dinamicamente, anche se l'installazione non è classificata come permanentemente pericolosa.

Le linee guida di settore, incluse le raccomandazioni NAMUR, riconoscono questo scenario e descrivono l'uso di metodi di protezione ottica interbloccati (Ex op sh) per gestire ambienti condizionatamente esplosivi. In questi casi, Ex op sh non solo consente una maggiore potenza ottica ma garantisce anche che la radiazione ottica venga disabilitata automaticamente ogni volta che le condizioni raggiungono uno stato a rischio di accensione (ad es. in caso di perdita del battente di liquido).

Questo approccio permette di applicare in sicurezza la spettroscopia Raman in processi in cui, durante il normale funzionamento, la formazione di atmosfere esplosive non è prevista ma non può essere esclusa in presenza di determinate condizioni anomale o transitorie, a condizione che la logica di rilevamento, i dispositivi di interblocco e il comportamento di spegnimento siano chiaramente definiti e validati a livello di sistema.

La tipica installazione di un sistema Raman include quanto segue:

• Un analizzatore situato in un'area non pericolosa o, se applicabile, in una custodia certificata per l'installazione in Zona 1 / Divisione 2
• Cavi in ​​fibra ottica instradati in aree pericolose
• Una sonda Raman con certificazione Ex (ATEX, IECEx o NEC/CEC Nord America, come applicabile) installata in Zona 0, 1 o 2

A seconda del metodo di protezione ottica selezionato (Ex op is o Ex op sh), il sistema certificato si basa sul confinamento del fascio, sulla limitazione della potenza del laser in corrispondenza della sonda e sulle relative misure di protezione. Ulteriori interblocchi o funzioni di monitoraggio, quando l'implementazione avviene tramite dispositivi separati, non rientrano nella certificazione del sistema Raman e la loro valutazione deve essere effettuata dall'utente finale nell'ambito della soluzione generale di installazione e sicurezza.

Come illustrato nell'immagine, è la posizione della sonda a definire la classificazione della zona (Zona 0/1/2) mentre l'analizzatore si trova normalmente in un'area generica. L'accensione ottica è controllata tramite Ex op is (potenza limitata secondo LHA) o Ex op sh (sistema ottico interbloccato: monitoraggio rottura/condizioni del cavo → spegnimento del laser). La combinazione di interblocco tra analizzatore e sonda a fibre ottiche viene valutata e contrassegnata come un unico sistema certificato e l'analizzatore, quando collegato funzionalmente a una zona pericolosa, richiede comunque la marcatura Ex.

Considerazioni Ex op sh durante l'installazione - fibre, connettori e interblocchi

Nelle installazioni pratiche, l'applicazione di Ex op sh è più evidente durante l'installazione e l'integrazione del sistema, piuttosto che sulla sonda stessa.

Anche se la sonda Raman è in genere sviluppata per soddisfare specifici requisiti di protezione ottica, il controllo del rischio di accensione a livello di sistema è spesso determinato dal modo in cui l'energia ottica viene trasmessa dall'analizzatore all'area pericolosa. Questo include:

• Posa di cavi in ​​fibra ottica attraverso zone pericolose e non pericolose
• Connettori ottici situati ai confini delle zone o all'interno di custodie
• Integrità del percorso ottico tra analizzatore e sonda

Per questo motivo, i sistemi Ex op sh implementano interblocchi che monitorano la continuità del cavo e lo stato del connettore, garantendo che la radiazione laser venga disabilitata automaticamente in caso di interruzione o esposizione del percorso ottico. Queste misure sono particolarmente rilevanti nelle seguenti fasi:

• Installazione e messa in servizio
• Manutenzione o ricollegamento della fibra
• Condizioni anomale come, ad esempio, danneggiamento dei cavi

Dal punto di vista dell'installazione, Ex op sh sposta quindi l'attenzione dalla certificazione a livello di componente al comportamento a livello di sistema: percorso dei cavi, gestione dei connettori e validazione degli interblocchi diventano parte della soluzione di sicurezza per le aree pericolose e quindi fattori da considerare durante la progettazione, l'installazione e la documentazione.

• Definire la classificazione dell'area (zone o classi)
• Specificare il gruppo di gas e la classe di temperatura in base ai dati di processo
• Garantire la corretta installazione meccanica ed elettrica
• Eseguire o richiedere la valutazione dei rischi laser e delle aree pericolose

• Fornire apparecchiature Raman certificate Ex (analizzatore, sonda o singoli componenti, come applicabile), con la sonda contrassegnata secondo i requisiti definiti dal responsabile Ex del sito del cliente
• Comunicare i metodi di protezione ottica disponibili supportati dall'apparecchiatura (ad es. Ex op is o Ex op sh)
• Definire e documentare i limiti di potenza laser certificati, le caratteristiche di protezione integrate e l'etichettatura richiesta delle apparecchiature
• Quando si applica Ex op sh, definire chiaramente il perimetro di certificazione e il confine tra le apparecchiature certificate e le responsabilità del cliente in materia di integrazione complessiva del sistema e valutazione della sicurezza

La conformità in aree pericolose si applica all'intero sistema Raman, non ai singoli componenti. Analizzatore, sonda, fibra ottica, impostazioni di potenza e funzioni di sicurezza costituiscono un'unica configurazione certificata. Qualsiasi modifica richiede una rivalutazione.

Attività richieste al responsabile Ex del sito del cliente prima di selezionare le apparecchiature per l'area Ex

1. Confermare e documentare la classificazione dell'area pericolosa
2. Definire il gruppo di gas e la classe di temperatura
3. Eseguire la valutazione del rischio laser (LHA)
4. Decidere se è necessario Ex op is (limitazione di potenza) o Ex op sh (sistema interbloccato)
5. Selezionare un analizzatore e/o una sonda certificati, verificando che la marcatura Ex della sonda sia adatta al gruppo di gas e alla classe di temperatura definiti durante la classificazione dell'area pericolosa
6. Pianificare l'architettura di installazione e il percorso della fibra ottica
7. Verificare le marcature (EPL, gruppo di gas, classe di temperatura, metodo di protezione ottica)
8. Completare la documentazione "as-built" e conservare i certificati
9. Formare il personale sul funzionamento in sicurezza

"La potenza del laser è determinata dallo strumento."

No. La potenza massima ammessa è specifica dell'applicazione ed è definita dalle condizioni dell'area pericolosa.

"Se l'analizzatore è certificato, il sistema è conforme."

No. La conformità viene valutata a livello di sistema, quindi è necessaria anche una sonda certificata Ex.

"Le installazioni conformi agli standard IECEx, ATEX e NEC/CEC (Nord America) seguono regole diverse."

No. Che si utilizzi la classificazione per zone o quella per divisioni, la logica di installazione è la stessa. Le differenze risiedono nel modo in cui le aree pericolose vengono classificate e certificate.

"Ex op sh è un'eccezione."

No. Ex op sh è un metodo di protezione standard e riconosciuto, destinato a casi d'uso specifici, in genere quando la finestra della sonda Raman è immersa in un campione liquido e le condizioni pericolose (gas, nebbia o vapore in combinazione con l'ossigeno) possono verificarsi solo in assenza di tale liquido e possono essere rilevate e mitigate in modo affidabile.

1. 1910.307 - Hazardous (classified) locations. | Occupational Safety and Health Administration
2. Direttiva ATEX 2014/34/UE – EU legal framework governing equipment intended for use in potentially explosive atmospheres
3. Guide to the Canadian Electrical Code, Part 1[i], 26th Edition– A Road Map: Section 18 Hazardous Locations - Electrical Industry News Week
4. Classificazione delle aree pericolose (Nord America) – Overview of Class / Division and Zone concepts used in NEC and CEC frameworks
5. IEC 60079-28:2015 – International standard defining ignition risks and protection concepts (Ex op is, Ex op sh) for optical radiation in explosive atmospheres
6. Descrizione generale del sistema IECEx – International conformity assessment system for Ex equipment based on IEC standards
7. Linee guida NAMUR (associazione di utenti) – Industry recommendations on practical implementation of explosion protection concepts in process automation