La sicurezza intrinseca è un metodo di protezione fondamentale per le apparecchiature elettriche e i cablaggi installati in zone pericolose, dove possono essere presenti gas o polveri esplosive. Questa tecnica di progettazione mira a limitare l'energia disponibile in campo per evitare che si producano scoppi o fiamme in un’atmosfera pericolosa, un rischio significativo in molti settori industriali.
Introduzione alla Sicurezza Intrinseca e Aree Pericolose
Le atmosfere esplosive, che possono contenere gas infiammabili, vapori, polveri combustibili o fibre sospese, sono frequenti in diversi settori industriali come petrolio e gas, industria chimica, alimenti e bevande e prodotti farmaceutici, tra gli altri. Queste condizioni comportano il rischio di incendi o esplosioni se non vengono gestite correttamente.
Per proteggere i lavoratori, le organizzazioni devono valutare le operazioni svolte, individuare queste condizioni pericolose e adottare misure opportune per ridurre il rischio di incidenti. Nell’Unione Europea, la protezione dal rischio di esplosione è regolamentata dalle direttive ATEX 1999/92/CE e 2014/34/UE. In particolare, la direttiva ATEX 2014/34/UE riguarda le apparecchiature e i sistemi di protezione progettati per le atmosfere potenzialmente esplosive, specificando i requisiti essenziali di sicurezza e le procedure per la valutazione della conformità.
Metodi di Protezione per Apparecchiature Elettriche in Aree Ex
Spesso nelle zone pericolose è necessario utilizzare apparecchiature e strumentazioni elettriche. La serie di norme IEC/EN 60079 definisce i requisiti per la progettazione, la selezione e l'installazione delle apparecchiature elettriche in queste zone. Tra i vari metodi di protezione, la sicurezza intrinseca (Exi) si distingue per la sua capacità di prevenire l'innesco.
Exd - Protezione mediante Involucro Ignifugo (IEC/EN 60079-1)
Questo metodo di protezione permette di contenere l'esplosione all'interno di un involucro per impedire la propagazione di fiamme che potrebbero incendiare il gas circostante.
Exi - Protezione a Sicurezza Intrinseca (IEC/EN 60079-11)
Il metodo "Exi" limita la corrente, la tensione e l'energia immagazzinata in un circuito elettrico per evitare l'accensione. Questo tipo di protezione si applica alle apparecchiature elettriche nelle quali i circuiti elettrici stessi non sono nelle condizioni di provocare un’esplosione nell’atmosfera esplosiva circostante. È applicabile anche alle apparecchiature elettriche o parti di esse situate al di fuori dell’atmosfera esplosiva o protette da un altro tipo di protezione secondo la Norma CEI EN IEC 60079-0, ove la sicurezza intrinseca dei circuiti elettrici nell’atmosfera esplosiva può dipendere dalla progettazione e dalla costruzione di tali apparecchiature elettriche o da parti di esse. Un aspetto essenziale della sicurezza intrinseca è l'analisi dei guasti relativa al rispetto dei limiti di tensione, corrente e uscita.
Componenti dei Sistemi a Sicurezza Intrinseca
In un sistema elettrico a sicurezza intrinseca, i dispositivi elettrici che possono essere installati nella zona pericolosa si distinguono in due categorie principali.
Dispositivi Semplici e Costruzioni Certificate
- Le costruzioni semplici sono costituite da componenti elettrici con caratteristiche elettriche ben definite e adeguate alla sicurezza intrinseca del circuito. Normalmente non generano o immagazzinano più di 1,5 volt, 0,1 ampere, 25 mW o 20 µJ e spesso comprendono dispositivi come termoresistenze, termocoppie, potenziometri e interruttori. Possono essere: componenti passivi, componenti con energia immagazzinata ben definita o con generazione di energia in misura limitata.
- Le costruzioni certificate a sicurezza intrinseca sono oggetti più complessi che devono essere valutati in maniera tale da consentire che l’eventuale arco non superi ben precisi limiti di energia relazionati al gruppo di gas. Richiedono dunque di essere certificati e la normativa che guida lo sviluppo di questi circuiti è la norma IEC 60079-11 nello schema IECEx e la norma EN 60079-11 nel mondo della direttiva ATEX. I dispositivi a sicurezza intrinseca, come i trasmettitori di temperatura, le elettrovalvole e i convertitori I/P, sono progettati per le zone pericolose e devono essere certificati in relazione alla capacità di immagazzinare energia.
Loop Intrinsecamente Sicuri e Dispositivi Associati
I loop intrinsecamente sicuri sono progettati per evitare che l'energia elettrica o quella termica provochino esplosioni in zone pericolose. Questi richiedono un'interfaccia sicura tra i dispositivi collocati in zone pericolose e quelli in zone sicure. Per raggiungere questo obiettivo di solito si usano barriere intrinsecamente sicure, spesso denominate "barriere Zener" o "isolatori galvanici intrinsecamente sicuri".
I dispositivi associati sono essenzialmente dispositivi elettrici posizionati in modo strategico nelle zone non pericolose di uno stabilimento industriale. Il loro compito principale consiste nel regolare e limitare il trasferimento di energia dalla zona sicura a quella pericolosa.
Progettazione e Verifica della Compatibilità
La progettazione dei circuiti intrinsecamente sicuri dipende dal calcolo del "loop intrinsecamente sicuro". Per verificare la sicurezza intrinseca e la compatibilità, si confrontano parametri delle entità specifici per ogni componente o dispositivo. Questo processo consente di determinare che l’interconnessione di più apparecchiature con circuiti a sicurezza intrinseca sia conforme ai requisiti, dimostrando che la sicurezza non sia stata compromessa.
Si confrontano i valori del dispositivo associato e quelli del dispositivo a sicurezza intrinseca. Occorre prendere in considerazione anche i parametri dei cavi, poiché essi, insieme ai parametri delle apparecchiature, influiscono sulle lunghezze consentite dei cavi. Questo approccio evita il costo e l'ingombro delle custodie anti-deflagranti, tipiche di altri metodi di protezione.
Classificazione delle Atmosfere Esplosive e Livelli di Protezione Ex
La sicurezza intrinseca si basa sulla limitazione dell'energia elettrica e termica dei dispositivi installati, ma è fondamentale approfondire come alcuni gas siano più facili da innescare di altri (un discorso analogo può essere affrontato per le polveri).
L'Energia di Innesco e i Gruppi di Gas
Esiste un circuito elettrico normalizzato che permette di determinare la minima corrente di accensione di un determinato gas. Questa viene poi espressa come il rapporto MIC/MIC (CH4), ovvero il rapporto tra la corrente minima di accensione del gas e quella del Metano [1]. Il concetto di Gruppo di Gas, definito dalle norme, classifica i gas in tre diversi gruppi: IIA, IIB e IIC. La corrente di innesco è maggiore al passare dal Gruppo IIC al Gruppo IIA. Ciò significa che è più problematico gestire una sostanza appartenente al gruppo di gas IIC rispetto ad una del gruppo di gas IIA.
Livelli di Protezione (EPL)
I circuiti a sicurezza intrinseca possiedono diversi livelli di protezione (EPL - Equipment Protection Level), ciascuno adatto a zone con maggiori o minori possibilità di formazione di atmosfera esplosiva. A seconda dell'approvazione per l'area Ex gas (EPL Gx) o area Ex polvere (EPL Dx), è possibile utilizzare apparecchiature con:
- Livello di protezione "ia" (Ga o Da) nella Zona 0 o 20 (massimo livello di protezione).
- Livello di protezione "ib" (Gb o Db) nella Zona 1 o 21.
- Livello di protezione "ic" (Gc o Dc) nella Zona 2 o 22.
La progettazione per i vari livelli di protezione prende in esame anche la sicurezza a fronte di uno o più guasti [2].
Marcatura delle Apparecchiature a Sicurezza Intrinseca
Le costruzioni certificate a sicurezza intrinseca sono caratterizzate dal livello di protezione (ia, ib e ic) e dal gruppo di gas (IIA, IIB o IIC). In zona pericolosa va tenuta in considerazione anche la temperatura che potrebbe raggiungere l’apparecchiatura in funzionamento normale, o, dove richiesto, a seguito dei guasti previsti. Dunque, nella marcatura verrà indicata anche la classe di temperatura (T1, T2, ... T6).
Ad esempio, una marcatura come: Ex ib IIB T5 indica una costruzione a sicurezza intrinseca con EPL Gb (Zona 1 o 2), adatta per i gas del gruppo IIB o IIA con temperatura di accensione superiore ai 100°C [3].
Parametri Elettrici Caratteristici
Oltre a questi parametri, ve ne sono altri caratteristici di questo modo di protezione, fondamentali per l'analisi e la compatibilità del sistema:
- Ui: massima tensione applicabile.
- Ii: massima corrente applicabile.
- Pi: massima potenza dissipabile.
Questi rappresentano tensione, corrente e potenza dissipabile massime applicabili all’apparecchiatura. Inoltre, i seguenti sono parametri necessari all’analisi globale del sistema e rappresentano valori equivalenti dell’apparecchiatura:
- Li: induttanza interna equivalente.
- Ci: capacità interna equivalente.
Il Quadro Normativo Europeo per le Aree ATEX
Il contesto normativo europeo relativo alle aree con pericolo di esplosione ha subito evoluzioni significative. Le direttive comunitarie sono atti emessi dal Parlamento Europeo destinati agli Stati dell'Unione Europea, che devono allineare la propria legislazione ai loro contenuti.
A partire dalla risoluzione del 7 maggio 1985, le direttive hanno adottato il "nuovo approccio", fornendo solo indicazioni sui "requisiti essenziali di sicurezza" (ESR) che prodotti e/o sistemi devono possedere. Il compito di definire in dettaglio le caratteristiche tecniche è demandato alle norme comunitarie armonizzate, emesse da organismi come il CENELEC (Comitato Europeo per la normalizzazione Elettrotecnica). Queste norme, se il loro riferimento è pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale delle Comunità Europee, costituiscono "presunzione di conformità" alla direttiva, semplificando il processo per i costruttori.
La marcatura CE e la corrispondente dichiarazione CE di conformità attestano la conformità del prodotto alle norme armonizzate e quindi ai requisiti essenziali di sicurezza richiesti dalle direttive applicabili. Essa rappresenta il passaporto per la libera circolazione del prodotto all'interno della Comunità Europea.
Le direttive applicabili per i luoghi con pericolo di esplosione sono, a partire dal 1° luglio 2003, la direttiva di prodotto 94/9/CE (ATEX), sostituita poi dalla 2014/34/UE, e la direttiva sociale 99/92/CE, che introduce l'analisi dei rischi specifica per le atmosfere potenzialmente esplosive e la stesura di un documento sulla protezione dei lavoratori contro le esplosioni.
Applicazioni e Vantaggi della Sicurezza Intrinseca
All’interno di un impianto classificato per la possibile formazione di atmosfera esplosiva, il modo di protezione a sicurezza intrinseca Ex “i” trova largo impiego nel settore della misura e del controllo di processo. Il grande sviluppo dell’elettronica nella seconda metà del XX secolo, che si basa sull’utilizzo di valori elettrici di corrente e tensione estremamente contenuti, ha portato ad una sempre maggiore applicazione di questo modo di protezione. Applicazioni comuni includono i trasmettitori di segnale, i convertitori I/O, i rilevatori, le elettrovalvole e gli strumenti portatili.
Formazione e Certificazione per Operatori ATEX
La progettazione, installazione e manutenzione di impianti a sicurezza intrinseca in aree ATEX richiede competenze specifiche. La formazione è un obbligo (D. Lgs. 81/2008 e normative vigenti) e la certificazione delle competenze è cruciale. Corsi specifici sono indirizzati alla valutazione dei rischi ATEX di tipo meccanico e all’applicazione delle tecniche di prevenzione e protezione delle sorgenti di accensione presenti in apparecchiature, macchine, assiemi e impianti.
La certificazione è indirizzata al personale elettrico e meccanico che opera nel settore Ex: costruttori, consulenti, progettisti, installatori, manutentori e verificatori degli organismi di controllo, oltre ai riparatori di apparecchiature Ex. La certificazione di competenza, come la Saqr-ATEX rilasciata da INERIS, attesta il superamento di test di valutazione con validità di 3 anni e, per i riparatori, è legata alla certificazione delle officine di riparazione, in accordo allo schema Saqr-ATEX, alla norma IEC/EN 60079-19 e alle specifiche tecniche di riferimento.
Ambiente ATEX: Atmosfere esplosive e le direttive sulla sicurezza
Riferimenti Bibliografici
- [1] Explosion Protection - Heinrich Groh pag.104 Table 4.3
- [2] La norma IEC/EN opera in realtà una distinzione tra guasti “countable” e “non-countable”. In questa trattazione non si vuole entrare così tanto nel dettaglio.
- [3] Gruppo di gas, EPL e classe di temperatura seguono le regole delle tabelle 1, 3 e 4 della CEI EN 60079-14:2015-04.