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

Denne læringsartikkelen fokuserer på Raman-spektroskopisystemer installert i omgivelser med eksplosjonsfarlig gass, inkludert ATEX-sone 0/1/2, IECEx og NEC-/CEC-klasse I.

Den forklarer:

• Hvorfor Raman-systemer faller inn under krav til farlige områder, og når installasjoner krever overholdelse av regelverk
• Hvordan risiko for optisk antennelse oppstår, vurderes og reduseres
• Hvordan ATEX-, IECEx- og NEC-/CEC-rammeverk oversetter de samme fysiske sikkerhetsprinsippene til sertifiserings- og installasjonsregler
• Hvordan risiko for optisk antennelse håndteres ved hjelp av konseptene effektbegrensning (Ex op is) og systemsperring (Ex op sh), og hvordan dette påvirker merking og installasjon

Merk: Raman-spektroskopiutstyr er ikke sertifisert for bruk i omgivelser med eksplosjonsfarlig støv, pulver eller fiber. Derfor er disse omgivelsene ikke omtalt i denne artikkelen.
Denne artikkelen tar heller ikke for seg ikke-optiske antennelsesmekanismer eller detaljerte nasjonale prosedyrer for juridisk samsvar, som krever separate tilnærminger til systemkonstruksjon og -sertifisering.

Raman-spektroskopisystemer kan bli en potensiell antennelseskilde når optisk stråling konsentreres i omgivelser med brannfarlig gass eller damp, selv om Raman-sonder ikke danner gnister eller varme elektriske komponenter ved målepunktet.

Antennelsesrisikoen oppstår fra lokal oppvarming forårsaket av fokusert optisk energi på overflater eller partikler. Så snart en Raman-installasjon utsettes for omgivelser som kan inneholde en kombinasjon av oksygen og brannfarlig gassdamp eller -tåke, anses den å befinne seg i et farlig område og må derfor oppfylle de relevante kravene til utstyr i farlige områder.

Krav til utstyr i farlige områder gjelder for Raman-spektroskopi på grunn av optisk antennelsesfysikk, ikke elektriske gnister eller kun regional lovgivning.

Krav til utstyr i farlige områder for Raman-systemer styres av de samme fysiske sikkerhetsprinsippene over hele verden. Regionale rammeverk skiller seg hovedsakelig når det gjelder hvordan farlige områder klassifiseres og dokumenteres, ikke den underliggende installasjonslogikken eller mekanismene for å forhindre antennelse.

ATEX (Europa) og IECEx (internasjonalt) bruker et sonebasert klassifiseringssystem (sone 0, 1, 2) for å definere sannsynligheten for og varigheten av forekomsten av omgivelser med eksplosjonsfarlig gass. Disse sonene bestemmer hvor Raman-sonder kan installeres, og hvilke beskyttelseskonsepter som må brukes.

• ATEX(EU) er et lovverk knyttet til CE-merking.
• IECEx(internasjonalt) er et globalt samsvarsystem basert på IEC-standarder.

NEC/CEC (Nord-Amerika) anvender begrepene klasse/divisjon eller klasse/sone for gassfarlige områder (klasse I), med utstyrsgodkjenninger som vanligvis utstedes av UL, FM eller CSA.

Selv om terminologien er forskjellig, er hensikten den samme: å definere farlige områder og sikre at antennelseskilder kontrolleres.

• Klassifisering av farlige områder definerer hvor optiske sonder og tilhørende komponenter kan installeres (soner i ATEX/IECEx; klasse/divisjon eller klasse/sone i NEC/CEC).
• Stråleinnkapsling, inkludert sperrer på optiske baner og fiberforbindelser, sammen med begrensning av lasereffekten ved målepunktet (sondeenden), forhindrer optisk antennelse.
• Konsepter for optisk beskyttelse brukes på systemnivå for å sikre at laserstråling ikke kan antenne omgivelser med brannfarlig gass.

I Raman-installasjoner bestemmer plasseringen av sondespissen kravet for farlig område, fordi det er der optisk energi faktisk sendes ut i prosessen.

• Sone 0: eksplosive omgivelser til stede kontinuerlig eller i lange perioder
• Sone 1: sannsynlig å forekomme sporadisk
• Sone 2: usannsynlig eller til stede i korte perioder

Analysatoren er ofte fysisk installert i et ikke-farlig (generelt) område, mens fiberoptiske kabler kobler analysatoren til sonden i sone 0, 1 eller 2.

Selv når analysatoren er installert i et generelt område, kan den likevel kreve Ex-merking hvis den inngår i et system som overfører optisk energi til en farlig sone. I slike tilfeller vurderes og merkes analysatoren basert på dens funksjonelle tilknytning til det farlige området, ikke utelukkende på grunnlag av dens fysiske plassering.

Følgende liste viser en forenklet konseptoversikt mellom ATEX-gassoner (til venstre) og NEC-/CEC-klassifiseringer (til høyre). Terminologien er forskjellig, men logikken rundt antennelsesrisiko er den samme.

• Sone 0 → Klasse I, divisjon 1
• Sone 1 → Klasse I, divisjon 1
• Sone 2 → Klasse I, divisjon 2

Viktige elementer i merkingen av Raman-systemer inkluderer:

Utstyrsgruppe: gruppe II (overflateindustrier som kjemisk og farmasøytisk)

Utstyrsbeskyttelsesnivå (EPL):

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

Gassgrupper: IIA, IIB, IIC (hvor IIC er den mest krevende)

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

Gassgruppe og temperaturklasse spesifiseres av anleggseieren basert på prosessdata og avgjør den endelige systemmerkingen.

Optisk stråling kan antenne brannfarlige omgivelser når energi konsentreres og absorberes av små overflater eller partikler. IEC 60079-28:2015 beskriver denne mekanismen og definerer beskyttelseskonsepter for å forhindre antennelse i eksplosjonsfarlige omgivelser.

Standarden inneholder referansetabeller som definerer effektgrenser for iboende sikker optisk stråling (Ex op is) for spesifikke bølgelengder, eksponeringsforhold og gassgrupper. Disse tabellene gir grunnleggende veiledning for optiske effektnivåer som anses som ikke-antennelige under definerte forutsetninger.

I praktiske Raman-applikasjoner må den gjeldende sikre effektgrensen bekreftes gjennom en Laser Hazard Assessment (LHA). LHA tar ikke bare hensyn til standardreferanseverdiene, men også applikasjonsspesifikke parametere, herunder:

• gassgruppe og antennelsesfølsomhet
• bølgelengde og strålegeometri
• eksponeringstid og optisk fokusering
• sondedesign og feilforutsetninger

LHA definerer derfor den maksimalt tillatte lasereffekten ved sondespissen og den endelige Ex-klassifiseringen av systemet.

Ex op is begrenser optisk energi slik at antennelse ikke er mulig under normal drift og definerte feilforhold. I Raman-systemer oppnås dette typisk ved å begrense lasereffekten ved sondespissen.

Det finnes ingen universelt sikker lasereffektverdi. Selv om IEC 60079-28 angir referansegrenser, forblir den maksimalt tillatte effekten applikasjonsspesifikk og må valideres ved LHA, som definerer det sikre driftsområdet og den endelige systemmerkingen.

Ex op sh tillater høyere optisk effekt, men er avhengig av sikkerhetstiltak og sperrer i konstruksjonen for å sikre at optisk stråling deaktiveres når det vil kunne oppstå antennelsesrelevante forhold.

Dette konseptet brukes ofte når:

• måleytelsen krever lasereffekt over Ex op is-grensene
• usikre forhold kan pålitelig oppdages og reduseres

Ex op sh kan omfatte:

• deteksjon av kabelbrudd
• sperrer på fiberforbindelser
• overvåking av prosessforhold (f.eks. tap av væskedekning)
• automatisk laserstans

Ex op sh gjelder på systemnivå og kan omfatte komponenter som befinner seg utenfor det farlige området.

I mange prosessapplikasjoner installeres Raman-sonder i miljøer som normalt ikke er eksplosjonsfarlige, for eksempel væskefylte rørledninger eller beholdere. Under normal drift forhindrer væsken at det dannes antennbare gassomgivelser ved sondespissen.

Det kan imidlertid skje atprosessforholdene endres. Tap av væskedekning, avgassing, uttørking eller unormal drift kan føre til at det midlertidig dannes en brannfarlig gass- eller dampfase ved målepunktet. I slike scenarier kan risikoen for optisk antennelse endre seg dynamisk, selv om installasjonen ikke er klassifisert som permanent farlig.

Bransjestandarder, inkludert NAMUR-anbefalinger, anerkjenner dette scenariet og beskriver bruken av konsepter for optisk beskyttelse ved bruk av sperre (Ex op sh) for å håndtere omgivelser som er eksplosjonsfarlige under visse betingelser. I disse tilfellene muliggjør Ex op sh ikke bare høyere optisk effekt, men det sikrer også at optisk stråling automatisk deaktiveres når forholdene overgår til en antennelsesrelevant tilstand (for eksempel ved tap av væskedekning).

Denne tilnærmingen gjør det mulig å anvende Raman-spektroskopi på en sikker måte i prosesser der eksplosjonsfarlige omgivelser ikke forventes under normal drift, men ikke kan utelukkes under definerte unormale eller forbigående forhold, forutsatt at deteksjonslogikken, sperrene og nedstengningsatferden er klart definert og validert på systemnivå.

En typisk installasjon av et Raman-system inkluderer:

• En analysator plassert i et ikke-farlig område eller, der det er aktuelt, i et kabinett sertifisert for installasjon i sone 1 / divisjon 2
• Fiberoptiske kabler ført inn i farlige områder
• En Ex-sertifisert Raman-sonde (ATEX, IECEx eller NEC/CEC etter hva som er aktuelt) installert i sone 0, 1 eller 2

Avhengig av det valgte konseptet for optisk beskyttelse (Ex op is eller Ex op sh) er det sertifiserte systemet avhengig av stråleinnkapsling, begrensning av lasereffekten ved sonden og tilhørende beskyttelsestiltak. Når ytterligere sperrer eller overvåkingsfunksjoner implementeres ved hjelp av separate enheter, er de ikke en del av Raman-systemsertifiseringen. Vurderingen av disse må utføres av sluttbrukeren som en del av det overordnede installasjons- og sikkerhetskonseptet.

Som vist i illustrasjonen ovenfor er det sondens plassering som definerer sonen (sone 0/1/2), mens analysatoren vanligvis befinner seg i et generelt område. Optisk antennelse styres via Ex op is (effektbegrenset per LHA) eller Ex op sh (optisk system med sperre: kabelbrudd/tilstandsovervåking → laserstans). Den komplette kombinasjonen av analysator, fiber og sonde vurderes og merkes som ett sertifisert system, og det er påkrevd med Ex-merking for analysatoren når den er funksjonelt koblet til en farlig sone.

Hensyn å ta for Ex op sh under installasjon – fibre, kontakter og sperrer

I praktiske installasjoner er anvendelsen av Ex op sh mest synlig under systeminstallasjon og -integrasjon, heller enn ved selve sonden.

Mens Raman-sonden vanligvis er konstruert for å oppfylle definerte krav til optisk beskyttelse, er kontroll av antennelsesrisiko på systemnivå ofte styrt av hvordan optisk energi overføres fra analysatoren til det farlige området. Dette inkluderer:

• fiberoptisk kabelføring gjennom farlige og ikke-farlige soner
• optiske koblinger plassert ved sonegrenser eller inne i kabinetter
• integriteten til den optiske banen mellom analysatoren og sonden

Derfor implementerer Ex op sh-systemer sperrer som overvåker kabelkontinuitet og koblingsstatus, noe som sikrer at laserstråling automatisk deaktiveres hvis den optiske banen blir brutt eller eksponert. Disse tiltakene er særlig relevante under:

• installasjon og igangsetting
• vedlikehold eller tilkobling av fiber på nytt
• unormale forhold, for eksempel kabelskade

Fra et installasjonsperspektiv flytter Ex op sh derfor fokus fra sertifisering på komponentnivå til atferd på systemnivå: kabelføring, koblingshåndtering og validering av sperrer blir en del av sikkerhetskonseptet for farlige områder og må tas i betraktning under prosjektering, installasjon og dokumentasjon.

• Definere områdeklassifisering (soner eller klasser)
• Spesifisere gassgruppe og temperaturklasse basert på prosessdata
• Sikre korrekt mekanisk og elektrisk installasjon
• Utføre eller bestille vurderinger av farlige områder og laserfare

• Levere Ex-sertifisert Raman-utstyr (analysator, sonde eller individuelle komponenter etter behov), med sonden merket i henhold til kravene definert av den Ex-ansvarlige på kundens anlegg
• Informere om de tilgjengelige metodene for optisk beskyttelse som støttes av utstyret (for eksempel Ex op is eller Ex op sh)
• Definere og dokumentere de sertifiserte lasereffektgrensene, innebygde beskyttelsesfunksjoner og påkrevd utstyrsmerking
• Når Ex op sh brukes, må omfanget av sertifiseringen og grensen mellom sertifisert utstyr og kundens overordnede ansvar for systemintegrasjon og sikkerhetsvurdering defineres tydelig

Krav for farlige områder gjelder for hele Raman-systemet, ikke for enkeltkomponenter. Analysator, sonde, fiberoptikk, effektinnstillinger og sikkerhetsfunksjoner utgjør én sertifisert konfigurasjon. Enhver endring krever ny vurdering.

Trinn som kreves av den Ex-ansvarlige hos kunden før valg av utstyr til Ex-område

1. Bekrefte og dokumentere klassifiseringen av farlig område
2. Definere gassgruppe og temperaturklasse
3. Gjennomføre Laser Hazard Assessment (LHA)
4. Bestemme om Ex op is (effektbegrensning) eller Ex op sh (system med sperre) er påkrevd
5. Velge sertifisert analysator og/eller sonde og sørge for at Ex-sondens merking er hensiktsmessig for gassgruppen og temperaturklassen som ble definert under klassifiseringen av farlig område
6. Planlegge installasjonsarkitektur og fiberruting
7. Verifisere merkinger (EPL, gassgruppe, temperaturklasse, konsept for optisk beskyttelse)
8. Fullføre "som utført"-dokumentasjon og oppbevare sertifikater
9. Gi personell opplæring i sikker drift

"Lasereffekten er fastsatt av instrumentet."

Nei. Maksimal tillatt effekt er applikasjonsspesifikk og definert av forholdene i det farlige området.

"Hvis analysatoren er sertifisert, er systemet i samsvar."

Nei. Samsvar vurderes på systemnivå, så det kreves også en Ex-sertifisert sonde.

"Installasjoner etter IECEx-, ATEX- og NEC-/CEC-standarder følger forskjellige regler."

Nei. Uansett om man bruker sone- eller divisjonsklassifisering, er installasjonslogikken den samme. Forskjellene ligger i hvordan farlige områder klassifiseres og sertifiseres.

"Ex op sh er et unntak."

Nei. Ex op sh er et anerkjent standard beskyttelseskonsept beregnet på spesifikke bruksområder, typisk når Raman-sondens vindu er nedsenket i en væskeprøve, og farlige forhold (gass, tåke eller damp i kombinasjon med oksygen) kun kan oppstå i fravær av den væsken, og kan pålitelig oppdages og reduseres.

1. 1910.307 - Hazardous (classified) locations. | Occupational Safety and Health Administration
2. ATEX-direktiv 2014/34/EU – EU-lovverk som regulerer utstyr beregnet for bruk i potensielt eksplosjonsfarlige omgivelser
3. Guide to the Canadian Electrical Code, Part 1[i], 26th Edition– A Road Map: Section 18 Hazardous Locations - Electrical Industry News Week
4. Hazardous area classification (North America) – Overview of Class / Division and Zone concepts used in NEC and CEC frameworks
5. IEC 60079-28:2015 – Internasjonal standard som definerer antennelsesrisikoer og beskyttelsesbegreper (Ex op is, Ex op sh) for optisk stråling i eksplosjonsfarlige omgivelser
6. Oversikt over IECEx-systemet – Internasjonalt system for samsvarsvurdering av Ex-utstyr basert på IEC-standarder
7. Veiledning fra NAMUR (brukerforening) – Bransjeanbefalinger for praktisk implementering av eksplosjonsbeskyttelseskonsepter i prosessautomasjon