Conceptos Básicos para Clasificación de Áreas Peligrosas

Por: Ing. Rodrigo Sandoval López
México Automatización,
Edición Julio – Septiembre 2011.

INTRODUCCIÓN

En la mayoría de los procesos industriales (químicos, petroquímicos, petróleo y gas) se almacenan, generan y transportan sustancias peligrosas que al mezclarse con el aire en concentraciones adecuadas pueden ser propicias a encenderse, inflamarse o explotar en presencia de una fuente de calor (suministro de energía) como lo sería una chispa, un arco eléctrico o las altas temperaturas. Dichas mezclas conforman el medio ambiente local de los lugares que se denominan de riesgo, por ello se requiere de una amplia gama de instrumentos eléctricos/ electrónicos cuyas características varían según la variable a controlar, las propiedades físicas de la misma, las especificaciones mecánicas y del sitio de operación, entre otras

Antes de decidir la adquisición de un instrumento eléctrico/electrónico, se deben conocer los aspectos principales del proceso y las características de las áreas involucradas.

CONOCIENDO LAS ÁREAS OPERATIVAS

Para que ocurra la combustión (incendio o explosión), en un medio deben estar presentes tres elementos en forma concurrente y simultánea:


El combustible: gas inflamable, vapor de líquido inflamable o combustible, polvo combustible, fibras, pelusas o ligeros encendibles.

El oxígeno (componente en 60% del aire): el combustible se mezcla con dicho oxígeno pudiendo alcanzar una proporción explosiva.

El calor (fuente de encendido): con suficiente energía para encender la mezcla inflamable o explosiva.


De este modo, la condición para que un área sea considerada como peligrosa y por tanto clasificable, es que en dicha atmósfera debe hallarse presente un material combustible. Por lo tanto, las áreas operativas en la planta industrial se clasifican en relación a los riesgos presentes en ellas. Una vez obtenida la categorización se obtienen las herramientas necesarias para seleccionar el instrumento adecuado para operar de forma segura en un área específica.

Cuando se clasifica un área, se pueden utilizar diferentes técnicas para asegurar que el instrumento eléctrico/electrónico que se va a encontrar en ella no provocará condiciones peligrosas. Estas técnicas incluyen seguridad intrínseca, purgas, gabinetes a prueba de explosión, etcétera.

Las razones específicas para clasificar una planta industrial en áreas peligrosas típicamente son:

  1. Certificar que las fuentes de ignición tengan una separación segura de los combustibles líquidos y gases.
  2. Asegurar que el equipo eléctrico/electrónico seleccionado, el cual se va a encontrar cerca de combustibles líquidos y gases, cuenten con un diseño adecuado y de construcción para prevenir igniciones.
  3. Ayudar en la localización de entradas de aire para los sistemas de ventilación y equipo de combustión.
  4. Definir la extensión del vapor de la flama propagada de los venteos, drenes y otras fuentes abiertas de hidrocarburos.
  5. Ayudar en la localización de detectores de gas combustible y equipo de detección de fuego.
  6. Permitir la localización de equipos salvavidas, almacenamiento de líquidos flamables, puntos de control de emergencia y radiación en áreas seguras donde sean prácticas.
  7. Lograr una instalación eléctrica económica del instrumento que proporcione un nivel de seguridad aceptable a un costo lo más bajo posible.

Además la clasificación de áreas peligrosas y el diseño de los equipos no sólo es una buena práctica de ingeniería, sino que a menudo se debe cumplir con las leyes estatales y/o regionales de cada país. Es importante señalar que para clasificar una zona se debe operar en forma individual, es decir, por cada cuarto, sección o área de una parte del proceso.

SISTEMAS PARA LA CLASIFICACIÓN DE ÁREAS PELIGROSAS SISTEMA DE CLASIFICACIÓN POR DIVISIÓN

Este sistema de clasificación  definido originalmente por la NFP en el National Electrical Code y es ampliamente utilizado en los Estados Unidos y México. El sistema de clasificación por división requiere que las áreas peligrosas se identifiquen con una Clase, decisión y grupo.

CLASES

La Clase identifica si el material flamable que pueda estar presente es un gas, polvo o fibra; pueden ser 1, 2 ó 3 y se mostrarán con el correspondiente número romano. La 1 son aquellas zonas donde pueden estar presentes en concentraciones altas y de manera continua gases flamables.

La II en lugares que pueden estar presentes polvos combustibles. La III indica una zona donde es fácil encontrar la presencia de fibras volátiles e inflamables.

TABLA 1

DIVISIONES

La División generalmente define la probabilidad de que un material flamable esté presente y cómo es utilizado en esa área.

La división 1 tiene las siguientes características:

  • Concentraciones flamables de gases y vapores que pueden existir por largos periodos de tiempo. – Las concentraciones flamables ocurren debido a las fas actividades de mantenimiento/reparación a una fuga del equipo de proceso.
  • La falla o el mal funcionamiento del equipo de procesos pueden liberar mezclar famables y fallas simultáneas de equipo eléctrico que puede provocar una ignición.

Es decir, la división 1 indica una presencia frecuente y continua de una mezcla flamable. La presenca de ella puede ocurrir durante las rutinas de operación.

La división 2 tiene las siguientes características, en general:

  • Cuando se utilizan gases flarnables y líquidos volátiles, pero que normalmente están contenidos en un sistema cerrado.
  • El escape ocurrirá únicamente cuando el sistema se dañe de forma accidental o esté en condiciones anormales.
  • La acumulación de materiales flamables se previene normalmente por medio de ventilación mecánica positiva.
  • El área es adyacente a División 1 y el material flamable puede transferirse a menos que se prevenga por medio de ventilación mecánica positiva, tal como ventilación por presión de aire con salvaguardas en caso de falla de la ventilación.

En resumen, la División 2 indica la presencia infrecuente o rara de mezclas flamables. La presencia en un área División 2 ocurrirá únicamente como resultado de accidentes en el proceso u operaciones anormales en el proceso.

Para la Clase III, División 1, está reservada para áreas donde en el proceso se forman fibras y pueden ser volátiles, y la División 2 se asigna a las zonas donde los materiales se encuentran almacenados, pero no se están procesando.

Las Clases II y III no son ampliamente utilizadas en la industria de los hidrocarburos.

GRUPOS

Las Clases están divididas en grupos en los cuales se les asignan categorías con base a las propiedades químicas y físicas del material peligroso. La guía para la determinación del grupo de una substancia se puede encontrar en la NFPA 497 [Recommended Practice for the Classification of Flammable Liquids, Gases, or Vapors and of Hazardous (Classified) Locations for Electrical Installations in Chemical Process Areas) y la NFPA 499 (Recommended Practice for the Classification of Combustible Dust and of Hazardous (Classified) Locations for Electrical Installations in Chemical Process Areas].

La Clase I está subdividida en cuatro grupos: A, B, C Y D. El primero está compuesto únicamente por el acetileno. El B por el gas hidrogeno, el C por el gas etileno y el por el gas propano. Por lo tanto, los grupos B, C Y D pertenecen a vapores y gases producidos por la evaporación de líquidos combustibles o flamables que pueden ser quemados o explotados cuando se combina con aire y una fuente de ignición.

La Clase II está subdividida en tres grupos: E, F Y G. El primero incluye atmósferas que contienen polvos metálicos u otros polvos con características que presenten de igual forma propiedades peligrosas (ej. tamaño de la partícula, abrasivos y conductivos). El F integra atmósferas que contienen polvos basados en carbón con más de 8% en partículas volátiles entrampadas. Este grupo también contiene polvos basados en carbón que son sensibles y que presentan un peligro de explosión. El F, polvos tales como carbón, coque, carbón vegetal y grafito. El G contiene todos los materiales de la Clase II que no se contemplan en los grupos E o F, incluyendo harina, grano y madera. La Clase III no está subdividida en grupos.


Símbolos para identificar las áreas peligrosas clase 1, división 1 y división 2 (fuente NFPA 500) división 1 • división 2.


SISTEMA DE CLASIFICACIÓN POR ZONAS

El sistema de clasificación por zonas se incluye en el National Electrical Code (NEC), pero está más en conformidad con las normas lEC para la clasificación de áreas peligrosas. Este sistema separa las áreas peligrosas en tres zonas: Zona 0, Zona 1 y Zona 2. En la Tabla 1 se muestra una guía para la aplicación y selección de zonas.

Un área Zona ° Indica la presencia de mezclas de vapores en forma continua y/o por largos periodos de tiempo. El área designada como Zona 1 indica presencia probable de mezclas flamables de vapores o gases bajo condiciones normales. Las mezclas pueden ocurrir como resultado de las operaciones de reparación/mantenimiento o de una fuga menor proveniente del empaque de una válvula o de una bomba y además debido a la falla y/o al mal funcionamiento del proceso que pueden ser fuentes de ignición y provocar fallas en el equipo eléctrico.

Las áreas Zona 2 son aquellas donde es improbable que una mezcla flamable se presente durante una operación normal y que rápidamente se puede dispersar en caso de ocurrir. Generalmente se considera Zona 2 al material flamable que es procesado y se encuentra en un sistema cerrado y donde la acumulación de gases es prevenido por ventilación mecánica positiva, pero la cual puede volverse peligrosa por falla o funcionamiento anormal del equipo de ventilación.

GRUPOS

El sistema de clasificación por zonas separa los gases y vapores en dos grupos: I y 11. A su vez el 11 está subdividido en tres grupos HA, IIB Y He. El Grupo I está reservado donde el principal componente es el metano, el cual típicamente es encontrado en las minas.

 

El National Electrical Code no aplica a instalaciones mineras, por lo tanto el Grupo I no se utiliza. El Grupo HA incluye materiales como el metano y el propano, el Grupo HB incluye otros como el etileno, y el Grupo HC incluye sustancias como el hidrógeno y acetileno. Los grupos de la clasificación por zonas se pueden comparar con los grupos de la clasificación por división, ver tabla 2. Símbolos para identificar las áreas peligrosas Clase 1, Zona 0, Zona 1 y Zona 2 (Fuente NFPA SOS).

COBERTURA DE LOS ESTÁNDARES PARA ÁREAS PELIGROSAS

Existen diversas organizaciones oficiales y particulares en países industrializados que promueven, elaboran, actualizan, difunden, absuelven consultas y publican estándares para su aplicación en Áreas Clasificadas. Tales organismos, que a continuación se describen, son los que certifican si el instrumento eléctrico/electrónico cubre las características para que sea a prueba de explosión; es decir, cuando el encapsulado (housing) es capaz de contener una flama o chispa que pueda generar un incendio o explosión y/o que sea intrínsecamente seguro; esto es cuando la electrónica del instrumento es incapaz de generar una chispa que pueda generar las condiciones antes mencionadas.

Principalmente son dos normas electrotécnicas a nivel mundial que cubren los aspectos de quipos electricos/electrónicos localizados en Áreas Clasificadas.

  1. IEC/ATEX/CENELEC. Aplicado ampliamente en Europa. lEC: International Electrotechnical Commission ATEX: ATmospheres EXplosibles CENELEC: European Committee of Electrotechnical Standards
  2. NEC, CEC (productos aprobados por los laboratorios UL, FM, CSA … ). Aplicado ampliamente en el continente americano. NEC: National Electrical Code CEC: Canadian Electrical Code

Los productos que están conforme a las normas IEC/ATEX/CENELEC o NEC tienen una protección idéntica, aunque estén diseñados de forma diferente por disposición de una instalación en específico. Las normas lEC son las que son aceptadas prácticamente a nivel global.

Entonces, ¿qué certificados debe cumplir el instrumento?, ¿qué características debe tener?, ¿a prueba de explosión o intrínsecamente seguro?; estas cuestiones deben quedar definidas en la ingeniería de detalle, procura y por el cliente o usuario final, para evitar en lo posible redundar (a prueba de explosión e intrínsecamente seguro), ya que implicaría costos elevados en la adquisición del instrumento.

ALGUNOS ORGANISMOS NORMATIVOS CENELEC

Undenwriters Laboratories Inc. (UL), es una empresa independiente dedicada a la ciencia de la seguridad que ofrece experiencia en cinco campos estratégicos clave: Product Safety Environment, Life&Health, University y VerificationServices. Esto significa que el equipo a prueba de explosión será sujeto a todas las pruebas eléctricas, mecánicas y Material.

FACTORY MUTUAL (FM). Es una compañía norteamericana global que se dedica  a la investigación y desarrollo, donde conduce pruebas de fuego y riesgos especiales y protección tecnológica, de desastres naturales y riesgos eléctricos. Estas pruebas van del rango de testificar la diferencia en cómo se queman los materiales hasta evaluar cómo los componentes de la construcción reaccionan frente a desastres naturales.

CANADIAN STANDARDS ASSOCIATION (CSA). Es una organización sin fines de lucro que desarrolla normas en 57 áreas de especialización. Dentro de sus tareas está la de administrar el Código Eléctrico Canadiense. El CEC integra el sistema del lEC. Esto involucra la introducción simultánea de los estándares de nuevos productos, métodos de canalización y requerimientos de la clasificación de área por zona.

ORGANISMOS NORMATIVOS EN EUROPA

INTERNATIONAL ELECTROTECNICAL COMMISION (lEC). Es el responsable de las actividades de estandarización eléctrica.

CENELEC. Esta organización es el resultado del deseo de armonizar los estándares para el equipo eléctrico que se usa en áreas riesgosas, y se basaron en el trabajo de la IEC.

ATEX. Que resulta de la abreviatura de – Atmósfera Explosiva, proviene de una serie de Directivas Europeas transpuestas a los estados miembros y que son de cumplimiento obligado.

  • Directiva 94/9/CE – ATEX 100: Sobre aparatos y sistemas de protección uso en atmósferas explosivas.
  • Directiva 99/92/CE – ATEX 137: Sobre protección de la Seguridad y la Salud de los trabajadores expuestos a los riesgos derivados de la presencia de atmósferas explosivas en el lugar de trabajo.

ALGUNAS ÁREAS TÍPICAMENTE

Para el caso nacional, Pemex con base su experiencia y estándares internaciones mencionados en este artículo, define la expresión y los límites de las áreas peligrosas para la selección de equipo eléctrico/electrónico en los siguiente:

  • LUGARES LIBREMENTE VENTILADOS.
    • Productos más pesados que el aire.
    • Fuera de las plantas de proceso.
    • Líquidos inflamables a presión.
    • Trabajos de pulverización o inmersión
  •  LUGARES CERRADOS.
    • Fugas de materiales combustibles.
    • Ventilación deficiente.
    • Ventilación eficiente.
    • Líquidos inflamables a presión.
    • Talleres
    • Productos con temperaturas de ignición cercanas a la temperatura ambiente.
  • FOSAS.
  • DISTRIBUCIÓN AL MENUDEO.
    • Llenado de depósitos de gasolina. Venteo con descarga hacia arriba.
    • AUTOTANQUES y CARROTANQUES.
  • TANQUE ALMACENAMIENTO ELEVADO.
  • TANQUE ALMACENAMIENTO SOBRE EL SUELO.
    • Tanques de techo fijo – Tanques de techo flotante
  • TANQUES DE ALMACENAMIENTO SUBTERRÁNEOS.
  • TANQUES SEPARADORES. EVENTEOS.
  • TRAMPAS RECUPERADORAS DE HIDROCARBUROS.
  • POZOS EN PRODUCCIÓN DE PETRÓ- LEO Y GAS.
  • CABEZALES, VÁLVULAS Y CONTROLES OPERADOS CON GAS INFLAMABLE.
  • ÁREAS CLASIFICADAS EN ZANJAS O REGISTROS EN LOS QUE SE INSTALAN TUBERÍAS DE PROCESO E INSTRUMENTACIÓN.
  • LOCALES DE ANESTESIA INFLAMABLE.

CONCLUSIÓN

En la Industria química, petroquímica, petróleo y gas se manejan sustancias inflamables así como otros productos, debido a eso es susceptible la presencia de concentraciones de gases o vapores que al unirse con el oxígeno del aire forman mezclas ligeras con concentraciones explosivas.

Por lo tanto, la clasificación de áreas peligrosas se debe realizar con mucho cuidado y basarse en un completo entendimiento sobre los riesgos presentes en la planta y/o proceso, así como de las propiedades de los componentes peligrosos utilizados o manejados, incluyendo las fuentes de escape.

Esta información se debe conocer desde la ingeniería básica del proyecto, con la finalidad de decidir las características que deben cumplir los instrumentos eléctricos/ electrónicos, los cuales se instalarán en un área peligrosa dada. Estos procedimientos para la clasificación se pueden encontrar en el NEC Artículo 500, en la NOM-001-SEDE Artículo 500 y en el caso particular de Pemex en la norma de referencia NRF-036-PEMEX.

DEFINICIONES CLAVES PARA TOMAR EN CUENTA

La complejidad y confusión en la clasificación de áreas a menudo radica en la determinación de la probabilidad de la flamabilidad del material presente. El proceso se toma con base al hecho de que todas las fuentes de peligro (ej . gas, vapor, polvos) tienen diferentes propiedades de ignición y, por lo tanto, producirán diferentes efectos de estallidos en caso de que ocurra una explosión. Algunos factores clave que influyen en la clasificación de un área se mencionan a continuación:

Punto de Flasheo (Flash Point). Es la temperatura en la cual un material es capaz de volatizar una cantidad suficiente de vapor flasheado cuando es expuesto a una fuente de ignición.

Temperatura de Auto-Ignición (Auto Ignition Temperature).  Es la temperatura en la cual un material se ignitará de forma espontánea cuándo se descubre al aire sin que se requiera una fuente de ignición externa.

 Límites Explosivos (Explosive Limits).  Son los límites de concentración de una mezcla de un material flamable que se encuentra en el aire, se mide como el porcentaje por volumen, donde la mezcla puede ser ignitada. Los límites se dan en términos de Lower Flammability Limit (LFL) y Upper Flammability Limit (UFL).

Gravedad Específica del Vapor (Vapor Specific Gravity).  Es la relación del peso del volumen de vapor o gas puro y el peso de igual volumen de aire seco. Fuentes de Fuga (Leak Source). Son los lugares en un proceso o en un contenedor donde se almacenan materiales flamables, los cuales pueden ocasionar una fuga, tales como bridas, conexiones atornillables y empaques de las válvulas.

Ventilación (Ventilation).  En los casos donde se libera material flamable en forma lenta, tal como en un empaque de una válvula, la acumulación de una mezcla flamable se puede eliminar por medio de la ventilación del área, mediante medios naturales o ventilación mecánica forzada.

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