Взрывозащищенные погружные нагреватели: руководство по безопасному выбору

Взрывозащищенные погружные нагреватели необходимы там, где сосуществуют легковоспламеняющиеся среды и нагрев жидкости.

На любом объекте, где помимо технологического нагрева присутствуют легковоспламеняющиеся жидкости, газы или горючая пыль, стандартный погружной нагреватель не просто недостаточен — он представляет опасность прямого возгорания. Взрывозащищенные погружные нагреватели специально разработаны для предотвращения внутренних электрических неисправностей, перегрева или образования дуги, которые могут привести к воспламенению окружающей атмосферы. , обеспечивая при этом точный и эффективный нагрев жидкости, необходимый для промышленных процессов.

Выбор подходящего взрывозащищенного погружного нагревателя для конкретного применения зависит от классификации опасной зоны, нагреваемой жидкости, требуемой плотности мощности, материала оболочки и номинала клеммной коробки. Любая из этих ошибок создает либо угрозу безопасности, либо устройство преждевременно выходит из строя при эксплуатации. В этом руководстве с практической точки зрения рассматриваются все важные моменты выбора и установки.

Чем взрывозащищенные погружные нагреватели отличаются от стандартных агрегатов

Стандартный погружной нагреватель эффективно нагревает жидкость, но его корпус для электрических клемм, где проводка соединяется с нагревательными элементами, не изолирован от взрывоопасных сред. Возникновение внутренней дуги или искры может привести к воспламенению легковоспламеняющихся паров, присутствующих в окружающей среде.

Взрывозащищенные погружные нагреватели решают эту проблему с помощью двух взаимодополняющих инженерных подходов:

• Взрывозащищенные корпуса (XP): Корпус клеммной коробки сконструирован таким образом, чтобы сдерживать любой внутренний взрыв и предотвращать распространение пламени во внешнюю атмосферу. В корпусе это достигается за счет механически обработанных фланцевых соединений с точно контролируемыми размерами зазоров и глубиной зацепления резьбы, которые охлаждают выходящие газы ниже температуры воспламенения. Эти корпуса отлиты из толстостенного алюминиевого сплава или железа и значительно тяжелее и прочнее, чем стандартные клеммные головки.
• Исполнения повышенной безопасности (Ex e): Эти корпуса, используемые в некоторых европейских и сертифицированных IECEx устройствах, вообще предотвращают возникновение дуг и искр за счет повышенных требований к изоляции, путям утечки и контролю температуры, а не сдерживают взрыв постфактум.

Кроме того, взрывозащищенные погружные нагреватели включают в себя устройства защиты от перегрева — обычно термопредохранители или термостаты, рассчитанные на работу в опасной зоне. — для предотвращения превышения температуры поверхности Т-класса установки, что может привести к воспламенению окружающей атмосферы даже без внутреннего повреждения.

Классификация опасных зон и требования к сертификации

Выбор сертифицированного взрывозащищенный погружной нагреватель требует соответствия сертификации устройства конкретной классификации опасных зон установки. Использование обогревателя, сертифицированного по одной классификации, в другой, потенциально более опасной, опасной зоне является нарушением нормативных требований и нарушением безопасности.

Североамериканская система классификации (NEC/CEC)

Национальный электротехнический кодекс (NEC) и Канадский электротехнический кодекс (CEC) классифицируют опасные зоны с использованием системы классов/подразделений:

• Класс I: Воспламеняющиеся газы или пары (нефтеперерабатывающие заводы, химические заводы, покрасочные камеры, предприятия по переработке топлива)
• Класс II: Горючая пыль (зерновые элеваторы, мукомольные заводы, перевалка угля, переработка фармацевтических порошков)
• Класс III: Воспламеняющиеся волокна или летучие вещества (текстильные фабрики, деревообрабатывающие предприятия)
• Дивизион 1: Опасные условия существуют при нормальной работе
• Дивизион 2: Опасные условия возникают только в нештатных ситуациях (протечки, выход из строя оборудования).

Наиболее требовательная и распространенная сертификация погружных нагревателей в Северной Америке – это Класс I, Раздел 1, Группы C и D - охватывающих среду этилена и пропана/природного газа соответственно. UL 1203 — применимый стандарт для взрывозащищенных корпусов в США; CSA C22.2 № 30 распространяется на Канаду.

Классификация IECEx и ATEX (международная/европейская)

Серия IEC 60079 и директива ATEX (2014/34/EU) используют систему зон, а не класс/подразделение:

• Зона 0/Зона 20: Взрывоопасная атмосфера присутствует постоянно или в течение длительного времени (газы/пыль соответственно) — требуется категория Ex ia
• Зона 1/Зона 21: Вероятность случайного возникновения во время нормальной работы — подходят погружные нагреватели Ex d (взрывозащищенный) или Ex e (повышенная безопасность).
• Зона 2/Зона 22: Маловероятно при нормальной эксплуатации, но возможно — допускается более широкий диапазон концепций защиты.

Ex d IIB Т4 ГБ — это общепринятая маркировка ATEX для взрывозащищенных погружных нагревателей в нефтяной и химической промышленности, обозначающая взрывозащищенный корпус, газовую группу IIB (класс этилена), температурный класс T4 (максимальная температура поверхности 135°C) и уровень защиты оборудования Gb (подходит для зоны 1).

Температурный класс (T-рейтинг): наиболее важный параметр безопасности

Т-класс (температурный класс) взрывозащищенного погружного нагревателя определяет максимальную температуру поверхности, которую нагреватель может достичь при любых условиях эксплуатации, включая условия неисправности. Эта температура должна оставаться ниже температуры самовоспламенения (AIT) горючего вещества, присутствующего в среде установки.

Более высокий номер Т-класса указывает на более строгий температурный предел и требуется для веществ с более низкой температурой самовоспламенения. Нагреватель с классом Т3 не пригоден для работы в атмосфере этилена (для которой требуется Т4 или выше), даже если он имеет действующий сертификат взрывозащиты по всем остальным параметрам. Всегда получайте AIT для каждого присутствующего легковоспламеняющегося вещества, прежде чем указывать Т-класс.

Плотность ватт: основной инженерный параметр для проектирования безопасных элементов

Плотность ватт — количество мощности, рассеиваемой на единицу площади поверхности элемента, выраженное в ваттах на квадратный дюйм (Вт/дюйм²) или ваттах на квадратный сантиметр (Вт/см²) — является единственным наиболее важным параметром конструкции для предотвращения перегрева элемента в погружных нагревателях. Чрезмерная плотность мощности приводит к тому, что температура оболочки элемента превышает безопасные пределы, что приводит к деградации жидкости, выгоранию элемента и потенциальному возгоранию в опасных атмосферах независимо от класса корпуса.

Рекомендуемые пределы плотности мощности в зависимости от типа жидкости

• Вода и растворы на водной основе: До 60–80 Вт/дюйм² — высокая теплопроводность воды эффективно отводит тепло от поверхности элемента.
• Легкие масла и мазуты (мазут, дизельное топливо): 10–20 Вт/дюйм² — нефтяные жидкости имеют значительно более низкие коэффициенты теплопередачи и разлагаются или закоксовываются при повышенных температурах.
• Тяжелые мазуты, вязкие масла и смолы: 5–10 Вт/дюйм² — для тяжелых нефтепродуктов требуется очень низкая плотность ватт, чтобы предотвратить карбонизацию оболочки элемента.
• Едкие растворы (NaOH, КОН): 20–40 Вт/дюйм² в зависимости от концентрации — каустики теплопроводны, но коррозионны; Требуются оболочки из инколоя или титана.
• Кислоты: 15–30 Вт/дюйм² — выбор материала оболочки имеет решающее значение; всегда сверяйтесь с таблицей коррозионной совместимости.
• Расплавленные соли: 20–35 Вт/дюйм² с тщательным контролем температуры — используется в системах хранения и термообработки при высоких температурах.

Для применений в опасных зонах всегда применяйте пределы плотности мощности на уровне или ниже нижнего предела диапазона для типа жидкости и предусмотрите устройство отключения при низком уровне жидкости для предотвращения условий сухого пожара — элемент, подвергающийся воздействию воздуха, а не жидкости в опасной атмосфере, может достичь температуры поверхности, способной воспламениться, в течение нескольких секунд после подачи питания.

Материалы оболочек: соответствие химического состава применению

Оболочка элемента представляет собой внешнюю трубку, содержащую резистивный провод и изоляцию из оксида магния (MgO). Выбор материала оболочки определяет как коррозионную стойкость элемента в технологической жидкости, так и максимальную рабочую температуру узла.

Типичные области применения взрывозащищенных погружных нагревателей

Понимание отраслей и конкретных технологических процессов, в которых взрывозащищенные погружные нагреватели являются стандартным оборудованием, помогает определить, требует ли данная установка сертификации XP, и определить конкретные требования, которые могут применяться.

• Переработка и хранение нефти: Нагрев сырой нефти, мазута и остаточного топлива в резервуарах для хранения и технологических емкостях. Условия класса I, раздела 1 или зоны 1 являются стандартными для всех этих объектов. Нагрев для снижения вязкости мазута обычно требует 5–15 Вт/дюйм² на элементах из инколоя. во избежание коксования.
• Химические технологические предприятия: Нагревательные реакционные сосуды, резервуары для хранения и технологические трубы, содержащие легковоспламеняющиеся органические растворители, кетоны и ароматические соединения. Типичные значения класса T4 или T3 зависят от конкретных присутствующих химических веществ.
• Производство красок и покрытий: Поддержание температуры в системах покрытий на основе растворителей, где пары разбавителей и растворителей создают условия класса I, раздела 1 в закрытых помещениях.
• Фармацевтическое производство: Растворители для процесса нагрева, включая этанол, изопропанол и ацетон (все вещества класса I), в реакционных и экстракционных сосудах, требующих точного контроля температуры.
• Очистка сточных вод с образованием метана: Нагрев анаэробного варочного котла требует сертификации класса I из-за образования метана. Элементы из нержавеющей стали в фланцевой конфигурации являются стандартными для нагрева осадка в варочном котле.
• Переработка зерна и муки: В средах класса II, раздела 1, содержащих горючую пыль, необходимы погружные нагреватели XP для любых систем отопления на объекте, включая нагрев воды для систем очистки.
• Морские нефтегазовые платформы: Нагрев морской воды, поддержание температуры технологической жидкости и подогрев всей платформы для подготовки к зиме требуют как сертификации XP, так и устойчивости к коррозии морского уровня.

Требования к установке и меры безопасности в опасных зонах

Взрывозащищенный погружной нагреватель безопасен настолько, насколько безопасен его монтаж. Любая установка обогревателя XP должна сопровождаться рядом обязательных мер безопасности, чтобы обеспечить соответствие сертификации и предотвратить катастрофический отказ.

Обязательные защитные устройства

• Отключение по низкому уровню жидкости: Реле уровня или датчик, который обесточивает нагреватель, если уровень жидкости падает ниже верхней части нагревательных элементов. Это единственное наиболее важное защитное устройство — элемент под напряжением, подвергающийся воздействию паров в опасной атмосфере, представляет собой непосредственный риск возгорания. Статья 500 NEC и IEC 60079-14 требуют защиты низкого уровня для погружных нагревателей в приложениях категории 1 / зоны 1.
• Высокотемпературное отключение (термоотключение): Отдельное независимое устройство защиты от перегрева, установленное над рабочим термостатом, но ниже предела Т-класса, которое постоянно размыкает цепь при возникновении перегрева. Это должен быть тип с ручным сбросом, чтобы причина перегрева была обнаружена до того, как нагреватель будет возвращен в эксплуатацию.
• Рабочий термостат: Контролирует нормальную рабочую температуру. Должен быть рассчитан на использование в опасной зоне или расположен в безопасной зоне с датчиком температуры в опасной зоне.
• Защита от замыканий на землю: Требуется для контроля целостности элемента — замыкание на землю указывает на нарушение изоляции элемента, которое может вызвать искрение внутри жидкости или в клеммных соединениях.

Требования к кабелепроводу и проводке

Все кабелепроводы, входящие во взрывозащищенный клеммный корпус, должны быть герметизированы утвержденным уплотнительным фитингом XP (Crouse-Hinds EYS или эквивалентным) в пределах 18 дюймов входа в корпус согласно NEC 501.15. Герметизирующий состав предотвращает перемещение легковоспламеняющихся паров через систему трубопроводов из опасной зоны в безопасные зоны — явление, называемое «дыханием трубопровода», которое может создать неожиданную опасность возгорания вдали от самого обогревателя.

Выбор взрывозащищенного погружного нагревателя: практический контрольный список

При запросе ценового предложения или выборе взрывозащищенного погружного нагревателя предварительное предоставление полных данных о применении предотвращает ошибки в спецификациях и поставку неправильного устройства. Требуется следующая информация:

• Классификация опасных мест: Класс/раздел/группа (NEC) или зона/группа газа (ATEX/IECEx), а также наличие конкретного горючего вещества(й).
• Требуемый Т-класс: На основе температуры самовоспламенения наиболее чувствительного к воспламенению присутствующего вещества.
• Идентичность и свойства жидкости: Химическое название, концентрация, вязкость при рабочей температуре, удельная теплоемкость и любые коррозионные характеристики.
• Рабочая и максимальная температура жидкости: Как целевая температура процесса, так и максимальная безопасная температура жидкости.
• Размеры сосуда и монтажная схема: Диаметр резервуара, доступная длина погружения, размер фланца или резьбового соединения и ориентация (горизонтальная, вертикальная, угловая)
• Требуемая мощность в киловаттах: Рассчитывается на основе тепловой нагрузки (масса × удельная теплоемкость × повышение температуры ÷ время нагрева) плюс компенсация тепловых потерь в установившемся режиме.
• Напряжение питания и фаза: Однофазное или трехфазное, уровень напряжения и доступная сила тока в точке установки.
• Предпочтение органа по сертификации: UL/CSA для применений в Северной Америке, ATEX для Европейского Союза, IECEx для международного/глобального признания