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Instalaciones eléctricas en zonas peligrosas

Contenido: Normas y aplicaciones. Cajas para instalaciones eléctricas de metal. Especificaciones constructivas de cajas de derivación y accesorios seguros contra explosión

INSTALACIONES ELECTRICAS EN ZONAS PELIGROSAS

Definiciones y generalidades

Para realizar el presente trabajo se han analizado normas provenientes de Underwriter Laboratories, National Electrical Code, Instituto Argentino de Racionalización de Materiales, D.I.N., además de experiencias y pautas de trabajos elaborados para empresas petroleras, gasíferas, destilerías, laboratorios, aceiteras y otras afines.

En primer término nos introduciremos al tema exponiendo los criterios básicos para toda instalación antiexplosiva.

Con motivo del creciente uso de artefactos y equipos eléctricos en lugares donde la atmósfera presenta signos de peligrosidad (debido a que el aire puede contener en suspensión elementos que produzcan mezclas inflamables o explosivas), se hizo necesario desarrollar elementos y técnicas que aseguraran su uso sin peligro de posibles accidentes en los lugares mencionados ni daños en las instalaciones y determinar claramente los diferentes tipos de ambientes y clasificarlos según los elementos que componen su atmósfera.

Para definir a que se denomina "zona peligrosa" debemos remitimos a la norma IRAM IAP A20-1 y al artículo 500 del National Electrical Code, que la definen como aquella en la que pueden producirse deterioro en las instalaciones debido a la explosión o ignición de vapores, líquidos, gases y polvos, debido a ataques de productos químicos o a propagación de fuego, de mezclas de elementos contenidos en la atmósfera.

Ambiente Clase I

Son aquellas zonas en que el aire contiene o puede contener en suspensión gases o vapores en cantidades que puedan producir mezclas inflamables o explosivas (acetileno, hidrógeno, éter etílico, gasolina, butano, gas natural, etc.).

División I

Define los lugares con las siguientes características:

a) Ambiente con concentraciones peligrosas de gases y vapores inflamables en condiciones normales de funcionamiento.

b) Ambiente donde dichas concentraciones pueden existir con frecuencia por pérdida o reparaciones.

c) Ambiente donde pueden liberarse concentraciones peligrosas de gases o vapores inflamables por fallas o chispas en el funcionamiento de los equipos eléctricos.

Los lugares referidos en la Clase I División I son aquellos donde se trasvasan líquidos volátiles o gases licuados inflamables, operaciones de pintado o rociado con líquidos volátiles, secadores con evaporación de disolventes inflamables, lugares usados para extracción de gases con disolventes, lavaderos que usan líquidos volátiles inflamables, plantas generadoras de gas con posibilidad de escapes, salas de bombeo de gases inflamables y otros lugares en que la concentración de gas o vapor inflamable puede adquirir valores peligrosos.

División II

Define lugares con las siguientes características:

a) Ambiente donde se usan, procesan o manufacturan líquidos volátiles y gases o vapores inflamables, pero ellos se encuentran en recipientes o cañerías cerradas, de los cuales pueden salir únicamente por algún accidente, rotura o mal funcionamiento del equipo.

b) Ambiente donde se evitan las concentraciones peligrosas de gases o vapores inflamables por medio de ventilación forzada, pero que al producirse una falla o mal funcionamiento del equipo, representa peligro.

c) Lugares vecinos a los de la Clase I División I, a los que pueden introducirse vapores y gases inflamables a menos que cuenten con ventilación forzada con un sistema de seguridad que impida fallas en el equipo de ventilación.

La División II de la Clase I define lugares donde se emplean corrientemente líquidos volátiles, gases y vapores peligrosos, que representan peligro solamente en los casos de fallas, averías, accidentes o del anormal funcionamiento de las instalaciones. Para delimitar el área peligrosa en estos casos debe tenerse presente la cantidad de elementos peligrosos que pueden escapar, capacidad de ventilación, volúmenes de los locales, etc.

Ambientes Clase II

Son aquellas zonas en que el aire presenta polvo combustible en suspensión en cantidades que pueden producir ignición o explosión (polvo de aluminio, polvo de Magnesio, negro de humo, carbón de piedra, polvo de coque, polvo granulado de flúor, etc.).

División I

Define los lugares con las siguientes características:

a) Ambiente donde en condiciones de funcionamiento normal, habrá en forma periódica o continua polvo combustible en condiciones de producir ignición o explosión.

b) Ambiente donde por posible desperfectos, mal funcionamiento o accionamiento de máquinas o equipos, pueden producirse mezclas inflamables que provoquen ignición o explosión.

c) Lugares donde puede haber polvo conductor de electricidad.

La División I de la Clase II comprende en general plantas de almacenamiento de granos (silos), plantas de pulverización,limpieza, mezcladoras, elevadoras, colectoras y todo equipo similar productor de polvo, todo lugar o depósito donde en condiciones normales de funcionamiento existe en el aire polvo que produzca mezcla inflamable o explosiva; los polvos muy peligrosos son conductores de la electricidad, al igual que los de coque y carbón vegetal. Los polvos no conductores de la electricidad pero combustibles, son los producidos en el manipuleo de granos, molienda del cacao y el azúcar y toda materia orgánica que pueda producir polvos combustibles.

División II

Considera aquellos lugares donde en condiciones normales no es posible que exista polvo combustible en suspensión en el aire pero que pueda afectar de ¡as siguientes formas:

a) Que la cantidad de polvo depositado sea suficiente para impedir la disipación del calor de los equipos eléctricos.

b) Que por el polvo acumulado sobre y/o el ¡interior de los equipos eléctricos éste pueda inflamarse debido a chispas o amos producidos por el polvo.

Los lugares donde pueden darse estas condiciones son fundamentalmente las vecinas a las de Clase II División I, además los lugares que cuentan con transportadores, ventiladores y tolvas cerradas y equipos donde pueden desprenderse cantidades de polvos en condiciones de funcionamiento anormales.

Ambientes Clase III

Son aquellas zonas en que el aire presenta en suspensión fibras y volátiles inflamables, pero no en cantidades suficientes para producir mezclas explosivas o inflamables.

División I

Son los lugares donde se emplean o fabrican fibras de fácil inflamabilidad y materiales productores de volátiles combustibles.

Esta división incluye fábricas de rayón, algodón y textiles, carpinterías, fábricas para tratado de lino, etc., en general fábricas que procesen fibras y volátiles fácilmente inflamables. tales como rayón, nylon, algodón, estopa, cáñamo, etc.

División II

Incluye los lugares donde se almacenan o manipulean fibras y volátiles pero que no están en proceso de fabricación.

Grupos atmosféricos

Para realizar los ensayos y comprobaciones se han definido y agrupado mezclas atmosféricas según su peligrosidad en:

Clase I

Grupo A: con Acetileno.

Grupo B: con Hidrógeno, gas de alumbrado o equivalentes.

Grupo C: con éter etílico, etileno cloropropano.

Grupo D: con gasolina, butano, propano, alcohol, acetona, gas natural.

Clase II

Grupo E: con polvo metálico de aluminio, magnesio y sus aleaciones.

Grupo F: con negro de humo y polvo de carbón.

Grupo G: con polvo de granos: harina, almidón, etc.

Normas y aplicaciones

Continuando con las informaciones tendientes a esclarecer las normas por las cuales debemos regimos la fabricación y utilización de artefactos para instalaciones eléctricas a efectuarse en ambientes clasificados como peligrosos, nos referiremos ahora a los requisitos exigidos por las normas emitidas por Underwriter Laboratories Inc. Nro. 886, sobre cajas y accesorios para instalaciones en ambientes peligrosos.

1. Alcance general de la norma

1.a. Estos requerimientos serán exigidos en cajas y accesorios eléctricos, a utilizarse en ambientes peligrosos definidos como Clase I División I Grupos A, B, C y D, y Clase II División I Grupos E, F y G de acuerdo con la National Electrical Code.

1.b. Estos requisitos abarcan los diferentes tipos de cajas, accesorios para cañerías, accesorios para drenaje y ventilación, accesorios selladores, conexiones y uniones de cañerías, accesorios de conexiones para tramos flexibles de cañerías, accesorios para aislación de cables y accesorios de sujeción flexible o rígida.

1.c. Estos aparatos o accesorios, cumplirán con los requisitos exigidos para los aparatos similares, usados en ambientes comunes.

2. Generalidades

2.a. Las unidades de las cotas y dimensiones, serán expresadas en el sistema métrico decimal u otro de similar uso de la República Argentina.

2.b. Los requerimientos para la puesta a tierra de cajas y accesorios usados en instalaciones para productos de petróleo,son especificadas en la norma UL 87, referida a aparatos utilizados en la distribución y operaciones de productos del petróleo.

1. Materiales

3.a. Las cajas y accesorios, se deben fabricar con materiales ferrosos, cobres, latón, bronce, aluminio o sus aleaciones que contengan más del 60% de aluminio. Los metales tales como el zinc y magnesio o sus aleaciones no son aceptados.

3.b. El cobre no debe ser usado en las utilizadas en ambientes Clase I Grupo A. Las aleaciones de cobre no deben ser usadas a menos que sea cubierto con estaño, níquel o algún metal equivalente. Una aleación puede usarse, si el contenido de cobre en la misma no es mayor del 30%.

4. Espesores

4.a. El espesor mínimo de las paredes de los accesorios y cajas no será menor que el especificado en la tabla, que a continuación se presenta, salvo las siguientes excepciones:

a) Los accesorios y dispositivos flexibles.

b) Los accesorios de conexiones flexibles.

c) Los accesorios y aisladores para cables.

Espesores para cajas para instalaciones eléctricas de metal

Dimensiones externas
de las cajas

Espesores
mínimos (mm)

Longitud o
diámetro

Area de
las caras

Latón, bronce,
cobre fundición
maleable

Fundición
hierro y
aluminio

Chapa de
acero

mm
560
760
1525
> 1525

dm²
31
40
97
> 97

mm
2.36
2.36
3.18
4.75

mm
3.18
3.18
4.75
6.35

mm
1.70
2.36
3.18
4.75

4.b. Los caños flexibles de pared delgada, de metal corrugado. deben tener un aislamiento interior para evitar amos eléctricos que produjeran chispas a través de las paredes. El aislamiento interior resistirá descargas según los ensayos que describiremos en su oportunidad.

4.c. El tubo metálico flexible y la trencilla de un accesorio flexible, debe ser soldado a los niples terminales. En los accesorios flexibles la soldadura será del tipo blanda y resistente, según los valores de resistencia y temperatura que detallamos al describir los ensayos a que deben ser sometidos.

La longitud de la soldadura selladora entre los niples terminales y el tubo metálico flexible no será menor que 15,9 mm.

4.d. Los accesorios flexibles tienen un diámetro interior aproximadamente igual al correspondiente del conducto. El diámetro interior de los terminales y el del aislamiento interior será aproximadamente igual.

5. Resistencia

5.a. Las cajas y accesorios a usarse en ambientes peligrosos Clase 1 Grupos A, B, O, O, deberán resistir la presión interna resultante, de la explosión de una mezcla de aire-vapor o gas sin estallar y sin aflojarse ni deformarse,en la unión con la tapa.

5.b. Las cajas y accesorios, deberán resistir también durante un minuto, sin rotura, sin deformaciones permanentes, una prueba de presión hidrostática cuyo valor será cuatro veces el valor de la presión aplicada durante la prueba de explosión. La prueba hidrostática puede ser evitada, si para el cálculo de la caja y los tornillos, se toma un factor de seguridad basado en cinco veces, la presión máxima de la prueba de explosión, al determinar las secciones resistentes.

6. Uniones

6.a. Las uniones en las cajas y accesorios serán del tipo metal-metal, las caras de contacto podrán tener una seguridad promedio no mayor de 0.0064 mm es decir 250 micro-inch, según las normas para terminación superficial ANSI B 46.1.

6.b. El calibre utilizado para medir el huelgo especificado en estas normas será de 3.18 mm a 12.7 mm de ancho.

Ambientes Clase I Grupos C y D

6.c. Excepto lo indicado en los párrafos 6.d., 6.e. y 6.f., la relación entre ancho de la unión y el huelgo entre caras, en el armado, será según lo ilustrado en la figura siguiente, además el ancho de la unión no debe ser menor que 19.1 mm.

Figura 1: Gráfico de la relación entre el ancho y el huelgo de la unión.

6.d. Las uniones con encastre tienen un huelgo diametral en la sección axial, no mayor que dos veces el huelgo especificado en la figura siguiente, si ninguna de las secciones, axial o radial de la unión es menor que 1.6 mm de ancho.

Figura 7: a) la envoltura no debe ser hermática.

Figura 7: b) Tipos de juntas.

6.e. Un envoltorio (caja o accesorios) que tenga un volumen interior libre de 4.920 cm³ o menor que puede tener una unión con encastre de 12.7 mm de ancho o una unión plena de 9.52mm de ancho, si el resto de los detalles cumplen con los requisitos detallados en los apartados A y B.

A. Uniones de encastre de 12.7 mm de ancho

1) Ninguna de las secciones, axial o radial de la unión será menor que 1.2 mm de ancho.

2) El huelgo diametral de la sección axial y el huelgo de la sección radial no será mayor que 0.05 mm.

3) El ancho de la unión medido desde el interior de la envoltura (caja) al borde de cada agujero, no será menor que 12.7 mm con la tapa en la posición más desfavorable (figura 3).

Figura 12: Prueba de expocisión.

B. Uniones planas de 9,52 mm de ancho

1) El huelgo entra caras de unión será menor que 0.038 mm, tal que un calibre de 0,038 mm de espesor no pueda penetrar en la unión no más de 3.2 mm en cada punto.

2) El espesor de la tapa en la parte de unión no será menor que 9,52 mm, a menos que se utilice un matada de mayor resistencia; dependiendo su aceptación de su resistencia física, y su resistencia a deformarse en la unión al aplicársele la presión interior.

3) El ancho de la unión, medido desde el interior de la caja al borde de cada agujero, no será menor que 9.52 mm con la tape en la posición más desfavorable.

Figura 13: Unión plana.

C. Unión laberíntica

6.f. La unión laberíntica consiste un dentado perimetral o fileteado, según lo indicado en la tabla; pero en ningún caso serán menos de cinco filetes y el paso no será mayor que el indicado en dicha tabla.

6.g. Las uniones del tipo dentado con fileteado perimetral no deberá tener más que 20 dientes por pulgada y deberá tener un mínimo de cinco filetes engranados, firmemente apretados.

Ancho diametral del
sector fileteado
(mm)

Máximo número
de filetes
por pulgada

Mínimo número
de dientes
engranados

sin límites

9.5

mas de 9.5

20
24
24
28
32

5
5
6
7
8

D. Agujeros de la unión

6.h. Los agujeres de sujeción se ubicarán dentro de le banda de apoyo de la unión, a una distancia desde el borde interior de la envoltura hasta el borde del agujero para el tomillo, que no será menor que 12,7 mm, y que el huelgo diametral entre el tornillo y el agujero no será mayor que 1.14 mm, medidos sobre el diámetro mayor del tomillo, para una dimensión no menor que la mitad del ancho de junta requerido en la figura 1.

La distancia desde el interior de la envoltura al borde del agujero será medido con la tape en la posición más desfavorable. Los tomillos pueden montarse con arandelas. Los tomillos de fijación de la tapa enroscarán como mínimo cinco filetes completos y los agujeros roscados deben ser pasantes (figura 5).

Figura 5: Posiciones de los agujeros en las uniones.

Especificaciones constructivas de cajas de derivación y accesorios seguros contra explosión

Material de construcción

Las cajas de derivación y accesorios pueden ser construidos en hierro, cobre, acero, latón, bronce o aluminio. No podrá utilizarse metales como el zinc o magnesio o sus aleaciones.

Forma de construcción

Estarán diseñados de tal manera que ante la presencia de gases o vapores inflamables o explosivos dentro del aparato y estos exploten, la ignición de los mismos no hará inflamar la atmósfera circundante.

Las envolturas deberán soportar con márgenes de seguridad la explosión, sin roturas, fisuras ni deformaciones permanentes.

Juntas

Las juntas en todos los casos deben ser metal-metal, con adecuado ancho y huelgo para impedir la propagación de la llama. La envoltura o caja no debe ser hermética, por lo tanto queda prohibida todo tipo de junta (figuras 7a y 7b).

En todos los casos las juntas deben ser estrictamente planas y perfectamente rectificada, el ancho de las mismas no debe ser menor de 19 mm, excepto cuando el volumen interno libre es menor a 6 litros.

Figura 7: a) la envoltura no debe ser hermática.

Figura 7: b) Tipos de juntas.

Huelgo

La relación entre ancho de junta y huelgo se refleja en el siguiente cuadro.

Cuadro 1: Relación entre el ancho de la junta y el huelgo.

Juntas roscadas

Todas las juntas roscadas en elementos antiexplosivos, deben tener como mínimo cinco filetes de rosca, perfectamente terminados y completos y será como máximo de 20 filetes por pulgada (figuras 8 y 9).

Figura 8: Detalle de la rosca.

Figura 9: Roscado mínimo.

Bulones, tornillos, pernos, tuercas,etc.

Todos los bulones, tomillos, tuercas y pernos utilizados en la confección de envolturas antiexplosivas o para unir piezas que la construyan, como ser tapas o bridas, serán de acero o aleación.

Los bulones y tomillos removibles, estarán dispuestos de modo que su ausencia no deje una abertura que tome ineficaz el gabinete antiexplosivo. La utilización de tomillos para unir tapas o panes componentes no deberá nunca perforar la pared de la envoltura antideflagrante, en el fondo de estos agujeros se dejará un espesor mínimo de metal de 5 mm. o de un tercio del diámetro del agujero cualquiera sea el más grande (figuras 10 y 11).

Figura 10: Utilización de tornillos para unir tapas o partes componentes.

Figura 11: Ubicación del tornillo.

Espesores mínimos

El espesor mínimo será de 2.381 mm cuando las carterías estén construidas en acero, hierro maleable, cobre,latón o bronce y no menor de 3.175 mm., cuando sea aluminio fundido. Estas pautas o exigencias no se aplica en el caso de conexiones con accesorios flexibles.

Partes móviles

Cuando una varilla o eje deba atravesar la pared de una envoltura antiexplosiva, será de sección transversal circular en toda la longitud que atraviesa la pared, incluyendo el cuello o forro de metal, si existe el agujero para el paso de la varilla o eje, deberá ser también de sección circular.

La longitud del orificio desde el interior de la envoltura al exterior de la misma no será menor a 12.5 mm.

El huelgo de los elementos deslizantes deberá sujetarse al valor permitido para el gas o vapor inflamable, si el juego de la varilla puede aumentar por desgastes dentro de las condiciones normales de uso, el diseño proveerá el medio para contrarrestar el mismo.

Sellado de cañería

Uno de los requisitos más importantes de cualquier instalación antiexplosiva, es que ante una explosión interna en un determinado gabinete o envoltura, la misma no deberá propagarse al exterior de la instalación, ni provocará ignición de la atmósfera circundante. Igualmente dicha explosión se circunscribirá al gabinete en cuestión y no deberá propagarse al resto de la instalación. Para que ello no suceda los conductos deberán estar perfectamente sellados. Se recomienda en conductos de largo recorrido, sellados cada 15 metros como máximo. Asimismo se específica sellar todos los conductos a una distancia no mayor a 0.45 metros antes de entrar a la envoltura de llaves o aparatos que produzcan chispas o arcos eléctricos.

El propósito del sello en los conductos puede resumirse de la siguiente manera:

1) En el caso de equipos que producen chispas o arcos, confina la explosión a la envoltura y previene la comunicación de los conductos laterales.

2) Previene el desarrollo de presiones excesivas en envolturas conectadas a los conductos.

3) Para suprimir el desplazamiento de mezclas explosivas desde zonas peligrosas a no peligrosas a través de los conductos.

A su vez se recomienda el uso de drenadores para eliminar de los conductos y de las envolturas la acumulación de líquidos, producidos estos por la condensación de vapores o filtración de agua. El tamaño de los mismos será de acuerdo al tamaño de los gabinetes y a la cantidad de líquidos a drenar.

Compuesto sellador

El compuesto sellante que se emplea para cierres herméticos, tendrá que cumplir los siguientes requisitos:

1) No deberá contraerse cuando seque, ni ser afectado por la atmósfera que lo rodea.

2) No se ablandará, ni agrietará bajo condiciones normales de uso.

4) Su punto de fusión no será inferior a 93°C.

1) Su espesor no será menor a 16 mm.

Uso de vidrios, visores, mirillas y otros

Las mirillas para inspección, deberán ser en forma de disco plano o placa y tendrán una protección mecánica si su superficie excede los 50 cm², deberá estar colocada en un marco que cubra ambas caras, sobre todo la periferia del alojamiento. Deberá ser capaz de soportar sin deterioro, un golpe de un peso de 1.8 Kg que caiga desde una altura de 1.5 metros y que tenga en el punto de impacto una esfera de acero de 25 mm de diámetro.

Todos los elementos usados como mirillas o envolturas deberán ser de vidrio o cualquier otro material transparente,que sea química y físicamente estable y capaz de soportar la temperatura máxima del aparato en sus condiciones normales de funcionamiento.

Prueba de explosión

Los elementos usados en instalaciones en zonas peligrosas de Clase I, Grupos A. B, C y D, deben ser aptos para soportar la presión interna de explosión sin daños ni pérdidas a través de las juntas, por lo tanto serán sujetos a una serie de pruebas en presencia de mezclas de gas y vapor con aire en el rango de concentración explosiva.

Durante la prueba de explosión, la envoltura debe impedir el pasaje de llama o chispa que pueda inflamar la atmósfera circundante. La presión de explosión interna está determinada por el tamaño y forma de la envoltura, su volumen libre y por la naturaleza de la mezcla del gas o vapor con el aire. En general, las presiones de explosión estarán entre 5.2 kg/cm² y 9.5 kg/cm².

Prueba de hidráulica

Las envolturas deben soportar sin roturas o detonaciones permanentes las pruebas hidráulicas, que serán con presiones no menores a cuatro veces la máxima presión adoptada en la prueba de explosión.

Esta presión deberá ser aplicada a razón de 7 kg/cm² por minuto hasta alcanzar la presión deseada. Se deberá usar sellos o empaquetaduras para impedir pérdidas durante la prueba.

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