A prueba de explosiones frente a intrínsecamente seguro

Respuesta rápida

Los dispositivos a prueba de explosiones (Ex d, ignífugos) contienen las explosiones internas dentro de una carcasa resistente y evitan la propagación de las llamas al exterior. Los dispositivos intrínsecamente seguros (Ex i) limitan la energía eléctrica a un nivel tan bajo que no puede producirse la ignición, ni siquiera en condiciones de fallo. Los dispositivos Ex d son robustos y de alta potencia; los dispositivos Ex i son ligeros e intrínsecamente seguros.

El principio básico

A prueba de explosiones (Ex d): contención

«Deja que explote, pero manténlo dentro».

Los equipos a prueba de llama aceptan que pueda producirse una ignición interna. La carcasa está diseñada para:

1. Resistir la presión máxima de una explosión interna.
2. Enfriar los gases que se escapan por debajo de la temperatura de ignición a medida que pasan a través de juntas ignífugas mecanizadas con precisión
3. Evitar la ignición externa incluso si la atmósfera interna detona

Intrínsecamente seguro (Ex i): Prevención

«Hacer imposible la ignición».

Los equipos intrínsecamente seguros limitan la energía eléctrica (voltaje, corriente, energía almacenada en capacitancia/inductancia) a niveles tan bajos que ninguna chispa, arco o superficie caliente puede encender la atmósfera circundante, incluso si todos los componentes fallan simultáneamente.

Cómo funciona la protección contra explosiones (Ex d)

Las carcasas a prueba de llama se rigen por la norma IEC 60079-1 (véanse todos los métodos de protección). Características clave del diseño:

Contención de presión

La carcasa debe soportar una presión de explosión interna de al menos 1,5 veces la presión de referencia para el grupo de gases. Para el grupo IIC (hidrógeno), esto significa que la carcasa resiste una explosión interna que genera una fuerza significativa: decenas de atmósferas en milisegundos.

Juntas a prueba de explosión

Los espacios entre las superficies de contacto (bridas, cubiertas, ejes) se controlan con precisión:

• Espacio máximo: normalmente entre 0,1 y 0,5 mm, dependiendo del grupo de gases y la longitud de la junta.
• Longitud mínima de la junta: 6-25 mm, dependiendo del grupo de gases y del volumen de la carcasa.
• Calidad de la superficie: mecanizada o rectificada con tolerancias estrictas, sin entradas de roscas/cables en las juntas ignífugas.

Cuando los gases escapan a través de estos huecos estrechos durante una explosión, se enfrían rápidamente al entrar en contacto con las superficies metálicas. Cuando llegan a la atmósfera exterior, su temperatura ha descendido por debajo de la temperatura de ignición del gas.

Resistencia mecánica

Las carcasas suelen ser de aluminio fundido, hierro fundido o acero inoxidable. El espesor de la pared se calcula en función del volumen, el grupo de gases y el espacio seguro máximo experimental (MESG). Una carcasa IIC de 10 litros puede tener paredes de 8-10 mm.

Dispositivos de entrada

Las entradas de cables deben mantener la integridad ignífuga. Las opciones incluyen:

• Prensaestopas Ex d certificados con cajas de parada
• Entradas indirectas a través de compartimentos de terminales de seguridad aumentada (Ex e)
• Juntas de conductos según NEC 501.15 (en instalaciones norteamericanas)

Cómo funciona la seguridad intrínseca (Ex i)

La seguridad intrínseca se rige por la norma IEC 60079-11 (véase la descripción general de las normas). El sistema consta de tres elementos:

1. Aparatos intrínsecamente seguros (en la zona peligrosa)

El dispositivo de campo: sensor, transmisor, válvula de control, etc. Los componentes están diseñados y certificados para garantizar que no puedan liberar energía peligrosa, incluso en condiciones de fallo.

2. Aparato asociado (en la zona segura)

Normalmente, una barrera de seguridad o un aislador que limita el voltaje, la corriente y la energía almacenada que se suministra al circuito de la zona peligrosa. Tipos comunes:

• Barreras Zener: dispositivos pasivos que utilizan diodos Zener para limitar el voltaje y resistencias para limitar la corriente.
• Aisladores galvánicos: dispositivos activos que utilizan transformadores u optoacopladores para proporcionar aislamiento eléctrico con mayores presupuestos de potencia.

3. Cable de conexión

El cable introduce capacitancia e inductancia, que pueden almacenar energía. El diseño del sistema debe tener en cuenta:

• Longitud máxima del cable basada en la capacitancia/inductancia por metro.
• Los parámetros del cable (C_cable, L_cable) documentados en los registros de instalación

Cálculos del límite de energía

La seguridad se comprueba mediante cálculos o pruebas de chispas. Para los circuitos resistivos, el umbral de ignición en una atmósfera de hidrógeno es aproximadamente:

20 µJ (microjoules)

Esta pequeña cantidad de energía, mucho menor que una descarga estática que se podría sentir, impulsa la filosofía de diseño. Los circuitos intrínsecamente seguros típicos funcionan a:

• Voltaje: 12-30 V CC (a menudo mucho menos)
• Corriente: 20-100 mA (los bucles de 4-20 mA son comunes)
• Potencia: de milivatios a unos pocos vatios

ia frente a ib

Existen dos niveles de seguridad intrínseca:

• Ex ia: Seguro con dos fallos aplicados simultáneamente (adecuado para Zona 0, EPL Ga)
• Ex ib: Seguro con un fallo aplicado (adecuado para Zona 1, EPL Gb)

Los fallos incluyen cortocircuitos, circuitos abiertos, fallos de tierra, fallos de componentes y combinaciones de los mismos.

Comparación práctica

Cuándo utilizar antideflagrante (Ex d)

Mejores aplicaciones:

• Motores eléctricos: altas corrientes de arranque y demandas de potencia continuas
• Accesorios de iluminación: lámparas halógenas, LED o fluorescentes que requieren tensión de línea
• Cajas de conexiones grandes: paneles de distribución con docenas de circuitos
• Actuadores y solenoides: válvulas que requieren una fuerza significativa
• Paneles de control: interfaces de operador locales con botones pulsadores, pantallas y relés

Ventajas:

• Sin limitaciones de potencia: utiliza niveles de tensión y corriente industriales estándar
• Tecnología robusta y probada: se utiliza desde hace más de 80 años
• Protección autónoma: no depende de barreras externas ni cálculos
• Los componentes industriales estándar pueden alojarse en carcasas Ex d

Desventajas:

• Las carcasas pesadas aumentan la dificultad de instalación y los requisitos de soporte estructural.
• No se pueden abrir mientras están energizados en el área clasificada sin un permiso de trabajo en caliente
• Mayor coste de la carcasa debido al mecanizado y las pruebas de presión
• El mantenimiento requiere un montaje cuidadoso para preservar la integridad a prueba de explosiones (especificaciones de par, limpieza de juntas)

Cuándo utilizar la seguridad intrínseca (Ex i)

Mejores aplicaciones:

• Instrumentación de procesos: transmisores de temperatura, presión, nivel y caudal (bucles de 4-20 mA).
• Detectores de gas: monitores portátiles y fijos
• Sistemas de control: circuitos de E/S DCS/PLC, redes de bus de campo (HART, Profibus, Foundation Fieldbus).
• Telecomunicaciones: teléfonos, intercomunicadores, enlaces de datos en áreas peligrosas
• Instrumentos analíticos: equipos de laboratorio, cromatógrafos que operan en áreas de Zona 1

Ventajas:

• Adecuado para la Zona 0 (Ex ia), el único método de protección común permitido en presencia continua de gas
• Dispositivos de campo ligeros y compactos
• Instalación sencilla: sin carcasas especiales ni prensaestopas
• Permite solucionar problemas en circuitos activos sobre el terreno (sujeto a los procedimientos del emplazamiento)
• Intrínsecamente seguro: el fallo de los componentes no compromete la seguridad.

Desventajas:

• Potencia limitada: no aptos para motores, calentadores o dispositivos de alta potencia
• Restricciones en la longitud del cable debido a los límites de capacitancia/inductancia (a menudo 1-3 km como máximo).
• El diseño del sistema requiere cálculos y documentación minuciosos
• Los aparatos asociados (barreras/aisladores) añaden coste y espacio en el panel en la zona segura
• La mezcla de circuitos ia e ib requiere segregación para evitar la contaminación cruzada.

Comparación de costes

Los costes varían según la aplicación, pero las tendencias generales son las siguientes:

Caja de conexiones pequeña (6 circuitos)

• Ex d: 400-800 € por la caja + 50-100 € por cada prensaestopas certificado = 700-1400 € en total
• Ex e (caja de terminales de seguridad aumentada): 200-400 € + prensaestopas estándar = 300-600 € en total
• Sistema Ex i: terminación de campo en caja no Ex (50 €) + 6 barreras de seguridad (100-300 € cada una) = 650-1850 € en total

Ganador: Ex e para cajas de conexiones. Ex d es excesivo; los costes de Ex i aumentan con el número de barreras.

Transmisor de temperatura

• Carcasa Ex d + transmisor: 800-1500 € (se requiere una carcasa pesada)
• Transmisor Ex i + barrera: 400-700 € (transmisor) + 100-300 € (barrera) = 500-1000 € en total

Ganador: Ex i para instrumentación de procesos.

Motor de 10 kW

• Motor Ex d: 2500-5000 € (estructura y carcasa antideflagrante)
• Motor Ex nA (sin chispas): 1800-3000 € (solo zona 2)
• Ex i: No viable a este nivel de potencia

Ganador: Ex d (o Ex nA para la Zona 2). No hay alternativa para alta potencia en la Zona 1.

Diferencias de tamaño y peso

Ejemplo: caja de conexiones para 12 terminaciones

• Ex d: 300 × 250 × 150 mm, 15 kg (aluminio fundido)
• Ex e: 250 × 200 × 120 mm, 3 kg (plástico o poliéster reforzado con fibra de vidrio)
• Carcasa de campo Ex i: 150 × 100 × 80 mm, 0,5 kg (policarbonato), terminaciones normalmente en la sala de control

Impacto: Las carcasas a prueba de explosiones requieren soportes de montaje sólidos y pueden necesitar refuerzos estructurales. Los dispositivos de campo intrínsecamente seguros a menudo se pueden montar con simples abrazaderas o clips para carril DIN.

Conceptos erróneos comunes

«A prueba de explosiones significa que no explotará».

No. Significa que, si se produce una explosión interna, esta queda contenida y no se propaga al exterior. El equipo está diseñado para resistir y ventilar de forma segura una explosión interna.

«Los equipos intrínsecamente seguros nunca pueden inflamar un gas».

Correcto si el sistema está correctamente diseñado, instalado y mantenido. Sin embargo, la seguridad intrínseca es un concepto de sistema: dispositivo de campo + aparato asociado + cable. Si alguna parte es incorrecta (barrera incorrecta, longitud excesiva del cable, error de instalación), la seguridad se ve comprometida.

«Ex i siempre es más seguro que Ex d».

Ambos métodos proporcionan una seguridad equivalente cuando se aplican correctamente. Ex ia es único por ser adecuado para la Zona 0, pero dentro de sus respectivas zonas, ambos son igualmente fiables.

«Se pueden utilizar prensaestopas estándar con equipos Ex d».

No. Las entradas de cables en envolventes a prueba de explosión deben utilizar prensaestopas Ex d certificados o técnicas de sujeción aprobadas. Los prensaestopas industriales estándar no mantienen la integridad a prueba de explosión.

«Los circuitos intrínsecamente seguros no necesitan conductos»

Esto es cierto para la protección contra explosiones (no se requieren conductos especiales ni prensaestopas), pero la protección física y la segregación de los circuitos no IS siguen siendo aplicables según las normas de instalación IEC 60079-14.

Combinación de Ex d y Ex i

Los enfoques híbridos son comunes:

Ex d + Ex i Bus de campo

Una caja de conexiones a prueba de explosiones (Ex d) en la Zona 1 alberga un segmento de bus de campo intrínsecamente seguro (Ex ia). La carcasa Ex d proporciona protección mecánica y un entorno resistente a la intemperie, mientras que el circuito IS permite conexiones derivadas de la Zona 0 a los instrumentos.

Terminaciones Ex e + Ex i

Las cajas de terminales de seguridad aumentada (Ex e) se utilizan a menudo para circuitos IS. La carcasa Ex e evita arcos/chispas en los terminales, y el circuito IS proporciona la prevención de ignición. Esta combinación es popular para los armarios de clasificación de la Zona 1.

Motor Ex d con controles Ex i

Un motor antideflagrante (Ex d) proporciona el accionamiento mecánico, mientras que sus señales de control (arranque/parada, retroalimentación VFD) utilizan circuitos IS para mayor flexibilidad y menor coste de cableado.

Diferencias de instalación y mantenimiento

A prueba de explosiones (Ex d)

• Instalación: Apriete los pernos al par especificado (normalmente entre 5 y 20 Nm, dependiendo del tamaño). Limpie las juntas a prueba de explosiones antes del montaje (sin pintura, grasa ni residuos). Utilice prensaestopas certificados con el acoplamiento de rosca y el rango de diámetro de cable correctos.
• Inspección: Compruebe visualmente si hay daños, corrosión o huecos en las juntas. Verifique el par de apriete de los pernos anualmente. Compruebe si hay modificaciones no autorizadas (agujeros perforados, accesorios soldados).
• Mantenimiento: Desconecte la alimentación antes de abrir en áreas clasificadas, a menos que se sigan procedimientos de trabajo en caliente. Limpie las juntas con un paño sin pelusa y alcohol isopropílico. Reemplace las juntas o sellos dañados. Vuelva a apretar al volver a montar.

Intrínsecamente seguro (Ex i)

• Instalación: Verifique los parámetros del cable (C_o, L_o) con respecto a los parámetros de la entidad (C_i, L_i, C_o, L_o). Asegúrese de que la barrera/aislador esté correctamente conectado a tierra. Separe los cables IS de los circuitos no IS (conduit/bandeja separados, o separación mínima de 50 mm).
• Inspección: Verifique la integridad de la conexión a tierra de la barrera/aislador (baja resistencia a la conexión equipotencial). Compruebe si hay daños en los cables o modificaciones no autorizadas en los circuitos. Confirme que la documentación del sistema coincide con la configuración instalada.
• Mantenimiento: El trabajo se puede realizar con la instalación en funcionamiento (si los procedimientos del sitio lo permiten). Sustituya los dispositivos de campo sin desenergizar. Las pruebas de la barrera/aislador se suelen realizar en una zona segura. Utilice únicamente piezas de repuesto certificadas con parámetros de entidad coincidentes.

Resumen: elegir el método adecuado

Regla de oro: utilice la seguridad intrínseca para los circuitos de instrumentación y comunicación. Utilice la protección contra explosiones para los circuitos de alimentación y los equipos que superen los límites de energía IS. En caso de duda, consulte la norma IEC 60079-14 (norma de instalación) o a un profesional certificado en Ex.

Temas relacionados

• Métodos de protección: todos los tipos Ex, incluidos Ex d, Ex i, Ex e y otros
• Niveles de protección de los equipos: relación entre Ga/Gb/Gc e ia/ib y adecuación a la zona
• Instalación e inspección: técnicas de instalación adecuadas para equipos Ex
• Lectura de las marcas Ex: descodificación de las placas de identificación Ex d y Ex ia/ib