Vetyräjähdyssuojaus

Miksi vety on erilainen

Vety ei ole vain yksi palava kaasu muiden joukossa. Se sijoittuu lähes jokaisen räjähdysparametrin ääripäähän:

• Kaikista tavallisista kaasuista laajin syttyvyysalue: 4–75 % ilmassa (verrattuna propaanin 2,1–9,5 %:iin)
• Alin syttymisenergia: ~0,017 mJ (tuntematon staattinen kipinä riittää)
• Nopein liekin nopeus: 2,65 m/s laminaarinen palonopeus (10 kertaa nopeampi kuin metaanilla)
• Pienin MESG: 0,29 mm (vaaditaan tiukimmat paloturvalliset raot)
• Kevyin kaasu: 14,4 kertaa ilmaa kevyempi (nousee ja leviää erittäin nopeasti)
• Pienin molekyyli: tunkeutuu tiivisteiden, liitosten ja jopa joidenkin metallien läpi (vedyn haurastuminen)

Nämä ominaisuudet sijoittavat vedyn kaasuryhmään IIC, joka on vaativin luokitus. IIC-sertifioidut laitteet kestävät mitä tahansa kaasua; IIA- tai IIB-sertifioituja laitteita ei voida käyttää vedyn kanssa. Katso EPL:stä vyöhykkeiden ja laitteiden vastaavuustaulukko.

Vetyominaisuudet yhdellä silmäyksellä

Vetytalous: kasvava kysyntä

Maailmanlaajuinen pyrkimys hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen ajaa valtavia investointeja vetyinfrastruktuuriin:

• Vihreän vedyn tuotanto. Uusiutuvalla energialla toimivat elektrolyysilaitokset
• Sininen vety. Höyrymetaanin reformointi hiilidioksidin talteenotolla
• Vetypolttoaineen tankkausasemat. Polttokennoajoneuvoille (autot, kuorma-autot, bussit, junat)
• Teollisuusvety. Jalostamot, ammoniakin tuotanto, teräksen valmistus, puolijohteiden valmistus
• Power-to-gas. Vedyn syöttö maakaasuverkkoihin (sekoitus jopa 20 %)
• Polttokennot. Kiinteä ja liikkuva sähköntuotanto

Jokainen näistä sovelluksista luo uusia vaarallisia alueita, jotka tarvitsevat IIC-luokiteltua räjähdyssuojausta. Kansainvälinen energiajärjestö arvioi, että vety markkinat kasvavat noin 95 Mt/vuosi (2022) yli 150 Mt/vuosi vuoteen 2030 mennessä.

Laitteistovaatimukset vedyn osalta

Kaasuryhmä IIC on pakollinen

Kaikkien vetyluokitelluilla alueilla olevien laitteiden on oltava luokiteltu kaasuryhmään IIC. IIA- tai IIB-luokiteltuja laitteita ei voida hyväksyä. Palonkestävät raot ovat liian leveitä ja luontaisen turvallisuuden energiarajat ovat liian korkeat vedyn syttymisherkkyyden kannalta.

Lämpötilaluokka

Vetyllä on suhteellisen korkea itsesyttyvyyslämpötila (560 °C), mikä sijoittaa sen luokkaan T1. Tämä tarkoittaa, että lämpötilaluokka on harvoin rajoittava tekijä vedyn osalta. Suurin osa teollisuuslaitteista täyttää jo luokituksen T3 tai T4, jotka molemmat ovat selvästi alle 560 °C.

Sekoitetuissa ilmakehissä (vety + muut kaasut) vaadittavan T-luokan määrää kuitenkin kaasu, jolla on alhaisin itsesyttyvyyslämpötila. Tarkista aina ilmakehän koko koostumus.

Vetyä varten tarkoitetut palonkestävät laitteet (Ex d)

IIC-vetyä varten tarkoitetuissa palonkestävissä koteloissa on oltava:

• Tiukemmat raomitat. Enintään 0,15 mm (verrattuna 0,25 mm:iin IIA:ssa) tyypillisille liitospituuksille
• Pidemmät liekkireitit. Vähintään 25 mm suuremmille koteloille (verrattuna 12,5 mm:iin joissakin IIA-sovelluksissa)
• Korkeammat paineenkestävyysarvot. Vetyllä on suuri liekin nopeus, mikä aiheuttaa korkeampia räjähdyspaineita koteloiden sisällä
• Parempi pintakäsittely. Koneistetut liitokset on oltava sileämpiä, jotta raon tiiviys säilyy

Tämän vuoksi IIC Ex d -laitteet ovat tyypillisesti kalliimpia ja painavampia kuin vastaavat IIA/IIB-laitteet.

Välineet, joiden räjähdyssuojaus perustuu itsestään turvalliseen rakenteeseen (Ex i) vetyä varten

Vetyympäristöjen IS-piirien on toimittava vielä tiukemmissa energiarajoissa:

• Alhaisempi jännite ja virta. Pienemmät kuin IIA/IIB-piireissä
• Tiukemmat kapasitanssi-/induktanssirajat. Kaapeleissa ja komponenteissa saa olla vähemmän varastoitua energiaa
• Lyhyemmät kaapeleiden enimmäispituudet. Tiukempien kapasitanssirajojen vuoksi

Luontainen turvallisuus sopii hyvin vetykäyttöön, koska vedyn syttymisraja (0,017 mJ) on juuri se arvo, jonka alapuolelle IS-piirit on suunniteltu pysymään.

Muut suojausmenetelmät

• Ex e (lisätty turvallisuus): Sopii IIC-luokkaan, kun luokitus on asianmukainen. Käytetään yleisesti liitäntäkoteloita ja kytkentärasioita.
• Ex p (paineistus): Tehokas vedyn kanssa. Ylläpitää positiivista painetta kaasun poissulkemiseksi. Vaatii luotettavan kaasun syötön ja lukitusvalvonnan.
• Ex n (kipinöimätön): Vain vyöhyke 2. Joitakin IIC-luokiteltuja Ex nA -laitteita on saatavilla kipinöimättömiin sovelluksiin.

Vetyyn liittyvät vaarat

Näkymätön liekki

Vety palaa päivänvalossa lähes näkymättömällä liekillä. Vetypaloa ei voi nähdä ilman erityisiä havaitsemislaitteita (lämpökamerat, UV-liekkitunnistimet). Tämä tekee syttyneiden vuotojen visuaalisesta tunnistamisesta erittäin vaikeaa ja vaarallista.

Nopea leviäminen

Vety on 14 kertaa ilmaa kevyempää, joten se nousee ja leviää nopeammin kuin mikään muu kaasu. Tämä on sekä etu (ulkovuodot haihtuvat nopeasti) että vaara (kaasu kertyy kattoihin, kattohuoneistoihin ja korkealle sijaitseviin suljettuihin tiloihin eikä maanpinnalle).

Räjähdysvaara

Vetyllä on 10–15 mm:n räjähdyssolukoko, joka on paljon pienempi kuin muilla polttoaineilla. Suljetuissa tai osittain suljetuissa tiloissa deflagraatio (liekkirintama) voi muuttua räjähdykseksi (paineaalto). Räjähdyspaineet ovat 15–20 kertaa suuremmat kuin deflagraatiopaineet ja voivat tuhota rakenteet, jotka on suunniteltu vain deflagraation hillitsemiseen.

Vetyhaurastuminen

Vetyatomit voivat tunkeutua metallihilaisiin rakenteisiin aiheuttaen haurastumista, halkeilua ja lopulta teräskomponenttien rikkoutumista. Tämä vaikuttaa:

• Hiiliteräsputkiin ja -astioihin (erityisesti korkealujuisiin teräksiin)
• Kuormitettuihin pultteihin ja kiinnikkeisiin
• Paine- ja kaasutiivisteet

Vetykäyttö edellyttää materiaalin valintaa standardien, kuten ASME B31.12 (Vetyputkistot ja -putkilinjat) ja NACE MR0175/ISO 15156, mukaisesti.

Sähköstaattinen herkkyys

Vetyllä on niin alhainen syttymisenergia (0,017 mJ), että se voi syttyä seuraavista syistä:

• Kävelevän henkilön staattinen purkaus (~10–30 mJ, suuruusluokkaa yli vedyn MIE)
• Varauksien kertyminen maadoittamattomiin laitteisiin
• Virtaava kaasu, joka tuottaa varausta muoviputkissa tai -letkuissa

Kaikki laitteet vetyalueilla on maadoitettava ja liitettävä asianmukaisesti (katso asennusvaatimukset). Vetyyn mahdollisesti joutuvia paikkoja on vältettävä käyttämästä ei-johtavia materiaaleja.

Vetyalueiden luokitus

Ulkotilojen asennukset

Vetyllä on ulkotiloissa merkittävä etu:

• Vapautunut vety nousee noin 20 m/s nopeudella ja hajoaa nopeasti
• Alueiden laajuus voi olla pienempi kuin raskaampien kaasujen kohdalla, koska kaasu ei kerry tai viipyile maanpinnan tasolla
• Kuitenkin mikä tahansa yläpuolella oleva rakenne (katos, rakennuksen ulokkeet, prosessimoduulin katto) voi vangita nousevan vedyn

Sisäasennukset

Sisätiloissa sijaitsevat vetyasennukset vaativat huolellista ilmanvaihtosuunnittelua:

• Vety kerääntyy huoneen tai tilan korkeimpaan kohtaan
• Ilmanvaihtoaukkojen on oltava katon tasolla (päinvastoin kuin propaani-/butaaniasennuksissa)
• Tyypillisesti tarvitaan mekaanista ilmanvaihtoa, jossa ilmanvaihtokerroin on suuri
• Kaasunilmaisimet on asennettava katon tasolle, ei työskentelykorkeudelle

Vetypolttoaineen tankkausasemat

Kasvava luokitteluhaaste. Tyypillinen vyöhykejako:

• Vyöhyke 1: Tankkaussuuttimien, irrotettavien liitosten ja paineenalennuslaitteiden ympärillä
• Vyöhyke 2: Kompressorikoteloiden, varastointiputkien liitäntöjen ja putkistolaippojen ympärillä
• Ei-vaaralliset alueet: Asiakastilat (erotettu etäisyydellä ja ilmanvaihdolla), valvomot (ylipaineistettuina)

Vetykaasun havaitseminen

Vetykaasun havaitseminen asettaa ainutlaatuisia haasteita:

Ilmaisintyypit

• Katalyyttiset helmianturit: Toimivat vedyn kanssa, mutta ovat herkkiä myös muille kaasuille. Vasteaika on hyväksyttävä kiinteissä asennuksissa.
• Lämmönjohtavuusanturit: Tehokkaita vedyn havaitsemisessa sen erittäin korkean lämmönjohtavuuden (7× ilmaa) ansiosta. Vähemmän alttiita myrkytykselle kuin katalyyttiset anturit.
• Sähkökemialliset anturit: Käytetään kannettavissa ilmaisimissa. Hyvä herkkyys, mutta rajoitettu käyttöikä.
• Puolijohdeanturit (MOS): Korkea herkkyys, nopea vaste. Jotkut tyypit ovat vetykohtaisia.

Sijoitus

• Asenna kattoon (vety nousee ylöspäin, joten maatasolla tapahtuva havaitseminen on tehotonta)
• Sijoita ilmaisimet mahdollisten vuotokohtien (venttiilit, liitokset, tiivisteet) lähelle, mutta niiden yläpuolelle
• Ota huomioon ilmavirrat, jotka voivat kuljettaa vetyä pois lähteestä
• Käytä suurissa tiloissa useita ilmaisimia kuolleiden alueiden välttämiseksi

Hälytystasot

• Alhainen hälytys: 10 % LEL (0,4 % H₂). Varoitustaso
• Korkea hälytys: 25 % LEL (1 % H₂). Toimenpiteet (ilmanvaihdon tehostaminen, eristäminen, evakuointi)

Vetyä koskevat standardit

• IEC 60079-10-1. Alueiden luokittelu (vety luokiteltu IIC-kaasuksi)
• IEC 60079-20-1. Kaasuluokituksen materiaaliominaisuudet (vetyä koskevat tiedot)
• ISO 19880 -sarja. Kaasumaisen vedyn tankkausasemat
• ISO 22734. Veden elektrolyysillä toimivat vetygeneraattorit
• ASME B31.12. Vetyputkistot ja -putkijohdot
• NFPA 2. Vetyteknologioiden säännöstö (Yhdysvallat)
• EN 17127. Vetypolttoaineen tankkauspisteet (ulkoilma, yleisessä käytössä)
• CGA G-5.4. Vetyputkistojärjestelmien standardi (Compressed Gas Association)

Laitteiden valintaluettelo vetyä varten

1. ☐ Varmista, että laitteet on luokiteltu kaasuryhmään IIC (ei IIA tai IIB)
2. ☐ Tarkista, että lämpötilaluokka sopii käyttötarkoitukseen (T1 riittää puhtaalle vedylle; tarkista seokset)
3. ☐ Varmista, että luokka vastaa vyöhykettä (luokka 1 vyöhykkeelle 0, luokka 2 vyöhykkeelle 1)
4. ☐ Ex d: varmista, että palonkestävät raot ja liekin kulkumatkat täyttävät IIC-vaatimukset
5. ☐ Ex i: laske kaapeliparametrit uudelleen. IIC:llä on tiukemmat kapasitanssi-/induktanssirajat
6. ☐ Varmista materiaalien yhteensopivuus. Vältä haurastumiselle alttiita korkealujuuksisia hiiliteräksiä
7. ☐ Varmista asianmukainen maadoitus ja liitos koko alueella (MIE = 0,017 mJ, staattinen sähkö on todellinen riski)
8. ☐ Asenna kaasunilmaisimet kattoon, ei lattialle
9. ☐ Harkitse liekkitunnistimia: UV/IR-tyyppiä (vetyliekit ovat näkymättömiä tavallisille optisille tunnistimille)
10. ☐ Tarkista ilmanvaihtosuunnittelu. Korkealla sijaitsevat aukot luonnollista ilmanvaihtoa varten, kattoon asennettu poisto mekaanista ilmanvaihtoa varten

Aiheeseen liittyvät aiheet

• Kaasuryhmät. IIA, IIB, IIC selitetty MESG- ja MIC-tiedoilla
• Räjähdyssuojattu vs. luontaisesti turvallinen. Oikean suojausmenetelmän valinta
• Lämpötilaluokat. Miksi T1 riittää vedylle, mutta ei kaikille seoksille
• Vaarallisten alueiden luokittelu. Menetelmä vetyalueiden luokittelemiseksi
• Perusteet. Palokolmio, räjähdysrajat ja syttymislähteet