Proteção contra explosão de hidrogénio

Por que o hidrogénio é diferente

O hidrogénio não é apenas mais um gás inflamável. Ele está no extremo de quase todos os parâmetros de explosão:

• A maior faixa inflamável de qualquer gás comum: 4–75% no ar (em comparação com 2,1–9,5% para o propano)
• Energia de ignição mais baixa: ~0,017 mJ (uma faísca estática que você não consegue sentir é suficiente)
• Velocidade de chama mais rápida: 2,65 m/s de velocidade de combustão laminar (10 vezes mais rápida que o metano)
• MESG mais pequeno: 0,29 mm (requerem-se espaços à prova de chamas mais estreitos)
• Gás mais leve: 14,4× mais leve que o ar (sobe e se dispersa extremamente rápido)
• Molécula mais pequena: penetra em vedações, juntas e até mesmo em alguns metais (fragilização por hidrogénio)

Estas propriedades colocam o hidrogénio no Grupo de Gás IIC — a classificação mais exigente. Os equipamentos certificados para IIC podem lidar com qualquer gás; os equipamentos certificados para IIA ou IIB não podem ser usados com hidrogénio. Consulte a EPL para obter o mapeamento de zona para equipamento.

Propriedades do hidrogénio em resumo

A economia do hidrogénio: procura crescente

O impulso global em direção à descarbonização está a impulsionar investimentos maciços em infraestruturas de hidrogénio:

• Produção de hidrogénio verde — Usinas de eletrólise movidas a energia renovável
• Hidrogénio azul — Reformação a vapor do metano com captura de carbono
• Estações de reabastecimento de hidrogénio — Para veículos com células de combustível (carros, camiões, autocarros, comboios)
• Hidrogénio industrial — Refinarias, produção de amoníaco, siderurgia, fabricação de semicondutores
• Power-to-gas — Injeção de hidrogénio em redes de gás natural (mistura de até 20%)
• Células de combustível — Geração de energia estacionária e móvel

Cada uma destas aplicações cria novas áreas perigosas que necessitam de proteção contra explosões com classificação IIC. A Agência Internacional de Energia estima que o mercado do hidrogénio crescerá de ~95 Mt/ano (2022) para mais de 150 Mt/ano até 2030.

Requisitos de equipamento para hidrogénio

O grupo de gás IIC é obrigatório

Todos os equipamentos em áreas classificadas para hidrogénio devem ser classificados para o Grupo de Gás IIC. Equipamentos classificados como IIA ou IIB não são aceitáveis — as folgas à prova de chamas são muito largas e os limites de energia de segurança intrínseca são muito altos para a sensibilidade de ignição do hidrogénio.

Classe de temperatura

O hidrogénio tem uma temperatura de autoignição relativamente alta (560 °C), o que o coloca em T1. Isso significa que a classe de temperatura raramente é o fator limitante para o hidrogénio — a maioria dos equipamentos industriais já atinge T3 ou T4, ambos bem abaixo de 560 °C.

No entanto, em atmosferas mistas (hidrogénio + outros gases), o gás com a AIT mais baixa determina a classe T necessária. Verifique sempre a composição completa da atmosfera.

Equipamento à prova de chamas (Ex d) para hidrogénio

Os invólucros à prova de chamas para hidrogénio IIC devem ter:

• Dimensões de abertura mais estreitas — Máximo de 0,15 mm (vs 0,25 mm para IIA) para comprimentos de junta típicos
• Trajetos de chama mais longos — Mínimo de 25 mm para invólucros maiores (vs 12,5 mm para algumas aplicações IIA)
• Classificações de pressão mais altas — A velocidade rápida da chama do hidrogénio gera pressões de explosão mais altas dentro dos invólucros
• Melhor acabamento da superfície — As juntas usinadas devem ser mais lisas para manter a integridade da folga

É por isso que os equipamentos IIC Ex d são normalmente mais caros e pesados do que os equivalentes IIA/IIB.

Equipamentos intrinsecamente seguros (Ex i) para hidrogénio

Os circuitos IS para ambientes com hidrogénio devem operar dentro de limites de energia ainda mais restritos:

• Tensão e corrente mais baixas — Reduzidas em comparação com os circuitos IIA/IIB
• Limites de capacitância/indutância mais rigorosos — Menos energia armazenada permitida em cabos e componentes
• Comprimentos máximos de cabo mais curtos — Devido a orçamentos de capacitância mais restritos

A segurança intrínseca é adequada para aplicações de hidrogénio porque o limiar de energia para a ignição do hidrogénio (0,017 mJ) é precisamente o valor abaixo do qual os circuitos IS são projetados para permanecer.

Outros métodos de proteção

• Ex e (segurança aumentada): Adequado para IIC quando classificado corretamente. Caixas terminais e caixas de junção comumente utilizadas.
• Ex p (pressurização): Eficaz para hidrogénio — mantém pressão positiva para excluir o gás. Requer fornecimento de gás confiável e monitoramento de intertravamento.
• Ex n (sem faíscas): apenas zona 2. Alguns equipamentos Ex nA com classificação IIC disponíveis para aplicações sem faíscas.

Riscos específicos do hidrogénio

Chama invisível

O hidrogénio queima com uma chama quase invisível à luz do dia. Não é possível ver um incêndio de hidrogénio sem equipamento de deteção especial (câmaras térmicas, detetores de chamas UV). Isto torna a identificação visual de fugas que se incendiaram extremamente difícil e perigosa.

Dispersão rápida

14 vezes mais leve que o ar, o hidrogénio sobe e se dispersa mais rapidamente do que qualquer outro gás. Isto é tanto uma vantagem (vazamentos ao ar livre se dissipam rapidamente) quanto um risco (o gás se acumula em tetos, espaços de telhado e áreas fechadas elevadas, em vez de no nível do solo).

Risco de detonação

O hidrogénio tem um tamanho de célula de detonação de 10 a 15 mm, muito menor do que outros combustíveis. Em espaços fechados ou parcialmente confinados, uma deflagração (frente de chama) pode se transformar em uma detonação (onda de choque). As pressões de detonação são 15 a 20 vezes maiores do que as de deflagração e podem destruir estruturas projetadas apenas para conter deflagrações.

Fragilização por hidrogénio

Os átomos de hidrogénio podem penetrar nas estruturas metálicas, causando fragilização, fissuras e eventual falha dos componentes de aço. Isto afeta:

• Tubagens e recipientes de aço carbono (especialmente aços de alta resistência)
• Parafusos e fixadores sob tensão
• Vedações e juntas de pressão

O serviço de hidrogénio requer a seleção de materiais de acordo com normas como ASME B31.12 (Tubagens e condutas de hidrogénio) e NACE MR0175/ISO 15156.

Sensibilidade eletrostática

A energia mínima de ignição do hidrogénio (0,017 mJ) é tão baixa que pode ser inflamada por:

• Descarga estática de uma pessoa a caminhar (~10–30 mJ — ordens de magnitude acima do MIE do hidrogénio)
• Acumulação de carga em equipamentos não aterrados
• Fluxo de gás que gera carga em tubos ou mangueiras de plástico

Todos os equipamentos em áreas com hidrogénio devem ser devidamente aterrados e ligados (consulte os requisitos de instalação). Materiais não condutores devem ser evitados onde houver possibilidade de contato com hidrogénio.

Classificação de áreas para hidrogénio

Instalações ao ar livre

A flutuabilidade do hidrogénio é uma vantagem significativa ao ar livre:

• O hidrogénio libertado sobe a aproximadamente 20 m/s e dispersa-se rapidamente
• As extensões da zona podem ser menores do que para gases mais pesados, porque o gás não se acumula nem permanece ao nível do solo
• No entanto, qualquer estrutura suspensa (cobertura, saliência do edifício, teto do módulo de processo) pode reter o hidrogénio que sobe

Instalações internas

As instalações internas de hidrogénio requerem um projeto cuidadoso de ventilação:

• O hidrogénio acumula-se no ponto mais alto de uma sala ou recinto
• As aberturas de ventilação devem estar ao nível do teto (o oposto das instalações de propano/butano)
• Normalmente, é necessária ventilação mecânica com altas taxas de renovação de ar
• A deteção de gás deve ser instalada ao nível do teto, não à altura de trabalho

Estações de reabastecimento de hidrogénio

Um desafio crescente em termos de classificação. Layout típico da zona:

• Zona 1: Em torno de bicos de distribuição, conexões de separação, dispositivos de alívio de pressão
• Zona 2: Em torno das caixas dos compressores, ligações dos tubos de armazenamento, flanges das tubagens
• Não perigoso: Áreas de clientes (separadas por distância e ventilação), salas de controlo (com pressurização positiva)

Detecção de gás para hidrogénio

A detecção de hidrogénio apresenta desafios únicos:

Tipos de detectores

• Sensores catalíticos de esferas: Funcionam para hidrogénio, mas têm sensibilidade cruzada a outros gases. O tempo de resposta é aceitável para instalações fixas.
• Sensores de condutividade térmica: Eficazes para hidrogénio devido à sua condutividade térmica muito elevada (7× ar). Menos propensos a envenenamento do que os sensores catalíticos.
• Sensores eletroquímicos: utilizados em detectores portáteis. Boa sensibilidade, mas vida útil limitada.
• Sensores semicondutores (MOS): Alta sensibilidade, resposta rápida. Alguns tipos são específicos para hidrogénio.

Localização

• Instale ao nível do teto (o hidrogénio sobe — a deteção ao nível do solo é ineficaz)
• Coloque os detetores perto de potenciais fontes de fuga (válvulas, juntas, vedantes), mas acima delas
• Tenha em conta as correntes de ar que podem transportar o hidrogénio para longe da fonte
• Use vários detectores em espaços grandes para evitar zonas mortas

Níveis de alarme

• Alarme baixo: 10% LEL (0,4% H₂) — nível de aviso
• Alarme alto: 25% LEL (1% H₂) — ação executiva (aumento da ventilação, isolamento, evacuação)

Normas para hidrogénio

• IEC 60079-10-1 — Classificação de áreas (hidrogénio abrangido como gás IIC)
• IEC 60079-20-1 — Características dos materiais para classificação de gases (dados sobre hidrogénio)
• Série ISO 19880 — Postos de abastecimento de hidrogénio gasoso
• ISO 22734 — Geradores de hidrogénio que utilizam eletrólise da água
• ASME B31.12 — Tubagem e condutas de hidrogénio
• NFPA 2 — Código de tecnologias de hidrogénio (EUA)
• EN 17127 — Pontos de reabastecimento de hidrogénio (ao ar livre, acesso público)
• CGA G-5.4 — Norma para sistemas de tubagem de hidrogénio (Associação de Gás Comprimido)

Lista de verificação para seleção de equipamentos para hidrogénio

1. ☐ Verifique se o equipamento é classificado como Grupo de Gás IIC (não IIA ou IIB)
2. ☐ Verifique se a classe de temperatura é adequada para a aplicação (T1 suficiente para hidrogénio puro; verifique as misturas)
3. ☐ Confirme se a categoria corresponde à zona (Categoria 1 para Zona 0, Categoria 2 para Zona 1)
4. ☐ Para Ex d: verifique se as folgas à prova de chamas e os comprimentos do percurso da chama atendem aos requisitos IIC
5. ☐ Para Ex i: recalcule os parâmetros do cabo — IIC tem limites de capacitância/indutância mais restritos
6. ☐ Verifique a compatibilidade dos materiais — evite aços carbono de alta resistência suscetíveis a fragilização
7. ☐ Assegure-se de que a ligação à terra e a ligação estão corretas em todo o sistema (MIE = 0,017 mJ, a estática é um risco real)
8. ☐ Instale detectores de gás ao nível do teto, não ao nível do solo
9. ☐ Considere detectores de chamas: tipo UV/IR (chamas de hidrogénio são invisíveis para detectores ópticos padrão)
10. ☐ Revisar o projeto de ventilação — aberturas de alto nível para ventilação natural, extração no teto para ventilação mecânica

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