Automatyka i urządzenia do zastosowań specjalnych

Atmosfera wybuchowa to mieszanina palnych gazów, par, pyłów z powietrzem, w której po zainicjowaniu źródłem zapłonu, spalanie rozprzestrzeni się samorzutnie. Wystąpienia takich warunków można się spodziewać w przemyśle naftowym, chemicznym i petrochemicznym, farmaceutycznym, spożywczym i w górnictwie. Skutki eksplozji (wysoka temperatura, fala uderzeniowa, trujące produkty reakcji spalania) są niszczące dla wyposażenia oraz zagrażają personelowi. Dlatego wybuchom trzeba przede wszystkim zapobiegać, a przynajmniej starać się skutki eksplozji ograniczać, jeżeli nie można wykluczyć, że do niej nie dojdzie.

Podstawowym zabezpieczeniem urządzeń elektrycznych i mechanicznych są obudowy. W strefach zagrożonych wybuchem obowiązkowe jest korzystanie z tych spełniających wymagania dyrektywy ATEX.

Projektowanie urządzeń zgodnych z ATEX

Przystosowując sprzęt elektryczny i nieelektryczny do pracy w strefach zagrożonych eksplozją, trzeba przede wszystkim zapobiec zapłonowi atmosfery wybuchowej, którego mógłby on być źródłem. Oznacza to, że nie można dopuścić do wystąpienia iskrzenia, na przykład na skutek tarcia, uderzenia lub w wyniku wyładowania elektrostatycznego. Warunkiem jest też to, by części, które mają kontakt z mieszaniną wybuchową, nie osiągały temperatury jej zapłonu. Wytyczne projektowe w tym zakresie zostały zamieszczone w normach z serii PN- EN 60079. Wyróżniono w nich cztery przypadki, w których stosowane środki ochronne nie pozwalają na zaistnienie niebezpiecznej sytuacji.

W pierwszym przedostanie się mieszaniny wybuchowej do sprzętu, w którym może znajdować się źródło zapłonu i to, że do niego dojdzie, jest dopuszczalne, wyklucza się jednak przeniknięcie ognia do otoczenia. Przykładowe typy zabezpieczeń spełniające ten wymóg to: obudowy ognioszczelne (Ex d według PN- EN 60079-1) oraz osłony piaskowe (Ex q, PN- EN 60079-5). Ochrona w postaci obudowy gazowej z nadciśnieniem (Ex p, PN- EN 60079-2), przez zanurzenie w cieczy (Ex o, PN- EN 60079-6) lub hermetyzację (Ex m, PN- EN 60079-18), to natomiast przykłady zabezpieczeń zapobiegających wnikaniu mieszaniny wybuchowej i/albo jej zetknięciu z wewnętrznymi, wynikającymi z funkcji urządzenia, potencjalnymi źródłami zapłonu.

Zabezpieczenie urządzeń za pomocą budowy wzmocnionej (Ex e, PN- EN 60079-7) gwarantuje zaś, że nawet jeśli mieszanina wybuchowa przedostanie się do obudowy działającego sprzętu, to nie zapali się. Iskrzenie ani podwyższone temperatury nie wystąpią również w urządzeniach iskrobezpiecznych (Ex i, PN- EN 60079-11).W praktyce stosuje się różne rozwiązania konstrukcyjne mające zapewnić konkretny poziom ochrony.

Przykładowe konstrukcje ognioszczelne i z nadciśnieniem

Na przykład obudowy ognioszczelne, osłaniające części, mogące zapalić atmosferę wybuchową, znajdującą się wewnątrz, muszą być w stanie wytrzymać ciśnienie eksplozji. Dzięki temu nie dopuszcza się do rozprzestrzenienia się eksplozji do otaczającej obudowę atmosfery wybuchowej. By ten wymóg spełnić, wykorzystuje się materiały o odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej. Oprócz tego wszelkie odstępy pomiędzy częściami obudowy powinny być na tyle wąskie i długie, żeby wypływający nimi gorący gaz ostygł i nie mógł już spowodować zapłonu mieszaniny wybuchowej, kiedy wydostanie się na zewnątrz. W obudowach w wersji ognioszczelnej wykonywane są urządzenia, w których podczas normalnej pracy powstają iskry, łuki elektryczne i/albo gorące powierzchnie, jak na przykład: rozdzielnice, bezpieczniki, oprawy oświetleniowe, hamulce cierne, silniki elektryczne.

W obudowach gazowych z nadciśnieniem wnikaniu otaczającej atmosfery wybuchowej do środka zapobiega się przez utrzymanie wewnątrz niej gazu ochronnego, którym może być czyste, suche powietrze, gaz obojętny albo inny odpowiedni w danym przypadku, pod ciśnieniem wyższym od ciśnienia atmosferycznego. Nadciśnienie jest utrzymywane z ciągłą wymianą gazu ochronnego lub bez. Obudowa musi zachować integralność przy kilkukrotności nadciśnienia występującego podczas normalnej pracy. W razie spadku ciśnienia gazu ochronnego urządzenie powinno zostać automatycznie wyłączone.

Obudowy z piaskiem, wzmocnione i obwody iskrobezpieczne

Łuk elektryczny, który powstaje wewnątrz obudów wypełnionych piaskiem (albo kulkami szklanymi), jest wygaszany. Dzięki temu nie może, w czasie normalnej eksploatacji urządzenia, zapalić atmosfery wybuchowej na zewnątrz. Obudowa powinna być zaprojektowana tak, aby jej wypełnienie nie wydostało się poza nią, ani podczas normalnej pracy, ani w razie wystąpienia łuku elektrycznego, ani na skutek sytuacji awaryjnej. Trzeba oprócz tego wyeliminować ryzyko zapłonu przez płomienie albo podwyższoną temperaturę powierzchni obudowy. W ten sposób zabezpiecza się urządzenia, w których występują iskry albo gorące powierzchnie, na których działanie nie ma wpływu drobnoziarniste wypełnienie (kondensatory, HMI, komputery przenośne).

W przypadku obudów o konstrukcji wzmocnionej zalecane jest m.in.: zastosowanie specjalnych środków ochronnych dla nieizolowanych części pod napięciem, przyjęcie wyższych wymagań w zakresie konstrukcji, wytrzymałości mechanicznej i izolacji uzwojeń, które należy także chronić przed podwyższonymi temperaturami. Zapewnić trzeba również minimalne przekroje drutu nawojowego cewek oraz spełnić wyższe wymagania dotyczące ich impregnacji i wzmocnienia.

W obwodach iskrobezpiecznych, w których iskra ani efekt termiczny nie mogą zapalić mieszanki wybuchowej, zapewnić natomiast trzeba mniejsze obciążenie, w porównaniu do tego, jakie jest standardowo znamionowe. Oznacza to mniejsze napięcia, których wartość jest uwarunkowana wytrzymałością elektryczną materiałów oraz mniejszy prąd, którego wartość zależy od tego, w jakiej ilości ciepło może się bezpiecznie wydzielić przy jego przepływie, aby temperatura nie wzrosła powyżej dopuszczalnego poziomu. Dzięki małym wartościom napięcia i prądu nawet w przypadku przerwania obwodu lub jego zwarcia iskry i łuki elektryczne będą miały tak małą energię, że nie będą w stanie spowodować zapłonu atmosfery wybuchowej.

Izolacja i tłumienie wibracji

Wyposażenie maszyn i pojazdów, na przykład w górnictwie czy transporcie, powinno być odporne na uderzenia i drgania, które są przenoszone z układu napędowego albo są następstwem kontaktu z przeszkodami terenowymi. By złagodzić ich skutki, stosowane są różne rozwiązania konstrukcyjne izolujące lub tłumiące drgania. Izolacja zapobiega przekazywaniu wibracji, zaś tłumienie rozprasza energię drgań – w tym celu jest ona pochłaniana albo przekształcana w inny rodzaj energii.

Izolatory i tłumiki drgań to zwykle komponenty mechaniczne. Przykład to konstrukcje sprężynowe. Przeważnie zbudowane są z dwóch płytek, między którymi zamocowana jest sprężyna. Wykonuje się je z różnych materiałów. Najpopularniejsze są: stal węglowa, stal nierdzewna oraz aluminium.

są także komponenty elastomerowe. Ich częścią są typowo metalowe elementy, które pełnią funkcję wsporników montażowych, oddzielone materiałem elastomerowym, zapewniającym pożądaną sztywność oraz tłumienie wibracji. Powszechnie używane materiały elastomerowe to: kauczuk i neopren, chociaż niektórzy producenci wykorzystują też inne materiały, o specjalnych właściwościach, do specyficznych zastosowań.

Ponadto w konstrukcji maszyn i pojazdów narażonych na drgania i udary dąży się do eliminacji komponentów najbardziej na nie wrażliwych – przykładem są konstrukcje bezwentylatorowe. Przed drganiami trzeba także chronić wyświetlacze LCD (patrz ramka).

Korozja – mechanizmy i...

Korozja to proces postępującego niszczenia metali na skutek ich reakcji z otoczeniem w obecności cieczy lub gazów, zachodzącego zwykle szybciej w wyższej temperaturze i na zanieczyszczonych powierzchniach. Korozja może mieć różną postać. Rozwija się na powierzchni równomiernie lub jedynie miejscowo (wżerowo, szczelinowo). Występuje także, jeśli dwa albo więcej metali styka się ze sobą w obecności elektrolitu (korozja galwaniczna). Może się rozwinąć na granicy ziaren metalu w wyniku nieprawidłowej obróbki cieplnej (korozja mikrokrystaliczna) albo jako skutek reakcji z otoczeniem w podwyższonej temperaturze. Przykładem korozji wysokotemperaturowej jest pogorszenie się właściwości mechanicznych metali wystawionych na działanie m.in. amoniaku, azotu, fluoru, tlenku węgla, metanu albo chloru. Najpowszechniej występuje korozja atmosferyczna – przykład to rdza na żelazie. Może mieć charakter chemiczny albo elektrochemiczny. W przypadku pewnych zastosowań i urządzeń występują też specyficzne odmiany korozji. Przykładem są pompy (patrz: ramka).

Choć korozji nie można całkiem wyeliminować, można ją ograniczyć. Jeżeli mimo wszystko rozwija się, oznacza to, że zastosowane środki nie są wystarczające lub dany sprzęt nie nadaje się do użytku w tych konkretnych warunkach.

…zapobieganie

Kluczowe znaczenie ma dobór odpowiednich materiałów. Odporna na korozję jest stal nierdzewna. Zawdzięcza ona tę właściwość zawartości chromu (minimum 10%), który tworzy na powierzchni samonaprawiającą się warstwę tlenku. Występuje w różnych odmianach. Przykładem jest stal nierdzewna 316, wyróżniająca się wyjątkową odpornością na korozję ze względu na większą zawartość niklu oraz dodatek molibdenu. Jest to popularny materiał, z którego wykonuje się obudowy urządzeń wykorzystywanych w środowisku morskim. Ten typ stali sprawdza się zwłaszcza w ich korpusach, natomiast nie jest polecany jako materiał wykonania nakrętek, śrub, złączy. W zamian lepiej jest wykorzystać stal nierdzewną 304, którą charakteryzuje wyższa wytrzymałość oraz odporność na zużycie, częściowo z powodu nieco wyższej zawartości chromu, i niższy koszt.

Stopy miedzi z kolei wyróżnia dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, dobre właściwości mechaniczne, łatwość obróbki. Chociaż reagują z pewnymi kwasami, generalnie w powietrzu, wodzie, słonej wodzie, w obecności wielu organicznych i nieorganicznych chemikaliów mają dużą odporność na korozję. Nikiel oraz jego stopy są z kolei odporne na roztwory żrące. Inny przykład to aluminium i jego stopy, m.in. 5052, który poza odpornością na korozję wyróżnia wytrzymałość zmęczeniowa i łatwość spawania.

Kolejną ważną kwestią jest kompatybilność metali – powinno się unikać tych ich zestawień, w których może wystąpić korozja galwaniczna. Przykład to połączenie miedzi i stali nierdzewnej. Metale zabezpiecza się również, pokrywając je powłokami ochronnymi. Wytwarza się je m.in. w procesie cynkowania i miedziowania. Przed korozją zabezpiecza też malowanie proszkowe oraz powłoki ceramiczne.

Zalanie, zapylenie a ochrona IP

Niepożądane jest również przenikanie płynów, pyłów czy ciał obcych do wnętrza urządzenia. Przykładowo woda – z opadów atmosferycznych, myjąca, z kondensacji – powoduje zwarcia. Przedostanie się do wnętrza obudowy smarów i kurzu z kolei prowadzi do nagromadzania się brudu. Ten, izolując termicznie nagrzewające się podzespoły, blokując przepływ powietrza przez kratki wentylacyjne czy obciążając łopatki wentylatorów, utrudnia odprowadzanie nadmiaru ciepła.

Przegrzewanie się urządzeń elektrycznych i mechanicznych skutkuje spadkiem ich sprawności energetycznej, skróceniem żywotności, a w skrajnych przypadkach nawet zapłonem. Zwarcia i blokady, cieplne i fizyczne, mogą także powodować inne ciała obce, które przedostaną się do wnętrza urządzenia.

Podstawową ochronę przed zalaniem, zapyleniem oraz ciałami obcymi stanowi obudowa urządzenia. By w konkretnych warunkach można było bezpiecznie użytkować dany sprzęt, należy się upewnić, że jest szczelna. Określenia takie, jak wodoodporny albo wodoszczelny, nie są jednak w tym przypadku miarodajne. Subiektywność tych terminów sprawia, że nie można mieć pewności, w jakich warunkach gwarantowana jest odporność na dany czynnik środowiskowy. Dlatego, by charakterystykę obudów pod tym względem ujednolicić, wprowadzono system ich oceny, przypisujący im określony poziom ochrony IP (Ingress Protection). Standaryzacja ułatwia dobór obudowy do wymagań zastosowania, biorąc pod uwagę możliwości oraz ograniczenia zapewnianej przez nią ochrony.

Rozszyfrowujemy kod IP

Kod IP składa się z dwóch cyfr. Czasem następuje po nich litera, która ma dodatkowe znaczenie, najczęściej jednak spotykany jest format IPxx, na przykład IP43, IP67. Pierwsza cyfra, od 0 do 6, oznacza stopień ochrony obudowy przed wnikaniem ciał stałych. Chodzi zarówno o cząstki pyłów, jak i większe ciała obce, z otoczenia lub wprowadzane do obudowy, celowo lub przypadkowo, przez użytkownika. I tak 1 oznacza ochronę przed obiektami większymi niż 50 mm (dłoń), 2 – większymi niż 12 mm (palec), 3 – większymi niż 2,5 mm (narzędzia i druty), a 4 – większymi niż 1 mm (drobne narzędzia i druty, gwoździe, śruby, większe owady). 5 gwarantuje pyłoodporność, a 6 pyłoszczelność.

Druga cyfra, od 0 do 9, charakteryzuje z kolei stopień ochrony obudowy przed wnikaniem wilgoci. 1 oznacza ochronę przed kroplami wody padającymi pionowo, 2 – pod kątem 15°, 3 – pod kątem 60°, 4 – pod dowolnym kątem, 5 – przed strumieniem wody o małym ciśnieniu, a 6 – przed falą wody. 7 gwarantuje szczelność obudowy przy zanurzeniu przez 30 minut, 8 – przy zanurzeniu ciągłym. Dodatkowy kod IP69K charakteryzuje obudowy odporne na mycie strugą pod dużym ciśnieniem (80‒100 barów) oraz o wysokiej temperaturze (do +80°C).

Przykładowo zatem obudowa o stopniu ochrony IP58 ma zagwarantowaną pyłoodporność oraz szczelność przy zanurzeniu ciągłym, IP56 pyłoodporność i szczelność przy zalaniu falą wody, a IP67 pyłoszczelność i szczelność przy zanurzeniu czasowym. Spotkać się można również z kodem, w którym jedną z cyfr zastępuje X. Oznacza to, że szczelność na dany czynnik nie została określona – przykładowo obudowa IPX7 gwarantuje wodoszczelność przy zanurzeniu przez 30 minut, natomiast ochrona przed wnikaniem ciał obcych nie jest gwarantowana. W przypadku IP5X odwrotnie, gwarantowana jest pyłoodporność, natomiast nieokreślona jest wodoszczelność.

Wspomniana we wstępie dodatkowa litera to: F, H, M, S, W, na przykład w kodzie IP67M. Doprecyzowuje ona odporność obudowy na konkretny czynnik (F – odporność na olej, H – wysokie napięcie, W – pogoda) lub opisuje warunki testowania: urządzenie w ruchu (M) lub nieruchome (S), podczas sprawdzania wodoszczelności.

Szczelne obudowy w praktyce

Szczelność obudowy uzyskuje się przede wszystkim przez wybór właściwego materiału uszczelki. Należy ją również dokładnie dopasować do powierzchni części osłony oraz staranne zamocować. Uszczelki mogą mieć postać pasków, są wycięte w kształcie obrysu łączonych elementów lub są wylewane z zastygającego materiału na zabezpieczone przed korozją podłoże. Pierwsze są tanie, ale niestety na złączach, w rogach, szybko niszczeją. Zaletą wylewanych jest ciągłość na całym obwodzie i bardzo dobra przyczepność do podłoża. Są też tanie. Uszczelki wycięte w kształcie obrysu są z kolei zwykle nieco droższe. Materiał uszczelki powinien być odporny na te same czynniki środowiskowe, co obudowa. Popularne w tym zastosowaniu są: neopren (używany najczęściej), silikon, elastomery termoplastyczne, poliuretan, EPDM. Silikon wyróżnia się odpornością na promienie słoneczne i najszerszym zakresem temperatur pracy (–60°C... +170°C), ale jest droższy od pozostałych materiałów. Zaletą poliuretanów jest natomiast łatwość wytwarzania uszczelek o nieregularnych kształtach i najmniejsze odkształcenia przy ściskaniu. EPDM wyróżnia z kolei duża wytrzymałość na rozciąganie.

Jak dobrać stopień ochrony obudowy?

Wymagany w danym zastosowaniu stopień ochrony, jaki zapewniać powinna obudowa, zależy od warunków, w jakich będzie ona użytkowana. Przykładem branży, w której na szczelność osłon wyposażenia linii produkcyjnych trzeba położyć szczególny nacisk, jest przemysł spożywczy. Szczególnej uwagi wymagają maszyny pakujące. W produkcji oraz przetwórstwie żywności urządzenia te są narażone na pracę w otoczeniu zakurzonym, mokrym i przy występowaniu zarówno pyłów, jak i płynów, z którymi ich podzespoły mogą wejść w kontakt. Silne pylenie występuje zwłaszcza w pakowaniu takich produktów, jak przekąski (czipsy, ciastka) i w postaci sypkiej (kawa, mąka czy cukier). Wprawienie ich w ruch podczas przesypywania do opakowań sprawia, że w powietrzu unoszą się ich cząstki. Choć częścią linii pakowania są urządzenia do usuwania pyłów, drobin produktów nie można całkiem wyeliminować. Dlatego liczyć się trzeba z tym, że mogą się przedostawać do niewłaściwie uszczelnionych osłon. By temu zapobiec, maszyny pakujące produkty sypkie powinny być chronione obudowami ze stopniem ochrony co najmniej IP5x lub IP6x. Stopień zabezpieczenia przed wnikaniem wilgoci w tym zastosowaniu aż tak wysoki być nie musi.

Odwrotnie jest w przypadku maszyn do obróbki i pakowania na przykład wyrobów mięsnych i nabiału – linie produkcyjne tego typu produktów to zdecydowanie środowiska mokre, których wyposażenie narażone jest na kontakt z wodą, środkami czyszczącymi i płynami z samych wyrobów. Dlatego jego obudowy powinny być zabezpieczane przed ich wnikaniem – w tym zastosowaniu minimalny zalecany stopień ochrony to IPx5 do IPx8. Pyły zwykle nie stanowią problemu, zatem stopień zabezpieczenia przed nimi nie musi być wysoki. Jeżeli natomiast otoczenie maszyny pakującej jest zarówno zakurzone, jak i wymaga zmywania, odpowiedni stopień ochrony to co najmniej IP55 do IP68.

Wysokie i niskie temperatury

Czynnikiem wymagającym specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych są też ekstremalne temperatury, wysokie i niskie. Pierwsze w urządzeniach elektrycznych i mechanicznych, które dodatkowo nagrzewają się na skutek przepływu prądu i tarcia, wywołują problemy z wydajnością oraz chłodzeniem. Wysoka temperatura powoduje też rozszerzanie się i mięknięcie materiałów, z których wykonano ich elementy i obudowy. Zmieniają się także właściwości substancji pomocniczych (chłodzących, smarujących), które zapewniają ich prawidłowe działanie.

W skrajnie niskich temperaturach z kolei liczyć się trzeba z problemami z uszczelnieniami, przymarzaniem powierzchni kontaktowych, co może prowadzić do pęknięć i rozszczelnień, oblodzeniem, problemami z akumulatorami, występowaniem kondensacji, zamarzaniem i roztapianiem się kondensatu. W efekcie nieuwzględnienie takich warunków w projekcie urządzenia może mieć liczne negatywne konsekwencje dla jego działania i żywotności. Trzeba o tym pamiętać w przypadku m.in. niezbędnego komponentu linii produkcyjnych w wielu branżach, jakim są przenośniki. Transportery mogą być narażone na wysokie i niskie temperatury produktów, które przenoszą i występujące w ich otoczeniu. Co więcej, czasem w jednym ciągu technologicznym są wystawione na działanie wysokich, a następnie niskich temperatur.

Pasy do wysokich i niskich temperatur

Odporności na ekstremalnie wysokie temperatury od systemów przenośników wymaga się na przykład w branży spożywczej, m.in. na liniach pieczenia, gdzie na skalę przemysłową korzysta się z pieców tunelowych. Są to transportery o długości od kilkunastu– kilkudziesięciu do nawet 100 metrów, którymi ciasto jest przenoszone w obudowującej je komorze pieczenia. Tunel jest przeważnie podzielony na strefy. Warunki, w jakich surowiec jest poddawany obróbce w poszczególnych sekcjach (temperatura, wilgotność powietrza), są regulowane niezależnie. Zmieniając prędkość taśmociągu, można też regulować czas pieczenia. Zastosowania niskotemperaturowe systemów przenośnikowych obejmują z kolei m.in. transport zamrożonej żywności, takiej jak mięso, ryby, lody i niektórych leków, które wymagają chłodzenia.

W takich warunkach standardowe materiały, z których wykonywany jest najbardziej narażony na ich oddziaływanie element przenośników, czyli pas, nie sprawdzają się. Przykładowo maksymalna temperatura pracy taśm z neoprenu wynosi około +90°C. Przy większych wartościach materiał ten zaczyna wykazywać oznaki rozkładu termicznego, tzn. topi się i uwalnia drażniące gazy. I odwrotnie, w temperaturze poniżej 0°C pasy neoprenowe twardnieją, stając się niezdatnymi do użytku.

Alternatywą w wysokich temperaturach są pasy z siatki stalowej lub pasy z włókna szklanego. Oba typy materiałów mają dodatkowe zalety: taśmy z siatki ze stali nierdzewnej sprawdzają się w transporcie obiektów o ostrych krawędziach i w kontakcie z chemikaliami, natomiast taśmy z włókna szklanego są lżejsze i bardziej elastyczne niż metalowe. Te ostatnie mogą przenosić cięższe ładunki, natomiast nośność pasów z włókna szklanego jest mniejsza. Generalnie też taśmy tego typu nie nadają się do transportu ładunków o nierównomiernym rozkładzie ciężaru. W piecach przy wyborze pasa ważna jest jeszcze jedna kwestia – przeanalizować trzeba wpływ tego komponentu przenośnika na przepływ powietrza w komorze grzewczej. Im bardziej taśma go ogranicza, tym trudniej jest uzyskać równomierny rozkład temperatury, a to w procesach takich jak pieczenie pogarsza jakość produktu. W tym przypadku lepiej jest zatem wybrać pas z metalowej siatki, przez który powietrze będzie swobodnie przechodziło. To zapewni jego obieg w przestrzeni pomiędzy poszczególnymi ładunkami.

W niskich temperaturach natomiast popularne są pasy warstwowe, z rdzeniem z tkaniny bawełnianej, nylonowej lub poliamidowo-poliestrowej albo w postaci kordu stalowego, pokrytym materiałem stanowiącym mieszankę kauczuku naturalnego i kauczuku butadienowego. Dodatek tego ostatniego zwiększa elastyczność pasa w niskich temperaturach.

Monika Jaworowska