Automatyka i urządzenia do zastosowań specjalnych

Warunki pracy w przemyśle, a poza nim na przykład w transporcie (w samolotach, na statkach, w pociągach), często są niekorzystne, a nawet destrukcyjne dla używanego tam sprzętu. Przykładami czynników niszczących są: ekstremalnie wysokie i bardzo niskie temperatury i ciśnienia, środki chemiczne oraz inne substancje korozyjne, zapylenie, wibracje i atmosfera wybuchowa. Aby mimo narażeń wyposażenie m.in. fabryk, kopalń czy platform wiertniczych działało niezawodnie przez cały czas jego zakładanej żywotności, stosowane są specjalne rozwiązania konstrukcyjne. Ich przegląd przedstawiamy w artykule.

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.

Specyfika korozji w pompach

Korozja to problem w branży morskiej, w jednostkach pływających i elektrowniach wiatrowych. Elementy ich konstrukcji i wyposażenia mają kontakt z wilgotnym i silnie zasolonym powietrzem, na które narażona jest część statku niezanurzona w morzu i jego wnętrze (maszynownia, ładownia, kabiny), a w przypadku elektrowni – turbina, i ze słoną wodą morską, z którą stykają się podwodna część kadłuba statków i wieże wiatraków. Korodują również części maszyn budowlanych, do prac leśnych i sprzętu górniczego. Przykładem urządzenia, w którym problem korozji jest złożony, są pompy.

Wynika to stąd, że jednocześnie można się w ich przypadku spodziewać wystąpienia kilku rodzajów korozji i zjawisk, które sprzyjają jej rozwojowi i są specyficzne dla urządzeń tego typu. Chodzi o erozję i kawitację. W przypadku pomp występuje również specjalny typ korozji przyspieszonej przepływem. Polega ona na szybszym usuwaniu z metalu ochronnej warstwy tlenku pod wpływem mechanicznego oddziaływania na nią pompowanego płynu korozyjnego, który następnie koroduje odsłonięty materiał bazowy. Zachodzi ona zwykle przy dużych natężeniach przepływu, poza wirnikami pomp, również na wylotach rur, w trójnikach i w kolankach. Na szybkość jej postępu ma wpływ zawartość tlenu. Ten typ korozji jest problemem głównie w przypadku stali niskowęglowych i żeliwa. Czasami między korozją przyspieszoną przepływem i erozyjną stawia się znak równości, gdyż granica pomiędzy nimi jest płynna.

Erozja występuje głównie w pompach tłoczących substancje ścierne, jak piasek, przy dużym natężeniu ich przepływu oraz ciśnieniu. Jeżeli jednocześnie występują erozja i korozja, mechanizm degradacji staje się złożony – efektem korozji są warstwy tlenków o niskiej przyczepności do podłoża podatne na erozję, a erozja, uszkadzając warstwę pasywną, prowadzi do aktywacji powierzchni. To z kolei powoduje korozję.

Specyficzna dla pomp jest też korozja kawitacyjna. Kawitacja jest spowodowana różnicą ciśnień. Nagły spadek ciśnienia poniżej wartości progowej powoduje natychmiastowe odparowanie pompowanej cieczy. Gdy w ten sposób powstałe pęcherzyki pary znajdą się w obszarze o większym ciśnieniu, zapadają się. Powstaje wtedy fala uderzeniowa. Jej skumulowanie działa niszcząco na powierzchnie komponentów pompy.