Comprendere le custodie per le esplosioni

Le custodie antiesplosione sono alloggiamenti progettati per contenere componenti elettrici che operano in ambienti dove sono presenti gas infiammabili, vapori o polveri combustibili. La loro funzione principale è quella di resistere ad un'esplosione interna senza rotture e di impedire l'accensione dell'atmosfera circostante con fiamme, scintille o gas caldi.

La progettazione e la selezione dei materiali per tali contenitori sono regolate da rigorosi standard internazionali, tra cui IECEx (International Electrotechnical Commission System for Certification to Standards Relating to Equipment for Use in Explosive Atmospheres), ATEX (European Union Directive 2014/34/EU), e UL (Underwriters Laboratories) standard quali UL 1203 e UL 698A.

Fattori chiave nella selezione dei materiali

La scelta del materiale corretto per un contenitore antideflagrante richiede una valutazione completa di più criteri di prestazione.

Resistenza meccanica e impatto

I recinti antiesplosione devono sopportare notevoli sollecitazioni da pressione interna durante un evento di esplosione, nonché impatti esterni da oggetti in caduta, trasporto di attrezzature o condizioni operative difficili. I materiali devono mostrare elevata resistenza alla trazione, resistenza alla resa e resistenza per prevenire deformazione o rottura. Ad esempio, il ghisa offre una resistenza superiore ma è fragile in determinate condizioni, mentre l'acciaio inossidabile combina la forza con la duttilità.

Resistenza alla corrosione

Gli ambienti pericolosi spesso comportano l'esposizione a sostanze chimiche corrosive, spray al sale, umidità o atmosfere acide. I materiali di inclosure devono essere intrinsecamente resistenti alla corrosione o essere protetti da rivestimenti appropriati (ad esempio, epossidica, poliuretano o zincatura). Leghe in acciaio inossidabile (come 304L o 316L) forniscono un'eccellente resistenza nelle applicazioni di lavorazione marina o chimica.

Conduttività termica e dissipazione del calore

Se il materiale di copertura non conduce efficacemente il calore, la temperatura interna può aumentare, aumentando il rischio di superare la temperatura di accensione dell'atmosfera circostante. I materiali con elevata conducibilità termica, come l'alluminio cast (circa 150-200 W/m·K), aiutano a dissipare il calore in modo efficiente. L'acciaio inossidabile ha una minore conducibilità termica (circa 16 W/m·K), che può richiedere una maggiore superficie o ulteriori progetti di alette.

Isolamento elettrico e conducibilità

I materiali non conduttivi come i compositi polimerici forniscono intrinsecamente l’isolamento, ma devono essere formulati per essere antistatici o dissipativi per prevenire l’accumulo di carica. I materiali conduttivi (metal) richiedono un corretto radicamento e un legame per eliminare le potenziali differenze. La scelta del materiale influisce anche sulla capacità di contenere archi o scintille all’interno, spesso i parametri di integrità del contenitore.

Rispetto degli standard internazionali

[LTALT], per esempio, richiede che i materiali utilizzati nelle custodie a prova di fiamma (Ex d) soddisfino specifiche proprietà meccaniche e termiche, tra cui la resistenza minima di rottura del strisciante per materiali non metallici.

Materiali comuni utilizzati nelle custodie per esplosione-proof

Mentre esistono molti materiali, quattro categorie dominano l'industria a causa delle loro prestazioni comprovate e dell'efficacia dei costi, ognuna ha vantaggi e limitazioni distinti.

Lega di alluminio pressofuso

In alluminio pressofuso (leghe di tipo A356 o 380) è il materiale più utilizzato per le custodie antideflagrante, in particolare in luoghi pericolosi generici come le piante petrolchimiche e le strutture di lavorazione del grano. La sua bassa densità (circa 2.7 g/cm3) riduce il peso, semplifica l'installazione e la manipolazione. L'alluminio offre anche un'eccellente conducibilità termica e può essere gettato in forme complesse con pareti sottili, consentendo per progetti che ottimizzano l'area di corrosione superficiale per dissipazione.

Acciaio inossidabile

I gradi dell'acciaio inossidabile come 304L, 316L e 316Ti sono preferiti per ambienti difficili che coinvolgono umidità elevata, spray salino, vapori acidi, o frequenti lavaggi (ad esempio, piattaforme offshore, lavorazione degli alimenti, applicazioni marine). Il contenuto di cromo (almeno 10,5%) forma uno strato passivo che resiste alla corrosione. L'acciaio inossidabile offre anche alta resistenza e resistenza, permettendo agli involucri di sopportare pressioni interne superiori (fino a 30 barner).

Ferro da stiro

Il ferro da fusione è stato utilizzato per decenni in contenitori antideflagrante, soprattutto per grandi motori industriali, interruttori e scatole di giunzione in industrie pesanti. La sua elevata resistenza alla compressione (250-350 MPa) e basso costo lo rendono una scelta economica per applicazioni ad alto volume.

Compositi polimerici

I compositi di polietilene (PPO) sono sempre più utilizzati per i recinti antideflagrante in piccole dimensioni, in particolare per i tipi di protezione Ex e (sicurezza aumentata) e Ex n (non-sparking) che sono leggeri, resistenti alla corrosione e isolanti elettricamente.

Strategie per la selezione dei materiali

Un approccio sistematico alla selezione dei materiali garantisce sicurezza, conformità e ottimizzazione dei costi.

Fase 1: Classificazione Hazard e Valutazione Ambientale

Iniziare identificando la classificazione delle aree pericolose secondo ISO/IEC 80079-20-1 (gas) o 80079-20-2 (polvere). Determinare la classe di temperatura (T1 a T6), gruppo di gas (I, IIA, IIB, IIC, o IIIC per le polveri), e condizioni ambientali (intervallo di temperatura, umidità, presenza di agenti corrosivi).

Passo 2: Definire Enclosure Requisiti di prestazione

Calcola la massima pressione interna che il contenitore deve sopportare (tipicamente 1,5 x la massima pressione di esplosione per standard). Definisci anche la protezione di ingresso (IP) valutazione, spessore minimo della parete basato sulla resistenza del materiale e carico termico da componenti interni. Considera i limiti di peso per le strutture di montaggio: i materiali leggeri possono ridurre i costi di lavorazione dell'acciaio. Se il contenitore sarà installato in un ambiente ciclo di congelamento-squadra, i materiali devono resistere a crepelare dalle differenze di espansione termica.

Passo 3: Screening dei materiali e analisi di scambio

Creare una matrice di materiali candidati contro i requisiti. Utilizzare fogli di dati o fonti affidabili (ad esempio, ASM International, NACE) per le proprietà meccaniche, termiche e di resistenza chimica. Il costo per custodia (materiale + fabbricazione + rivestimento) dovrebbe essere incluso. Per esempio, l'alluminio può avere basso costo della materia prima ma richiede costosi strumenti di fusione della sabbia; l'acciaio inossidabile è più costoso per libbra ma richiede spesso pareti più sottili e rivestimento meno protettivo.

Fase 4: fattibilità di fabbricazione

I getti di alluminio hanno bisogno di una corretta schermatura per evitare porosità che possono causare percorsi di fuga. Le custodie in acciaio inossidabile spesso richiedono saldatura robotizzata per garantire una qualità uniforme delle articolazioni per le lacune ignifughe. I compositi polimerici devono essere modellati con un adeguato orientamento della fibra per la resistenza. Assicurarsi che il materiale scelto possa raggiungere la finitura superficiale richiesta sui percorsi di fiamma (solitamente meglio di 6.3 μm Ra).

Passo 5: Certificazione Testing

Per ATEX, questo include test di sovrapressione, test di aumento della temperatura e test IP. Per IECEx, inoltre, include la verifica dei materiali contro le specifiche approvate.

Requisiti di prova e certificazione

La selezione dei materiali è incompleta senza capire come sarà certificata l'armadio.

  • Test di pressione idrostatica:[] L'armadio è pressurizzato a 1,5 volte la pressione massima dell'esplosione (di solito 10-30 bar) per controllare le perdite o la deformazione permanente.
  • Test di esplosione:[] Un'esplosione interna effettiva utilizzando la corretta miscela di gas (ad esempio, 83% di idrogeno + 17% di ossigeno per IIC) dimostra che l'involucro contiene l'esplosione e non accende i gas circostanti. Il materiale non deve mostrare alcuna trasmissione di cracking o fiamma.
  • Test termico:[ La temperatura superficiale esterna durante il normale funzionamento e alla massima condizione di guasto interno deve rimanere al di sotto della temperatura di accensione dell'atmosfera pericolosa.
  • Resistenza alla corrosione e ai raggi UV:[] Le custodie non metalliche sono soggette a test di calore-salto, esposizione UV e resistenza chimica (spesso per IEC 60079-0 e ISO 4892).

In caso di mancato inserimento di tali test, un materiale composito con insufficiente stabilità UV potrebbe essere incrinato dopo alcuni anni negli impianti esterni, e comportare sempre un corpo notificato (ad esempio, TÜV Rheinland, Bureau Veritas) all'inizio della fase di progettazione per evitare costosi lavori di rielaborazione.

Materiali emergenti e tendenze future

Le leghe di alluminio ad alta resistenza migliorano la resistenza all'usura e la resistenza alle temperature elevate. La produzione aggiuntiva di leghe metalliche (ad esempio, Inconel 625 per ambienti corrosivi) consente geometrie interne complesse che migliorano la dissipazione del calore e riducono il peso.

Conclusioni

La scelta del materiale giusto per un contenitore antideflagrante è una decisione multiforme che bilancia la resistenza meccanica, la resistenza alla corrosione, la gestione termica, la sicurezza elettrica e la conformità alle normative. L'alluminio colato rimane il cavalletto di lavoro per uso industriale generale, mentre l'acciaio inossidabile è indispensabile per ambienti difficili. Il ghisa offre una durata a costi inferiori, e i compositi polimerici forniscono alternative leggere per i concetti di protezione specifici.