Instalación de la espectroscopía Raman en zonas con peligro de explosión (ATEX, IECEx, NEC/CEC)

Este artículo didáctico se centra en los sistemas de espectroscopía Raman instalados en atmósferas gaseosas explosivas, incluidas las zonas ATEX 0/1/2, IECEx y, los entornos IECEx y las áreas norteamericanas de Clase I según NEC/CEC.

En él se explica:

• Por qué los sistemas Raman están sujetos a los requisitos sobre zonas con peligro de explosión y en qué casos su instalación debe ser conforme
• Cómo surgen, se evalúan y se mitigan los riesgos de ignición óptica
• Cómo ATEX, IECEx y los marcos normativos norteamericanos convierten los mismos principios de seguridad física en criterios de certificación y reglas de instalación
• Cómo se gestionan los riesgos de ignición óptica mediante los conceptos de limitación de potencia (Ex op is) y sistema de enclavamiento (Ex op sh), y cómo esto influye en el etiquetado y la instalación

Nota: los equipos de espectroscopía Raman no están certificados para ser empleados en atmósferas explosivas de polvo, polvo o fibras. Por ello, estos entornos quedan fuera del ámbito de este artículo.
En este artículo tampoco se abordan los mecanismos de ignición no ópticos ni los procedimientos específicos para cumplir la legislación nacional, los cuales requieren enfoques independientes de diseño y certificación de sistemas.

Los sistemas de espectroscopía Raman pueden convertirse en una fuente potencial de ignición cuando la radiación óptica se concentra en una atmósfera de gas o vapor inflamable, incluso si las sondas Raman no generan chispas ni contienen componentes eléctricos calientes en el punto de medición.

Los riesgos de ignición se deben a un calentamiento local causado por la concentración de energía óptica en superficies o partículas. En cuanto una instalación Raman está expuesta a una atmósfera que pueda contener una combinación de oxígeno y vapores de gas o nieblas inflamables, se considera que se encuentra en una zona con peligro de explosión y que debe cumplir los requisitos aplicables para equipos destinados a estas áreas.

La conformidad con las normativas de protección contra explosiones para la espectroscopía Raman viene determinada por las leyes físicas de la ignición óptica, y no únicamente por la formación de chispas eléctricas o por la legislación local.

La conformidad del sistema Raman con las zonas con peligro de explosión se rige por los mismos principios de seguridad física en todo el mundo. Los marcos regionales difieren principalmente en la forma de clasificar y documentar las zonas con riesgo de explosión, pero no en la lógica de instalación subyacente ni en los mecanismos de prevención de la ignición,.

Las normas ATEX (Europa) e IECEx (internacionales) utilizan un sistema de clasificación basado en zonas (zonas 0, 1, 2) para definir la probabilidad y duración de la presencia de atmósferas de gas explosivas. Estas zonas determinan dónde pueden instalarse las sondas Raman y qué conceptos de protección deben aplicarse.

• ATEX(UE) es un marco jurídico vinculado al marcado CE.
• IECEx(internacional) define un sistema de conformidad global basado en las normas IEC.

Las normas norteamericanas (NEC/CEC) utilizan los sistemas de clasificación Clase/División o Clase/Zona para identificar las atmosferas gaseosas explosivas (Clase I), y las homologaciones de los equipos suelen ser emitidas por organismos como UL, FM o CSA.

Aunque la terminología difiere, la intención es la misma: definir las zonas con riesgo de explosión y asegurar el control de las fuentes de ignición.

• La clasificación de zonas con peligro de explosión define dónde pueden instalarse las sondas ópticas y los componentes asociados a los mismos (Zonas según ATEX/IECEx; o Clase/División o Clase/Zona según NEC/CEC).
• El confinamiento del haz, incluidos los enclavamientos en las rutas ópticas y las uniones de fibra, junto con la limitación de la potencia del láser en el punto de medición (extremo de la sonda), impide que se produzca la ignición óptica.
• Los conceptos de protección óptica se aplican a nivel de sistema para garantizar que la radiación láser no pueda provocar la ignición de una atmósfera de gas inflamable.

En las instalaciones Raman, la posición del extremo de la sonda define las exigencias de protección contra explosiones, ya que es en ese punto donde la energía óptica se introduce intencionadamente en el proceso.

• Zona 0: atmósfera explosiva presente de forma continua o durante largos períodos
• Zona 1: puede presentarse de manera ocasional
• Zona 2: poco probable o presente durante períodos cortos

El analizador suele instalarse físicamente en un área no peligrosa (general), mientras que los cables de fibra óptica conectan el analizador con la sonda situada en Zona 0, 1 o 2.

Incluso cuando se instala en una zona general, el analizador puede seguir necesitando un marcado para zona explosiva (Ex) si forma parte de un sistema que transmite energía óptica hacia una zona con peligro de explosión. En tales casos, la evaluación y el marcado del analizador se basan en su conexión funcional con la zona con peligro de explosión, y no únicamente en su ubicación física.

La siguiente lista muestra las equivalencias aproximadas de diseño entre las zonas de gas ATEX (a la izquierda) y las clasificaciones norteamericanas (a la derecha). Si bien la terminología difiere entre ambas, la lógica del riesgo de ignición es la misma.

• Zona 0 → Clase I, División 1
• Zona 1 → Clase I, División 1
• Zona 2 → Clase I, División 2

Los elementos clave del marcado del sistema Raman incluyen:

Grupo de equipos: Grupo II (industrias de superficie como la química y la farmacéutica)

Nivel de protección del equipo (EPL):

• Ga → Zona 0
• Gb → Zona 1
• Gc → Zona 2

Grupos de gases: IIA, IIB, IIC (siendo el IIC el más exigente)

Clase de temperatura: por ejemplo, T6 (85 °C), T4 (135 °C)

El grupo de gas y la clase de temperatura los determina el propietario de la planta basándose en los datos del proceso. Ambos influyen de manera decisiva en el marcado final del sistema.

La radiación óptica puede provocar la ignición de atmósferas inflamables cuando la energía se concentra y es absorbida por superficies pequeñas o por partículas. La norma IEC 60079-28:2015 describe este mecanismo y define conceptos de protección para evitar la ignición en atmósferas explosivas.

La norma incluye tablas de referencia que establecen los límites de potencia para la radiación óptica intrínsecamente segura (Ex op is), ) según longitudes de onda, condiciones de exposición y grupos de gases específicos. Estas tablas proporcionan valores orientativos sobre los niveles de potencia óptica considerados no inflamables bajo hipótesis definidas.

En las aplicaciones Raman sobre el terreno, el límite de potencia óptica seguro aplicable debe confirmarse mediante una evaluación de riesgos láser. Esta evaluación no solo considera los valores de referencia de la norma, sino también los parámetros específicos de la aplicación, entre ellos:

• El grupo de gas y la sensibilidad a la ignición
• La longitud de onda y la forma del haz
• La duración de la exposición y la focalización óptica
• El diseño de la sonda y las hipótesis de fallo

La evaluación de riesgos láser determina así la potencia láser máxima admisible en la punta de la sonda y el marcado Ex final del sistema.

Ex op es limita la energía óptica de manera que se evite la ignición tanto en funcionamiento normal como en condiciones de fallo definidas. En los sistemas Raman, esto se consigue normalmente limitando la potencia del láser en la punta de la sonda.

No existe un valor de potencia láser que pueda considerarse universalmente seguro.. Aunque la norma IEC 60079-28 proporciona límites de referencia, la potencia máxima admisible sigue siendo específica de cada aplicación y debe validarse mediante una evaluación de riesgos láser, que determina el rango de funcionamiento seguro y el marcado Ex final del sistema.

Ex op sh permite un nivel de potencia óptica más elevado, pero requiere medidas técnicas de seguridad y sistemas de enclavamiento que garanticen la desactivación del haz óptico siempre que puedan aparecer condiciones que favorezcan la ignición.

Este concepto se utiliza habitualmente cuando:

• El rendimiento de la medición requiere una potencia láser superior a los límites Ex op is
• Es posible detectar y mitigar las condiciones inseguras

Ex op sh puede incluir:

• Detección de rotura de cables
• Enclavamientos en las conexiones de fibra
• Monitorización de las condiciones del proceso (por ejemplo, pérdida de cobertura líquida)
• La desconexión automática del láser

Ex op sh se aplica a nivel de sistema y puede incluir componentes situados fuera de la zona con peligro de explosión.

En muchas aplicaciones de proceso, las sondas Raman se instalan en entornos que normalmente no son explosivos, como tuberías o depósitos llenos de líquido. En condiciones normales de funcionamiento, la presencia de líquido impide la formación de una atmósfera de gas inflamable en la punta de la sonda.

Sin embargo, las condiciones del proceso pueden cambiar. La pérdida de cobertura de líquido, la desgasificación, el secado o un funcionamiento anormal pueden provocar la formación temporal de gas o fase de vapor inflamable en el punto de medición. En estos casos, el riesgo de ignición óptica puede variar dinámicamente, incluso si la instalación no está clasificada como peligrosa de forma permanente.

Las directrices de la industria, incluidas las recomendaciones NAMUR, reconocen este tipo de situaciones y describen el uso de conceptos de protección óptica con enclavamiento (Ex op sh) para gestionar entornos condicionalmente explosivos. En estos casos, Ex op sh no solo permite una mayor potencia óptica, sino que garantiza que que el haz óptico se desactive automáticamente cada vez que las condiciones evolucionan hacia un estado que podría favorecer la ignición (por ejemplo, en caso de pérdida de cobertura líquida).

Este enfoque permite aplicar la espectroscopía Raman de forma segura en procesos en los que no se esperan atmósferas explosivas durante el funcionamiento normal, pero donde no pueden descartarse en condiciones anómalas o transitorias definidas, siempre que la lógica de detección, los sistemas de enclavamiento y el comportamiento de parada estén claramente definidos y validados a nivel de sistema.

Una instalación típica de un sistema Raman incluye:

• Un analizador situado en una zona no explosiva o, en su caso, dentro de una envolvente certificada para instalación en zona 1 / división 2
• Cables de fibra óptica tendidos en zonas con peligro de explosión
• Una sonda Raman certificada Ex (ATEX, IECEx o normas norteamericanas NEC/CEC según el caso) instalada en zona 0, 1 o 2

En función del concepto de protección óptica elegido(Ex op is o Ex op sh), el sistema certificado se basa en el confinamiento del haz, la limitación de la potencia láser en la sonda y las medidas de protección asociadas. Los sistemas de enclavamiento o las funciones de monitorización adicionales implementadas mediante equipos separados no forman parte de la certificación del sistema Raman. Deben ser evaluados por el usuario final dentro del concepto global de instalación y seguridad.

Como muestra la ilustración anterior, es la ubicación de la sonda la que determina la zona (0/1/2), mientras que el analizador suele encontrarse en una zona general. La ignición óptica se controla mediante Ex op is (potencia limitada según la evaluación de riesgos) o Ex op sh (sistema óptico con enclavamiento: detección de rotura de cable / monitorización del estado → parada del láser). La combinación completa formada por el analizador y el sistema de enclavamiento de la fibra para la sonda se evalúa y se marca como un sistema certificado independiente. El analizador requiere siempre un marcado Ex cuando está conectado funcionalmente a una zona explosiva.

Aspectos sobre ex op sh a tener en cuenta durante la instalación: fibras, conectores y sistemas de enclavamiento

Sobre el terreno, la aplicación del método Ex op sh es más visible durante la instalación e integración del sistema que en la propia sonda.

Mientras que la sonda Raman suele estar diseñada para cumplir requisitos definidos de protección óptica, el control del riesgo de ignición a nivel de sistema depende a menudo de cómo se transmite la energía óptica desde el analizador hasta la zona con peligro de explosión. Este incluye:

• Trazado de cables de fibra óptica por zonas con y sin peligro de explosión
• Conectores ópticos situados en los límites de las zonas o dentro de envolventes
• La integridad del trayecto óptico entre el analizador y la sonda

Por este motivo, los sistemas Ex op sh incorporan mecanismos enclavamientos que monitorizan la continuidad de los cables y el estado de los conectores, y garantizan la desactivación automática del haz láser si el trayecto óptico se interrumpe o queda expuesto. Estas medidas son especialmente pertinentes durante:

• Instalación y puesta en marcha
• El mantenimiento o la reconexión de la fibra
• Condiciones anormales, como daños en los cables

Desde el punto de vista de la instalación, con Ex op sh la prioridad pasa de la certificación a nivel de componente al comportamiento a nivel de sistema. La colocación de los cables, la gestión de los conectores y la validación de los sistemas de enclavamiento forman parte del concepto de seguridad antideflagrante y deben considerarse dentro del diseño, la instalación y la documentación del sistema.

• Define la clasificación de áreas (zonas o clases)
• Indica el grupo de gas y la clase de temperatura basándose en los datos del proceso
• Garantiza la correcta ejecución de las operaciones de instalación mecánicas y eléctricas
• Realiza o encarga las evaluaciones de las zonas explosivas y del riesgo asociado al láser

• Suministra equipos Raman con certificación Ex (analizador, sonda o componentes individuales, según proceda), con la sonda marcada según los requisitos definidos por la persona responsable Ex en las instalaciones del cliente
• Comunica los métodos de protección óptica disponibles que admite el equipo (por ejemplo, Ex op is o Ex op sh)
• Define y documenta los límites de potencia láser certificados, las funciones de protección integradas y el etiquetado requerido para el equipo
• Si se implementa el método Ex op sh, define claramente el alcance de la certificación y el límite entre el equipo certificado y las responsabilidades del cliente en materia de integración del sistema y evaluación de la seguridad a nivel global

La conformidad con la normativa de protección contra explosiones se aplica al sistema Raman en su conjunto, no a cada componente individual. El analizador, la sonda, la fibra óptica, los ajustes de potencia y las funciones de seguridad forman una única configuración certificada. Cualquier modificación requiere una nueva evaluación.

Operaciones que el responsable Ex del emplazamiento del cliente debe realizar antes de seleccionar el equipo para zona Ex

1. Confirmar y documentar la clasificación de zonas con peligro de explosión
2. Definir el grupo de gases y la clase de temperatura
3. Realizar una evaluación de los riesgos láser
4. Decidir si se requiere Ex op is (limitación de potencia)or Ex op sh (sistema enclavado)
5. Seleccionar un analizador y/o una sonda certificados, asegurando que el marcado Ex de la sonda sea adecuado para el grupo de gas y la clase de temperatura definidos en la clasificación de zona
6. Preparar la arquitectura de instalación y el tendido de la fibra
7. Verificar los marcados (EPL, grupo de gas, clase de temperatura, concepto de protección óptica)
8. Completar la documentación del fabricante y conservar los certificados
9. Formar al personal para un uso seguro

"La potencia del láser la determina el instrumento".

No. La potencia máxima admisible es específica de la aplicación y viene definida por las condiciones propias de la zona explosiva.

"Si el analizador está certificado, el sistema es conforme".

No. La conformidad se evalúa a nivel de sistema. Por tanto, también se requiere una sonda certificada Ex.

"Los modos de instalación según IECEx, ATEX y las normas norteamericanas (NEC/CEC) siguen reglas distintas"

No. Tanto si se utiliza la clasificación por zonas como por divisiones, la lógica de instalación es la misma. Las diferencias se encuentran en la clasificación y certificación de las zonas explosivas.

"El concepto Ex op sh es una excepción"

No. Ex op sh es un concepto de protección estándar reconocido, destinado a casos de uso específicos, especialmente cuando la ventana de la sonda Raman está sumergida en una muestra líquida, y las condiciones peligrosas (gas, niebla o vapor en combinación con oxígeno) solo pueden aparecer en ausencia de ese líquido, y pueden detectarse y mitigarse de forma fiable.

1. 1910.307 - Hazardous (classified) locations. | Administración de Seguridad y Salud en el Trabajo
2. Directiva ATEX 2014/34/UE: marco jurídico de la UE que regula los equipos destinados a utilizarse en atmósferas potencialmente explosivas
3. Guide to the Canadian Electrical Code, Part 1[i], 26th Edition– A Road Map: Section 18 Hazardous Locations - Electrical Industry News Week
4. Clasificación de zonas con peligro de explosión (Norteamérica) – Overview of Class / Division and Zone concepts used in NEC and CEC frameworks
5. IEC 60079-28:2015 - Norma internacional que define los riesgos de ignición y los conceptos de protección (Ex op is, Ex op sh) para las radiaciones ópticas en atmósferas explosivas
6. Visión general del sistema IECEx – International conformity assessment system for Ex equipment based on IEC standards
7. Guía NAMUR (asociación de usuarios) – Industry recommendations on practical implementation of explosion protection concepts in process automation