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翻訳: T.Sato
ある区域が爆発の恐れがあると分類されたならば、 リスク分析は通常は適切に確認された電気機器や機械のみを設置できることを示すであろう。 指令 137 はほぼ確実に「分類された、あるいはゾーンに分けられた」区域を増やし、 従って確認済みの機器の需要を増やすであろう。 ATEX 指令 (94/9/EC) は、 爆発の恐れのある雰囲気中で使用され得る電気的な、及び／もしくは機械的な製品の 確認を行なうことを製造業者に強制する (詳しくは ATEX 指令についての以前の記事を参照)。 適切な確認が行なわれていない製品は、 2003年 7月 1日以降に欧州市場に置くことは法的に許されなくなるだろう。
これらの２つの指令の組み合わせは、 疑いなく多くの製造業者や職場に彼らが不案内な問題を扱わざるをえなくさせるであろう。 以下の記事は、防爆の基本的なコード、概念、そして方法論を扱う。
これに加えて、２つの追加的な要因が必要である； 可燃物と酸化剤を混合する何か (例えば加圧下でのガス洩れで生じる乱流)、 そして封じ込め。 しかし、「爆発」という用語を、 閉じ込められた、及び閉じ込められていない燃焼の双方のために用いることが、 産業界での普通のプラクティスである。
どのような可燃性のガスや蒸気と酸化剤との混合物についても、 臨界着火エネルギーがある。 混合物内にその臨界量よりも小さいエネルギーを放出したならば、 自己伝搬する爆発はないであろう。 一時的にはある程度の燃焼が発生するかも知れないが、 その燃焼波が拡大して自己伝搬して行きはしないだろう。 誰かがその臨界量以上のエネルギーを放出したならば、 その燃焼波は拡大の初期段階を通過して平面波として自己伝搬するものとなり、 爆発に至るであろう。
着火のために必要なエネルギーが最小となる臨界濃度は most easily ignited concentration (MEIC) と呼ばれる。 そのガス／蒸気雲へ注入されたエネルギー全てが燃焼プロセスで使われるであろうと仮定される 条件において着火実験が行なわれた場合には、 その MEIC における臨界エネルギーは 最小着火エネルギー (minimum ignition energy; MIE) と呼ばれる。 濃度が MEIC から離れるにつれ、その混合物が爆発性でなくなる特定の点に達するまで、 着火のために必要なエネルギーは増加していく。 それらの点 (実験から導かれる) は、 下側の濃度限界は爆発下限界 (lower explosive limit; LEL)、 上側の濃度限界は爆発上限界 (upper explosive limit; UEL) と呼ばれる。
LEL と UEL は、可燃性混合物の生得的な属性ではない。 これらの値は、それを決定した実験の手法、 特に容器の大きさと着火源から得られるエネルギーに依存する。 爆発のリスクを低減するために濃度を管理している分別のある人で、 極めて慎重に管理された条件を除いて LEL の 50% よりもかなり上で運用する人はいないだろう。 大抵の状況では、その限度は 25%、あるいはそれ以下に設定される。
温度上昇の定性的な影響は比較的予測しやすい。 それぞれの物質には、それが自然に発火するであろう自然発火温度 (spontaneous ignition temperature; SIT、あるいは autogenous ignition temperature; AIT) がある。 明らかに、混合物の温度が高くなれば必要なエネルギーは減少し、 AIT においてはゼロに達する。
圧力が高くなれば単位体積当たりの分子数が増加することを考えれば、 圧力の影響は理解できる。 単位体積当たりの熱放出がそれに従って増加し、 初期燃焼範囲をその臨界半径まで広げるために必要な着火エネルギーは減少する。 同様に、圧力の低下は燃焼ゾーン内でのエネルギーの放出を減少させ、 必要な電気的着火エネルギーを増加させる。 この関係は圧力を変えた多くの雰囲気に対して実験的に確認されている。 ガスの圧力を２倍にすることは、着火エネルギーを前者の 25% 程度まで減少させる。
炭鉱夫が 8時間のシフト・パターンで働いた場合、 採掘された石炭は翌日まで縦坑内に放置され、 この時間内にメタンが縦坑内の空気中に放出され始めるであろう。 メタンは炭鉱の天井のポケットに溜り、爆発性の層を形成する。 次のシフトのために戻る炭鉱夫は、そのガスに着火させる手段 ――帽子に付けた蝋燭と手持ちのオイル・ランタン―― も持ち込む。 これによるメタン・ガスの着火そのものは、 炭鉱夫にとって致命的なものとなるとは限らない。 より激烈で致命的な爆発となるのは、 そのメタン爆発で巻き上げられた石炭粉塵の二次着火である。
メタンの危険を除くために用いられた最初の方法は、 伸ばした腕に点火したトーチを持った人に炭鉱の床を這い進ませることであった。 この手順は、炭鉱夫が働き始める前に、 メタン層に「安全に」着火させてそれを燃焼させ尽くすであろう！ この任務を遂行する人は「fireman」として知られ、 すぐにこの危険な仕事には極めて僅かな志願者しかいないことがわかった。 その結果は、その仕事に志願したならば刑期を短くすると囚人に持ち掛けることとなった。
炭鉱内の強制換気の出現により、 爆発限界を下回るように新鮮な空気によってメタンを希釈することによって この危険は低減された。 炭鉱に電気機器が最初に導入された時、電気的スパークによる何件かの爆発があった。 しかし、完全に囲い込まれたモーターが 周囲の雰囲気にそれを伝えることなく爆発を封じ込められることが発見された。 この概念は他の電気機器の設計にも移転された； それを気密の接合部を持つ頑丈な鋳鉄のエンクロージャ内に取り付ける。 その後、低電圧信号ベルが炭鉱に導入された。 それらのベルは非常に低い電圧 (12V 以下) で動作するので、 それらは安全であろうと信じられていた。 しかし、1912年と 1913年にイギリスにおいて２件の悲惨な炭鉱爆発があり、 これは信号ベルによるものであることがわかった。 研究 (Mines Research Establishment, Buxton, England) は それらの低電圧回路が炭鉱ガスに着火させられるものであることを示し、 またその蓄積エネルギーが着火不能な水準に低減された新しい回路設計をもたらした。 このテクニックは「本質安全」と名付けられ、 これは爆発の危険がある区域のための新しい方法の時代を切り開いた。
爆発性混合物の例 物質 LEL (%) UEL (%) MESG (mm) MIC (mA) AIT (℃) メタン 5 15 1.14 195 595 プロパン 2 9.5 0.97 146 470 エチレン 2.7 34 0.65 108 425 アセチレン 3 17 0.25 60 305 水素 4 75.6 0.28 75 560
上の表に示した限定されたリストから、 ガスの MESG と MIC の値に基づいたいくつかの自然なグループがあることが明らかである。 それらのグループは、２つのグループに分けられる；
MESG と MIC の値に基づいたガスの自然なグループ分けには、 様々な物質の自然発火温度 (AIT) とのいかなる関係もない。
自然発火温度は、ガスが他の着火源なしに自然に着火するであろう温度 (℃) である。 それらの温度は上のグループ分けに対応していないので、 温度コード (温度等級) が定められている。 上で示された物質の温度コードは下の表に示す：
温度コード 物質 温度分類 メタン T1 プロパン T1 エチレン T2 アセチレン T2 水素 T1
温度コードの完全なリストは次の表に示す：
温度コードの一覧 温度分類 最大温度限度 (℃) T1 450 T2 300 T3 200 T4 135 T5 100 T6 85
ガス・グルーピングと温度コードは、 危険区域での使用のために確認済みの電気機器に付けられるマーキングに反映される。 機器へのガス・グルーピングと温度コードのマーキングは、 それが安全に設置できる爆発性雰囲気を使用者に対して明示するものである。
危険区域は、さらに 予期されるその区域に爆発性雰囲気が存在するかも知れない頻度に関係する いくつかのゾーンに分けられる。 それらのゾーンは次のように定義される：
それに侵入するかも知れない可燃性のガスや蒸気の内部での爆発に 損傷を受けることなく、 また内部の発炎をそのエンクロージャの継目や構造的開口部を通して 外部の爆発性雰囲気に伝えることなく耐えるであろうエンクロージャに機器を収める保護方式。
このエンクロージャは 特定のガス・グループ (I、IIA、IIB、あるいは IIC) に合わせて設計されるであろう。 この設計概念は、機器のマーキングに「Ex d」という記号で示される。 この概念で設計された機器は、 Zone 1、及び Zone 2 に分類される危険区域での使用に適する。
爆発性雰囲気に曝される装置や相互接続配線内の電気的エネルギーの、 スパークと加熱のいずれかによる着火を引き起こし得る点を下回る水準への 制限に基づく保護テクニック。 本質安全が達成される方法から、爆発性雰囲気に曝される電気装置のみでなく、 相互接続される他の (関連する) 電気装置も適切に構成されていることが必要である。 この概念は、許容される故障状態の数に基づいて２つのサブ・タイプに分けられる。 記号「ia」、及び「ib」は、それらのサブ・タイプを示す。
この設計概念は、機器のマーキングに「Ex ia」、あるいは「Ex ib」という記号で示される。 この概念で設計された機器は、 Ex ia は Zone 0、Zone 1、及び Zone 2 に、 Ex ib は Zone 1、及び Zone 2 に分類される危険区域での使用に適する。
着火源を含むかも知れない空間への爆発性雰囲気の侵入の防止のために 保護ガスによる加圧を、 そしてもし必要であれば 爆発性雰囲気を形成するかも知れないガスの放出源を含む空間の雰囲気の継続的な希釈 を用いた保護方式。
この設計概念は、機器のマーキングに「Ex p」という記号で示される。 この概念で設計された機器は、 Zone 1、及び Zone 2 に分類される危険区域での使用に適する。
装置の稼働のあいだの過剰な温度の可能性、 そしてアークやスパークの発生に対する防護を増加させるための追加措置を 電気装置に適用することによる保護方式。 これは、スパーク、アーク、 あるいは構成に用いられている材料 ――安全に関係するもの―― の上限温度の超過 を生じる部分のない電気装置にのみ適用される。
この設計概念は、機器のマーキングに「Ex e」という記号で示される。 この概念で設計された機器は、 Zone 1、及び Zone 2 に分類される危険区域での使用に適する。
通常の運用で周囲の爆発性雰囲気に着火させることができず、 また着火を引き起こし得る故障を生じそうにない電気装置に適用される保護方式。
この設計概念は、機器のマーキングに「Ex N」という記号で示される。 この概念で設計された機器は、 Zone 2 に分類される危険区域での使用に適する。
油よりも上やエンクロージャの外側の爆発性雰囲気が着火されないように、 電気装置が油侵漬によって安全にされる保護方式。 この油はその電気装置と爆発性雰囲気とのあいだのバリアとなる。
この設計概念は、機器のマーキングに「Ex o」という記号で示される。 この概念で設計された機器は、 Zone 1、及び Zone 2 に分類される危険区域での使用に適する。
アークが発生した場合にそのアークが外部の爆発性雰囲気の着火を引き起こさないように、 電気装置のエンクロージャが多量の粒子状物質で満たされている保護方式。
この設計概念は、機器のマーキングに「Ex q」という記号で示される。 この概念で設計された機器は、 Zone 1、及び Zone 2 に分類される危険区域での使用に適する。
それが爆発性雰囲気を着火させられないように、 スパークと加熱のいずれかによって爆発性雰囲気を着火させ得る部分が コンパウンドで封じられている保護方式。 このコンパウンドはその電気装置と爆発性雰囲気とのあいだのバリアとなる。
この設計概念は、機器のマーキングに「Ex m」という記号で示される。 この概念で設計された機器は、 Zone 1、及び Zone 2 に分類される危険区域での使用に適する。
確認コードの例は：
このマーキングの詳細は、 その確認を行なった組織が付けた確認番号も含むであろう。
確認番号の例は：
該当する規格(群) への完全な適合が達成されたものと仮定すると、 その機器マーキングは Hexagon Ex シンボルも含むであろう ―― このシンボルの貼付はその機器の欧州内での自由な販売と設置を可能とする。
Hexagon Ex シンボル
既に「ATEX」に関する記事で言明したように、 CE マークを付けるためには、 その機器は 2003年 7月 1日以降は ATEX 確認済みでなければならなくなるだろう。 もし爆発の恐れのある粉塵／ガス雰囲気中で使用するために設計された機械や電気製品を この日以降に欧州市場に置きたいのであれば、 ATEX 指令は法律による義務となるであろう。 この記事でカバーされた基本的な概念とマーキングは残るが、 多くの追加の、そしてより厳格な安全要求と追加のマーキング要求がある。 分別のある製造業者は、彼らの製品が爆発の恐れのある雰囲気 (油、ガス、石油化学、加工、粉体、あるいは食品加工産業など) で使用され得るならば、 今から評価を始め、また ATEX 確認プロセスを開始するであろう。
これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。
Last update: 2001-11-20
