Sistemas Pressurizados com Purga Contínua (Ex p) para Painéis Industriais

O método de proteção por Pressurização e Purga Contínua (identificado internacionalmente pela notação Ex p e regido pelas normas ABNT NBR IEC 60079-0, NBR IEC 60079-2 e IEC 60079-14) viabiliza a operação segura de equipamentos elétricos e eletrônicos industriais complexos, volumosos e dissipativos de calor (como grandes inversores de frequência de média/baixa tensão, CLPs, centros de controle de motores, painéis de analisadores químicos e IHMs convencionais) diretamente em Zonas 1 e 2, sem a necessidade de abrigá-los em pesadíssimos e limitados invólucros à prova de explosão (Ex d).

O princípio físico da proteção Ex p baseia-se no afastamento termodinâmico e pneumático do agente combustível: o interior do invólucro é mantido a uma pressão estática positiva superior à pressão atmosférica externa ($\Delta P\ge 50\text{Pa}$ ou $0,5\text{mbar}$) por meio da injeção contínua de um gás de proteção inerte (ar comprimido de instrumentos isento de óleo ou nitrogênio gasoso seco ${\text{N}}_2$). Com o gradiente de pressão sempre apontando de dentro para fora, é fisicamente impossível que gases ou vapores inflamáveis presentes no ar circundante penetrem pelas frestas de portas, gaxetas e prensa-cabos do painel.

           PRINCIPIO FÍSICO DO MÉTODO DE PRESSURIZAÇÃO (Ex p)
    +-------------------------------------------------------------+
    |  Atmosfera Externa Inflamável (Zona 1 ou 2 / Patm = 1 bar)   |
    |                                                             |
    |    Fluxo de escape pelas frestas (Delta P ≥ 50 Pa para fora)|
    |    <============= <============= <============= <========== |
    |   +-----------------------------------------------------+   |
    |   |  PAINEL INDUSTRIAL PRESSURIZADO (Pint = Patm + ΔP)  |   |
    |   |                                                     |   |
    |   |  Gás de Proteção: Ar de Instrumentos ou Nitrogênio  |   |
    |   |  Atm interna = Área Segura e Não-Classificada       |   |
    |   |                                                     |   |
    |   |  [ Inversor 250 kW ]   [ CLP / SDCD ]   [ IHMs ]    |   |
    |   |  Eletrônica Industrial Padrão Não-Ex Abrigada       |   |
    |   +-----------------------------------------------------+   |
    +-------------------------------------------------------------+

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1. Topologia Construtiva e Detalhamento da Seção Transversal

A integridade do sistema Ex p apoia-se em uma unidade mecatrônica dedicada de controle de purga (Purge Control Unit), sensores redundantes de pressão diferencial e uma válvula de escape com abafador de chamas (spark arrestor). O corte esquemático a seguir ilustra a arquitetura completa de um painel de acionamento industrial pressurizado.

Elementos Constituintes e Identificação (Callouts ① a ⑥):

• ① Painel Metálico Industrial Pressurizado ($\Delta P\ge 50\text{Pa}$): Estrutura autoportante construída em chapa de aço-carbono reforçada ($e\ge 2,0\text{mm}$) ou aço inoxidável AISI 304/316L com guarnições de vedação perimetrais de alta resiliência (borracha de silicone ou EPDM alveolar expandido). A rigidez estrutural é calculada para suportar sobrepressões internas transientes de purga de até $1500\text{ a }2000\text{Pa}$ sem empenamento das portas ou vazamentos excessivos.
• ② Entrada de Gás de Proteção Inerte (Ar de Instrumentos ou ${\text{N}}_2$): Linha pneumática de suprimento contínuo equipada com válvula reguladora de pressão, filtro coalescente de remoção de óleo ($<0,01{\text{mg/m}}^3$) e secador por adsorção garantindo ponto de orvalho de no mínimo $-40^{\circ }\text{C}$ (Classe 1.2.1 da norma ISO 8573-1).
• ③ Unidade de Controle e Temporização de Purga Automática SIL 2: Módulo de segurança certificado que governa a lógica de partida. Mede o fluxo de ar de varredura, temporiza a renovação de no mínimo 5 volumes livres internos do cubículo antes de liberar o fechamento do contator principal de energia e gerencia alarmes de queda de pressão durante o regime contínuo.
• ④ Válvula de Escape de Sobrepressão com Tela Corta-Chamas Integrada: Dispositivo mecânico com mola calibrada de retenção que se abre automaticamente durante o ciclo de purga para permitir a exaustão rápida da mistura interna potencialmente contaminada. Incorpora tela metálica de aço inoxidável corta-chamas (spark arrestor) que impede a ejeção de fagulhas térmicas para a área classificada externa.
• ⑤ Sensores de Pressão Diferencial Redundantes 1oo2 e Chave de Intertravamento: Transmissores piezorresistivos de alta sensibilidade que medem continuamente a diferença de pressão $\Delta P=P_{int}-P_{ext}$. Integrados à bobina de disparo do disjuntor de força através de arquitetura de segurança funcional com redundância de contatos (Category 3 / SIL 2).
• ⑥ Equipamentos Eletrônicos Convencionais Abrigados: Cargas de potência e automação comuns de prateleira (módulos inversores IGBT de alta densidade, servodrives, barramentos de cobre, fontes chaveadas e relés convencionais), protegidos contra o ambiente corrosivo e explosivo pela atmosfera limpa interna.

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2. Tipologias Normativas de Proteção: Ex px, Ex py e Ex pz

A norma ABNT NBR IEC 60079-2 subdivide a pressurização em três tipos funcionais de acordo com a zona externa onde o painel será instalado e a categoria dos componentes elétricos abrigados internamente:

               AS TRÊS ARQUITETURAS DE PRESSURIZAÇÃO (Ex p)
  +--------+   Zona Externa: ZONA 1
  | Ex px  |   Equipamentos Internos: NÃO-EX (Comuns Industriais)
  +--------+   Perda de Pressão: DESLIGAMENTO AUTOMÁTICO IMEDIATO DA ENERGIA
  
  +--------+   Zona Externa: ZONA 1
  | Ex py  |   Equipamentos Internos: CERTIFICADOS PARA ZONA 2 (Ex nA / Ex ec)
  +--------+   Perda de Pressão: ALARME VISUAL/SONORO (Sem trip imediato)
  
  +--------+   Zona Externa: ZONA 2
  | Ex pz  |   Equipamentos Internos: NÃO-EX (Comuns Industriais)
  +--------+   Perda de Pressão: ALARME VISUAL/SONORO (Ação de operador)

Tipo de Proteção	Classificação da Área Externa	Classificação Interna Assegurada	Requisito dos Equipamentos Internos	Ação Automática na Perda de Pressão ($\Delta P<50\text{Pa}$)
Ex px	Zona 1 ou Zona 21 (Poeira)	Não-Classificada (Área Segura)	Padrão industrial comum (Não-Ex)	Desconexão automática e instantânea de toda a alimentação elétrica (inclusive neutro)
Ex py	Zona 1	Zona 2	Certificados para Zona 2 (ex: Ex nA, Ex ec, Ex dc)	Alarme sonoro/visual contínuo na sala de controle; desenergização manual programada
Ex pz	Zona 2 ou Zona 22 (Poeira)	Não-Classificada (Área Segura)	Padrão industrial comum (Não-Ex)	Alarme sonoro/visual contínuo para correção técnica de vazamento

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3. Dinâmica dos Ciclos de Purga Prévia e Pressurização Contínua

3.1 O Ciclo de Purga Prévia (Pre-Purge Cycle)

Antes que um painel Ex px ou Ex pz possa ser energizado eletricamente pela primeira vez (ou após qualquer abertura da porta para intervenção de manutenção), deve-se assumir que a atmosfera interna está totalmente contaminada com gases inflamáveis da área externa.

A norma impõe a execução obrigatória de um ciclo de lavagem pneumática:

• A unidade de controle abre a válvula solenoide de purga com fluxo máximo de ar.
• A válvula de escape se abre, expelindo o gás interno.
• O fluxo deve renovar no mínimo $k=5$ vezes o volume livre interno do invólucro (para cubículos complexos com obstáculos ou dutos de arrefecimento, a norma recomenda $k=10$ trocas completas de volume).
• O tempo de purga regulamentar ($t_{purga}$) é monitorado eletronicamente e só tem início quando a vazão de exaustão ultrapassa o valor mínimo estabelecido em ensaio de tipo:

$t_{purga}=\frac{k\cdot V_{livre}}{Q_{purga}}$

Onde:

• $t_{purga}$: Tempo mínimo de varredura prévia ($\text{minutos}$ ou $\text{segundos}$).
• $k$: Fator de renovação volumétrica de segurança ($k\ge 5$ para geometrias abertas; $k\ge 10$ para invólucros subdivididos).
• $V_{livre}$: Volume interno livre não ocupado pelos componentes elétricos (${\text{m}}^3$).
• $Q_{purga}$: Vazão mássica/volumétrica mínima de purga garantida pelo suprimento de ar (${\text{m}}^3/\text{min}$).

Somente após decorrido integralmente o tempo $t_{purga}$ sob vazão ininterrupta, a controladora fecha o contato auxiliar de habilitação, acionando o contator de força principal e energizando o interior do cubículo.

                  CRONOGRAMA DO CICLO DE PURGA Ex px
  Vazão Ar Q
     ^
Q_purga|=====================================+
       |                                     |  Redução para Compensação
       |                                     |  de Vazamentos (Q_comp)
Q_comp |                                     +--------------------------->
       |                                     |
       +-------------------------------------+---------------------------> Tempo
       0                                   t_purga
  Energia: DESLIGADA                    ENERGIZAÇÃO AUTORIZADA

3.2 Modos de Operação em Regime Contínuo: Compensação vs. Fluxo Contínuo

Concluída a purga prévia, o sistema comuta para um de dois regimes de operação:

1. Compensação de Vazamento (Leakage Compensation): A válvula de escape de sobrepressão se fecha. A injeção de ar é reduzida drasticamente para uma microvazão ($Q_{comp}\ll Q_{purga}$) que serve unicamente para compensar as perdas normais de ar que escapam pelas vedações elásticas e juntas dos prensa-cabos, mantendo a carcaça em regime estático com $\Delta P\approx 100\text{ a }250\text{Pa}$. É o método mais econômico em consumo de ar comprimido.
2. Vazamento Contínuo (Continuous Flow): A injeção de gás de proteção permanece aberta com vazão apreciável contínua. É mandatório em duas situações:
   • Quando há dissipação térmica massiva de conversores de potência no interior do painel que exige resfriamento por circulação forçada contínua de ar.
   • Quando o invólucro abriga uma fonte interna de liberação de gases (como em painéis analisadores de cromatografia gasosa, onde amostras pressurizadas de gás combustível passam por tubulações internas de aço inox com conexões flangeadas suscetíveis a vazamentos crônicos). O fluxo contínuo garante a diluição imediata da amostra para menos de $25\%$ do Limite Inferior de Explosividade (LIE).

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4. Requisitos de Segurança Funcional (SIL 2 / Cat 3) e Intertravamentos

Em sistemas do tipo Ex px, a perda de pressurização coloca circuitos elétricos convencionais não-protegidos em contato direto com uma atmosfera com probabilidade crônica de gás inflamável (Zona 1). A falha do sistema de desligamento configuraria uma catástrofe de grandes proporções.

Por esta razão, a NBR IEC 60079-2 e a ABNT NBR IEC 61508 exigem que o sistema de intertravamento de segurança possua nível de integridade de segurança SIL 2 (Safety Integrity Level) ou nível de desempenho PL d (Performance Level d, ISO 13849-1):

          ARQUITETURA DE INTERTRAVAMENTO REDUNDANTE 1oo2
     Linha de Pressão Interna do Painel
                 |
        +--------+--------+
        |                 |
        v                 v
   [ Sensor P1 ]     [ Sensor P2 ]      Dois Pressostatos Independentes
   (Delta P < 50Pa)  (Delta P < 50Pa)   com canais de medição desacoplados
        |                 |
        +--------+--------+
                 |
                 v
   +-----------------------------+
   |  Relé de Segurança SIL 2    |
   |  (Lógica de Votação 1oo2)   |
   +--------------+--------------+
                  |
        +---------+---------+
        |                   |
        v                   v
   [ Bobina K1 ]       [ Bobina K2 ]    Dois Contatores em Série
     Contator 1          Contator 2     Corte de Todas as Fases e Neutro

• Votação 1oo2 (1-out-of-2): Se qualquer um dos dois sensores de pressão diferencial detectar que a pressão caiu abaixo de $\Delta P_{min}=50\text{Pa}$, o circuito de comando atua instantaneamente.
• Corte Multipolo Total: Os contatores de desenergização devem interromper simultaneamente todos os condutores de fase e o condutor de neutro (pois uma falha à terra externa poderia conduzir correntes de retorno pelo neutro e gerar centelhamento interno).
• Bloqueio de Religamento Automático: Caso ocorra despressurização acidental, o religamento não pode ser automático após o restabelecimento da pressão. Exige-se rearme manual local por técnico habilitado e repetição integral do ciclo de purga de 5 volumes.

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5. Dimensionamento Completo e Exemplo Numérico Resolvido

Cenário de Aplicação:

Dimensionar o sistema de purga e controle de pressurização Ex px para um cubículo elétrico autoportante abrigando um inversor de frequência de $200\text{kW}$ destinado ao acionamento de bomba de transferência em refinaria de petróleo (Zona 1, Grupo IIB+H2, Classe de Temperatura T4: $135^{\circ }\text{C}$).

              DIMENSÕES DO PAINEL INDUSTRIAL PRESSURIZADO
               +---------------------------------------+
               |  Unidade de Controle Ex px (SIL 2)    |
               +---------------------------------------+
               | |        |                  |       | |
               | |        |  Inversor 200 kW |       | |
               | |        |  dissipação 5 kW |       | |
               | |        |                  |       | |
               | |        +------------------+       | |
               | |                                   | |
               | |  Largura W = 1,40 m               | |
               | |  Profundidade D = 0,80 m          | |
               | |  Altura H = 2,10 m                | |
               +---------------------------------------+

Dados de Entrada:

• Dimensões externas do painel: $W=1,40\text{m}$; $D=0,80\text{m}$; $H=2,10\text{m}$.
• Volume bruto interno: $V_{bruto}=1,40\cdot 0,80\cdot 2,10=2,352{\text{m}}^3$.
• Volume ocupado por componentes internos (inversor, cabos, barramentos, reatores): $\approx 35\%$.
• Volume livre a ser purgado: $V_{livre}=(1-0,35)\cdot 2,352=1,529{\text{m}}^3$.
• Gás de proteção disponível na planta: Ar comprimido de instrumentos conforme ISO 8573-1 a $6,0\text{bar}$ de pressão manométrica.
• Linha de suprimento de purga: Tubulação de $3/4"$ fornecendo vazão controlada de purga de $Q_{purga}=35,0{\text{m}}^3/\text{h}$ em condições normais de temperatura e pressão (CNTP).
• Fator normativo de renovação volumétrica de segurança: $k=5$ trocas.
• Vazão de escape em regime de compensação de vazamento medida em teste de frestas: $Q_{leak}=0,85{\text{m}}^3/\text{h}$ sob $\Delta P=150\text{Pa}$.

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Passo 1: Cálculo do Volume de Purga Mínimo Necessário ($V_{purga}$)

O volume total de ar comprimido limpo que deve transitar através do cubículo e sair pela válvula de escape antes da autorização de energização é:

$V_{purga}=k\cdot V_{livre}=5\cdot 1,529{\text{m}}^3=7,645{\text{m}}^3$

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Passo 2: Cálculo do Tempo Regulamentar de Purga Prévia ($t_{purga}$)

A taxa horária de injeção durante a purga é $Q_{purga}=35,0{\text{m}}^3/\text{h}=0,5833{\text{m}}^3/\text{min}$.

O tempo teórico estrito de purga é:

$t_{purga,teorico}=\frac{V_{purga}}{Q_{purga}}=\frac{7,645{\text{m}}^3}{0,5833{\text{m}}^3/\text{min}}=13,11\text{minutos}\approx 787\text{segundos}$

Margem de Segurança e Ajuste do Temporizador SIL: A norma NBR IEC 60079-2 recomenda a adoção de uma margem operacional de no mínimo $+15\%$ para compensar variações na perda de carga do filtro de entrada.

$t_{ajuste}=1,15\cdot t_{purga,teorico}=1,15\cdot 13,11=15,07\text{minutos}$

Decisão de Engenharia: O temporizador de segurança da Unidade de Purga Ex px deve ser parametrizado para $16,0\text{minutos}$ ($960\text{segundos}$) com vazão aferida continuamente $\ge 35{\text{m}}^3/\text{h}$.

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Passo 3: Dimensionamento dos Pontos de Ajuste de Pressão Diferencial ($\Delta P$)

Para garantir a operação contínua sem disparos intempestivos provocados por rajadas de vento externas ou variações da pressão atmosférica, ajustam-se as janelas de trabalho dos pressostatos:

        JANELA OPERACIONAL DE PRESSÃO DIFERENCIAL (ΔP)
  ΔP [Pa]
    ^
2000|-------------------------------------------- Alívio Mecânico Max
    |                                             (Deformação de Portas)
    |
 300|============================================ Ponto Superior de Corte da Válvula
 200|-------------------------------------------- Ponto de Operação Normal (ΔP_op)
 120|============================================ Alarme de Subpressão (Sala de Controle)
  50|-------------------------------------------- Limite Mínimo Normativo (TRIP SIL 2)
   0+-------------------------------------------->

1. Limite Mínimo Crítico (Trip Imediato SIL 2): $\mathbf{\Delta }{\mathbf{P}}_{\mathbf{trip}}=50\text{Pa}$ ($0,5\text{mbar}$). Abaixo deste valor, os contatores K1 e K2 abrem em menos de $100\text{ms}$.
2. Limite de Alarme Preventivo: $\mathbf{\Delta }{\mathbf{P}}_{\mathbf{alarme}}=80\text{Pa}$ ($0,8\text{mbar}$). Aciona sinalização de alerta para intervenção do operador antes do desligamento da planta.
3. Ponto de Trabalho em Regime: $\mathbf{\Delta }{\mathbf{P}}_{\mathbf{op}}=150\text{ a }200\text{Pa}$ ($1,5\text{ a }2,0\text{mbar}$). Mantém a vedação perfeita com consumo mínimo de ar.
4. Válvula de Alívio Mecânico: Calibrada para abrir a $\mathbf{\Delta }{\mathbf{P}}_{\mathbf{alivio}}=1200\text{Pa}$ ($12\text{mbar}$), protegendo a carcaça e as dobradiças contra dilatação estrutural por sobrepressão acidental da linha pneumática.

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Passo 4: Verificação do Consumo de Ar em Regime Contínuo

Com o painel operando em modo de compensação de vazamentos:

• Consumo contínuo de ar para reposição de microfrestas: $Q_{leak}=0,85{\text{m}}^3/\text{h}=14,16\text{L/min}$.
• Custo energético e operacional: Esse consumo equivale a uma potência de compressor de ar inferior a $0,15\text{kW}$, o que representa uma fração desprezível da energia do processo, comprovando a altíssima eficiência do método Ex p frente ao custo de substituição periódica de juntas em painéis Ex d.

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6. Requisitos de Gás Protetor e Riscos de Asfixia com Nitrogênio (${\text{N}}_2$)

A especificação do fluido pneumático deve ser rigorosa para não degradar os componentes eletrônicos abrigados:

+------------------------------------+------------------------------------+
| AR COMPRIMIDO DE INSTRUMENTOS      | NITROGÊNIO GASOSO (N2 ≥ 99,5%)     |
+------------------------------------+------------------------------------+
| - Classe 1.2.1 conforme ISO 8573-1 | - Elimina oxidação de componentes  |
| - Ponto de orvalho ≤ -40 °C        | - Risco crítico de ASFIXIA HUMANA  |
| - Teor residual de óleo ≤ 0,01 mg/m³|- Mandatória ventilação prévia de   |
| - Não tóxico para manutenção       |   segurança antes da abertura      |
+------------------------------------+------------------------------------+

Procedimento Crítico de Segurança em Sistemas Pressurizados a Nitrogênio

Quando o gás inerte utilizado for o nitrogênio (${\text{N}}_2$), a abertura de portas do painel em ambiente confinado pode gerar uma atmosfera asfixiante instantânea com concentração de oxigênio inferior a $16\%$. A NBR IEC 60079-2 exige a afixação de etiqueta indelével de advertência em destaque:

“ATENÇÃO - RECIPIENTE PRESSURIZADO COM NITROGÊNIO - RISCO DE ASFIXIA - DESLIGAR, VENTILAR COM AR E VERIFICAR CONCENTRAÇÃO DE OXIGÊNIO ANTES DE ABRIR”

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7. Roteiro de Inspeção e Manutenção Preventiva (NBR IEC 60079-17)

              CHECKLIST CRÍTICO DE INSPEÇÃO EM SISTEMAS Ex p
  [OK]  Vazão e pressão da linha de ar de instrumentos verificadas no manômetro de entrada.
  [OK]  Teste periódico da função de TRIP por despressurização: desligamento instantâneo.
  [OK]  Estado físico das gaxetas elastoméricas das portas: ausência de trincas ou deformações.
  [OK]  Inspeção do abafador de fagulhas (spark arrestor) na saída da válvula de exaustão.
  [OK]  Drenagem de eventuais condensados nos filtros pneumáticos coalescentes.
  [OK]  Calibração periódica dos transmissores de pressão diferencial com manômetro padrão.
  [OK]  Verificação dos prensa-cabos Ex: aperto de vedação mantendo o escape dentro da cota.

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8. Ficha Técnica Padronizada de Engenharia

Parâmetro de Projeto	Especificação Técnica Recomendada	Norma de Referência
Marcação de Certificação	Ex pxb [ia Ga] IIC T4 Gb	ABNT NBR IEC 60079-0 / 60079-2
Grau de Proteção Mecânica	IP66 (com painel pressurizado e despressurizado)	ABNT NBR IEC 60529
Integridade de Segurança (SIL)	SIL 2 com arquitetura de intertravamento Cat 3 / PL d	IEC 61508 / ISO 13849-1
Sobrepressão Estática Mínima	$\Delta P\ge 50\text{Pa}$ ($0,5\text{mbar}$)	NBR IEC 60079-2 cláusula 5.2
Fator de Renovação de Purga	$\ge 5$ volumes livres (cubículos) ou $\ge 10$ (dutos)	NBR IEC 60079-2 cláusula 5.3
Qualidade do Gás Protetor	Ar limpo e seco conforme ISO 8573-1 Classe 1.2.1	ISO 8573-1
Material Construtivo	Aço Inoxidável AISI 316L (espessura $e\ge 2,0\text{mm}$)	ASTM A240

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