Por que as plataformas de petróleo e gás exigem UPS à prova de explosão

DICAS: As plataformas offshore de petróleo e gás operam em ambientes perigosos, onde atmosferas explosivas representam ameaças constantes. Uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS) industrial deve possuir certificação ATEX e IECEx para as áreas da Zona 1 e da Zona 2, a fim de garantir a segurança. Esses sistemas UPS à prova de explosão protegem equipamentos críticos, como sistemas de desligamento de emergência e detecção de incêndio, durante falhas de energia. Compreender as classificações de áreas perigosas ajuda os gerentes de instalações a selecionar sistemas de fonte de alimentação ininterrupta adequados que atendam às rigorosas regulamentações do setor de petróleo e gás.

Ⅰ. Introdução

As plataformas de petróleo e gás operam em alguns dos ambientes mais adversos do mundo. Locais offshore remotos, ar salino corrosivo, temperaturas extremas e vibração constante representam um desafio para cada peça de equipamento. Mais importante ainda, essas instalações lidam com gases e vapores inflamáveis que geram riscos de explosão.

Uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS) industrial nesses locais deve fazer mais do que apenas fornecer energia de reserva. Deve funcionar com segurança em atmosferas perigosas, sem se tornar uma fonte de ignição. Norma UPS Esses sistemas não conseguem atender a esses requisitos. É essencial o uso de no-breaks à prova de explosão com certificação ATEX e IECEx.

Este artigo analisa por que os no-breaks (UPS) para o setor de petróleo e gás exigem proteção especializada contra explosões. Exploramos as classificações de áreas perigosas, as normas de certificação e as aplicações críticas. Compreender esses requisitos garante uma proteção de energia segura e em conformidade para plataformas offshore, refinarias e operações de perfuração.

Figura 1: Requisitos críticos de carga do no-break e duração do backup em diferentes aplicações do setor de petróleo e gás. As plataformas de produção precisam de backup de 24 horas para os sistemas de segurança.

Ⅱ. Classificações de áreas perigosas

1. Noções básicas sobre as zonas ATEX

A Diretiva ATEX 2014/34/UE define os requisitos para equipamentos destinados a atmosferas explosivas. A diretiva classifica as áreas perigosas em zonas com base na probabilidade de risco de explosão.

Zona 0 representa áreas onde há presença contínua ou por longos períodos de misturas explosivas de gás. Entre elas estão o interior de vasos de processo e tanques de armazenamento. Nestas áreas, apenas é permitido o uso de equipamentos intrinsecamente seguros (Ex ia).

Zona 1 abrange áreas onde é provável que ocorram misturas explosivas durante a operação normal. Os arredores dos equipamentos de processo, os pontos de amostragem e as áreas de manutenção se enquadram nessa categoria. Os sistemas UPS para a Zona 1 exigem proteção à prova de chamas (Ex d) ou de segurança reforçada (Ex e).

Zona 2 inclui áreas nas quais é improvável que ocorram misturas explosivas durante a operação normal e, caso ocorram, estas persistem apenas por um breve período. Essas áreas circundam os locais da Zona 1 e incluem saídas de ventilação. UPS com proteção do tipo Ex n ou Ex p podem operar nessas áreas.

A maioria dos equipamentos industriais de fonte de alimentação ininterrupta (FAI) para o setor de petróleo e gás se enquadra nas categorias Zona 1 ou Zona 2. A classificação Zona 1 oferece maior proteção e maior flexibilidade de aplicação.

2. Certificação Global IECEx

Enquanto a ATEX se aplica aos mercados europeus, a IECEx oferece reconhecimento internacional. O Esquema de Certificação de Equipamentos da IECEx opera de acordo com as normas da IEC (série IEC 60079). A certificação obtida em um país membro é reconhecida nos demais.

A IECEx utiliza as mesmas classificações de zona que a ATEX, mas acrescenta os Níveis de Proteção do Equipamento (EPL). Estes especificam a confiabilidade do equipamento:

• EPL Ga: Adequado para a Zona 0 (nível de proteção muito alto)
• EPL Gb: Adequado para a Zona 1 (alto nível de proteção)
• EPL Gc: Adequado para a Zona 2 (nível de proteção geral)

Para UPS em aplicações do setor de petróleo e gás, normalmente é exigido o EPL Gb. Isso garante que o equipamento não provoque a ignição de atmosferas explosivas, mesmo em caso de falhas no equipamento.

3. Grupos de gás e classes de temperatura

A proteção contra explosões deve ser adequada aos gases específicos presentes. As normas definem grupos de gases:

• Grupo IIA: Propano e gases similares (os menos perigosos)
• Grupo IIB: Etileno e gases equivalentes
• Grupo IIC: Hidrogênio e acetileno (os mais perigosos)

A maior parte do processamento de hidrocarbonetos utiliza certificações do Grupo IIB ou IIB+H₂. A presença de hidrogênio exige o Grupo IIC.

As classes de temperatura indicam as temperaturas máximas da superfície:

• T1: 450 °C no máximo
• T2: 300 °C no máximo
• T3: 200 °C no máximo
• T4: 135 °C no máximo
• T5: 100 °C, no máximo
• T6: 85 °C no máximo

Os equipamentos de UPS normalmente exigem a classificação T3 ou T4 para os setores de petróleo e gás. A classificação T6 raramente é necessária, mas oferece uma margem de segurança adicional para gases com baixa temperatura de ignição.

Figura 2: Zonas de risco segundo as normas ATEX/IECEx e requisitos de certificação para sistemas UPS industriais em instalações de petróleo e gás.

Ⅲ. Requisitos técnicos para UPS à prova de explosão

1. Métodos de proteção (Ex d, Ex e, Ex p)

Diferentes técnicas de proteção contra explosões são adequadas para diferentes aplicações. Compreender esses métodos ajuda a especificar os sistemas de UPS adequados.

Caixa à prova de chamas (Ex d): A carcaça do no-break contém qualquer explosão interna. As paredes espessas e as juntas herméticas impedem a propagação das chamas para a atmosfera externa. Essa é a proteção mais comum para no-breaks da Zona 1. O equipamento opera na potência nominal com total segurança.

Maior segurança (Ex e): Recursos de projeto aprimorados evitam a formação de arcos elétricos, faíscas e temperaturas excessivas durante a operação normal. As UPS Ex e também devem ser certificadas para condições de falha. Esse método é adequado para aplicações de baixa potência e limites das Zonas 1/2.

Pressurização (Ex p): O ar limpo ou o gás inerte mantêm uma pressão positiva no interior do gabinete do no-break. Qualquer entrada de gás é impedida pelo fluxo de ar para fora. Isso permite o uso de no-breaks padrão internamente, mas requer sistemas de suporte complexos. O modelo Ex p é adequado para grandes potências nominais, nas quais a construção à prova de chamas se torna impraticável.

No setor de energia ininterrupta para aplicações industriais no setor de petróleo e gás, a classificação Ex d (à prova de chamas) domina o mercado. Ela oferece proteção robusta sem a necessidade de sistemas de suporte externos.

2. Resistência ambiental

As plataformas offshore apresentam desafios ambientais que vão além dos riscos de explosão. Os sistemas de UPS exigem características especiais de projeto.

Resistência à corrosão: O ar salino corrói os componentes eletrônicos comuns. Os no-breaks à prova de explosão utilizam caixas de aço inoxidável (tipo 316) ou de alumínio com revestimentos de grau marítimo. Os componentes internos recebem proteção por meio de revestimento conformado.

Faixa de temperatura: As plataformas offshore enfrentam temperaturas ambientes que variam de -40 °C a +55 °C. As operações no Ártico exigem elementos de aquecimento. Locais no deserto requerem refrigeração reforçada. O no-break deve manter sua funcionalidade total nessas condições extremas.

Tolerância à vibração: As operações de perfuração geram vibração constante. Os sistemas UPS devem atender às normas de vibração da IEC 60068-2-6. Os suportes antivibração e a construção interna reforçada evitam danos.

Proteção contra a umidade: A umidade 100% é comum em ambientes offshore. Os compartimentos vedados impedem a entrada de umidade. Os respiradouros dessecantes e as juntas vedadas mantêm as condições internas secas.

3. Considerações sobre a bateria

As baterias apresentam desafios específicos em áreas perigosas. As baterias de chumbo-ácido liberam hidrogênio durante o carregamento — um gás explosivo. É obrigatório tomar precauções especiais.

Separação do compartimento da bateria: As baterias são normalmente instaladas em caixas Ex e separadas dos componentes eletrônicos do no-break. Isso isola as fontes de hidrogênio de possíveis fontes de ignição. Os sistemas de ventilação removem qualquer acúmulo de gás.

Tipos de bateria: As baterias seladas de chumbo-ácido (VRLA) reduzem a emissão de gases em comparação com os modelos abertos. As baterias de níquel-cádmio oferecem melhor tolerância à temperatura, mas têm custo mais elevado. Os sistemas de íons de lítio estão ganhando espaço, mas exigem certificação cuidadosa em gestão térmica.

Compensação de temperatura: O carregamento da bateria deve ser ajustado de acordo com a temperatura ambiente. Ambientes quentes reduzem a vida útil da bateria em caso de sobrecarga. Ambientes frios exigem taxas de carregamento reduzidas. O controlador do no-break deve fornecer compensação automática.

Ⅳ. Aplicações críticas no setor de petróleo e gás

1. Sistemas de desligamento de emergência (ESD)

Os sistemas de desligamento de emergência representam a carga mais crítica do no-break. Esses sistemas detectam condições perigosas e acionam o desligamento da plataforma. A perda de energia poderia impedir a resposta de emergência em momentos críticos.

Os sistemas ESD incluem:

• Válvulas de fechamento do processo
• Sistemas de isolamento de poços
• Controles do preventor de explosão (BOP)
• Sistemas de detecção de incêndio e gás
• Sistemas de comunicação pública e de alarme

Esses sistemas exigem um tempo de autonomia do no-break que varia de 30 minutos a 24 horas, dependendo do tipo de plataforma. As plataformas de perfuração precisam de um tempo de autonomia mais curto — a evacuação de emergência é a principal medida a ser tomada. As plataformas de produção precisam de um tempo de autonomia mais longo para gerenciar sequências de desligamento controlado.

Os requisitos de certificação da IESD são rigorosos. O no-break deve atingir os níveis de integridade de segurança (SIL) ao alimentar funções instrumentadas de segurança. Pontos únicos de falha não devem comprometer as capacidades de resposta a emergências.

2. Detecção de incêndio e gás

Os sistemas de detecção de incêndio e gás protegem o pessoal e os ativos. Esses sistemas de monitoramento contínuo não podem sofrer interrupções no fornecimento de energia.

Dispositivos de detecção: Detectores de fumaça, detectores de calor e sensores de gás combustível requerem alimentação contínua. As unidades de processamento de sinais analisam os dados dos sensores e acionam os alarmes. O sistema de backup UPS garante que a detecção continue durante falhas de energia.

Sistemas de alarme: Alarmes sonoros, luzes de sinalização e sistemas de comunicação por alto-falante alertam o pessoal sobre perigos. Esses sistemas devem funcionar durante emergências, quando o fornecimento normal de energia elétrica pode falhar.

Os sistemas de no-break para detecção de incêndio e gás geralmente exigem um backup de 24 horas. Isso garante que as quedas de energia durante a madrugada não comprometam a segurança. Os sistemas também devem resistir a eventos extremos, como explosões ou incêndios, que possam danificar a distribuição normal de energia.

3. Controle de Processos e Instrumentação

As plataformas modernas de petróleo e gás dependem fortemente de sistemas de controle automatizados. Os Sistemas de Controle Distribuído (DCS) gerenciam os processos de produção. A perda de controle leva a interrupções na produção e a riscos à segurança.

Componentes do sistema de controle: Controladores, módulos de E/S, switches de rede e estações de operação requerem alimentação por UPS. Embora não sejam essenciais para a segurança como o ESD, esses sistemas garantem a estabilidade das operações.

Instrumentação: Medidores de vazão, transmissores de pressão, sensores de nível e analisadores fornecem dados do processo. A alimentação ininterrupta de energia garante um monitoramento e controle precisos.

As UPS para controle de processos geralmente oferecem um tempo de autonomia de 30 minutos a 2 horas. Isso permite o desligamento ordenado dos processos de produção. Raramente é necessário um tempo de autonomia maior, uma vez que o desligamento controlado é concluído dentro desse intervalo de tempo.

4. Navegação e Comunicação

As plataformas offshore necessitam de auxílios à navegação para o tráfego marítimo. A iluminação de pouso de helicópteros orienta as evacuações médicas de emergência. Os sistemas de comunicação mantêm o contato com as operações em terra e os serviços de emergência.

Auxílios à navegação: Balizas de radar, sirenes de neblina e sistemas de iluminação indicam a localização das plataformas. Esses sistemas devem funcionar ininterruptamente, especialmente durante tempestades, quando há risco de falhas de energia.

Iluminação do heliporto: A iluminação da zona de pouso, a iluminação do perímetro e a iluminação de obstáculos orientam os helicópteros. O sistema de backup UPS garante que as evacuações médicas possam prosseguir durante falhas de energia.

Comunicação por rádio e satélite: Os rádios VHF garantem a comunicação de emergência. As conexões via satélite mantêm a transmissão de dados operacionais. O no-break garante que esses sistemas permaneçam disponíveis durante situações de crise.

As UPS para navegação e comunicação geralmente oferecem um tempo de autonomia de 4 a 8 horas. Isso cobre a duração típica de uma queda de energia, mantendo as capacidades de emergência.

Ⅴ. Certificação e conformidade com normas

1. Diretiva ATEX 2014/34/UE

As instalações europeias de petróleo e gás devem estar em conformidade com os requisitos da ATEX. A diretiva aborda tanto o projeto dos equipamentos quanto a segurança no local de trabalho.

Os equipamentos devem apresentar a marcação CE com a designação Ex:

• Símbolos CE e Ex na etiqueta do equipamento
• Número da categoria (1 para a Zona 0, 2 para a Zona 1, 3 para a Zona 2)
• G de gás (D de poeira)
• Nível de proteção (Ga, Gb ou Gc)
• Número do certificado emitido pelo órgão notificado

É exigida uma notificação de garantia de qualidade (QAN) para equipamentos das Categorias 1 e 2. Os fabricantes devem manter sistemas de gestão da qualidade certificados. A produção segue protocolos rigorosos de qualidade, com auditorias realizadas por entidades independentes.

A documentação da Declaração de Conformidade deve acompanhar cada sistema UPS. Esse documento comprova que o equipamento atende a todos os requisitos essenciais de saúde e segurança.

2. Requisitos do Esquema IECEx

A IECEx oferece reconhecimento global de certificação. O programa inclui:

Equipamentos certificados pela IECEx: Testes realizados por Organismos de Certificação IECEx (ExCBs) nos países membros. Os certificados são reconhecidos internacionalmente, evitando testes redundantes.

Relatório de Avaliação da Qualidade (QAR) da IECEx: Confirma que os sistemas de qualidade do fabricante atendem aos requisitos da IECEx. As auditorias da QAR verificam a conformidade contínua.

Relatórios de ensaio da IECEx (ExTR): Documentação detalhada dos testes que comprova a certificação. Esses relatórios fornecem evidências técnicas de conformidade.

Para os fabricantes de UPS, a certificação IECEx abre portas para os mercados globais. Um único processo de certificação atende aos requisitos da Austrália, Cingapura, Emirados Árabes Unidos e muitas outras regiões produtoras de petróleo e gás.

3. Normas regionais

Diferentes regiões impõem requisitos adicionais além das normas ATEX/IECEx:

Estados Unidos (UL/NEC): As classificações Classe I, Divisões 1 e 2 correspondem às Zonas 0/1 e 2. Aplicam-se as normas UL 1203 e UL 1012. A classificação da área segue o Artigo 500 do Código Elétrico Nacional (NEC).

Canadá (CSA): Semelhante aos requisitos dos EUA relativos à certificação CSA. O Código Elétrico Canadense, Parte I, regulamenta a instalação.

Brasil (INMETRO): Exige certificação nacional, além da certificação IECEx. A Portaria 179/2010 estabelece os requisitos.

Rússia (GOST-R e TR CU): Aplicam-se os regulamentos técnicos da União Aduaneira. A marcação EAC é obrigatória.

Oriente Médio (SASO, GOST): A Arábia Saudita, os Emirados Árabes Unidos e outros países do Golfo reconhecem a IECEx, mas podem exigir certificação local adicional.

A implantação bem-sucedida de no-breaks exige o conhecimento de todas as normas aplicáveis. As estratégias de certificação múltipla atendem às diversas exigências do mercado.

Figura 3: Comparação dos métodos de proteção contra explosão e requisitos de MTBF para aplicações críticas de UPS no setor de petróleo e gás. A classificação “Ex d” (à prova de chamas) oferece a maior adequação para a Zona 1.

Ⅵ. Considerações sobre o projeto do sistema

1. Estratégias de redundância

Aplicações críticas nos setores de petróleo e gás não podem tolerar falhas no no-break. Estratégias de redundância garantem proteção contínua.

Redundância N+1: Um no-break sobressalente suporta várias cargas críticas. Se uma unidade falhar, o sobressalente assume a carga. Isso equilibra custo e confiabilidade.

Redundância 2N: Duplicação completa dos sistemas de UPS. Cada carga crítica possui duas fontes de alimentação independentes. Os comutadores de transferência automática selecionam a fonte ativa.

Redundância paralela: Várias unidades de UPS operam em paralelo, dividindo a carga. Se uma delas apresentar falha, as unidades restantes assumem a carga sem interrupção.

Para sistemas ESD e de incêndio e gás, a redundância 2N costuma ser obrigatória. Os sistemas de controle de processos podem utilizar a configuração N+1. Os sistemas de navegação geralmente aceitam um único no-break com bateria de reserva.

2. Duração da bateria de reserva

O dimensionamento da bateria determina a duração do backup. Os requisitos variam de acordo com a aplicação e o tipo de plataforma.

Fatores de cálculo:

• Potência de carga (kW)
• Obrigatório tempo de backup (horas)
• Tensão no final da descarga
• Fator de envelhecimento da bateria (normalmente 0,8)
• Fator de redução de potência em função da temperatura

As salas de baterias exigem ventilação e controle de temperatura. Os sistemas de detecção de hidrogênio monitoram o acúmulo de gás. O acesso para manutenção deve permitir a substituição segura das baterias sem a necessidade de entrar em áreas de risco.

3. Monitoramento e gerenciamento remoto

Os sistemas UPS modernos oferecem amplos recursos de monitoramento. O gerenciamento remoto é essencial para plataformas não tripuladas.

Parâmetros críticos:

• Tensão e corrente de entrada/saída
• Tensão da bateria e estado de carga
• Leituras de temperatura (ambiente e interna)
• Status do ventilador e funcionamento do sistema de refrigeração
• Condições de alarme e códigos de falha

Os protocolos Modbus, OPC-DA ou OPC-UA fazem a interface com os sistemas de controle da plataforma. A integração com o SCADA permite o monitoramento centralizado. Os diagnósticos remotos reduzem as visitas de manutenção a áreas perigosas.

Ⅶ. Conclusão

As plataformas de petróleo e gás exigem sistemas industriais especializados de fonte de alimentação ininterrupta (UPS). Os riscos de explosão exigem equipamentos certificados pela ATEX e pela IECEx, projetados para locais das Zonas 1 e 2. Os sistemas UPS padrão não conseguem atender a esses rigorosos requisitos de segurança.

A natureza crítica dos sistemas de ESD, detecção de incêndio e controle de processos faz com que UPS confiável essencial. Falhas de energia durante emergências podem desativar os sistemas de segurança justamente quando eles são mais necessários. O no-break à prova de explosão oferece proteção tanto contra a perda de energia quanto contra riscos de ignição.

A implementação bem-sucedida requer o entendimento das classificações de áreas perigosas, dos métodos de proteção e dos requisitos de aplicação. A construção à prova de chamas Ex d domina o mercado por oferecer proteção robusta e relativa simplicidade. Os sistemas de baterias exigem atenção especial devido à geração de hidrogênio durante o carregamento.

À medida que as operações de petróleo e gás avançam para ambientes mais adversos — águas mais profundas, regiões árticas, temperaturas mais elevadas —, as exigências impostas aos sistemas UPS aumentarão. As normas de certificação evoluirão para enfrentar novos desafios. Somente sistemas UPS especializados à prova de explosão podem atender a esses requisitos cada vez mais rigorosos.

Referências

1. Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC)Site oficial: www.iec.ch
2. Underwriters Laboratories (UL)Site oficial: www.ul.com
3. Comitê Europeu de Padronização (CEN)Site oficial: www.cen.eu
4. Administração de Padronização da China (SAC) Site oficial: www.sac.gov.cn
5. Zhongguancun Energy Storage Industry Technology Alliance (CNESA)Site oficial: www.cnESA.org
6. Site oficial da International Organization for Standardization (ISO): www.iso.org