كيف تضمن المحركات الكهربائية المقاومة للانفجار السلامة في البيئات الانفجارية؟

تصميم مقاوم للانفجار وميكانيكية احتواء الانفجار الداخلي

تعمل المحركات الكهربائية المصممة للتطبيقات المقاومة للهب عن طريق احتواء الانفجارات داخل غلافها، والذي يمكنه تحمل ضغوط تزيد عن 348 كيلوباسكال وفقًا لبيانات Grand View Research من العام الماضي. وعادةً ما تُصنع هياكل هذه المحركات من حديد صب قوي أو سبائك ألومنيوم متينة. وتساعد هذه المواد في امتصاص قوة الانفجار دون أن تنفصل. كما يولي المصنعون اهتمامًا دقيقًا لأجزاء مثل المحامل والمحاور، حيث تُصنع بدقة عالية لمنع إنتاج شرارات أثناء التشغيل. وتشمل ميزة أخرى مهمة التداخل الدقيق بين المكونات داخل هيكل المحرك. ويحافظ هذا التصميم على أي غازات ساخنة قد تتسرب من الوصول إلى درجات حرارة كافية لاشتعال المواد القابلة للاشتعال الموجودة حول المحرك في البيئات الصناعية.

كيف تمنع ختميات المسار الناري الاشتعال في الأجواء الخطرة الخارجية

تستخدم ختميات المسار الناري وصلات مسننة وحشوات مقاومة للتآكل لتكوين ممرات متعرجة بين أجزاء المحرك. هذه القنوات الممتدة:

• زيادة مساحة سطح تبديد الحرارة بنسبة 40–60٪ مقارنة بالختم المسطح
• تقييد مدة انتقال اللهب لأقل من جزء من الألف من الثانية من خلال خفض الضغط المتحكم فيه
• تحمل درجات حرارة تصل إلى 450°م في البيئات الغنية بالهيدروجين

من خلال إطالة المسار وتعزيز التبريد، تمنع مسارات اللهب الاشتعال الخارجي حتى في حالة حدوث انفجار داخلي.

الهيكل القوي ومعيار Ex d: تحمل الضغط واحتواء النيران

للتقيد بمعيار IEC 60079-1 Ex d، يجب أن تتحمل هياكل المحركات ضغطًا يساوي 1.5 مرة من أقصى ضغط انفجار متوقع على مدى خمس دورات دون أن تنفجر. وتتجاوز الشركات المصنعة الرائدة هذا الشرط من خلال تحسين معايير التصميم:

وهذا يضمن أداءً موثوقًا به في الظروف القاسية النموذجية في المواقع الخطرة.

إدارة الحرارة وتبديد الحرارة في الأغلفة المقاومة للانفجار والمغلقة

تُعد إدارة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية للمحركات المضادة للاشتعال، نظرًا لأنها عادةً ما تعمل في أماكن مغلقة تتراكم فيها الحرارة بسرعة. وتتميز معظم التصاميم الحديثة بزعانف تبريد فعالة عالية الكفاءة إضافةً إلى قنوات تبريد خاصة تساعد في الحفاظ على درجات حرارة السطح أقل بنسبة 80٪ تقريبًا من الدرجة التي تشتعل عندها معظم الغازات القابلة للاشتعال. وقد أحدثت أحدث التطورات التقنية أيضًا شيئًا مثيرًا للاهتمام. إذ يدمج بعض المصنّعين الآن مواد تغيير الطور داخل غلاف المحرك. ويمكن لهذه المواد أن تمتص ما بين 150 و220 كيلوجول لكل متر مكعب عند طلبات الأحمال العالية. وما يعنيه هذا عمليًا هو خفض درجة حرارة الغلاف ما بين 12 إلى قرابة 18 درجة مئوية أثناء التشغيل المستمر لفترات طويلة. ومن هنا يُفهم سبب تبني المنشآت الصناعية بشكل متزايد لهذه الحلول الجديدة لتلبية احتياجاتها من المعدات الخاصة بالمناطق الخطرة.

المعايير والشهادات العالمية للسلامة الخاصة بالمحركات الكهربائية المضادة للاشتعال

الامتثال لمعايير ATEX وIECEx: الشهادات الدولية للمناطق الخطرة

بالنسبة للمحركات العاملة في البيئات التي قد تنفجر فيها، فإن الامتثال لكل من معيار ATEX (الاتجاه الأوروبي 2014/34/EU) ومعايير IECEx أمر لا يمكن التنازل عنه. تتطلب هذه الأنظمة تقييماً دقيقاً عبر عدة معايير حاسمة. يجب على المصنّعين إثبات أن أغلفتهم قادرة على تحمل الظروف القاسية، والحفاظ على درجات حرارة آمنة أثناء التشغيل، ومنع انتشار الشرر. وعند الحديث عن شهادة IECEx بشكل خاص، فإن العملية تستغرق نحو اثني عشر شهراً لإكمالها. ويجب أن تجتاز المحركات اختبارات صارمة لمقاومة الانفجار، حيث تتعرض لضغوط أعلى بـ 1.5 مرة مما قد تواجهه عادةً وفقاً للتوجيهات الواردة في IEC 60079-1:2020. تُظهر البيانات الحديثة الصادرة عن IECEx أن حوالي 85 بالمئة من المرافق في قطاعي تكرير النفط والتصنيع الكيميائي تشترط حالياً هذه الشهادات للمعدات المثبتة في المناطق الخطرة المصنفة كمنطقة 1 ومنطقة 21. ويعكس هذا الاتجاه زيادة الوعي ببروتوكولات السلامة في البيئات الصناعية حول العالم.

شهادات CSA وUL لمتطلبات المواقع الخطرة في أمريكا الشمالية

يجب أن تتبع المحركات المقاومة للانفجار المستخدمة في أمريكا الشمالية لوائح محددة مثل CSA C22.2 رقم 30 وUL 674 عند التشغيل في المناطق الخطرة من الفئة I، القسم 1 و2. في الواقع، تضع هذه المتطلبات حدودًا أكثر صرامة على فجوات مسار اللهب مما قد يتوقعه الكثيرون – حوالي 0.15 مم للغازات الخطرة المصنفة ضمن الفئتين IIB وIIC، وهي أضيق من المعيار 0.2 مم المعمول به وفقًا لإرشادات ATEX. يعرف خبراء الصناعة أن هذا الأمر مهم لأن الفروقات الصغيرة حتى قد تؤثر على السلامة في البيئات المعرضة للانفجار. وقد أظهرت الفحوصات الأخيرة التي أجرتها CSA في عام 2023 نتائج ممتازة أيضًا: حيث كانت حوالي 92% من جميع المحركات المعتمدة تفي بمعايير كبح القوس الكهربائي الجديدة بفضل تقنيات مثل اللفات المغلّفة والطلاءات المضادة للكهرباء الساكنة الخاصة التي تُطبَّق أثناء التصنيع.

مواءمة معايير NEC وIEC والمعايير الإقليمية للمعدات المقاومة للانفجار

يتماشى المصنعون العالميون بشكل متزايد مع المعيار ISO 80079-38:2016 لتوحيد الامتثال عبر NEC (NFPA 70)، وIECEx، والأطر الإقليمية. ويقلل هذا التماشي تكاليف الشهادات العابرة للحدود بنسبة 25٪ (Frost & Sullivan، 2023) مع ضمان مستويات سلامة متسقة. وتشمل المعايير الموحّدة الرئيسية ما يلي:

عملية شهادة المحركات الكهربائية المقاومة للانفجار: الاختبار والتوثيق

تتم عادةً عملية الشهادة من خلال أربع مراحل رئيسية. تأتي أولاً مراجعة التصميم والتي تستغرق عادةً حوالي ستة إلى ثمانية أسابيع. ثم تليها مرحلة اختبار انفجار النموذج الأولي التي تستغرق ما بين ثمانية إلى اثني عشر أسبوعاً. بعد ذلك، تخضع المصانع لتدقيق يستمر أربعة أسابيع. وأخيراً، تُجرى مراقبة مستمرة للإنتاج طوال دورة حياة المنتج. تحتاج جهات مثل TÜV Rheinland إلى وثائق مفصلة تُعرف باسم ملفات تقنية للشهادة. ويجب أن تتضمن هذه الملفات كل شيء بدءاً من مواصفات المواد ونتائج المحاكاة الحرارية، وحتى البيانات التي تُظهر مقاومة المواد للتآكل على مدى عشر سنوات. وتكشف نتائج الاختبارات الحديثة التي أجرتها IECEx في عام 2023 عن بعض الاتجاهات المقلقة. فقد تم ربط نحو ثلثي حالات فشل المحركات خلال هذه التجارب بمشاكل في مسارات اللهب بعد محاكاة خمسة عشر عاماً من التشغيل. وهذا يثير تساؤلات جادة حول قدرة المنتجات على الحفاظ حقاً على سلامتها الهيكلية على مدى فترات طويلة كهذه.

تصنيف البيئات الخطرة: مطابقة محركات مقاومة للانفجار مع مستويات المخاطر

فهم المواقع الخطرة من الفئة الأولى (الغاز) والفئة الثانية (الغبار)

وفقًا للكود الكهربائي الوطني (NEC)، هناك نوعان أساسيان من البيئات الخطرة التي تتطلب اهتمامًا خاصًا. أولًا لدينا المواقع من الفئة الأولى (Class I) حيث تكون الغازات القابلة للاشتعال أو الأبخرة أو السوائل موجودة. فكّر في أشياء مثل تراكم الميثان في المناجم أو تسرب البروبان أثناء عمليات المعالجة الكيميائية. ثم هناك الفئة الثانية (Class II) التي تتعامل مع مشكلات الغبار القابل للاشتعال، مثل تراكم غبار الفحم، أو مرافق تخزين الحبوب، أو حتى ورش عمل مساحيق المعادن. تتطلب هذه المناطق محركات مقاومة للهب تم تصميمها خصيصًا ومغلقة داخل أغلفة مقاومة للانفجار، بحيث لا يؤدي أي شرارة داخلية إلى انفجارات كارثية في الخارج. تُظهر دراسات حديثة من عام 2023 مدى أهمية هذه التصنيفات من حيث السلامة، حيث أن مخاطر الفئة الأولى والثانية تسبب بالفعل حوالي 68 بالمئة من جميع حوادث الانفجارات الصناعية في العالم. مما يجعل فهم متطلبات الكود الكهربائي الوطني أمرًا بالغ الأهمية لأي شخص يعمل في مجال التصنيع أو البيئات الصناعية.

تصنيفات مجموعات الغاز والغبار (المجموعات C–G) ومعايير اختيار المحرك

تُصنف المواد إلى مجموعات فرعية بناءً على خصائص الاشتعال:

على سبيل المثال، تمتلك مواد المجموعة D (مثل أبخرة البنزين) طاقات اشتعال أعلى من المجموعة C (الهيدروجين)، مما يستدعي فجوات وصلات أكثر ضيقًا في غلاف المحركات. وتُلزم معايير NEC 2023 بهذه التمييزات لتحسين فعالية الاحتواء.

اختيار المحرك الكهربائي المضاد للانفجار المناسب للمخاطر الخاصة بالموقع

يعتمد اختيار المحرك على تصنيف المنطقة والظروف البيئية:

• المنطقة 0/1 (غاز) و المنطقة 21/22 (غبار) : تتطلب محركات معتمدة حسب المعيار Ex d مع هياكل من الحديد الزهر مقاومة للضغط
• البيئات المسببة للتآكل: حدّد محركات ذات طلاء مضاد للتآكل وختم IP66
• المناطق شديدة الاهتزاز: استخدم وحدات مزودة بمحامل معززة وأنظمة تركيب ماصة للصدمات

أشارت دراسة حالة نُشرت في عام 2022 حول منصات الحفر البحرية إلى انخفاض بنسبة 92% في حوادث الاشتعال بعد التحول إلى محركات مصنفة خصيصًا للهيدروجين في المنطقة 1 (المجموعة IIC) والتعرض لمياه البحر المالحة.

تصنيفات فئة درجة الحرارة والسلامة الحرارية في البيئات المتفجرة

أهمية تصنيفات فئة درجة الحرارة (مثل T4) في منع الاشتعال

يُشير التصنيف حسب فئة درجة الحرارة أو التصنيف T إلى أقصى درجة حرارة يمكن أن تصل إليها سطح المحرك دون التسبب في مشاكل في المناطق التي قد تكون فيها مواد قابلة للاشتعال. على سبيل المثال، لا تسمح المحركات ذات التصنيف T4 بارتفاع درجة حرارة سطحها عن 135 درجة مئوية. ولهذا أهمية كبرى، لأن الإيثيلين، الذي يوجد بكثرة في البيئات الصناعية، يشتعل تلقائيًا عند حوالي 150 درجة مئوية. وبالتالي، هناك هامش أمان كبير نسبيًا. يتم تقييم هذا النظام بأكمله وفقًا للمعايير المحددة في IEC 60079-0. ويقوم المصنعون باختبارات تتبع إجراءات محددة للتأكد من الامتثال التام لما تنص عليه اللوائح.

التحكم في درجة حرارة السطح ودوره في التشغيل الآمن

تساعد أنظمة التبريد المتقدمة، والسبائك غير المُشرِقة، ومسارات تدفق الهواء المُحسّنة في الحفاظ على درجات حرارة تشغيل آمنة حتى عند حمل 95%. ويُعد ارتفاع درجة الحرارة سببًا في 23% من الحوادث التي تحدث في المناطق الخطرة (Panelmatic، 2024)، مما يبرز أهمية التصميم الحراري الفعّال في المحركات المضادة للانفجار.

مقارنة تصنيفات الفئة T ضمن أطر ATEX وIECEx وNEC

على الرغم من الاختلافات الطفيفة، تتطلب جميع الأطر إصدار شهادة من جهات خارجية للتحقق من الامتثال.

هل تصنيفات T4 القياسية كافية للمناطق الصناعية عالية الخطورة؟

تعمل المرافق التي تتعامل مع غازات المجموعة الثانية باء مثل البروبان عادةً بشكل جيد مع محركات من الفئة T4. ولكن عندما يتعلق الأمر بالهيدروجين الذي يُصنف ضمن المجموعة الثانية جيم، تصبح الأمور أكثر تعقيدًا لأن هذا الغاز يشتعل عند درجات حرارة أقل بكثير. ولهذا السبب يشترط العديد من المنشآت الصناعية الآن استخدام محركات من الفئة T5 والتي تصل درجة حرارتها القصوى إلى 100 درجات مئوية، أو حتى نماذج من الفئة T6 التي لا تتجاوز 85 درجة. لقد شهدنا زيادة ملحوظة في الطلب على وحدات T5 المعتمدة في محطات الغاز الطبيعي المسال مؤخرًا. وتُظهر الأرقام ارتفاعًا بنسبة 40 بالمئة تقريبًا منذ أوائل عام 2022، وهو أمر منطقي بالنظر إلى تشديد الجهات التنظيمية على ضرورة تحسين بروتوكولات إدارة الحرارة في القطاعات التي قد تعني فيها الشرارات وقوع كارثة.

التطبيقات الواقعية والاتجاهات المستقبلية في تقنية المحركات المضادة للانفجار (Ex d)

دراسات حالة: أداء المحركات المضادة للانفجار في صناعات النفط والغاز والكيماويات والتعدين

تمثل التحسينات في السلامة الناتجة عن المحركات المقاومة للانفجار تغييرًا جذريًا في البيئات الصناعية الخطرة. فقد سجلت مصافي النفط المعتمدة وفقًا لمعايير ATEX انخفاضًا بنحو 12 بالمئة في الحوادث الأمنية بعد الانتقال إلى أنظمة المحركات من النوع Ex d، وفقًا لما ذكره GlobeNewswire العام الماضي. وفي المناجم، تحافظ هذه المحركات المتخصصة على السلامة من خلال احتواء أي شرارات داخلية قد تشعل تراكم الغبار الشائع في الأماكن تحت الأرض. كما تعتمد منشآت معالجة المواد الكيميائية عليها أيضًا في التعامل مع خلطات المذيبات الصعبة دون حدوث انفجارات. والأرقام تدعم هذا الاستخدام بشكل جيد – حيث سجلت عمليات التعدين التي قامت بتركيب محركات من النوع Ex d توقفًا أقل بنسبة 17% ناتجًا عن الحرائق، وهو أمر منطقي إذا ما أخذنا في الاعتبار كم المال الذي تخسره الشركات نتيجة توقف الإنتاج.

أجهزة الاستشعار الذكية والرصد الفوري في محركات Ex d الحديثة

تحتوي المحركات المقاومة للانفجار الحديثة على أجهزة استشعار متصلة بالإنترنت من الأشياء (IoT) تراقب درجة الحرارة والاهتزاز وسلامة الختم في الوقت الفعلي. تتيح هذه البيانات الصيانة التنبؤية، مما يقلل من الأعطال غير المخطط لها بنسبة 25%في مرافق معالجة الغاز وتحسين الموثوقية التشغيلية.

التقدم في مجالات الختم ومقاومة التآكل والكفاءة الطاقوية

تُظهر أختام مسار اللهب المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومة للتآكل أعلى بـ 150% من المواد التقليدية في البيئات البحرية. وبالاقتران مع اللفات المغلّفة ومحامل منخفضة الاحتكاك، تسهم هذه التحسينات في تحقيق مستويات كفاءة IE4 – حيث تحقق أداءً طاقوياً عالياً دون المساس بحماية الانفجار.

المستقبل: الامتثال الرقمي وأنظمة المحركات المقاومة للانفجار الذكية

تتيح تقنية النموذج الرقمي الناشئة محاكاة افتراضية لاختبارات الانفجار، مما يقلل من جدول شهادة الفحص بنسبة 40%لتصاميم المحركات المخصصة من نوع Ex d. سيعمل النمذجة الحرارية المعتمدة على الذكاء الاصطناعي على تحسين عملية تبديد الحرارة في المحركات المدمجة من الجيل التالي، خاصةً تلك المصممة لأنظمة الوقود القائمة على الهيدروجين حيث تكون مخاطر الاشتعال مرتفعة.

الأسئلة الشائعة

ما هي المحركات الكهربائية مضادة للهب؟

تم تصميم المحركات الكهربائية المضادة للانفجار لاحتواء الانفجارات الداخلية ومنع الاشتعال الخارجي في البيئات الخطرة.

كيف تمنع أختام المسار المشتعل الاشتعال؟

تستخدم أختام المسار المشتعل وصلات مسننة وحشيات مقاومة للتآكل لإنشاء ممرات متعرجة، مما يزيد من تبديد الحرارة ويمنع الاشتعال الخارجي.

ما هي المعايير التي يجب أن تلتزم بها المحركات الكهربائية المضادة للانفجار؟

يجب أن تلتزم المحركات المضادة للانفجار بشهادات دولية مثل ATEX وIECEx وCSA ومعايير UL لضمان التشغيل الآمن في المواقع الخطرة.

ما أهمية تصنيفات الفئة T؟

تشير تصنيفات الفئة T إلى الحد الأقصى لدرجة حرارة السطح للمحركات لضمان تشغيلها بأمان في البيئات التي تحتوي على مواد قابلة للاشتعال.