危険区域の精緻なリスク評価(最新IEC規格による防爆エリアの設定)
IEC規格(International Electrotechnical Commission)Part10-1 「Classification of areas-Explosive gas atmospheres」が2015年9月にドラスティックに変更されIEC 60079-10-1 Edition 2.0(以下「IEC Ed2.0」)が発行されました。
IoT機器を活用してプラント内のビッグデータを収集・分析・活用し、設備の予期せぬ故障やヒューマンエラーを防ぐ取組を進める必要があり、プラント内でのドローン飛行やセンサーやタブレット等の電子機器の安全な使用の拡大のニーズ、DX化推進に対応するため、経済産業省からIEC Ed2.0を基に2019年4月付で「プラント内における危険区域の精緻な設定方法に関するガイドライン」(以下「防爆ガイドライン」)が発行されました。
これを受けて消防庁より同年同月、消防危第84号「危険物施設における可燃性蒸気の滞在するおそれのある場所に関する運用について」が各都道府県消防に通達されました。
その後、IECでは2020年にEdition 3.0(以下「IEC Ed3.0」)が発行され、最新バージョンとなっています。なお、IEC Ed3.0によると、この時点でIEC Ed2.0は無効となっております。
IEC Ed3.0では、図表などについては、IEC Ed2.0からほとんど変更がありませんが、幾つか重要な点について改訂されております。
特に、液の蒸発量計算式の係数が約2.8倍になり、IEC Ed2.0よりさらに厳しい評価が求められます。
危険区域の精緻なリスク評価は、危険物施設における電子機器の使用拡大、DX化推進を主眼に開始されましたが、最近では、防爆機器に対応できない設備などのために非危険区域(非防爆エリア)を確保する換気方法や許容漏洩量などの条件設定、火気使用エリアの拡大と工事業務の平準化の検討(定修と日常工事の再アレンジ)など、新たなニーズも増えてきています。
弊社では、これらのご要望にお応えするため、防爆ガイドラインおよびIEC Ed3.0に基づく、危険区域の精緻なリスク評価を実施致します。
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これまでの防爆エリア設定方法
国内では、基本的には労働安全衛生総合研究所技術指針「ユーザーのための工場防爆設備ガイド」に従って防爆エリアを設定することになっていますが、より具体的かつ明確に定められている四日市市危険物規制審査基準など地方自治体の基準によって設定する事が多くなっています。これらの基準はAPI RP500, or 505(American Petroleum Institute)やNFPA497(National Fire Protection Association)などがベースになっており、いずれも下図のようなサンプル図に従って防爆エリアを設定するものです。
API 500
NFPA 497 -
防爆ガイドラインおよびIEC Ed3.0による設定方法
防爆ガイドラインおよびIEC Ed3.0では、防爆エリアの決め方が根本的に変更されました。これまでNFPAやAPIで提案されているようなサンプル図によっていたものが、漏れ量や拡散の程度を定量化する事によって、個別にリスク評価する方法に変わりました。
これまでは、上述したサンプル図によっていた為、可燃性の危険物であれば、その蒸気圧、分子量、漏洩の可能性に関わらず、ほぼ一律に危険区域が設定されていました。その為、プラント設備のある区画全体を危険区域として設定することがほとんどでした。
防爆ガイドラインおよびIEC Ed3.0では、リスクを評価する基準(漏洩口の大きさや風などの換気程度の示唆値)が提示されており、個々のケースについてリスクを評価し、危険場所か非危険場所かの判定が可能となり、結果として非危険場所の範囲が広くなることが多くなりました。危険場所と判定された場合にはその範囲(危険距離)もグラフから読み取る事が出来ます。
リスク評価対応表
弊社では、防爆ガイドラインやIEC Ed3.0に具体的な計算方法などの記載のない項目や複雑な条件に対しても、化学工学、熱力学、流体力学などの工学的な検討を行い、幅広く対応することが可能です。
項目 | FPEC対応範囲 | 説明 |
1.評価可能物質 |
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2.放出源 |
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3.屋外/屋内 |
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4.Boiling / Non-Boiling liquid |
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5.対応業種 |
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実際の適用
- ガスの状態で放出されるケースは規格通りに容易に計算できるので、リスク評価に当たって、それほどの困難は無く実施できる。
- 液で漏れて、地面に液だまりができ蒸発するケースは少し厄介である。
- 漏洩した液が沸点に達していない、地面からの熱に影響されない場合
風による物質移動計算に基づく蒸発速度計算となり、IEC Ed3.0記載の計算式に基づき蒸発速度を計算する。
この時の漏洩時間は現場パトロールなどの実態に合わせて、APIなどを参考に決定する。 - 漏洩した液が沸点に達している場合、地面の熱などに影響される場合
IEC Ed3.0の規定により、本条件の場合IEC Ed3.0に記載されている蒸発速度式は適用できないため、弊社では太陽熱、大気、地面などとの熱収支計算から蒸発速度を求める。 - 液で漏れてフラッシュする場合
フラッシュする場合も、上記同様、IEC Ed3.0に記載されている蒸発速度式は適用できないため、フラッシュ計算によりフラッシュ率を求め、残った液からの蒸発速度は別途計算する。このように、フラッシュガス量と蒸発ガス量を別々に分けて計算しないと危険距離の算定ができないので注意を要する。
- 漏洩した液が沸点に達していない、地面からの熱に影響されない場合
- 下記に挙げる漏洩物質の物性は、その温度ごとに求める必要があり、物性推算法も活用しなければならない。
- 純成分流体の場合
- ガスおよび液の定圧比熱、比熱比、密度、蒸発潜熱、蒸気圧など。
- 蒸気圧はアントワン定数から計算する。
- 多成分流体の場合
多成分流体は組成変化を考慮する必要があるので、さらに複雑である。- ガスおよび液の定圧比熱、比熱比、圧縮因子、密度、蒸発潜熱、蒸気圧、分子量、爆発下限界、沸点、液の組成など。
- 蒸気圧はアントワン定数から各成分の分圧を計算し、ラウールの法則を適用し多成分系の分圧を求める。
- 爆発下限界はルシャトリエの法則により計算する。
- 多成分流体に水(H2O)が含まれている場合、フラッシュ計算・蒸発計算などは水分を含んだ計算とする必要があるが、分子量、ガス密度、爆発下限界などの物性および放出特性の計算は、水分を除いたものとしなければならない。
- 純成分流体の場合
- フランジからの漏洩などについて、IEC Ed3.0は漏洩口面積の範囲を示しているが、(運転圧力/定格圧力)比などを考慮してリスクに見合った適切な値を決定する必要がある。
- 漏洩時に漏洩口の面積が拡大する可能性の有無によって漏洩口面積の示唆値が異なっているが、メンテナンスの状況、プラント建設経過年数、運転圧力、音速などを考慮して決定している。
- 屋外の換気速度を実測値から採用する場合、IEC Ed3.0では年間を通じて95%以上の時間に必ず吹いている風とすることが求められている。
平均風速を換気速度として採用した場合、リスク評価として甘くなる可能性があるので注意が必要である。 - 危険範囲
- 空間的な形状
防爆ガイドラインでは危険範囲の空間的な形状について言及がないが、IEC Ed3.0では下図のように示されている。
これらを基に漏洩や蒸発の状況に応じて危険範囲の空間的な形状を決定している。
- プロットプラン上の表示
弊社ではプロットプランに危険範囲を二次元ないしは三次元で表示することが可能である。
個別の放出源の危険範囲を重ね合わせていくことで施設全体でどのような危険範囲となるか確認でき、施設での運用実態に合わせた非防爆機器の使用可否エリアの明確なゾーン設定に活用できる。
また、ドローンの安全な飛行計画への活用や、将来的な自動飛行機能への応用など、空間的な位置情報が必要な分野への活用が見込まれる。
下図にサンプルを示す。
<三次元プロット図上に三次元で表現>
<二次元プロット図上に三次元で表現>
<二次元プロット図上に二次元で表現>
- 空間的な形状
- 「防爆ガイドライン」では主に屋外、第2等級放出源について書かれているが、弊社は屋内、第1等級放出源についてもIEC Ed3.0に基づきリスク評価を実施している。
第1等級放出源は危険物の取り扱われ方により様々なケースがあるため、ケースバイケースでガス放出速度を求める必要がある。以下に一例を示す。
<第1等級放出源の評価例>- タンクベント
- タンク内がほぼ空の状態で、空間容積が最大のとき、わずかに残っている液がその温度で気液平衡にある状態を想定する。
タンクの屋根や側壁への太陽からの輻射熱、放射熱、風による対流伝熱などの入出熱を計算し、タンク内気相部の温度上昇速度を求め、気相部の体積膨張速度からベントガスの放出速度を求めた。
太陽からの輻射熱は設置場所の緯度経度、日付、時刻の太陽高度から決まるため、ガス放出速度の経時変化を求めることにより、危険区域の時間帯による変化を把握することができる。 - フローティングルーフタンクのように空間容積がほぼゼロの場合、タンク側壁の貫流熱量を計算し、その熱により内部液が温められる場合を想定する。
タンク側壁の温度が沸点より低い場合、入熱は全体の液温の上昇に使われ、タンクの側壁の温度が沸点に達すると入熱は全て液の蒸発に使われることとし、ガスの放出速度を求める。
上記同様に、太陽高度の時刻変化を求めることにより、危険区域の時間帯による変化を把握することができる。
- タンク内がほぼ空の状態で、空間容積が最大のとき、わずかに残っている液がその温度で気液平衡にある状態を想定する。
- 大気開放の液面からの蒸発
大気に開放された液面から蒸発する場合、液の取り扱い状況、液面上の風の有無(容器の深い部分に液面がある場合は風が吹きにくいなど)などを確認の上、物質移動計算または熱収支計算によりガスの発生速度を求める。 - 塗装面からの蒸発
塗装面全体に一時に一様に塗られ、塗装面全体から蒸発するケースを想定する。リスク評価としては最大のガス発生速度となり、厳しい側の評価として検討する。 - 開放容器での液混合
開放容器に最も揮発性の高い液(第1液)が入っていて、その中に別の液(第2液)を投入され、第1液から発生するガスが、第2液の容積分、開放容器から押し出されて放出されるケースを想定する。
第1液から発生するガスの濃度、第2液の投入容積、投入時間から放出速度を求める。
- タンクベント
- 何れにしてもIEC Ed3.0に求められている様に、リスク評価に当たって決めた数字の根拠を示す事が重要である。
弊社では、リスクの評価結果を物性データとともに検討ケースごとに下表のようにまとめ、リスク評価の詳細を明確に記録している。
<リスク評価結果> | |
<物性データ> |
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実績
弊社でこれまでにご支援、ご相談をいただいた業種は以下の通りです。
可燃性の液体またはガスを取り扱う設備であれば、危険区域の精緻なリスク評価をご活用いただけますので、防爆範囲の見直しを具体的に検討されている場合には、是非お問い合わせください。
- 石油製品プラント
- 石油化学プラント
- 油槽所
- 各種化学薬品製造工場
- プラスチック成型工場
- 半導体関連工場
- GX関連(水素など)
- 塗装工場
- 塗料、インク、印刷工場
- 洗浄工場
- 空港給油施設(関西国際空港航空機給油施設)
- 研究所 など
ご活用事例
本リスク評価は以下のような事例で活用されています。
危険物施設で非防爆機器の活用や危険区域の見直しをお考えのお客さまは、危険区域の精緻なリスク評価を是非ご活用ください。
- スマートフォンやタブレットなどの可搬式非防爆機器の使用範囲拡大
現場での情報閲覧、即座の情報共有や報告、作業記録の電子化など、現場作業の効率化や負担軽減、バイタルセンサーなどの携帯による作業者の安全確保のために、スマートフォンやタブレット端末などを導入しています。 - センサー・カメラの設置範囲拡大
現場にセンサーやカメラを設置し、継続的に情報を取得することで従来作業者が実施していた作業を自動化・電子化することが可能となります。また、得られた情報を基に解析、診断し、早期の異常検知を行い、事故や故障等の未然防止に役立てられます。また、侵入検知によるアラート機能などを追加することで危険区域への誤侵入防止に役立てられます。 - 非危険区域(非防爆エリア)を確保する条件検討
非危険区域を確保する条件(必要な換気条件や許容される漏洩量など)を検討し、防爆構造に対応できない固定設備の導入などが可能となります。 - 第1等級放出源への適用
防爆ガイドラインでは第2等級放出源を主としていますが、塗装面、開放液面を有する設備・機器、タンクベントなどの第1等級放出源の評価についてご相談いただくことが多くなっています。防爆ガイドラインやIEC Ed3.0に具体的な計算方法の記載がないため、弊社では実際の現象を踏まえて都度リスク評価方法を検討し評価します。 - 屋内への適用
多くのお客さまが屋内で危険物を取り扱われていますが、防爆ガイドラインでは換気関係の内容が限られた記載となっています。弊社ではIEC Ed3.0を基に、屋内の評価も行います。また、屋内を非危険区域とするために必要な換気システム要件をご提示することも可能です。 - 少量危険物取扱所への適用
危険物の取扱量が少量であれば防爆/非防爆の評価が免除されるということはなく、評価が必要なことに変わりはありません。最近では少量危険物取扱所においても消防の査察等で指摘を受けることが多く、ご相談を頂くことが多くなっています。 - 火気使用エリアの拡大と工事業務の平準化
非危険区域の拡大により、火気を使用する工事を日常の工事で行うことが可能となり、定修工事の負担軽減とともに、工事業務の平準化を図ることが可能となります。 - ドローンの活用推進
危険物施設において、足場などが必要な高所の点検作業の代替手段、搭載カメラの画像解析による異常診断などにドローンの利活用ニーズがあります。また、ドローン飛行には飛行計画書作成が必要となり、危険区域と非危険区域を明確にする必要があります。 - 工事コスト削減
非危険区域の拡大により、機器更新時など、より価格の低い非防爆機器を選択可能となり、工事コスト削減に寄与します。
評価に必要な資料
評価にあたり、次に挙げる資料のご提供をお願いしております。
- プロットプラン
- 評価対象危険物の情報(組成、分子量、沸点、蒸気圧、爆発下限界などの物性を含む)
- 運転条件(流体名、運転圧力、運転温度条件が分かるもの)
- P&ID(またはEFD(エンジニアリング・フロー・ダイアグラム))
- 配管サービスクラス
配管を圧力と材質区分で分け、材質と径と肉厚Sch.Noを含んだものをグループとしてまとめている資料で、配管の定格圧力や定格温度が示されている資料。 - タンクデータシート
タンクや中間槽のサイズ、内容物、運転圧力・温度などがまとめられている資料。 - ポンプなどの回転機械類の機器リスト
- 建物内の換気が分かる資料(換気装置、空気の流れなど)
- 局所排気システム全体図またはフローシート
- その他(評価対象や検討内容に応じて追加資料のご提供をお願いする場合がございます。)
今後の応用分野
以下は、本リスク評価の検討結果を用いて、次の分野で活用が見込まれるものです。
弊社は下記のシステムの開発はしておりませんが、システムが出来上がった時には、防爆範囲の三次元データを提供します。
- 危険範囲(防爆範囲)の三次元データの活用
- ドローンの自動飛行機能への応用
ドローン本体への位置情報搭載、ないしはGPS機能などによる通信によって、ドローン自身と防爆範囲の位置情報を常に認識し、防爆範囲への侵入を回避しながら自動で飛行することができれば、ドローンの操縦が不要になり、また操縦に伴うヒューマンエラー防止にもつながります。
なお、防爆範囲に入ることは事故につながる可能性が高まるため、位置情報の誤差を極力小さくすることが求められます。
以下の動画は危険物施設でのドローン飛行をイメージして作成したもので、防爆範囲から1mの範囲に入るとドローン(円盤)がオレンジ色に変わります。オレンジ色にならないような自動飛行機能をドローンに持たせるイメージです。 - 防爆範囲への誤侵入アラート機能の付加
スマホ、タブレットなどの非防爆タイプの携帯用端末を実際に現場で使用する場合、看板などを設けて防爆範囲を明確に示すことが必要ですが、実務上、手間暇がかかり面倒であるため、どうするかが課題になっています。
そこで、防爆範囲の三次元の位置情報と携帯用端末のGPS機能を用いて、現場作業時に不用意に防爆範囲に入ることがないようにアラートを出す機能を端末に持たせることができれば解決できます。
なお、こちらも上記同様に、位置情報の誤差を極力小さくすることが求められます。
以下の動画は、人が防爆範囲に誤って侵入した場合をイメージしたもので、防爆範囲から1mの範囲に入ると人がオレンジ色に変わります。これと同じように一定範囲内に入った場合に、手元の携帯用端末からアラートが出るように設定するイメージです。
- ドローンの自動飛行機能への応用
その他にも有益な活用方法があると思いますが、当社は新たなニーズを探求し、ソリューション開発・提供を続けて参ります。危険物施設におけるDX化がさらに推進されるよう、強力にご支援致します。