Deficiência e Enriquecimento de Oxigênio: Noções de Segurança Criogênica

O perigo de deficiência de oxigênio no trabalho criogênico existe porque o nitrogênio e o argônio são incolores e inodoros e um pequeno volume de líquido gera um grande volume de gás que desloca o ar sem aviso. O oxigênio líquido cria o inverso, uma atmosfera enriquecida onde o fogo se espalha mais facilmente.

Ambas as situações são bem conhecidas e ambas se controlam com as mesmas medidas básicas: manter o equipamento criogênico no exterior ou em áreas devidamente ventiladas, monitorar o oxigênio onde as pessoas possam entrar e encaminhar as descargas para um local seguro.

Este artigo explica o mecanismo de cada perigo, os riscos físicos do contato com o líquido frio e com superfícies frias, e os controles práticos que os operadores de instalações e os compradores de equipamento devem esperar encontrar.

O que é um perigo de deficiência de oxigênio?

O ar contém cerca de 20,9 por cento de oxigênio em volume. Existe um perigo de deficiência de oxigênio sempre que algo desloca parte desse ar e reduz a fração de oxigênio num espaço onde há pessoas trabalhando. Na prática ocupacional, uma atmosfera é habitualmente considerada deficiente em oxigênio abaixo de 19,5 por cento, e muitas regulamentações nacionais utilizam esse valor ou um próximo. Confirme o limiar e as regulagens de alarme aplicáveis na sua jurisdição.

O perigo não está na toxicidade do gás que desloca o ar. O nitrogênio e o argônio não são tóxicos. O perigo está em ocuparem o espaço que o ar ocuparia, sem que o corpo humano dê qualquer aviso confiável de que a fração de oxigênio baixou. Não há cheiro, nem cor, nem irritação. O discernimento e a coordenação podem ficar afetados antes de a pessoa perceber que algo está errado.

É por isso que a deficiência de oxigênio se gerencia com engenharia e monitoramento, em vez de se confiar em que as pessoas a detectem.

Por que o nitrogênio e o argônio deslocam o oxigênio tão rápido?

Os líquidos criogênicos são armazenados a temperatura muito baixa e se expandem enormemente quando aquecem até às condições ambiente. Um volume de nitrogênio líquido se transforma em cerca de 696 volumes de gás em condições normais, e o argônio líquido se expande cerca de 847 vezes. Uma liberação moderada de líquido produz, portanto, um volume de gás muito grande.

Essa razão de expansão é toda a razão pela qual o perigo de deficiência de oxigênio é levado a sério no serviço criogênico. Uma quantidade de líquido que parece pequena no chão pode encher uma sala fechada com gás inerte.

• O vapor frio é inicialmente mais denso do que o ar quente, por isso tende a se acumular em fossos, valas, porões e pontos baixos
• À medida que aquece, o gás se mistura com o ar e se dispersa, razão pela qual as instalações ao ar livre são intrinsecamente mais seguras
• A evaporação normal de um tanque é contínua, por isso mesmo sem fuga uma sala vedada acumula gás ao longo do tempo
• As descargas de respiro e de alívio liberam gás por concepção, e não por avaria, e têm de terminar num local seguro
• As operações de purga e de resfriamento liberam gás inerte deliberadamente e exigem os mesmos controles

Se precisar dos cálculos para dimensionamento ou para uma avaliação de riscos, nossa referência sobre as razões de conversão de líquido criogênico em gás apresenta os valores de expansão e explica como utilizá-los.

Onde ocorre efetivamente o risco numa instalação de gases?

As instalações de tanques ao ar livre são o caso normal e o caso de baixo risco. O risco se concentra em locais específicos onde o gás se pode acumular ou onde as pessoas estão perto de um ponto de liberação.

• Salas de enchimento de cilindros, salas de bombas e qualquer área de processo interior que manuseie líquido criogênico
• Fossos, caixas de coleta, valas, porões e caixas de inspeção abaixo da área do tanque
• Espaços confinados, incluindo recipientes, tanques e tubulações em que se entra para manutenção
• Cabinas de veículos, vans pequenas e espaços de transporte fechados que transportem recipientes de líquido criogênico
• Câmaras frigoríficas, laboratórios e áreas de armazenamento fechadas com vasos dewar ou recipientes MicroBulk
• Áreas próximas de uma chaminé de respiro ou de uma saída de descarga de alívio, sobretudo com ar parado

A entrada em espaços confinados merece atenção particular. Um recipiente que foi purgado com nitrogênio praticamente não contém oxigênio, e os procedimentos de entrada existem precisamente porque a atmosfera no interior não dá qualquer aviso sensorial.

Por que o enriquecimento em oxigênio do LOX é um risco de incêndio?

O oxigênio líquido cria a condição inversa. O oxigênio em si não queima, mas alimenta a combustão, e numa atmosfera enriquecida em oxigênio os materiais entram em ignição com menos energia e queimam mais rápido e a temperatura mais elevada do que no ar normal. O vestuário que absorveu oxigênio pode se inflamar com facilidade e queimar rapidamente.

O enriquecimento resulta de respiros, de pequenas fugas nas ligações, de derrames durante a transferência e de operações de enchimento em espaços mal ventilados. Não é visível e, tal como a deficiência, se detecta com instrumentação e não pelos sentidos.

• Mantenha óleos, graxas, combustíveis e materiais combustíveis longe do equipamento de LOX e do solo por baixo dele
• Utilize apenas lubrificantes, vedantes e selantes aprovados para serviço de oxigênio
• Mantenha as partes em contato com o produto limpas para oxigênio e volte a limpar qualquer componente aberto durante uma intervenção
• Ventile qualquer área onde o oxigênio se possa acumular e mantenha as fontes de ignição à distância exigida pela regulamentação local
• Quem tenha estado numa atmosfera enriquecida em oxigênio deve arejar o vestuário ao ar livre antes de se aproximar de uma fonte de ignição
• Coloque sinalização de oxigênio e controle o acesso à área do tanque

Nosso guia sobre segurança e seleção de tanques de oxigênio líquido aborda com mais detalhe a limpeza para oxigênio, a compatibilidade de materiais e o layout, para quem esteja especificando equipamento de LOX.

Como os monitores de oxigênio e a ventilação controlam o perigo?

A ventilação remove o gás acumulado e o monitoramento avisa as pessoas de que a atmosfera mudou. Funcionam em conjunto. A ventilação isolada pode falhar em silêncio se um ventilador parar, e um monitor isolado nada faz para corrigir a condição que detecta.

Monitoramento fixo de oxigênio

• Sensores colocados onde o gás se vai efetivamente acumular, tendo em conta se o vapor frio fica embaixo ou sobe à medida que aquece
• Alarmes sonoros e visuais tanto no interior do espaço como à entrada, para que ninguém entre numa área já em alarme
• Pontos de alarme alinhados com a regulamentação nacional aplicável
• Calibração e ensaio funcional no intervalo especificado pelo fabricante, com registros guardados
• Alarmes associados à ventilação sempre que o projeto o exija

Monitores individuais e ventilação

• Monitores individuais de oxigênio para quem entre em fossos, espaços confinados ou áreas sem detecção fixa
• Ventilação mecânica dimensionada para o volume fechado e para a liberação credível, projetada por um engenheiro de ventilação
• Respiros e descargas de alívio encaminhados para o exterior, longe de portas, janelas, tomadas de ar e passagens
• Sem pontos baixos não ventilados onde o vapor frio e denso se possa acumular
• Procedimentos de entrada, ensaio da atmosfera antes da entrada e um vigia no exterior sempre que exigido

Esta é a razão prática pela qual os tanques criogênicos são instalados ao ar livre sempre que possível. A instalação ao ar livre elimina o mecanismo de acumulação em vez de gerenciá-lo, e é por isso que o layout do local é tanto uma decisão de segurança como de logística. Nosso artigo sobre requisitos de instalação e layout de tanques criogênicos trata a vertente de layout.

Quais são os riscos de contato com o frio e para os materiais?

Além da atmosfera, os líquidos criogênicos apresentam riscos físicos diretos resultantes do frio extremo. São riscos simples de controlar com manuseio e equipamento corretos.

Queimaduras pelo frio e congelamento

O contato com líquido criogênico, com vapor frio ou com tubulação fria não isolada provoca lesões nos tecidos semelhantes a uma queimadura. A pele pode se colar por congelamento a uma superfície fria não isolada, e a lesão pode estar feita antes de a pessoa conseguir se afastar. Os respingos nos olhos são uma preocupação particular, e é por isso que se usa proteção facial durante as operações de transferência.

Fratura frágil dos materiais

Muitos materiais dúcteis à temperatura ambiente se tornam frágeis à temperatura criogênica e podem falhar subitamente sob carga. É por isso que o serviço a baixa temperatura exige ensaios de impacto, normalmente Charpy em V, dos materiais utilizados abaixo de cerca de menos 150 C. É também por isso que o líquido criogênico derramado deve ser mantido afastado do aço estrutural comum, do concreto e do asfalto, que podem fissurar quando resfriados.

Líquido retido e aumento de pressão

O líquido criogênico retido entre duas válvulas fechadas aquece e expande sem qualquer via de alívio. Os trechos de linha que podem ser isolados em ambas as extremidades são equipados com dispositivos de alívio por esta razão, e os dispositivos de alívio nunca são bloqueados nem isolados durante a operação.

Que EPI se utiliza no manuseio de líquidos criogênicos?

O EPI é a última camada, não a primeira. O layout, a ventilação, o monitoramento e os procedimentos fazem o trabalho principal. O equipamento indicado abaixo é o habitual em tarefas de transferência, ligação e manutenção, e o requisito específico deve seguir a sua avaliação de riscos e as regras locais.

• Protetor facial sobre óculos de proteção em qualquer operação em que sejam possíveis respingos
• Luvas criogênicas largas, que possam ser sacudidas rapidamente se entrar líquido
• Mangas compridas e calças usadas por fora das botas, para que o líquido não escorra para o calçado
• Calçado fechado e não absorvente
• Sem punhos, bolsos abertos ou dobras que possam reter líquido
• Monitor individual de oxigênio onde não exista detecção fixa
• No trabalho com oxigênio, vestuário isento de contaminação por óleo e graxa

O treinamento é tão importante quanto o equipamento. Os operadores devem conhecer as propriedades do produto que manuseiam, a localização dos monitores e dos alarmes, a rota de evacuação e a regra de que ninguém entra num espaço em alarme para socorrer um colega sem aparelho respiratório e sem um plano de salvamento adequado.

Como a seleção do equipamento reduz estes perigos?

Equipamento bem especificado elimina as liberações de rotina em vez de gerenciá-las. Um tanque com o vácuo intacto e com um circuito economizador em funcionamento libera muito menos gás do que outro com isolamento degradado, e um sistema de alívio bem mantido só atua quando deve.

• Um isolamento por vácuo em bom estado mantém a evaporação no intervalo normal de cerca de 0,2 a 0,6 por cento por dia nos tanques estacionários modernos
• Um circuito de aumento de pressão e economizador em funcionamento aproveita o gás de evaporação em vez de liberá-lo
• Linhas de respiro e de alívio encaminhadas para um ponto de descarga seguro e não terminadas junto ao tanque
• Seleção correta de válvulas e vedantes para o fluido em serviço, incluindo materiais compatíveis com oxigênio para LOX
• Uma leitura de vácuo a cada 6 a 12 meses, para que a degradação seja encontrada antes de se traduzir em liberações
• Certificação adequada ao mercado: PED 2014/68/EU com EN 13458 para recipientes estáticos com isolamento por vácuo, ou ASME onde se aplica o código dos Estados Unidos

O aumento da evaporação, a formação de gelo ou de condensação no casco externo e um aumento de pressão mais rápido do que o normal apontam todos para perda de vácuo, o que aumenta as liberações e, por isso, o gás lançado na área envolvente. Nosso artigo sobre a perda de vácuo em tanques criogênicos explica como reconhecê-la e confirmá-la.

A KAF Cryogenics fornece tanques de armazenamento, equipamento de transporte e vaporizadores novos segundo a especificação e como unidades usadas certificadas que passaram por inspeção, NDT e ensaios de vácuo e de pressão, com dossiê documental e garantia escrita. Quando um local está substituindo equipamento que libera produto em excesso, uma unidade usada certificada pode ser expedida de estoque em semanas, em vez dos meses que uma fabricação nova normalmente exige.

Perguntas frequentes

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