Deficiência e Enriquecimento de Oxigénio: Noções de Segurança Criogénica

O perigo de deficiência de oxigénio no trabalho criogénico existe porque o azoto e o árgon são incolores e inodoros e um pequeno volume de líquido gera um grande volume de gás que desloca o ar sem aviso. O oxigénio líquido cria o inverso, uma atmosfera enriquecida onde o fogo alastra mais facilmente.

Ambas as situações são bem conhecidas e ambas se controlam com as mesmas medidas básicas: manter o equipamento criogénico no exterior ou em zonas devidamente ventiladas, monitorizar o oxigénio 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 contacto com o líquido frio e com superfícies frias, e os controlos práticos que os operadores de instalações e os compradores de equipamento devem esperar encontrar.

O que é um perigo de deficiência de oxigénio?

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

O perigo não está na toxicidade do gás que desloca o ar. O azoto e o árgon não são tóxicos. O perigo está em ocuparem o espaço que o ar ocuparia, sem que o corpo humano dê qualquer aviso fiável de que a fração de oxigénio 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 oxigénio se gere com engenharia e monitorização, em vez de se confiar em que as pessoas a detetem.

Porque é que o azoto e o árgon deslocam o oxigénio tão depressa?

Os líquidos criogénicos são armazenados a temperatura muito baixa e expandem-se enormemente quando aquecem até às condições ambiente. Um volume de azoto líquido transforma-se em cerca de 696 volumes de gás em condições normais, e o árgon líquido expande-se cerca de 847 vezes. Uma libertação 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 oxigénio é levado a sério no serviço criogénico. 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, pelo que tende a acumular-se em fossos, valas, caves e pontos baixos
• À medida que aquece, o gás mistura-se com o ar e dispersa-se, razão pela qual as instalações ao ar livre são intrinsecamente mais seguras
• A evaporação normal de um tanque é contínua, pelo que mesmo sem fuga uma sala vedada acumula gás ao longo do tempo
• As descargas de respiro e de alívio libertam gás por conceção, e não por avaria, e têm de terminar num local seguro
• As operações de purga e de arrefecimento libertam gás inerte deliberadamente e exigem os mesmos controlos

Se precisar dos cálculos para dimensionamento ou para uma avaliação de riscos, a nossa referência sobre as razões de conversão de líquido criogénico 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 concentra-se em locais específicos onde o gás se pode acumular ou onde as pessoas estão perto de um ponto de libertação.

• Salas de enchimento de garrafas, salas de bombas e qualquer zona de processo interior que manuseie líquido criogénico
• Fossos, caixas de recolha, valas, caves e câmaras de inspeção abaixo da zona do tanque
• Espaços confinados, incluindo recipientes, tanques e tubagens em que se entra para manutenção
• Cabinas de veículos, carrinhas pequenas e espaços de transporte fechados que transportem recipientes de líquido criogénico
• Câmaras frigoríficas, laboratórios e zonas de armazenamento fechadas com vasos dewar ou recipientes MicroBulk
• Zonas 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 azoto praticamente não contém oxigénio, e os procedimentos de entrada existem precisamente porque a atmosfera no interior não dá qualquer aviso sensorial.

Porque é que o enriquecimento em oxigénio do LOX é um risco de incêndio?

O oxigénio líquido cria a condição inversa. O oxigénio em si não arde, mas alimenta a combustão, e numa atmosfera enriquecida em oxigénio os materiais entram em ignição com menos energia e ardem mais depressa e a temperatura mais elevada do que no ar normal. O vestuário que absorveu oxigénio pode inflamar-se com facilidade e arder rapidamente.

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

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

O nosso guia sobre segurança e seleção de tanques de oxigénio líquido aborda com mais detalhe a limpeza para oxigénio, a compatibilidade de materiais e a implantação, para quem esteja a especificar equipamento de LOX.

Como é que os monitores de oxigénio e a ventilação controlam o perigo?

A ventilação remove o gás acumulado e a monitorização 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 deteta.

Monitorização fixa de oxigénio

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

Monitores individuais e ventilação

• Monitores individuais de oxigénio para quem entre em fossos, espaços confinados ou zonas sem deteção fixa
• Ventilação mecânica dimensionada para o volume fechado e para a libertação 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 vigilante no exterior sempre que exigido

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

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

Para além da atmosfera, os líquidos criogénicos apresentam riscos físicos diretos resultantes do frio extremo. São riscos simples de controlar com manuseamento e equipamento corretos.

Queimaduras pelo frio e congelação

O contacto com líquido criogénico, com vapor frio ou com tubagem fria não isolada provoca lesões nos tecidos semelhantes a uma queimadura. A pele pode colar-se por congelação a uma superfície fria não isolada, e a lesão pode estar feita antes de a pessoa conseguir afastar-se. As projeções para os olhos são uma preocupação particular, e é por isso que se usa proteção facial durante as operações de trasfega.

Fratura frágil dos materiais

Muitos materiais dúcteis à temperatura ambiente tornam-se frágeis à temperatura criogénica 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 criogénico derramado deve ser mantido afastado do aço estrutural corrente, do betão e do asfalto, que podem fissurar quando arrefecidos.

Líquido retido e aumento de pressão

O líquido criogénico retido entre duas válvulas fechadas aquece e expande sem qualquer via de alívio. Os troços 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 manuseamento de líquidos criogénicos?

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

• Viseira sobre óculos de proteção em qualquer operação em que sejam possíveis projeções
• Luvas criogénicas 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 oxigénio onde não exista deteção fixa
• No trabalho com oxigénio, vestuário isento de contaminação por óleo e massa

A formação é tão importante como o equipamento. Os operadores devem conhecer as propriedades do produto que manuseiam, a localização dos monitores e dos alarmes, o percurso 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 é que a seleção do equipamento reduz estes perigos?

Equipamento bem especificado elimina as libertações de rotina em vez de as gerir. Um tanque com o vácuo intacto e com um circuito economizador em funcionamento liberta 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 o libertar
• 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 oxigénio para LOX
• Uma leitura de vácuo a cada 6 a 12 meses, para que a degradação seja encontrada antes de se traduzir em libertações
• 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 na virola exterior e um aumento de pressão mais rápido do que o normal apontam todos para perda de vácuo, o que aumenta as libertações e, por isso, o gás lançado na zona envolvente. O nosso artigo sobre a perda de vácuo em tanques criogénicos 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 a substituir equipamento que liberta produto em excesso, uma unidade usada certificada pode ser expedida de stock em semanas, em vez dos meses que um fabrico novo normalmente exige.

Perguntas frequentes

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