Phân Vùng Nguy Hiểm Zone 0/1/2 Và Zone 20/21/22 Khác Nhau Thế Nào?

Một chủ đầu tư nhà máy hóa chất từng yêu cầu đơn vị thiết kế mua toàn bộ thiết bị điện đạt cấp bảo vệ cao nhất cho Zone 0 lắp cho toàn bộ xưởng sản xuất. Lý do đưa ra rất đơn giản: "Mua loại an toàn nhất cho chắc chắn".

Kết quả là ngân sách cho hệ thống điện tăng vọt gấp nhiều lần. Tồi tệ hơn, dự án rơi vào bế tắc vì nhiều thiết bị công nghiệp công suất lớn như máy nén, quạt thông gió hay đèn chiếu sáng diện rộng vốn không tồn tại phiên bản chuẩn Zone 0 trên thị trường.

Đây là sai lầm phổ biến do chưa hiểu đúng bản chất của phân vùng nguy hiểm (Hazardous Area Classification). Việc xác định đúng ranh giới Zone 1, Zone 2 hay Zone 21 không chỉ bảo vệ tính mạng con người mà còn quyết định sự khả thi về mặt kinh tế của dự án.

Để hiểu bức tranh tổng thể về tiêu chuẩn và thiết bị Ex, bạn có thể tham khảo bài viết tổng quan về phòng nổ trong nhà máy. Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào kỹ thuật phân vùng theo chuẩn quốc tế IEC 60079.

---

Vì sao phải phân vùng nguy hiểm thay vì lắp thiết bị Zone 0 cho cả nhà máy?

Trong bất kỳ cơ sở công nghiệp nào có xuất hiện chất cháy, khả năng xảy ra cháy nổ không giống nhau ở mọi vị trí. Một bồn chứa dung môi kín có nguy cơ bộc phát cháy nổ hoàn toàn khác với hành lang thông thoáng nằm cách đó 10 mét.

Phân vùng nguy hiểm là quá trình phân tích và xếp loại môi trường dựa trên xác suất xuất hiện cùng thời lượng tồn tại của khí nổ hoặc mây bụi cháy. Quá trình này đem lại hai giá trị cốt lõi:

1. Tối ưu hóa chi phí đầu tư: Thiết bị điện dành cho môi trường có nguy cơ rất cao (như Zone 0 hoặc Zone 20) đòi hỏi cấp bảo vệ EPL Ga hoặc Da với kết cấu phức tạp và chi phí đắt đỏ. Việc phân vùng chính xác giúp nhà máy chỉ đầu tư thiết bị cấp cao tại đúng vị trí nguy hiểm, các khu vực còn lại dùng thiết bị EPL Gb, Gc hay Db, Dc với chi phí hợp lý hơn.
2. Đảm bảo tính khả thi về mặt kỹ thuật: Các dạng bảo vệ dùng cho Zone 0 (như an toàn nội tại Ex ia) bị giới hạn ngặt nghèo về công suất và dòng điện để không tạo ra tia lửa hay nguồn nhiệt. Nhờ phân vùng đúng, các khu vực phụ trợ như Zone 1 hoặc Zone 2 có thể sử dụng các dạng bảo vệ khác như vỏ cách nổ Ex d hay tăng cường an toàn Ex e, cho phép vận hành các thiết bị công suất lớn.

---

Phân vùng nguy hiểm cho môi trường khí và hơi cháy (IEC 60079-10-1)

Tiêu chuẩn IEC 60079-10-1 quy định việc đánh giá và phân chia các khu vực có sự hiện diện của khí, hơi hoặc sương mồi cháy thành 3 vùng: Zone 0, Zone 1 và Zone 2.

       [Tần suất & Thời lượng khí cháy xuất hiện]
 -------------------------------------------------------->
 Zone 2                     Zone 1                Zone 0
 (< 10 giờ/năm)       (10 - 1000 giờ/năm)      (> 1000 giờ/năm)
 EPL Gc                    EPL Gb                 EPL Ga
 Category 3G               Category 2G            Category 1G

Zone 0: Nguy cơ xuất hiện liên tục

• Định nghĩa: Khu vực mà khí quyển nổ hiện diện liên tục, kéo dài hoặc thường xuyên xuất hiện.
• Thời lượng tham chiếu: Trên 1000 giờ/năm.
• Cấp bảo vệ thiết bị bắt buộc: EPL Ga (tương ứng với nhãn ATEX Category 1G).

Trong Zone 0, khí cháy hầu như luôn có mặt. Do nguy cơ đạt mức cực hạn, số lượng chủng loại thiết bị điện được phép lắp đặt ở đây bị hạn chế tối đa. Thiết bị phổ biến nhất trong Zone 0 là các cảm biến đo mức, cảm biến nhiệt độ vận hành theo dạng bảo vệ an toàn nội tại Ex ia (chịu được tới 2 lỗi độc lập mà không phát ra dung lượng nhiệt hay tia lửa mồi cháy).

Zone 1: Nguy cơ trong vận hành bình thường

• Định nghĩa: Khu vực có khả năng xuất hiện khí quyển nổ trong điều kiện vận hành bình thường của nhà máy.
• Thời lượng tham chiếu: Từ 10 giờ/năm đến 1000 giờ/năm.
• Cấp bảo vệ thiết bị bắt buộc: EPL Gb (tương ứng với nhãn ATEX Category 2G) hoặc EPL Ga.

Zone 1 là khu vực trọng yếu tại hầu hết các phân xưởng hóa chất, dầu khí và dược phẩm. Các thao tác kỹ thuật như lấy mẫu, nạp nguyên liệu, xả đáy hay hoạt động của đệm kín van, đệm kín bơm đều có thể giải phóng khí cháy ra không khí.

Để đáp ứng Zone 1, thiết bị điện thường áp dụng dạng bảo vệ vỏ cách nổ Ex d (hoặc Ex db), tăng cường an toàn Ex e (hoặc Ex eb), bao đúc Ex m, điều áp Ex p, hoặc an toàn nội tại Ex ib. Kỹ sư có thể lựa chọn các dòng hộp nối dây như BXJ8050, tủ điện phân phối BXMD8050 hoặc các trạm điều khiển BZC8050 trong danh mục sản phẩm thiết bị phòng nổ đạt cấp EPL Gb.

Zone 2: Nguy cơ bất thường hoặc sự cố ngắn

• Định nghĩa: Khu vực không xuất hiện khí nổ trong điều kiện vận hành bình thường. Nếu xuất hiện, khí nổ chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian rất ngắn (thường do rò rỉ sự cố).
• Thời lượng tham chiếu: Dưới 10 giờ/năm.
• Cấp bảo vệ thiết bị bắt buộc: EPL Gc (tương ứng ATEX Category 3G), hoặc các thiết bị cấp cao hơn như EPL Gb, Ga.

Zone 2 chiếm diện tích lớn nhất trong các phân xưởng. Nguy cơ ở Zone 2 chỉ xảy ra khi mặt bích bị hở, đệm kín hỏng hoặc đường ống rò rỉ. Thiết bị lắp tại đây có thể dùng dạng bảo vệ không phát tia lửa Ex ec (trước đây là Ex nA), an toàn nội tại Ex ic, hoặc dùng chung thiết bị của Zone 1.

---

Phân vùng nguy hiểm cho môi trường bụi cháy (IEC 60079-10-2)

Rất nhiều kỹ sư mắc sai lầm khi áp dụng khái niệm Zone 0/1/2 cho nhà máy chế biến nông sản hay bột mì. Tiêu chuẩn IEC 60079-10-2 tách riêng môi trường bụi thành 3 vùng khác: Zone 20, Zone 21 và Zone 22.

       [Tần suất & Thời lượng mây bụi xuất hiện]
 -------------------------------------------------------->
 Zone 22                    Zone 21               Zone 20
 (Hiếm khi / Ngắn)    (Vận hành bình thường)    (Liên tục / Thường xuyên)
 EPL Dc                    EPL Db                 EPL Da
 Category 3D               Category 2D            Category 1D
 IP5X / IP6X               IP6X                   IP6X

Vì sao bụi cháy phải chia vùng riêng?

Khí cháy khuếch tán nhanh và hòa trộn đồng đều với không khí. Bụi cháy thì hoàn toàn khác. Bụi tồn tại ở hai trạng thái:

1. Đám mây bụi (Dust cloud): Bụi lơ lửng trong không khí. Khi gặp nguồn mồi nhiệt hoặc tia lửa điện, đám mây bụi sẽ gây ra vụ nổ bùng phát thứ nhất, làm rung chuyển nhà xưởng và hất tung các lớp bụi đang lắng đọng.
2. Lớp bụi đọng (Dust layer): Bụi lắng trên bề mặt vỏ thiết bị, vỏ động cơ, thân đèn. Lớp bụi này đóng vai trò như một lớp cách nhiệt. Nhiệt độ thiết bị không thể thoát ra ngoài làm bề mặt nóng dần lên, dẫn đến tự bốc cháy hoặc cháy âm ỉ rồi bùng phát thành vụ nổ thứ hai (thường có sức phá hủy lớn hơn vụ nổ ban đầu).

Vì lý do này, ngoài thời lượng lơ lửng của mây bụi, tiêu chuẩn cho bụi đặc biệt nhấn mạnh vào Cấp bảo vệ vỏ (Chỉ số IP) và Kiểm soát nhiệt độ bề mặt tối đa.

Zone 20: Mây bụi xuất hiện liên tục

• Định nghĩa: Khu vực mà đám mây bụi cháy được hiện diện liên tục, kéo dài hoặc thường xuyên dưới dạng mây bụi lơ lửng.
• Cấp bảo vệ thiết bị: EPL Da (ATEX Category 1D).
• Yêu cầu chỉ số kín bụi: Bắt buộc tối thiểu IP6X (chống bụi hoàn toàn).

Zone 20 thường nằm kín bên trong các thiết bị công nghệ như silo chứa nguyên liệu, ống dẫn liệu khí nén, phễu nhận liệu kín hoặc bên trong máy trộn bột.

Zone 21: Mây bụi xuất hiện khi vận hành bình thường

• Định nghĩa: Khu vực có khả năng xuất hiện mây bụi cháy lơ lửng trong điều kiện vận hành bình thường của dây chuyền.
• Cấp bảo vệ thiết bị: EPL Db (ATEX Category 2D).
• Yêu cầu chỉ số kín bụi: Bắt buộc tối thiểu IP6X.

Zone 21 thường xuất hiện tại các vị trí trút bao nguyên liệu hở, miệng xả của hệ thống lọc bụi xyclon, khu vực đóng bao hoặc điểm trung chuyển của băng tải. Thiết bị điện dùng tại Zone 21 cần áp dụng dạng bảo vệ bằng vỏ Ex tb kết hợp chỉ số IP66 như hộp đấu nối BXJ95 hay đèn pha HRY97.

Zone 22: Mây bụi xuất hiện bất thường

• Định nghĩa: Khu vực không xuất hiện mây bụi cháy khi vận hành bình thường. Nếu xuất hiện thì chỉ tồn tại thời gian ngắn do sự cố hoặc rò rỉ.
• Cấp bảo vệ thiết bị: EPL Dc (ATEX Category 3D).
• Yêu cầu chỉ số kín bụi:
  • Tối thiểu IP5X đối với bụi không dẫn điện (Nhóm IIIB như bột mì, đường, bụi gỗ).
  • Tối thiểu IP6X đối với bụi dẫn điện (Nhóm IIIC như bụi nhôm, bụi than, graphit).

---

Chi tiết phân vùng nguy hiểm điển hình theo từng ngành công nghiệp

Mỗi ngành công nghệ có đặc thụ quy trình riêng. Dưới đây là cách phân vùng nguy hiểm thực tế được trích xuất từ các hồ sơ kỹ thuật chuẩn hóa:

1. Phân xưởng sản xuất tại nhà máy dược phẩm

Dược phẩm là ngành sử dụng kết hợp cả dung môi hữu cơ dễ bay hơi và các loại bụi dược chất, phụ gia.

• Zone 0: Không gian khoảng hơi phía trên mức chất lỏng bên trong các bồn chứa dung môi (cồn IPA, acetone), bên trong cột chưng cất thu hồi dung môi.
• Zone 1: Khu vực chia rót dung môi trực tiếp; khu vực quanh cửa thao tác nạp/xả của lò phản ứng API; bên trong thiết bị nồi bao phim khi vận hành bằng dung môi hữu cơ.
• Zone 2: Kho chứa dung môi đóng can/phuy có hệ thống thông gió cưỡng bức; hành lang kỹ thuật liền kề phòng pha chế; bán kính 1 m tính từ cửa mở của nồi bao phim.
• Zone 21: Không gian bên trong máy tạo hạt tầng sôi, máy sấy tầng sôi, phễu chứa bột dược chất hở.

2. Công trình khai thác và chế biến ngành dầu khí

• Zone 0: Bên trong két chứa dầu thô, bình tách lọc ba pha, đường ống dẫn khí đồng hành.
• Zone 1: Vùng không gian xung quanh đệm kín van, đệm kín trục bơm dầu thô, máy nén khí; rãnh thoát nước thải nhiễm dầu hở; điểm lấy mẫu chất lỏng hở.
• Zone 2: Vùng không gian mở rộng xung quanh các mặt bích đường ống, khớp nối cơ khí, đệm van trong điều kiện thông gió tự nhiên tốt.

3. Dây chuyền sản xuất ngành sơn và mực in

• Zone 1: Không gian bên trong buồng phun sơn khi súng phun đang hoạt động; khu vực khuấy trộn nhựa và dung môi pha sơn.
• Zone 2: Vùng không gian có bán kính từ 1 m đến 3 m tính từ các cửa hở của buồng phun sơn; khu vực xung quanh miệng ống xả khí thải nhà sơn.

4. Phân xưởng chế biến ngành thực phẩm

• Zone 20: Bên trong silo chứa bột mì, đường tinh luyện, ca cao; bên trong máy nghiền hạt, xyclon thu hồi bụi, đường ống vận chuyển bột bằng khí nén.
• Zone 21: Vùng trút bao nguyên liệu bột thủ công; điểm xả liệu hở xuống băng tải; khu vực xung quanh cửa xả của túi lọc bụi.
• Zone 22: Sàn nhà xưởng xung quanh khu vực đóng gói thành phẩm; vùng không gian lân cận các thiết bị chứa bột có đệm kín cơ khí nhưng vẫn có nguy cơ rò rỉ bụi mịn out-site.

5. Khu vực kỹ thuật ngành hàng hải

Áp dụng theo quy định của tiêu chuẩn IEC 60092-502 dành cho tàu biển và công trình biển:

• Zone 0: Bên trong két chứa nhiên liệu, két nước lẫn dầu (oily water tank), ống thông hơi của két chứa.
• Zone 1: Buồng bơm hàng (pump room); vùng không gian mở quanh van thở két chứa nhiên liệu.
• Zone 2: Không gian boong hở nằm phía trên nóc két chứa; vùng không gian mở rộng quanh van xả theo khoảng cách quy định trong IEC 60092-502.

---

Hồ sơ phân vùng nguy hiểm (HAC Dossier) gồm những gì và ai lập?

Phân vùng nguy hiểm không phải là sự ước lượng cảm tính của kỹ sư cơ điện. Đây là một tài liệu pháp lý kỹ thuật bắt buộc có tên gọi Hồ sơ phân vùng nguy hiểm (Hazardous Area Classification Dossier).

Thành phần bắt buộc của Hồ sơ HAC

1. Bản vẽ mặt bằng và mặt cắt phân vùng (Area Classification Drawings): Thể hiện chi tiết phạm vi ranh giới của Zone 0, Zone 1, Zone 2 (hoặc Zone 20, 21, 22) theo chiều ngang và chiều cao bằng các ký hiệu đường nét chuẩn hóa.
2. Danh mục nguồn giải phóng (List of Sources of Release): Liệt kê toàn bộ các điểm có nguy cơ rò rỉ chất cháy ra môi trường (van, đệm bơm, mặt bích, khớp nối, điểm lấy mẫu, cửa xả bụi).
3. Bảng đánh giá thuộc tính chất cháy: Xác định rõ nhóm khí (IIA, IIB, IIC), nhóm bụi (IIIA, IIIB, IIIC), cấp nhiệt độ tự bốc cháy (T1 đến T6 hoặc giá trị nhiệt độ bề mặt tối đa tính bằng °C).
4. Tính toán thông số thông gió: Đánh giá tốc độ lưu chuyển không khí, mức độ thông gió (Cao, Trung bình, Kém) và tính khả thi của hệ thống thông gió cưỡng bức theo tiêu chuẩn IEC 60079-10-1.

Ai chịu trách nhiệm lập hồ sơ phân vùng?

Hồ sơ HAC phải được lập trong giai đoạn thiết kế cơ sở (FEED) hoặc trước khi lựa chọn mua sắm thiết bị. Đơn vị chủ trì lập hồ sơ là Đội ngũ kỹ sư an toàn quy trình (Process Safety Engineers) phối hợp cùng Đội ngũ công nghệ (Process Engineers) của tư vấn thiết kế hoặc của nhà máy. Kỹ sư điện không tự ý vẽ vùng nguy hiểm, mà dựa trên bản vẽ HAC đã approved để tính toán chọn mã thiết bị.

Các nhà cung cấp thiết bị phòng nổ uy tín sẽ căn cứ trực tiếp vào Hồ sơ HAC này để xuất mã sản phẩm tương thích. Ví dụ: Nếu bản vẽ ghi Zone 1, Nhóm IIB, Cấp T4, đơn vị tư vấn thiết bị sẽ đề xuất dòng đèn tuýp chống nổ BAY51-Q-LED hay trạm điều khiển vỏ GRP BZC8050 tại trang sản phẩm đạt chuẩn EPL Gb.

---

Bảng tổng hợp so sánh các phân vùng nguy hiểm

Để giúp kỹ sư dễ dàng tra cứu nhanh, dưới đây là bảng tổng hợp thuộc tính của toàn bộ 6 phân vùng nguy hiểm theo chuẩn IEC:

Vùng	Loại chất nguy hiểm	Mức độ xuất hiện	Cấp bảo vệ EPL	Nhãn ATEX tương đương	Chỉ số IP tối thiểu	Dạng bảo vệ Ex thông dụng
Zone 0	Khí / Hơi / Sương	Liên tục (> 1000h/năm)	Ga	Category 1G	IP65	Ex ia, Ex ma
Zone 1	Khí / Hơi / Sương	Thường xuyên (10-1000h/năm)	Gb	Category 2G	IP65 / IP66	Ex d, Ex e, Ex ib, Ex p, Ex m
Zone 2	Khí / Hơi / Sương	Hiếm khi (< 10h/năm)	Gc	Category 3G	IP54 / IP65	Ex ec, Ex ic, Ex nC
Zone 20	Đám mây bụi cháy	Liên tục / Kéo dài	Da	Category 1D	IP6X	Ex ta, Ex ia
Zone 21	Đám mây bụi cháy	Khi vận hành bình thường	Db	Category 2D	IP6X	Ex tb, Ex ib
Zone 22	Đám mây bụi cháy	Bất thường / Thời gian ngắn	Dc	Category 3D	IP5X (bụi IIIB) IP6X (bụi IIIC)	Ex tc, Ex ic

Hiểu rõ sự khác biệt giữa từng phân vùng giúp kỹ sư tối ưu hóa chi phí đầu tư, đảm bảo tính khả thi khi vận hành và tuân thủ tuyệt đối các chuẩn mực an toàn kỹ thuật quốc tế IEC 60079.