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Montag, 22 Juni 2020 08:34

Explosionsschutz in der Oberflächentechnik (Teil 3)

von Prof. Dr. W. Hasenpusch
Geschätzte Lesezeit: 5 - 9 Minuten

Der Explosionsschutz in Unternehmen mit explosionsfähigen Lösungsmitteln und Stäuben vollzieht sich in der Regel bestenfalls formal. Eigene Erfahrungen mit Explosionen verbleiben zumeist im Dunkeln, vor allem beim Ausbleiben größerer Schäden. Aber selbst die Ursachen großer Explosions-Unglücke gelangen allzu oft nicht an die Öffentlichkeit, zum Schaden der zahlreichen Unternehmen mit späteren analogen Katastrophen.

Aus versicherungstechnischen Gründen und Angst vor juristischen Konsequenzen und Imageschäden verbleiben Explosionsursachen trotz umfangreicher Bemühungen meistens im Verborgenen. Explosionsschutz ist mehr als das Befolgen von gesetzlichen und untergesetzlichen Vorschriften: es umfasst auch das Lernen aus Vorkommnissen, den Austausch entsprechender Erfahrungen sowie umfangreiche Schulungen, vor allem im Bereich des präventiven Explosionsschutzes.

4 Explosionsschutz-Maßnahmen

Ein bedeutendes Kapitel im Explosionsschutz stellen die Schutz-Maßnahmen dar. Sicherheits-Experten unterscheiden dabei primäre-, sekundäre und tertiäre Explosionsschutz-Maßnahmen.

4.1 Primäre Schutzmaßnahmen

Abb. 14: Explosions-Bereich des Gasgemisches Methan/Luft-Sauerstoff/Inertgas (N2, Argon)Abb. 14: Explosions-Bereich des Gasgemisches Methan/Luft-Sauerstoff/Inertgas (N2, Argon)Der primäre Explosionsschutz beschreibt Maßnahmen, die das Ausbilden einer explosiven Situation von vornherein verhindern.
 
Die Vermeidung einer explosionsfähigen Atmosphäre beispielsweise muss planmäßig herbeigeführt werden. Das lässt sich auch durch Substitution der Lösungsmittel und explosionsfähigen Gase herbeiführen.

Ist ein Ersatz der Reaktionspartner durch weniger explosible Komponenten nicht möglich, können auch Mischungen mit Inertgas, wie Stickstoff oder Argon, mitunter auch Wasserdampf oder Kohlendioxid nützlich sein. So entfallen die Explosionsgrenzen von Methan in Luft mit einem Sauerstoff-Anteil von 21 Vol.-% auf 4,4 und 19 Vol.-% (Abb. 14). Ab einem Inertgas-Anteil von 40 Vol.-% ist nicht mehr mit einer Explosion zu rechnen [16]. 

Eine hilfreiche primäre Schutzmaßnahme sind auch Reaktions-Matrizen für Produktions-Bereiche: welche Stoffe können im bestimmungsgemäßen- und nicht bestimmungsgemäßen Betrieb zusammentreffen. Damit lassen sich physikalische Explosionen und nichtkompatible Systeme leichter erkennen und gegebenenfalls durch Experten-Meinungen oder Versuche überprüfen.
 
Ein wichtiges Augenmerk liegt auch auf der präventiv sicheren Lagerung: Lager-Konzepte berücksichtigen weite Abstände bzw. isoliertes Lagern von explosionsgefährlichen Stoffen wie auch Zusammenlagerungs-Verbote.

Abb 15: Warnhinweis für einen explosions- gefährlichen Industrie-Bereich (Foto: CEphoto, Uwe Aranas)Abb 15: Warnhinweis für einen explosions- gefährlichen Industrie-Bereich (Foto: CEphoto, Uwe Aranas)Vorab-Recherchen über den explosiven Zerfall von Chemikalien unter dem Einfluss verschiedener Parameter, wie Temperatur, Druck, Atmosphäre oder über stark exotherme Reaktionen, wie Polymerisation, Oxidation, Neutralisation helfen des weiteren, Verfahren unter allen Gegebenheiten zu beherrschen.

Schließlich sei noch auf eine fast triviale Sicherheits-Maßnahme hingewiesen. Da ihr mitunter wenig konsequente Beachtung geschenkt wird, ist sie jedoch umso gefährlicher: die strikte Zugangskontrolle für Ex-Bereiche. Wie leicht können Kollegen aus anderen Bereichen, Besucher, Kunden u. a. schnell und unbeaufsichtigt in den Ex-Betrieb gelangen, ohne auf alle sicherheitstechnischen Verhaltensmaßnahmen zu achten. Einer umfassenden und aufrechterhaltenen Kennzeichnung der Ex-Bereiche kommt daher eine hohe Bedeutung zu (Abb. 15).

4.2 Sekundäre Schutzmaßnahmen

Der sekundäre Explosionsschutz verhindert, dass eine explosive Atmosphäre nicht explodiert. Es geht um das Verhindern oder Unwirksamwerden von Zündquellen.
 
Um in den ausgewiesenen Ex-Zonen eine Explosion zu verhindern, dürfen keine wirksamen Zündquellen verwendet werden. Jegliche Möglichkeit einer Zündung muss rigoros und permanent ausgeschlossen sein. Daher haben sich die Anlagen-Betreiber immer wieder zu vergegenwärtigen, welche Zündquellen möglicherweise auftreten können, am besten auch mit Hilfe einer Check-Liste.  
 
Bei Wartungsarbeiten sind besondere Vorsichtsmaßnahmen zu treffen. Erlaubnis-Scheine (Begeh- oder Feuer-Erlaubnis) müssen mit besonderer Sorgfalt ausgefüllt und besprochen werden.
 
Je höher und länger die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre ist, desto höher sind die Anforderungen an die dort eingesetzten Geräte. Die Ausdehnung einer explosionsgefährdeten Zone hängt von der austretenden Menge des betrachteten Stoffs und den eingeleiteten sekundären Explosionsschutz-Maßnahmen, wie Lüftung oder Gas-Warnanlagen ab. 
 
Ferner sind die spezifischen Eigenschaften des Stoffes bei der Zonenfestlegung zu beachten: Dazu zählen maximale Temperaturen an den Anlagen-Teilen, Dichte in Relation zur Luft, Untere und Obere Explosionsgrenze, maximaler Explosionsdruck und Druckaufbau-Geschwindigkeit.

Hasenpusch Abb 16Abb. 16: Dichten gasförmiger Betriebsmittel in Relation zum Atom-/Molekulargewicht Damit Absaugungen an den richtigen Stellen zum Einsatz kommen, sind die Dichten von gefährlichen Gasen unter Beachtung der Temperaturen im Verhältnis zur Luftdichte bedeutsam (Abb. 16): Wasserstoff, Methan und Ammoniak beispielsweise sind bei Raumtemperatur deutlich leichter als Luft und können sich in weniger durchlüfteten Decken-Bereichen ansammeln.

Durch Lüftungsmaßnahmen lässt sich das Erreichen von Explosionsgrenzen in den Ex-Zonen unterdrücken oder eine Ex-Zone mit geringeren Anforderungen zeigt sich als hinreichend. Auch besteht die Möglichkeit, bei Überschreitung eines Grenzwertes über entsprechende Gas-Sensoren geeignete Raum- oder Objekt-Lüftungen einzuschalten oder nicht explosionsgeschützte Betriebsmittel abzuschalten. Explosionsgefährdete Betriebe mit explosiven Flüssigkeiten oder Gasen leiten derartige Sicherheitsmaßnahmen bereits bei 50 % der in Frage kommenden Unteren Explosions-Grenzen ein.
 
Explosive Feststoffe können unterkühlt, feucht gehalten oder mit Inert-Materialien stark verdünnt werden.

4.3 Tertiäre Schutzmaßnahmen

Nicht immer lassen sich die Explosions-Risiken durch Auswahl geeigneter primärer und sekundärer Schutzmaßnahmen ganz vermeiden. In dem Fall kommen unausweichlich tertiäre, d. h. zusätzliche Explosionsschutz-Maßnahmen zur Anwendung, um die Auswirkungen einer Explosion zu beherrschen und zu begrenzen. Material-Schäden sollen in engen überschaubaren Grenzen bleiben, eine Gefährdung der Mitarbeiter muss völlig ausgeschlossen sein.
 
Tertiäre Explosionsschutz-Maßnahmen sind z. B. bei pneumatischer Förderung explosionsfähiger Stäube oder in Silos und Bunker mit organischen Pulvern zu treffen, bei denen das Entstehen (Reibung, Elektrostatik) oder Einbringen von Glimmnestern (Funken) möglich ist.

Abb. 17: Auf speziellen Überdruck abgestimmte Berstscheibe (Platzmembrane) nach der Explosion (A), im Original (B)Abb. 17: Auf speziellen Überdruck abgestimmte Berstscheibe (Platzmembrane) nach der Explosion (A), im Original (B)Die folgenden Schutzmaßnahmen sind möglich und auf ihre spezielle Tauglichkeit zu überprüfen [16]:

  • konstruktiver Explosionsschutz durch explosionsdruck- oder explosionsdruckstoßfeste Bauweise von Apparaten und Bauwerken, die dem Explosionsdruck standhalten
  • Einbau von Flammen-Durchschlagsicherungen (Metallsiebe), die eine Flammenfront in Leitungen soweit abkühlen, dass eine Explosion räumlich begrenzt bleibt
  • Flammensperren in Rohrleitungen durch Abtauchungen in Wasser, die eine Explosions-Flammenfront unterbrechen
  • automatische Schnellschlusseinrichtungen in Verbindung mit geeigneten IR-Detektoren, die mit einer ausreichend kurzen Reaktionszeit Ventile in angeschlossenen Rohrleitungen schließen
  • autark arbeitende Verschlussventile in Rohrleitungen für Gase, die bei plötzlichem Druckanstieg Leitungsabschnitte absperren
  • Explosions-Unterdrückung durch kühlende, inertisierende Löschmittel, die nach Aktivierung schlagartig in das zu schützende System (z. B. Silo) eingesprüht werden
  • Druckentlastungs-Einrichtungen, wie Druckentlastungs-Klappen oder Berstscheiben (Abb. 17), die den Explosionsdruck auf ein beherrschbares Maß begrenzen. Dabei sind relativ große Entlastungsflächen erforderlich, die risikolos ins Freie abblasen lassen. 

5 Geräte in explosionsgefährdeten Zonen

Geräte, die für den Einsatz in explosionsgefährdeter Atmosphäre einsetzbar sind, unterliegen nach der Europäischen Norm EN 60079-0:2009 einer Einteilung in drei Gruppen. Nach der ermittelten Ex-Zone, erfolgen die darin verwendbaren Geräte-Kategorien.

5.1 Geräte-Gruppen

Gruppe I steht für „schlagwettergefährdete Bergwerke“, wie sie im Kohlebergbau vorkommen. Sie ist vom jeweiligen explosiven Stoff abhängig. Die Gefährdung nimmt von IA nach IC zu.

Gruppe II steht für „explosionsfähige Gase“ mit den Untergruppen IIA, IIB und IIC. Der Untergruppe A sind zum Beispiel Diesel, Benzin, Ethan, Methan, Kohlenmonoxid zugeordnet. Zur Untergruppe B gehören beispielsweise Stadtgas (Methan) und Ethylen.

Die Untergruppe C fasst Wasserstoff, Acetylen und Schwefelkohlenstoff zusammen.

Gruppe III beinhaltet explosionsfähige Stäube. Dazu zählen sowohl die organischen Pulver als auch die anorganischen leicht oxidierbaren Metall-Pulver. Als Untergruppen sieht die Norm IIIA für Fasern, IIIB für nichtleitfähige Stäube und IIIC für leitfähige Stäube vor.

5.2 Kennzeichnungen

Gerätekategorien sind in der ATEX-Richtlinie 2014/34/EU definiert. International wird für den Begriff „Geräteschutzniveau“ die Bezeichnung „Equipment Protection Level“, EPL, verwendet [29].
 
Nach der ATEX-Richtlinie 94/9/EG steht der Buchstabe „G“ für Gas, „D“ (engl.: dust) für Staub. 
Geräte der Kategorie 1G/1D bzw. EPL Ga/D dürfen in Zone 0 (Kategorie 1G) bzw. Zone 20 (Kategorie 1D) eingesetzt werden. Bei diesem höchsten Schutzniveau dürfen selbst zwei Fehler am Gerät nicht zu einer Zündung führen.
 
Geräte der Kategorie 2G/2D bzw. EPL Gb/Db sind Zone 1 (Kategorie 2G) bzw. Zone 21 (Kategorie 2D) geeignet.

Geräte der Kategorie 3G/3D bzw. EPL Gc/Dc genügen in ihren Anforderungen den Ex-Zonen 2 (Kategorie 3G) bzw. Zone 22 (Kategorie 3D).

6 Zusammenfassung

Explosionen sind die grausamsten Ereignisse, die Produktionsstätten heimsuchen können. Daher ist der Explosionsschutz durch eine Vielzahl von Gesetzen, Normen, Kenndaten und Vorschlägen gekennzeichnet.

Leider sind diese ohnehin schon komplexen formalen Zusammenhänge und Vorgehensweisen aber nur die eine Seite der Medaille im Explosionsschutz. Auf der anderen Seite verbergen sich die zahlreichen Lehren, die Kollegen bitter erfahren mussten, ohne dass Folgegenerationen daraus ihre Lehren ziehen können. 

Wie viele Explosionen ereigneten sich in Labor-Kühlschränken, mit Ethern, Peroxiden, Oxidationsmitteln aller Art oder katalytische Zersetzungen und Wasserstoff-Einlagerungen in chemisch gefällten Metall-Pulvern?
 
Ob das alles bei den Gefährdungs-Beurteilungen immer vollständig ins Visier genommen wird?
 

Referenzen

[1] 65. Tutzing-Symposion 2017: Risiken wahrnehmen, analysieren und kommunizieren – Erosion des Standortes Deutschland? Evangelische Akademie Tutzing, Starnberger See, 25.–27.09.2017
[6] Hasenpusch, W.: Explosive Reaktionen mit Edelmetallverbindungen, Chem. Ztg. 2 (1987) 57
[7] Hasenpusch, W.: Explosive Reaktions with PGM, Vortrag und Publikation, IPMI-Tagung, Brüssel, 1987
[8] Hasenpusch, W.: Explosivität von Tetramminmetallnitraten, J. prakt. Chem. 335 (1993), 193
[9] Hasenpusch, W.: Explosive Reaktionen in der Galvanotechnik, Galvanotechnik; 86 (1995), 64
[10] Hasenpusch, W.: Explosionen in Kühlschrank, Chem. Lab. Biotech., 5 (1995), 212
[11] Knothe, M.; Hasenpusch, W.: Formation of Explosive Chlorine- Nitrogen Compounds during the Reaktion of Ammonium Compounds with Chlorine, Inorg. Chem. 35 (1996), 4529
[12] Hasenpusch, W.: Explosive Reaktionen in der Galvanotechnik II, Galvanotechnik; 87 (1996), 87
[13] Hasenpusch, W.: Vorsorge gegen Feuer- und Explosion, Galvanotechnik 10 (2006)
[14] Hasenpusch, W.: Verwechseln von Chemikalien, Galvanotechnik, 2 (2007), 320-327
[15] Hasenpusch, W.: Ein brisantes „unheimliches“ Oxidans, Ammoniumnitrat – ein Wolf im Schafspelz, CLB, 01/02 (2013) 18–26 
[17] DIN V 14011
[18] Bretherick’s Handbook of Reactive Chemical Hazards, 7. Aufl., Hardcover ISBN: 9780123725639; eBook ISBN: 9780080523408, Preis: je 642 US-$; Sept. 2006, 2.680 Seiten
[19] ATEX-Richtlinie 2014/34/EU
[20] ATEX-Richtlinie 1999/92/EG
[21] Verordnung zum Schutz vor Gefahrstoffen (Gefahrstoffverordnung – GefStoffV) vom 26.11. 2010 (BGBl. I S 1643) mit Änderung vom 15.11. 2016 (BGBl. I S 2549) 
[29] IEC 60079-0, Norm der Internationalen elektrotechnischen Organisation (Kooperation)
 

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 6
  • Jahr: 2020
  • Autoren: Prof. Dr. W. Hasenpusch, Universität Siegen, Siegen

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