Explosionsschutz Allgemein

Der Explosionsschutz ist ein Teilgebiet der Technik, das sich mit dem Schutz vor der Entstehung von Explosionen und deren Auswirkungen beschäftigt. Es gehört zum Bereich der Sicherheitstechnik und dient der Verhütung von Schäden durch technische Produkte, Anlagen und anderen Einrichtungen an Personen und Sachen. Der Explosionsschutz wird durch technische Lösungen wie Zündschutzarten und Zoneneinteilung definiert und mit Normen (z. B. IEC oder EN) beschrieben. Grundlage hierzu sind gesetzliche Bestimmungen, wie zum Beispiel die ATEX-Richtlinien der Europäischen Union oder national Electrical Code (NEC) in den USA.

 

ATEX

Begriff

ATEX ist ein weit verbreitetes Synonym für die ATEX-Leitlinien der Europäischen Union. Die Bezeichnung ATEX leitet sich aus der französischen Abkürzung für ATmosphère EXplosibles ab. Die Direktive umfasst aktuell zwei Richtlinien auf dem Gebiet des Explosionsschutzes, nämlich die ATEX-Produktrichtlinie 94/9/EG und die ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG.

Grundlegendes zu den Atex Direktiven

ATEX-Logo

Die Europäische Union (EU) und ihre Vorgängerorganisationen (EG und EWG) haben mittlerweile zahlreiche Beschlüsse zur Harmonisierung des Europäischen Marktes auf den Weg gebracht. Die Hauptaufgabe ist es den freien, ungehinderten Warenverkehr innerhalb der EU zu gewährleisten. Hierzu wurden zahlreiche unharmonisierte nationale Vorschriften vereinheitlicht und zusammengefasst und anschließend in Europäische Normen überführt. Die ATEX-Leitlinie ist eine solche Europäische Richtlinie und stammt aus dem Jahr 1994. Sie deckt Geräte und Schutzsysteme ab, welche in explosionsgefährdeten Bereichen Verwendung finden sollen.

Die ATEX-Leitlinien werden von der Generaldirektion Unternehmen und Industrie der Europäischen Kommission in Zusammenarbeit mit den Mitgliedstaaten, der europäischen Industrie, europäischen Normungsgremien (CEN, CENELEC) und sogenannten benannten Stellen (in Deutschland z. B.: BAM, PTB, ZELMEx oder verschiedene TÜV) ausgearbeitet.

Die ATEX-Richtlinien 94/9/EG und 1999/92 richten sich an die EG-Mitgliedsstaaten. Diese sind somit verpflichtet, in ihrer nationalen Gesetzgebung mindestens die in der Richtlinie definierten Standards in nationales Recht umzusetzen.

Atex Grundlagen

Beim Umgang mit Stoffen, die mit Sauerstoff reagieren können, ist immer dann mit einer Explosionsgefahr zu rechnen, wenn in einem Raumvolumen der brennbare Stoff mit einem bestimmten Partialdruck oder als feinkörniger Staub in der Luft vorliegt. Ein explosives Gas-Luft-Gemisch liegt dann vor, wenn der Anteil des brennbaren Gases oder einer verdampften Flüssigkeit zwischen der unteren (UEG) und oberen (OEG) Explosionsgrenze liegt. Bei Stäuben muss für das Auftreten einer explosionsfähigen Atmosphäre eine ausreichend geringe Größe der Staubkörner und eine Mindestdichte vorliegen.

Eine Explosion ist „eine plötzliche Oxidations- oder Zerfallsreaktion mit Anstieg der Temperatur, des Drucks oder beider gleichzeitig“ (ISO 8421-1, EN 1127-1). Eine Explosion ist nur bei einem bestimmten Mischungsverhältnis von brennbarer Substanz (Gas, Staub) und Luft möglich. Bei Staubexplosionen ist der Körnungsgrad noch ein wichtiger Parameter. Je kleiner die Körner, umso größer ist die Oberfläche und damit steigt die Reaktionsgeschwindigkeit.

In einem Explosionsdreieck können für ein explosionsfähiges Gas-Luft-Inertgas-Gemisch (Angabe des Sauerstoffanteils) verschiedene Bereiche dargestellt werden.

Unterhalb der Strecke BC: Bereich unterhalb der unteren Explosionsgrenze; die Fortpflanzung einer Explosion ist nicht möglich,

Dreieck ABC: explosionsfähiges Gemisch,

Oberhalb der Strecke AC: Bereich oberhalb der oberen Explosionsgrenze; die Fortpflanzung einer Explosion ist nicht möglich,

Bereich rechts vom Punkt C: Aufgrund der Inertisierung des Gemisches ist eine Explosionsfortpflanzung nicht möglich.

Der maximale Explosionsdruck wird bei einem stöchiometrischen Verhältnis von brennbarem Gas und Luft erreicht. Die maximalen Explosionsdrücke von Kohlenwasserstoffen und Luft liegen zwischen 8 und 10 bar. Je weiter die Zusammensetzung eines brennbaren Gas- und Luftgemisches von dem stöchiometrischen Verhältnis abweicht oder ein nicht an der Reaktion beteiligtes Gas (Inertgas) untergemischt wird, umso geringer ist der Temperatur- und Druckanstieg im Falle einer Zündung. Wenn die Temperatur nicht mehr hoch genug ist, um Radikale für die Reaktion zu bilden, dann kann sich eine Explosion nicht weiter fortpflanzen.

Stäube

Die Zündung brennbarer Stäube kann dann erfolgen, wenn der Staub eine geringe Korngröße (in der Regel unter 0,5 mm Partikelgröße) aufweist. Voraussetzung für eine Explosion ist neben einer wirksamen Zündquelle eine ausreichende Dichteverteilung des Staubes in der Atmosphäre. Die hier angewandte untere Explosionsgrenze wird anhand der Staubdichte in der Luft (in g/m³) angegeben. Eine Staubablagerung von weniger als einem Millimeter in einem Raum kann bei Aufwirbelung bereits eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre zur Folge haben. Die Dichteverteilung des Staubes in der Atmosphäre ist zeitlich sehr unterschiedlich. Daher kann im Gegensatz zu den Ansätzen bei gasförmigen explosionsfähigen Stoffen (Bestimmung der Konzentration von Gasen in der Luft über den temperaturabhängigen Partialdruck) keine eindeutige Aussage hinsichtlich des Erreichens der Explosionsgrenzen gegeben werden. Wenn staubförmige Stoffe eine ausreichend feine Körnung aufweisen und in ausreichender Menge vorliegen (zum Beispiel die Mindestschichtdicke von 1 mm in einem Raum überschritten wird), dann besteht prinzipiell die Gefahr einer Staubexplosion und somit müssen Explosionsschutzmaßnahmen ergriffen werden.

Kriterien für die Auswirkung einer Staubexplosion sind

Entsprechend den KSt -werten werden die Staubexplosionsklasse eingeteilt. Als Zündquellen kommen bei Stäuben

in Betracht.

Glimmnester

Besonders bei längerer Verweilzeit von brennbaren Stäuben besteht die Gefahr der Selbstentzündung. Solange ein brennbarer Staub sich in einer nicht bewegten Schüttung entzündet, verläuft nach einer Selbstentzündung die Verbrennung langsam, da wenig Luft zu dem Glimmnest zuströmen kann. Wird allerdings der Staub mit dem Glimmnest durch ein Fördersystem mit hohem Luftanteil ausgetragen, wirkt das Glimmnest als Zündquelle für das zu betrachtende Staub-Luft-Gemisch. Da Glimmnester in vielen technischen Anwendungen nicht ausgeschlossen werden können, müssen für diesen Fall geeignete Maßnahmen vorgesehen werden, um eine Gefährdung durch Explosionen zu vermeiden.

Daher ist die Maßnahme der Zündquellenvermeidung bei der Betrachtung von Stäuben oft keine ausreichende Explosionsschutzmaßnahme.

Entzündung an heißen Oberflächen

Besonders muss auch die Entzündung von Stäuben auf heißen Oberflächen betrachtet werden. Insbesondere die organischen Stäube haben eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Eine wärmedämmende Staubschicht auf einem elektrischen Betriebsmittel führt zu einem Anstieg der Oberflächentemperatur. Bei ausreichend dicker Staubablagerung kann die Glimmtemperatur erreicht werden und eine Zündung zur Folge haben. Im Vergleich zu den Gasen und Dämpfen weisen Stäube eine deutlich höhere Zündenergie auf. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass sich Stäube zum Beispiel bei pneumatischer Förderung stark aufladen können.

Zündquellenbetrachtung

Eine Auswertung der Zündquellen bei Staubexplosionen hat ergeben, dass mechanische Funken/mechanische Erwärmung die Hauptzündquelle (32,7 %) darstellt; es folgen Glimmnester (12,7 %) und elektrostatische Entladungen (8,5 %).

 

Maßnahmen zum Explosionsschutz

 

Primärer Explosionsschutz

Maßnahmen, welche eine Bildung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre verhindern oder einschränken (Vermeiden explosionsfähiger Atmosphäre).

Sekundärer Explosionsschutz

Maßnahmen, welche die Entzündung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre verhindern (Vermeiden wirksamer Zündquellen).

Tertiärer Explosionsschutz

Maßnahmen, welche die Auswirkungen einer Explosion auf ein unbedenkliches Maß beschränken (Konstruktiver Explosionsschutz).

Primärer Explosionsschutz

Vorrangig ist die Vermeidung einer explosionsfähigen Atmosphäre. Explosionsschutz muss planmäßig herbeigeführt werden. Die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) und die Explosionsschutzverordnung (11. ProdSV) bilden in Deutschland den rechtlichen Rahmen hierfür.

Substitution

Um die Gefährdung durch eine Explosion zu vermeiden oder gering zu halten, sollte zuerst geprüft werden, ob der explosionsgefährdete Stoff durch andere Stoffe ersetzt werden kann, von denen keine Explosionsgefahr ausgeht (zum Beispiel Ersatz von lösungsmittelhaltigen Farben durch wasserlösliche) oder die Wahrscheinlichkeit einer Explosion reduziert wird (Ersatz von reinem Aluminiumpulver durch Aluminiumpulver, das in Öl suspendiert und damit nicht mehr der Luft zugängig ist).

Entfernen und Verdünnung der explosionsfähigen Stoffe

Bei explosionsfähigen Stäuben kann durch regelmäßiges Entfernen, am besten durch Abwaschen, die Explosionsgefahr beseitigt werden. Dabei muss beachtet werden, dass die eingesetzten Reinigungsgeräte bei Betrieb selber keine Explosion verursachen dürfen. Diese Gefahr besteht beispielsweise bei nicht explosionsgeschützten Staubsaugern. Werden mit nicht explosionsgeschützten Staubsaugern zum Beispiel Schießstände gereinigt, kommt es mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einer schweren Explosion, da nicht detoniertes feines Schießpulver sich im Staubsauger ansammelt und leicht entzündet werden kann. Auch auf den ersten Blick harmlose Stoffe wie Mehl oder Holzstaub können so unerwartet beim Reinigen explodieren. Als Zündquelle kommt dann auch elektrostatische Aufladung in Frage. Bei explosionsfähigen Dämpfen von Flüssigkeiten oder Gasen kann eine explosionsfähige Atmosphäre durch Verhindern einer Akkumulation durch Abtransport kombiniert mit Verdünnung deutlich unter die UEG erreicht werden. Dies kommt dem Entfernen und Verdünnen von explosionsfähigen Stäuben gleich.

Passivierung der explosionsfähigen Stoffe

Durch die Konditionierung können die explosionsfähigen Stoffe in einen nicht explosionsfähigen Zustand überführt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Konditionierung ausreichend lange wirksam bleibt. Ein erprobtes Verfahren ist zum Beispiel die Behandlung von in trockenem Zustand explosionsfähigen Stäuben mit hygroskopischen Stoffen, die Feuchtigkeit aus der Luft binden und dabei den Stoff dauerhaft so feucht halten, dass er nicht zu einem explosionsfähigen Gemisch aufgewirbelt werden kann.

Bewährt hat sich zum Beispiel das Besprühen der verstaubten Stellen mit konzentrierter hygroskopischer Magnesiumchloridlauge (MgCl2 (aq.)). Dieses ist im Bergbau eine weit verbreitete Methode zur Befeuchtung von Kohlenstaub, der sich auf horizontalen oder schrägen Flächen des Streckenausbaus oder sonstigen Winkeln ablagert und bei einer Schlagwetterexplosion so am Aufwirbeln gehindert werden kann. Nachteilig ist, dass Magnesiumchloridlauge stark korrosiv wirkt.

Inertisierung

Durch Inertisierung zum Beispiel mit Stickstoff kann ein Gaspolster über einer brennbaren entzündlichen Flüssigkeit aufgebracht und so die Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre vermieden werden (Vermeidung des Explosionsdreiecks: „Beschleierung“).

Isolation

Die explosionsfähigen Stoffe sollten technisch dicht gelagert oder unter Vermeidung der Zuführung von Luft verarbeitet werden.

Sekundärer Explosionsschutz

Hierunter versteht man die Vermeidung wirksamer Zündquellen. Die Bereiche, in welchen eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre (g.e.A.) auftreten kann, müssen als explosionsgefährdete Zonen ausgewiesen werden. Um in diesen Zonen eine Explosion zu verhindern, dürfen keine wirksamen Zündquellen verwendet werden. Als Zündquellen müssen je nach den Umständen

berücksichtigt werden.

Je höher und länger die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer g.e.A. 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 der eingeleiteten sekundären Explosionsschutzmaßnahmen (zum Beispiel Lüftung, Gaswarnanlage) ab. Ferner sind die spezifischen Eigenschaften des Stoffes bei der Zonenfestlegung zu beachten (Dichte im Verhältnis zu Luft, Explosionsgrenzen, maximaler Explosionsdruck, Druckaufbaugeschwindigkeit).

Durch Lüftungsmaßnahmen kann die räumliche Ausdehnung einer explosionsgefährdeten Zone reduziert werden oder es kann eine Ex-Zone mit geringeren Anforderungen gewählt werden. Es besteht zum Beispiel die Möglichkeit, bei Überschreitung eines Grenzwertes an einer Gaswarnanlage eine Zwangslüftung einzuschalten oder nicht explosionsgeschützte Betriebsmittel abzuschalten. Die Schutzmaßnahmen werden meistens bei 25 % bis 50 % der unteren Explosionsgrenze (UEG) eingeleitet.

Tertiärer Explosionsschutz

Nicht in allen Fällen ist es möglich, nur durch Auswahl geeigneter Betriebsmittel die Gefahr einer Explosion auf das geforderte Maß zu reduzieren. Es müssen dann zusätzliche Explosionsschutzmaßnahmen angewendet werden, um die Auswirkungen einer Explosion zu beherrschen und zu begrenzen, um so eine Personengefährdung auszuschließen. Der tertiäre Explosionsschutz wird angewandt, wenn die Maßnahmen des primären und sekundären Explosionsschutz nicht ausreichen.

Folgende Maßnahmen kommen in Frage

Stäube

Zone 20 ist ein Bereich, in dem gefährliche explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbarem Staub ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist.

Zone 21 ist ein Bereich, in dem sich bei Normalbetrieb gelegentlich eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbarem Staub bilden kann.

Zone 22 ist ein Bereich, in dem bei Normalbetrieb eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbarem Staub normalerweise nicht oder aber nur kurzzeitig auftritt.

In Deutschland wurde vor der Einführung der ATEX-Richtlinien und der EN-Normen bei Stäuben unterteilt in Zone 10 (entspricht heute ungefähr Zone 20/21) und Zone 11 (entspricht heute ungefähr Zone 22).

In den Zonen muss die Wahrscheinlichkeit der Wirksamkeit von Zündquellen verringert werden. In Zone 2/22 reicht es aus, wenn die Geräte keine betriebsbedingten Zündquellen aufweisen. Für Geräte mit Zündgefahren, die in der Zone 1 oder 21 verwendet werden, darf auch bei Auftreten eines Fehlers die Wirksamkeit der Zündquellenvermeidung nicht beeinträchtigt werden. In Zone 0/20 müssen bei der Auslegung der Geräte auch sehr seltene Fehler, die eine Zündquelle darstellen, ausgeschaltet werden.

Für die Einteilung von Zonen sind die Parameter Explosionsgrenzen, freisetzbare Stoffmengen und Volumenstrom der Lüftungsmaßnahmen sowie ggf. eingesetzte Überwachungseinrichtungen relevant. Die freisetzbare Stoffmenge und die Wahrscheinlichkeit und Zeitdauer eines Austritts ist oft schwierig zu quantifizieren. Als Anhaltspunkt zur Ausdehnung explosionsgefährdeter Zonen kann die Beispielsammlung im Anhang der BGR 104 dienen.

 

 

Vorschriften

Gesetzlicher Rahmen und Regulierungen

Europa

Zur Umsetzung der ATEX-Richtlinien können Normen angewendet werden, um die grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen (ESHR) nachzuweisen. Für harmonisierte Normen, die im Official Journal (OJ) der Europäischen Kommission veröffentlicht werden, gilt die Vermutungswirkung.

ATEX-Richtlinie 94/9/EG – Hersteller

Die Beschaffenheitsanforderungen an Einrichtungen und Betriebsmittel, von denen eine Zündgefahr ausgehen kann, sind europaweit harmonisiert worden. Die Anforderungen sind in der ATEX-Produktrichtlinie 94/9/EG (auch als ATEX 100a oder ATEX 95 (seit Maastricht) bzw. ATEX 114 (seit Lissabon – AEUV) bezeichnet (bezieht sich auf den Artikel in den Verträgen der EU)) aufgeführt. Die Richtlinie beschreibt die Anforderungen an die „grundlegenden Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen (engl. ESHR)“ sowie Konformitätsbewertungsverfahren für elektrische und nicht-elektrische Geräte und Systeme, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden können.

Umsetzung

Allgemeiner Hinweis: Die Anforderungen der ATEX-Richtlinie 94/9/EG sind unverändert in nationales Recht der Mitgliedsstaaten umzusetzen.

In Deutschland wurde diese Richtlinie durch die 11. Verordnung zum Produktsicherheitsgesetz Explosionsschutzverordnung (11. ProdSV) in nationales Recht umgesetzt.

ATEX-Richtlinie 1999/92/EG – Anlagenbetreiber

Die ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG (auch als ATEX 118a oder ATEX 137 (seit Maastricht) bzw. ATEX 153 (seit Lissabon) bezeichnet (bezieht sich auf den Artikel in den Verträgen der EU)) beschreibt die Anforderungen an den Betrieb von Anlagen im explosionsgefährdeten Bereich. In der ATEX-Richtlinie 1999/92/EG werden die Risikoanalyse (mögliche Zündquellen), die Zoneneinteilung, die Erstellung von Explosionsschutzdokumenten und verantwortlichen Personen für die Anlage beschrieben. In einem zweiten Schritt muss eine im Bereich des Explosionsschutz befähigte Person prüfen, ob die Vorgaben des Explosionsschutzkonzeptes umgesetzt worden sind und ob die eingesetzten elektrischen und nicht-elektrischen Geräte für die jeweils festgelegte Zone geeignet sind.

Normative Dokumente

Harmonisierte Normen

Nationale Regelwerke

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