Kitabı oku: «Prüfhandbuch Explosionsschutz», sayfa 3

Abkürzungsverzeichnis

ATEX	AT mosphères EX plosibles
AEUV	Vertrag über die Arbeitsweise der ­Europäischen Union
AGS	Ausschuss für Gefahrstoffe
BZ	Brennzahl
EPL	Equipment Protection Level
EX	Explosionsschutz
FP	Flammpunkt
IBC/ FIBC	Intermediate Bulk Container/Flexible Intermediate Bulk Container
MSR-Einrichtungen	Mess-, Steuer- und Regelungs­einrichtungen
MZE	Mindestzündenergie
OEG	obere Explosionsgrenze
OEP	oberer Explosionspunkt
PSA	Persönliche Schutzausrüstung
RLT-Anlage	Raumlufttechnische Anlage
SGK	Sauerstoff-Grenzkonzentration
UEG	untere Explosionsgrenze
UEP	unterer Explosionspunkt
ZÜS	zugelassene Überwachungsstelle

1 Grundlagen des Explosionsschutzes

1.1 Primärer Explosionsschutz {Primärer Explosionsschutz}

Der primäre Ansatz und damit das vorrangige Bestreben im Explosionsschutz ist, stets die Bildung von explosionsfähigen Atmosphären in Form von gefährlichen explosionsfähigen Gemischen zu vermeiden.

Das kann auf verschiedene Art und Weise erreicht werden: Eine technische Lüftung kann z. B. Lösemitteldämpfe absaugen, Stäube können durch regelmäßige Reinigung entfernt werden oder Stoffe können durch weniger zündwillige oder einfach durch andere Körnungen oder Konzentrationen ersetzt werden.

Im Rahmen seiner Gefährdungsbeurteilung, mit dem Ziel sein Explosionsschutzdokument zu erstellen, wird der Betreiber einer Anlage „Zonen“ mit Explosionsgefährdung gemäß Richtlinie 1999/92/EG (ATEX 137) ausweisen:

Zone 0 / Zone 20	ist ständig, langfristig oder häufig vorhanden
Zone 1 / Zone 21	kann sich im Normalbetrieb gelegentlich bilden
Zone 2 / Zone 22	tritt im Normalbetrieb normalerweise nicht oder nur kurzzeitig auf

1.2 Sekundärer Explosionsschutz {Sekundärer Explosionsschutz}

Überall dort, wo es in der verfahrenstechnischen Anlage nicht gelingen kann, das Auftreten von explosionsgefährlichen Atmos­phären zu vermeiden, wird der zweitrangige Ansatz verfolgt, alle möglichen Arten von Zündquellen zu untersuchen.

Hierbei werden von allen möglichen Zündquellen die wirksamen Zündquellen identifiziert und mit entsprechenden Gegenmaßnahmen belegt: Elektrische wie auch mechanische Betriebsmittel werden mit ihren Kategorien entsprechend der Zoneneinteilung in ihrem Einsatzbereich ausgewählt. Behälter können ggf. inertisiert werden, Maschinen können in ihrer Konstruktion anders ausgewählt werden, Steuerungen können mit erhöhter Zuverlässigkeit ausgewählt werden usw.

Weitergehende Informationen finden sich in der TRGS 723 sowie in der DIN EN 1127-1:2019-10

Beispiele für zu betrachtende Zündquellen können Heizkörper, Trockenschränke, Heizspiralen, Begleitheizungen, Zerspanungsprozesse, Reibungskupplungen, Glühlampen, mechanische Bremsen, Wellenlager, Stopfbuchsen, Transformatoren, Thyristoren usw. sein.

Bei älteren, nicht-elektrischen Geräten kann im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung die Vermeidung von Zündquellen durch eine Zündquellenbewertung erfolgen.

1.3 Tertiärer Explosionsschutz {Tertiärer Explosionsschutz}

Wenn verfahrenstechnische Prozesse bewertet werden, bei denen weder der gefährliche Stoff ausgetauscht noch sein Aus­treten vermieden werden kann und auch mindestens eine wirksame Zündquelle vorliegt, dann gilt es, eine mögliche Explosion in ihren Auswirkungen konstruktiv zu begrenzen. Man spricht hier vom konstruktiven Explosionsschutz {Konstruktiver Explosionsschutz} .

Ein möglicher Ansatz ist, die Apparate in einer ausreichenden mechanischen Druckfestigkeit gegen die zu erwartenden Überdrücke aus einer möglichen Explosion zu konstruieren.

Eine Explosion kann auch unterdrückt werden, indem z. B. ein bereits geringfügiger, aber schneller Druckanstieg in einem Apparat erkannt werden kann, woraufhin binnen wenigen Milli­sekunden in den Behälter ein Löschmittel gut verteilt eingebracht wird, das den beginnenden explosionsartigen Abbrand vermindert und vollständig stoppt. Ziel ist, dass der Behälter oder eine Rohrleitung nicht unkontrolliert zerbirst.

In verfahrenstechnischen Anlagen ist es nicht unüblich, dass verschiedene Apparate miteinander durch Rohrleitungen oder andere Förderwege verbunden sind. Dann gilt es, nicht nur das Bersten einzelner Apparate zu unterbinden, sondern zusätzlich die Ausbreitung einer möglichen Explosion in die benachbarten Apparate zu vermeiden. Auch hier können die vorher beschriebenen Löschmittelsperren, Rückschlagklappen oder Ventile ähnlich eines Airbags oder einer Guillotine eingesetzt werden. Ebenso ist eine explosionstechnische Entkopplung durch passive Einrichtungen, wie z. B. durch Schleusen oder Material­puffer, üblich.

Des Weiteren ist ein simples „Abblasen“ des Explosionsüberdrucks in die Umgebung möglich, sofern der Apparat im Freien steht. Die Größe der Druckentlastungsfläche ist abhängig von den Kenndaten der eingesetzten Stoffe, der maximalen Festigkeit des Apparats und der Frage, ob der Flammenstrahl der frei werdenden Explosion sich ungehindert ausbreiten kann. Für Apparate, die nicht im Freien stehen, gibt es zugelassene, flammenlose Druckentlastungseinrichtungen.

Alle Druckentlastungseinrichtungen wollen so angeordnet sein, dass sie einerseits für die Instandhaltung zugänglich sind, andererseits aber auch keine Menschen in Verkehrsbereichen zwischen den Anlagenteilen gefährden.

1.4 Zündquellenarten {Zündquellenarten}

Als mögliche Zündquellen können die Folgenden eingeschätzt werden:

•	heiße Oberflächen
•	Flammen und heiße Gase
•	mechanisch erzeugte Funken
•	elektrische Anlagen
•	elektrische Ausgleichsströme
•	elektrostatische Aufladungen
•	Blitzschlag
•	elektromagnetische Strahlung
•	Lichteinfall
•	ionisierende Strahlung
•	Ultraschall
•	adiabatische Kompression, Stoßwellen, strömende Gase

Genaueres zu den einzelnen Zündquellen kann man in der TRGS 723 und in der DIN EN 1127 Teil 1 nachlesen.

Bei einer Zündquellenanalyse werden diejenigen Zündquellen identifiziert, die eine ausreichende Energie, z. B. in Form von Wärme mit sich bringen, um ein explosionsfähiges Gemisch zu entzünden.

Man unterscheidet dabei verschiedene Arten von Zündquellen hinsichtlich ihres Auftretens:

•	Zündquellen während des Normalbetriebs
•	Zündquellen durch zu erwartende Störungen
•	Zündquellen bei seltenen Störungen

Eine wirksame Zündquelle ist demnach eine Zündquelle, die durch Übertragung von Energie eine Entzündung auslöst. Hierbei muss ihr Vorkommen im zu betrachtenden explosions­fähigen Gemisch berücksichtigt werden.

1.5 Zoneneinteilung {Zoneneinteilung}

Laut Gefahrstoffverordnung (GefStoffV Anhang 1, Nr. 1.7) gibt es folgende Zonen 0 bis 22, wobei die Zonen 0, 1, 2 Gemische von Luft mit Flüssigkeiten, Gasen und Dämpfen beschreiben und die Zonen 20, 21, 22 Luft-Staub-Gemische:

•	Zone 0 ist ein Bereich, in dem gefährliche explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist.
•	Zone 1 ist ein Bereich, in dem sich im Normalbetrieb gelegentlich eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln bilden kann.
•	Zone 2 ist ein Bereich, in dem im Normalbetrieb eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln normalerweise nicht auftritt, und wenn doch, dann nur selten und für kurze Zeit.
•	Zone 20 ist ein Bereich, in dem gefährliche explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus brennbarem Staub, der in der Luft enthalten ist, ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist.
•	Zone 21 ist ein Bereich, in dem sich im Normalbetrieb gelegentlich eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbaren Staub bilden kann.
•	Zone 22 ist ein Bereich, in dem im Normalbetrieb eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke aus in der Luft enthaltenem brennbaren Staub normalerweise nicht auftritt, und wenn doch, dann nur selten und für kurze Zeit.

Ein häufiger Diskussionspunkt in der Bewertung von Explo­sionsgefahren ist die Frage nach der tatsächlichen Häufigkeit, in welcher der ein oder andere Betriebszustand auftritt.

Es liegen keine festen Begriffsdefinitionen für „häufig“, „gelegentlich“ oder „kurzzeitig“ vor. Als Orientierung gilt: Der Normalbetrieb ist dabei der Betrieb der „bestimmungsgemäßen Verwendung“ nach DIN EN 60079-10. In der TRGS 722 werden „betriebsübliche Störungen“ in den Normalbetrieb eingeschlossen.

häufig	zeitlich gesehen überwiegend (> 50 % der Betriebszeit nach TRGS 722)
gelegentlich	kann in unregelmäßigen Abständen auftreten (< 1 % … 10 % der Betriebszeit); z. B. Entlüftungen, Probeentnahmen, z. T. Dichtungen
kurzfristig	tritt nur störungsbedingt auf (< 1 … 10 h/a); z. B. Flansche, Verbindungen, Armaturen, Notentspannungen, z. T. Dichtungen

Begriffsdefinitionen zur Zoneneinteilung; Quelle: Inburex Consulting GmbH

Hier gibt es kein richtig und kein falsch sowie zusätzlich unterschiedliche Ansätze in unterschiedlichen Regelwerken. Hier ist Augenmaß gefragt.

Freisetzungsquellen wollen bewertet und quantifiziert werden. Auch Lüftungsstärke und die Zwangsführung der Luft spielen eine Rolle. Und auch Fragen, ob eine technische Lüftung verfügbar ist bzw. wie diese überwacht wird, werden in die Bewertung einer möglichen zu bildenden Zone betrachtet und gewichtet.

Fragen, wo und wie die Luft zu- und auch wieder abgeführt wird, ob die Freisetzungsquellen umströmt werden, ob sich Toträume oder sog „Luftwalzen“ bilden, führen am Ende zu einer Einschätzung über die Güte einer Lüftung. Diese wiederum hat Einfluss auf die Verdünnung am Freisetzungsort selbst sowie in dessen räumlichem Umfeld herum. Dies beeinflusst schließlich die Einteilung in Zonen.

Nur das schafft die nötige Sicherheit für alle. Wenn man sich hinsichtlich der Bewertung nicht einigen kann, dann gilt es immer den „konservativen“ Ansatz, also den ungünstigeren Fall, zu wählen. (weiteres hierzu ► Kap. 3.1.3)

1.6 Explosionsschutzkonzept {Explosionsschutzkonzept} und Explosionsschutzdokument {Explosionsschutzdokument}

In dem Explosionsschutzdokument, das jeder Betreiber einer Anlage mit Explosionsrisiken aktuell vorzuhalten hat, ist der jeweils aktuelle Sollzustand des Explosionsschutzes beschrieben. In einer sicheren Anlage entspricht der Ist-Zustand jederzeit diesem dokumentierten Soll-Zustand.

Zu einem vollständigen Explosionsschutzdokument gehören neben einer detaillierten Anlagenbeschreibung und den zugehörigen Stoffdaten als Kern das Explosionsschutzkonzept. Das Konzept beschreibt die Explosionsrisiken im Detail im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung: Dort sind Zoneneinteilungen vorgenommen, mögliche und wirksame Zündquellen erörtert, ggf. bauliche oder organisatorische Maßnahmen festgelegt. Alle weiteren Maßnahmen, wie z. B. Zündquellenvermeidung oder ein konstruktiver Schutz, sind dort beschrieben.

Neben dem Explosionsschutzkonzept beinhaltet das Explo­sionsschutzdokument weiterhin Beschreibungen diverser Organisationsstrukturen: Wie sind welche Betriebsanweisungen und Arbeitsvorschriften abgelegt und den Mitarbeitern zugänglich, wer ist verantwortlich, wie werden Dinge dokumentiert? Welche Prüfungen sind von wem in welchen Abständen erforderlich etc. Auch Details zum Heißarbeitserlaubnisverfahren, Arbeitserlaubnisverfahren generell, Beschilderungen bis hin zu Rauchver­boten gehören dort hinein.

Eine detaillierte Erläuterung der Inhalte und des Aufbaus eines Explosionsschutzdokuments findet sich in ► Kap 3.4

1.7 Zündschutzarten {Zündschutzarten}

Für elektrische wie für mechanische Betriebsmittel sind unterschiedliche Zündschutzarten vorgesehen. Diese werden im Weiteren erläutert. (Vertiefte Erklärungen ► Kap. 3.2.2)

Grundsätzlich sind die folgenden Schutzmaßnahmen bei Betriebsmitteln einzuhalten:

1.7.1 Trennung

Hierbei wird die Zündquelle von der explosionsfähigen Atmosphäre durch Einschluss oder Kapselung mittels z. B. Öl, Sand, Verguss, die IP-Schutzart oder durch inneren Überdruck getrennt.

1.7.2 Vermeidung der Explosions­übertragung

Die Explosionsübertragung kann z. B. durch druckfeste Kapselung (mit geringer Spaltweiten) vermieden werden.

1.7.3 Zündquellenvermeidung

Die Vermeidung der Zündquelle kann durch erhöhte Sicherheit, z. B. durch konstruktive Sicherheit, durch die Überwachung der Zündquelle oder durch Begrenzung der Energie (z. B. Eigen­sicherheit), erfolgen.

Alle Schutzmaßnahmen müssen immer mit Maßnahmen zur Begrenzung der Oberflächentemperatur kombiniert getroffen werden.

Dies ist in den Normenreihen EN 60079 und EN 80079 nachzulesen.

1.8 Elektrische Zündschutzarten {Zündschutzarten, Zündschutzarten für elektrische Geräte}

Folgende elektrische Zündschutzarten gibt es und werden in den folgenden Teilkapiteln beschrieben:

•	EN 60079-2: Überdruckkapselung „p“
•	EN 60079-6: Flüssigkeitskapselung „o“
•	EN 13463-3: Druckfeste Kapselung „d“, wurde überführt in EN 60079-1
•	EN 60079-7: Erhöhte Sicherheit „e“
•	EN 60079-5: Sandkapselung „q“
•	EN 60079-18: Vergusskapselung „m“
•	EN 60079-7: Zündschutzart „n“, „nA“, „nC“, „nR“, „nP“
•	EN 60079-11: Eigensicherheit „i“

1.8.1 Überdruckkapselung „p“ (EN 60079-2)

Bild 1: Überdruckkapselung „p“ (Quelle: Inburex Consulting GmbH)

Bei der Zündschutzart „Überdruckkapselung“, Ex „p“, beruht die Funktionsweise, darauf, dass das Eindringen einer explosionsfähigen Atmosphäre in das Gehäuseinnere verhindert wird. Ein geringer Überdruck im Gehäuse oder im Raum gegenüber der Umgebung, zusammen mit einer Begrenzung der Oberflächentemperatur, verhindert dieses. Der Überdruck wird mittels eines Zündschutzgases, z. B. außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs, angesaugter Umgebungsluft, aufgebaut.

Hierfür muss der Spülstrom überwacht werden und es ist eine initiale Spülung zur Inbetriebnahme oder nach der Unter­brechung des Überdrucks erforderlich.

Anwendungsbeispiele hierfür sind große Antriebe, Schaltschränke oder ganze Betriebsräume.

1.8.2 Flüssigkeitskapselung „o“ (EN 60079-6)

Bild 2: Flüssigkeitskapselung „o“ (Quelle: Inburex Consulting GmbH)

Bei dieser Zündschutzart wird das elektrische Betriebsmittel, gekapselt in einem vollständigen Ölbad, betrieben, um es von einer explosionsfähigen Atmosphäre zu trennen. Zu beachten ist die maximale Oberflächentemperatur der Gehäuseaußenseite.

Dies gilt z. B. für Leistungsschalter, Transformatoren und Getriebe.

1.8.3 Druckfeste Kapselung „d“ (EN 60079-1)

Bild 3: Druckfeste Kapselung „d“ (Quelle: Inburex Consulting GmbH)

Bei der Zündschutzart „Druckfeste Kapselung“ wird das Eindringen eines explosionsfähigen Gemisches und damit der Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre im Inneren eines elektrischen Betriebsmittels sowie deren Zündung hingenommen.

Verhindert wird hingegen, dass Flammen und zündfähige Gase vom Inneren in die Umgebung des Betriebsmittels ausdringen, sodass sich eine Explosion nicht aus dem Gerät heraus entwickelt.

Dieses wird durch dickwandige und i. d. R. geflanschte Gehäuse erreicht. Der Spalt des Flansches kühlt die Flammen durch seine Masse, sodass die Explosion sich nicht weiterentwickelt.

1.8.4 Erhöhte Sicherheit „e“ (EN 60079-7)

Bild 4: Erhöhte Sicherheit „e“ (Quelle: Inburex Consulting GmbH)

Bei dieser Zündschutzart wird der Zündschutz durch besonderes Augenmerk auf das Auftreten elektrischer Fehler, wie z. B. Kurzschlüsse und daraus resultierende Oberflächentempera­turen, im Inneren des Betriebsmittels gelegt. In Kauf genommen wird hierbei, dass ein explosionsfähiges Gemisch eindringt und damit eine explosionsfähige Atmosphäre im Inneren eines elektrischen Betriebsmittels bildet, da die innere elektrische Aus­legung nicht zu einer Zündung der Atmosphäre führen kann.

Beispiele hierfür sind Motoren, Klemmkästen oder Verteiler.

1.8.5 Sandkapselung „q“ (EN 60079-5)

Bild 5: Sandkapselung „q“ (Quelle: Inburex Consulting GmbH)

Bei dieser Zündschutzart wird das Gehäuse des Betriebs­mittels vollständig mit Sand gefüllt und darf nicht geöffnet werden. Somit wird das Eindringen eines explosionsfähigen Gemisches verhindert.

Grundsätzlich ist die maximale Oberflächentemperatur des Betriebsmittels mit der zu erwartenden Zündtemperatur abzustimmen und einzuhalten.

Dies ist z. B. bei Kondensatoren oder Transformatoren einsetzbar.

1.8.6 Vergusskapselung „m“ (EN 60079-18)

Bild 6: Vergusskapselung „m“ (Quelle: Inburex Consulting GmbH)

Bei der Vergusskapselung wird das Gehäuse des Betriebsmittels vollständig mit Vergussmasse gefüllt. Somit wird das Eindringen eines explosionsfähigen Gemisches verhindert.

Grundsätzlich ist auch hier die maximale Oberflächentemperatur des Betriebsmittels mit der zu erwartenden Zündtemperatur abzustimmen und einzuhalten.

Sensoren, PLT-/MSR-Einrichtungen und Kleingeräte können hier beispielhaft genannt werden.

1.8.7 Zündschutzart „n“ EN 60079-7

Bei der Zündschutzart „n“ beruht die Funktionsweise auf der Annahme, dass sich das Betriebsmittel im Normalbetrieb wie ein Betriebsmittel der Zündschutzart „Erhöhte Sicherheit“ verhält und keine Zündquellen durch heiße Oberflächen sowie elektrisch bzw. mechanisch erzeugte Funken enthält.

Diese Zündschutzarten sind ausschließlich für Geräte der Kategorie 3 zulässig.

Der Fehlerfall muss bei der Zündschutzart „n“ jedoch nicht betrachtet werden. Ein Kriterium der Zone 2 ist, dass ein zündfähiges Gemisch nur äußerst selten und bei technischen Fehlern kurzzeitig vorhanden sein darf. Außerdem muss es „hinreichend unwahrscheinlich“ sein, dass gleichzeitig auch am betrachteten elektrischen Betriebsmittel ein Fehler auftritt.

nC	nL	nR	nP
Schutz durch Gehäuse	Energie­begrenzung	Schwaden­sicherheit	Vereinfachte Überdruck­kapselung
umschlossene Schaltein­richtung gekapselte Einrichtung nicht zündfähige Teile hermetisch verschlossen	Begrenzung von Strom und Spannung Begrenzung von inneren und äußeren Induktivitäten und Kapazitäten Begrenzung der max. Oberflächentemperatur Begrenzung der max. Bauteiletemperaturen	Eindringen Ex-Atmosphäre wird ausgeschlossen Vorrichtung zur Überprüfung der Schwaden­sicherheit Begrenzung der max. Oberflächentemperatur	Überdruck eines Inertgases im Geräte­inneren mit Überwachungs­einrichtung Eindringen Ex-Atmosphäre wird ausgeschlossen Begrenzung der max. Oberflächen­temperatur

Untergruppierungen der Zündschutzart „n“; Quelle: Inburex Consulting GmbH

1.8.8 Eigensicherheit „i“ EN 60079-11

Bild 7: Eigensicherheit „i“ (Quelle: Inburex Consulting GmbH)

Bei der Zündschutzart „Eigensicherheit“ wird die Sicherheit im Wesentlichen durch die Begrenzung der in den Betriebsmitteln auch im Fehlerfall vorhandenen Energiemengen realisiert.

Die Betriebsmittel weisen die folgenden Eigenschaften auf:

•	Begrenzung von Strom und Spannung
•	Begrenzung von inneren und äußeren Induktivitäten und Kapazitäten
•	Begrenzung der max. Oberflächentemperatur
•	Begrenzung der max. Bauteiletemperaturen

Zusätzlich sind betriebsmäßige Funken sowie das Arbeiten unter Spannung erlaubt. Wichtig hierbei sind die Induktivitäten und Kapazitäten der elektrischen Zuleitung zu den Betriebs­mitteln zu berücksichtigen.

Beispiele hierfür sind Sensoren und PLT-/MSR-Einrichtungen.