Explosionsschutz

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 Einrichtungen an Personen und Sachen. Der Explosionsschutz umfasst technische Lösungen und gesetzliche Bestimmungen.

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Bedeutung

Die Notwendigkeit und Bedeutung der Regelungen des Explosionsschutzes ist mit dem laufenden Fortschritt in der Industrialisierung gewachsen. Nicht nur im Bereich der chemischen Industrie und des Bergbaus sind Explosionsgefahren bekannt, sondern auch in weiten Bereichen der verarbeitenden Industrie. Durch die Tendenz zu immer größeren Produktionseinheiten und höherem Produktionsvolumen hat sich die Zahl der potentiell betroffenen Betriebe erhöht. Zu den bekannten klassischen Bereichen wie Mühlen, Lagerhäuser für Getreide etc. kommen weitere Produktionsbereiche z.B. in der Textilindustrie dazu, in denen es durch die erhöhten Verarbeitungsgeschwindigkeiten und die verstärkte Mechanisierung zu einem stärkeren Abrieb der beteiligten Materialien und damit zu einem erhöhten Gefährdungspotential kommt. Aber auch im Bereich der Explosionsgefahr durch brennbare Gase kommen durch den Trend zu größeren Anlagen immer mehr Anwendungen in den relevanten Bereich.

In technischen Anlagen können sich unter bestimmten Bedingungen Explosionen ereignen, bei denen Menschen zu Tode kommen und große Sachschäden auftreten können. Ein Beispiel sind Schlagwetterexplosionen im Bergbau. Der Entzündung von Grubengas folgen oft noch heftigere Explosionen durch die Entzündung von aufgewirbeltem Kohlenstaub. Die schwerste Explosion in Deutschland ereignete sich 1921 in einem Werk der BASF in Oppau, bei der 565 Menschen ums Leben kamen. 1979 ereignete sich in der Bremer Rolandmühle eine schwere Mehlstaubexplosion, die 17 Tote zur Folge hatte. Im Jahr 2001 kam es in Toulouse zu einer Explosion von 300 t Ammoniumnitrat. Hier waren 31 Tote zu beklagen und es wurden weite Bereiche im Umfeld der Fabrik verwüstet. Die Auswirkungen von Explosionen stellen eine erhebliche Gefährdung dar.

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 bzw. 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 (Angabe des Sauerstoffanteils)/Inertgas-Gemisch 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 ober 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 < 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 1 mm 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 (z.B. 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:

• Medianwert der Korngrößenverteilung,
• untere Explosionsgrenze,
• maximaler zeitlicher Druckaufbau pro Kubikmeter Volumen: K_St in bar m/s,
• maximaler Explosionsüberdruck,
• die Mindestzündenergie.

Entsprechend den K_St -werten werden die Staubexplosionsklasse eingeteilt.

Als Zündquellen kommen bei Stäuben in Betracht:

• heiße Oberflächen,
• statische Elektrizität,
• mechanisch erzeugte Funken,
• Glimmnester,
• Lichtbögen.

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. Dies sind:

• Erkennen von Glimmnestern durch die Überwachung von Oberflächentemperaturen oder besser durch eine automatische CO-Messung,
• Einleitung von Gegenmaßnahmen nach dem Erkennen von Glimmnestern (Inertisierung mit CO₂, N₂ oder Wasserdampf),
• Explosionsdruckstoßfeste Bauweise oder Einbau von Druckentlastungsklappen und Auslegung des Bauteils nach dem reduzierten Explosionsdruck nach VDI 2263 und VDI 3673 (Druckentlastung von Staubexplosionen) bzw. DIN EN 14491 (Systeme zur Druckentlastung von Staubexplosionen).
• Örtliche Begrenzung von Explosionen durch den Einbau von Schnellschlussarmaturen, Löschmittelsperrung oder Schleusensystemen. Eine explosionstechnische Entkopplung kann auch durch eine geeignete als Schutzsystem zertifizierte Zellenradschleuse erfolgen.

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 wärmeisolierende 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, das sich Stäube z. B. 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 %) (H. Beck: Hilfsmittel für die Gefährdungsidentifikation beim Handhaben brennbarer Stäube, Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft 62 (2002) Nr. 9).

Maßnahmen zum Explosionsschutz

Methodischer Ansatz

Die Maßnahmen des Explosionsschutzes sind wie folgt aufgeteilt:

• Maßnahmen, welche eine Bildung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre verhindern oder einschränken (Vermeiden explosionsfähiger Atmosphäre),
• Maßnahmen, welche die Entzündung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre verhindern (Vermeiden wirksamer Zündquellen),
• Maßnahmen, welche die Auswirkungen einer Explosion auf ein unbedenkliches Maß beschränken (Konstruktiver Explosionsschutz).

Der in der Aufzählung oben stehenden Explosionsschutzmaßnahme ist der Vorrang gegenüber den darunter liegenden zu geben. Soweit im Rahmen des Explosionsschutzdokumentes festgestellt wird, dass eine Maßnahme nicht ausreichend ist, können die Maßnahmen auch kombiniert werden.

Vermeiden einer explosionsfähigen Atmosphäre

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 (z.B. Ersatz von lösungsmittelhaltigen Farben durch wasserlösliche) oder die Wahrscheinlichkeit einer Explosion reduziert wird (Ersatz von Aluminiumpulver durch Al-Pulver, das in Öl suspendiert ist).

In einem zweiten Schritt sollte angestrebt werden, die Stoffe technisch dicht zu lagern oder zu verarbeiten unter Vermeidung der Zuführung von Luft. Durch Inertisierung z.B. mit Stickstoff kann ein Gaspolster über einer brennbaren entzündlichen Flüssigkeit aufgebracht und so die Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre vermieden werden ("Beschleierung").

In vielen Fällen lässt sich aber die Bildung einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre nicht ausschließen. Dies gilt z.B. für

• das Innere von Behältern, die mit entzündlichen oder hochentzündlichen Flüssigkeiten gefüllt sind und die über eine Entlüftungsleitung zur Atmosphäre beatmet werden,
• das offene Hantieren mit explosionsfähigen Stoffen (Abfüllen von Lösungsmitteln oder explosionsfähigen Stäuben),
• pneumatische Förderung explosionsfähiger Stäube,
• nicht technisch dichte Einrichtungen (einfache Wellenabdichtungen, Flachdichtungen ohne Metalleinlage),
• Entspannungsleitungen zur Atmosphäre,
• Abwasserleitungen mit nicht kontrollierbarer Fracht an gefährlichen Stoffen (es besteht immer die Gefahr von Havarien im Einzugsbereich der Leitungen, bei denen brennbare Flüssigkeiten ins Abwasser gelangen).

Vermeiden wirksamer Zündquellen

Die Bereich, in den 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 nach den Umständen berücksichtigt werden:

• Blitzschlag,
• Lichtbögen oder Funken in elektrischen Geräten,
• Potentialunterschiede,
• Flammen,
• heiße Oberflächen,
• mechanische Schlag- oder Reibfunken,
• statische Aufladung nicht geerdeter Bauteile,
• Gleitbüschelentladung an nicht leitfähigen Bauteilen,
• Adiabatische Kompression,
• Statische Aufladung beschleunigter Flüssigkeitstropfen,
• kurzwellige Strahlung.

Je höher und länger die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eine g.e.A. ist, desto höher sind die Anforderungen an die dort eingesetzten Geräte. Die Ausdehnung einer explosionsgefährdeten Zonen hängt von der austretenden Menge des betrachteten Stoffs und der eingeleiteten sekundären Explosionsschutzmaßnahmen (z.B. 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 z.B. die Möglichkeit, bei Überschreitung eines Grenzwertes an einer Gaswarnanlage eine Zwangslüftung einzuschalten oder nicht explosionsgeschützte Betriebsmittel abzuschalten. Die Schutzmaßnahmen werden meistens bei 25 - 50 % der unteren Explosionsgrenze (UEG) eingeleitet.

Konstruktiver 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 konstruktive Explosionsschutzmaßnahmen angewendet werden, um die Auswirkungen einer Explosion zu begrenzen und eine Personengefährdung auszuschließen.

Folgende Maßnahmen kommen in Frage:

• explosionsdruck- oder explosionsdruckstoßfeste Bauweise von Apparaten, die dem Explosionsdruck standhalten,
• Flammendurchschlagsicherungen, die eine Flammenfront soweit abkühlen, dass eine Explosion begrenzt werden kann,
• Wassertauchungen in Rohrleitungen, die eine Explosion unterbrechen (Flammensperre),
• automatische Schaumlöscheinrichtungen in Verbindung mit geeigneten IR-Detektoren, die den Explosionsdruck verringern und die Fortpflanzung einer Explosion unterbinden,
• automatische Schnellschlusseinrichtungen in Verbindung mit geeigneten IR-Detektoren, die mit einer ausreichend kurzen Reaktionszeit Ventile in angeschlossenen Rohrleitungen schließen,
• Druckentlastungeinrichtungen (Druckentlastungsklappen, Sicherheitsventil), die den Explosionsdruck auf ein beherrschbares Maß begrenzen (z.B. an großen Silos).
• Explosionsunterdrückung, die Explosion wird in der Entstehung mittels dynamischer Drucksensoren detektiert und mithilfe von Löschmittel beendet und der Druckanstieg auf ein Minimum reduziert.

Einteilung der explosionsgefährdeten Zonen

Explosionsgefährdete Bereiche werden nach Häufigkeit und Dauer des Auftretens von gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre in Zonen unterteilt. Die Definition der Zonen ist nebenstehender Tabelle zu entnehmen.

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 bzw. 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.  

Zoneneinteilung im Inneren von Apparaten

Im Inneren von Lagerbehältern, die zur Atmosphäre offen sind und in denen Flüssigkeiten gelagert werden, die sich häufig oberhalb des Flammpunktes erwärmen, muss die Explosionszone 0 angesetzt werden. Die Ex-Zone kann z.B. durch eine Inertisierung mit Druckregelung verringert werden. Die Zone 1 kann erreicht werden, wenn durch zusätzliche Überwachungseinrichtungen die Eintrittswahrscheinlichkeit für das Auftreten eines explosiven Gemisches entsprechend der Definition für Zone 1 herabgesetzt werden kann (gelegentliches Auftreten).

Apparate oder Rohrleitungen, die auch unter Berücksichtigung sehr selten auftretender Fehler immer ein Gasgemisch oberhalb der oberen Explosionsgrenze enthalten, sind keine explosionsgefährdeten Zonen. Hierunter fallen z.B. Erdgasrohrleitungen oder Flüssiggasleitungen, da diese immer mit Überdruck gegenüber der Atmosphäre betrieben werden. Besondere Bedingungen werden aber gestellt, wenn diese Bauteile nach einer Entleerung wieder mit dem brennbaren Stoff gefüllt werden sollen. Die möglicherweise enthaltene Luft muss herausgespült bzw. die Apparatur muss vor dem Füllen inertisiert werden. Hierfür sind entsprechende Betriebsanweisungen erforderlich (siehe auch Explosionsschutzdokument).

Zoneneinteilung in Räumen

Räume mit Apparaten oder Rohrleitungen, in denen sich Stoffe befinden, die mit der Luft eine explosionsfähiges Gemisch bilden können, müssen dann nicht als explosionsgefährdete Zonen betrachtet werden, wenn die Bauteile technisch dicht sind.

Als technisch dichte statische Verbindung gelten geschweißte Ausführungen, Flanschverbindungen mit Nut und Feder oder Flachdichtflächen, wenn metallarmierte oder metallumfasste Dichtungen verwendet werden.

Eine weitere potentielle Austrittsstelle sind Wellendurchführungen. Bei einfachen Wellenabdichtungen muss eine explosionsgefährdete Zone ausgewiesen werden. Eine technisch dichte Ausführung wird bei magnetisch gekoppelten Pumpen oder Wellendurchführungen mit doppelt wirkender Gleitringdichtung erreicht. An Spindeldurchführungen von Armaturen kann eine technische Dichtheit durch Abdichtung mittels Faltenbalg und Sicherheitsstopfbuchse oder Stopfbuchsenabdichtung mit selbsttätig nachstellenden Packungen erzielt werden.

Wird technische Dichtheit als Explosionsschutzmaßnahme gewählt, dann muss neben den materiellen Anforderungen auch eine regelmäßige Dichtigkeitsprüfung erfolgen.

In folgenden Fällen ist beim Umgang mit explosionsfähigen Stoffen eine Ex-Zoneneinteilung notwendig: Öffnen von Apparaten, Umfüllen, Versprühen oder Probennahme. Zur Festlegung von Zonen können die Informationen der Berufsgenossenschaften (BGI) hilfreich sein. Um Bereich der Zone 1 schließt sich meistens ein Bereich der Zone 2 an. Wenn der gesamte Raum der Zone 1 zugeordnet wird, dann muss ggf. der Türbereich zu einem benachbarten Raum als Zone 2 eingestuft werden.

Einteilung der Geräte, die in explosionsgefährdeten Zonen verwendet werden können

Gruppen

Geräte werden in die Gruppen I und II eingeteilt. I steht für schlagwettergefährdete Bergwerke. II steht für alle anderen explosionsgefährdeten Bereiche.

Die Gruppe II wird in die Untergruppen IIA, IIB und IIC unterteilt. Der Buchstabe gibt die Grenzspaltweite (Maximale Weite eines Spaltes an einer Flammendurchschlagsicherung, durch den eine Zündung nicht übertragen werden kann) des Gerätes wieder. Sie ist vom jeweiligen explosiven Stoff abhängig. Die Gefährdung nimmt von A nach C zu.

Der Untergruppe A sind zum Beispiel Diesel, Benzin, Ethan, Methan, Kohlenmonoxid zugeordnet.

Zur Untergruppe B gehören zum Beispiel Stadtgas, Schwefelwasserstoff und Ethylen.

Die Untergruppe C fasst Wasserstoff, Acetylen und Schwefelkohlenstoff zusammen.

Gerätekategorien

Entsprechend der ermittelten explosionsgefährdeten Zone, in der ein Gerät eingesetzt werden soll, wird die Gerätekategorie abgeleitet.

Geräte der Kategorie 1 sind so zu gestalten, dass sie ein sehr hohes Maß an Sicherheit gewährleisten. Geräte dieser Kategorie müssen auch bei selten auftretenden Störungen das erforderliche Maß an Sicherheit gewährleisten. Auch beim Auftreten von zwei Fehlern am Gerät darf es nicht zu einer Zündung kommen. Sie dürfen in Zone 0 eingesetzt werden.

Geräte der Kategorie 2 sind so zu gestalten, dass sie ein hohes Maß an Sicherheit gewährleisten. Geräte dieser Kategorie müssen bei häufigen oder üblicherweise zu erwartenden Störungen (Defekte am Gerät) das erforderliche Maß an Sicherheit gewährleisten und Zündquellen vermeiden. Sie dürfen in Zone 1 eingesetzt werden.

Geräte der Kategorie 3 sind so zu gestalten, dass sie ein normales Maß an Sicherheit gewährleisten. Geräte dieser Kategorie müssen bei vorhersehbaren Störungen (Defekte am Gerät) das erforderliche Maß an Sicherheit gewährleisten und Zündquellen vermeiden. Sie dürfen in Zone 2 eingesetzt werden.

Schlagwettergefährdung

Die Gerätekategorien mit dem vorgesetzten „M“ sind für den Einsatz in untertägigen Grubenbauen mit Schlagwettergefahr vorgesehen („M“ = mining). Diese Geräte unterscheiden sich von den vorgenannten Geräten, dass sie für einen raueren Betrieb ausgelegt sind.

Geräte der Kategorie M1 dürfen in schlagwettergefährdeten Bereichen weiterbetrieben werden, wenn die untere Explosionsgrenze von Grubengas überschritten wird. Die untertägige Beleuchtung oder Messgeräte werden nach dieser Gerätegruppe und den höheren Anforderungen an die Fehlerausfalltoleranz ausgelegt.

Untertägig eingesetzte Geräte der Kategorie M2 müssen bei Überschreiten des behördlich vorgegebenen Grenzwertes von 20 bis 25 % der unteren Explosionsgrenze von Methan abgeschaltet werden, so dass dann keine Schlagwettergefahr von den Geräten mehr ausgeht. Der Sicherheitsabstand zur unteren Explosionsgrenze ist erforderlich, weil nur an bestimmten Stellen die Gaskonzentration gemessen wird, z.B. an den Stellen, an denen die Grubenwetter den Bereich der Kohlengewinnung (Streb) verlassen. Am Ort des Freiwerdens des in der Kohle gespeicherten Grubengases ist die Konzentration in der Regel höher; die Explosionsgrenze darf aber auch dort nicht erreicht werden.

Temperaturklassen

Die maximale Oberflächentemperatur eines Betriebmittels muss unterhalb der Zündtemperatur der Stoffe liegen, die für die Bildung eines explosiven Gemisches in Frage kommen. Die Temperaturklasse gibt an, welche Temperatur die Oberfläche eines Gerätes im Betrieb maximal erreichen kann. Es werden die Temperaturklassen T1 bis T6 unterschieden. In den jeweiligen Normen ist festgelegt, welcher Sicherheitsabstand zwischen Flammpunkt und maximaler Oberflächentemperatur einzuhalten ist.

Für Stäube wird die Zündtemperatur für eine Schicht (A-Wert) und eine Wolke (B-Wert) ermittelt. Die zulässige Oberflächen-Grenztemperatur wird berechnet aus dem Miniumum der beiden Werte (A - 75 °C) oder 2/3*B.

Zündschutzarten

Durch technische Maßnahmen muss sichergestellt sein, dass entsprechend der Eingruppierung eines unterstellten explosiven Gemisches (Spaltweite, Temperaturklasse) keine Zündquelle wirken kann. Es gibt mehrere technische Möglichkeiten, den Explosionsschutz eines elektrischen Gerätes zu erreichen. Die Zündschutzarten sind in der Tabelle aufgeführt. In der Ex-Kennzeichnung eines Gerätes wird die Zündschutzart durch den ersten Buchstaben der Zündschutzart genannt.

Bei Schaltanlagen und Transformatoren wählt man oft die Explosionsschutzmaßnahme druckfeste Kapselung. Bei Anschlusskästen und auch Käfigläufermotoren wird oft die Maßnahme erhöhte Sicherheit angewendet. Eine Überdruckkapselung erfolgt vorwiegend bei Betriebsmitteln mit größeren Leistungen (Schaltschränke, große Motoren). Eigensichere Stromkreise kommen nur für Stromkreise mit geringen Leistungen in Betracht. Diese Schutzart wird für Mess- und Steuerkreise sowie für den elektrischen Anschluss von Sensoren und Aktoren verwendet. Die Sicherheitsbarriere ist dabei außerhalb der explosionsgefährdeten Zone angeordnet. Durch Einkapselung möglicher Zündquellen in Form einer Sand- oder Ölfüllung oder durch eine geeignete Vergussmasse in Verbindung mit einer entsprechenden Begrenzung der Oberflächentemperatur kann der Explosionsschutz eines elektrischen Betriebsmittels sichergestellt werden.

Gesetzlicher Rahmen

Die Betriebssicherheitsverordnung fordert ein umfassendes Konzept, um diesen Gefahren zu begegnen. Der erste Schritt ist die Erstellung eines Explosionsschutzdokuments, in dem die explosionsrelvanten Stoffeigenschaften beschrieben werden. Ferner werden die vorgesehenen Explosionsschutzmaßnahmen aufgeführt. Für örtliche Bereiche, in denen das Auftreten einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre nicht auszuschließen ist, müssen explosionsgefährdete Zonen - kurz: Ex-Zonen - festgelegt werden. Es werden mögliche Zündquellen genannt und Gegenmaßnahmen aufgeführt, um hier die Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre zu verhindern oder ggf. die Auswirkungen von Explosionen einzugrenzen. 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.

Als gefahrdrohende Menge einer explosionsfähigen Atmosphäre gelten bereits 10 l. Wenn dieses Volumen bei dem stöchiometrischen Verhältnis von Flüssiggas und Luft angesetzt wird, reichen dafür bereits 1,6 g Flüssiggas aus.

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 (ATEX 95) aufgeführt. Die Richtlinie beschreibt das Konformitätsbewertungsverfahren für elektrische und nicht-elektrische Geräte, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden können. In Deutschland wurde diese Richtlinie durch die Explosionsschutzverordnung (11. GPSGV) in nationales Recht umgesetzt.

Die Betriebsvorschriften für den Explosionsschutz sind in der seit dem 1. Januar 2003 geltenden Betriebssicherheitsverordnung festgelegt, in der auch die ATEX Betriebsrichtlinie 1999/92/EG (ATEX 137) in nationales Recht umgesetzt wurde. Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen, die Geräte und Schutzsysteme nach der Produktrichtlinie 94/9/EG sind oder enthalten, sind überwachungsbedürftige Anlagen im Sinne der Betriebssicherheitsverordnung. Sie unterliegen damit der Prüfung vor Inbetriebnahme und wiederkehrenden Prüfungen.

Konformitätsbewertungsverfahren nach der EG-Richtlinie 94/9/EG

Seit dem 1. Juli 2003 muss die EG-Richtlinie 94/9/EG verbindlich für Geräte und Schutzsysteme in zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen angewendet werden, die bei atmosphärischen Druck- und Temperaturbedingungen betrieben werden (Temperatur -20°C bis 80°C und Gesamtdrücke von 0,8 bar bis 1,1 bar absolut).

Als Gerät wird in dem Anwendungsbereich jedes elektrische und nicht-elektrische Betriebsmittel verstanden, das eine potentielle Zündquelle darstellt. Hierzu gehören Leuchten, Schaltschränke oder elektrische Sensoren, die durch Funken, Lichtbögen oder heiße Oberflächen eine Zündung verursachen können. Unter die Richtlinie fallen aber auch Kupplungen, Ventilatoren, Verdichter oder Zellenradschleusen, die auf Grund möglicher heißer Oberflächen oder bei Schäden durch Funkenbildung einander berührender schnelllaufender metallischer Bauteile als Zündquelle in Betracht kommen.

Die Anforderungen an Geräte, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden sollen, steigen von Kategorie 3 über Kat. 2/M2 bis Kategorie 1/M1 an. Während für Geräte der Kategorie 3 der Hersteller die Konformität durch interne Fertigungskontrollen nachweisen kann, muss bei den anderen Kategorien eine benannte Stelle eingeschaltet und deren Kennnummer auf der Ex-Kennzeichnung des Betriebsmittels angegeben werden. Die Geräte können Einzelprüfungen durchlaufen, oder die Konformität des Gerätes mit der EG-Richtlinie kann z. B. durch eine Baumusterprüfung in Verbindung mit einem geprüften Qualitätssicherungssystem des Herstellers nachgewiesen werden. Im Kapitel 2 der Richtlinie sind die möglichen Modulkombinationen beschrieben (siehe Tabelle) und in den Anhängen der Richtlinie werden die Module näher beschrieben.

Die zweite unter die Richtlinie fallende Gruppe bilden Schutzsysteme. Hierzu gehören z.B. Flammendurchschlagsicherungen, die eine Explosion örtlich begrenzen oder automatische Löscheinrichtungen. Autonome Schutzsysteme müssen wie Geräte der Kategorie 1/M1 durch eine benannte Stelle geprüft werden.

Für Geräte und Schutzsysteme, die aufgrund der Betriebsbedingungen [Temperatur/Druck] nicht in den Anwendungsbereich der Richtlinie fallen, muss der Explosionsschutz im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung nach der Betriebssicherheitsverordnung nachgewiesen werden.

Kennzeichnung

Die Kennzeichnung der explosionsgeschützten Geräte muss folgende Angaben enthalten: Das CE-Zeichen, die das „Ex“-Zeichen (Epsilon-Kappa im Sechseck), die Gerätegruppe, die Kategorie, die Zündschutzart(en), die Explosionsgruppe (bisher nur bei Gas, bei neuen Geräten auch bei Staub) und die Temperaturklasse. Ggf. sind noch Zusatzangaben zu machen, wenn die Norm dies vorsieht. Geräte, die mit einer EG-Baumusterprüfbescheinigung einer benannten Stelle ausgerüstet sind (elektrische Betriebsmittel für die Zonen 0, 20, 1, 21 [und auch Verbrennungsmotoren]) und mechanische Betriebsmittel für die Zonen 0, 20 müssen auf dem Typenschild, überlicherweise hinter dem CE-Zeichen, die Kennnummer der benannten Stelle aufführen, die die Fertigung überwacht. Das ist z.B. die 0102 für die PTB, 0637 für IBExU oder die 0158 für die EXAM BBG (Bergbau-Versuchsstrecke).

Richtlinien und Gesetze

• ATEX Produktrichtlinie 94/9/EG (ATEX 95)
• ATEX Betriebsrichtlinie 1999/92/EG (ATEX 137)

Normative Dokumente

Harmonisierte Normen

• DIN EN 1127 – 1 Explosionsfähige Atmosphären, Explosionsschutz Teil 1, Grundlagen und Methodik
• DIN EN 1127 – 2 Explosionsfähige Atmosphären, Explosionsschutz Teil 1, Grundlagen und Methodik in Bergwerken
• EN 13327 Begriffe für Geräte und Schutzsysteme zur Verwendung in explosionsgefährdeten Räumen
• EN 13463-1 Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, Grundlagen und Anforderungen
• EN 13463-3 Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, Schutz durch druckfeste Kapselung "d"
• EN 13463-5 Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, Schutz durch Konstruktive Sicherheit "c"
• EN 13463-6 Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, Schutz durch Zündquellenüberwachung "b"
• EN 13463-8 Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, Schutz durch

Flüssigkeitskapselung "k"

• EN 14797 Einrichtungen zur Explosionsdruckentlastung.

• DIN EN 13980:2003-02 Sicherheitstechnischen Grundsätze für Explosionsgefährdende Bereiche und die Anwendung des Qualitätsmanagementsystems

Nationale Regelwerke

• Betriebssicherheitsverordnung
• BGR 104 (bisher: ZH 1/10) Regeln für das Vermeiden der Gefahren durch explosionsfähige Atmosphäre mit Beispielsammlung (Explosionsschutz-Regeln - EX-RL)
• BGR 109 (bisher: ZH 1/32) Richtlinien zur Vermeidung der Gefahren von Staubbränden und Staubexplosionen beim Schleifen, Bürsten und Polieren von Aluminium und seinen Legierungen
• BGR 132 - Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen
• BGI 740, Lackierräume und -einrichtungen, Bauliche Einrichtungen, Brand- und Explosionsschutz, Betrieb
• VDI 2263 Staubbrände und Staubexplosionen
• VDI 3673 Bl. 1 Druckentlastungen von Staubexplosionen
• TAA-GS-13 Leitfaden explosionsfähige Staub/Luftgemische und Störfallverordnung,Teil 2 Störfallvorsorge und Anhang

Siehe auch

• CHEMSAFE (Datenbank für bewertete sicherheitsrelevante Kenngrößen brennbarer Flüssigkeiten, Gase und Stäube)
• Eigensicherheit

Literatur

• Bartknecht, W.: "Explosionsschutz-Grundlagen und Anwendung" Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo, Hong Kong, Barcelona, Budapest. Springer 1993, ISBN 3-540-55464-5
• Bussenius, S.: “Wissenschaftliche Grundlagen des Brand- und Explosionsschutzes.“, Kohlhammer, Stuttgart, Berlin, Köln, 1996, ISBN 3-17-013867-7
• Crowl, D. A..: “Understanding Explosions.“, Center for Chemical Process Safety, New York, 2003, ISBN 0-8169-0779-X
• Dyrba, B.:“Praxishandbuch Zoneneinteilung.“,Carl Heymanns Verlag GmbH, Köln, Berlin, München, 2007, ISBN 3-452-26395-9;
• Dyrba, B.:“Kompendium Explosionsschutz.“,Carl Heymanns Verlag GmbH, Köln, Berlin, München, 2006, ISBN 3-452-25836-X;
• Dyrba, B.:“Lexikon Explosionsschutz.“,Carl Heymanns Verlag GmbH, Köln, Berlin, München, 2006, ISBN 3-452-26037-2;
• Gohm, W., „Explosionsschutz in der MSR-Technik – Leitfaden für den Anwender“, Hüthig, Heidelberg, 2006, ISBN 978-3-7785-4005-3
• Groh, H.: “Explosion Protection“, Elsevier Butterworth-Heinemann, Oxford, Expert-Verlag, Renningen, 2004, ISBN 0-7506-4777-9
• Hattwig, M.; Steen, H.: “Handbook of Explosion Prevention and Protection“, Wiley-VCH, Weinheim, 2004, ISBN 3-527-30718-4
• Nabert/Schön; Sicherheitstechnische Kennzahlen brennbarer Gase und Stäube; Deutscher Eichverlag; ISBN 3-8064-9946-2
• Lienenklaus, E.; Wettingfeld, K.: “Elektrischer Explosionsschutz nach DIN VDE 0165“, 2. Auflage, VDE-Verlag, Berlin und Offenbach, 2001, ISBN 3-8007-2410-3
• Michelis, J.: "Explosionsschutz im Bergbau unter Tage", Verlag Glückauf Essen, 1998, ISBN 3-7739-0900-4
• N.N.: "Grundlagen Explosionsschutz", R. STAHL Schaltgeräte GmbH, Waldenburg, 2006, ID-Nr. 00 006 26 77 0
• N.N.: "Pflichten und Aufgaben für Betreiber elektrischer Anlagen in Ex-gefährdeten Bereichen", R. STAHL Schaltgeräte GmbH, Waldenburg, 2006, ID-Nr. 00 006 28 77 0
• N.N.: "Grundlagen Staub-Explosionsschutz", R. STAHL Schaltgeräte GmbH, Waldenburg, 2004, ID-Nr. 00 006 78 77 0
• N.N.: “Grundlagen Explosionsschutz“, Cooper Crouse-Hinds GmbH, Soest, 2004, Druckschrift Nr. 1213/6/04.04/SD
• Olenik, H. u.A., “Elektroinstallation und Betriebsmittel in explosionsgefährdeten Bereichen“, Hüthig & Pflaum, München/Heidelberg/Berlin, 2000, ISBN 3-8101-0130-3