ABGS GmbH

Aehnelt & Braune Gaswarn- & Systemtechnik

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[Fachartikel] Technische Regeln Betriebssicherheit – Teil 10

26. Oktober 2011 | ABGS GmbH | Kategorie Wissen

[Fachartikel] Die Technischen Regeln Betriebssicherheit (TRBS) konkretisieren die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) hinsichtlich der Ermittlung und Bewertung von Gefährdungen sowie der Ableitung von geeigneten Maßnahmen. Sie sind keine verbindlichen Rechtsnormen.

In den nachfolgenden Ausführungen soll keine Kurz- oder Zusammenfassung des Regelwerkes versucht werden. Vielmehr soll schwerpunktmäßig auf die Regeln hingewiesen werden, die im Zusammenhang mit dem Einsatz von Gaswarntechnik stehen.

TRBS 2152 Teil 4 (../08) Gefährliche Explosionsfähige Atmosphäre – Maßnahmen des konstruktiven Explosionsschutzes, welche die Auswirkungen einer Explosion auf ein unbedenkliches Maß beschränken.

Die nachfolgenden Ausführungen haben rein informativen Charakter. Sie sollen die Einordnung der Gaswarntechnik in das Gesamtkonzept des Explosionsschutzes ermöglichen.

Diese TRBS beschreibt folgende Maßnahmen des konstruktiven Explosionsschutzes, welche die Auswirkung einer Explosion auf ein unbedenkliches Maß beschränken:

  • – explosionsfeste Bauweise,
  • – Explosionsdruckentlastung,
  • – Explosionsunterdrückung,
  • – explosionstechnische Entkopplung (von Flammen und Druck).

Die in dieser Technischen Regel aufgeführten Maßnahmen gelten – soweit sie Anforderungen an die Beschaffenheit beinhalten – nur für Anlagen, Geräte und Ausrüstungen, die nicht Geräte und Schutzsysteme im Sinne der Explosionsschutzverordnung (11. GPSGV) sind.

Der zu erwartende Explosionsdruck (perw) ist der maximale Druck, der in einem Anlagenteil bei realisiertem Schutzkonzept unter Berücksichtigung sowohl der gegebenen Anlagen und Verfahren als auch aller möglichen Betriebsparameter und Betriebszustände auftreten kann. Der zu erwartende Explosionsdruck kann sein:

  • der maximale Explosionsdruck (pmax),
  • ein von dem maximalen Explosionsdruck (pmax) nach oben oder unten abweichender anlagen- oder verfahrensspezifischer Explosionsdruck oder
  • ein reduzierter Explosionsdruck (pred).

Explosionsdruck (pex) ist der unter festgelegten Versuchsbedingungen ermittelte Druck, der in einem geschlossenen Behälter bei der Explosion einer explosionsfähigen Atmosphäre mit bestimmter Zusammensetzung auftritt.
Maximaler Explosionsdruck (pmax) ist der höchste ermittelte Explosionsdruck, der bei Änderung der Brennstoffanteile auftritt.
Reduzierter Explosionsdruck (pred) ist der in einem durch Explosionsentlastung oder Explosionsunterdrückung geschützten Behälter auftretende Explosionsdruck.

Anlagenteile wie Behälter, Apparate, Rohrleitungen sind explosionsfest, wenn sie so gebaut sind, dass sie dem zu erwartenden Explosionsdruck standhalten, ohne aufzureißen.
Anlagenteile sind explosionsdruckfest, wenn sie dem zu erwartenden Explosionsdruck standhalten ohne sich zu verformen.

Anlagenteile sind explosionsdruckstoßfest wenn sie dem zu erwartenden Explosionsdruck standhalten ohne aufzureißen, wobei jedoch bleibende Verformungen zulässig sind.
Explosionsfeste Bauweise schließt explosionsdruckfeste sind explosionsdruckstoßfeste Bauweise ein.

Bei einer Explosionsdruckentlastung werden bei einer Explosion in einem Anlagenteil definierte Öffnungen freigegeben, damit das Anlagenteil nicht über den Explosionsdruck hinaus beansprucht wird.

Einrichtungen zur Explosionsdruckentlastung können z. B. Berstscheiben oder Explosionsklappen oder ständige Öffnungen sein. Sicherheitsventile sind keine Explosionsdruckentlastungseinrichtungen.

Die Explosionsunterdrückung ist eine Verfahrensweise, bei der die Verbrennung einer explosionsfähigen Atmosphäre in einem geschlossenen oder im Wesentlichen geschlossenen Volumen erkannt und in der Anfangsphase durch Zugabe eines geeigneten Löschmittels abgebrochen wird, so dass es nicht zu einem gefährlichen Druckaufbau kommt. Eine Explosion gilt dann als unterdrückt, wenn es möglich ist, den maximalen Explosionsdruck (pmax) auf einen reduzierten Explosionsdruck (pred) zu begrenzen, d. h. der zu erwartende Explosionsdruck wird verringert.

Explosionsunterdrückungssysteme sind die Gesamtheit von Einrichtungen zur Realisierung einer Explosionsunterdrückung. Das Explosionsunterdrückungssystem besteht im Wesentlichen aus Detektoren, einer Steuerzentrale und unter Druck stehenden Löschmittelbehältern.

Durch die explosionstechnische Entkopplung wird die Ausbreitung einer Explosion (Druck und/oder Flamme) in andere Anlagenteile und –bereiche, z. B. über Verbindungsrohre oder –kanäle, verhindert.

Entkopplungseinrichtungen sind die Gesamtheit von Einrichtungen zur Realisierung einer explosionstechnischen Entkopplung, z.B.:

  • mechanische Schnellabsperren,
  • Löschen von Flammen in engen Spalten oder durch Löschmitteleintrag,
  • Aufhalten von Flammen durch hohe Gegenströmung,
  • Tauchung,
  • Schleusen.

Bei Auswahl und Bemessung sowie Installation, Betrieb, Wartung, Prüfung und Instandsetzung von Einrichtungen zum konstruktiven Explosionsschutz sind funktionsbeeinträchtigende Einflüsse, z. B. durch Korrosion, Alterung, Abrasion, Prozessführung oder Umwelteinflüsse zu beachten.

Zum Schutz vor den Auswirkungen einer Explosion können beim konstruktiven Explosionsschutz folgende Maßnahmen in unterschiedlichen Kombinationen angewendet werden:

  • – explosionsfeste Bauweise,
  • – Explosionsdruckentlastung,
  • – Explosionsunterdrückung,
  • – Explosionsentkopplung.

Sofern im Falle einer Explosion mit deren Ausbreitung von einem Anlagenteil auf andere Anlagenbereiche zu rechnen ist, muss neben der explosionsfesten Bauweise auch die explosionstechnische Entkopplung grundsätzlich Bestandteil des konstruktiven Explosionsschutzes sein.
Für die Ermittlung des zu erwartenden Explosionsdruckes müssen insbesondere folgende Randbedingungen/Einflussgrößen berücksichtigt werden:

  • – Brennstoffart und –konzentration/explosionstechnische Kenngrößen,
  • – Anlagengeometrie,
  • – Herstellungs- oder Bearbeitungsverfahren,
  • – Sauerstoffkonzentration,
  • – Teilbefüllung von Anlagenteilen mit explosionsfähigem Gemisch,
  • – Druckverhältnisse
  • – Turbulenzen
  • – Wirksamkeit vorgelagerter Maßnahmen (z.B. Mengen- oder Konzentrationsbegrenzung, Inertisierung)
  • – Wirksamkeit explosionsdruckmindernder Maßnahmen (z. B. Explosionsdruckentlastung).

Explosionsfeste Anlagenteile müssen so gebaut sein, dass sie einer im Inneren erfolgenden Explosion ohne aufzureißen standhalten können. Bei der explosionsfesten Bauweise wird unterschieden zwischen „explosionsdruckfester“ und „explosionsdruckstoßfester“ Bauweise. Explosionsdruckfeste und explosionsdruckstoßfeste Bauweise sind bezüglich der Schutzziele der Betriebssicherheitsverordnung gleichwertige Maßnahmen.
Als Mindestauslegungsdruck für Anlagenteile und Apparate in explosionsfester Bauweise ist der zu erwartende Explosionsdruck zugrunde zu legen.
Nach Explosions- oder Detonationsereignissen müssen die betroffenen Anlagenteile dahingehend geprüft werden, ob die Explosionsfestigkeit weiterhin gegeben ist.

Eine Explosionsdruckentlastung ist unzulässig, wenn durch die dabei freigesetzten Stoffe Beschäftigte oder Dritte gefährdet werden können.
Eine Explosionsdruckentlastung ist so vorzunehmen, dass Gefährdungen für Beschäftigte oder Dritte, z. B. durch Druck- und Flammenwirkung oder durch weggeschleuderte Teile, vermieden werden. Die bei der Explosionsdruckentlastung auftretenden Rückstoßkräfte sind zu berücksichtigen.
Eine Explosionsdruckentlastung in den Arbeitsbereich ist grundsätzlich zu vermeiden.
Eine Explosionsdruckentlastung soll auf möglichst kurzem und geradem Weg erfolgen.
Die Explosionsdruckentlastung ist so auszulegen, dass die durch die Explosionsdruckentlastung geschützten Anlagenteile dem reduzierten Explosionsdruck standhalten können.
Explosionsdruckentlastungseinrichtungen und Ausblasrohre sind regelmäßig auf einwandfreien Zustand zu prüfen. Dabei sind auch Beeinträchtigungen durch Umwelteinflüsse, z.B. Schneelast oder Vereisung, zu berücksichtigen.
Die sichere Funktion einer Explosionsdruckentlastungseinrichtung muss nachweisbar sein. Der Nachweis gilt z. B. als erbracht, wenn die Explosionsdruckentlastungseinrichtung als autonomes Schutzsystem gemäß der Explosionsschutzverordnung (11. GPSGV) in Verkehr gebracht worden ist und bestimmungsgemäß verwendet wird.

Bei dem Einsatz eines Explosionsunterdrückungssystems sind auch Gefährdungen für Beschäftigte und Dritte durch die Freisetzung des Explosionsunterdrückungsmittels, z. B. bei Instandhaltungsmaßnahmen, zu berücksichtigen.
Das Explosionsunterdrückungssystem ist so auszulegen, dass die durch das Explosions-unterdrückungssystem geschützten Anlagenteile dem reduzierten Explosionsdruck standhalten können.
Bei der Auslegung des Explosionsunterdrückungssystems ist zu berücksichtigen, dass dessen Wirksamkeit u. a. von der angegebenen Anlagen- und Verfahrenstechnik, den Betriebsparametern, wie Temperatur und Druck, den Eigenschaften der eingesetzten Stoffe und des Explosionsunterdrückungs-mittels abhängt.

Für die explosionstechnische Entkopplung bei Gasen, Dämpfen und Nebeln gilt allgemein:
Bei Öffnungen von Anlagenteilen, in denen eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre vorhanden ist und die nicht hinreichend explosionsfest ausgeführt sind, ist die Notwendigkeit eines Schutzes der Anlagenteile gegen das Hineinlaufen von Explosionen zu prüfen.
Öffnungen von Anlagenteilen, durch die Explosionen herausschlagen können und dadurch zu einer Gefährdung der Beschäftigten oder Dritter führen können, müssen gegen einen Flammendurchschlag geschützt sein. Hierzu können Füll-, Entleerungs- und Gaspendelanschlüsse, aber auch Ansaugöffnungen und der Auspuff von Verbrennungsmotoren gehören. Mögliche weitere Gefährdungen durch z.B. heiße Gase, Druckeinwirkungen oder Verbrennungsprodukte sind zu berücksichtigen.
Bei miteinander verbundenen Anlagenteilen ist die Notwendigkeit eines Schutzes gegen die Ausbreitung einer Explosion zu prüfen. Dies kann z. B. bei Gaspendelsystemen und bei nicht ständig gefüllten Rohrleitungen wie Füll- und Entleerungsleitungen erforderlich sein.

Flammendurchschlagsicherungen sind Einrichtungen, die an der Öffnung eines Anlagenteils oder in verbindenden Rohrleitungen von Anlagenteilen eingebaut sind und deren vorgesehene Funktion es ist, den Durchfluss von Gasen, Dämpfen, Nebeln und Flüssigkeiten zu ermöglichen, aber den Flammendurchschlag zu verhindern.
Die Wirkungsweise einer Flammendurchschlagsicherung beruht im Wesentlichen auf einem oder mehreren der folgenden Mechanismen:

  • – Löschung von Flammen in engen Spalten und Kanälen (z.B. Bandsicherungen, Sintermetalle),
  • – Aufhalten einer Flammenfront durch entsprechend hohe Ausströmgeschwindigkeit der unverbrannten Gemische (Hochgeschwindigkeitventil),
  • – Aufhalten einer Flammenfront durch Flüssigkeitsvorlagen (z.B. Sicherheitstauchungen oder Flüssigkeitsverschlüsse).

Je nach Einbausituation und Betriebsverhältnissen sind entweder Deflagrations- oder Detonationssicherungen als Flammendurchschlagsicherungen zu verwenden.
Wenn es zum Nachströmen explosionsfähiger Atmosphäre und damit zu einem stabilisierten Brennen in/an der Flammendurchschlagsicherung kommen kann, muss die Flammendurchschlagsicherung für die unter Berücksichtigung ggf. eingeleiteter Maßnahmen (z.B. Absperren der Gemischzufuhr, Einblasen von Inertgas oder Luft) zu erwartende Dauer des Brennens geeignet sein.
Flammendurchschlagsicherungen müssen für die möglichen explosionsfähigen Gemische (zünddurchschlagsichere Normspaltweiten) und die Betriebsbedingungen (Druck und Temperatur der Gemische) geeignet sein.
Flammendurchschlagsicherungen dürfen nicht durch ihren Strömungswiderstand zu gefährlichen Druckerhöhungen in der Anlage führen.
Die Gefahr des Zusetzens z. B. durch Schmutz, Polymerisation und Sublimation sowie durch Einfrieren muss ebenso beachtet werden wie der Verlust der sicheren Funktion der Flammendurchschlagsicherung z. B. durch Korrosion.

Strömungsüberwachte rückzündsichere Einrichtungen halten eine Strömungsgeschwindigkeit von Gasen und Dämpfen an der Ausströmöffnung oberhalb der Flammenausbreitungsgeschwindigkeit aufrecht, um auf diese Weise einen Flammendurchschlag zu verhindern. Strömungsüberwachte rückzündsichere Einrichtungen sind geeignet, um explosionsfähige Atmosphäre in Anlagen mit erhöhter Temperatur (Temperatur oberhalb der Zündtemperatur der brennbaren Gase und Dämpfe) einzuleiten.
Die Strömungsgeschwindigkeit der Gase und Dämpfe ist auf geeignete Weise zu überwachen. Bei Unterschreitung der erforderlichen Mindestströmungsgeschwindigkeit ist die Zufuhr von explosionsfähiger Atmosphäre unverzüglich zu unterbrechen.
Die erforderlichen Mindestströmungsgeschwindigkeiten für explosionsfähige Gemische mit Stoffen der Explosionsgruppen IIA und IIB sind definiert und können einer Tabelle entnommen werden. Für andere explosionsfähige Gemische sind die Mindestströmungsgeschwindigkeiten experimental zu bestimmen.

Die für Gase und Dämpfe genannten Einrichtungen zu explosionstechnischen Entkopplung sind bei Stäuben im Allgemeinen nicht einsetzbar (Verstopfungsgefahr etc.). Bei Entkopplungseinrichtungen für Stäube unterscheidet man zwei Systeme:

Bei der vollständigen Entkopplung wird sowohl die Ausbreitung der Flamme als auch des Druckes verhindert. Hier sind hinter der Entkopplungseinrichtung im Allgemeinen keine explosionsfesten Bauteile mehr erforderlich. Entkopplungseinrichtung sind:

  • Schnellschlussschieber
  • Schnellschlussklappe
  • Schnellschlussventil (Explosionsschutzventil)
  • Zellenradschleusen
  • Doppelschiebersysteme

Bei der Teil-Entkopplung wird im Allgemeinen nur die Flammen- oder die Druckausbreitung unterbunden. Ggf. sind für die hinter der Entkopplungseinrichtung angeordneten Anlagenteile weitere Maßnahmen erforderlich (z.B. ausreichende Explosionsfestigkeit). Entkopplungseinrichtung sind:

  • Löschmittelsperren
  • Entlastungsschlot
  • Produktvorlage

Für eine explosionstechnische Entkopplung bei hybriden Gemischen kommen aufgrund des Staubanteils auch die Entkopplungseinrichtungen für Stäube in Frage, wenn diese Einrichtungen auch die durch den Dampf- oder Gasanteil verursachten Explosionsauswirkungen ausreichend sicher begrenzen.

Gastautor: Dipl.-Ing. Dieter Seyfert

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© 2011 ABGS GmbH – Dipl.-Ing. Dieter Seyfert

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