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Sperren für Gas und Dampf Flammen im Zaum halten

09.04.2018

In der Prozessindustrie reicht schon wenig Energie aus, um kohlenwasserstoffhaltige Luft zu entzünden. Damit sich Flammenfronten nicht ausbreiten und auf verbundene Anlagenteile übergreifen, werden sogenannte Flammensperren verbaut.

Bei allen Anwendungen, in denen Öl, Gas oder lösungsmittelhaltige Stoffe verarbeitet werden, ist es ein immer wiederkehrendes, hochsicherheitsrelevantes Thema, Zündgefahren effektiv entgegenzuwirken. Denn ein Feuer entsteht schnell, wenn bereits zwei kritische Auslöser vorhanden sind: das entzündliche Prozessmedium als Brennstoff und der Sauerstoff als Teil der Umgebungsluft. Risikoquellen sind dabei häufig trivial – etwa statische Aufladungen oder fehlerhafte Elektrogeräte. Aber auch Auswirkungen von unvorhergesehenen Naturereignissen wie Blitzeinschlägen können für eine Entzündung sorgen.

Oft steigern zwei weitere Kriterien die Feuergefahr sogar noch zur Explosionsgefahr. Bei der starken Vermischung der zündfähigen Medien mit Sauerstoff, wie sie in der Prozesstechnik meist vorkommt, dehnen sich Flammen extrem schnell aus. In geschlossenen Leitungen oder Behältern entsteht dann ein Druckanstieg mit erheblicher Zerstörungskraft. Je nach Anlagenlayout kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammen bis über Schallgeschwindigkeit ansteigen und sich zu einer Detonation mit Drücken von mehr als 30 bar entwickeln. Diesem Druckniveau können Tank- und Rohrsysteme nicht standhalten; eine erhebliche Beschädigung der gesamten Anlage und große Gesundheitsgefahr für die Mitarbeiter wären die Folge.

Ein primärer Explosionsschutz, sprich das vollständige Vermeiden einer entzündlichen Atmosphäre, ist im industriellen Umfeld mit angemessenem Aufwand kaum realisierbar oder sogar schlicht unmöglich. Zur Veranschaulichung: Enthält das Prozessmedium Wasserstoff, verursacht dieser bei nahezu jeder Raumluftkonzentration eine entzündliche Atmosphäre. Sicherheitsverantwortliche sind also auf technische Lösungen angewiesen, die das Risiko einer Explosion eindämmen.

Verlustfrei fließen

Für Rohrleitungssysteme im Niederdruckbereich bewährten sich Flammensperren, wie Bormann & Neupert by BS&B sie mit FlameSaf anbietet. Sie stoppen die Ausbreitung einer Flammenfront in Leitungen und kühlen das entzündete Medium dabei auf eine Temperatur unterhalb seines Brennpunkts ab. Als bidirektional wirkende Schranke schützen sie wirksam vor den Auswirkungen einer Explosion und entschärfen auf diese Weise Risiken effektiv.

In seinem Inneren verfügt FlameSaf über gewickelte Sperrelemente mit zahlreichen kleinen Spalten, durch die das gas- oder dampfförmige Prozessmedium im Regulärbetrieb nahezu ungehindert und ohne relevanten Druckverlust hindurchströmen kann. Entscheidend für den Durchfluss und die Sicherheit der Armatur ist die anwendungsspezifische Auslegung. Dabei gilt es, Kriterien wie die Einwirkdauer der Flammen zu beachten; es stehen Versionen für Kurz- sowie für Dauerbrand zur Verfügung. Auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit – Über- oder Unterschall – beeinflusst den Aufbau der Flammensperren.

Kombinierter Schutz

Neben den Versionen zum Einbau in Leitungen bietet Bormann & Neupert by BS&B auch FlameSaf-Varianten, die als Endarmaturen ausgeführt sind. Sie sollen verhindern, dass Flammen aus geschlossenen Systemen in die Umgebung austreten. Dafür bietet sich die Kombination mit einer Entlüftung an, da auch unerwünschte Unter- und Überdrücke ein Risiko für geschlossene Behältersysteme bergen. Sie entstehen etwa durch die witterungsbedingten Temperaturschwankungen, denen Anlagen in Außenbereichen ausgesetzt sind. Auch in gemäßigten Klimazonen muss mit Temperaturen von -20 bis zu 50° C gerechnet werden. Daraus resultieren Druckschwankungen von bis zu 0,1 Bar im Inneren der Behälter, die nur für wenige Millibar Über- oder Unterdruck ausgelegt sind. Sichere und präzise Systeme zum Druckausgleich sind demzufolge unverzichtbar.

Entlüftungen gleichen normalerweise entweder nur Überdruck oder nur Unterdruck aus, mit ihnen sind also immer zwei separate Bauteile erforderlich. Die notwendige Installation an der Oberseite kann zu einer übermäßigen Gewichtsbelastung des Behälters führen. Kombinierte Lösungen zum Druckausgleich inklusive Flammensperre sind dagegen entschieden leichter. Außerdem ist nur ein Anschluss zum Behälter nötig. So reduzieren sich Montageaufwand und das Risiko von Leckagen. Für Flammensperren existiert eine Vielzahl von Richtlinien und Standards, deren Einhaltung je nach Anwendung und Einsatzort gefordert ist.

Strenge Richtlinien

Die strengsten Vorgaben macht aktuell die europäische Norm EN/ISO 16852 in der 2016er Version. Sie verlangt vom Hersteller ausgiebige Tests für solche Produkte, die in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt werden. Doch auch die Richtlinien der nordamerikanischen NFPA oder des API stellen hohe Anforderungen – zum Beispiel an die technische Dichtigkeit von Entlüftungen und Flammensperren bei Drücken nahe dem Ansprechwert. Ziel ist es, nicht nur Mensch und Material, sondern auch die Umwelt vor dem Austritt von Gasen und Dämpfen zu schützen.

Vorgaben für die Wartung und regelmäßige Prüfung der Schutzeinrichtungen sind Bestandteil aller relevanten Vorschriften. Denn Beschädigungen und Verschmutzungen beeinflussen die sichere Funktion sowohl bezogen auf den Ansprechfall wie auch auf die Durchflussraten im Regulärbetrieb. Hintergrund dieser Vorgaben ist, dass sich kohlenwasserstoffhaltige Prozessmedien mit der Zeit auf den Sperrelementen ablagern und dort einen Schmutzfilm bilden. Ebenfalls möglich ist eine kontinuierliche Überwachung von Druck- und Temperaturverlauf an den Armaturen. Diese Parameter erlauben es, präzise Rückschlüsse auf den Zustand zu ziehen; automatisierte Alarmsysteme warnen den Betreiber bei kritischen Abweichungen vom Normzustand schon frühzeitig. Es ist daher sinnvoll, die Flammensperren für den Einsatz von Sensoren auszulegen.

Welche Variante und Auslegung in der jeweils spezifischen Anwendung die langfristig sicherste und wirtschaftlichste Lösung ist, lässt sich nicht pauschal beantworten. „One size fits all“ ist bei Flammensperren in explosionsgefährdeten Industrieumgebungen unmöglich, es gibt nur individuell richtige Antworten. Zu beachten ist außerdem, dass sich Umgebungs- und Prozessbedingungen mit der Zeit verändern können. Im Sinne der Sicherheit sollten deshalb Effektivität und Auslegung der wartungsarmen Schutzeinrichtungen periodisch geprüft werden. Auf diese Weise bleiben Funktionalität und Zuverlässigkeit dauerhaft gewährleistet.

Bildergalerie

  • Durch die gewickelten Sperrelemente im Inneren der Flammensperren strömen gas- oder dampfförmige Prozessmedien im Regulärbetrieb nahezu ungehindert und ohne relevanten Druckverlust hindurch.

    Bild: Bormann & Neupert

  • Als Endarmatur ausgeführte Flammensperren mit integrierter Be- und Entlüftung sorgen auch in geschlossenen Behältern für den Druckausgleich.

    Bild: Bormann & Neupert

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