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(Fast) alles, was man zu Explosionsschutz wissen sollte Schritt für Schritt zum Ex-Schutz

07.02.2018

Explosionsschutz setzt sich aus verschiedenen Bausteinen zusammen. Aufeinander abgestimmt sorgen sie für den richtigen Schutz von Anlagen. Dafür sollte man im Vorfeld eine Risikoanalyse erstellen, auf deren Basis wiederum die erforderlichen Schutzkonzepte für die verschiedenen Sicherheitsebenen ausgewählt werden.

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Explosionsschutz ist nicht gleich Explosionsschutz: Der Anlagenschutz von Anwender A garantiert nicht zwangsläufig den bestmöglichen Schutz für die Anlagen von Anwender B. Entscheidungsgrundlage dafür, ob und in welchem Umfang Schutzvorkehrungen ergriffen werden müssen, bildet deshalb eine systematische Risikobeurteilung gemäß der VDI-Richtlinie 2263. Im ersten Schritt wird dabei die Wahrscheinlichkeit des Auftretens explosionsfähiger Atmosphären sowie potentiell wirksamer Zündquellen überprüft, bevor die Heftigkeit der Auswirkungen einer Explosion klassifiziert wird. Beide Bewertungen werden in einer Matrix zusammengeführt.

Die so ermittelten Kennzahlen geben an, ob und in welchem Maße eine Anlage bzw. ein Anlagenteil geschützt werden muss. Dies wird farblich gekennzeichnet. Grün hinterlegte Felder bedeuten, dass keine Schutzmaßnahmen erforderlich sind. Rot hinterlegte Felder bedeuten, dass Schutzmaßnahmen dringend nötig sind. Je höher die Bewertung (= Kennzahl), desto umfangreicher muss der Schutz sein.

Die drei Ebenen des Ex-Schutzes

In Abhängigkeit zu den Ergebnissen der Gefährdungs- und Risikoanalyse müssen probate Schutzvorkehrungen ergriffen werden. Diese werden unter anderem in den primären, sekundären und tertiären Explosionsschutz unterteilt. Der primäre Explosionsschutz beschäftigt sich ausschließlich mit präventiven Maßnahmen zur Vermeidung einer explosionsfähigen Atmosphäre und reduziert so die Eintrittswahrscheinlichkeit einer Explosion. Dabei gilt es, brennbare Stoffe, wann immer es möglich ist, durch solche zu ersetzen, die keine explosionsfähigen Gemische bilden können.

Außerdem lässt sich durch Überlagerung des Stoff-Luft-Gemischs mit Schutzgasen, auch als Inertgase bezeichnet, der Luftsauerstoffgehalt so weit senken, dass keine Explosion stattfinden kann. Der sekundäre Explosionsschutz konzentriert sich dagegen vorrangig darauf, wirksame Zündquellen zu vermeiden. Dies beinhaltet beispielsweise die Verwendung geeigneter Betriebsmittel, den Schutz des Produktstroms vor Verunreinigungen sowie die Erdungsüberwachung zur Verhinderung elektrostatischer Entladungen.

Konstruktiver Schutz

Der tertiäre Explosionsschutz wird auch als konstruktiver Explosionsschutz bezeichnet. Dieser befasst sich mit der Reduzierung der Auswirkungen einer Explosion auf ein erträgliches Maß, er minimiert also die Schwere des Schadens. Zu den konstruktiven Schutzmaßnahmen gehören die konventionelle Druckentlastung durch Berstscheiben, flammenlose Druckentlastung, explosionstechnische Entkopplung als auch die Explosionsunterdrückung.

Dieser Bereich des Explosionsschutzes ist in nahezu allen Anlagen notwendig. Dies hat verschiedene Gründe. Die absolute und vollständige Vermeidung wirksamer Zündquellen ist zum einen prozessbedingt fast nie realisierbar. Zum anderen ist die Inertisierung meist zu kostenintensiv und/oder prozessbedingt nicht möglich. Weitere Vorkehrungen des primären Explosionsschutzes helfen zwar partiell, können das Explosionsrisiko aber meist nicht vollständig eliminieren. Dem konstruktiven Explosionsschutz kommt folglich eine hohe Relevanz zu. Doch wofür stehen die verschiedenen Schutzkonzepte?

Druckentlastung durch Berstscheiben

Bei Anlagen außerhalb von Gebäuden oder Anlagenteilen an einer Außenwand werden häufig Berstscheiben zur Explosionsdruckentlastung verwendet. Geschützt werden so zum Beispiel Silos, Filter und Elevatoren. Im Fall einer Explosion sichert die Berstscheibe die entsprechende Anlage, indem sie den Überdruck im Behälter durch ihr Öffnen verringert und die Explosion nach außen entlässt. Da kaum ein Prozess dem anderen gleicht, gibt es unterschiedliche Typen von Berstscheiben, die sich in Form, Material, Temperatur- und Druck-/Vakuumbeständigkeit unterscheiden.

Auch hygienisch anspruchsvolle Prozesse können heutzutage mit Berstscheiben gesichert werden. So bestand die Berstscheibe EGV HYP eines deutschen Produzenten den EHEDG(European Hygienic Engineering & Design Group)-Reinigbarkeitstest. Innerhalb dieses Tests wird die In-Place-Reinigbarkeit von Anlagenbauteilen geprüft, um in der Praxis hygienisch einwandfreie Produkte zu erhalten. Bei Anlagen innerhalb von Gebäuden sind Berstscheiben zur Druckentlastung nicht geeignet, da kein ausreichend großer Sicherheitsbereich zum Entlasten der austretenden Stäube und Flammen vorhanden ist. Dies birgt ein enormes Sicherheitsrisiko für Personen und Anlagenteile.

Flammenlose Druckentlastung

Häufig wird dies durch Abblasekanäle, auch Entlastungskanäle genannt, gelöst. Dabei wird die sich ausbreitende Explosion über Kanäle nach außen geleitet. Diese Methode verhindert allerdings ein prozessoptimiertes Anlagendesign und ist meist sehr kostspielig. Mit zunehmender Entfernung der Explosion vom Explosionsherd nimmt nämlich der Druck zu, dem der Kanal und die Anlage Stand halten müssen. Die (Herstell-)Kosten für den Abblasekanal steigen somit.

Eine wirtschaftliche Alternative stellt die flammenlose Druckentlastung dar. Diese lässt sich über verschiedene Technologien realisieren. Eine davon ist das Kühlen von Flammen durch eingesetzte Spezial-Mesch-Gewebe in Q-Boxen und Q-Rohren. So können weder Flammen noch Druck austreten. Die für eine Explosion typische Druckerhöhung und Lärmbelästigung im Innenraum wird auf ein kaum wahrnehmbares Minimum reduziert, sodass Mensch und Maschine geschützt sind. Neben dem Spezial-Edelstahl-Mesch-Filter bestehen Q-Rohr und Q-Box aus einer Berstscheibe mit integrierter Signalisierung, die das Prozessleitsystem über das Ansprechen der Scheibe informiert.

Explosionstechnische Entkopplung

In jeder Produktion sind einzelne Anlagenteile durch Rohrleitungen miteinander verbunden. Ziel der explosionstechnischen Entkopplung ist es, diese Leitungen im Fall einer Explosion zu verschließen. Druck und Flammen können sich so nicht ausbreiten. Zugleich werden angrenzende Anlagenteile geschützt. Dabei wird zwischen aktiven und passiven Entkopplungssystemen unterschieden. Aktive Systeme nehmen über Sensoren oder Detektoren eine Explosion bereits in der Entstehungsphase wahr, indem sie den ansteigenden Druck oder sich bildende Flammen registrieren und das zugehörige Entkopplungsorgan, beispielsweise ein Quenchventil, aktivieren.

Die passive Entkopplung reagiert rein mechanisch auf die Ausbreitung von Druck oder Druckverlust. Dazu zählen unter anderem Rückschlagklappen. Diese werden im Normalbetrieb durch die in der Rohrleitung vorhandenen Ströme offen gehalten. Bei einer Explosion verschließt sich die Klappe durch die sich ausbreitende Druckfront. Druck und Flammen können sich so nicht weiter ausbreiten.

Neben den bereits erwähnten Methoden zählt auch die Explosionsunterdrückung zum konstruktiven Explosionsschutz. Dabei wird die Explosion bereits in der Entstehungsphase eliminiert. Möglich machen dies Detektoren, die über Sensoren Funken oder Flammen erkennen. Die an der Anlage installierten Löschmittelbehälter öffnen sich daraufhin und bringen binnen Millisekunden hochwirksames Löschmittel ein. Die Explosion wird somit bereits im Keim erstickt. Bei Bedarf kann ein System zur Explosionsunterdrückung auch zur explosionstechnischen Entkopplung verwendet werden.

Wie entstehen Explosionen?

Für eine Explosion muss neben einer Zündquelle und eines brennbaren Stoffes Luftsauerstoff vorhanden sein. Häufige Zündquellen sind heiße Oberflächen, elektrische Funken oder Glimmnester, die im Prozess entstehen.

Bei einer Staubexplosion kommt die Staubverteilung hinzu. Aber nicht jedes Staub-Luft-Gemisch ist explosionsfähig. Entscheidend dafür ist das Mischungsverhältnis. Für jeden gängigen Staub gibt es ermittelte Explosionsgrenzen, innerhalb derer das Mischungsverhältnis explosionsfähig ist. Die untere Grenze definiert die benötigte Mindestkonzentration, um eine explosionsfähige Atmosphäre zu schaffen. Die obere Explosionsgrenze gibt an, ab wann das Gemisch zu fett ist und keine explosionsfähige Atmosphäre mehr gegeben ist.

Bildergalerie

  • Das Explosionsfünfeck: Die Bausteine einer Staubexplosion sind Brennstoff, Staubverteilung, Sauerstoff, Zündquelle und geschlossener Behälter.

  • Berstscheiben unterscheiden sich je nach Anwendung – im Explosionsschutz werden meist rechteckige Produkte eingesetzt.

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