Einstieg in den Explosionsschutz
Bei Tätigkeiten mit brennbaren Stoffen muss die Gefährdung durch einen Brand oder einer Explosion beurteilt werden. Als brennbar gelten alle Stoffe, die nach ihrer Entzündung in Reaktion mit (Luft-)Sauerstoff (und weiteren oder anderen sogenannten Oxidationsmitteln) verbrennen können. Sie kommen in festem, flüssigem und gasförmigem Zustand vor.
Brandentstehung
Für die Entstehung eines Brandes müssen bekanntlich drei Voraussetzungen gleichzeitig gegeben sein (siehe Abbildung 1).
Bei einer Verbrennung findet eine chemische Reaktion zwischen (Luft-)Sauerstoff und dem brennbaren Stoff statt. Ohne (Luft-)Sauerstoff kann es nicht zur Reaktion und somit nicht zur Verbrennung kommen. Mit einem Sauerstoffanteil von 20,9 % ist in der natürlichen Atemluft ausreichend Sauerstoff enthalten, um eine Verbrennung aufrechtzuerhalten.
Die Entzündbarkeit und die Verbrennungsgeschwindigkeit fester, brennbarer Stoffe hängen mit der Oberfläche zusammen, die mit (Luft-)Sauerstoff in Kontakt kommen kann. Eine große Oberfläche (hoher Zerteilungsgrad) begünstigt somit das Entzünden. So kann zum Beispiel ein Holzstock mit einem Feuerzeug nur schwer entzünden werden, Holzwolle hingegen sehr leicht.
Entstehung einer Explosion
Je höher der Zerteilungsgrad eines festen, brennbaren Stoffs ist, desto höher ist das Risiko einer Explosion. Denn eine Explosion im Sinne des Explosionsschutzes ist eine sehr schnell ablaufende Verbrennung (siehe www.exinfo.de). Dieser schnelle Reaktionsablauf erzeugt einen Druck- und Temperaturanstieg. Voraussetzung für eine Explosion ist, dass der brennbare Stoff und der (Luft-)Sauerstoff (oder ein anderes Oxidationsmittel) nicht wie bei einem Brand nebeneinander, sondern gut durchmischt vorliegen. Dies ist bei Gasen, Dämpfen und Nebeln meist der Fall. Feststoffe hingegen müssen als Stäube mit entsprechend geringer Korngröße vorliegen und aufgewirbelt werden.
Für die Entstehung einer Explosion müssen also vier Voraussetzungen gleichzeitig gegeben sein (siehe Abbildung 2):
1. Brennbarer Stoff (Feststoffe staubförmig)
2. (Luft-)Sauerstoff (oder ein anderes Oxidationsmittel)
3. Durchmischung im richtigen Mischungsverhältnis
4. Wirksame Zündquelle
Video Explosionsschutz
Das Video „Explosionsschutz – Einführung“ der BG RCI Gefahrstoffvideos erläutert den Gefahrentetraeder und das Prinzip der Gefährdungsbeurteilung im Explosionsschutz näher.
Explosionsschutz Einführung
Explosionsfähiges Gemisch und explosionsfähige Atmosphäre
Liegen die Bedingungen 1 bis 3 vor, spricht man allgemein von einem „explosionsfähigen Gemisch“ (siehe Abbildung 3).
Unter folgenden Bedingungen wird das Gemisch als „explosionsfähige Atmosphäre“ bezeichnet:
- Brennbarer Stoff und Luft,
- atmosphärische Bedingungen (Umgebungstemperatur von –20 °C bis +60 °C und Luftdruck von 0,8 bis 1,1 bar)
Von einem gefährlichen explosionsfähigen Gemisch (g. e. G.) bzw. einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre (g. e. A.) spricht man, wenn eine sogenannte gefahrdrohende Menge vorliegt. Diese ist definiert als ein Volumen des Gemischs von mehr als 10 Litern, bzw. größer als 1/10.000 des Rauminhaltes oder als eine durch das Gemisch in unmittelbarer Nähe von Menschen.
Zur weiteren grundlegenden Erläuterung der Prinzipien des Explosionsschutzes wird im weiteren Verlauf der Fokus auf die gefährliche explosionsfähige Atmosphäre gelegt.
Sicherheitstechnische Kenngrößen
Bei brennbaren Flüssigkeiten ist zu beachten, dass nicht die Flüssigkeit selbst, sondern nur ihre Dämpfe brennen. Diese bilden sich über der Flüssigkeitsoberfläche. Die Dämpfe können sich ausbreiten und eine Zündquelle finden. Eine wichtige Kenngröße ist der Flammpunkt. Dieser gibt die unter genormten Versuchsbedingungen ermittelte, niedrigste Temperatur an, bei der eine brennbare Flüssigkeit genügend Dämpfe entwickelt, die sich über der Flüssigkeitsoberfläche entzünden lassen.
Weitere wichtige Kenngrößen zur näheren Analyse der Eigenschaften der brennbaren Stoffe sind:
- die Explosionsgrenzen, die die untere und obere Konzentrationsgrenze einer Mischung aus brennbaren Gasen, Dämpfen, Nebeln oder Stäuben mit Luft angeben. Diese Mischung kann bei Kontakt mit einer wirksamen Zündquelle explodieren,
- die Zündtemperatur (bei Gasen und Dämpfen) oder Mindestzündtemperatur (bei Stäuben) und
- die Mindestzündenergie.
Nähere Informationen zu diesen und weiteren wichtigen sicherheitstechnischen Kenngrößen finden Sie im KB 028-1 „Brand- und Explosionsgefahren“ der BG RCI sowie im BG RCI Podcast „Unter Druck“ Folge 24 „Explosionsschutz“, mit Dr. Oswald Losert. Neben den sicherheitstechnischen Kenngrößen werden auch weitere wichtige Begriffe des Explosionsschutzes besprochen. In der Folge 25 „Staubexplosion“ geht es speziell um das Thema Staub.
Es gibt verschiedene kostenfreie Datenbanken mit sicherheitstechnischen Kenngrößen. Umfangreiche Stoffdaten – unter anderem aus dem Gefahrstoffinformationssystem der BG RCI (GisChem) – sowie weitere spezialisierte Verzeichnisse sind im Bereich „Brenn- und Explosionskenngrößen“ auf www.exinfo.de gebündelt zu finden.
Vorgehen zur Beurteilung der Explosionsgefährdungen
Im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung ist die Beurteilung der Explosionsgefährdung vorzunehmen. Die entsprechende Vorgehensweise wird in der TRGS 720 konkretisiert.
Sind brennbare Stoffe vorhanden und kann sich eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre bilden, sind Schutzmaßnahmen folgender Rangfolge festzulegen:
1. Verhindern der Bildung einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre,
2. Vermeiden der Entzündung einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre und
3. Beschränken der Ausbreitung beziehungsweise der Auswirkungen einer Explosion.
Der genaue Ablauf der Gefährdungsbeurteilung ist in der TRGS 720 dargestellt. Im KB 028-2 „Rechtlicher Wegweiser im Explosionsschutz“ der BG RCI werden die jeweiligen Schritte erläutert und es werden Verweise auf die jeweiligen konkretisierenden Regelungen gegeben.
Verhindern der Bildung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre – Gaswarneinrichtungen und -geräte
Die Bildung einer g. e. A. kann beispielsweise durch technische Lüftungsmaßnahmen oder Inertisierung verhindert werden. Gaswarneinrichtungen und -geräte für brennbare Gase können ein Hilfsmittel zur Detektion sein und Warnungen ausgeben, um so spezifische Sicherheitsmaßnahmen, wie Lüftungsmaßnahmen einzuleiten. Weitere Informationen finden Sie auf www.exinfo.de im Bereich Gaswarneinrichtungen und Gaswarngeräte sowie im Merkblatt T 023 der BG RCI, das es auch in englischer Sprache (T 023e) gibt.
Zoneneinteilung im Explosionsschutz
Zur Festlegung von Maßnahmen zur Zündquellenvermeidung kann die Zoneneinteilung herangezogen werden. Die Zoneneinteilung ist ein etabliertes Konzept, um den Umfang der zu ergreifenden Maßnahmen zur Vermeidung einer wirksamen Zündquelle in Abhängigkeit von der Häufigkeit und Dauer des Auftretens von g. e. A. abzuleiten (die Dauer bezieht sich auf die Betriebsdauer des Prozesses). Die Technischen Regeln für Gefahrstoffe der 700er-Reihe nutzen dieses Konzept. Die Voraussetzung für die Anwendung dieses Konzepts ist, dass das Auftreten der g. e. A. und das Wirksamwerden der Zündquelle voneinander unabhängig sind.
Die EX-RL-Beispielsammlung enthält zahlreiche Beispiele zur Zoneneinteilung bei Tätigkeiten mit brennbaren Gefahrstoffen.
Sollte auf eine Zoneneinteilung verzichtet werden, muss auf andere Weise das gleiche Sicherheitsniveau erreicht werden. Ohne eigene Überlegung muss davon ausgegangen werden, dass eine g. e. A. dauerhaft im gesamten Bereich auftritt (Worst-Case-Betrachtung). In diesem Fall sind Schutzmaßnahmen im Sinne der Zone 0/20 zu treffen, sofern in der Gefährdungsbeurteilung für den Einzelfall nichts anderes festgelegt ist.
Einsatz geeigneter Geräte
Auf Basis der Zoneneinteilung machen die Technischen Regeln Vorgaben zur Vermeidung von Zündquellen. Dies betrifft beispielsweise die Verwendung explosionsgeschützter Geräte einer bestimmten Kategorie, das Tragen ableitfähiger Schuhe oder den Einsatz von funkenarmem Werkzeug.
In explosionsgefährdeten Bereichen dürfen nur geeignete explosionsgeschützte Geräte eingesetzt werden. Die Anforderungen an die Beschaffenheit solcher Geräte sind in der EU-Richtlinie 2014/34/EU (ATEX) festgelegt und für Hersteller, Bevollmächtigte, Einführer und Händler verbindlich. Anhand der Herstellerkennzeichnung am Gerät (z. B. Typenschild) ist erkennbar, ob es sich um ein explosionsgeschütztes Gerät handelt und in welchen Zonen und unter welchen Bedingungen das Gerät betrieben werden kann.
Explosionsgeschützte Geräte sind anhand des sechseckigen Explosionsschutz-Kennzeichen, das sich hinter dem CE-Kennzeichenbefindet, zu erkennen.
Für Geräte zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen sind drei Kategorien vorgesehen:
- Kategorie 1: Geräte dieser Kategorie zeichnen sich durch ein sehr hohes Maß an Sicherheit aus. Sie müssen selbst bei selten auftretenden Gerätestörungen sicher sein.
- Kategorie 2: Diese Geräte bieten ein hohes Maß an Sicherheit. Die apparativen Explosionsschutzmaßnahmen dieser Kategorie sind bei häufigen Gerätestörungen oder Fehlerzuständen (die üblicherweise zu erwarten sind) sicher.
- Kategorie 3: Geräte dieser Kategorie gewährleisten bei normalem Betrieb das erforderliche Maß an Sicherheit.
Der nach der Gerätekategorie stehende Buchstabe „D“ oder „G“ gibt an, ob das Gerät für den staubexplosionsgefährdeten Bereich D (engl.: „dust“) oder für explosionsgefährdete Bereiche durch Gase, Dämpfe und Nebel G (engl.: „gas“) geeignet ist.
Beispiele für Typenschilder explosionsgeschützter Geräte finden Sie im KB 028-2 „Rechtlicher Wegweiser im Explosionsschutz“ der BG RCI. Eine Übersicht über die Bedeutung der einzelnen Buchstaben und Ziffern in der Kennzeichnung von Maschinen im Explosionsschutz sowie entsprechende Erklärungen finden Sie im Merkblatt T 050 „Explosionsschutz an Maschinen – Antworten auf häufig gestellte Fragen“ der BG RCI.
Prüfanforderungen bei Explosionsgefährdungen
Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen (Ex-Anlagen) sind überwachungsbedürftige Anlagen, für die besondere Prüfanforderungen gelten. Als „Anlage im explosionsgefährdeten Bereich“ wird die Gesamtheit der explosionsschutzrelevanten Arbeitsmittel einschließlich der Verbindungselemente sowie der explosionsschutzrelevanten Gebäudeteile bezeichnet. Rechtsgrundlage für die Prüfungen ist die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV). Diese schreibt vor, dass die Prüfart, der Prüfumfang, die Prüftiefe, die Prüffristen und die erforderliche Befähigung der zur Prüfung befähigten Person festzulegen sind.
Prüfungen sind erforderlich:
- vor erstmaliger Inbetriebnahme (§ 15 BetrSichV) und
- nach prüfpflichtigen Änderungen (§ 15 BetrSichV) sowie
- wiederkehrend (§ 16 BetrSichV).
Die Prüfung der Ex-Anlage vor erstmaliger Inbetriebnahme und nach prüfpflichtigen Änderungen dient der Feststellung der Explosionssicherheit der Anlage einschließlich der Arbeitsmittel und der Arbeitsumgebung. Die wiederkehrenden Prüfungen dienen unter anderem der Aufrechterhaltung der Explosionssicherheit der Ex-Anlage. Die Fristen für die wiederkehrenden Prüfungen sind im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung zu ermitteln und festzulegen. Dabei gelten maximale Prüffristen.
Die Prüfanforderungen sind im Anhang 2 Abschnitt 3 der BetrSichV festgelegt und werden in der TRBS 1201 Teil 1 „Prüfungen von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen“ konkretisiert.
Nähere Informationen zu den Prüfanforderungen und zur Prüfdokumentation sind im KB 028-2 „Rechtlicher Wegweiser im Explosionsschutz“ der BG RCI zu finden.
Dokumentation im Explosionsschutz
Wenn brennbare Stoffe verwendet werden und die Bildung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre nicht allein durch passive technische Maßnahmen (siehe Ablaufschema im KB 028-2) verhindert werden kann, muss ein Explosionsschutzdokument erstellt werden. Dieses ist ein Teil der Dokumentation der Gefährdungsbeurteilung. Es dient dazu, die Gefährdungen durch gefährliche explosionsfähige Atmosphären besonders auszuweisen. Dazu bündelt es alle Informationen zum Explosionsschutz hinsichtlich des betreffenden Arbeitsbereichs.
Diese sind vor allem:
- die Ergebnisse der Ermittlung und Bewertung der Explosionsgefährdungen,
- die Darstellung des Explosionsschutzkonzepts, also der Gesamtheit der technischen und organisatorischen Maßnahmen, die auf Basis der Gefährdungsbeurteilung getroffen wurden,
- die Zoneneinteilung, sofern eine solche vorgenommen wurde,
- die Ausweisung der Bereiche, in denen Explosionsschutzmaßnahmen getroffen wurden,
- die Darstellung, wie die Zusammenarbeit mit Fremdfirmen umgesetzt wird, und
- die Darlegung, welche Prüfungen beziehungsweise Prüffristen festgelegt sind.
Für den Aufbau des Explosionsschutzdokuments gibt es keine rechtlichen Vorgaben. Eine Übersichtsdarstellung finden Sie im KB 028-2 „Rechtlicher Wegweiser im Explosionsschutz“. Eine ausführlichere Darstellung ist in der DGUV Information 213-106 „Explosionsschutzdokument“ zu finden.
Deflagration, Detonation und die 'Verpuffung‘: Begriffsbestimmung
Explosionen werden oft differenzierter als „Verpuffung“, „Deflagration“ oder „Detonation“ bezeichnet. Wichtig zu wissen: Der Begriff „Verpuffung“ ist nicht fachlich definiert. Er suggeriert eine vermeintlich harmlose Explosion. Unter Fachleuten führt dies oft zu der ironischen Bemerkung, dass man im eigenen Haus nur „Verpuffungen“ erlebe, während bei anderen stets „Explosionen“ stattfänden.
Eine Unterscheidung kann in Bezug auf drei Parameter vorgenommen werden (siehe Abbildung 6).
Explosionsfähig, explosionsgefährlich und explosiv: Begriffsbestimmung
Obwohl sie sich ähnlich anhören, beschreiben diese Begriffe unterschiedliche Sachverhalte. Ein Blick in die aktuelle sowie in frühere Fassungen der Gefahrstoffverordnung kann dabei helfen, die wesentlichen Unterschiede anschaulich einzuordnen:
Explosionsfähig:
Dieser Begriff bezieht sich auf eine explosionsfähige Atmosphäre oder ein explosionsfähiges Gemisch, das „aus brennbaren Gasen, Dämpfen, Nebeln oder aufgewirbelten Stäuben und Luft oder einem anderen Oxidationsmittel, das nach Wirksamwerden einer Zündquelle in einer sich selbsttätig fortpflanzenden Flammenausbreitung reagiert, sodass im Allgemeinen ein sprunghafter Temperatur- und Druckanstieg hervorgerufen wird.“ (siehe § 2 Absatz 10 Gefahrstoffverordnung)
Explosionsgefährlich:
Stoffe und Zubereitungen waren explosionsfähig, „wenn sie in festem, flüssigem, pastenförmigem oder gelatinösem Zustand auch ohne Beteiligung von Luftsauerstoff exotherm und unter schneller Entwicklung von Gasen reagieren können und unter festgelegten Prüfbedingungen detonieren, schnell deflagrieren oder beim Erhitzen unter teilweisem Einschluss explodieren (Beispielsweise § 4 Gefahrstoffverordnung Stand vom 23.12.2004)
Explosiv:
Dieser Begriff wird im Zusammenhang mit dem GHS-Piktogramm „explodierende Bombe“ verwendet. Er beschreibt instabile explosive Stoffe, Gemische und Erzeugnisse, wie etwa Spreng- und Zündstoffe oder pyrotechnische Sätze.
Weitere Ursachen für Explosionen
Neben der Explosion als eine sehr schnell ablaufende Verbrennung, gibt es noch weitere Explosionsarten, die auf www.exinfo.de nicht berücksichtigt werden.
Lernangebote der SUVA zum Explosionsschutz
Die SUVA bietet auf ihrer Website viele gut verständlich dargestellte Informationen zum Explosionsschutz. So auch eine Reihe von Videos rund um das Thema.
Hier geht's zur Website der SUVA.
