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Ex-Schutz: Forschung ist auch heute noch wichtig

Ein Plädoyer
Ex-Schutz: Forschung ist auch heute noch wichtig

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Um Kosten zu senken, das sicher­heit­stech­nis­che Niveau aber zu hal­ten oder wenn nötig zu erhöhen oder Lösun­gen für offene Fra­gen zu find­en, muss auch heute noch ange­wandte Forschung auf dem Gebi­et des Explo­sion­ss­chutzes betrieben werden.

Dr. Berthold Dyrba

Explosion einer Zentrifuge 1)

Die Explo­sion ein­er Zen­trifuge führte zu umfan­gre­ichen Über­legun­gen über geeignete Schutz­maß­nah­men. Die Lösung war auf­grund eines ger­ade abgeschlosse­nen Forschungsvorhabens ohne hohe Investi­tio­nen möglich.
In dem ana­lytis­chen Labor eines Lack­her­stellers erfol­gt die Bes­tim­mung des Pig­ment­ge­haltes von Beschich­tungsstof­fen (Lack­en, Anstrich­stof­fen) mit Hil­fe ein­er Laborzen­trifuge, die eine Drehzahl bis etwa 20.000 Umdrehungen/min. erre­ichen muss (DIN EN ISO 14680 Teil 1). Dieses Ver­fahren wird seit 1996 etwa 1800-mal jährlich durchge­führt. Jet­zt kam es bei dem Vor­gang zu ein­er hefti­gen Explo­sion, bei der der Kam­merdeck­el der Rotorkam­mer (Gewicht ca. 25 kg) aus sein­er Ver­ankerung geris­sen und gegen die Labor­decke geschleud­ert wurde. Die Druck­welle der Explo­sion zer­störte die Zen­trifuge kom­plett. Alle Seit­en­teile wur­den aus ihrer Hal­terung geris­sen, eben­so die elek­tro­n­is­chen Bedi­enele­mente auf der Ober­seite der Zen­trifuge. Eine Glass­cheibe zum Nach­bar­la­bor wurde zertrüm­mert. Der Rotor verblieb in der Kam­mer. Glück­licher­weise war kein Per­so­n­en­schaden zu beklagen.

Was war geschehen?

Die Unter­suchung des Unfalls ergab, dass zuvor ein Mitar­beit­er Lack-Proben, verdün­nt mit Tetrahy­dro­fu­ran, in sechs Zen­trifu­gengläs­er (Inhalt: 12 ml) einge­füllt hat­te. Nach dem Aus­tari­eren wur­den sie in den Rotor gegeben und dieser in der Rotorkam­mer auf die Antrieb­sspin­del der Zen­trifuge geset­zt. Dabei wurde offen­sichtlich wed­er die Rotorab­deck­ung noch die Spin­del fest mit dem Rotor verschraubt.
Der Mitar­beit­er ver­schloss die Kam­mertür und startete die Zen­trifuge. Nach ca. drei Minuten erfol­gte die Explosion.
Es war von fol­gen­dem Sachver­halt auszugehen:
Durch die fehlende Rotorab­deck­ung wurde beim Anlaufen der Zen­trifuge das sich in den Zen­trifu­gengläsern befind­liche Tetrahy­dro­fu­ran auf­grund der hohen Luftver­wirbelung im Rotor­raum voll­ständig vernebelt. Da der Mitar­beit­er den Rotor nicht wie vorgeschrieben mit der Rotor­spin­del ver­schraubt hat­te, muss davon aus­ge­gan­gen wer­den, dass der Rotor bei ein­er Umdrehungs­geschwindigkeit von ca. 8.000 bis 10.000 U/min (Erfahrungswert des Zen­trifu­gen­her­stellers) von der Spin­del abhob und dabei einen Funken erzeugt hat. Dieser brachte das sich im Rotor­raum befind­liche gas­för­mige Tetrahy­dro­fu­ran zur Explo­sion (siehe Abb. 1).
Da auf die Pig­mentbes­tim­mung von Lack­en bei der Her­stel­lung nicht verzichtet wer­den kann, wurde in dem betrof­fe­nen Unternehmen geplant, eine neue Zen­trifuge zu beschaf­fen, die in einem sep­a­rat­en Raum aufgestellt und durch eine Videoüberwachung kon­trol­liert wer­den sollte. Durch ein Sachver­ständi­gengutacht­en sollte eine zukün­ftig sicherere Betrieb­sweise belegt werden.
Es wurde ver­sucht, eine Zen­trifuge explo­sion­s­geschützter Bauart zu erwer­ben. Dabei ergaben weltweite Recherchen jedoch, dass selb­st mod­ern­ste Zen­trifu­gen zum dama­li­gen Zeit­punkt keine Zer­ti­fizierung als explo­sion­s­geschütztes Gerät aufwiesen. In der Betrieb­san­leitung für die zur Wahl ste­hende Hochgeschwindigkeit­szen­trifuge SORVALL RC-28S der Fir­ma DuPont wurde der Ein­satz brennbar­er Stoffe aus­drück­lich verboten.

Kostengünstige Lösung durch Forschungsvorhaben

Durch das Ein­schal­ten der zuständi­gen Auf­sichtsper­son der Maschi­nen­prüf­stelle und des Fach­bere­ich­es „Explo­sion­ss­chutz“ der BG RCI kon­nte eine schnelle, sichere und für das Unternehmen sehr kostengün­stige Lösung des Prob­lems gefun­den werden.
Dies gelang auf­grund der Ergeb­nisse des unter Mitwirkung der BG RCI von der Physikalisch-Tech­nis­chen Bun­de­sanstalt in Braun­schweig durchge­führten Forschung­spro­jek­tes „Abhängigkeit sicher­heit­stech­nis­ch­er Ken­ngrößen vom Druck unter­halb des atmo­sphärischen Druck­es“ (siehe unter www.exinfo.de, Seit­en-ID: 1243.0). Danach steigt der max­i­male Explo­sions­druck bei ein­er Explo­sion auch im Unter­druck um das 10-fache des im Sys­tem beste­hen­den Drucks an. Das bedeutet: Wenn bei einem vor­liegen­den Vaku­um von 0,1 bar eine Explo­sion erfol­gt, beträgt der max­i­male Explo­sions­druck 1 bar, d.h. nor­maler Umge­bungs­druck. Eine Gefahr beste­ht dann also nicht.
Für eine Zen­trifuge, die mit brennbaren Stof­fen betrieben wer­den soll, bedeutet dies, dass ein Vaku­um klein­er 0,1 bar in der Rotorkam­mer erre­icht wer­den muss, bevor es zu ein­er gefährlichen Sit­u­a­tion durch den abheben­den Rotor kom­men kann. Wie durch den Zen­trifu­gen­her­steller bere­its unter­sucht, kann dies bei ein­er Umdrehungs­geschwindigkeit über 8.000 U/min erfol­gen. Wird also gewährleis­tet, dass durch eine tech­nis­che Überwachung bzw. Steuerung der Zen­trifuge die Abhe­begeschwindigkeit des Rotors erst bei einem Unter­druck klein­er 0,1 bar in der Rotorkam­mer erre­icht wird, kann der Betrieb des Gerätes im explo­sion­s­ge­fährde­ten Bere­ich als sich­er gelten.
Das Unternehmen hat sich trotz des Hin­weis­es in der Betrieb­san­leitung „Benutzen Sie kein Mate­r­i­al das brennbare oder explo­sion­s­ge­fährliche Dämpfe bzw. hochexotherme Reak­tio­nen erzeu­gen kann“ für die Zen­trifuge RC-28S der Fir­ma SORVALL (DuPont) entschieden.
Dabei waren fol­gende Fak­ten ausschlaggebend:
  • Die Zen­trifuge ver­fügt über ein Vaku­um­sys­tem, das im Rotor­raum einen Unter­druck von 10 mbar erzeu­gen kann. Die Über­prü­fung der Anfahrpro­gramme ergab, dass im „slow start“ bei 1.500 U/min bere­its dieses max­i­male Vaku­um von 10 mbar erre­icht wird
  • Weit­er­hin ist der Rotor der Zen­trifuge so dicht zu ver­schließen, dass wed­er Flüs­sigkeit­en noch Dämpfe aus den Probenge­fäßen aus­treten können
  • Der Ver­schluss des Rotors wird über einen Ultra­schallsen­sor überwacht, der ein Anlaufen der Zen­trifuge bei nicht ver­schlossen­em oder nicht an der Spin­del arretiertem Rotor verhindert
  • Der Rotor selb­st beste­ht aus Titan, das eine höhere Berst­sicher­heit als Alu­mini­um besitzt.
Die Steuerung der Zen­trifuge wurde so verän­dert, dass ein Anfahren nur im „slow start“-Modus möglich ist. Außer­dem wer­den vorzugsweise Probenge­fäße aus Met­all mit ver­schraubtem Ver­schluss einge­set­zt. Das zuständi­ge staatliche Amt für Arbeitss­chutz hat­te keine Bedenken gegen das Vorge­hen. Die Wahl ein­er geeigneten Zen­trifuge und das Tre­f­fen von Maß­nah­men, die aus dem Forschungsvorhaben resul­tierten, ermöglichte dem Mit­glied­sun­ternehmen ein sicheres Arbeit­en im Labor, ohne dazu hohe Investi­tio­nen täti­gen zu müssen.

Aktuelle Forschungsvorhaben

Abhängigkeit sicher­heit­stech­nis­ch­er Ken­ngrößen vom Druck unter­halb des atmo­sphärischen Druckes
Die Forschungs­förderung erfol­gte durch die BG RCI und die DGUV. Forschungsnehmer war die PTB.
Wesentliche Ergeb­nisse waren:
Explo­sion bis 30 mbar möglich (frühere Aus­sagen: keine Explo­sion unter 180 mbar).
Der max­i­male Explo­sions­druck ver­hält sich pro­por­tion­al zum Aus­gang­druck. Erst unter­halb ca. 100 mbar bleibt pmax unter 1 bar (Abb. 2 und Tabelle).
Sicher­heitss­chränke mit Aktivkohle­filterum­luftauf­sätzen (UFA)
Wenn die Instal­la­tion ein­er Lüf­tung an einem Sicher­heitss­chrank Schwierigkeit­en bere­it­et, kann die Ver­wen­dung eines Aktivkohle­filterum­luftauf­satzes (UFA) sin­nvoll sein. In diesem Zusam­men­hang wurde die Frage aufge­wor­fen, ob es dabei zu Adsor­ber­brän­den kom­men kann.
Mit ver­schiede­nen Ver­suchen kon­nte der Beweis erbracht wer­den, dass wed­er beim bes­tim­mungs­gemäßen Betrieb eines Sicher­heitss­chrankes noch bei eventuell auftre­tenden Leck­a­gen mit dem Auftreten von Adsor­ber­brän­den zu rech­nen ist, wenn diese Umluft­fil­ter­auf­sätze mit ein­er kon­tinuier­lich wirk­enden Sicher­heit­sein­rich­tung aus­gerüstet sind.
Mech­a­nisch erzeugte Stahl-Schlagfunken
Mech­a­nisch erzeugte Stahl-Schlag­funken stellen in explo­sion­s­ge­fährde­ten Bere­ichen eine poten­zielle Zündquelle dar. Hierzu wur­den umfan­gre­iche Unter­suchun­gen durchge­führt, die in dem Forschungs­bericht 292 der BAM Bun­de­sanstalt für Mate­ri­al­forschung und ‑prü­fung beschrieben sind (Abb. 3).
Brand- und Explo­sion­s­ge­fahren bei der Hand­habung von Nano­ma­te­ri­alien – Spon­soren gesucht
Ziel des Vorhabens ist es zu ermit­teln, in welchen Branchen und bei welchen Ver­fahren und Anla­gen es bei der Hand­habung von Nano­ma­te­ri­alien zu ein­er Gefährdung durch Brände und Explo­sio­nen kom­men kann (Abb. 4). Basis für diese Gefährdungs­beurteilung sollen die Brenn- und Explo­sionsken­ngrößen der Mate­ri­alien sein. Ein Schw­er­punkt des Pro­jek­tes wird daher sein, Voraus­set­zun­gen zu schaf­fen, das Brenn- und Explo­sionsver­hal­ten von Nano­ma­te­ri­alien zu bes­tim­men sowie für eine gewisse Anzahl an prax­is­rel­e­van­ten Stof­fen das Brenn- und Explo­sionsver­hal­ten zu untersuchen.
Pro­jek­t­be­ginn war Novem­ber 2010. Wenn Sie Inter­esse an ein­er Förderung des Pro­jek­tes haben, wen­den Sie sich bitte an
Dr.-Ing. Marc Scheid, E‑Mail: marc.scheid@bam.de, Tel.: 030 8104 4441.
Zünd­wirk­samkeit von Ultra­schall – Spon­soren gesucht
In den Explo­sion­ss­chutz-Regeln der DGUV (BGR 104) ist Ultra­schall als eine von 13 Zündquellen genan­nt. Die dort geforderten Gren­zw­erte für die Leis­tungs­dichte und Fre­quenz sind vor über 30 Jahren durch Analo­giebe­tra­ch­tun­gen ohne exper­i­mentelle Grund­lage fest­gelegt wor­den. Sie sind daher ein­er­seits entsprechend kon­ser­v­a­tiv gewählt, berück­sichti­gen aber ander­er­seits nicht die heute, zumin­d­est außer­halb von Ex-Bere­ichen, bere­its vielfach angewen­de­ten gepul­sten und Mehrfre­quen­zan­wen­dun­gen. Durch den tech­nis­chen Fortschritt wirken die Anforderun­gen zunehmend als Hemmnis.
Ziel des Forschung­spro­jek­tes ist eine sicher­heit­stech­nis­che Neube­w­er­tung der poten­ziellen Zündquelle Ultra­schall. Dazu sind zunächst the­o­retis­che Betra­ch­tun­gen anzustellen und spez­i­fis­che Ultra­schallmess­möglichkeit­en in explo­sions­fähi­gen Atmo­sphären und brennbaren Flüs­sigkeit­en weit­er zu entwick­eln. Für die Bew­er­tung ist eine aus­re­ichende exper­i­mentelle Daten­ba­sis zu erar­beit­en, die alle in Frage kom­menden Zünd­mech­a­nis­men abdeckt, ins­beson­dere Über­lagerung und Fokussierung der Schall­wellen sowie Kav­i­ta­tion in der Flüssigkeitsoberfläche.
Die Ergeb­nisse des Forschung­spro­jek­tes sollen als all­ge­mein gültige Regeln in Form von Gren­zw­erten und sicher­heit­stech­nis­chen Randbe­din­gun­gen mit Bezug zu den gel­tenden sicher­heit­stech­nis­chen Klas­si­fizierun­gen (Zonen, Gerätekat­e­gorien, Tem­per­aturk­lassen, Explo­sion­s­grup­pen) for­muliert werden.
Durchge­führt wird das Pro­jekt von den Fach­abteilun­gen „Zündquel­len­sicher­heit“ und „Ultra­schall“ an der PTB Braun­schweig in Koop­er­a­tion mit der DGUV, Beruf­sgenossen­schaften, wie z.B. der BG RCI und Indus­triepart­nern. Als Koop­er­a­tionspart­ner haben Sie die Möglichkeit, durch konkrete Fragestel­lun­gen den Pro­jek­tver­lauf mitzugestal­ten und prof­i­tieren frühzeit­ig von den Ergebnissen.
Bei Inter­esse wen­den Sie sich bitte an
Dr.-Ing. M. Bey­er, E‑Mail:
Michael.Beyer@ptb.de, Tel.: 0531 592‑3700.
Explo­sions­bere­iche mod­ern­er Anäs­the­siemit­tel bei nich­tat­mo­sphärischen Bedingungen
Um mit Blick auf den Explo­sion­ss­chutz in medi­zinisch genutzten Räu­men aus­re­ichende Schutz­maß­nah­men tre­f­fen zu kön­nen, müssen die sicher­heit­stech­nis­chen Ken­ngrößen der mod­er­nen Anäs­the­siemit­tel für unter­schiedliche Oxi­da­tion­s­mit­tel als eine ver­lässliche Grund­lage bekan­nt sein. Da diese nicht vor­liegen, wur­den gemein­sam mit der Physikalisch-Tech­nis­chen Bun­de­sanstalt Forschun­gen notwendig. Ein Abschluss­bericht liegt vor.
Ermit­tlung der Zündtem­per­atur – Ein­fluss der Geome­trie der Versuchsapparatur
Viele ver­fahren­stech­nis­che Prozesse laufen bei erhöht­en Drück­en ab. Die Bes­tim­mung der Zündtem­per­atur bei erhöhtem Druck ist in den zur Umge­bung offe­nen Normap­pa­ra­turen jedoch nicht möglich. Es wurde deshalb ein geschlossenes Gefäß mit Tem­per­atur- und Druck­sen­soren zur Detek­tion der Zün­dung entwick­elt. In Ver­such­srei­hen wer­den die Ergeb­nisse in Normap­pa­ratur und geschlossen­em Gefäß ver­glichen (Abb. 5).
Staubex­plo­sion­srisiko an Mischern
Die Unter­suchung hat das Ziel, das „70 %-Kri­teri­um“ nach Zif­fer 3.3.5 der Beispiel­samm­lung zur EX-RL (BGR 104) zu überprüfen.
Unter­sucht werden:
  • Zünd­barkeit bei unter­schiedlichen Zündenergien
  • Ein­fluss von Drehzahl der Mis­chw­erkzeuge und Behältergeometrie
  • Druck­en­twick­lung im Mis­ch­er (Abb. 6)
Explo­sion­ss­chutz an Ele­va­toren – Opti­mierung kon­struk­tiv­er Explosionsschutz-Maßnahmen
Ansatzpunk­te für die Opti­mierung sind:
  • die Ausle­gung der druck­stoßfesten Bauweise von Ele­va­toren in Kom­bi­na­tion mit Explo­sion­sun­ter­drück­ung und die
  • Explo­sion­stech­nis­che Entkop­plung angeschlossen­er Anlagenteile
Die geplanten Schutz­maß­nah­men sollen durch Großver­suche unter prax­is­na­hen Bedin­gun­gen ver­i­fiziert wer­den (Abb. 7).
Adi­a­batis­che Warm­lagerung – Vali­dierung ermit­tel­ter for­malkinetis­ch­er Größen
Mit Hil­fe der adi­a­batis­chen Warm­lagerung lässt sich das Selb­stentzün­dungsver­hal­ten großvo­lu­miger Schüt­tun­gen brennbar­er Fest­stoffe bei geschick­ter Ver­suchs­führung aus nur einem Ver­such bes­tim­men. Die ermit­tel­ten kinetis­chen Größen dienen als Eingabe­dat­en für numerische Sim­u­la­tion­srech­nun­gen, mit deren Hil­fe beliebige Prax­is­fälle hin­sichtlich ein­er Selb­stentzün­dungs­ge­fahr unter­sucht wer­den kön­nen (Abb. 8).
Explo­sion­ss­chutz bei Met­all­stäuben – Explo­sion­sun­ter­drück­ung an Filteranlagen
Für den kon­struk­tiv­en Explo­sion­ss­chutz von Fil­ter­an­la­gen spielt die Explo­sion­sun­ter­drück­ung eine bedeu­tende Rolle. Bei Absaugung von Met­all­stäuben stößt man auf erhe­bliche Wis­sens­de­fizite bei der Ausle­gung dieser Schutzsys­teme. Wegen der hohen Ver­bren­nung­stem­per­a­turen von Met­all­stäuben kann es nach Aus­trag der Löschmit­tel­be­häl­ter leicht zu erneuter Durchzün­dung kom­men (Abb. 9).
Weit­ere Infor­ma­tio­nen zu den einzel­nen Forschungsvorhaben find­en Sie auf dem Explo­sion­ss­chutz­por­tal der BG RCI unter www.exinfo.de, Seit­en-ID 1243.0.
Lit­er­atur
1. Kre­del, P: Aus Unfällen ler­nen – Explo­sion ein­er Zen­trifuge, Sichere Chemiear­beit, S. 30 – 31, 03/2001
Autor
Dr. Berthold Dyr­ba, BG RCI E‑Mail: berthold.dyrba@bgrci.de
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