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Ex-Schutz: Ereignisse, Ursachen und Maßnahmen

Die wüste Welt der Explosionen - Teil 1
Ex-Schutz: Ereignisse, Ursachen und Maßnahmen

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In der Chemiefab­rik, im Hochofen oder in der Sägemüh­le, jedes Jahr ereignen sich schwere und schw­er­ste Unfälle, die mit Explo­sio­nen ein­herge­hen. In ein­er Serie von drei Artikeln beleuchtet unser Fachau­tor Ursachen und Hin­ter­gründe von Explo­sion­sun­fällen. Ange­fan­gen mit dem „Klas­sik­er“: Die Reak­tion mit Sauerstoff.

„So wichtig wie die Luft zum Atmen“ ist ein Sprich­wort, das wir ver­wen­den, um auf (schein­bar) lebenswichtige Dinge hinzuweisen. Unser Leben ist ohne Luft nicht möglich. Denn der darin enthal­tene Sauer­stoff dient in den Zellen zur Ver­bren­nung und somit zur Energieerzeu­gung. Laufen diese Oxi­da­tion­sprozesse allerd­ings nicht langsam im kleinen, son­dern schnell im großen Maßstab ab, wird die freige­set­zte Energie zur Gefahr.
Von ein­er Explo­sion spricht man, wenn die Reak­tion mit Sauer­stoff im Bere­ich von Sekun­den­bruchteilen abläuft, die gebilde­ten Ver­bren­nungs­gase durch die Reak­tion­swärme aufge­heizt wer­den, sich dadurch aus­dehnen und schließlich zu ein­er immensen Druck­er­höhung führen. Dabei kön­nen Tem­per­a­turen über 1000 Grad Cel­sius und Druck­er­höhun­gen auf das etwa acht- bis zehn­fache des Aus­gangs­druck­es auftreten. Von ein­er Det­o­na­tion spricht man, wenn die Aus­dehnung mit Über­schallgeschwindigkeit erfol­gt. Der Begriff Ver­puffung wird dage­gen nur umgangssprach­lich als Syn­onym für eine Explo­sion verwendet.

Grund­sät­zlich bedarf es für Brände und Explo­sio­nen dreier Voraus­set­zun­gen, die gle­ichzeit­ig vor­liegen müssen:
  • der erwäh­nte Sauer­stoff der Luft (oder ein anderes Oxi­da­tion­s­mit­tel, beispiel­sweise Chlorgas),
  • weit­er­hin ein brennbar­er Stoff: entwed­er ein Gas wie Erdgas oder ein Flüs­sig­gas wie Propan und Butan (bei­de ken­nt man unter anderem von Camp­ingkochern und sind auch als Treib­gas in manchen Spray­dosen enthal­ten), oder Flüs­sigkeits­dämpfe, beispiel­sweise Ben­zin- oder Ace­tondämpfe (also ins­beson­dere von Kraft­stof­fen und Lösemit­teln), oder brennbare Stäube (auf die später noch einge­gan­gen wird),
  • dazu eine wirk­same Zündquelle (auch dazu später mehr).
Liegen die brennbaren Stoffe (erkennbar beispiel­sweise an dem Pik­togramm „Flamme“ auf dem Etikett) zusam­men mit Sauer­stoff in einem (un-) gün­sti­gen Mis­chungsver­hält­nis vor, spricht man von ein­er explo­sions­fähi­gen Atmosphäre.
Eine gefährliche explo­sions­fähige Atmo­sphäre liegt vor, „wenn im Falle ihrer Entzün­dung die Sicher­heit und Gesund­heit der Beschäftigten oder Drit­ter beein­trächtigt wer­den kann und deshalb beson­dere Schutz­maß­nah­men erforder­lich wer­den“. So definiert es die Tech­nis­che Regel für Gefahrstoffe TRGS 721 „Gefährliche explo­sions­fähige Atmo­sphäre – Beurteilung der Explo­sion­s­ge­fährdung“, die auch als Quelle für weit­ere Infor­ma­tio­nen herange­zo­gen wer­den kann.

Temperaturen, die Sie kennen sollten

Im Zusam­men­hang mit Explo­sio­nen sind unter anderem zwei Ken­ngrößen von Bedeu­tung, die in jedem Sicher­heits­daten­blatt angegeben wer­den müssen: der Flamm­punkt und die Zündtemperatur.
„Der Flamm­punkt ist die niedrig­ste Tem­per­atur ein­er Flüs­sigkeit, bei der sich unter genormten Bedin­gun­gen Dämpfe in solch­er Menge entwick­eln, dass sie fähig sind, ein ent­flamm­bares Dampf/Luft-Gemisch zu bilden.“
Aus dieser Def­i­n­i­tion lassen sich ver­schiedene Erken­nt­nisse ableiten:
  • Die Über­schre­itung des Flamm­punk­tes führt nicht automa­tisch zu ein­er Explo­sion, son­dern es bildet sich „nur“ eine explo­sions­fähige Atmo­sphäre, die beim kon­se­quenten Auss­chluss von Zündquellen „friedlich“ bleibt.
  • Es sind nicht die Flüs­sigkeit­en an sich, die eine Explo­sion her­beiführen, son­dern ihre Dämpfe.
Deshalb kann auch von gerin­gen Flüs­sigkeits-Rest­men­gen in schein­bar leeren Fässern oder Räu­men eine Gefahr aus­ge­hen. In einem 200-Liter-Fass reichen ger­ade ein­mal 5 Gramm Ben­zin zur Bil­dung ein­er gefahrdro­hen­den Menge aus (Quelle: Merk­blatt T005 „Fass­merk­blatt“ der BG RCI).
Für die Bes­tim­mung des Flamm­punk­tes sind genormte Bedin­gun­gen erforder­lich. Somit ist der Flamm­punkt eine von der Ver­such­sanord­nung (also dem Flamm­punk­t­prüfgerät) abhängige Größe, während die eigentlichen Explo­sion­s­gren­zen Stof­feigen­schaften sind, die sich um einige Grad vom Flamm­punkt unter­schei­den kön­nen. Deshalb ist bei der Hand­habung und Ver­ar­beitung brennbar­er Flüs­sigkeit­en immer ein Sicher­heitsab­stand einzuhal­ten. Bei reinen Flüs­sigkeit­en beträgt die erforder­liche Dif­ferenz min­destens 5 Grad, bei Lösemit­tel­gemis­chen min­destens 15 Grad. Und noch eine Randbe­din­gung muss einge­hal­ten wer­den: Ein Ver­spritzen und Ver­sprühen muss aus­geschlossen wer­den, weil fein verteilte Nebel auf­grund der großen Ober­fläche bei wesentlich niedrigeren Tem­per­a­turen zün­den können.
„Die Zündtem­per­atur ist die niedrig­ste Tem­per­atur ein­er heißen Ober­fläche, bei der unter fest­gelegten Prüf­be­din­gun­gen die Entzün­dung eines entzünd­baren Gas­es oder Dampfs in einem Gemisch mit Luft erfolgt.“
Die Zündtem­per­atur liegt immer über dem Flamm­punkt und führt beim Über­schre­it­en sofort zur Zün­dung ein­er explo­sions­fähi­gen Atmo­sphäre. (Somit haben wir auch schon eine erste Zündquelle ken­nen­gel­ernt: heiße Ober­flächen. Weit­ere Zündquellen fol­gen weit­er unten.)
Auch bei der Zündtem­per­atur gibt es einen geforderten Sicher­heitsab­stand zwis­chen Mess­größe und Umgang­stem­per­atur im Betrieb: Ober­flächen­tem­per­a­turen dür­fen in bes­timmten Fällen höch­stens 80 Prozent des Mess­wertes erre­ichen, bei ein­er Zündtem­per­atur von 400 Grad also max­i­mal 320 Grad. Für die Prax­is teilt man brennbare Gase und Dämpfe entsprechend ihrer Zündtem­per­atur in so genan­nte Tem­per­aturk­lassen ein (siehe Tabelle auf S. 26). Diese kön­nen dann für die Ein­stu­fung von Geräten in explo­sions­fähi­gen Atmo­sphären entsprechend ihrer max­i­malen Ober­flächen­tem­per­atur ver­wen­det werden.

Zündquellen – der Tropfen, der das Fass zum Überlaufen bringt

Wie erwäh­nt, bedarf es für das Aus­lösen ein­er Explo­sion neben Sauer­stoff und brennbarem Stoff noch ein­er wirk­samen Zündquelle. Die Wirk­samkeit, also die Fähigkeit, eine explo­sions­fähige Atmo­sphäre zu entzün­den, hängt dabei ins­beson­dere von der Energiemenge ab, die von der Zündquelle erzeugt wird.
Eine Zündquelle haben wir schon ken­nen gel­ernt: heiße Ober­flächen. Einige weit­ere sind sich­er auch bekan­nt: Offene Flam­men, beispiel­sweise ein bren­nen­des Stre­ich­holz (das auch als Sym­bol auf dem entsprechen­den Ver­bot­sze­ichen zu sehen ist), glim­mende Zigaret­ten und elek­trische Funken, die beim Öff­nen und Schließen elek­trisch­er Stromkreise gebildet wer­den (oder als Zünd­kerze im Motor das Ben­zin-Luft-Gemisch verbrennt).
Daneben ken­nt man noch eine ganze Rei­he weit­er­er Zündquel­lenarten, unter anderem mech­a­nis­che Schlag- und Reib­funken (Beispiel Flex­en), atmo­sphärische Ent­ladun­gen (Beispiel Blitzschlag), elek­tro­mag­netis­che Felder (dazu gehören beispiel­sweise Funksender), adi­a­batis­che Kom­pres­sion (eine schnelle Verdich­tung, die beim Diesel­mo­tor die Zünd­kerze erset­zt), Ultra­schall und ion­isierende Strahlung. Eine häu­fig unter­schätzte Zündquelle ist die sta­tis­che Elek­triz­ität. Während des Arbeit­sprozess­es kann bei Vorgän­gen wie Reiben, Zer­stäuben, Auss­chüt­ten von fes­ten Stof­fen oder beim Strö­men von Flüs­sigkeit­en eine gefährliche Aufladung erfolgen.
Auch Men­schen kön­nen aufge­laden wer­den, wenn sie isolierende Bek­lei­dung oder Schuh­w­erk tra­gen. Vielle­icht ken­nen Sie das Phänomen beim Ausziehen von Kun­st­fas­er-Pullis, dass sich kleine Blitze bilden – diese kön­nten in ein­er explo­sions­fähi­gen Atmo­sphäre als Zündquelle wirken!

Gefährlicher Staub – auch Lebensmittel können Explosionen verursachen

Wichtig zu wis­sen: Auch in Luft fein verteilte Stäube kön­nen eine explo­sions­fähige Atmo­sphäre bilden, beispiel­sweise Mehl- und Zuck­er­staub. Gle­ich­es gilt für Holz- und Kohlestaub. Bei vie­len brennbaren Stäuben reicht bere­its eine gle­ich­mäßig über die gesamte Boden­fläche verteilte Staubablagerung von weniger als ein Mil­lime­ter Schicht­dicke aus, um beim Aufwirbeln einen Raum mit explo­sions­fähigem Staub/Luft-Gemisch voll­ständig auszufüllen. Infolge ein­er ersten Explo­sion kann abge­lagert­er Staub aufgewirbelt wer­den und zu Fol­ge­ex­plo­sio­nen führen. Die schw­er­ste Mehlstaub-Explo­sion in Deutsch­land ereignete sich am 6. Feb­ru­ar 1979 in der Roland­müh­le in Bre­men, sie riss 14 Men­schen in den Tod.

Schutzmaßnahmen zur Prävention des unerwünschten Knalls

Um eine Explo­sion zu ver­mei­den, muss min­destens eine der drei Voraus­set­zun­gen, brennbar­er Stoff – Sauer­stoff – Zündquelle, aus­geschlossen werden.
Daher gilt:
  • Sub­sti­tu­tion von Stof­fen, die in der Lage sind, explo­sions­fähige Atmo­sphäre zu bilden, beispiel­sweise Erset­zen entzündlich­er Lösemit­tel zur Met­al­lent­fet­tung durch Ester auf Basis pflan­zlich­er Öle.
  • Ver­mei­den der Bil­dung ein­er explo­sions­fähi­gen Atmo­sphäre. Bei Flüs­sigkeit­en entwed­er durch Sich­er­stellen ein­er niedri­gen Tem­per­atur, so dass der Flamm­punkt immer aus­re­ichend unter­schrit­ten wird. Oder durch eine wirk­same Absaugung, so dass die Konzen­tra­tion der Dämpfe in der Luft unter­halb der Explo­sion­s­gren­ze bleibt. Bei brennbaren Stäuben zählt dazu auch eine zeit­na­he und regelmäßige Besei­t­i­gung von Staubablagerungen.
  • Ver­mei­den ein­er explo­sions­fähi­gen Atmo­sphäre durch Auss­chluss von Sauer­stoff, also durch Iner­tisieren mit Stick­stoff oder Kohlendioxid.
  • Ver­hin­dern der Zün­dung ein­er explo­sions­fähi­gen Atmo­sphäre durch Auss­chluss aller wirk­samen Zündquellen.
Ein alter­na­tives Schutzkonzept kann darin beste­hen, die Auswirkun­gen ein­er Explo­sion zu begren­zen. Dies funk­tion­iert allerd­ings nur in geschlosse­nen Sys­te­men, beispiel­sweise durch die Anwen­dung von Vaku­um (weil der Explo­sions­druck ja vom Anfangs­druck abhängt, führt eine Explo­sion bei 0,1 bar zu einem Druck von 1 bar, also Normal­druck), durch explo­sions­feste Bauweise (dann müssen alle Kom­po­nen­ten dem End­druck wider­ste­hen kön­nen) oder durch Druck­ent­las­tung mit­tels Berstscheibe oder Explosionsklappen.
In der näch­sten Folge lesen Sie, welche Bedeu­tung das Explo­sion­ss­chutz­doku­ment hat – und warum es nicht alle Explo­sio­nen erfasst.

Autor:

Dr. Joachim Sommer

Refer­at Anla­gen- und Ver­fahrenssicher­heit, Beruf­sgenossen­schaft Rohstoffe und chemis­che Indus­trie (BG RCI)

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