Explosionsschutz

Dieser Beitrag erläutert die Grundlagen und zeigt, welche Schutzsysteme zur Verfügung stehen und wie man diese richtig einsetzt.

Eine Explosion in einer Produktionsanlage kann verheerende Auswirkungen auf die Prozessumgebung haben. Unter Umständen muss die Anlage für mehrere Tage oder sogar Wochen heruntergefahren werden. Die Betriebsunterbrechung und der damit verbundene Produktivitätsverlust führt zu Wettbewerbsnachteilen am Markt. Auch die Kosten für den Versicherungsschutz können in die Höhe schnellen. Im schlimmsten Fall kann eine Explosion aber auch bedeuten, dass Produktionsmitarbeiter schwere oder sogar tödliche Verletzungen davontragen.
In vielen Bereichen der chemischen Indus­trie ist die Gefahr einer Explosion gegeben. Aber seit Jahren ist die Anzahl der Arbeitsunfälle in der Branche rückläufig. In VCI-Mitgliedsunternehmen lag sie im Jahr 2014 bei 5,3 Unfällen je eine Million Arbeitsstunden. Den größten Anteil daran nehmen sogenannte Wegeunfälle ein. Auch im Branchenvergleich liegt die Prozess­industrie hier weit hinter anderen Branchen. Dass die Chemieproduktion so sicher geworden ist, ist kein Zufall. Seit Jahrzehnten werden Sicherheitskonzepte entwickelt und auch umgesetzt, in denen Brand- und Explosionsschutz eine sehr große Rolle einnehmen.

Explosionsgefahr richtig beurteilen
Beispiel Staubexplosion: Jeder Teilbereich einer Anlage, in der eine Staubentwicklung während des Produktionsprozesses möglich ist, birgt das potenzielle Risiko einer Explosion. Dazu zählen bspw. Siebe, Mühlen oder Filter. Statistisch gesehen kommt es jeden Tag zu einer Staubexplosion in Deutschland, die aber dank umfangreicher vorbeugender und konstruktiver Schutzmaßnahmen meist nur verhältnismäßig kleine Schäden verursachen.
Ob und in welchem Umfang Schutzmaßnahmen ergriffen werden müssen, klärt die systematische Risikobeurteilung. Sie ist die Entscheidungsgrundlage dafür und zeigt auch den konkreten Handlungsbedarf an. Die Risikobeurteilung erfolgt in drei Schritten. Im ersten Schritt wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretens explosionsfähiger Atmosphären sowie potenziell wirksamer Zündquellen überprüft. Danach folgt die Klassifizierung der Auswirkungen einer Explosion auf Personen, die Umwelt und das Unternehmen nach Schweregrad.
Auf Basis der Klassifizierung in den ersten beiden Schritten kann eine Matrix aus den Einflussgrößen der Eintrittswahrscheinlichkeit und der Schadensschwere erstellt werden (s. Abb. 3). Die ermittelten und in der Matrix aufgeführten Kennzahlen zeigen an, ob und in welchem Maße eine Anlage bzw. ein Anlagenteil geschützt werden muss. In der Matrix grün hinterlegte Felder bedeuten, dass keine Schutzmaßnahmen erforderlich sind. Rot hinterlegte Felder zeigen an, dass Schutzmaßnahmen dringend erforderlich sind. Je höher die Bewertung durch eine angegebene Zahl von 1–10 ist, desto umfangreicherer Schutz ist notwendig.

Auslöser von Staubexplosionen
Eine Staubexplosion erfordert fünf auslösende Parameter: einen brennbaren Stoff, Luftsauer­stoff, eine Staubverteilung (Dispersion), eine Zündquelle und einen geschlossenen Raum (z. B. Behälter). Aber längst nicht jedes Staub-Luft-Gemisch ist explosionsfähig – entscheidend ist das Mischungsverhältnis. Für jeden gängigen Staub wurden sogenannte Explosionsgrenzen ermittelt. Innerhalb dieser ist das Mischungsverhältnis explosionsfähig. Die untere Explosionsgrenze (UEG) definiert die benötigte Mindestkonzentration, die eine explosionsfähige Atmosphäre entstehen lässt. Die obere Explosionsgrenze (OEG) gibt an, ab wann das Staub-Luft-Gemisch zu fett ist und sich damit auch keine explosionsfähige Atmos­phäre mehr entwickeln kann (s. Abb. 4).
Wie schon erwähnt, muss eine wirksame Zündquelle vorhanden sein, um eine Staubexplosion auszulösen. Dazu gehören bspw. heiße Oberflächen, Reibungsfunken, elektrostatische Entladungen oder Glimmnester, die im Prozess entstehen können.

Vorbeugende und konstruktive Maßnahmen
Zeigen die Ergebnisse der Gefährdungs- und Risikoanalyse Gefahrenpotentiale an, müssen geeignete Schutzmaßnahmen ergriffen werden. Diese werden in vorbeugende und kon­struktive Maßnahmen unterteilt.
Beim vorbeugenden Explosionsschutz geht es vorrangig um die Minimierung der Eintrittswahrscheinlichkeit einer Explosion und damit grundsätzlich um präventive Maßnahmen zur Vermeidung einer explosionsfähigen Atmosphäre. Brennbare Stoffe müssen – wann immer es möglich ist – durch andere ersetzt werden, die keine explosionsfähigen Gemische bilden können. Eine weitere mögliche Maßnahme ist die Überlagerung des Staub-Luft-Gemischs mit Schutzgasen, die sogenannte Inertisierung. Damit wird der Luftsauerstoffgehalt so weit abgesenkt, dass eine Explosion nicht mehr ausgelöst werden kann. Zum vorbeugenden Explosionsschutz gehört auch die Vermeidung wirksamer Zündquellen. Dies beinhaltet bspw. die Verwendung geeigneter Betriebsmittel, den Schutz des Produktstroms vor Verunreinigungen sowie die Erdungsüberwachung zur Verhinderung elek­trostatischer Entladungen.
Konstruktive Schutzmaßnahmen vermindern die Auswirkungen von Explosionen auf ein akzeptierbares Maß. Dazu zählen die explosionsdruckfeste oder explosionsstoßfeste Bauweise von Apparaten und Bauwerken, die konventionelle Druckentlastung über Berstscheiben und die flammenlose Druckentlastung, aber auch die explosionstechnische Entkopplung und die Explosionsunterdrückung. Konstruktive Maßnahmen sind in nahezu allen Anlagen notwendig, da die vollständige Vermeidung wirksamer Zündquellen prozessbedingt fast nie realisierbar ist. Auch eine Inertisierung ist meist zu kostenintensiv und/oder prozessbedingt nicht möglich. Weitere Maßnahmen des vorbeugenden Explosionsschutzes helfen zwar partiell, können das Explosionsrisiko aber meist nicht vollständig eliminieren. Aufgrund der hohen Relevanz des konstruktiven Explosionsschutzes für die Anlagensicherheit werden die gängigen Schutzkonzepte im Folgenden vorgestellt.

Druckentlastung über Berstscheiben
Potenzielle Einsatzorte von Berstscheiben sind Anlagen außerhalb von Gebäuden oder Anlagenteile an einer Außenwand. Geschützt werden so bspw. im Außenbereich stehende Silos, Filter und Elevatoren. Im Fall einer Explosion schützt die Berstscheibe die Anlage, indem sie den Überdruck im Behälter durch ihr Öffnen verringert und die Explosion nach außen entlässt. Hinsichtlich des Montageortes ist zu beachten, dass sich die Flammen- und Druckwelle auch schon bei kleineren Explosionen um bis zu 30 m ausbreiten kann. In dieser Zone muss genügend Raum vorhanden sein, damit Produktionsmitarbeiter oder andere Teile der Anlage beim Entlastungsvorgang keinen Schaden nehmen. Verfügbar sind unterschiedliche Typen, die sich in Form, Material und ihrer Beständigkeit gegenüber Temperatur, Druck und Vakuum unterscheiden.
Heutzutage ist es möglich, sogar hygienisch anspruchsvolle Prozesse in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie mit Berstscheiben zu sichern. Die Berstscheibe EGV HYP eines deutschen Produzenten bestand mit großem Erfolg den EHEDG (European Hygienic Engineering & Design Group) Reinigbarkeitstest. Der Test prüft die In-Place-­Reinigbarkeit von Anlagenbauteilen.

Flammenlose Druckentlastung
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. Hier besteht die Möglichkeit, die sich ausbreitende Explosion über Abblasekanäle, auch Entlastungskanäle genannt, nach außen zu leiten. Diese Methode ist sehr kostspielig, da mit zunehmender Entfernung der Explosion vom Explosionsherd der Druck zunimmt, dem der Kanal und auch die Anlage standhalten müssen. Damit steigen die Herstellungskosten für den Abblasekanal, der zudem sehr wartungsintensiv ist.
Die flammenlose Druckentlastung stellt eine wirtschaftliche und effektive Alternative dar. Verschiedene Anbieter gehen unterschiedliche Wege, um die flammenlose Druckentlastung sicherzustellen. Das in dem in Abb. 8 gezeigten Q-Rohr verwendete Spezial-­Mesch-Gewebe kühlt Flammen effizient ab (s. Abb. 9). Dies verhindert das Austreten von Flammen und baut gleichzeitig den Druck ab. Die für eine Explosion typische Druckerhöhung und Lärmbelästigung im Innenraum wird auf ein kaum wahrnehmbares Minimum reduziert, so dass der Schutz von Mensch und Maschine zu jeder Zeit sichergestellt ist. Neben dem Spezial-­Edelstahl-Mesch-Filter enthalten das Q-Rohr und auch die Q-Box des gleichen Anbieters eine Berstscheibe mit integrierter Signalisierung, die das Prozessleitsystem über das Ansprechen der Berstscheibe informiert. Durch die Verwendung von Hygiene-Berstscheiben, auch Sanitär-­Berstscheiben genannt, kann die flammenlose Druckentlastung auch in der Lebensmittelproduktion eingesetzt werden.

Explosionstechnische Entkopplung
In allen Produktionsstätten sind einzelne Anlagenteile durch Rohrleitungen miteinander verbunden. Die explosionstechnische Entkopplung sorgt dafür, dass diese Rohrleitungen im Fall einer Explosion verschlossen werden können. Das verhindert die Ausbreitung von Druck und Flammen – angrenzende Anlagenteile werden geschützt. Man unterscheidet aktive von passiven Systemen.
Aktive Systeme erkennen über Sensoren oder Detektoren eine Explosion bereits in der Entstehungsphase. Sie registrieren den ansteigenden Druck oder sich bildende Flammen und aktivieren das zugehörige Entkopplungsorgan, z. B. ein Quenchventil. Das EXKOP-System als Beispiel für aktive Entkopplung ist mit einer speziellen Lebensmittel-Manschette verfügbar, die den Einsatz in verschiedensten Prozessen erlaubt.
Systeme der passiven Entkopplung reagieren rein mechanisch durch ihre bauliche Beschaffenheit auf die Ausbreitung von Druck oder Druckverlust. Letzteres gilt u. a. für Rückschlagklappen. Diese werden im Normalbetrieb durch die in der Rohrleitung vorhandenen Stoffströme offengehalten. Bei einer Explosion verschließen sich die Klappen, verursacht durch die sich ausbreitende Druckfront. Das weitere Ausbreiten von Druck und Flammen wird so wirkungsvoll unterbunden.

Explosionsunterdrückung
Auch die Methode der Explosionsunterdrückung zählt zum konstruktiven Explosionsschutz. Ziel ist es, die Explosion bereits in der Entstehungsphase zu eliminiert. Umgesetzt wird dies mit Detektoren, die über Sensoren Funken oder Flammen erkennen, und das sofortige Öffnen der ebenfalls an der Anlage installierten Löschmittelbehälter auslösen. Diese bringen innerhalb von Millisekunden ein hochwirksames Löschmittel ein und ersticken somit die Explosion bereits im Keim. Bei Bedarf kann ein System zur Explosionsunterdrückung auch zur explosionstechnischen Entkopplung eingesetzt werden.