EXPLOSIONSSCHUTZ IM GLASANLAGENBAU. P147d.1

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1 EXPLOSIONSSCHUTZ IM GLASANLAGENBAU P147d.1

2 1. EXPLOSIONSSCHUTZ Eine der wichtigsten Sicherheitsaspekte im chemischen Anlagenbau ist die Vermeidung von Explosionen. Dieses Ziel verfolgt die Richtlinie der Europäischen Union 94/9/EG ("Geräte- und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen"), die unter der Kurzbezeichnung ATEX 95 (früher 100a) bekannt ist. In ihr ist neu, dass die ATEX sowohl die elektrischen als auch die nicht elektrischen Geräte abdeckt. Nunmehr umfassen die betrachteten Zündquellen für Explosionen neben den elektrischen Funken und den heißen Oberflächen auch die mechanisch verursachten Zündquellen, z. B. durch Reibung und die Zündquellen durch elektrostatische Entladung. In dieser Situation haben der Gerätehersteller, der Anlagenbauer und der Anlagenbetreiber für den bestimmungsgemäßen Betrieb einer Anlage diese anhand der DIN EN 1127 hinsichtlich der möglichen Zündquellen zu untersuchen. Die berufsgenossenschaftliche Regel BGR 132 Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladung" und der inhaltlich gleiche technische Report von CENELEC CLCTR "Electrostatics - Code of practice for the avoidance of hazards due to static electricity" helfen, Vorkehrungen gegen Zündquellen infolge elektrostatischer Entladung zu treffen. Beide Regelwerke wurden von der QVF Engineering GmbH für das World Product Range 2002 angewandt und in abgestufte Sicherheitskonzepte umgesetzt. 2. BEGRIFFSBESTIMMUNGEN Die Einteilung der Explosionszonen ist auch nach der neuen Norm nicht eindeutig festgelegt, sondern beschreibt mit Worten die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von explosionsfähiger Atmosphäre. Im Folgenden werden nur die Bestimmungen für Gase und Dämpfe herangezogen, da diese die für den chemischen Anlagenbau zentralen Problemfelder sind. Während die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre (siehe Tab. 1) nur umschrieben ist, liegt die Verantwortung für die Festlegung derselben eindeutig beim Betreiber einer Anlage, und für den Anlagenbauer bleibt die Beratung und Unterstützung des Kunden. Entgegen früherem Vorgehen wird heute bei der Festlegung der Zonen darauf geachtet, nicht grundsätzlich die kritischste Zone 0 anzunehmen, sondern nach dem wirklichen Gefährdungspotential zu entscheiden, da der apparative und regelungstechnische Aufwand und damit gleichzeitig die Kosten ansonsten stark steigen. Abhängig von den Zonen werden Anforderungen an die Betriebsmittel bezüglich ihrer Sicherheitsfunktionen und der Maßnahmen gegen elektrostatische Entladungen gestellt, welche Zone 0 Zone 1 Zone 2 ständig, langzeitig gelegentlich selten, kurzzeitig Tab. 1: Zoneneinteilung nach Auftreten gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre in die Sicherheitskonzepte der QVF eingeflossen sind und später erläutert werden sollen. Da jedoch gerade für die Betrachtung der elektrostatischen Entladung im Glasanlagenbau die Maßnahmen innerhalb der Zonen differenziert werden, müssen wir den Begriff der Explosionsgruppen heranziehen. Die Explosions- und Zündfähigkeit chemischer Stoffe ist unterschiedlich und wird mit den Explosionsgruppen und Temperaturklassen beschrieben. Aufgrund des benötigten Zündstromes und des Flammendurchschlagsvermögen können die Stoffe in Explosionsgruppen eingeteilt werden, wobei für jede Gruppe ein gruppenspezifisches Prüfgas, Propan (), Ethylen (IIB) und Wasserstoff (), kennzeichnend ist. Welcher Explosionsgruppe der Stoff zugeteilt ist, entscheidet sich nach zwei genormten Messverfahren. Das Flammendurchschlagsvermögen MESG (Maximum 2 Experimental Safety Gap) wird zur Beurteilung der "druckfesten Kapselung" herangezogen und bestimmt die Spaltbreite, ab der ein Flammendurchschlag gerade nicht mehr erfolgt. Der Mindestzündstrom MIC (Minimum Ignition Current) dient zur Beurteilung der elektrisch eigensicheren Bauteile (Ex) und wird als Verhältniszahl zu Methangas, dem Referenzgas aus dem Schlagwetterschutz, angegeben. Tab. 2: Kenngrößen MESG, MIC Unabhängig von der Explosionsgruppe wird für jeden Stoff eine Zündtemperatur ermittelt, bei der im Kontakt mit der heißen Oberfläche das Gasgemisch gerade noch mit Flammenerscheinung verbrennt. Die Zündtemperaturen sind in 6 Bereiche eingeteilt und sind für die Kategorisierung der elektrischen und mechanischen Zündquellen von entscheidender Bedeutung, während die Explosionsklasse für die Beurteilung der elektrostatischen Zündquelle betrachtet werden muss, wobei die Zündtemperatur im Zündfunken jeweils als erreicht gilt. Tab. 3: Grenzwerte der Zündtemperaturen für die Temperaturklassen in C 3. ELEKTROSTATISCHE ZÜNDQUELLEN Während wir in der Magie das Auftreten von Blitzen und Funken als Willensakt akzeptieren, möchten wir in der Anlagentechnik gerne technische Kriterien heranziehen, um das Auftreten von Zündungen vorherzusagen. Da jedoch die Berechnung von Kapazitäten, Ladungsspitzen und Aufladevorgängen außerhalb von Versuchsanordnungen schwierig ist, werden üblicherweise die Randbedingungen beschrieben, bei denen erfahrungsgemäß keine Gefahr der Zündung besteht. Hierzu werden in der BGR 132 die Stoffe (Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe, mit denen im Betrieb umgegangen wird) und Materialien (Werkstoffe, aus denen Gegenstände oder Einrichtungen bestehen) aufgrund von elektrischen Kenngrößen eingeteilt und in ihrem Verhalten beschrieben. Einer Entladung gehen die Erzeugung elektrischer Ladungen einerseits und die Speicherung dieser Ladungen auf dem betrachteten Objekt andererseits voraus. Häufigste Voraussetzung für die Erzeugung der Ladungen ist das Trennen von Oberflächen, oft als "Reibung bezeichnet, wenn wenigstens einer der reibenden Gegenstände oder Stoffe isolierend ist. Die erzeugten elektrischen Ladungen werden eine Zeitlang an der Oberfläche des Objektes gespeichert, wenn dieses eine geringe Leitfähigkeit besitzt oder mit Erde nicht verbunden ist. Stoffe oder Materialien mit einer spezifischen Leitfähigkeit von mehr als 10-9 S/m lassen sich nicht oder nur in Verbindung mit stark ladungserzeugenden Prozessen aufladen GLASANLAGEN IIB MESG >0,9 mm 0,5-0,9 mm <0,5 mm MIC >0,8 0,45-0,8 <0,45 gruppenbestimmendes Prüfgas Propan Äthylen Wasserstoff T1 T2 T3 T4 T5 T6 >450 >300 >200 >135 >100 >85 Glasapparate weisen bei 23 C meist einen Oberflächenwiderstand von etwa Ω bei einer relativen Feuchte von 50% auf. Unter diesen Bedingungen werden Glasapparate nicht gefährlich aufgeladen. Die definierten Ausnahmebedingungen sind in Abb.1 dargestellt, wobei wir grundsätzlich für die elektrostatische Betrachtung eine Betriebstemperatur von 180 C annehmen. Unter diesen Voraussetzungen können wir zwei Bereiche unterscheiden. Ist um die Anlage die Zone 0 oder die Zone 1

3 (Wasserstoffgruppe) definiert und gleichzeitig ein Stoff in der Anlage, dessen Leitfähigkeit niedriger als 10-9 S/m ist, wird das QVF-Sicherheitspaket E1 auf die Anlage angewendet. Dagegen können bei stark ladungserzeugenden Prozessen lokal die Maßnahmen des QVF-Sicherheitspaketes E2 zum Einsatz kommen, um die erzeugten Ladungen auszugleichen, die ansonsten durch Felddurchgriff zu Aufladungen außerhalb der Glasanlage führen können. Stark ladungserzeugende Prozesse sind durch eine niedrig leitende Flüssigkeit unter folgenden Bedingungen definiert: - Verdüsung - Sichtbare Flüssigkeitstropfen über 20 m/s, (diese Aufladungsquelle ist auch bei hoher Leitfähigkeit des Stoffes zu betrachten) - Flüssigkeitsströmung über 2 m/s - Filter - Strömung von Mehrphasengemischen, wenn beide Phasen niedrig leitend sind. Während der Einsatzbereich des Sicherheitspaketes E1 nur von der Zonenfestlegung und dem verwendeten Stoff abhängig ist und Das nachfolgend vorgestellte Maßnahmen-Paket umfasst Neuentwicklungen der QVF, die von unseren Kunden bereits erfolgreich eingesetzt werden und gründet auf folgender Idee: Die ableitfähig beschichtete Oberfläche des Glases, verbunden mit ableitfähigen Doppelkragendichtungen, macht auf einfache Weise größere Bereiche der Anlage im Sinne der Elektrostatik ableitfähig, die über einen Erdungsanschluss mit Erde verbunden werden. Metallflansche, sofern vorhanden, werden gem. BGR geerdet. Die Nennweiten und Zonen abhängige Erdung von Metallflanschen ist in Abb. 2, dargestellt. Im rot markierten Bereich müssen Metallflansche geerdet werden. Die Nennweiten abhängige Darstellungsform erleichtert die Entscheidung. Eine weitere Bedingung ist die Begrenzung der nicht leitenden Oberflächen innerhalb der Anlage (PTFE-Teile). Gem. der BGR sind die maximalen Projektionsflächen der nicht leitenden Oberflächen festgelegt (Abb. 3). Für Katalogbauteile kann damit festgelegt werden, ab wann ableitfähiges Material für die verschiedenen Bauteile eingesetzt werden muss. Im Sicherheitspaket E1 erfolgt die Einbindung in den ableitfähigen Kreis direkt durch die beschichtete Glasoberfläche, eine separate Erdung dieser Bauteile ist nicht erforderlich QVF-SICHERHEITSPAKET E2 Sicherheitskonzept E1 Sicherheitskonzept E2 hoch 10-9 mittel 5x10-11 niedrig S/m Leitfähigkeit des Stoffes cm² Oberfläche nichtleitender Materialien Abb. 1: Maßnahmebereiche gegen elektrostatische Aufladung Abb. 3: Oberflächenbegrenzung bei elektrostatischer Aufladung für die gesamte Anlage gilt, bleibt das Sicherheitspaket E2 auf den betrachteten Bereich beschränkt QVF-SICHERHEITSPAKET E1 Diese lokalen Maßnahmen werden aufgrund der in der Anlage herrschenden Betriebsbedingungen bestimmt. Im QVF-Sicherheitspaket E2 werden die Glasoberflächen nicht ableitfähig beschichtet, so dass ableitfähige Doppelkragendichtungen zur Verbindung der Glasoberflächen nicht notwendig sind, sondern nur in Ausnahmefällen ableitfähige Ringdichtungen zur Begrenzung der nicht leitenden Oberfläche eingesetzt werden, die in diesem Fall aber an Erde angeschlossen werden müssen. Die Beurteilung erfolgt nach den oben angegebenen Kriterien. Wie im QVF-Sicherheitspaket E1 müssen Schellenringe aus Metall ab der festgelegten Größe geerdet werden. Da im QVF-Programm standardmäßig bis zur Nennweite DN 300 jedoch Kunststoff- Schellenringe zum Einsatz kommen, ist der erforderliche Erdungsaufwand gering NEUENTWICKLUNGEN FÜR DEN GLASANLAGENBAU IM EX-BEREICH Im Glasanlagenbau treten häufig Bauteile in einer PTFE/Metall- Kombination auf, die gegebenenfalls beiden Anforderungen, der Begrenzung der nicht leitfähigen Oberfläche und der Erdung der außen liegenden Metallteile entsprechen müssen. Für diese Bauteile haben wir die Anforderungen in den Produktdiagrammen kombiniert. Anhand der folgenden Abbildungen können Sie leicht entscheiden, in welcher Zone und bei welcher Stoffgruppe Sie Metallteile der Bauteile erden müssen, und wann das PTFE-Teil aus ableitfähigem Material gefertigt sein muss. Nennweite Metallflansche Abb. 2: Erdung von Metallflanschen 3

4 GELENKDICHTUNGEN Gelenkdichtungen werden verwendet, um bei geneigten Rohrleitungen eine Auswinkelung bis zu 3 zu ermöglichen, ohne den Vorteil der feuerpolierten, planen Dichtfläche aufgeben zu müssen. Sie bestehen aus drei konischen Edelstahlringen, die in einer PTFE-Hülle ineinander gleiten. Bei der ableitfähigen Ausführung mit dem Zusatz KSG...D ist die PTFE-Hülle ableitfähig und eine Erdungslasche um die Metallteile gelegt. Die Erdungsschelle kann auch einzeln bezogen werden, um die Metallteile der "weißen" Gelenkdichtungen gem. Abb. 4 zu erden. Nennweite PTFE-Faltenbälge Abb. 5: Auswahldiagramm Faltenbälge FB, VB DN Nennweite Gelenkdichtung KSG Abb. 4: Auswahldiagramm Gelenkdichtungen, KSG Abb.5a: Faltenbalg FBSS ZWISCHENPLATTEN Im le-Rohrleitungsbau werden aus fertigungstechnischen Gründen große Radien bei den Flanschenden verwendet. Zum Anschluss einer Glasrohrleitung mit nahe beim Nenndurchmesser befindlichen Dichtlinien sind in manchen Fällen Zwischenplatten (EMP) erforderlich. Die "weiße" Ausführung besitzt generell eine Erdungslasche, damit im Sicherheitskonzept E2 die Metallflansche geerdet werden können. Beim Zusatz...D ist zusätzlich das PTFE ableitfähig und ein Erdungsschuh angebracht. Abb. 4a: KSG-Gelenkdichtung FALTENBÄLGE Faltenbälge sind im Glasanlagenbau notwendig, um Längendehnungen zwischen zwei Festpunkten auszugleichen. Die verfügbaren Versionen sind sowohl geeignet, zwei Glasenden zu verbinden, als auch andere Materialien, wie Kunststoffflansche, die einen anderen Dichtdurchmesser aufweisen. In diesen Fällen wird ein "Anschlussfaltenbalg" verwendet. Die für die Sicherheitskonzepte E1 und E2 entwickelten Faltenbälge besitzen einen ableitfähigen Balg. Die Faltenbälge mit dem Zusatz...D werden nur mit Edelstahlflanschen ausgeliefert, da diese ohne eine Beschichtung korrosionsfest sind und somit alle Einzelteile des Faltenbalges ableitfähig verbunden sind. Dadurch kann das Bauteil, inklusive dem Balg, mit geringem Aufwand, nämlich nur mit einer Erdungslasche, an Erde angeschlossen werden. Die Erdungslasche ist mit der Stoppschraube befestigt, die auch beim Lösen der Glasverbindung angezogen bleibt. Ausnahmen Reduzier- Zwischenplatten Nennweite Zwischenplatte EMP Abb. 6: Auswahldiagramm Zwischenplatten EMP Abb. 6a: Zwischenplatte EMP/PTFE 4

5 Abb. 7: Auswahldiagramm Ringdichtungen DICHTUNGEN Für das Sicherheitskonzept E1 werden ableitfähige Doppelkragendichtungen verwendet, welche die beiden dauerhaft ableitfähig beschichteten Glasoberflächen miteinander verbinden. Im Falle des Sicherheitskonzeptes E2 hat die Dichtung nicht die Funktion, die ableitfähigen Oberflächen zu verbinden, sie muss nur bei bestimmten Größen wegen der Begrenzung der nicht leitfähigen Materialien in der Anlage aus ableitfähigem Material gefertigt sein und mit einer Erdungslasche an Erde angeschlossen werden. Bei welchem Nenndurchmesser dies notwendig ist, zeigt die Abb. 7. Ød3 DN DN FALTENBALGVENTILE Faltenbalgventile im QVF-World Product Range haben keine Metallflansche, aber der PTFE-Balg könnte sich im Bereich des Sicherheitspaketes E2 bei schneller Strömung aufladen, so dass dieser bei der ableitfähigen Version aus ableitfähigem PTFE gefertigt ist. Die sich am Balg ansammelnde Ladung wird über einen Druckstift an der Spindel abgeführt. Abb. 8: Auswahldiagramm Faltenbalgventile Abb. 7a: Ableitfähige Doppelkragendichtung Abb. 8a: Ableitfähiger Faltenbalg Abb. 8b: Faltenbalgventil mit ableitfähigem Balg und Erdung über die Spindel 5

6 3.1.4 BEISPIEL FÜR E1 KSG Wollen Sie das Sicherheitskonzept E1 anwenden, weil Sie die Zone 0 definiert haben, der Stoff die Exlosionsgruppe, sowie eine niedrige Leitfähigkeit besitzt, so werden die ableitfähig beschichteten Glasteile mit Doppelkragendichtungen ableitfähig verbunden. Die KSG (Gelenkdichtung), der Faltenbalg und die Zwischenplatte EMP werden in ableitfähigem Material (z.b. KSG 40 D) eingesetzt, der Faltenbalgflansch, die KSG, die EMP und die Glasrohrleitung werden geerdet. EMP DN100 TR...D DN40 Abb. 9: Beispiel einer Rohrleitungsinstallation DN 40 mit dem QVF-Sicherheitspaket E BEISPIEL FÜR E2 Bei der gleichen Anlagen-Installation, jedoch in der Zone 1, ist grundsätzlich keine Maßnahme gegen elektrostatische Aufladung erforderlich, würde nicht die niedrig leitende Flüssigkeit mit einer hohen Geschwindigkeit durch die Rohrleitung gepumpt. Hierfür kann das QVF-Sicherheitspaket E2 angewendet werden. Die Glasoberfläche ist unbeschichtet, die Gelenkdichtung und der Faltenbalg sind nicht ableitfähig, die EMP DN 100 wird ableitfähig ausgeführt und geerdet. An diesem Beispiel wird deutlich, um wieviel geringer der Aufwand ist, wenn für den gleichen Stoff die Zone statt mit 0 mit 1 festgelegt werden kann, indem die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von explosionsfähigen Atmosphären durch geeignete Maßnahmen von "ständig" (Zone 0) auf "gelegentlich" (Zone 1) reduziert wird. KSG EMP DN100 v > 2 m/s niedrige Leitfähigkeit des Mediums DN40 Abb. 10: Beispiel einer Rohrleitungsinstallation DN 40 mit dem QVF-Sicherheitspaket E ZERTIFIZIERUNG VON ANLAGEN Die oben beschriebenen Hilfsmittel zur Auswahl der geeigneten Bauteile wird dem Betreiber beim Neuanlagenbau selbstverständlich vom Anlagenbauer abgenommen. Alle Zeichnungen der QVF, die Anlagen für den Ex-Bereich zeigen, enthalten die in der Abb. 11 abgebildete Konformitätsbewertungs-Tabelle. Hierin werden die notwendigen Maßnahmen zur ATEX aufgeführt. Voraussetzung dafür ist es, dass der Kunde die Ex-Zone definiert und die Explosionsgruppe des verwendeten Stoffes angibt. Damit ist Ihnen die Beschäftigung mit den zwei unterschiedlichen Sicherheitspaketen für Neuanlagen abgenommen, nur in den Fällen von Eigeninstallationen und Nachrüstung bestehender Anlagen ist eine vertiefte Beschäftigung mit der elektrostatischen Aufladung und deren Verhinderung notwendig, bei der wir jedoch gerne behilflich sind. Konformitätsbewertung zur ATEX / BGR 132 Ex-Zone innen 1 Ex-Zone außen 1 Explosionsgruppe II B Sectransbeschichtung ableitfähig PTFE-Teile ableitfähig 100 cm 2 Metallflansche mit Erdungslasche DN 50 Erdung kundenseitig Rührwerk Kategorie 2 Abb. 11: Beispiel einer Konformitätsbewertungs-Tabelle für eine Glasanlage 6

7 4. MECHANISCHE ZÜNDQUELLEN Die durch Reibung hervorgerufene Erhitzung eines mechanisch bewegten Bauteils, das in einem explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt wird, muss vom Hersteller durch geeignete Maßnahmen auf ein Niveau limitiert werden, das kein Zündrisiko entsteht. Hierzu sind, abgestuft nach der Zone, in der das Bauteil eingesetzt wird, unterschiedliche Maßnahmen zur Absicherung erforderlich. Es ist eine Bewertung der Zündgefahren vorzunehmen und die sich hieraus ergebenden Restgefahren in der Betriebsanleitung zu benennen. Die definierten Kategorien bezeichnen das Sicherheitsniveau der Geräte und sind den Explosionszonen gem. Tabelle 4 so zugeordnet, dass z.b. für die Zone 1 mindestens ein Gerät mit der Kategorie 2 eingesetzt werden muss. Zone 0 ständig, langzeitig Zone 1 gelegentlich Zone 2 selten, kurzzeitig Kategorie 1 sehr hohes Sicherheitsniveau Kategorie 2 hohes Sicherheitsniveau Kategorie 3 normales Sicherheitsniveau Abb. 13: Modularer Aufbau Tab. 4: Kategorieeinteilung des Sicherheitsniveaus Die Konformitätsbescheinigung kann im Falle der Kategorie 1 nur eine benannte Stelle ausstellen, die das Gerät prüft. Für die Kategorie 2 (Zone 1) kann der Hersteller die Konformitätsbescheinigung selbst ausstellen, indem er die notwendige Risikoanalyse macht, diese mit der technischen Dokumentation bei einer benannten Stelle hinterlegt und die Restgefahren in der Betriebsanleitung benennt. Selbstverständlich muss der Hersteller ein zertifiziertes Qualitätsmanagement haben. Ein im Glasanlagenbau häufig vorkommendes Bauteil, welches LS - Reibungswärme erzeugen kann, ist das Rührwerk bei einer Rührwerksapparatur oder anderen gerührten Apparaten, wie Mixer-Settler und Dünnschichtverdampfern. In Abb. 12 ist der grundsätzliche Aufbau unserer für die Zone 1 (Kategorie 2) zugelassenen Rührwerke gezeigt. Dabei ist es dem Kunden überlassen, wahlweise einen beigestellten Thermo- Siphon-Behälter zu verwenden, solange er den Kühlkreislauf sicherstellt, z. B. durch einen Niveauschalter. Die Rührwerkseinheit für den Ex-Bereich selbst ist entsprechend den Anforderungen der Risikoanalyse ausgeführt. Dabei sind zwei Baugruppen zusammengefasst, die Antriebseinheit und das Rührerlager. Da jede Baugruppe bei der benannten Stelle mit einer eigenen Risikoanalyse hinterlegt ist, können Ausführungsänderungen durch Kombination vorhandener Konformitätsbescheinigungen durchgeführt werden. Abb. 12: Rührwerksantrieb mit Rührer und Thermosiphon Abb. 14: ATEX konformer Rührwerksantrieb 7

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