Staub explosionsschutz. Teil des Grundlagen- Kompendiums Ex-Schutz

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1 Staub explosionsschutz Teil des Grundlagen- Kompendiums Ex-Schutz

2 Automatisierung ist unsere Welt. Perfekte Anwendungen sind unser Ziel. Mut zum unternehmerischen Risiko, For - schergeist und der Glaube an die eigenen Fähigkeiten mit diesem Kapital haben Walter Pepperl und Ludwig Fuchs 1945 eine kleine Radiowerkstatt in Mannheim gegründet. Mit der Erfindung des Näherungs schal ters haben sie einige Jahre später ihr Credo unter Beweis ge stellt: Das war die Initialzündung für eine Erfolgs ge schi chte, die ebenso vom engen Kundenkontakt wie von wegweisenden Technologien und Verfahren in der Automatisierungstechnik geprägt ist. Damals wie heute gilt unser wichtigstes Augenmerk den individuellen Bedürfnissen jedes einzelnen Kunden. Ob als Pionier im elektrischen Explosionsschutz oder Innovationsführer hochleistungsfähiger Sensoren nur im intensiven Austausch mit unseren Kunden konnte es uns gelingen, mit einer Vielzahl an Innovationen den Fortschritt in der Auto - matisierungstechnik entscheidend zu prägen. Der Entwicklung modernster Tech nologien und umfassender Dienstleistungen, die die Prozesse und Applikationen unserer Kunden immer weiter optimieren, gilt auch in Zukunft unser Denken und Handeln. Mehr Information finden Sie auf unserer Webseite unter

3 INHALTSVERZEICHNIS GEFAHRENQUELLE STAUBEXPLOSION S. 04 KLASSIFIZIERUNG VON BETRIEBSMITTELN S. 10 SICHERHEITSTECHNISCHE KENNGRÖSSEN S. 13 EXPLOSIONSGEFÄHRDETE BEREICHE S. 25 ZONENEINTEILUNG S. 32 ZÜNDSCHUTZARTEN S. 36 INSTALLATION S. 42 PRÜFUNG UND INSTANDHALTUNG S. 54 QUELLEN UND REFERENZEN S. 60 IHR TRAINERTEAM S. 62 GRUNDLAGENBROSCHÜREN VON PEPPERL+FUCHS S. 63 3

4 GEFAHRENQUELLE STAUBEXPLOSION Einführung Alle Betriebe und Unternehmen, die mit brennbaren Stoffen umgehen, sind durch Explosionen gefährdet. Im Falle einer Explosion sind Leben und Gesundheit der Arbeitnehmer stets in Gefahr. Mit individuellen und gefährdungsbezogenen Explosionsschutzmaßnahmen wird die Sicherheit und Gesundheit der Menschen sowie die Sicherheit von Anlagen und Gütern gewährleistet. Für den Menschen besteht eine unmittelbare Gefahr durch Flammen- und Druckauswirkungen, die sich aus einem Explosionsdruck von bis zu 10 bar bei der Zündung von brennbaren Gasen oder Flüssigkeitsdämpfen ergeben können. Ein Druckstoß von 10 bar würde mit einer Kraft von 100 t/m² nicht nur Mauerwerk zerstören, sondern jeden Menschen töten. Noch extremer ist der Druckverlauf bei brennbaren Stäuben. Hier kann der Explosionsdruck bis zu 14 bar erreichen und durch weiteres Verwirbeln des abgelagerten Staubs Folgeexplosionen auslösen. Selbst wenn Mitarbeiter vor den direkten Druckauswirkungen ausreichend ge schützt sind, können durch den schlagartigen Entzug des zum Atmen benötigten Sauerstoffs aus der Umgebungsluft und der Freisetzung schädlicher Reaktionsprodukte und Rauchgase weitere ernste Gefahrenquellen entstehen. Die EU-Richtlinie 94/9/EG dient dem freien Warenverkehr innerhalb der EU Mehrere EU-Richtlinien befassen sich mit dem Schutz der Arbeitnehmer vor Explosionsgefahren Der Explosionsschutz ist im Arbeitsschutz verankert. Die Einhaltung der Arbeitsschutzgesetze ist grundsätzlich Arbeitgeberpflicht, sie unterliegen Regelungen, die sich länderspezifisch unterscheiden. Innerhalb der Europäischen Union beschäftigen sich mehrere Richtlinien mit dem Explosionsschutz: Die Richtlinie 94/9/EG zur Angleichung der Rechtsvorschriften für Geräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen dient dem freien Warenverkehr innerhalb der EU und richtet sich an die Hersteller von Geräten und Schutzsystemen. Die Richtlinie 98/24/EG des Rates zum Schutz von Gesundheit und Sicherheit der Arbeitnehmer vor der Gefährdung durch chemische Arbeitsstoffe bei der Arbeit verlangt den Schutz der Arbeitnehmer vor Explosionen und deren Auswirkungen. Die Richtlinie 1999/92/EG des Europäischen Parlamentes und des Rates vom 16. Dezember 1999 über Mindestvorschriften zur Verbesserung des Gesundheitsschutzes und der Sicherheit der Arbeitnehmer, die durch explosionsfähige Atmosphären gefährdet werden können konkretisiert dies für den Schutz der Arbeitnehmer vor Explosionsgefahren in Verbindung mit explosionsfähigen Atmosphären. Für die einzelnen EU-Mitgliedsstaaten wurden diese EU-Richtlinien in das jeweilige nationale Rechtssystem umgesetzt. Für Deutschland: Richtlinie 98/24/EG in die Gefahrstoffverordnung Richtlinie 1999/92/EG in die Betriebssicherheitsverordnung Die Konkretisierung dieser deutschen Verordnungen und die rechtssichere Ableitung konkreter technischer und organisatorischer Maßnahmen erfolgt über die technischen Regeln für Gefahrstoffe (TRGS) und die technischen Regeln zur Betriebssicherheitsverordnung (TRBS). Das Einhalten dieser technischen Regeln ist in Deutschland für den Arbeitgeber und dessen Beauftragte verbindlich. 4

5 Nur durch gefährdungsbezogene individuelle Explosionsschutzmaßnahmen kann der Arbeitgeber die Sicherheit und Gesundheit der Mitarbeiter sowie die Sicherheit von Anlagen und Gütern gewährleisten. Alle Maßnahmen des Arbeitsschutzes und damit auch des Explosionsschutzes basieren auf den Ergebnissen der Gefährdungsbeurteilungen. Durchführen von Gefährdungsbeurteilungen Im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung werden die Ursachen von Freisetzungen möglicher Zündquellen oder Wechselwirkungen zwischen den verarbeiteten Stoffen aufgedeckt. Hinzu kommen mögliche Gefahren, die sich aus Wechselwirkungen zwischen Arbeitsmitteln untereinander oder in Verbindung mit den verarbeiteten Stoffen ergeben können. Gefährdungsbeurteilungen müssen auch unter Betrachtung von besonderen, nicht bestimmungsgemäßen aber vorhersehbaren Abweichungen durchgeführt werden: Gefährdungsbeurteilungen unter Berücksichtigung von n normalen (bestimmungsgemäßen) Betriebsbedingungen, inkl. Inbetriebnahme, Instandhaltungsarbeiten und Außerbetriebnahme n außergewöhnlichen Bedingungen, die bei Abweichungen vom bestimmungsgemäßen Betrieb auftreten können, z. B. ein Energieausfall n vorhersehbarem Fehlgebrauch der Einrichtungen, durch den unter Umständen eine explosionsfähige Atmosphäre gebildet bzw. freigesetzt wird oder durch den eventuelle Zündquellen wirksam werden können Integrierter Explosionsschutz in Deutschland Bei der Festlegung von Schutzmaßnahmen gegen Explosionsgefahren ist die unten stehende Rangfolge des integrierten Explosionsschutzes zu beachten: Integrierter Explosionsschutz Bildung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre verhindern Primärer Zündung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre verhindern Sekundärer Auswirkungen einer Explosion auf ein unbedenkliches Maß beschränken Tertiärer Explosionsschutz Explosionsschutz Explosionsschutz Technische + Organisatorische Schutzmaßnahmen Die Rangfolge des integrierten Explosionsschutzes basiert in Deutschland auf den allgemeinen Grundsätzen der Arbeitsschutzgesetze: Die Arbeit ist so zu gestalten, dass eine Gefährdung für Leben und Gesundheit möglichst vermieden und die verbleibende Gefährdung möglichst gering gehalten wird, Gefahren sind an Ihrer Quelle zu bekämpfen. Die Rangfolge der Schutzmaßnahmen ist im Arbeitsschutzgesetz und in der Gefahrstoffverordnung festgelegt 5

6 GEFAHRENQUELLE STAUBEXPLOSION Hinzu kommen rechtliche Vorgaben der Gefahrstoffverordnung mit einem all gemeinen Bezug auf Explosionsgefahren: Bei der Festlegung von Schutzmaßnahmen gegen Explosionsgefahren ist die folgende Reihenfolge zu beachten: 1. Verhinderung der Bildung gefährlicher explosionsfähiger Gemische (Primärer Explosionsschutz) 2. Vermeidung der Entzündung gefährlicher explosionsfähiger Gemische (Sekundärer Explosionsschutz) 3. Abschwächung der schädlichen Auswirkungen einer Explosion auf ein unbedenkliches Maß (Tertiärer Explosionsschutz) Die Umsetzung der EU-Richtlinien in die nationalen Rechtssysteme des Arbeitsschutzesweichen länderspezifisch ab Weitere Vorgaben der Betriebssicherheitsverordnung in Bezug auf explosionsfähige Atmosphären: ist der Arbeitgeber verpflichtet gefahrdrohende explosionsfähige Atmosphären wenn er sie nicht sicher ausschließen kann nach Wahrscheinlichkeit und Dauer, dem Wirksamwerden von Zündquellen und dem Ausmaß von Explosionen zu beurteilen. Die Forderungen nach Maßnahmen des primären Explosionsschutzes können durch den Einsatz nicht brennbarer Stoffe, das Verhindern von Freisetzungen und durch das Verdrängen des Luftsauerstoffes (Inertisierung im Anlageninneren) erreicht werden. Weitere Maßnahmen sind eine Absaugung der Emission sowie Schutzmaßnahmen sind im Arbeitsschutzgesetz und in der Gefahrstoffverordnung geregelt 6

7 technische und/oder natürliche Lüftungsmaßnahmen (Verdünnung der Gas konzentration) ggf. kombiniert mit der Überwachung der Brennstoffkonzentration in den Betriebsbereichen. Besonderheiten beim Umgang mit Stäuben Vordringliches Ziel des primären Explosionsschutzes ist es, die Entstehung einer explosionsfähigen Atmosphäre zu verhindern. Ist die explosionsfähige Atmos phäre nicht sicher vermeidbar, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um diese zeitlich bzw. räumlich einzuschränken. Obwohl nur die aufgewirbelte Staubwolke explodieren kann, stellt auch der abgelagerte Staub ein besonderes Risiko dar: n abgelagerter Staub besitzt eine Glimmtemperatur n abgelagerter Staub kann jederzeit aufgewirbelt werden n die abgelagerte Staubmenge kann sich durch Kummulieren erhöhen n die Glimmtemperatur des Staubes reduziert sich bei höherer Schichtdicke n Betriebsmittel strahlen bei höherer Schichtdicke weniger Verlustwärme ab und werden heißer Das Entfernen abgelagerter Stäube ist daher eine wichtige Maßnahme des primären Explosionsschutzes. Wird ein abgelagerter Staub mit einer Schichtdicke von 1 mm aufgewirbelt erzeugt dieser eine Wolke, die den darüber liegenden Raum füllt. Was sind Stäube? Unter Staub versteht man kleine Feststoffteilchen mit einer Nenngröße von 0,5 mm oder weniger, die in der Atmosphäre suspendiert sein können bzw. sich unter ihrem Eigengewicht auf Oberflächen ablagern. Werden solche Materialien gezielt hergestellt spricht man von Pulver, Puder oder Mehl. Staub kann auch als Abrieb beim Transport von grobkörnigem Gut (z. B. Getreide) oder beim Be- und Verarbeiten von Feststoffen (z. B. als Sägespäne oder Schleifstaub) entstehen. Was sind brennbare Stäube? Brennbare Stäube sind Materialien, die unter Wärmeentwicklung mit Sauerstoff, wie er z. B. in der Luft vorkommt, reagieren d.h. glimmen oder verbrennen können. Hierzu zählen Holz, Kohle, Getreide, Kunststoffe und zahlreiche Metalle wenn sie in feiner Form vorkommen. Wird eine Staubschicht entzündet, entsteht ein Brand. Ein Staubbrand kann sich zu einer Staubexplosion entwickeln. Staubexplosionen Bei der Herstellung, dem Verarbeiten, Transportieren, Lagern oder Verpacken brennbarer Stäube, Fasern und Flusen besteht die Gefahr der Freisetzung. Es können sich Schichten bilden, die zu einer Staubwolke aufgewirbelt, bei genügender Konzentration in der Luft, zu gefährlichen Explosionen führen können. 7

8 GEFAHRENQUELLE STAUBEXPLOSION Infolge einer Primärexplosion kann abgelagerter Staub aufgewirbelt werden und kettenreaktionsartig zu einer Vielzahl von Folgeexplosionen führen. In der Risikobewertung nimmt dieser Zustand einen hohen Stellenwert ein, da in diesem Fall explosionsfähige Staub-/Luft-Gemische und wirksame Zündquellen hinsichtlich ihrer Auftrittswahrscheinlichkeit nicht mehr voneinander unabhängig sind. Staubexplosionen sind eine häufig unterschätzte Gefahr. In Europa ereignet sich täglich eine Staubexplosion. Besonders gefährdet sind Betriebe und Industrieanlagen in denen brennbare Stäube auftreten. Durch Staubexplosion gefährdet sind besonders die holz-, kunststoff- und metallverarbeitende Industrie sowie die Agrar-, Chemie-, Futtermittel-, Nahrungsmittel- und Papierindustrie. Häufig treten Explosionen in Bunkern, Abscheidern und Silos auf. Staubexplosionen sind schnelle exotherme Oxidationsreaktionen, die auftreten, wenn brennbarer, aufgewirbelter Staub in ausreichender Feinheit und geeigneter Konzentration im Gemisch mit einem gasförmigen Oxidationsmittel (meist dem Sauerstoff der Luft) vorliegt und mit einer Zündquelle ausreichender Energie in Berührung kommt. Die Voraussetzung für eine explosionsartig verlaufende Reaktion ist die intensive Vermischung von Brennstoff und Oxidationsmittel unmittelbar vor der Entzündung. Die Reaktion breitet sich rasch ohne weitere Energiezufuhr von außen unter Flammenerscheinung durch das Gemisch aus und heizt die Atmosphäre sehr schnell auf. Staubpartikel können eine explosionsfähige Atmosphäre bilden 8

9 Besonders in geschlossenen Behältern oder Räumen führt dies zu erheblichen Drucksteigerungen. Mechanische Zerstörungen und Stofffreisetzungen sind die mögliche Folge. Welche Prozesse erzeugen Stäube? Zu den staubexplosionsgefährdeten Arbeiten gehören: n Mahlen/Trocknen von Kohle n Befüllen von Kohlenstaubsilos n Absaugen von Kohlestaub n Absaugen und Fördern von Holzstaub in Filtern und Abscheideanlagen n Umschlagen und Silieren von Getreide n Mahlen, Mischen und mechanisches Fördern von organischen Produkten (Getreide, Futtermittel, Zucker, Kunststoffe, Farbstoffe, Pharmazeutika) n Sprühtrocknen von organischen Produkten (Milch) n Trocknen, Granulieren, Beschichten in Wirbelschichtapparaturen (Klärschlammverarbeitung) n Schleifen von Leichtmetallen und deren Legierungen n Herstellen und Verarbeiten von Metallpulvern n Entleeren von Schüttgutbehältern (FIBC) 9

10 KLASSIFIZIERUNG VON BETRIEBSMITTELN Klassifizierung von Betriebsmitteln für den Einsatz in Zonen Gruppeneinteilung In der europäischen Union werden die Explosionsgefahren im Bergbau (Untertage) und die Explosionsgefahren außerhalb des Bergbaus (Übertage) getrennt betrachtet (Richtlinie 94/9; ATEX). Zur Unterscheidung verwendet die europäische Richtlinie die Gruppeneinteilung I (Bergbau) und II (restliche Bereiche außer Bergbau). Richtlinie 94/9 IEC Gruppe III Die Richtlinie 94/9 unterteilt die Gruppe II weiter in die Gruppen IIG (Gase) und IID (Stäube). Außerdem wurde der Geltungsbereich der Richtlinie auf Atmosphärische Bedingungen festgelegt. Dies entspricht der Situation, dass brennbare Stoffe in der Atemluft freigesetzt werden und dadurch die Arbeitnehmer gefährden. Da die technische Umsetzung im Rahmen der internationalen Gerätenormierung mittlerweile über die IEC (International Electrotechnical Commission) erfolgt, kommt es zu Abweichungen bei Kennzeichnungen von Stäuben denn sie hat das Kennzeichnungssystem für die elektrischen Betriebsmittel weiter verzweigt. Jetzt wird die technische Kennzeichnung mit Gruppe II ausschließlich für Geräteverwendet, die in Verbindung mit Gasen eingesetzt werden. Mit Einführung der Gruppe III werden Geräte gekennzeichnet, die zum Einsatz in Verbindung mit Stäuben vorgesehen sind. Diese Verzweigung ermöglicht eine weitere Unterteilung der Gruppe III in n brennbare Flusen (IIIA) n nicht leitfähige Stäube (IIIB) n leitfähige Stäube (IIIC) Brennbare Flusen Kleine Feststoffteilchen, einschließlich Fasern mit einer Nenngröße größer als 0,5 mm, die in der Atmosphäre suspendiert sein können, sich aber unter ihrem Eigengewicht absetzen könnten, die in Luft brennen oder glühen können und die mit Luft bei atmosphärischem Druck und normalen Temperaturen explosionsfähige Gemische bilden können. Nicht leitfähiger Staub Brennbarer Staub mit einem elektrischen Widerstand größer 10 3 Ohm/m Leitfähiger Staub Brennbarer Staub mit einem elektrischen Widerstand gleich oder kleiner 10 3 Ohm/m 10

11 Bei der Verarbeitung und beim Transport von groben Feststoffen können Staub anteile freigesetzt werden 11

12 KLASSIFIZIERUNG VON BETRIEBSMITTELN Gerätegruppe Untergruppe Kriterium III A B Fasern nicht leitfähiger Staub Gerätegruppe III für Stäube C leitfähiger Staub ATEX Kennzeichnung Mit der Einführung der ATEX-Anforderungen trat für alle zum Gebrauch in der EU bestimmten Produkte ein neues Kennzeichnungsprogramm in Kraft. Die Kennzeichnungsanforderungen sind auf Einheitlichkeit ausgerichtet. Die CE-Konformitätskennzeichnung auf einem Produkt ist ein Hinweis darauf, dass alle relevanten Richtlinien (z. B. ATEX, Niederspannungsrichtlinie 2006/95/EG, Richtlinie zur elektromagnetischen Verträglichkeit 2004/108/EG, Maschinenrichtlinie 2006/42/ EG) eingehalten wurden, und dass das Produkt zur Verwendung entsprechend den Herstelleranweisungen geeignet ist. Für Produkte zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen gilt derzeit das folgende Diagramm: Zuordnung von Gerätegruppen, -kategorien und Zonen Gerätegruppe Gerätekategorie Wahrscheinlichkeit der Ex-Atmosphäre Maß der zu gewährleistenden Sicherheit Vergleich zu der bisherigen Gruppen- und Zoneneinteilung I M1 vorhanden sehr hohes Explosionsgruppe I (Grubengas, brennbare Stäube) M2 bei Auftreten der Ex-Atmosphäre abschaltbar hohes Explosionsgruppe I II alle übrigen Bereiche außer I (Gemische aus Luft und Gasen, Dämpfen, Nebel, Stäuben) ständig, langzeitig oder häufig vorhanden gelegentlich vorhanden nicht oder selten und dann nur kurzzeitig sehr hohes hohes normales Explosionsgruppe II Zone 0 Zone 20 Explosionsgruppe II Zone 1 Zone 21 Explosionsgruppe II Zone 2 Zone 22 12

13 SICHERHEITSTECHNISCHE KENNGRÖSSEN Rechtliche Kennzeichnung elektronischer Betriebsmittel in Gas-Ex-Bereichen Die sicherheitstechnischen Kenngrößen sind quantitative Aussagen über Stoffeigenschaften, die für die Beurteilung von Explosionsgefahren maßgebend sind. Von wenigen Ausnahmen abgesehen, sind diese Kenngrößen keine physikalischen Konstanten, sondern hängen vom Bestimmungsverfahren ab und gelten meist nur für Umgebungsbedingungen. Einige der Kenngrößen benötigt man zur Auswahl der Betriebsmittel zum Einsatz in staubexplosionsgefährdeten Bereichen. Andere sind grundlegende Parameter für den konstruktiven Explosionsschutz. Beim konstruktiven Explosionsschutz werden die Explosionsauswirkungen auf ein vertretbares Maß begrenzt. Dies erreicht man durch n explosionsfeste Bauweise n Explosionsdruckentlastung n Explosionsunterdrückung n Verhindern der Explosionsübertragung Detaillierte Informationen zum konstruktiven Explosionsschutz können der Broschüre Schutzmaßnahmen entnommen werden. Die Explosionskenngrößen hängen maßgeblich von der Zusammensetzung des Staubes ab. Zur Bestimmung der Kenngrößen muss die Staubprobe untersucht werden. Hierbei spielen Korngröße, Reinheit und Feuchte eine wesentliche Rolle zur Bestimmung des Brenn- und Explosionsverhaltens. Bei steigendem Wassergehalt nimmt die Zündempfindlichkeit brennbarer Stäube ab. Oberhalb eines Wassergehaltes von 20 bis 30 Gewichts-% reduzieren sich der maximale Druckanstieg und die Staubexplosionsklassen. Zündempfindlichkeit Bei der Betrachtung der sicherheitstechnischen Kenngrößen unterscheidet man zwischen abgelagertem Staub und aufgewirbeltem Staub. 13

14 SICHERHEITSTECHNISCHE KENNGRÖSSEN Abgelagerter brennbarer Staub kann durch Aufwirbeln zu gefährlichen explosionsfähigen Staub/Luft-Gemischen führen die beim Vorhandensein einer Zündquelle zur Explosion führen können. abgelagerter Staub Wichtige sicherheitstechnische Kenngrößen für abgelagerten Staub sind: n Brennverhalten n Mindestzündtemperatur der Staubschicht (Glimmtemperatur) n Selbstentzündungsverhalten n Schlagempfindlichkeit n Zersetzung aufgewirbelter Staub Wichtige sicherheitstechnische Kenngrößen für aufgewirbelten Staub sind: n Explosionsdruck n Explosionsgrenzen n Mindestzündtemperatur der Staubwolke n Medianwert n Mindestzündenergie n Selbstentzündungstemperatur Zu den sicherheitstechnischen Kenngrößen gibt es ein umfangreiches Nachschlagewerk n Staubexplosionsfähigkeit n Staubexplosionsklassen 14

15 Zu den sicherheitstechnischen Kenngrößen gibt es umfangreiche Nach schlagewerke. Nachfolgend beispielhaft wichtige Veröffentlichungen: Nachschlagewerke VDI-Richtlinie 2263 Staubbrände und Staubexplosionen; Gefahren, Beurteilung, Schutzmaßnahmen Die Richtlinie befasst sich mit Geräten und Anlagen, die Besonderheiten in der Verfahrenstechnik aufweisen, die zu speziellen Schutzsystemen sowohl für den Brand- als auch den Explosionsschutz führen. Blatt 1: Blatt 2: Blatt 3: Blatt 4: Blatt 5: Blatt 6: Untersuchungsmethoden zur Ermittlung von sicherheitstechnischen Kenngrößen von Stäuben Inertisierung explosionsdruckstoßfeste Behälter und Apparate; Berechnung, Bau und Prüfung Unterdrückung von Staubexplosionen Explosionsschutz bei Wirbelschichtanlagen Brand- und Explosionsschutz an Entstaubungsanlagen Blatt 6.1: Beispiele Blatt 7: Brand- und Explosionsschutz an Sprühtrocknungsanlagen Blatt 7.1: Beispiele Blatt 8: Brand- und Explosionsschutz an Elevatoren Blatt 8.1: Beispiele Blatt 9: Bestimmungen des Staubungsverhaltens von Schüttgütern n VDI-Richtlinie 3673 Druckentlastung von Staubexplosionen Die Richtlinie beschreibt eine der möglichen Maßnahmen zur Minderung der Auswirkungen von Staubexplosionen und gibt Hinweise für die Auswahl und die Bemessung von Druckentlastungseinrichtungen. n TRD 413 Kohlenstaubfeuerungen an Dampfkesseln n TRD 415 Wirbelschichtfeuerungen an Dampfkesseln n Leitfäden des Technischen Ausschusses für Anlagensicherheit (TAA) n TAA-GS 33 Explosionsfähige Staub-/Luft-Gemische und Störfallverordnung n GESTIS-Staub-EX Datenbank Brenn- und Explosionskenngrößen von Stäuben des Instituts für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) ehemalige BGIA n BIA-Report 12/97 Brenn- und Explosionskenngrößen von Stäuben n BGI 747 Merkblatt R003 (Anlagensicherheit) Sicherheitstechnischer Kenn größen Ermitteln und Bewerten n BGR-104, Explosionsschutz-Regeln (Ex-RL) Sammlung technischer Regeln für das Vermeiden der Gefahren durch explosionsfähige Atmosphäre mit Beispielsammlung zur Einteilung explosionsgefährdeter Bereiche 15

16 SICHERHEITSTECHNISCHE KENNGRÖSSEN Atmosphärische Bedingungen (Umgebungsbedingungen) Bedingungen, welche Schwankungen des Druckes und der Temperatur einschließen, oberhalb und unterhalb der Bezugswerte von 101,3 kpa (1.013 mbar) und 20 C, vorausgesetzt, dass die Schwankungen lediglich vernachlässigbaren Einfluss auf die Explosionskenngrößen des brennbaren Staubes haben. Brennverhalten Heftigkeit des Abbrennens einer Staubablagerung Das Brennverhalten beschreibt die Heftigkeit des Abbrennens einer Staubablagerung nach erfolgter Zündung. Hierzu wird auf eine keramische Platte ein Staubsteg von 2 cm Breite und 4 cm Länge aufgebracht und versucht den Staub mit einer Gasflamme oder einem glühenden Platindraht zu zünden. Das Brennverhalten der Staubprobe wird bewertet und der Staub durch eine Brennzahl klassifiziert. 16

17 BZ 1 bedeutet kein Brennen, BZ 6 bedeutet verpuffungsartiges Abbrennen oder rasche flammenlose Zersetzung. Mit der Erhöhung der Umgebungstemperatur kann sich auch die Brennzahl verändern. Zum Beispiel ist Kartoffelstärke bei normaler Umgebungstemperatur nicht brennbar, bei erhöhter Temperatur jedoch sehr gut brennbar. keine Brandausbreitung Brandausbreitung Brandverhalten Brennzahl (BZ) Beispiel kein Anbrennen 1 Kochsalz kurzes Anbrennen und 2 Weinsäure rasches Verlöschen Örtliches Brennen und Glimmen mit 3 Milchzucker höchstens geringer Ausbreitung Durchglühen ohne Funkenwurf 4 Tabak (Glimmbrand) oder langsame, flammenlose Zersetzung Ausbreitung eines offenen Brandes oder Abbrennen unter Funkensprühen Verpuffungsartiges Abbrennen oder rasche, flammenlose Zersetzung 5 Schwefel 6 Schwarzpulver Brennzahl in Abhängigkeit vom Brennverhalten Explosionsdruck Der maximale Explosions(über)druck p max ist der unter vorgeschriebenen Versuchsbedingungen ermittelte maximale Druck, der in einem geschlossenen Behälter bei der Explosion eines Staubes im Gemisch mit Luft auftritt. Explosionsgrenzen Ebenso wie im gasexplosionsgefährdeten Bereich gibt es auch im staubexplosions gefährdeten Bereich Konzentrationsgrenzen, innerhalb derer das Staub-/Luft-Gemisch explosionsfähig ist. Unterhalb der unteren Explosionsgrenze (UEG) ist zu wenig brennbarer Staub vorhanden. Das Gemisch ist zu mager. Oberhalb der oberen Explosionsgrenze (OEG) ist zu wenig Sauerstoff vorhanden. Das Gemisch ist zu fett. Zwischen der unteren und der oberen Explosionsgrenze ist ein Gemisch explosionsfähig, es herrscht somit Explosionsgefahr. Die Explosionsgrenzen sind stoffbezogene Werte und werden in g/m 3 angegeben. Die untere Staubexplosionsgrenze wird in einem geschlossenen, annähernd kugelförmigen Druckbehälter mit einer zugehörigen Steuereinheit experimentell ermittelt. Da die obere Staubexplosionsgrenze für Sicherheitskonzepte wenig Bedeutung hat, wird sie in der Regel nicht bestimmt. Unterhalb UEG ist zu wenig brennbarer Stoff vorhanden UEG: Untere Grenze des Konzentrationsbereiches, in dem ein Staub im Gemisch mit Luft zur Explosion gebracht werden kann 17

18 SICHERHEITSTECHNISCHE KENNGRÖSSEN Beispiele für untere Explosionsgrenzen von Stäuben Toner (803) 15 g/m 3 Holzkohle (5671) 30 g/m 3 Aktivkohle aus Filter (5653) 30 g/m 3 Magermilchpulver (2051) 60 g/m 3 Stabilisator für PVC (5810) 60 g/m 3 Aluminium (672) 60 g/m 3 Senfkörner, feingeschrotet (846) 100 g/m 3 Mahlkaffee (838) 200 g/m 3 Polyamid (924) 250 g/m 3 Eisenpulver (2466) 500 g/m 3 (Quelle: Gestis Stoffdatenbank mit Stoffnummern in Klammern) 20 l-apparatur zur Ermittlung des zeitlichen Druckanstieges. Quelle: Kühne AG 18

19 Medianwert Der Medianwert ist der Wert für die mittlere Korngröße. 50 Gewichts-% des Staubes sind gröber und 50 Gewichts-% des Staubes sind feiner als der Medianwert. Wert für die mittlere Korngröße Der Medianwert wird meist durch Siebanalyse ermittelt. Die Siebanalyse ist ein Verfahren zur Ermittlung der Korngrößenverteilung von Schüttgütern. Sie wird in der Deutschen Norm DIN beschrieben. Das gebräuchlichste Verfahren der Siebanalyse ist die Trockensiebung mit einem Siebturm, der auf einer Siebmaschine befestigt wird. Bei der Siebung mit einem Siebturm werden mehrere Prüfsiebe übereinander angeordnet und auf eine Siebmaschine gespannt. Die Maschenweiten der einzelnen Prüfsiebe sind von oben nach unten absteigend. Bei der Durchführung der Siebanalyse wird die zu analysierende Probe auf dem gröbsten Prüfsieb aufgegeben und für eine vorgegebene Zeit einer definierten Bewegung ausgesetzt. Durch das Auswiegen der Rückstände auf den einzelnen Prüfsieben wird anschließend die Korngrößenverteilung der Probe ermittelt. Mindestzündenergie Die Mindestzündenergie (MZE) brennbarer Stäube ist in der Regel deutlich höher als für Gase und Dämpfe. Die MZE des Staubs ist abhängig von der Korngröße, der Oberflächenbeschaffenheit und der Materialfeuchte. Die Mindestzündenergie wird definiert als die in einem Kondensator gespeicherte niedrigste Energie, die bei einer Entladung ausreicht, um unter festgelegten Prüfbedingungen die Zündung der zündfähigsten explosionsfähigen Atmosphäre zu zünden. Mindestzündenergie Art des Staubes Beispiel < 1 mj sehr leicht Aluminiumstäube entzündliche Stäube 1 10 mj leicht entzündliche Stäube Wachsstäube > mj gemäßigt entzündliche Stäube > 100 mj schwer entzündliche Stäube Zucker- und Milchpulverstäube Weizenmehl, Kohlenstäube Mindestzündenergien von Stäuben Mindestzündtemperatur einer Staubschicht Die Mindestzündtemperatur einer Staubschicht (Glimmtemperatur) ist die niedrigste Temperatur einer heißen Oberfläche, bei der die Zündung einer auf dieser heißen Oberfläche befindlichen Staubschicht von festgelegter Dicke erfolgt. Als Glimmtemperatur wird die Mindestzündtemperatur für eine Staubschicht von 5 mm Dicke bezeichnet. 19

20 SICHERHEITSTECHNISCHE KENNGRÖSSEN Die maximale Oberflächentemperatur eines Betriebsmittels darf maximal 75 C unterhalb der Zündtemperatur der Staubschicht liegen Bei der Auswahl eines Betriebsmittels darf dessen maximale Oberflächentemperatur, gemäß Herstellerangabe bzw. Baumusterprüfbescheinigung, maximal 75 C unterhalb der Zündtemperatur der Staubschicht liegen. Die DIN EN Schutz durch Gehäuse td kannte zwei unterschiedliche Verfahren die zur Ermittlung der maximalen Oberflächentemperatur mit einer Staubschicht angewendet wurden. n Verfahren A Die maximale Oberflächentemperatur wird mit einer 5 mm dicken Staubschicht bestimmt und die Errichtungs bestimmungen fordern eine Differenz von 75 K zwischen der Oberflächentemperatur und der Glimmtemperatur eines bestimmten Staubes. n Verfahren B Die maximale Oberflächentemperatur wird mit einer 12,5 mm dicken Staubschicht bestimmt und die Errichtungs bestimmungen fordern eine Differenz von 25 K zwischen der Oberflächentemperatur und der Glimmtemperatur eines bestimmten Staubes. Das bedeutet für die Auswahl der Betriebsmittel, dass in Abhängigkeit der Kennzeichnung der Betriebsmittel, (Ex td A oder Ex td B) dessen Oberflächentemperatur 75K (Verfahren A) oder 25K (Verfahren B) niedriger sein muss als die Glimmtemperatur der betreffenden Staubschicht. Die DIN EN wurde ersetzt durch die DIN EN Geräte-Staubexplosionsschutz durch t. In der neuen Norm wurde Verfahren A und B zu einem einheitlichen Verfahren zusammengefasst und vereinfacht. In der Kennzeichnung des Betriebsmittels (Ex ta, Ex tb oder Ex tc), wird nicht mehr zwischen Verfahren A und B unterschieden. Geräte mit dem Schutzniveau ta können z. B. in einem Silo eingesetzt werden wobei diese Geräte unter einer Staubschüttung betrieben werden können. Bei der Temperaturangabe des Herstellers hat er eine thermische Prüfung unter einer mindestens 200 mm dicken Staubschüttung auf der ganzen Oberfläche des Gehäuses berücksichtigt. 20

21 Zündtemperatur einer Staubwolke Die Zündtemperatur einer Staubwolke ist die niedrigste Temperatur einer heißen Innenwand eines Schmelzofens, an der die Zündung einer Staubwolke in der darin enthaltenen Luft eintritt. Die maximale Oberflächentemperatur eines Betriebsmittels darf maximal 2/3 der Zündtemperatur der Staubwolke betragen. Bei der Auswahl eines Betriebsmittels darf dessen Oberflächentemperatur gemäß Herstellerangabe bzw. Baumusterprüfbescheinigung maximal 2/3 der Zündtemperatur der Staubwolke betragen. Substanz Medianwert D M [µm] Zündtemperatur Wolke T Z [ C] Zündtemperatur Schicht T G [ C] Selbstentzündungstemperatur T SE [ C] Braunkohle Gaskohle Aktivkohle > Altholz Klärschlamm Tiermehl > Farbpulver < 20 > Zündtemperaturen von Stäuben Staubexplosionsfähigkeit Staubexplosionsfähigkeit ist dann gegeben, wenn sich in einem Staub-/Luft- Gemisch nach dem Entzünden eine Flamme ausbreitet, die im geschlossenen Behälter mit Temperatur- und Drucksteigerung verbunden ist. Aufgrund ihrer K st -Werte werden die Stäube in Klassen eingeteilt. K st -Wert Der K st -Wert ist eine staubspezifische, volumenabhängige, Kenngröße, die das Reaktionsverhalten eines Staubes klassifiziert. Mit dem K st -Wert wird die Ex plo sionsheftigkeit eines Staubes beschrieben. Das Reaktionsverhalten eines Staubes wird durch den maximalen Explosionsdruck und den zeitlichen Druckanstieg beschrieben. Reaktionsverhalten eines Staubes Der K st -Wert errechnet sich aus dem kubischen Gesetz. Nach dem kubischen Gesetz für die Volumenabgängigkeit des maximalen zeitlichen Druckanstieges gilt: (dp/dt)max V1/3 = konst = K st. Er ist numerisch gleich dem Wert des maximalen zeitlichen Druckanstiegs (dp/dt) max, der in einem 1-m 3 - Behälter unter vorgeschriebenen Versuchsbedingungen gemessen wird. 21

22 SICHERHEITSTECHNISCHE KENNGRÖSSEN Anhand des K st -Wertes erfolgt eine Einteilung der Stäube in die Staubexplosionsklassen ST1 bis ST3. Staubexplosionsklassen K st -Wert [bar m s -1 ] [ C] Staubexplosionsklasse < 200 St St St 3 Reaktionswärme führt zur Selbstentzündung Selbstentzündungstemperatur Die Selbstentzündungstemperatur bezieht sich auf eine abgelagerte Staubschicht, die sich bei allseitiger Wärmeeinwirkung unter Anwesenheit von Luft ohne weitere Zündquelle entzündet. Zu dieser Selbstentzündung kommt es, wenn die Wärmeproduktionsrate der Oxidations- oder Zersetzungsreaktion größer ist als die Wärmeverlustrate der Staubschicht. Überschreitet eine Probe dabei die Umgebungs temperatur um mehr als 60 C, spricht man von Selbstentzündung. Die entstehende Reaktionswärme kann aber auch ein Schwelgas verursachen, das in der Lage ist, ein explosionsfähiges Gas-/Luft-Gemisch zu bilden. Maximal zulässige Oberflächentemperatur Die höchste Temperatur, die die Oberfläche eines elektrischen oder nicht-elektrischen Betriebsmittels bei bestimmungsgemäßem Betrieb erreichen darf, um Zündung zu vermeiden. 22

23 Die maximal zulässige Oberflächentemperatur hängt ab von der Art des Staubs, ob als Wolke oder Schicht und wenn als Schicht, von dessen Schichtdicke und von der Anwendung eines Sicherheitsfaktors. Zündquellen Beim Einsatz von Betriebsmitteln sowie beim Betrieb von Anlagen innerhalb staub explosionsgefährdeter Bereiche ist zu prüfen ob Zündgefahren auftreten. Ein ungewollter Energieeintrag in Ex-Bereichen erfolgt durch Zündquellen. Kommt explosionsfähige Staubatmosphäre mit erhitzten Oberflächen in Berührung kann dies zur Entzündung der Atmosphäre führen. Auch die sich in einem Funken befindliche Energie kann die Ursache für die Entzündung sein. Um Zündungen auszuschließen, werden diese potenziellen Quellen entweder generell vermieden oder, falls dies nicht möglich ist, Sicherheitsabstände zu den Grenzwerten der Zündgefahren festgelegt. Diese Grenzen ergeben sich aus den Eigenschaften und dem Umgang mit den brennbaren Stäuben. Ein Beispiel ist die Eigensicherheit. Hier wird durch eine Energiebegrenzung sichergestellt, dass die Zündquelle elektrischer Strom nicht wirksam werden kann. Das heißt, es wird ein Sicherheitsabstand zwischen der maximal möglichen Energiemenge des eigensicheren Kreises und der minimal notwendigen Zündenergie des Staub-/Luft-Gemisches eingehalten. Um Sicherheitsabstände festlegen zu können, müssen Zündenergie und -temperatur des Staub-/Luft-Gemisches bekannt sein. Arbeiten mit zusätzlicher Zündgefahr erfordern eine schriftliche Freigabe 23

24 SICHERHEITSTECHNISCHE KENNGRÖSSEN Potenzielle Zündquellen und deren Ursachen Zündquelle Funke Entladungsfunke Lichtbogen Heiße Oberfläche Flammen und heiße Gase Elektrische Anlagen Elektrische Ausgleichsströme Elektromagnetische Wellen im Bereich bis Hz Hochfrequenz bis Hz Blitzschlag Ionisierende Strahlung Ultraschall Adiabate Kompression Exotherme Reaktion Beispiel für die Ursache Elektrischer Funke, mechanisch erzeugter Funke durch Abtragvorgänge (Schleifen), Reibung, Schlag (insbes. Rost/Leichtmetalle). Fremdkörper in bewegten Teilen (Mühlen) Statische Elektrizität (z. B. durch Reibung isolierender Werkstoffe), Entladung aufgeladener Personen, Stoffe, Bauteile etc. Kurzschluss, Schaltvorgang Strom in elektrischen Anlagen, Heizkörper, spanabhebende Bearbeitung, Reibungswärme (Bremsen, mangelnde Lagerschmierung) Durch Verbrennungsreaktionen, Funkenflug bei Schweißarbeiten Öffnen/Schließen von Kontakten, Wackelkontakt. Auch Schutzkleinspannungen (U < 50 V) können noch genügend Energie erzeugen um eine explosionsfähige Atmosphäre zu zünden. Rückströme von Generatoren, Körper-/ Erdschluss bei Fehlern, Induktion, kathodischer Korrosionsschutz Laserstrahl zur Entfernungsmessung, Foto-Blitz, Laser-Schweißen Funksignale, industrielle Hochfrequenzgeneratoren für Erwärmung, Trocknung Atmosphärische Wetterstörungen Röntgengerät, radioaktive Stoffe, Energieabsorption führt zu Erwärmung Energieabsorption in festen /flüssigen Stoffen führt zu Erwärmung Schlagartiges Öffnen von Ventilen, Stoßwellen Chemische Reaktion mit Wärmefreisetzung Ist der Einsatz von Betriebsmitteln, die als Zündquelle wirksam werden können, erforderlich (Schweißgeräte, Messgeräte), ist dafür zu sorgen dass während der Zeit des Einsatzes der Betriebsmittel keine explosionsfähige Atmosphäre auftreten kann. 24

25 EXPLOSIONSGEFÄHRDETE BEREICHE Maßnahmen, die gefährliche explosionsfähige Atmosphäre verhindern oder einschränken Zu den Explosionsschutzmaßnahmen, die gefährliche explosionsfähige Atmosphäre verhindern oder einschränken, gehören: Vermeiden oder Einschränken von Stoffen, die explosionsfähige Atmosphäre zu bilden vermögen. Es ist zu prüfen, ob brennbare Stoffe durch Stoffe ersetzt werden können, die keine explosionsfähigen Gemische bilden können z.b. brennbare staubförmige Füllstoffe durch nichtbrennbare Füllstoffe. Verhindern oder Einschränken explosionsfähiger Atmosphäre im Innern von Anlagen und Anlagenteilen. Lässt sich der Umgang mit Stoffen, die explosionsfähige Atmosphäre zu bilden vermögen, nicht vermeiden, so kann die Bildung explosionsfähiger Atmosphäre in gefahrdrohender Menge innerhalb von Anlagen und Anlagenteilen durch Begrenzung der Menge oder der Konzentration oder durch Inertisierung verhindert oder eingeschränkt werden. Durch Maßnahmen zur Konzentrationsbegrenzung soll die Konzentration der brennbaren Stoffe unterhalb der unteren oder oberhalb der oberen Explosionsgrenze gehalten werden. Konzentrationsbegrenzung Bei Stäuben ist die Vermeidung explosionsfähiger Gemische durch Begrenzung der Konzentration schwer zu erreichen. Insbesondere ist die Wechselwirkung zwischen aufgewirbeltem und abgelagertem Staub zu beachten. Homogene Staub-/Luft-Gemische treten äußerst selten auf. Daher ist es in der Regel nur Die Bildung explosionsfähiger Atmosphären kann unter unterschiedlichen Bedingungen entstehen 25

26 EXPLOSIONSGEFÄHRDETE BEREICHE selten möglich, als Staubkonzentration die Gesamtmenge des Staubes bezogen auf den gesamten Raum oder das Gesamtvolumen eines Arbeitsmittels einschließlich Anlagen und Anlagenteilen zu betrachten und dabei eine gleichmäßige Verteilung anzunehmen. Bei inhomogener Staubverteilung kann in Anlagen und Anlagen teilen sowie Behältern oder Räumen auch dann Explosionsgefahr bestehen, wenn die auf das Gesamtvolumen bezogene Staubmenge außerhalb der Explosionsgrenze liegt. Inertisierung Bei der Inertisierung kann durch Zugabe von gasförmigen Inertstoffen (z. B. Stickstoff, Kohlendioxid, Edelgase, Wasserdampf) oder von pulverförmigen Inertstoffen die Bildung explosionsfähiger Gemische verhindert werden. Wesentliche Voraussetzung für die Wirksamkeit der Inertisierung ist ihre Sicherstellung (z. B. durch Überwachung der Sauerstoffkonzentration, der Inertgaskonzentration, des Gesamtdruckes oder der Mengenströme von Inertgas und brennbarem Stoff). Weiterhin ist eine Alarmschwelle unterhalb der höchstzulässigen Sauerstoffkonzentration festzulegen. Bei Erreichen der Alarmschwelle müssen den Bedingungen des Einzelfalles entsprechend von Hand oder automatisch Schutzmaßnahmen ausgelöst und durchgeführt werden. Die festzulegende Alarmschwelle, die Eigenschaften der Überwachungseinrichtungen, ihre erforderliche Funktionssicherheit und die Reaktionszeiten des Personals und der Anlage sind aufeinander abzustimmen. Abhängig von der Zuverlässigkeit der Inertisierung ist eine Zonenreduzierung für das Innere von Behältern und Anlagenteilen möglich. Die TRBS dient als Quelle für detaillierte Informationen zur Inertisierung explosionsfähiger Atmosphäre aus brennbaren Stäuben. Verhindern oder Einschränken gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre in der Umgebung von Anlagen und Anlagenteilen In der Umgebung von Anlagen und Anlagenteilen ist die Bildung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre zu verhindern oder einzuschränken, soweit dies nach dem Stand der Technik möglich ist. Bei Stäuben ist besonders zu beachten, dass sich unerwünschte Staubablagerungen auch entfernt von der Austrittsstelle bilden können, insbesondere wenn es sich um sehr feinkörnigen Staub handelt. Diese können dann durch Aufwirbeln explosionsfähige Atmosphäre bilden. Wird ein abgelagerter Staub mit einer Schichtdicke von 1 mm aufgewirbelt erzeugt dieser eine Wolke, die den darüber liegenden Raum füllt. Als Schutzmaßnahme ist daher häufiges und gründliches Entfernen (ohne Aufwirbeln) der Staubablagerungen notwendig. Auch durch Befeuchten oder durch Überschichten mit pulverförmigen Inertstoffen lässt sich zumindest zeitweise verhindern, dass durch Staubablagerung explosionsfähige Atmosphäre gebildet werden kann. Bei der Reinigung darf es nicht zu Aufwirbelungen kommen. Übliche Methoden sind: n Nassreinigungsverfahren n Beseitigung mit Staubsaugern 26

27 Die Staubsauger müssen explosionsgeschützt ausgeführt sein, damit sie nicht als Zündquelle wirksam werden können. Außerdem muss dem Personal durch bauliche und konstruktive Maßnahmen die Reinigung erleichtert werden. Waagerechte Flächen, auf denen sich Staub ablagern kann, sind zu vermeiden. Bei Kabelpritschen helfen z. B. abgeschrägte Überdachungen, die den Staub gezielt auf den Boden oder in leicht und gefahrlos zugängliche Bereiche lenken. Wände sind möglichst glatt und fugenlos auszuführen. Bodenmarkierungen können in Verbindung mit Reinigungsplänen dafür sorgen, dass sich gefährliche Schichtdicken nicht unbemerkt aufbauen. Überwachung der Konzentration in der Umgebung von Anlagen oder Anlagenteilen Die Bildung von gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre außerhalb von Anlagenteilen kann durch die Dichtheit des Anlagenteils verhindert oder eingeschränkt werden. Hierbei wird unterschieden in: Dichtheit von Anlagenteilen n auf Dauer technisch dichte Anlagenteile n technisch dichte Anlagenteile und Anlagenteile mit betriebsbedingtem Austritt brennbarer Stoffe Bei der Konstruktion von Anlagenteilen für die Handhabung mit Stäuben sollen die Werkstoffe so ausgewählt werden, dass sie den zu erwartenden mechanischen, thermischen und chemischen Beanspruchungen standhalten. Gefahren durch abrasive Beanspruchung sind zu berücksichtigen. Beseitigung mit Staubsaugern Quelle: RUWAC Industriesauger GmbH 27

28 EXPLOSIONSGEFÄHRDETE BEREICHE Gefahren durch Reaktionen des Wandmaterials mit den brennbaren Stoffen/ Gemischen sind auszuschließen. Bei der Auswahl der Werkstoffe ist das Korrosions verhalten zu berücksichtigen. Bei flächenhafter Abtragung sind bei der Berechnung der Wanddicke Zuschläge zu berücksichtigen; gegen Lochfraßkorrosion sind als grundsätzliche Schutzmaßnahme geeignete Werkstoffe auszuwählen sowie ins besondere auch sachgerechte Konservierungsmaßnahmen in Stillstandsphasen durchzuführen. Auf Dauer technisch dichte Anlagenteile Bei Anlagenteilen, die auf Dauer technisch dicht sind, sind keine Freisetzungen zu erwarten. Anlagenteile gelten als auf Dauer technisch dicht, wenn sie so ausgeführt sind, dass sie aufgrund ihrer Konstruktion technisch dicht bleiben oder ihre technische Dichtheit durch Wartung und Überwachung ständig gewährleistet wird. Anlagenteile, die auf Dauer technisch dicht sind, verursachen durch ihre Bauart in ihrer Umgebung im ungeöffneten Zustand keine explosionsgefährdeten Bereiche. Beispiele für auf Dauer technisch dichte Anlagen- und Ausrüstungsteile, die aufgrund ihrer Konstruktion technisch dicht bleiben sind: n geschweißte Anlagenteile mit lösbaren Komponenten, wobei die hierfür er forderlichen lösbaren Verbindungen betriebsmäßig nur selten gelöst und konstruktiv wie die nachgenannten lösbaren Rohrleitungsverbindungen gestaltet sind (ausgenommen metallisch dichtende Verbindungen), n lösbaren Verbindungen zu Rohrleitungen, Armaturen oder Blinddeckeln, wobei die hierfür erforderlichen lösbaren Verbindungen nur selten gelöst und konstruktiv wie die lösbaren Rohrleitungsverbindungen gestaltet sind Die Anforderungen an Dichtwerkstoffe müssen erfüllt sein 28

29 n Anlagenteile, die auch Dichtungselemente enthalten können, wie Wellendurchführungen mit überwachter Sperrluft, z. B. bei Labyrinth- oder Stopf buchsdichtungen, Armaturen mit üblichen Abdichtungssystemen, z. B. Scheibenventile, Schieber in geschlossener Bauart, Kugelhähne, magnetisch gekoppelte, dichtungslose Antriebssysteme. Auf Dauer technisch dichte Rohrleitungsverbindungen, die aufgrund ihrer Konstruktion technisch dicht bleiben sind: n unlösbare Verbindungen, z. B. geschweißt n lösbare Verbindungen, die betriebsmäßig nur selten gelöst werden wie z. B. Flansche. Für Stäube gelten im Allgemeinen einfache Flanschverbindungen mit Dichtungen oder Clamp-Verschlüsse als ausreichend dicht. Neben den rein konstruktiven Maßnahmen können auch technische Maßnahmen, kombiniert mit organisatorischen Maßnahmen, zu einem auf Dauer technisch dichten Anlagenteil führen. Hierunter fallen bei entsprechender Überwachung und Instandhaltung z. B. n selbsttätig nachstellende Stopfbuchspackungen bei Kontrolle der richtigen Passung und Überprüfung der Verschleißgrenze n einfach wirkende Dichtungssysteme nur bei Anlagen ohne inneren Überdruck mit geringer mechanischer und thermischer Beanspruchung und mit geringer Schwingungsbelastung, z. B. an Schneckenförderern, Trogkettenförderern Umfang und Häufigkeit der Überwachung und Instandhaltung richten sich im Einzelnen nach der Art der Verbindung und Konstruktion, Betriebsweise, Beanspruchung sowie Zustand und Eigenschaften der Stoffe. Sie sollen die technische Dichtheit auf Dauer gewährleisten. Es ist darauf zu achten, dass Umfang und Häufigkeit der Überwachung und Instandhaltung zur Aufrechterhaltung der auf Dauer technischen Dichtheit im Explosionsschutzdokument oder in dort in Bezug genommenen Unterlagen festgelegt sind, z. B. in einer zugehörigen Betriebsanweisung oder im Instandhaltungsplan. Für die Überwachung ist die Begehung der Anlage und Kontrolle auf Staubaustritte und -ablagerungen ausreichend. Geeignete vorbeugende Instandhaltung kann den Umfang und die Häufigkeit der Überwachung auf Dichtheit reduzieren. Bei Anlagenteilen, die technisch dicht sind, sind seltene Freisetzungen zu erwarten. Anlagenteile gelten als technisch dicht, wenn bei einer für den Anwendungsfall geeigneten Dichtheitsprüfung oder Dichtheitsüberwachung durch regelmäßige Kontrolle auf Staubaustritte und -ablagerungen sowie auf sichtbare Defekte oder Beschädigungen eine Undichtheit nicht erkennbar ist. Technische dichte Anlagenteile 29

30 EXPLOSIONSGEFÄHRDETE BEREICHE Beispiele für technisch dichte Anlagenteile für Stäube sind n Kompensatoren n flexible Verbindungen n Stopfbuchsenabdichtung n lösbare Verbindungen die nicht nur selten gelöst werden n Einstiegs- und Inspektionsöffnungen, die nicht nur selten geöffnet werden. Außerhalb von Anlagenteilen, die weder auf Dauer technisch dicht noch technisch dicht sind, ist mit der Bildung von gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre durch betriebsbedingten Austritt von Stäuben zu rechnen. Betriebsbedingte Austrittstellen bei Stäuben sind z. B. Übergabestellen. Durch technische Maßnahmen können die Austrittsmengen, die Zonen - aus dehnung oder die Auftrittswahrscheinlichkeit explosionsfähiger Atmosphäre verringert werden, wenn z. B.: n an Probeentnahmestellen durch besondere Einrichtungen sichergestellt ist, dass nur geringe Mengen austreten können n Objektabsaugungen verwendet werden n die Übergabestellen von staubförmigen bzw. staubhaltigen Produkten mit einer gegebenenfalls auch flexiblen Umhüllung aus weitgehend staubundurchlässigen Materialien versehen werden. Reinigung 30

31 Durch organisatorische Maßnahmen (regelmäßige Reinigung) können bei Stäuben die Staubablagerungen, die Zonenausdehnung oder die Auftrittswahrscheinlichkeit explosionsfähiger Atmosphäre verringert werden. Durch Lüftungsmaßnahmen soll so weit wie möglich die Bildung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre verhindert oder eingeschränkt werden. Lüftungsmaßnahmen Bei Stäuben bieten Lüftungsmaßnahmen im Allgemeinen nur dann einen ausreichenden Schutz, wenn der Staub an der Entstehungsstelle abgesaugt und zusätzlich gefährliche Staubablagerungen sicher verhindert werden. Ist eine Austrittstelle brennbarer Stäube aus einem Anlagenteil bekannt (z. B. Entlüftungs- und Beschickungsöffnungen), so können die austretenden Stoffe gezielt erfasst und abgeführt werden, z. B. durch Randabsaugung an offenen Behältern. Objektabsaugung Die Absaugung ist auf der Grundlage der spezifischen Parameter der zu erfassenden Stoffe, der anlagen- und prozesstechnischen sowie der betrieblichen Gegebenheiten auszulegen. Mögliche Störungen sind zu berücksichtigen. Werden keine besonderen technischen Maßnahmen getroffen, bleibt die Erfassung brennbarer Stäube auf den unmittelbaren Bereich der Objektabsaugung beschränkt. Maßnahmen zum Beseitigen von Staubablagerungen in der Umgebung von staubführenden Anlagen und Anlagenteilen sowie Behältern Staubablagerungen in der Umgebung staubführender Anlagenteile und Behälter sind nach Möglichkeit zu vermeiden. Dennoch auftretende Staubablagerungen sind regelmäßig zu beseitigen. In Arbeits- und Betriebsräumen sind daher regelmäßige Reinigungsmaßnahmen durchzuführen, z. B. auf der Grundlage von Reinigungsplänen, in denen Art, Umfang und Häufigkeit von Reinigungsmaßnahmen und die jeweiligen Verantwortlichkeiten verbindlich geregelt werden. Die Festlegungen sind den individuellen Verhältnissen des Einzelfalls anzupassen. Reinigungspläne Besonders zu beachten sind schlecht einsehbare (z. B. höher gelegene) oder schwer zugängliche Oberflächen, auf denen sich im Lauf der Zeit erhebliche Staubmengen ablagern können. Darüber hinaus ist sicherzustellen, dass bei größerer Staubfreisetzung infolge von Betriebsstörungen (z. B. Beschädigen oder Platzen von Gebinden, Leckagen) zusätzliche Maßnahmen zur unverzüglichen Beseitigung der Staubablagerungen getroffen werden. 31

32 ZONENEINTEILUNG Einteilung der staubexplosionsgefährdeten Bereiche in Zonen Im Explosionsschutz haben sich die Vorgehensweisen, bedingt durch nationale Bestimmungen und Gesetze, zu unterschiedlichen Lösungsansätzen entwickelt. Heute können wir zwischen einer IEC- und einer nordamerikanischen Vorgehensweise unterscheiden. Die Unterschiede liegen in den Einteilungen der explosionsgefährdeten Bereiche (in Nordamerika und Kanada: Hazardous (Classified) Locations ), der Ausführung der Betriebsmittel, und der Installationstechnik der elektrischen Anlagen. In Europa kommt das Zonenverfahren zur Anwendung. Dieses ist übergeordnet in der IEC/EN beschrieben, nach der jeder Bereich, in dem brennbare Gase oder aufgewirbelte Stäube mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorhanden sein können, in eine der folgenden Zonen eingeordnet werden muss: Zone 20 Zone 20 ist ein Bereich, in dem eine explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke brennbaren Staubes in der Luft, ständig, langzeitig oder häufig vorhanden ist. Die Ausdehnung der Zone 20 umfasst im Allgemeinen nur das Innere von Behältern, Apparaturen und Rohrleitungen. Es ist zu prüfen ob im betrachteten Apparat oder der betrachteten Rohrleitung zeitlich überwiegend staubexplosionsgefährdetes Gemisch mit Luft vorliegt und ob dieses den Apparat oder die Rohrleitung vollständig oder nur zum Teil ausfüllt. Beispiele für die Zone 20 sind das Innere von n Zerkleinerungs-, Misch- und Trennanlagen n Mühlen n Silos, Bunkern mit häufigen Befüllvorgängen n Produktabscheidern n Konvektionstrocknern n Wirbelschichtgranulatoren n pneumatischen Fördereinrichtungen. Zone 21 Zone 21 ist ein Bereich, in dem bei Normalbetrieb damit zu rechnen ist, dass eine explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke brennbaren Staubs in der Luft gelegentlich auftritt. Hierzu gehören z. B. die nähere Umgebung von Beschickungsöffnungen, der nähere Bereich um Füll- und Entleerungseinrichtungen und Bereiche, wo Staubablagerungen vorhanden sind, durch deren Aufwirbeln gelegentlich eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre auftritt. 32

33 Beispiele für die Zone 21 sind n Bereiche im Inneren von Anlagen (z.b. Silos und Mischer) n Bereiche in der unmittelbaren Umgebung von Anlagen z. B. Staubentnahmestellen oder Füllstationen n Bereiche, in denen abgelagerter Staub in so großer Menge vorliegt, dass es bereits im Normalbetrieb gelegentlich zum Aufwirbeln gefährlicher explosionsfähiger Staub-/Luft-Gemische kommen kann Zone 22 ist ein Bereich, in dem nicht damit zu rechnen ist, dass bei Normalbetrieb eine explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Staubwolke auftritt, aber wenn sie dennoch auftritt, dann nur während eines kurzen Zeitraums. Zone 22 Hierzu gehören Bereiche in der Umgebung Staub enthaltender Anlagen, wenn Staub aus Undichtigkeiten austreten kann und sich Staubablagerungen bilden können. Beispiele für die Zone 22 sind n Bereiche in der Umgebung Staub enthaltender Apparaturen, wenn Staub nur in nicht explosionsfähiger Konzentration austritt und sich lediglich längerfristig Staubablagerungen bilden, die auch nur kurzzeitig zu gefährlichen explosionsfähigen Staub-/Luft-Gemischen aufgewirbelt werden können. Bestehen bei der Einteilung in Zonen Zweifel, muss sich in dem gesamten explosionsgefährdeten Bereich der Umfang der Schutzmaßnahmen nach der jeweils höchstmöglichen Wahrscheinlichkeit des Auftretens gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre richten. Aus diesem Grunde ist in den Fällen, in denen Stäube mit Gasen, Dämpfen oder Nebeln gemeinsam gefährliche explosionsfähige Atmosphäre bilden können (hybride Gemische), die Einteilung des explosionsgefährdeten Bereiches sowohl nach den Zonen 0, 1 und 2 als auch nach den Zonen 20, 21 und 22 in Erwägung zu ziehen. Durch geeignete Maßnahmen kann die Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins explosionsfähiger Atmosphäre reduziert werden. Dies ist bei der Zoneneinteilung zu berücksichtigen. In der praktischen Umsetzung sind für Zoneneinstufungen, Installation und den Betrieb der Anlagen die jeweiligen nationalen Vorschriften am Betriebsort der Anlage zu beachten. Diese können von den IEC-Vorgaben abweichen, oder diese noch weiter konkretisieren. 33

34 ZONENEINTEILUNG Schutzmaßnahmen Schutzmaßnahmen in Zone 20 Schutzmaßnahmen in Zone 21 Schutzmaßnahmen in Zone 22 In der Zone 20 darf die Temperatur sämtlicher Oberflächen, die mit Staubwolken in Berührung kommen können, 2/3 der Mindestzündtemperatur ( C) der betreffenden Staubwolke nicht überschreiten. Auch nicht bei selten auftretenden Betriebsstörungen. Die Temperatur von Oberflächen, auf denen sich Staub ablagern kann muss um einen Sicherheitsabstand von 75 K niedriger sein als die Mindestzündtemperatur der dicksten Schicht, die sich aus dem betreffenden Staub bilden kann. Dies muss auch bei selten auftretenden Betriebsstörungen gewährleistet sein. Ist die Schichtdicke unbekannt, muss die dickste vorhersehbare Schicht angenommen werden (Ex-RL). In der Zone 21 darf die Temperatur sämtlicher Oberflächen, die mit Staubwolken in Berührung kommen können, 2/3 der Mindestzündtemperatur ( C) der betreffenden Staubwolke nicht überschreiten. Auch nicht bei Betriebsstörungen. Die Temperatur von Oberflächen, auf denen sich Staub ablagern kann, muss um einen Sicherheitsabstand von 75 K niedriger sein als die Mindestzündtemperatur der dicksten Schicht, die sich aus dem betreffenden Staub bilden kann. Dies muss auch bei Betriebsstörungen gewährleistet sein. In der Zone 22 darf bei Normalbetrieb die Temperatur sämtlicher Oberflächen, die mit Staubwolken in Berührung kommen können, 2/3 der Mindestzündtemperatur ( C) der betreffenden Staubwolke nicht überschreiten. Die Temperatur von Oberflächen, auf denen sich Staub ablagern kann muss um einen Sicherheitsabstand von 75 K niedriger sein als die Mindestzündtemperatur der dicksten Schicht, die sich aus dem betreffenden Staub bilden kann. 34

35 Zündschutzmethoden Es gibt drei grundlegende Zündschutzmethoden zur Verringerung des Risikos einer Explosion n Verhindern einer wirksamen Zündquelle Bei dieser Methode werden thermische Effekte wie z. B. heiße Oberflächen begrenzt, und elektrische oder mechanische Funken entweder generell verhindert, oder wie im Fall der Zündschutzart Eigensicherheit, die elektrische Energie eines Funkens auch unter bestimmten Fehlerbedingungen auf ein sicheres Niveau begrenzt. n Räumliche Trennung zwischen Zündquelle und explosiver Atmosphäre Bei dieser Methode wird versucht, mögliche Zündquellen (elektrische Komponenten und heiße Oberflächen) räumlich vom explosiven Gemisch zu trennen. Die Zündschutzarten Überdruckkapselung, Sandkapselung und Vergusskapselung beruhen auf dieser Methode. n Verhindern der Explosionsübertragung Dies ist die Methode, die eingesetzt wird falls nicht ausgeschlossen werden kann, dass Explosionen stattfinden können. Die Auswirkungen dieser Explosionen werden hierbei auf genau festgelegte Bereiche eingeschränkt, um ihre Ausbreitung in die umgebende Atmosphäre zu verhindern. Die Auswahl der geeigneten Zündschutzart und mögliche Fehlerquellen Die Wahl einer bestimmten Zündschutzart ist vom Sicherheitsgrad abhängig, welcher für den jeweiligen explosionsgefährdeten Bereich erforderlich ist. Sie sollte gewährleisten, dass die geringstmögliche Wahrscheinlichkeit für das gleichzeitige Vorhandensein einer wirksamen Zündquelle und einer gefährlichen, explosionsfähigen Atmosphäre besteht. 35

36 ZÜNDSCHUTZARTEN Geräte-Staubexplosionsschutz durch Gehäuse t IEC/EN n Staub-Zündschutzart, bei welcher das elektrische Gerät ein Gehäuse mit Schutz gegen Staubeintritt und eine Maßnahme zur Begrenzung der Oberflächen temperatur aufweist. n Als Kategorie 1 (Zone 20), Kategorie 2 (Zone 21) und Kategorie 3 (Zone 22) Betriebsmittel einsetzbar. n Die Zündschutzart t (ehemals td nach IEC ) ist in drei Schutzniveaus ta, tb und tc unterteilt. Jedem Schutzniveau wurde ein Geräteschutzniveau (equipment protection level, EPL) zugeordnet. Dieser EPL basiert auf dem Grad der Wahrscheinlichkeit, dass das Gerät eine Zündquelle in explosionsfähiger Atmosphäre werden könnte. n Geräte der Zündschutzart t sind durch das Geräteschutzniveau ta (EPL Da oder tb (EPL Db ) oder tc (EPL Dc ) geschützt. n Bei Geräten der Zündschutzart ta muss der maximal zulässige Kurzschlussstrom der Stromquelle in der Kennzeichnung angegeben werden. n Bei Schutzniveau ta ist eine thermische Prüfung unter einer mindestens 200 mm dicken Staubschüttung auf der ganzen Oberfläche des Gehäuses vorgeschrieben. n Die Geräte müssen gegen Staubeintritt geschützt sein und den Anforderungen folgender Tabelle genügen. Schutz gegen Staubeintritt Geräte der Gruppe Schutzniveau IIIC IIIB IIIA ta IP6X IP6X IP6X tb IP6X IP6X IP5X tc IP6X IP5X IP5X Hauptanwendungen und Kennzeichnung n Leuchten n Sensoren und Aktoren Kennzeichnung 2001 und früher II 2 D EEx td A21 IP65 T80 C Kennzeichnung für neu zugelassene Geräte (durch harmonisierte Norm IEC EN entfiel ein E ) II 2D Ex tb IIIC T80 C IP65 Kennzeichnung seit 2009 (Einführung EPL und Explosionsuntergruppen für alle Zündschutzarten wegen Elektrostatik, ExGruppe nach IEC II: Gas, III: Staub) 36 II 2 D Ex tb IIIC T80 C Gb IP 65

37 Geräteschutz durch Eigensicherheit i (IEC/EN ) n Zündschutzart, die auf der Begrenzung von elektrischer Energie innerhalb von Geräten und Verbindungsleitungen, die einer explosionsfähigen Atmosphäre ausgesetzt sind auf einem Niveau unterhalb dessen beruht, bei dem eine Zündung entweder durch Funkenbildung oder Erwärmung hervorgerufen werden kann. n als Kategorie 1 (Zone 20), Kategorie 2 (Zone 21) und Kategorie 3 (Zone 22) Betriebsmittel einsetzbar n Die Zündschutzart i (ehemals id nach IEC ) bezieht sich nicht auf ein einzelnes Betriebsmittel, sondern auf den gesamten eigensicheren Stromkreis. n In eigensicheren Stromkreisen treten nicht die zur Entzündung einer explosionsfähigen Atmosphäre erforderliche Funkenenergie und thermischen Effekte auf. Erreicht wird dies durch Begrenzung von Strom, Spannung und Leistung im Speisegerät (zugehöriges Betriebsmittel). Im Stromkreis vorhandene Energiespeicher wie Induktivitäten und Kapazitäten, auftretend im Feldgerät (eigensicheres Betriebsmittel) und in der Verbindungsleitung müssen berücksichtigt werden. Sowohl im Normalbetrieb als auch im Fehlerfall dürfen keine Funkenenergien und keine thermischen Effekte auftreten, die zur Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre führen können. n Eigensichere Stromkreise müssen vor einer Energieeinkopplung durch äußere elektrische oder magnetische Felder geschützt werden. Dies wird durch Einsatz von geeigneten Kabeln und Einhaltung eines angemessenen Abstandes oder durch die Verwendung von Schirmen und/oder verdrillten Adern erreicht. Eigensicherer Endlagensensor 37

38 ZÜNDSCHUTZARTEN n Kabel und Leitungen von eigensicheren und nicht-eigensicheren Stromkreisen dürfen nicht im gleichen Kabel oder Kabelkanal geführt werden. Bei Verlegung im gleichen Kabelkanal müssen sie durch eine Isolierstoff-Zwischeneinlage oder eine geerdete Metall-Zwischeneinlage getrennt sein. n Der Anwender ist gemäß Betriebssicherheitsverordnung zum Nachweis der Eigensicherheit verpflichtet. Der Nachweis ist im Explosionsschutzdokument der Anlage zu dokumentieren. Hauptanwendungen und Kennzeichnung n Mess- und Regeltechnik n Sensoren und Aktoren n Instrumentierung Die Zündschutzart i ist in drei Schutzniveaus ia, ib und ic unterteilt. Jedem Schutzniveau wurde ein Geräteschutzniveau (Equipment Protection Level, EPL) zugeordnet. Dieser EPL basiert auf dem Grad der Wahrscheinlichkeit, dass das Gerät eine Zündquelle in explosionsfähiger Atmosphäre werden könnte. Geräte der Zündschutzart i sind durch das Geräteschutzniveau ia (EPL Da oder ib (EPL Db ) oder ic (EPL Dc ) geschützt. Kennzeichnung 2001 und früher II 1 D EEx iad 20 IP67 T60 C Kennzeichnung für neu zugelassene Geräte (durch harmonisierte Norm IEC EN entfiel ein E) II 1 D Ex ia IIIC T80 C Kennzeichnung seit 2009 (Einführung EPL und Explosionsuntergruppen für alle Zündschutzarten wegen Elektrostatik, Ex Gruppe nach IEC II: Gas, III: Staub) II 1 D Ex ia IIIC T80 C Ga Geräte-Staubexplosionsschutz durch Überdruckkapselung pd (IEC/EN ) Schutztechnik gegen das Eindringen der umgebenden Atmosphäre in ein Gehäuse durch Beaufschlagung mit einem Zündschutzgas, das darin unter einem Überdruck gegenüber der umgebenden Atmosphäre gehalten wird. Betriebsmittel der Zündschutzart pd dürfen nur in Zone 21 und Zone 22 verwendet werden. Es muss eine automatische Vorrichtung vorgesehen werden, die die elektrische Stromversorgung zum Gerät abschaltet und einen hörbaren oder sichtbaren Alarm auslöst, wenn der Überdruck und/oder der Durchfluss des Schutzgases unter den vorgeschriebenen Mindestwert abfallen. 38

39 Wenn der innere Druck oder der Durchfluss des Schutzgases unter den festgesetzten Mindestwert fällt, muss der Druckverlust mit einem Signal angezeigt werden, das für die Bedienkraft unmittelbar erkennbar ist. Das Überdrucksystem muss so schnell wie möglich instand gesetzt, oder andernfalls von Hand abgeschaltet werden. Eine Vorspülung der Überdruckkapselung für Staub ist nicht zulässig. Vor dem Einschalten der Stromversorgung für das Gerät beim Anfahren oder nach einem Abschalten muss nachgeprüft werden, dass kein Staub in das Gehäuse oder die zugehörigen Rohrleitungen in solch einer Konzentration eingedrungen ist, dass das Entstehen einer potenziellen Staubgefahr wahrscheinlich ist. Türen und Abdeckungen, die ohne Hilfe von Werkzeugen geöffnet werden können, müssen so verriegelt sein, dass beim Öffnen automatisch die Stromversorgung für alle Teile abgeschaltet wird, die nicht anderweitig geschützt sind. Es muss verhindert werden, dass die Stromversorgung eingeschaltet werden kann, bevor die Türen und Abdeckungen wieder geschlossen wurden. Hauptanwendungen und Kennzeichnung n Schaltschränke n große Motoren n Mess- und Analysegeräte Kennzeichnung 2001 und früher II 2 D EEx pd 21 IP65 T60 C Kennzeichnung für neu zugelassene Geräte (durch harmonisierte Norm IEC EN entfiel ein E) II 2 D Ex px IIIB T60 C IP 65 Kennzeichnung seit 2009 (Einführung EPL und Explosionsuntergruppen für alle Zündschutzarten wegen Elektrostatik, Ex Gruppe nach IEC II: Gas, III: Staub) II 2 D Ex px IIIB T60 C Gb oder II 2 D Ex pxb IIIB T60 C Steuereinheit für eine Überdruckkapselung 39

40 ZÜNDSCHUTZARTEN Geräte-Staubexplosionsschutz durch Vergusskapselung m (IEC ) Zündschutzart (ehemals md nach IEC ) bei der die Teile, die eine explosionsfähige Staubatmosphäre durch Funkenbildung oder Erwärmung zünden können, so in einer Vergussmasse eingeschlossen sind, dass die explosionsfähige Atmosphäre unter Betriebs- oder Installationsbedingungen nicht gezündet werden kann. Die potenziellen Zündquellen befinden sich im Gehäuse. Das Eindringen der explosionsfähigen Atmosphäre in das Gehäuse wird verhindert. Das Gehäuse hat eine ausreichende mechanische Festigkeit und ist chemisch geschützt gegen die Stoffe, in denen es verwendet werden soll. Das Füllgut darf sich auch während zulässiger Temperaturschwankungen nicht von der Gehäusewand lösen. Die Zündschutzart Vergusskapselung ist in drei Schutzniveaus ma, mb und mc unterteilt. Jedem Schutzniveau wurde ein Geräteschutzniveau (Equipment Protection Level, EPL) zugeordnet. Dieser EPL basiert auf dem Grad der Wahrscheinlichkeit, dass das Gerät eine Zündquelle in explosionsfähiger Atmosphäre werden könnte. Geräte der Zündschutzart m sind durch das Geräteschutzniveau ma (EPL Da ) oder mb (EPL Db ) oder mc (EPL Dc ) geschützt. Hauptanwendungen und Kennzeichnung n Magnetventile n Sensoren n Anschlusssysteme n Käfigläufermotoren Kennzeichnung 2001 und früher II 2 D EEx md 21 T 90 C Kennzeichnung für neu zugelassene Geräte (durch harmonisierte Norm IEC EN entfiel ein E) II 2 D Ex mb IIIC T 90 C Kennzeichnung seit 2009 (Einführung EPL und Explosionsuntergruppen für alle Zündschutzarten wegen Elektrostatik, Ex Gruppe nach IEC II: Gas, III: Staub) II 2 D Ex mb IIIC T90 C Db 40

41 Technische Kennzeichnung nach IEC bzw. EN Explosionsgeschützt Zündschutzart + gg. Maß an Sicherheit Zone IP-Schutzart Oberflächentemperatur Ex ID A21 IP67 T105 C Normen: Ex: internationale Normen IEC Zündschutzart: pd: Überdruckkapselung iad: Eigensicherheit ibd: Eigensicherheit md: Vergußkapselung td: Schutz durch Gehäuse Zone: Besonderheiten: Unterscheidung zwischen Verfahren A und B bei td A21 B22 Schutzart: IPXY Temperatur: Maximale Oberflächentemperatur in C Alte technische Betriebsmittelkennzeichnung 41

42 INSTALLATION Installation Durch sorgfältige Planung der elektrischen Anlage ist es häufig möglich, viele der elektrischen Geräte in weniger oder nicht gefährdeten Bereichen einzubauen. Wenn elektrische Geräte in Bereichen installiert werden müssen, wo explosionsfähige Konzentrationen und Mengen entzündbarer Stäube in der Atmosphäre vorhanden sein können, werden Schutzmaßnahmen angewendet, um die Wahrscheinlichkeit einer Explosion, bedingt durch Zündung von Lichtbögen, Funken oder heißen Oberflächen zu verringern, die entweder im bestimmungsgemäßen Betrieb oder unter festgelegten Fehlerbedingungen entstehen können. Viele Staubarten, die erzeugt, verarbeitet und gelagert werden, sind brennbar. Bei der Zündung können sie, wenn sie mit Luft im entsprechenden Verhältnis gemischt sind, sehr schnell brennen und mit einer beachtlichen Kraft explodieren. Es ist häufig notwendig, elektrische Geräte an Orten zu betreiben, wo solche brennbaren Materialien vorhanden sind. Deshalb müssen geeignete Vorkehrungen getroffen werden, um sicherzustellen, dass alle diese Geräte angemessen geschützt sind, um die Wahrscheinlichkeit der Zündung der äußeren explosionsfähigen Atmosphäre zu verringern. In elektrischen Geräten gehören Lichtbögen, elektrische Funken, heiße Oberflächen und Reibungsfunken zu den möglichen Zündquellen. Brennbarer Staub kann in verschiedener Weise durch Geräte gezündet werden: n durch die Oberfläche des Gerätes, die über der Mindestzündtemperatur des betreffenden Staubes liegt. Die Temperatur, bei der sich Staub entzündet, hängt von den Eigenschaften des Staubes ab, ob der Staub in einer Wolke oder in einer Ablagerung vorhanden ist, der Dicke der Schicht und der Geometrie der Wärmequelle n durch Lichtbögen oder Funken von elektrischen Teilen, wie Schaltern, Kontakten, Kommutatoren, Bürsten oder dergleichen n durch die Entladung einer gespeicherten elektrostatischen Ladung n durch Strahlungsenergie (z. B. elektromagnetische Strahlung) n durch Schlag- oder Reibungsfunken die das Gerät erzeugt 42

43 Um Zündgefahren bei Staub zu vermeiden, ist es notwendig dass: n die Temperatur von Oberflächen auf denen sich Staub ablagern kann oder die mit einer Staubschicht in Berührung kommen könnten unter festgelegten Temperaturgrenzen gehalten wird n elektrisch funkende Teile in einem Gehäuse eingeschlossen sind, dass das Eindringen von Staub angemessen verhindert oder die Energie der elektrischen Stromkreise so begrenzt ist, dass Lichtbögen, Funken oder Temperaturen vermieden werden, die brennbaren Staub entzünden könnten n alle anderen Zündquellen vermieden werden Geräteschutzniveau EPL Das Schutzniveau, das für ein Gerät festgelegt ist, wobei die Höhe der Wahrscheinlichkeit einer Zündung zugrunde gelegt ist und die Unterschiede zwischen explosionsfähigen Gasatmosphären, explosionsfähigen Staubatmosphären und explosionsfähigen Atmosphären in schlagwetterempfindlichen Grubenbauen berücksichtigt sind. Schutzniveaus zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen n EPL Ga Gerät mit sehr hohem Schutzniveau zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen, bei dem bei Normalbetrieb, vorhersehbaren oder seltenen Fehlern/Fehlfunktionen keine Zündgefahr besteht n EPL Gb Gerät mit hohem Schutzniveau zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen, bei dem bei Normalbetrieb oder vorhersehbaren Fehlern/Fehlfunktionen keine Zündgefahr besteht n EPL Gc Gerät mit erweitertem Schutzniveau zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen, bei dem während des normalen Betriebes keine Zündgefahr besteht und das einige zusätzliche Schutzmaßnahmen aufweist, die gewährleisten, dass bei üblicherweise vorhersehbaren Störungen des Gerätes keine Zündgefahr besteht (z. B. Defekt eines Leuchtmittels) 43

44 INSTALLATION Auswahl der Geräte nach EPL Für neue Anlagen oder den Einsatz von Geräten muss die Konformität der Geräte geprüft werden. Wenn in der Dokumentation der Gefährdungsbeurteilung nur Zonen angegeben werden, ist die Beziehung zwischen Geräteschutzniveaus (EPL s) und Zonen entsprechend der nachfolgenden Tabelle vorzunehmen. Beziehung zwischen Zone und EPL Zone EPL 20 Da 21 Da oder Db 22 Da, Db oder Dc Die anerkannten Zündschutzarten entsprechend den IEC-Normen wurden den EPLs zugeordnet. Elektrische Geräte und Stromkreise können an Einsatzorten die EPL Da erfordern verwendet werden, wenn das Gerät entweder als EPL Da gekennzeichnet ist oder die Zündschutzart ia, ma oder ta verwendet. Elektrische Geräte und Stromkreise können an Einsatzorten die EPL Db erfordern verwendet werden, wenn das Gerät entweder als EPL Db gekennzeichnet ist oder die Zündschutzart ib, mb, tb, td, oder pd verwendet. Elektrische Geräte und Stromkreise können an Einsatzorten die EPL Dc erfordern verwendet werden, wenn das Gerät entweder als EPL Dc gekennzeichnet ist oder die Zündschutzart ic, mc, tc, td, oder pd verwendet. Auswahl der Geräte nach Gerätegruppe Elektrische Geräte müssen entsprechend der nachfolgenden Tabelle ausgewählt werden Beziehung zwischen Unterteilung von Stäuben und Gerätegruppe Staubunterteilung am Einsatzort IIIA IIIB IIIC Zulässige Gerätegruppe IIIA, IIIB oder IIIC IIIB oder IIIC IIIC 44

45 Auswahl der Geräte nach Zündtemperatur des Staubes Das elektrische Gerät muss so ausgewählt werden, dass seine maximale Oberflächentemperatur nicht die Zündtemperatur des vorhandenen Staubes erreicht. Wenn in der Kennzeichnung des elektrischen Gerätes kein Umgebungstemperaturbereich angegeben ist, dann ist das Gerät für den Einsatz im Temperaturbereich von -20 C bis +40 C geeignet. Ist in der Kennzeichnung ein Umgebungstemperaturbereich angegeben, ist dieser für das Gerät gültig. Staubschichten zeigen mit zunehmender Schichtdicke zwei Eigenschaften: n Verringerung der Mindestzündtemperatur n Erhöhung der Wärmedämmung Die maximal zulässige Oberflächentemperatur des Gerätes wird bestimmt durch den Abzug eines Sicherheitsabstandes von der Mindestzündtemperatur des betreffenden Staubes, die nach den in IEC festgelegten Verfahren für Staubwolken und Staubschichten geprüft wird. Temperaturbegrenzung bei Staubwolken Die maximal zulässige Oberflächentemperatur des Geräts darf zwei Drittel der Mindestzündtemperatur des betreffenden Staub-/Luft-Gemisches in Grad Celsius nicht überschreiten. T max kleiner gleich 2/3 T CL ; T CL = Mindestzündtemperatur der Staubwolke 45

46 INSTALLATION Temperaturbegrenzung bei Staubschichten Bis zu einer Dicke von 5 mm: Die maximale Oberflächentemperatur des Geräts darf den Wert von 75 C unter der Mindestzündtemperatur bei einer Schichtdicke des betreffenden Staubes von 5 mm nicht überschreiten: T max kleiner gleich T 5mm - 75 C; T 5mm = Mindestzündtemperatur der Staubschicht (Glimmtemperatur) von 5 mm Bis zu einer Schichtdicke über 5 mm bis 50 mm Wo es vorkommen kann, dass Staubschichten über 5 mm auf Geräten gebildet werden, muss die maximal zulässige Oberflächentemperatur verringert werden. Als Anleitung sind Beispiele für die Verringerung der maximal zulässigen Oberflächentemperatur von Geräten, die bei Anwesenheit von Stäuben mit Glimmtemperatur über 250 C für eine Dicke von 5 mm verwendet werden, bei zunehmender Schichtdicke im Diagramm dargestellt. Zusammenhang zwischen der maximal zulässigen Oberflächentemperatur und der Dicke von Staubschichten Maximal zulässige Oberflächentemperatur des Betriebsmittels C Glimmtemperatur bei 5 mm Schichtdicke 400 C T 5 mm 320 C T 5 mm < 400 C 250 C T 5 mm < 320 C Schichtdicke mm Für Betriebsmittel, bei denen die Zündtemperatur einer Schicht von 5 mm unter 250 C liegt, oder es Zweifel hinsichtlich der Anwendung des Diagramms gibt, muss ein Labornachweis erbracht werden. Bei einer Schichtdicke über 50 mm Wegen der Wärmedämmungswirkung kann eine wesentlich niedrigere Oberflächen temperatur notwendig sein wenn n nicht vermieden werden kann, dass sich um die Seiten und unter dem Boden eines Gerätes eine Staubschicht bildet n das Gerät vollständig in Staub eingehüllt ist 46

47 > 50 mm Bild M.1a Übermäßige Staubablagerung auf der Oberseite eines Gerätes Beispiele für Staubablagerungen übermäßiger Dicke mit der Anforderung für eine Untersuchung im Labor T 5mm < 250 C > 5 mm Bild M.1b Übermäßige Staubablagerung auf der Oberseite eines Gerätes, weil der Staub eine niedrige Zündtemperatur hat > 5 mm Bild M.1c Übermäßige Staubablagerung an den Seiten eines Gerätes > t > b Bild M.1d Vollständig eingeschüttetes Gerät Grenzwerte für die Maße b, s und t sind durch Labor-Untersuchungen zu ermitteln. > s > s Bei Anlagen bei denen die Schichtdicke größer als 50 mm ist, kann die maximale Oberflächentemperatur der Geräte mit der maximalen Oberflächentemperatur T L als Hinweis auf die zulässige Schichtdicke gekennzeichnet werden. Wenn das Gerät mit T L für eine Schichtdicke gekennzeichnet ist, muss die Zündtemperatur des brennbaren Staubes bei Schichtdicke L anstelle von T 5 mm angewendet werden. Die maximale Oberflächentemperatur T L des Geräts muss mindestens 75 C unter der Zündtemperatur des brennbaren Staubes bei Schichtdicke L liegen. Stecker und Steckdosen Steckdosen in Bereichen die EPLs Db und Dc erfordern, müssen so eingebaut werden, dass Staub weder mit noch ohne eingeführten Stecker eindringen kann. Um das Eindringen von Staub in dem Fall, dass die Staubschutzkappe unbeabsichtigt fortgelassen wurde, so niedrig wie möglich zu halten, müssen Steckdosen unter einem Winkel angeordnet werden, der nicht unter 60 von der Senkrechten abweicht und die Öffnung nach unten zeigt. Beim Einsatz von Steckverbindern in explosionsfähigen Staubatmosphären sollte darauf geachtet werden, dass beim Trennen kein Staub in den Steckverbinder eintritt. 47

48 INSTALLATION Ansammeln von brennbarem Staub Kabel- und Leitungseinführungen sollten so angeordnet werden, dass sich eine möglichst geringe Staubmenge ansammelt und dass sie für die Reinigung zugänglich sind. Falls zur Aufnahme von Kabel und Leitungen Pritschen, Kanäle oder Rohre oder Gräben verwendet werden, sollten Vorkehrungen gegen den Durchgang oder das Ansammeln von brennbarem Staub an solchen Orten getroffen werden. Wo sich auf Kabeln und Leitungen leicht Staubschichten bilden, die freie Luftzirkulation beeinträchtigen, ist eine Herabsetzung ihrer Strombelastbarkeit in Betracht zu ziehen, insbesondere beim Vorhandensein von Stäuben mit einer niedrigen Mindestzündtemperatur. Drehende elektrische Maschinen Zündschutzart pd Motoren mit Umrichterversorgung Motoren, die mit veränderlicher Frequenz und Spannung aus einem Umrichter gespeist werden erfordern entweder: n Der Motor ist für diese Betriebsart mit der vorgesehenen Schutzeinrichtung als eine Einheit in Verbindung mit dem Umrichter und mit den vorgesehenen Schutzeinrichtungen einer Typprüfung unterzogen worden, oder n der Motor ist für diese Betriebsart als eine Einheit in Verbindung mit dem Umrichter nicht typgeprüft worden. In diesem Fall sind Einrichtungen (oder Ausrüstungen) für die direkte Temperaturüberwachung durch eingebettete Temperaturfühler, die in der Motordokumentation festgelegt sind, oder andere Elektromotoren 48

49 wirksame Maßnahmen zur Begrenzung der Oberflächentemperatur des Motorgehäuses vorzusehen. Zündschutzart t Schutz durch Gehäuse gespeist mit veränderlicher Frequenz Ex- t Motoren, die mit veränderlicher Frequenz und veränderlicher Spannung gespeist werden, erfordern entweder: n Der Motor ist für diese Betriebsart mit der vorgesehenen Schutzeinrichtung als eine Einheit in Verbindung mit dem Umrichter, der in den Beschreibungsdokumenten festgelegt ist, und mit den vorgesehenen Schutzgeräten typgeprüft worden, oder n es müssen Mittel (oder Geräte) für die direkte Temperaturüberwachung durch eingebettete Temperaturmessfühler nach den Festlegungen der Dokumentation des Motorenherstellers oder andere wirksame Maßnahmen für die Begrenzung der Oberflächentemperatur des Motorengehäuses vorhanden sein. Die Schutzeinrichtung muss die elektrische Trennung des Motors auslösen. Die Verbindung aus Motor und Umrichter braucht nicht zusammen geprüft zu werden. Statische Elektrizität Vermeidung elektrostatischer Aufladung von Konstruktion und Schutzteilen in Einsatzorten die EPLs Da, Db und Dc verlangen Mit Farbe bestrichene bzw. beschichtete Metall- und Plastikkonstruktionen und Schutzteile müssen so ausgelegt sein, dass bei bestimmungsgemäßen Bedingungen des Gebrauchs die Gefahr einer Zündung durch Gleitstielbüschelentladungen vermieden wird. Auslagerung bestrichener oder beschichteter Metall- und Plastik-Konstruktionen Wird Plastik mit einer Oberfläche von mehr als 500 mm 2 auf einem leitfähigen Material verwendet, muss es eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften haben n Material so auswählen das der Oberflächenwiderstand den Grenzwerten nach IEC entspricht. n Die Durchschlagspannung muss kleiner gleich 4 kv betragen. n Wenn Geräte und Schutzteile in der Anlage so betrieben werden, dass die Gefahr einer elektrostatischen Entladung minimiert ist, müssen diese mit einem Warnschild mit folgendem Wortlaut versehen werden: Warnung Mögliche Gefährdung durch elektrostatische Entladung. n Kabel und Leitungsführung müssen so angeordnet werden, dass sie nicht den Reibungseffekten und der elektrostatischen Aufladung durch den Durchzug von Staub ausgesetzt sind. Es sind Vorkehrungen zur Vermeidung der statischen Aufladung von Kabeln und Leitungsoberflächen zu treffen. 49

50 INSTALLATION Die Materialzusammensetzungen von metallischen Installationsmaterialien (z. B. Kabelbetten, Montageplatten, Witterungsschutz) müssen die folgenden Anforderungen erfüllen. Materialien, die in Installationen der Gruppe III für das bezeichnete Geräteschutzniveau verwendet werden, dürfen in Masse nicht mehr enthalten als: n für EPL Da insgesamt 7,5 % von Magnesium, Titan, Zirkonium n für EPL Db insgesamt 7,5 % von Magnesium, Titan, Zirkonium n für EPL Dc bestehen keine Anforderungen Nachweis der Eigensicherheit Das Ziel der Eigensicherheit eines Gerätes ist erreicht, wenn Strom, Spannung und Leistung begrenzt werden Vor Inbetriebnahme eines eigensicheren Stromkreises ist gemäß DIN EN der Nachweis der Eigensicherheit zu führen. Da zu diesem Zeitpunkt die Inbetriebnahme der Gesamtanlage bevorsteht und evtl. zu korrigierende Fehler oft nicht mehr zeitnah zu beheben sind, sollte diese Berechnung sinnvollerweise bereits in der Planungsphase geführt werden. Damit ist sichergestellt, dass auch die erforderliche Dokumentation (EG-Konformitätserklärung, Betriebsanleitung, ggf.eg- Baumusterprüfbescheinigung) zur Verfügung steht. In einem eigensicheren Stromkreis darf weder ein Funke noch ein thermischer Effekt eine Zündung einer explosionsfähigen Staubatmosphäre verursachen. Dies darf nicht nur im Normalbetrieb, sondern auch unter Berücksichtigung möglicher Fehler in den Betriebsmitteln beziehungsweise im gesamten Stromkreis selbst geschehen. Das Ziel der Eigensicherheit wird erreicht, indem Strom, Spannung und Leistung im Speisegerät begrenzt werden. Da die im Stromkreis vorhandenen Energiespeicher wie Induktivität und Kapazität die Energie eines eventuell entstehenden Funkens und damit die Gefahr einer Zündung erhöhen können, sind diese Energiespeicher ebenfalls zu berücksichtigen. Damit besteht der physikalische Aspekt der Eigensicherheit in der Begrenzung von: n Spannung U n Strom I n Leistung P n Induktivität L n Kapazität C Der funktionale Aspekt beschreibt die Einteilung von Betriebsmitteln und Stromkreisen in die Schutzniveaus n ia n ib n ic (bzw. früher nl) Diese Schutzniveaus beschreiben die Fehlertoleranz innerhalb derer ein Stromkreis immer noch eigensicher bleibt. 50

51 Grundstruktur einfacher Stromkreise Im einfachsten Fall besteht ein eigensicherer Stromkreis aus einem Speisegerät (Quelle), einem Feldgerät (Verbraucher) und einer Verbindungsleitung (Kabel). Die Werte Spannung U, Strom I und Leistung P werden durch das Speisegerät bestimmt. Induktivität L und Kapazität C jedoch hauptsächlich durch das Feldgerät und die Leitung. Binärer Trennschaltverstärker Trennverstärker mit eigensicherem Steuerstromkreis: Maximale Ausgangsspannung U o = 12,7 V Maximaler Ausgangstrom I o = 17,3 ma Maximale Ausgangsleistung P o = 55 mw Näherungsschalter Eigensicherer induktiver Näherungsschalter Innere Induktivität L i = 100 µh Innere Kapazität C i = 100 nf Kabelführung Verlegung eigensicherer und anderer Kabel Gefahr elektromagnetischer Einkopplung Gefahr mechanischer Beschädigung und galvanischer Kopplung Beispiel eigensicherer Komponenten DIN EN beschreibt ein rechnerisches Nachweisverfahren, das auf den beschriebenen Kennwerten Spannung U, Strom I, Leistung P, Induktivität L und Kapazität C beruht. Hierbei werden die Werte, die das zugehörige Betriebsmittel beschreiben, mit dem Index o für out versehen; wohingegen die Werte des eigensicheren Betriebsmittel mit i für in indiziert werden. So bedeutet beispielsweise die Angabe U o = 24 V, dass auch unter Berücksichtigung möglicher Bauteilefehler (s. Schutzniveaus ia, ib und ic) die Spannung an den Ausgangsklemmen eines zugehörigen Betriebsmittels maximal 24 V beträgt. P i = 360 mw bei einem eigensicheren Betriebsmittel besagt hingegen, dass ein maximaler Leistungsumsatz von 360 mw zulässig ist, um beispielsweise die Einhaltung der angegebenen Temperaturklasse sicherzustellen. Zugehöriges Betriebsmittel U o I o P o Kabel Eigensicheres Betriebsmittel U i I i P i L o L c + L i Grundverfahren zur Berechnung C o C c + C i der Eigensicherheit 51

52 INSTALLATION Von besonderer Bedeutung sind die Angaben L o und C o bei einem zugehörigen Betriebsmittel: Während U o, I o und P o aussagen, dass auch unter Fehlerbedingungen an den Ausgangsklemmen keine zündfähigen Funken entstehen, weisen L o und C o darauf hin, welche zusätzlichen Energiespeicher angeschlossen werden dürfen, damit der Stromkreis eigensicher bleibt. Da sich die Energiespeicher in aller Regel im Feldgerät sowie in der Leitung befinden, sind die jeweiligen Größen beim Nachweis zu berücksichtigen. Damit ergibt sich das Grundverfahren der Berechnung wie folgt: Die entsprechenden Werte erhält man aus den EG-Baumusterprüfbescheinigungen des zugehörigen und des eigensicheren Betriebsmittels. Handelt es sich um eine aktuelle Bescheinigung sind die Werte einfach zu ermitteln, da der Hersteller des Speisegerätes die maximal anschließbaren Kapazitäten und Induktivitäten für IIIA, IIIB und IIIC Stäube angegeben hat und diese in die Tabelle übernommen werden können. Aktuelle Bescheinigung eines Messumformer-Speisegerätes Messumformer-Speisung Steckverbinder-Stift: 2/3 4/5 Max. Ausgangsspannung U o DC 24,9 V Max. Ausgangsstrom I o 77 ma Max. Ausgangsleistung (Linerare Ausgangskennlinie) P o 478 mw Max. äußere Kapzität C o IIC IIB IIA IIIC Max. äußere Induktivität L o IIC IIB IIA IIIC Max. Induktivitäts- Widerstandsverhältnis L o /R o IIC IIB IIA IIIC , ,9 23,9 47,9 23,9 74,1 296,7 593,4 296,7 nf nf µf nf mh mh mh mh µh/ω µh/ω µh/ω µh/ω Bei älteren EG-Baumusterprüfbescheinigungen ist dies jedoch in der Regel nicht der Fall. In der Baumusterprüfbescheinigung des zugehörigen Betriebsmittels sind lediglich die Werte für IIA, IIB und IIC Gase angegeben. Wie ist aber nun zu verfahren wenn z. B. der Trennschaltverstärker nur diese Werte hergibt? In der Gerätenorm DIN EN gibt es hierzu folgende Aussage: Bei Betriebsmitteln der Gruppe III müssen Stromkreise, die der Einwirkung von Staub ausgesetzt sind, Funkenzündungsprüfungen nach den Anforderungen an Betriebsmittel der Gruppe IIB unterzogen werden. Dies bedeutet für denjenigen, der den Nachweis der Eigensicherheit erbringen muss, dass er die Werte für IIB Gase zugrunde legen kann. In der aktuellen Bescheinigung des Messumformerspeisegerätes ist auch unschwer zu erkennen, dass die Werte für IIB und IIIC identisch sind. 52

53 Dokumentation Um eine Anlage ordnungsgemäß zu installieren oder eine vorhandene zu erweitern, sind, soweit anwendbar, nachfolgende Informationen erforderlich Anlage n Dokumente zur Zoneneinteilung mit Plänen, die die Einteilung und Ausdehnung der explosionsgefährdeten Bereiche einschließlich der Zonenzuordnung zeigen; und die maximal zulässige Dicke der Staubschicht n optional die Bewertung der Folgen einer Zündung n wenn anwendbar, Einteilung von Staub hinsichtlich der Gruppe oder Untergruppe der elektrischen Geräte n wenn anwendbar, Werkstoffeigenschaften einschließlich elektrischen Widerstands, der Mindestzündtemperatur der Wolke aus brennbarem Staub, Mindestzündtemperatur der brennbaren Staubschicht und Mindest zündenergie der Wolke aus brennbarem Staub n äußere Einflüsse und Umgebungstemperatur Geräte n Anweisungen des Herstellers für die Auswahl, Errichtung und Erstprüfung n Dokumente für elektrische Geräte mit besonderen Bedingungen, z. B. Geräte mit Zertifikatsnummern, die den Zusatz X haben n Systembeschreibung für das eigensichere System n Einzelheiten zu allen relevanten Berechnungen, z. B. Spülraten für Messgeräte oder Analysatorgehäuse n Erklärung des Herstellers /der befähigten Person n Informationen zur Wartung und Instandhaltung Installation n erforderliche Angaben, um die ordnungsgemäße Installation von Geräten sicherzustellen n auf die Eignung des Geräts für den Bereich und die Umgebung, denen es ausgesetzt ist, bezogene Dokumentation, z. B. Temperatur-Bemessungswerte, Zündschutzart, IP-Schutzgrad, Korrosionsbeständigkeit n Verdrahtungspläne n Aufzeichnung der Auswahlkriterien für Kabel- und Leitungseinführungen hinsichtlich der Einhaltung der Anforderung der Zündschutzart n auf die Stromkreiskennzeichnung bezogene Zeichnungen und Pläne n Aufzeichnungen über die Erstprüfung Personal n Nachweis der Befähigung des Personals 53

54 PRÜFUNG UND INSTANDHALTUNG Die TR BS 1201 beschreibt für Deutschland die Prüfanforderungen in explosionsgefährdeten Bereichen Arbeitgeber und deren Beauftragte benötigen für die Erfüllung ihrer Pflichten belastbare Quellen an denen sie sich orientieren und aus denen sie sowohl juristische, als auch technische Vorgehensweisen ableiten können. Die Umsetzung der RL 1999/92 EG in nationales Recht erfolgt in Deutschland durch die Betriebssicherheitsverordnung. Deren Vorgaben werden für den Arbeitgeber durch die Technischen Regeln zur BetrSichV (TRBS) konkretisiert. Technische Quellen sind neben den Vorgaben der jeweiligen Hersteller die IEC (Projektierung, Auswahl und Errichtung elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen) und die IEC (Prüfen und Instandhaltung elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen). Beide Normenwerke sind als technische Quellen weltweit anerkannt und wertvolle Hilfen, da sie mit ihren Installations- und Prüfanforderungen auf die von der IEC standardisierten elektrischen Zündschutzmethoden des sekundären Explosionsschutzes abgestimmt sind. Prüfungen gemäß Herstellervorgaben Jede Anlage besteht aus einer Vielzahl von Komponenten, Geräten und Baugruppen. Der Arbeitgeber muss die Eignung dieser Bauteile für die jeweilige Verwendung sicherstellen und die vom Hersteller zugesagten Eigenschaften im Rahmen seiner Gefährdungsbeurteilungen berücksichtigen inklusive eventueller Einschränkungen wie typische vom Hersteller zugesicherte Eigenschaften in Verbindung mit Explosionsschutzmaßnahmen: Prüfungen sind ein zentrales Thema beim Ex-Schutz 54

55 n Primärer Explosionsschutz 1. Dichtungsmaterialien Beständigkeit bezogen auf Druck- und Temperaturbereiche Korrosionsverhalten bezogen auf die Anwendung Verwendbarkeitsdauer bezogen auf die Anwendung 2. Lüftungsmaßnahmen garantierte geförderte Luftmengen n Sekundärer Explosionsschutz 1. Dichtungsmaterialien elektrische Leitfähigkeit, um Aufladungen zu verhindern 2. Explosionsgeschützte Geräte Vermeidung wirksamer Zündquellen n Tertiärer Explosionsschutz 1. Explosionsdruckentlastungen Einhaltung des zugesicherten Ansprechdrucks von Berstscheiben 2. Explosionsunterdrückungen Begrenzung auf den reduzierten Explosionsdruck Der Hersteller kann die zugesicherten Eigenschaften seiner Produkte nur garantieren, solange seine Geräte gemäß den Angaben der jeweiligen Betriebsanleitung bestimmungsgemäß installiert, betrieben und nach seinen Vorgaben geprüft und gewartet werden. Im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung sind daher Betriebsanleitungen, Installations- sowie Prüf- und Wartungsvorgaben der jeweiligen Hersteller zu Grunde zu legen. Aus diesen Angaben sind die Prüfpläne unter Berücksichtigung der speziell vorliegenden Anlagensituation zu erarbeiten. Im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung sind Betriebsanleitungen, Installations- sowie Prüf- und Wartungsvorgaben der jeweiligen Hersteller zu Grunde zu legen Durchführungsverantwortung für die Prüfungen Die Durchführung der Prüfungen liegt in der Verantwortung des Arbeitgebers oder der von ihm beauftragten Vertreter. Mit der Durchführung können Institutionen, externe Unternehmen/Personen oder das eigene Personal beauftragt werden. In Abhängigkeit von der Prüfaufgabe bestehen unterschiedliche Qualifikationsanforderungen an die prüfenden Personen. Qualifikation der prüfenden Personen Grundsätzlich dürfen nur geeignete und zuverlässige Personen für die Prüftätigkeit eingesetzt werden. Beauftragt der Arbeitgeber externe Unternehmen/Personen entsteht ein Dienst- oder Werkvertrag, in dem nicht nur Leistungen festgelegt und eingefordert, sondern auch die notwendigen Qualifikationen der Ausführenden vertraglich festgelegt sind. Hierzu kann er sich im Rahmen elektrischer Prüfungen in Ex-Bereichen an der IEC (Prüfen und Instandhaltung elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen Anhang B : Kenntnisse, Fachkunde und Kompetenzen der verantwortlichen Personen, der fachkundigen Person mit leitender Funktion und des ausführenden Personals ) orientieren. 55

56 PRÜFUNG UND INSTANDHALTUNG Die TRBS 1203 beschreibt die Anforderungen an die Qualifikation des Prüfpersonals in Deutschland Beauftragt der Arbeitgeber eigenes Personal mit Prüfaufgaben, so stellt die IEC eine wichtige Erkenntnisquelle für Fachkunde und Kompetenzen dar. Im Vorfeld hat der Arbeitgeber sicherzustellen, dass der jeweils beauftragte Mitarbeiter die Voraussetzungen im Rahmen der Vorgaben der BetrSichV für diese Prüftätigkeit erfüllt (s. TRBS 1203). Beauftragt der Arbeitgeber eine von der zuständigen Landesbehörde zugelassene Überwachungsstelle für Prüfungen im Rahmen des Explosionsschutzes (ZÜS), kann er deren Fachkunde und Kompetenz als gegeben annehmen und muss diese nicht hinterfragen. Erstprüfung Die Wechselwirkungen zwischen elektrischer Energie und Explosionsgefahren bilden ein hohes Risikopotenzial Vor der Betriebsphase ist eine Erstprüfung der Anlage zwingend notwendig. Diese dient dem Nachweis, dass Planung und Errichtung der Anlage so durchgeführt wurden, dass die Sollzustände des bestimmungsgemäßen Betriebes und deren zulässige Grenzwerte eingehalten sind. Besonderes Augenmerk gilt der Überprüfung der Wirksamkeit von Maßnahmen gemäß den Festlegungen aus den Ergebnissen der Gefährdungsbeurteilung und dem Prüfen der fachgerechten Installationen. Gerade durch die Kombination aus den Explosionsgefährdungen und den Gefährdungen der Elektroinstallation wie gefährliche Körperströme und wirksame Zündquellen ergeben sich Wechselwirkungen, die hohe Risikopotenziale für den sicheren und wirtschaftlichen Anlagenbetrieb darstellen. In Deutschland hat die Prüfung vor der Erstinbetriebnahme zwei Aspekte: n die korrekte Auswahl, Montage, Installation, Aufstellungsbedingung und die sichere Funktion aller Betriebsmittel, die zum Einsatz innerhalb explosionsgefährdeter Bereiche bestimmt sind (oder als zugehörige Betriebsmittel für die sichere Funktion dieser notwendig sind) zu bestätigen n die Explosionssicherheit der gesamten Anlage vor der ersten Nutzung der Arbeitsplätze ist in Form einer übergreifenden Betrachtung nachzuweisen. Die zweite Prüfaufgabe ist deutlich umfangreicher und komplexer. Sie geht als ganzheitliche Systembetrachtung weit über die Komponentenbetrachtung hinaus und dient dem Nachweis der Richtigkeit des gesamten Explosionsschutzkonzeptes. Die Geräte müssen entsprechend ihrer Dokumentation installiert werden. Es ist sicherzustellen, dass ersetzbare Teile dem korrekten Typ und der richtigen Bemessung entsprechen. Nach Fertigstellung der Errichtung und vor der ersten Nutzung muss eine detaillierte Erstprüfung der Geräte und ihres Einbaus nach Anhang C, DIN EN :2014 erfolgen. Die Prüfpläne sind aus der IEC für Detailprüfungen abgeleitet. 56

57 Wiederkehrende Prüfungen Während der Betriebsphase ist es notwendig, den sicheren Anlagenbetrieb durch wiederkehrende Prüfungen aufrecht zu erhalten. Wiederkehrende Prüfungen dienen dazu, Abweichungen von einem bestimmungsgemäßen Zustand einzelner Komponenten oder Funktionseinheiten sowie den Zustand der Installation möglichst frühzeitig zu erkennen und zu beheben. n schadhafte Dichtungen an Rohrverbindungen Gefahr von Stofffreisetzungen und Leckagen n schadhafte Dichtungen an explosionsgeschützten Betriebsmitteln Gefahr der Aktivierung von Zündquellen n geöffneter Potenzialausgleich Gefahr elektrostatischer Aufladungen n fehlende Kabelverschraubungen Gefahr aktiver Zündquellen trotz explosionsgeschützter Geräteausführung n beschädigter Kabelmantel/Kabelisolation Gefahr aktiver Zündquellen durch elektrische Funken/Lichtbögen n ungenügende Lagerschmierungen Gefahr aktiver Zündquellen durch heiße Oberflächen n unerlaubte Anlagenveränderungen oder Umbauten Gefahr von Freisetzungen und/oder aktiven Zündquellen durch eine nicht bestimmungsgemäße Verwendung n Korrosion an tertiären Einrichtungen zur Druckentlastung Gefahr von unkontrolliert freigesetzter Explosionsenergie Wiederkehrende Prüfung elektrischer Betriebsmittel 57

58 PRÜFUNG UND INSTANDHALTUNG Prüfung nach Anlagenänderung Die TR BS 1123 konkretisiert für Deutschland die Ermittlung der Prüfnotwendigkeit bei Änderungen und wesentlichen Veränderungen von Ex-Anlagen Werden wesentliche Sicherheitsmerkmale einer Ex-Anlage verändert, ist diese vor der Wiederinbetriebnahme wie eine Neuanlage einer Erstprüfung zu unterziehen. Die Festlegung, welche Prüfanforderungen sich aus einer Anlagenänderung ergeben, muss der Arbeitgeber im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung ermitteln. Für den Zuständigkeitsbereich der BetrSichV existiert die technischen Regel TRBS 1123 (Änderungen und wesentliche Veränderungen von Anlagen Ermittlung der Prüfnotwendigkeit), welche die BetrSichV hinsichtlich der Ermittlung und Bewertung von Gefährdungen sowie die Ableitung von geeigneten Maßnahmen konkretisiert. 58

59 NOTIZEN 59

60 QUELLEN UND REFERENZEN BROSCHÜRE GESTIS-STAUB-EX, HVBG BGI 747 MERKBLATT R003 Sicherheitstechnische Kenngrößen ermitteln und bewerten BGR 104 Explosionsschutzregeln BIA REPORT 12/97 Brenn- und Explosionskenngrößen von Stäuben TAA-GS 33 Leitfaden Explosionsfähige Staub-/Luft-Gemische und Störfallverordnung DIN EN : 2011 Explosionsfähige Atmosphären Explosionsschutz Teil 1: Grundlagen und Methodik DIN EN : 2011 Explosionsgefährdete Bereiche Teil 0: Betriebsmittel Allgemeine Anforderungen DIN EN : 2010 Explosionsfähige Atmosphäre Teil 10-2: Einteilung der Bereiche Staubexplosionsgefährdete Bereiche DIN EN : 2012 Explosionsgefährdete Bereiche Teil 11: Geräteschutz durch Eigensicherheit DIN EN : 2014 Explosionsfähige Atmosphäre Teil 14: Projektierung, Auswahl und Errichtung elektrischer Anlagen DIN EN : 2011 Teil 17: Explosionsfähige Atmosphäre Prüfung und Instandhaltung elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen DIN EN : 2010 Explosionsfähige Atmosphäre Teil 18: Geräteschutz durch Vergußkapselung m DIN EN : 2011 Explosionsfähige Atmosphäre Teil 31: Geräte-Staubexplosionsschutz durch Gehäuse t DIN EN : 2007 Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 1: Schutz durch Gehäuse td 60

61 DIN EN : 2007 Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 4: Zündschutzart pd GESTIS-STOFFDATENBANK IEC : 2013 Explosive atmospheres Part 31: Equipment dust ignition protection by enclosure t IEV WÖRTERBUCH RICHTLINIE 94/9 ATEX Europäische Vorschriften zum Inverkehrbringen von explosionsgeschützten Betriebsmitteln TRBS 1123: 2010 Änderung und wesentliche Veränderung von Anlagen TRBS 1201: 2012 Prüfungen von Arbeitsmitteln und überwachungsbedürftigen Anlagen TRBS 1203: 2010 Befähigte Personen TRBS 2152 TEIL 3: 2012 Gefährliche Explosionsfähige Atmosphäre Vermeidung der Entzündung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre TRD 413 Kohlestaubfeuerung an Dampfkesseln TRD 415 Wirbelschichtfeuerungen an Dampfkesseln VDI RICHTLINIE 2263 Staubbrände und Staubexplosionen VDI-RICHTLINIE 3673 Druckentlastung von Staubexplosionen 61

62 IHR TRAINERTEAM Unsere international erfahrenen Referenten halten Schulungen in deutscher, englischer und französischer Sprache. Dr. Andreas Hildebrandt TÜV Functional Safety Engineer im Bereich Safety Instrumented Systems gemäß des TÜV Functional Safety Program und damit Ihr Spezialist für alle Themen rund um SIL Gerhard Jung Ihr Trainer für alle Themen rund um den Explosionsschutz sowie die funktionale Sicherheit Ralf Knitt Ihr Trainer für alle Themen rund um den Explosionsschutz sowie die funktionale Sicherheit Michael Wenglorz Ihr Trainer für alle Themen zum Explosionsschutz sowie der funktionalen Sicherheit Thomas Westers Ihr Trainer für die Themen Feldbus, Remote I/O, WirelessHART und Explosionsschutz Weitere Informationen zu unseren Schulungen und Terminen finden Sie unter: 62