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Kapitel 16: Explosionsgefährdete Umgebung

Was ist Explosionsschutz?

Der Explosionsschutz ist ein Teilgebiet der Technik, das sich mit dem Schutz vor der Entstehung von Explosionen und deren Auswirkungen beschäftigt. Beim Umgang mit Stoffen, die mit Luft oder Sauerstoff reagieren können, ist immer dann mit einer Explosionsgefahr zu rechnen, wenn in einem Raumvolumen der brennbare Stoff mit einem bestimmten Partialdruck oder als feinkörniger Staub in der Luft vorliegt.

 

Eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre (explosives Gas-Luft-Gemisch) liegt dann vor, wenn der Anteil des brennbaren Gases oder einer verdampften Flüssigkeit zwischen der unteren (UEG) und oberen (OEG) Explosionsgrenze liegt. Bei Stäuben muss für das Auftreten einer explosionsfähigen Atmosphäre, eine ausreichend geringe Größe der Staubkörner und eine Mindestdichte vorliegen.

 

Das folgende Schaubild kann dabei helfen, einen ersten Überblick darüber zu erhalten, ob Explosionsschutzmaßnahmen notwendig sein könnten.

(Bildquelle: Wikipedia)

 

 

 

Die Sauerstoffgrenzkonzentration(SGK) ist die maximale Konzentration von Sauerstoff in einem Gemisch eines brennbaren Stoffes mit Luft und Inertgas, bei der eine Explosion nicht auftritt. Die Sauerstoffgrenzkonzentration ist neben der oberen und unteren Explosionsgrenze sowie dem Flammpunkt eine wichtige Kenngröße explosionsfähiger Gemische.

Als Inertgase bezeichnet man Gase, die sehr reaktionsträge (inert) sind, sich also an nur wenigen chemischen Reaktionen beteiligen. Zu den Inertgasen gehören zum Beispiel elementare Gase wie Stickstoff, Edelgase wie Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, und gasförmige Molekülverbindungen wie Schwefelhexafluorid.

 

 

 

Der Flammpunkt ist die niedrigste Temperatur, bei der unter vorgeschriebenen Versuchs-bedingungen eine Flüssigkeit, brennbares Gas oder brennbaren Dampf in solcher Menge abgibt, dass bei Kontakt mit einer Zündquelle sofort eine Flamme auftritt.

 

Wie stelle ich den Explosionsschutz sicher?

Der Explosionsschutz wird durch Umsetzung der „integrierten Explosionssicherheit“ durch primäre, sekundäre um tertiäre Schutzziele erreicht.

Primärer Explosionsschutz

Maßnahmen, welche eine Bildung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre verhindern oder einschränken.

-> Vermeiden explosionsfähiger Atmosphäre

Sekundärer Explosionsschutz

Maßnahmen, welche die Entzündung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre verhindern.

-> Vermeiden wirksamer Zündquellen

Tertiärer Explosionsschutz

Maßnahmen, welche die Auswirkungen einer Explosion auf ein unbedenkliches Maß beschränken.

-> Konstruktiver Explosionsschutz

 

Zunächst sollte ein primärer Explosionsschutz erfolgen. Sollte dies nicht in einem ausreichenden Maße möglich sein, folgen der sekundäre und tertiäre Explosionsschutz. Hier kommen explosionsgeschützte Geräte, die wir im folgenden Abschnitt behandeln, zum Einsatz.

 

Welche weltweiten Ex-Normen und Standards sind relevant?

 

Die komplexen, international gültigen Anforderungen für den Einsatz von Komponenten in explosionsgefährdeten Anwendungen sind in den für den Weltmarkt wichtigsten Richtlinien und Normen festgehalten:

  • ATEX Richtline 2014/34/EU                                      
  • IECEx                                                                                  
  • CSA US - HazLoc-NA® (NEC500 und C22.2)                   
  • Ex EAC                                                                 Nicht Teil des JOYNER Lieferprogramms

 

Eine Vielzahl der JOYNER Produkte erfüllt die definierten Anforderungen an Betriebsmittel zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen. Anders als in den international anerkannten IECEx-Reglements oder den nordamerikanischen Vorschriften (HazLoc-NA®), werden in der EU-Richtlinie ATEX 2014/34/EU auch nichtelektrische Betriebsmittel in den Explosionsschutz einbezogen.

 

 

Wann fällt ein Produkt unter die ATEX Richtlinie?

Die für den europäischen Markt relevanten Regelungen finden sich in der ATEX 2014/34/EU Richtlinie. Diese definiert auch, wann ein Produkt unter die Richtlinie fällt.

Was sind Geräte im Sinne der Richtlinie?

  • Maschinen, Betriebsmittel, stationäre und ortsbewegliche Vorrichtungen, Steuerungs- und Ausrüstungsteile, sowie Warn- und Vorrichtungssysteme, die einzeln oder kombiniert Energien erzeugen, übertragen, speichern, messen, regeln, umwandeln oder verbrauchen, oder zur Verarbeitung von Werkstoffen bestimmt sind und die eigene potentielle Zündquellen aufweisen und dadurch eine Explosion verursachen können.

 

 

Ein Gerät unterliegt der Richtlinie wenn

  • Gerät im Sinne der Richtlinie  +  eigene potentielle Zündquelle

 

Ein Gerät unterliegt nicht der Richtlinie wenn

  • kein Gerät im Sinne der Richtlinie  +  eigene potentielle Zündquelle
  • Gerät im Sinne der Richtlinie  +  keine eigene potentielle Zündquelle

 

In der ATEX Richtlinie wird zwischen elektrischen und nicht-elektrischen Geräten unterschieden.

Gemäß ATEX 2014/34/EU unterscheidet sich der Ansatz für nicht-elektrische Geräte von dem für elektrische Geräte verwendeten Konformitätsbewertungsverfahren. Die überwiegende Mehrheit der nicht-elektrischen Geräte ist durch eine Selbsterklärungdes Geräteherstellers abgedeckt.

Elektrische Geräte müssen hingegen meist durch eine notifizierte Stelle zertifiziert werden. Der jeweils notwendige Zertifizierungsprozess ist dabei abhängig von der Gerätekategorie.

 

Übersicht:

Zulassungsverfahren

Gerätekategorie 3

Gerätekategorie 2

Gerätekategorie 1

Nicht-elektrisches Gerät

Selbsterklärung

Selbsterklärung + Hinterlegung der Unterlagen bei einer notifizierten Stelle

Prüfung durch notifizierte Stelle

Elektrisches Gerät

Selbsterklärung

Prüfung durch Notifizierte Stelle

Prüfung durch notifizierte Stelle

 

Pneumatikzylinder, manuell- und mechanisch betätigte Ventile sowie pneumatisch angesteuerte Ventile fallen unter nicht-elektrische Geräte. Elektrisch gesteuerte Ventile (Magnetventile) müssen hinsichtlich beider Zulassungsverfahren betrachtet werden:

  1. Grundventil (nicht-elektrisch)
  2. Magnetspule und Ankersystem (elektrisch)

 

Für Magnetventile gibt es daher zwei ATEX relevante Dokumentationen.

 

 

 

 

Die folgende Illustration veranschaulicht, wie das Magnetventil unterteilt wird:

 

 

Elektrische und nicht-elektrische Geräte werden nach dem gleichen Schema gekennzeichnet.

 

 

Zusätzlich wird auf den Produkten auch die Umgebungstemperatur angegeben, in der es eingesetzt werden kann (z.B. -10 °C≤Ta≤+50 °C).

Bei Geräten, die über beide Kennzeichnungen verfügen, zählen die jeweils minderwertigeren Ex-Kennwerte.

 

 

 

Beispielhafte Bedruckung von ATEX-Komponenten:

 

Für eine korrekte Produktauswahl ist es wichtig, die Bedeutung der einzelnen Elemente der ATEX Markierung zu kennen.

 

1. Gerätegruppe:

  • Gerätegruppe I umfasst Geräte, die für den Einsatz im Bergbau bestimmt sind. Hier können Grubengas oder brennbare Stäube auftreten. JOYNER Produkte sind für diesen Bereich nicht geeignet.
  • Gerätegruppe II umfasst alle anderen explosionsgefährdeten Bereiche außerhalb des Bergbaus.

 

2. Gerätekategorie / Zone:

ATEX-Geräte werden nach 2014/34/EU in drei verschiedene Kategorien eingeteilt.

  • Kategorie 1 (durch kein JOYNER Gerät abgedeckt):

Diese Geräte gewährleisten ein sehr hohes Maß an Sicherheit und sind zur Verwendung in Bereichen bestimmt, in denen eine explosionsfähige Atmosphäre ständig oder langzeitig oder häufig vorhanden ist.

  • Kategorie 2

Diese Geräte gewährleisten ein hohes Maß an Sicherheit und sind zur Verwendung in Bereichen bestimmt, in denen damit zu rechnen ist, dass eine explosionsfähige Atmosphäre gelegentlich auftritt. Geräte aus Kategorie 2 können auch in Kategorie 3 eingesetzt werden.

  • Kategorie 3

Diese Geräte bieten im normalen Betrieb die erforderliche Sicherheit und sind zur Verwendung in Bereichen bestimmt, in denen nicht damit zu rechnen ist, dass eine explosionsfähige Atmosphäre auftritt, aber wenn sie dennoch auftritt, dann aller Wahrscheinlichkeit nach nur selten und während eines kurzen Zeitraums.

Die Einteilung ist durch den Anlagenbetreiber zu erfolgen.

 

Übersicht der Kategorien:

 

Gase, Dämpfe und Nebel

Stäube

Kategorie 1

(nicht Teil des JOYNER Lieferprogramms)

Kategorie 1G

Zum Einsatz in Zone 0, 1 und 2

Kategorie 1D

Zum Einsatz in Zone 20, 21 und 22

Kategorie 2

Kategorie 2G

Zum Einsatz in Zone 1 und 2

Kategorie 2D

Zum Einsatz in Zone 21 und 22

Kategorie 3

Kategorie 3G

Zum Einsatz in Zone 2

Kategorie 3D

Zum Einsatz in Zone 22

 

Die Zonen werden dabei wie folgt eingeteilt:

Gase, Dämpfe und Nebel

Stäube

Zone 0   
Bereich, in dem explosionsfähige Atmosphäre als Mischung brennbarer Stoffe in Form von Gas, Dampf oder Nebel mit Luft ständig oder langzeitig oder häufig vorhanden ist.

Zone 20
Bereich, in dem explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke brennbaren Staubes in Luft ständig oder langzeitig oder häufig vorhanden ist.

Zone 1
Bereich, in dem damit zu rechnen ist, dass explosionsfähige Atmosphäre als Mischung brennbarer Stoffe in Form von Gas, Dampf oder Nebel mit Luft bei Normalbetrieb gelegentlich auftritt.

Zone 21
Bereich, in dem damit zu rechnen ist, dass explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke brennbaren Staubes in Luft bei Normalbetrieb gelegentlich auftritt.

Zone 2
Bereich, in dem bei Normalbetrieb nicht damit zu rechnen ist, dass explosionsfähige Atmosphäre als Mischung brennbarer Stoffe in Form von Gas, Dampf oder Nebel mit Luft auftritt, wenn sie aber dennoch auftritt, dann nur kurzfristig.

Zone 22
Bereich, in dem bei Normalbetrieb nicht damit zu rechnen ist, dass explosionsfähige Atmosphäre in Form einer Wolke brennbaren Staubes in Luft auftritt, wenn sie aber dennoch auftritt, dann nur kurzzeitig.

 

 

 

Das folgende Schaubild veranschaulicht die Zoneneinteilung anhand einer Tankstelle. Geräte innerhalb des Tanklastwagens und des Bodentanks müssen hiernach für Zone 0 und 20 ausgelegt sein. Geräte in der Nähe des Betankungsvorgangs für Zone 1 und 21 und Geräte im allgemeinen Umfeld für Zone 2 und 22.

Schaubild für einen Bereich, in dem explosive Gase auftreten können:

 

 

 

Schaubild für einen Bereich, in dem explosive Stäube auftreten können:

 

 

Die Zone wird im hinteren Teil der ATEX-Markierung nochmals erwähnt, jedoch nicht nach ATEX, sondern der Norm EN ISO 80079-36. Die Zoneneinteilung nach EN ISO 80079-36 und 2014/34/EU ist identisch:

 

 

3. Zündschutzart:
 

Durch technische Maßnahmen muss sichergestellt sein, dass entsprechend der Eingruppierung eines unterstellten explosiven Gemisches keine Zündquelle wirken kann. Es gibt mehrere technische Möglichkeiten, den Explosionsschutz eines elektrischen Gerätes zu erreichen. Eine Übersicht zu den Zündschutzarten finden Sie in den nachfolgenden Tabellen.

Bei Schaltanlagen und Transformatoren wählt man oft eine druckfeste Kapselung. Bei Anschlusskästen und auch Käfigläufermotoren wird oft die Maßnahme erhöhte Sicherheit angewendet. Eine Überdruckkapselung erfolgt vorwiegend bei Betriebsmitteln mit größeren Leistungen (Schaltschränke, große Motoren). Eigensichere Stromkreise kommen nur für Stromkreise mit geringen Leistungen in Betracht. Diese Schutzart wird für Mess- und Steuerkreise sowie für den elektrischen Anschluss von Sensoren und Aktoren verwendet. Die Sicherheitsbarriere ist dabei außerhalb der explosionsgefährdeten Zone angeordnet.

 

Übersicht Zündschutzarten elektrische Geräte:

 

 

Übersicht Zündschutzarten nicht-elektrische Geräte:

 

 

JOYNER Ventile sind stets mit einem „h“ gekennzeichnet, welches für eine konstruktive Sicherheit steht. Hierfür werden die Ventile hinsichtlich der folgenden möglichen Zündquellen betrachtet:

  1. Heiße Oberflächen
  2. Mechanisch erzeugte Funken
  3. Statische Elektrizität

 

 

4. Explosionsgruppe

Je nach Zündschutzart werden explosionsgeschützte Betriebsmittel für Gase, Nebel und Dämpfe in drei Explosionsgruppen (IIA-IIB-IIC) unterteilt. Die Explosionsgruppe ist ein Maß für die Zünddurchschlagfähigkeit von Gasen (explosionsfähiger Atmosphäre). Die Anforderungen an das Betriebsmittel steigen von IIA nach IIC. Einteilung nach Gasgruppen:

 

Gasgruppe Gerät

Einsatz in Gasgruppen

Beispiel

Gefährlichkeit der Gase

IIA

IIA

Propan

Niedrig

IIB

IIA + IIB

Ethylen

Mittel

IIC

IIA + IIB + IIC

Wasserstoff

Hoch

 

Brennbare Stäube werden in entsprechende Staubgruppen eingeteilt:

Staubgruppe

Einsatz in Staubgruppe

Definition

Erklärung

IIIA

IIIA

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.

IIIB

IIIA + IIIB

Nicht leitfähige Stäube

Brennbarer Staub mit einem elektrischen Widerstand größer 103 Ohm/m.

IIIC

IIIA + IIIB + IIIC

Leitfähige Stäube

Brennbarer Staub mit einem elektrischen Widerstand gleich oder kleiner 103 Ohm/m.

 

 

 

 

5. Temperaturklasse

Brennbare Gase und Dämpfe werden nach ihrer Entzündbarkeit in Temperaturklassen eingeteilt. Die Zündtemperatur ist die niedrigste Temperatur einer erhitzten Oberfläche, an der die Entzündung eines Gas/Luft- bzw. Dampf/Luft-Gemisches eintritt. Anders ausgedrückt stellt sie den untersten Temperaturwert dar, bei dem eine heiße Oberfläche die entsprechende explosionsfähige Atmosphäre zünden kann.

Die maximale Oberflächentemperatur eines elektrischen Betriebsmittels muss stets kleiner sein als die Zündtemperatur des Gas/-bzw. Dampf/Luftgemisches, in dem es eingesetzt wird.

Geräte einer höheren Temperaturklasse (z.B. T6) sind daher auch für niedrigere Temperaturklassen (T1-T5) einsetzbar.

 

 

Temperaturklasse

Temperaturbereich der Gemische (°C)

Max. Oberflächen-temperatur (°C)

Typische Gase

T1

≥ 450°C

450°C

Methan, Aceton, Ammoniak, Methanol, Propan, Essigsäure, Stadtgas, Wasserstoff

T2

≥ 300 - 450°C

300°C

Ethylen, Acetylen

T3

≥ 200 - 300°C

200°C

Ottokraftstoffe, Diesel, Heizöle, Schwefelwasserstoff

T4

≥ 135 - 200°C

135°C

Acetaldehyd, Ethyleter

T5

≥ 100 - 135°C

100°C

 

T6

≥ 85 - 100°C

85°C

Schwefelkohlenstoff

 

Es ist nicht möglich, allgemeingültige Werte für staubspezifische Kenngrößen anzugeben. Die nachfolgende Tabelle enthält einige Grenzwerte für entsprechende Produkte.

Substanz

T.zünd (°C)

T.glimm (°C)

Holz

≥ 410

≥ 200

Braunkohle

≥ 380

≥ 250

Steinkohle

≥ 500

≥ 240

PVC

≥ 530

≥ 340

Aluminium

≥ 560

≥ 270

Schwefel

≥ 240

≥ 250

Lycopodium

≥ 410

-

 

T.zünd (Zündtemperatur):

Niedrigste Temperatur einer heißen inneren Wand (z.B. Ofen), an der das Staub/Luft-Gemisch bei kurzzeitigem Kontakt entzündet wird. Die Oberflächentemperatur darf 2/3 der Zündtemperatur in °C des jeweiligen Staub/Luft-Gemisches nicht überschreiten, z.B.

 

Stärke/Milchpulver/Gelatine:    Zündtemperatur 390 °C x 2/3

                                                 = 260 °C max. zulässige Oberflächentemperatur

 

T.glimm (Glimmtemperatur):

Niedrigste Temperatur einer heißen Oberfläche, bei der sich eine Staubschicht von festgelegter Dicke (5 mm) entzünden kann. Auf Flächen, auf denen eine gefährliche Ablagerung glimmfähigen Staubes nicht wirksam verhindert werden kann, darf die Oberflächentemperatur die um 75K verminderte Glimmtemperatur des jeweiligen Staubes nicht überschreiten. Bei Schichtdicken >5 mm ist eine weitere Herabsetzung der Temperatur der Oberfläche erforderlich, z.B.

 

Schleifstaub:                          Glimmtemperatur 290 °C - 75 °C                                                                                                                          

                                               = 215 °C max. zulässige Oberflächentemperatur

 

Die Glimmtemperatur liegt meistens deutlich unter der ermittelten Zündtemperatur einer Staubwolke. Die Glimmtemperatur nimmt nahezu linear mit der Zunahme der Schichtdicke ab.

Für die zulässigen Oberflächentemperaturen sind Sicherheitsabstände einzuhalten.

 

Zusammenfassend müssen folgende Kriterien bei explosionsfähigen Stäuben, Gase, Nebel und Dämpfen berücksichtigt werden:

Stäube

Gase, Dämpfe und Nebel

 
  • Glimmtemperatur
  • Zündtemperatur
  • Staubgruppe IIIA, IIIB, IIIC

 

 
  • Flammpunkt
  • Zündtemperatur
  • Untere / Obere Explosionsgrenze (Konzentration)
  • Zündenergie (Gasgruppe IIA, IIB, IIC)
 

JOYNER bietet eine große Auswahl an explosionsgeschützten Ventilen mit unterschiedlichen Zündschutzarten an.

Übersicht Tabelle 1:

 

 

Übersicht Tabelle 2:

 

 

 

Folgendes Schema kann bei der Produktauswahl unterstützen.

Der folgende Produktauswahlbaum kann dabei helfen, die richtige Zündschutzart zu ermitteln. Hier sind jedoch ausschließlich Produkte nach ATEX zu finden. Teilweise sind diese auch nach IECEx zertifiziert. 

 

 


 

 

Ex-geschütze Ventile von JOYNER gibt es auch mit einem SIL3 Zertifikat.

Funktionale Sicherheit gewinnt in sicherheitsrelevanten Anwendungen stetig an Bedeutung.

Um dieser Anforderung gerecht zu werden, sind eine Vielzahl der JOYNER Ventile mit einem SIL 3 Zertifikat verfügbar.

Die Ventile wurden dabei nach IEC 61508:2010 (1-7) von der Schweizer Zertifizierungsgesellschaft exida zertifiziert.

 

 

 

 

Druckluftschläuche müssen antistatisch sein.

In explosionsgeschützter Umgebung ist es wichtig, dass die verwendeten Schläuche antistatisch sind. Es ist VERBOTEN, einen elektrostatischen Schlauch zu nutzen. Im Alltag nehmen wir elektrostatische Aufladungen meistens dann wahr, wenn sie sich entlädt. Wenn wir beispielsweise nach einer Türklinke greifen und Stiche an unserer Hand fühlen.

Bei der Herstellung und Verarbeitung von Kunststoffen kann statische Aufladung sehr störend sein. Die aufgeladenen Partikel können aneinanderhaften, Staub aus der Umgebung anziehen und festhalten wodurch eine Laminierung oder Bedruckung erschwert wird.

 

 

  • Diese antistatischen Schläuche sind mit folgenden Durchmessern erhältlich:
    • 4/2,5 schwarz
    • 6/4 schwarz
    • 8/6 schwarz
    • 10/8 schwarz
    • 12/10 schwarz
  • Druckfestigkeit: 5…25 bar (je nach Durchmesser, bei 20 °C)
  • Temperaturbereich: -30 °C …+80 °C

 

 

Verschraubungen fallen nicht unter die ATEX Richtlinie.

Pneumatische Verschraubungen sind keine elektrischen Geräte, daher können Ausführungen aus Metall (Kupfer) und rostfreiem Stahl in ATEX-Umgebungen verwendet werden.

 

 

Luftaufbereitungseinheiten fallen in der Regel nicht unter die ATEX Richtlinie.

 

Die meisten unserer Wartungseinheiten fallen nicht unter die ATEX Richtlinie, da diese keine eigenen potentiellen Zündquellen sowie keine interne explosionsfähige Atmosphäre besitzen.

Die folgenden Einheiten sind verfügbar:

 

  • Filter
  • Filterregler
  • 2-, 3-teilige Einheiten
  • Druckregler
  • Einschaltventil, Anlaufventil
  • Zubehör, Behälter, Manometer, Befestigungselemente

 

 

Elektrisch betätigte Wartungseinheiten gehören nicht dazu. Hierfür sind ATEX-zugelassene Einheiten zu verwenden.

Alle Angaben in dieser Schulung sind ohne Gewähr. Für die Auswahl der korrekten Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen ist der Anlagenbetreiber verantwortlich.