Scheuermann, Praxishandbuch Brandschutz

6.5.2.1 Integrierter Brandschutzmaßnahmen an Werkzeugmaschinen

Im Rahmen einer Studie des Vereins Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken3 (VDW) wurden in der metallverarbeitenden Industrie im Zeitraum von 1987 bis 1994 beim Einsatz von nicht wassermischbaren Kühl-Schmier-Stoffen (KKS) in Werkzeugmaschinen ca. 150 Brandereignisse untersucht.

Der Trend zum Einsatz nicht wassermischbarer, brennbarer KSS rückt die Thematik Brand- und Explosionsschutz an Werkzeugmaschinen verstärkt in den Vordergrund. Die meisten Brandereignisse wurden durch glühende Späne, energiereiche Funken oder durch heiße Oberflächen ausgelöst, wobei die Zündenergie bei Funken mit < 10 Joule beziehungsweise bei Oberflächen mit ≥ 800 ˚C sich als außerordentlich wirksame Zündquelle herausgestellt hat.

Um einen Brand zu verhindern bzw. um die Folgen eines Brandes zu begrenzen, ist es wichtig, die »Brandlast« möglichst niedrig zu halten. Hierzu ist es erforderlich, dass im Gefahrenraum brennbarer Stoffe nicht vorhanden sind bzw. sich nicht ansammeln können. Bei einer Zündung des KSS-Luftgemisches und bei Bränden können Flammen und heiße Gase aus der Werkzeugmaschine austreten. Durch den Druckaufbau im Innenraum werden Flammenaustritte aus Türspalten, aufgedrückten Gehäusetüren, Beschichtungs- und Entnahmeöffnungen sowie Ausdruck Entlastungsöffnungen hervorgerufen. Auch während der Flutung mit Löschgas sind Flammenaustritte zu beobachten.

Abb. 1: Brandversuch, Entzündung eines KKS-Luftgemisches mit Folgebrand

Zur Löschung von Bränden brennbarer Kühlschmierstoffe – wie allgemein im Werkzeugmaschinenbau – werden typischerweise eingesetzt:

• Löschgase, z.B. CO₂, Argon, Stickstoff und Gemische dieser Gase (Löschung im Wesentlichen durch Sauerstoffverdrängung)

• Wasser (Feinsprühtechnik, Wassernebeltechnik) (Löschung im Wesentlichen durch Kühlung)

• Schaum

• Pulver der Brandklassen ABC oder BC (Öl brennende entsprechen der Brandklasse B)

Konstruktive Maßnahmen zum integrierten Brandschutz

Da ein Brand bzw. eine Explosion im Inneren nicht gänzlich ausgeschlossen werden kann, sind z.B. folgende Maßnahme einzelnen oder ggf. kombiniert geeignet, um die Auswirkungen eines Brandes bzw. einer Explosion zu minimieren:

• Installation einer automatischen Feuerlöschanlage

• ausreichende Druckfestigkeit der Verhaubung

• flammendurchschlagsichere Türlabyrinthe

• Druckentlastungsklappe bei nicht ausreichender Druckfestigkeit der Verhaubung

Bei der Risikobeurteilung werden aus den vorstehend genannten Maßnahmen diejenigen ausgewählt, die im zutreffenden Fall geeignet sind.

Bei einer Zündung des KSS-Luft-Gemisches und bei Bränden können Flammen und heiße Gase aus der Werkzeugmaschine austreten (s. Abb. 1). Zur Verringerung der Gefährdung durch Flammen und heiße Gase für den Bediener und Umgebung sind die Maschinen neben weiteren konstruktiven Brandschutzmaßnahmen (Türlabyrinth, Sichtscheiben aus Polykarbonat, Entlastungsöffnungen) mit einer automatischen Brandmelde- und Löschanlage ausgerüstet.

Das Beispiel der Brandschutzmaßnahmen bei Werkzeugmaschinen stellt den klassischen Fall der Integration des Brandschutzes in die Konstruktion einschließlich aller erforderlicher Komponenten dar (s. Abb. 2).

Abb. 2: Prinzip eines integrierten Brandschutzes an Maschinen (entsprechend DIN EN 13478)

6.5.2.2 Beigestellte Brandschutzeinrichtungen

Leider ist die Fallgestaltung einer im Herstellungsprozess integrierten Brandmelde- und Löschanlage die Ausnahme. Üblicherweise liefert der Hersteller eine »unvollständige Maschine« im Sinne des Art. 13 der Maschinenrichtlinie, mit der Maßgabe, dass der Betreiber die Brandschutzmaßnahmen der Maschine an seine betrieblichen Brandschutzmaßnahmen anpassen möge. Damit wird allgemein der Betreiber zum Eigenhersteller einer Maschine, denn nun muss er zur Inbetriebnahme die grundsätzlichen Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen nach Anhang I der Maschinenrichtlinie nachweisen4.

Dieses sei am Beispiel eine Tiefdruckrotationsmaschine erläutert. Der Hersteller liefert acht Tiefdruckmaschinen für einen Vierfarbendruck. Dem Betreiber obliegt es, aufgrund der verfahrenstechnischen Gegebenheiten (Toluol, elektrostatische Aufladung der Papierbahn zur besseren Farbaufnahme, Papierverarbeitungsgeschwindigkeit ca. 16 m/s) einen geeigneten Brandschutz zu integrieren. Um dieses zu erreichen, waren umfangreiche Untersuchungen zur Brandschutzproblematik an Tiefdruckrotationsmaschinen erforderlich, zumal der Betreiber vom allgemein üblichen Einsatz von CO₂ als Löschmittel Abstand nehmen wollte (s. Abb. 3).

Wie auf Abbildung 3 erkennbar ist, brennt die Gasphase über der Toluol-Farbwanne mit kleinem Feuer ab. Erst wenn durch die Einleitung großer Wärmeenergiemengen in die Farbwanne erheblicher Toluol-Dampf frei- 6.5.2 Integrierter Brandschutz an Maschinen – Seite 6 – 01.12.2012<<>>gesetzt wird, kommt es zu einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre. Von daher ist es wichtig, den Entstehungsbrand unmittelbar zu bekämpfen. Wie im Rahmen dieser Untersuchung wurde auch der Möglichkeit nachgegangen, den Brandgefahren durch den Einsatz von Kaliumkarbonat (KHCO₃) als Löschmittel zu begegnen, zumal die Gefährdung der Mitarbeiter durch das Löschmittel selbst nicht in dem Maße wie bei CO₂ gegeben ist.

Abb. 3: Brandversuche an einer Tiefdruckrotationsmaschine

6.5.2.3 Aerosole in der Brandbekämpfung

Es ist schon seit langem bekannt, dass Kaliumsalze zur Brandbekämpfung geeignet sind. Darüber hinaus ist auch die Antikorrelation zwischen Partikelgröße und Effektivität5 von pulverförmigen Löschmitteln seit 40 Jahren bekannt. Es ist deshalb überraschend, zu sehen, dass die meisten kommerziellen Pulverlöscher vergleichsweise grobkörnige Partikel zwischen 10 und 50 μm enthalten.

Dieses liegt hauptsächlich an verfahrenstechnischen Schwierigkeiten. Mittels konventionellem Mahlen und Sieben lassen sich Partikelgrößen unter ca. 10–20 μm nur unter sehr hohem Aufwand produzieren. Durch neuere Herstellungsmethoden nach dem Sprühtrocknungsverfahren ist es nun möglich, Partikel mit 10 μm und darunter bei einer geringeren Größenstreuung herzustellen.

Diese sogenannten Aerosole haben nicht nur den Vorteil, effektiver zu löschen, sondern sind aufgrund ihrer geringen Größe auch sehr beweg- 6.5.2 Integrierter Brandschutz an Maschinen – Seite 7 – 01.12.2012<<>>lich. Diese Beweglichkeit führt dazu, dass sich die Aerosole nicht wie ein herkömmliches Pulver rasch absetzen, sondern wie ein Gas den ganzen Raum ausfüllen.

6Abb. 4: Kaliumcarbonat: Löschmittel in Aerosolform

Abb. 5: Löschversuche (1-m²-Pfanne) mit KHCO₃

Dadurch wird eine zuverlässige Löschung auch in den Winkeln des Raumes und eine Aufrechterhaltung der Löschwirkung über eine längere Zeit gewährleistet. Durch die Verwendung von Kaliumbikarbonat (KHCO₃), einem in Lösung neutralen, gut wasserlöslichen und nicht toxischen Salz, kann eine Gefährdung von Menschen⁶ während des Löschvorganges  6.5.2 Integrierter Brandschutz an Maschinen – Seite 8 – 01.12.2012<<>>weitestgehend ausgeschlossen werden, was auch durch Untersuchungen bestätigt wurde. Die Ergebnisse belegen, dass bei zu einer Design-Konzentration von 40 g/m³ keine Personengefährdung zu erwarten ist.

Die Löschwirkung von KHCO₃ beruht auf zwei verschiedenen Faktoren. Zum einen werden die Flammen durch verschiedene endotherme Reaktionen gekühlt, während derer KHCO₃ verbraucht wird (s. Positionen 1 bis 3 in Abb. 6).

Abb. 6: Löschwirkung von Kaliumkarbonat KHCO₃

Zum anderen wird durch verschiedene Kaliumverbindungen die bei der Verbrennung ablaufende Kettenreaktion unterbrochen. Dies geschieht durch Abfangen der bei dieser Kettenreaktion entscheidenden Radikale H und OH, die erst bei der für die Verbrennung nötigen Temperatur von 1.600 K im ausreichenden Maß entstehen (s. Positionen 4 und 5 in Abb. 6). Wie zu erkennen ist, initiiert Kalium seinerseits eine Kettenreaktion, durch die die Radikale in stabile Verbindungen (hauptsächlich Wasser) überführt werden.

Diese beiden Effekte reichen auch bei relativ geringer Konzentration des Kaliumbikarbonats aus, um ein Feuer zu löschen. Bei den durchgeführten Versuchen lag die Sauerstoffkonzentration nach der Löschung zwischen 18 Vol.- % und 19 Vol.- % Sauerstoff, was ausschließlich auf den Sauerstoffverbrauch der Flammen und den zugeführten Stickstoff aus der Druckgasflasche zurückzuführen ist. Eine Erhöhung der toxischen Gase (CO, CO₂) durch das Löschmittel ist nicht nachweisbar.

Wie Abbildung 7 zeigt, hat ein derartiger Feuerlöschgenerator ein Gehäuse, das u.a. einen aerosolerzeugenden Satz enthält, welcher beim Abbrand ein Aerosol bildet, das dem Löschen von Bränden, z.B. in Fahrzeugen oder als Objektschutz, dient. Zur Anzündung dieses Satzes  6.5.2 Integrierter Brandschutz an Maschinen – Seite 9 – 01.12.2012<<>>ist eine Anzündeinrichtung vorgesehen. Entsprechend dem Stand der Technik ist ein Feuerlöschgenerator beschrieben, der in einem Gehäuse hintereinander einen aerosolerzeugenden Satz, einen Reaktionsraum und eine Kühlanordnung enthält. Das Aerosol durchströmt die Kühlanordnung und verlässt das Gehäuse durch die Löcher eines Lochbodens hindurch. Die Kühlanordnung dient zur Abführung eines Teiles der Reaktionswärme und somit zur Kühlung des ausströmenden Aerosols. Abbildung 8 zeigt den Löschversuch an einer Tiefdruckrotationsmaschine entsprechend Abbildung 3.

Abb. 7: Aerosol-Löschgenerator Dynamit Nobel

Abb. 8: Objektlöschung mit Aerosol-Löschgeneratoren an einer Tiefdruckrotationsmaschine

Ergänzend ist hierzu anzumerken, dass aufgrund der sicherheitstechnischen Anforderungen entsprechend der DIN EN 1539:2010 »Trockner und Öfen, in denen brennbarer Stoffe freigesetzt werden – Sicherheitsanforderungen« für den Trockner mit einer maximalen Konzentration von bis zu 60 % UEG zwischenzeitlich der Nachweis für die Sicherheit der Steuerung entsprechend DIN EN ISO 13849-1:2008 »Sicherheit von Maschinen – sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen, Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze« erbracht werden muss. Damit entspricht der integrierte Brandschutz allen sicherheitstechnischen Anforderungen.

Abb. 9: Brandversuche an Tiefdruckrotationsmaschinen

In Abbildung 9 ist der Brand- und Explosionsschutz an Tiefdruckrotationsmaschinen dargestellt. Festzuhalten bleibt, das die Tiefdruck-Rotationsmaschine ein Gerät im Sinne der 11. ProdSV »Explosionsschutzverordnung« (EG-RL 94/9/EG – ATEX Richtlinie) ist und somit der Brandschutz an der Tiefdruckrotationsmaschine den Anforderungen der 11. ProdSV genügen muss. Der mit der Maschine verbundene Trockner ist kein ATEX-Gerät, muss aber entsprechend der Norm DIN EN 1539:2010 »Trockner und Öfen, in denen brennbarer Stoffe freigesetzt werden – Sicherheitsanforderungen« in seiner technischen Ausführung den Anforderungen der Richtlinie 94/9/EG entsprechen.

Zusammenfassung

Der Schutz von Personen, der Umwelt und von Sachwerten vor den mit Bränden verbundenen Gefahren nimmt heutzutage insbesondere in der Industrie einen hohen Stellenwert ein. Mit der Maschinenverordnung (9. ProdSV) und der Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) bestehen für den anlagen- bzw. maschinenbezogenen Brandschutz die gesetzlichen Grundlagen.

Zusammenfassend muss festgestellt werden, dass das Thema »Brand- und Explosionsschutz an Maschinen« weitaus komplexer sein kann als hier dargestellt. Effektive Systemlösungen sind in den meisten Fällen kein Standard, sondern müssen in individuellen Planungsgesprächen erarbeitet werden. Dies erfordert die Kooperation von Sicherheitsspezialisten, der Maschinenhersteller und -betreiber. Nur so sind sicherheitstechnisch fundierte und wirtschaftlich vertretbare Konzepte realisierbar.

Nach der 9. ProdSV darf eine Maschine nur dann in Verkehr gebracht werden, wenn sie den grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen nach Anhang I Maschinenrichtlinie 2006/42/EG entspricht. Dabei hat der Hersteller oder der Betreiber in der Funktion des Eigenherstellers die von einer Maschine ausgehenden Brandgefahren in seinem Schutzkonzept zu berücksichtigen. Dem Betreiber obliegt es, entsprechend seiner Gefährdungsbeurteilung den sicheren Zustand seiner Arbeitsmittel durch befähigte Personen zu überprüfen und erforderlichenfalls erproben zu lassen. Dieses gilt erst recht, wenn außergewöhnliche Ereignisse stattgefunden haben. Der integrale Brandschutz an Maschinen ist nicht nur Schutzbestand – er ist vor allem Bestandsschutz.