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8.9.2 Explosionstechnische Entkopplung – Scheuermann
Scheuermann, Praxishandbuch Brandschutz, 2016
Autor: Dyrba
Titel: Praxishandbuch Brandschutz
Herausgeber: Scheuermann
Auflage: 2016
Autor: Dyrba
Abschnitt: 8 Explosionsschutz → 8.9 Maßnahmen des konstruktiven Explosionsschutzes, welche die Auswirkung einer Explosion auf ein unbedenkliches Maß beschränken
 

8.9.2 Explosionstechnische Entkopplung

8.9.2.1 Entkopplung bei Gasen, Dämpfen und Nebeln

Allgemeines

Bei Öffnungen von Anlagenteilen, in denen eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre vorhanden ist und die nicht hinreichend explosionsfest ausgeführt sind, ist die Notwendigkeit eines Schutzes der Anlagenteile gegen das Hineinlaufen von Explosionen zu prüfen.

Dies kann z.B. bei Be- und Entlüftungseinrichtungen, Füllstandsanzeigern, Füll- und Entleerungsleitungen, aber auch Verbindungsleitungen zu anderen Anlagenteilen erforderlich sein.

Bei verbundenen Anlagenteilen kann es bei einer Explosion in einem Anlagenteil zu einer Vorkompression von explosionsfähiger Atmosphäre im anderen Anlagenteil kommen, so dass der dann zu erwartende Explosionsdruck in diesem Anlagenteil wesentlich höher sein kann. Zur Reduzierung der Druckbelastung kann eine flammentechnische Entkopplung, z.B. durch eine geeignete Flammendurchschlagsicherung, erforderlich sein.

Abb. 1: Test von explosionstechnischen Entkopplungssystemen

Öffnungen von Anlagenteilen, durch die Explosionen herausschlagen können und dadurch zu einer Gefährdung der Beschäftigten oder Dritter führen können, müssen gegen einen Flammendurchschlag geschützt sein. Hierzu können Füll-, Entleerungs- und Gaspendelanschlüsse, aber auch Ansaugöffnung und Auspuff von Verbrennungsmotoren gehören. Mögliche weitere Gefährdungen durch z.B. heiße Gase, Druckeinwirkungen oder Verbrennungsprodukte sind zu berücksichtigen.

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Bei miteinander verbundenen Anlagenteilen ist die Notwendigkeit eines Schutzes gegen die Ausbreitung einer Explosion zu prüfen. Dies kann z.B. bei Gaspendelsystemen und bei nicht ständig mit Flüssigkeit gefüllten Rohrleitungen wie Füll- und Entleerungsleitungen erforderlich sein.

Flammendurchschlagsicherungen

Flammendurchschlagsicherungen sind Einrichtungen, die an der Öffnung eines Anlagenteils oder in verbindenden Rohrleitungen von Anlagenteilen eingebaut sind und deren vorgesehene Funktion es ist, den Durchfluss von Gasen, Dämpfen, Nebeln und Flüssigkeiten zu ermöglichen, aber den Flammendurchschlag zu verhindern.

Abb. 2: Flammendurchschlagsicherung

Die Wirkungsweise einer Flammendurchschlagsicherung beruht im Wesentlichen auf einem oder mehreren der folgenden Mechanismen:

  • Löschung von Flammen in engen Spalten und Kanälen (z.B. Bandsicherungen, Sintermetalle)

  • Aufhalten einer Flammenfront durch entsprechend hohe Ausströmgeschwindigkeit der unverbrannten Gemische (Hochgeschwindigkeitsventil)

  • Aufhalten einer Flammenfront durch Flüssigkeitsvorlagen (z.B. Sicherheitstauchungen oder Flüssigkeitsverschlüsse)

Je nach Einbausituationen und Betriebsverhältnissen sind entweder Deflagrations- oder Detonationssicherungen als Flammendurchschlagsicherungen zu verwenden.

Wenn es zum Nachströmen von explosionsfähiger Atmosphäre und damit zu einem stabilisierten Brennen in/an der Flammendurchschlagsicherung

8.9.2 Explosionstechnische Entkopplung – Seite 3 – 01.09.2016 << >>
kommen kann, muss die Flammendurchschlagsicherung sofern Flammendurchschlag bei Dauerbrand nicht zutrifft, mit einer Überwachungseinrichtung zum Erkennen eines stabilisierten Brennens ausgerüstet und für die unter Berücksichtigung ggf. eingeleiteter Maßnahmen (z.B. Absperren der Gemischzufuhr, Einblasen von Inertgas oder Luft) zu erwartende Dauer des Brennens geeignet sein.

Sind Detonationssicherungen unmittelbar an Tanks oder Behältern im Zuge von Gaspendel- und Gassammelleitungen vorhanden, brauchen diese nicht mit Überwachungseinrichtungen zum Erkennen eines stabilisierten Brennens ausgerüstet werden.

Flammendurchschlagsicherungen widerstehen ggf. einem Abbrand nur über eine begrenzte Zeitspanne (Standzeit) und verlieren dann ihre Flammendurchschlagsicherheit. Die Standzeit kann der Betriebsanleitung des Herstellers entnommen werden.

Flammendurchschlagsicherungen müssen für die möglichen explosionsfähigen Gemische (zünddurchschlagsichere Normspaltweiten) und die Betriebsbedingungen (Druck und Temperatur der Gemische) geeignet sein und sie dürfen nicht durch ihren Strömungswiderstand zu gefährlichen Druckerhöhungen in der Anlage führen.

Die Gefahr des Zusetzens z.B. durch Schmutz, Polymerisation und Sublimation sowie durch Einfrieren muss ebenso beachtet werden wie der Verlust der sicheren Funktion der Flammendurchschlagsicherung z.B. durch Korrosion.

Flammendurchschlagsicherungen müssen möglichst nahe am Tank oder Behälter angebracht und so angeordnet sein, dass sie leicht gewartet werden können. Ist aus statischen Gründen die Montage auf dem Tankdach nicht möglich, kann die Flammendurchschlagsicherung direkt neben den Tank angeordnet werden, sofern die Rohrleitung zwischen Tank und Flammendurchschlagsicherung direkt neben der Tankwandung angeordnet wird. Die Flammendurchschlagsicherung ist so anzuordnen, dass im Tank oder in der Rohrleitung vorhandene explosionsfähige Atmosphäre durch einen Dauerbrand an der Flammendurchschlagsicherung nicht entzündet werden kann.

Strömungsüberwachte rückzündsichere Einrichtungen

Strömungsüberwachte rückzündsichere Einrichtungen halten eine Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder Dämpfen an der Ausströmöffnung oberhalb der Flammenausbreitungsgeschwindigkeit aufrecht, um auf diese Weise einen Flammenrückschlag zu verhindern. Strömungsüberwachte rückzündsichere Einrichtungen sind geeignet, um explosionsfähige Atmosphäre in Anlagen mit erhöhten Temperaturen (Temperatur oberhalb der Zündtemperatur der brennbaren Gase und Dämpfe) einzuleiten.

Die Strömungsgeschwindigkeit der Gase und Dämpfe ist auf geeignete Weise zu überwachen. Bei Unterschreiten der erforderlichen Mindestströmungsgeschwindigkeit ist die Zufuhr von explosionsfähiger Atmosphäre unverzüglich zu unterbrechen.

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Eine strömungsüberwachte rückzündsichere Einrichtung ist als betriebliche explosionstechnische Entkopplungsmaßnahme anzusehen. Sie ist in der Regel nicht als einzige Schutzmaßnahme anzuwenden und erfordert häufig eine in Strömungsrichtung vorgeschaltete Flammendurchschlagsicherung.

Die erforderlichen Mindestströmungsgeschwindigkeiten für explosionsfähige Gemische mit Stoffen der Explosionsgruppen IIA und IIB können Tabelle 1 entnommen werden. Die Tabellenwerte gelten als sichere Grenzwerte für die explosionsfähigen Gemische dieser Stoffe bei Ausströmen aus Rohren ohne turbulenzerhöhende Bauweise. In Fällen erhöhter Turbulenz und für andere explosionsfähige Gemische sind die Mindestströmungsgeschwindigkeiten experimentell zu bestimmen.

Tab. 1: Erforderliche Mindestströmungsgeschwindigkeiten

≤ 200

≤ 200

≥ 8

≥ 12

≥ 16

≥ 24

Die erforderlichen Schutzmaßnahmen gegen Flammendurchschlag müssen unter Berücksichtigung der Wahrscheinlichkeit des Auftretens explosionsfähiger Atmosphäre (Zonen) und der in einer Rückgewinnungs- oder Abluftreinigungsanlage vorhandenen Zündmöglichkeit abgestuft durchgeführt werden. Für die Zahl der gleichzeitig anzuwendenden und voneinander unabhängigen Maßnahmen zur Erzielung der Flammendurchschlagsicherheit gilt Tabelle 2.

Hinweis: Eine strömungsüberwachte rückzündsichere Einströmung gilt nicht als autonomes Schutzsystem im Sinne der Richtlinie 2014/34/EU.

Tab. 2: Anzahl Schutzmaßnahmen bei der Absicherung von Abluftleitungen

Wahrscheinlichkeit des Auftretens wirksamer Zündquellen in der Rückgewinnungs- oder Abluftreinigungsanlage

Anzahl der Schutzmaßnahmen bei Vorliegen folgender Zonen im Abluftsystem

 

Zone 0

Zone 1

Zone 2

Ständig oder häufig (z.B. Brennerflamme)

3

2

1

Gelegentlich (z.B. bei vorhersehbaren Störungen)

2

1

0

Seltene (z.B. bei seltenen Störungen)

1

0

0

8.9.2 Explosionstechnische Entkopplung – Seite 5 – 01.09.2016 << >>

Eine unabhängige Maßnahme ist gegeben, wenn nach DIN EN 16852 bzw. der früheren DIN EN 12874 auf stabile Detonationen geprüfte Detonationssicherungen verwendet werden. Eine strömungsüberwachte rückzündsichere Einströmung gilt es dann als unabhängige Schutzmaßnahme, wenn eine weitere unabhängige Schutzmaßnahme (z.B. eine Detonationssicherung) vorhanden ist. Die Funktionssicherheit einer Strömungsüberwachten rückzündsicheren Einströmung ist nachzuweisen.

Flammendurchschlag bei Dauerbrand

Ins Freie mündende Öffnungen von Tanks und Anlagen, aus denen nicht nur kurzzeitig Dampf-Luft-Gemische ausströmen können, müssen mit einer Einrichtung versehen sein, die dem Abbrand ausströmender explosionsfähiger Gemische für alle Einsatzbedingungen ohne Flammendurchschlag standhält (Dauerbrandsicherungen). Für den Fall, dass geeignete Dauerbrandsicherungen nicht einsetzbar sind (z.B. für Dämpfe einer bestimmten brennbaren Flüssigkeit, wie z.B. für Alkohole), dürfen alternativ Detonationssicherungen in Lüftungsleitungen eingesetzt werden, wenn zwischen Detonationssicherungen und der Öffnung der ins Freie mündenden Lüftungsleitung mindestens die nachfolgend genannte Länge eingehalten wird. Das ist z.B. erfüllt, wenn auf stabile Detonationen geprüfte Detonationssicherungen verwendet werden.

Tab. 3: Mindestlänge der Rohrleitungen

Nennweite der Rohrleitung in mm

Länge der Rohrleitung in m

15

0,5

20

1

25

1,5

32

2

40

3

50

4

65

6

80

8

100 bis 200

10

8.9.2.2 Entkopplungseinrichtungen für Stäube

Allgemeines

Die für Gase und Dämpfe genannten Einrichtungen zur explosionstechnischen Entkopplung sind bei Stäuben im Allgemeinen nicht einsetzbar (Verstopfungsgefahr etc.). Bei den für Stäube geeigneten Einrichtungen zur explosionstechnischen Entkopplung unterscheidet man zwei Systeme:

vollständige Entkopplung und Teil-Entkopplung

  • Bei der vollständigen Entkopplung wird sowohl die Ausbreitung der Flamme als auch des Druckes verhindert. Hier sind hinter der Entkopplungseinrichtung im Allgemeinen keine explosionsfesten Bauteile mehr erforderlich.

    8.9.2 Explosionstechnische Entkopplung – Seite 6 – 01.09.2016 << >>
  • Bei der Teil-Entkopplung wird im Allgemeinen nur die Flammen- oder die Druckausbreitung unterbunden. Gegebenenfalls sind für die hinter der Entkopplungseinrichtung angeordneten Anlagenteile weitere Maßnahmen erforderlich (z.B. ausreichende Explosionsfestigkeit).

Die Unterscheidung zwischen vollständiger Entkopplung und Teil-Entkopplung ist für die praktische Anwendung wichtig, da die Notwendigkeit einer vollständigen Entkopplung hinsichtlich Flamme und Druck nicht in allen Fällen besteht, sondern in einigen Fällen lediglich das Erzielen einer Flammenisolation oder einer Druckbegrenzung ausreicht.

Schnellschlussschieber, Schnellschlussklappe

Die zu entkoppelnde Explosion wird durch geeignete Detektoren erkannt. Über eine Steuereinheit wird ein Auslösemechanismus aktiviert, der Schieber oder Klappe(n) innerhalb einer ausreichend kurzen Zeit schließt, bevor Druck und Flamme Schieber oder Klappe(n) erreicht haben.

Abb. 3: Schnellschlussschieber

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Der für die Wirksamkeit von Schnellschlussschiebern oder -klappen erforderliche Einbauabstand ist zu beachten.

Bei der explosionstechnischen Entkopplung mittels Schnellschlussschieber oder -klappe handelt es sich um eine vollständige Entkopplung.

Schnellschlussventil (Explosionsschutzventil)

Beim Überschreiten einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung schließt das Ventil automatisch und verbleibt anschließend in geschlossener Stellung. Die für das Schließen notwendige Strömungsgeschwindigkeit wird durch die Druckwelle der Explosion erzeugt.

Abb. 4: Schnellschlussventil

Bisher bekannte Schnellschlussventile dürfen nur in waagrecht verlegte Rohrleitungen eingebaut werden.

Schnellschlussventile eignen sich nur für relativ geringe Staubbelastungen (z.B. Reinluftseite von Filteranlagen).

Reicht die zu erwartende Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit durch die Druckwelle der Explosion für ein rechtzeitiges Auslösen eines Schnellschlussventils nicht aus, kann ein fremderregtes Schnellschlussventil eingesetzt werden, bei dem die Explosion durch geeignete Detektoren erkannt wird und das Schnellschlussventil mittels einer Hilfsströmung (z.B. Einblasen von Stickstoff auf den Schließkörper) rechtzeitig geschlossen wird.

Der für die Wirksamkeit von Schnellschlussventilen erforderliche Einbauabstand ist zu beachten.

Bei der explosionstechnischen Entkopplung mittels Schnellschlussventil handelt es sich um eine vollständige Entkopplung.

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Zellenradschleuse

Zellenradschleusen zur explosionstechnischen Entkopplung müssen für den zu erwartenden Explosionsdruck explosionsfest und zünddurchschlagsicher ausgeführt sein.

Abb. 5: Explosionstechnische Entkopplung durch Zellenradschleuse

Im Explosionsfall muss die Zellenradschleuse automatisch, z.B. über einen Detektor, stillgesetzt werden, damit das Austragen von brennendem Produkt in nachfolgende Anlagenteile verhindert wird.

Bei der explosionstechnischen Entkopplung mittels Zellenradschleuse handelt es sich um eine vollständige Entkopplung.

Doppelschiebersysteme

Doppelschiebersysteme bestehen im Allgemeinen aus zwei jeweils für den zu erwartenden Explosionsdruck explosionsfest und zünddurchschlagsicher ausgeführten Schiebern, mit denen eine Schleuse gebildet wird. Durch eine entsprechende funktionsgeprüfte Steuerung ist gewährleistet, dass sich immer mindestens ein Schieber in geschlossener Stellung befindet.

Im Explosionsfall muss ein Doppelschiebersystem automatisch, z.B. über einen Detektor, stillgesetzt werden, damit das Austragen von brennendem Produkt in nachfolgende Anlagenteile verhindert wird. Bei der explosionstechnischen Entkopplung mittels Doppelschiebersystem handelt es sich um eine vollständige Entkopplung.

Löschmittelsperren

Löschmittelsperren bestehen im Wesentlichen aus einem oder mehreren Detektoren, einer Steuereinheit sowie einem oder mehreren Löschmittelbehälter(n). Eine anlaufende Explosion wird durch Detektoren erkannt, die das Eindüsen von Löschmittel in die Rohrleitung zwischen

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den zu entkoppelnden Anlagenteilen auslösen. Durch das Löschmittel wird die Explosionsflamme gelöscht. Ein Ausbreiten des Explosionsdrucks wird durch die Löschmittelsperre nicht verhindert.

Abb. 6: Löschmittelsperren

Der für die Wirksamkeit von Löschmittelsperren erforderliche Einbauabstand ist zu beachten.

Bei der explosionstechnischen Entkopplung mittels Löschmittelsperre handelt es sich um eine Teil-Entkopplung. Die mögliche Druckerhöhung ist bei der Auslegung der hinter der Löschmittelsperre angeordneten Anlagenteile zu berücksichtigen. Es ist zu beachten, dass infolge der Druckausbreitung sowohl Löschmittel als auch unverbrannte Stäube und Verbrennungsprodukte durch die Rohrleitung gedrückt werden und in andere Anlagenteile oder in die Umgebung gelangen können.

Entlastungsschlot

Ein Entlastungsschlot ist eine Entkopplungseinrichtung, mit der eine Explosionsübertragung durch Änderung der Strömungsrichtung um 180 Grad bei gleichzeitiger Druckentlastung am Umlenkpunkt verhindert werden soll. Dies wird durch eine besondere Rohrleitungsgestaltung und -anordnung (s. Abbildung 7) und üblicherweise durch den Einsatz einer Druckentlastungseinrichtung (z.B. Berstscheibe) am Umlenkpunkt erreicht. Für den Einsatz des Entlastungsschlotes gelten im Wesentlichen die gleichen Einsatzbeschränkungen hinsichtlich der frei werdenden Stoffe und der Gefährdung Beschäftigter, Dritter oder der Umwelt wie für die Explosionsdruckentlastung.

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Da bei dem Einsatz von Entlastungseinrichtungen an einem Entlastungsschlot unter Umständen andere Belastungsfälle auftreten als bei dem Einsatz an Behältern, muss die Funktionsfähigkeit der Entlastungseinrichtung für diesen Anwendungsfall nachgewiesen sein.

Bei der explosionstechnischen Entkopplung mittels Entlastungsschlot handelt es sich um eine Teil-Entkopplung. Die Einschränkungen gegenüber einer vollständigen Entkopplung können für die hinter dem Entlastungsschlot angeordneten Anlagenteile zusätzliche Maßnahmen erforderlich machen. Durch den Entlastungsschlot kann die Explosionsübertragung nicht immer zuverlässig verhindert werden. Die Ausbreitung der Flammenfront wird jedoch so gestört, dass in dem nachgesetzten Leitungsteil zunächst nur mit einem langsamen Anlaufen der Explosion zu rechnen ist.

Wenn bei einer Objektabsaugung eine Entkopplung des Abscheiders zu den Ansaugstellen erforderlich ist und explosionsfähige Gemische in der Saugleitung sicher ausgeschlossen sind, kann trotz der oben genannten Einschränkungen mit dem Entlastungsschlot ein ausreichender Schutz der Beschäftigten und Dritter erreicht werden.

Abb. 7: Schematische Darstellung eines Entlastungsschlotes

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Produktvorlage

Im Zusammenhang mit den Schutzmaßnahmen explosionsfeste Bauweise für einen reduzierten Explosionsdruck und Explosionsdruckentlastung oder Explosionsunterdrückung können Produktvorlagen mit ausreichender Füllhöhe eine geeignete Maßnahme zur explosionstechnischen Entkopplung sein. Dies setzt eine hinreichend feste Austragseinrichtung voraus, auf der die Produktvorlage aufliegt (z.B. Zellenradschleuse, Förderschnecke oder Prozessventil). Die Austragseinrichtung selbst muss hierfür nicht flammendurchschlagsicher sein.

Die Produktüberdeckung muss so hoch sein, dass unter Explosionsdruckbelastung ein Flammendurchschlag nicht erfolgen kann. Der erforderliche Mindestfüllstand muss auf geeignete Weise sichergestellt sein.

8.9.2.3 Explosionstechnische Entkopplung – bei hybriden Gemischen

Für eine explosionstechnische Entkopplung bei hybriden Gemischen kommen aufgrund des Staubanteils Maßnahmen aus Punkt 8.9.2.2 in Frage, wenn diese Einrichtungen auch die durch den Dampf- oder Gasanteil verursachten Explosionsauswirkungen ausreichend sicher begrenzen.

Bemerkung: Für das Vermeiden der Ausbreitung von Explosionen mit Staubanteilen über verbindende Rohrleitungen, Fördereinrichtungen o.Ä. sowie eines Flammenaustritts aus Anlagenteilen sind in der Regel die unter Punkt 8.9.2.1 genannten Flammendurchschlagsicherungen aufgrund der Verstopfungsgefahr nicht geeignet.

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