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8.16.3 Ex-Vorrichtungen als Maßnahmen der Zonenreduzierung u...
Scheuermann, Praxishandbuch Brandschutz, 2016
Autor: Dyrba
Titel: Praxishandbuch Brandschutz
Herausgeber: Scheuermann
Auflage: 2016
Autor: Dyrba
Abschnitt: 8 Explosionsschutz → 8.16 MSR-Technik im Rahmen von Explosionsschutzmaßnahmen
 

8.16.3 Ex-Vorrichtungen als Maßnahmen der Zonenreduzierung und Zündquellenvermeidung

Verfahrensweise zur Beurteilung des Ausfallverhaltens von Ex-Vorrichtungen

In einem ersten Schritt wird die Sicherheitsfunktion der Ex-Vorrichtung festgelegt. Gegebenenfalls kann eine Ex-Vorrichtung mehrere Sicherheitsfunktionen beinhalten. Jede einzelne Sicherheitsfunktion stellt eine Ex-Einrichtung dar.

Das Ausfallverhalten der Ex-Einrichtung ist insbesondere von der konstruktiven Auslegung bestimmt, wird aber auch von anderen Einflussgrößen, wie Verfahrensweisen, prozesstechnischen Eigenschaften oder organisatorischen Maßnahmen beeinflusst. Die Beurteilung der Auswirkung dieser Einflussgrößen dient als Basis für die vollständige Beurteilung der Ex-Einrichtung. Geeignete Verfahren zur Beurteilung des Ausfallverhaltens von Ex-Einrichtungen hinsichtlich dieser Einflussgrößen können beispielsweise sein Ursache-Wirkungs-Analyse, PAAG-Verfahren oder HAZOP.

Zur Beurteilung des Ausfallverhaltens der Ex-Einrichtung wird diese in sinnvolle Funktionseinheiten zergliedert. Die Anzahl der Funktionseinheiten soll die Zahl 5 nicht überschreiten. Ist die qualitative Bewertung einer Funktionseinheit ohne weitere Detaillierung nicht möglich, so kann diese Funktionseinheit wiederum in weitere Funktionseinheiten zergliedert werden (Gliederungsebene), deren Anzahl 5 nicht überschreiten soll. Jede Gliederungsebene ist für sich zu beurteilen. Die Anzahl der Gliederungsebenen ist auf maximal 5 zu beschränken. Die Methode führt für eine zu große Anzahl von Funktionseinheiten und Gliederungsebenen bei lediglich qualitativer Beschreibung der Funktionseinheiten zu falschen Ergebnissen, daher wird deren Anzahl beschränkt.

Jede Funktionseinheit wird hinsichtlich ihrer Abhängigkeit zu anderen Funktionseinheiten bewertet und entsprechend Tabelle 3, Kap. 8.16.2, einer Klassifizierungsstufe zugeordnet.

Funktionseinheiten sind abhängig voneinander, wenn der Ausfall einer Funktionseinheit zum Ausfall der Ex-Einrichtung führt.

Sicherheitstechnisch voneinander abhängige Funktionseinheiten sind in Reihe geschaltet. Die Klassifizierungsstufen der einzelnen Funktionseinheiten werden zu einer Klassifizierungsstufe der Ex-Einrichtung zusammengefasst. Die niedrigste Klassifizierungsstufe der in Reihe verschalteten Funktionseinheiten bestimmt die Klassifizierungsstufe der Reihe.

Die Zuverlässigkeit der Ex-Einrichtung kann durch Redundanz von Funktionseinheiten (Parallelschaltung im Blockdiagramm, siehe Abbildungen 1, 2, 3 und 4) erhöht werden. Der Ausfall der Redundanzen muss erkennbar sein und vor Erreichen eines unsicheren Zustands sind geeignete Maßnahmen zu treffen, um die Sicherheit zu gewährleisten.

Sicherheitstechnisch voneinander unabhängige und redundante Funktionseinheiten sind parallel geschaltet. Deren Klassifizierungsstufen addieren sich (siehe Tabelle 1).

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Tab: 1: Resultierende Klassifizierungsstufe bei redundanten Funktionseinheiten, abhängig von der Klassifizierungsstufe

Klassifizierungsstufe einer Funktionseinheit

Klassifizierungsstufe der zweiten Funktionseinheit

Resultierende Klassifizierungsstufe

K11)

K1

K2

K2

K1

K32)

1) Für die Überwachung von betrieblichen Zündquellen sowie für die Überwachung von Maßnahmen zur Vermeidung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre reicht eine Ausführung in bewährter Technik mit den allgemeinen Anforderungen nach Anhang I einschließlich regelmäßiger Prüfung aus. Für Nicht-MSR-Einrichtungen reicht eine Ausführung in bewährter Technik einschließlich regelmäßiger Prüfung aus.
2) K3 ist durch Bildung einer Kombination mit maximal einer Einrichtung in Ausführung in bewährter Technik mit Zusatzmaßnahmen nach Anhang I einschließlich regelmäßiger Prüfung auch zulässig.

Eine bildliche Darstellung des Bewertungsablaufs als Blockdiagramm zeigen exemplarisch die Abbildungen 1 bis 4.

Abb. 1: Ex-Einrichtung der Klassifizierungsstufe K1

Die Funktionseinheiten a, b und c haben die in den Blöcken eingetragene Klassifizierungsstufe. Die Ex-Einrichtung hat eine Klassifizierungsstufe von K1, da die niedrigste Klassifizierungsstufe der in Reihe geschalteten Funktionseinheiten die Klassifizierungsstufe der Reihe bestimmt.

Die Funktionseinheiten a, b und c sind funktional abhängig, weil jedes Element notwendig ist, damit die Sicherheitsfunktion ausgeführt wird.

Beispiel: Wenn die Ex-Einrichtung der Abbildung 1 die Klassifizierungsstufe K2 erfüllen soll, müssen die Funktionselemente b und c jedes für sich die Klassifizierungsstufe K2 erfüllen. Dies ist möglich durch Verwendung von Funktionselementen mit einem besseren Ausfallverhalten als vorhersehbar oder indem zu den Elementen b und c jeweils ein redundantes funktionsidentisches Element geschaltet wird oder indem zu den Elementen b und c ein gemeinsames Element parallel geschaltet wird, welches die Funktion der Elemente b und c übernimmt. Letzterer Fall ist in der Abbildung 2 dargestellt.

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Abb. 2: Ex-Einrichtung der Klassifizierungsstufe K2 mit den Funktionseinheiten a-c einschließlich einer zusätzlichen Maßnahme d in einer aktiven Redundanz

Das Funktionselement d ist von den Elementen b und c unabhängig, jedoch abhängig von a.

Die folgenden Abbildungen 3 und 4 verdeutlichen die Anwendung der Tabelle 1 durch Zusammenfassung von Funktionselementen.

Abb. 3: Ex-Einrichtung der Abbildung 3 mit der Zusammenfassung der Funktionseinheiten b und c zu einer gemeinsamen Funktionseinheit (b+c) der Klassifizierungsstufe K1 einschließlich der zusätzlichen Maßnahme d

Abb. 4: Ex-Einrichtung der Abbildung 4 mit der Zusammenfassung der Funktionseinheiten (b + c) und d nach Tabelle 2 zu einer gemeinsamen Funktionseinheit (b+c)/d. Die Ex-Einrichtung hat die Klassifizierungsstufe K2.

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Besteht die Ex-Vorrichtung nur aus einer einzelnen Ex-Einrichtung, entspricht deren Klassifizierungsstufe der der Ex-Vorrichtung.

Besteht die Ex-Vorrichtung aus mehreren unabhängigen Ex-Einrichtungen, addieren sich deren Klassifizierungsstufen zu einer resultierenden Klassifizierungsstufe entsprechend Tabelle 1.

Aus der resultierenden Klassifizierungsstufe wird die Reduzierungsstufe der Ex-Vorrichtung nach Tabelle 2 bestimmt.

Tab. 2: Gegenüberstellung der resultierenden Klassifizierungsstufen mit der Reduzierungsstufe der Ex-Vorrichtung

Klassifizierungsstufe

Reduzierungsstufe

K1

1

K2

2

K3

3

Verfahrensweise bei der Beurteilung des Ausfallverhaltens der Ex-Einrichtung

Für die Gefährdungsbeurteilung ist es sinnvoll, die Ex-Einrichtungen zur Zonenreduzierung zunächst und – falls notwendig – erst danach die Ex-Einrichtungen zur Vermeidung von Zündquellen zu betrachten. Beide Ex-Einrichtungen müssen getrennt voneinander bewertet werden. Die Beurteilungsgrundlagen sind nur anwendbar, wenn das Auftreten gefährlicher explosionsfähiger Gemische und das Wirksamwerden von Zündquellen voneinander unabhängig sind.

Die Fälle, in denen keine Unabhängigkeit zwischen dem Auftreten der gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre und der Zündquelle gegeben ist, erfordern eine gesonderte Betrachtung.

Ex-Einrichtungen zur Vermeidung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre und Ex-Einrichtungen zur Zündquellenvermeidung können Funktionseinheiten einer gemeinsamen Ex-Vorrichtung sein.

Verfahrensweise bei der Beurteilung des Ausfallverhaltens der Überwachung

Überwachungen sind Teil einer Sicherheitsfunktion. Sie gewährleisten, dass die Sicherheitsfunktion der Ex-Einrichtung aufrechterhalten oder eine andere Sicherheitsfunktion vor Erreichen eines unsicheren Zustands wirksam wird. Diese kann z.B. die Alarmierung, die Umschaltung auf einen anderen Lüfter, die Unterbrechung des Freisetzungsprozesses, z.B. des Massenstromes, oder die Abschaltung von Zündquellen sein.

Die notwendigen Funktionseinheiten der Überwachung (Sensorik, Logik, Aktorik) sind in Reihe verschaltet.

Ergibt sich aus der Gefährdungsbeurteilung die Notwendigkeit einer Überwachung, sollte diese grundsätzlich unabhängig von der Ex-Einrichtung sein.

Das Blockdiagramm der Ex-Vorrichtung für eine Überwachung mit Schaltfunktion besteht aus parallelen Ex-Einrichtungen oder Funktionseinhei-

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ten. Die Überwachung ist als Funktionseinheit in Reihe zu der von ihr aktivierten Ex-Einrichtung (Funktionseinheit) enthalten und liegt parallel zur überwachten Ex-Einrichtung (siehe Abbildung 5).

Abb. 5: Eine Ex-Vorrichtung bestehend aus zwei Ex-Einrichtungen in einer passiven Redundanz

Die Ex-Einrichtung bestehend aus der Überwachung und der Funktionseinheit d überwacht die andere Ex-Einrichtung und übernimmt bei deren Ausfall die gleiche oder eine andere Sicherheitsfunktion.

Die Überwachung in der Abbildung 5 ist unabhängig von der Ex-Einrichtung mit den Funktionselementen a, b und c.

Überwachungen können auch eigenständige Sicherheitsfunktionen übernehmen, z.B. Gaswarneinrichtungen.

Für die sicherheitstechnische Auslegung einer unabhängigen Überwachung, die bei Ausfall der Sicherheitsfunktion nur alarmiert, ist eine Ausführung in bewährter Technik mit allgemeinen Anforderungen nach 8.16.7 einschließlich regelmäßiger Prüfung ausreichend.

Eine abhängige Überwachung nutzt Funktionseinheiten der Ex-Einrichtung (z.B. Sensorik oder Aktorik). Die Überwachung liegt im Blockschaltbild in Reihe zu den Funktionseinheiten der Ex-Einrichtung.

Im Falle der abhängigen Überwachung sind höhere Anforderungen an die Fehlersicherheit der abhängigen Teile oder an die Prüffrist zu stellen. Die abhängige Überwachung als Ganzes oder die Funktionseinheiten, für welche eine Abhängigkeit besteht, müssen mindestens in einer Klassifizierungsstufe höher ausgeführt sein als die notwendige Reduzierungsstufe der Vorrichtung. Alternativ ist die Prüffrist so zu wählen, dass der Ausfall der Überwachung so rechtzeitig erkannt wird, dass Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der Sicherheit getroffen werden können.

Bei einer abhängigen Überwachung mit Schaltfunktion besteht das Blockdiagramm der Ex-Vorrichtung aus parallelen Ex-Einrichtungen oder Funktionseinheiten, zu deren Gesamtheit die Überwachung mit Schaltfunktion oder die abhängigen Funktionseinheiten in Reihe liegen (siehe Abbildung 6).

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Abb. 6: Eine Ex-Vorrichtung bestehend aus zwei Ex-Einrichtungen in einer passiven Redundanz mit einer abhängigen Überwachung (Ü) mit Schaltfunktion

Ex-Vorrichtungen zur Zonenvermeidung und -reduzierung

Die Maßnahme besteht aus einer Ex-Einrichtung zur Zonenvermeidung und -reduzierung und falls erforderlich deren Überwachung. Ex-Einrichtungen können auch Maßnahmen zur Reduzierung der Ausdehnung von Zonen darstellen, z.B. bei Lüftungsanlagen. Ist der Ausfall der Ex-Einrichtung als sehr selten zu betrachten, ist eine Überwachung der Ex-Einrichtung nicht erforderlich.

Wird die Anzahl der erforderlichen Reduzierungsstufen in Bezug zu den vorhandenen wirksamen Zündquellen durch die Ex-Vorrichtung zur Zonenreduzierung nicht erreicht, so verbleibt eine Zone, für die weitere Maßnahmen getroffen werden müssen (siehe Tabelle 3).

Falls eine Zone verbleibt und wirksame Zündquellen in dieser Zone nicht durch MSR-Maßnahmen ausreichend sicher zu verhindern sind (z.B. bei heißen Oberflächen), müssen entweder die Maßnahmen zur Zonenreduzierung hinsichtlich des Ausfallverhaltens verbessert, andere Maßnahmen zur Zündquellenvermeidung durchgeführt oder Maßnahmen des konstruktiven Explosionsschutzes ergriffen werden.

Tab. 3: Bestimmung der resultierenden Zone in Abhängigkeit vom Ausfallverhalten der Ex-Vorrichtung zur Zonenreduzierung

Zone ohne Maßnahme

Zone 0

Zone 1

Zone 2

Ausfallverhalten der Ex-Vorrichtung zur Zonenreduzierung

sehr selten

selten

zu erwarten

selten

zu erwarten

zu erwarten

Resultierende Klassifizierungsstufe

K3

K2

K11)

K2

K1

K1

Resultierende Zone

keine Zone

Zone 2

Zone 1

keine Zone

Zone 2

keine Zone

1) Für die Überwachung von Maßnahmen zur Vermeidung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre reicht eine Ausführung in bewährter Technik mit den allgemeinen Anforderungen nach 8.16.7 einschließlich regelmäßiger Prüfung aus. Für Nicht-MSR-Einrichtungen reicht eine Ausführung in bewährter Technik einschließlich regelmäßiger Prüfung aus.

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Die Ex-Einrichtung zur Zonenreduzierung muss in Abhängigkeit des Ergebnisses der Gefährdungsbeurteilung überwacht werden, damit deren Ausfall erkannt wird und kurzfristig Maßnahmen eingeleitet werden können.

Im Zonenplan ist die resultierende Zone einzutragen.

Ex-Vorrichtungen zur Zündquellenvermeidung

Die Maßnahme besteht aus einer Ex-Einrichtung zur Zündquellenvermeidung und falls erforderlich deren Überwachung. Eine Überwachung der Ex-Einrichtung ist nicht erforderlich, sofern der Ausfall der Ex-Einrichtung als sehr selten betrachtet wird.

Für Geräte im Sinne der Richtlinie 94/9/EG (2014/34/EU) wird die Zündschutzart, z.B. Überdruck-Kapselung oder Zündquellenüberwachung (b), als Ex-Einrichtung betrachtet. Abhängig von der Konstruktion und Gerätekategorie können zusätzliche Überwachungen erforderlich sein.

Für die funktionale Sicherheit der Ex-Vorrichtung muss die Fehlersicherheit das gleiche Niveau aufweisen wie vergleichbare Sicherheits-, Kontroll- oder Regelvorrichtungen im Sinne der Richtlinie 94/9/EG (2014/34/EU) für die entsprechende Gerätekategorie. Andernfalls muss die Sicherheit auf andere Art und Weise hergestellt werden.

Die Tabelle 4 beschreibt die Vorgehensweise zur Festlegung einer Klassifizierungsstufe für Überwachungen zur Vermeidung einer Zündquelle.

Nach dem in der Tabelle 4 beschriebenen Schema sind alle wirksamen Zündquellen zu betrachten.

Ex-Vorrichtungen zur Zonenreduzierung in Kombination mit Überwachungen zur Vermeidung von Zündquellen

Wird nach Ausfall der Ex-Vorrichtung zur Zonenreduzierung durch eine unabhängige Überwachung eine Zündquellenabschaltung vorgenommen, so gilt für die Bestimmung der erforderlichen Klassifizierungsstufe dieser Überwachung die Tabelle 4. Die durch die Ex-Einrichtung zur Zonenreduzierung erreichte resultierende Zone ist die vorhandene Zone in Tabelle 3.

Falls die Ex-Einrichtung zur Zonenreduzierung und die Ex-Einrichtung zur Zündquellenabschaltung beide für ihre Sicherheitsfunktion eine Überwachung benötigen, werden in der Praxis oft gemeinsame Funktionseinheiten eingesetzt, sodass eine Abhängigkeit vorliegt. Die Beurteilung muss diese Abhängigkeit berücksichtigen, indem z.B. zunächst die resultierende Zone festgelegt wird, mit der in Tabelle 4 die Festlegung der Anforderungen an die Überwachung erfolgt. Die nach Tabelle 2 ermittelte Klassifizierungsstufe muss anschließend für die abhängigen Funktionseinheiten um eine Stufe erhöht werden.

Für die abhängigen Funktionseinheiten kann alternativ das Verfahren des Blockschaltbildes angewendet werden, welches die Abhängigkeit dadurch darstellt, dass die gemeinsame Überwachung in Reihe zu den beiden parallelen Ex-Einrichtungen liegt (siehe Abbildung 6).

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Tab. 4: Klassifizierung der Überwachung einer Ex-Vorrichtung zur Vermeidung einer Zündquelle

Vorhandene Zone

0 oder 20

1 oder 21

2 oder 22

Notwendige Kategorie bei Geräten nach 94/9/EG/2014/34/EU

1G oder 1D

2G oder 2D

3G oder 3D

Zulässigkeit von Zündquellen abhängig von den Zonen

Ständig bzw. häufig

Nein

Nein

Nein

Gelegentlich

Nein

Nein

Ja

Selten

Nein

Ja

Ja

Notwendigkeit einer Überwachung in Abhängigkeit von wirksamen Zündquellen

Zündquelle vorhanden:

Nie

Beim seltenen Fehler

Beim zu erwartenden Fehler

Beim seltenen Fehler

Beim zu erwartenden Fehler

Ständig

Beim zu erwartenden Fehler

Ständig

Überwachung erforderlich

Nein

Ja

Ja

Nein

Ja

Ja

Nein

Ja

Anforderungen an die Überwachung

Erforderliche Fehlertoleranz (HFT)1) der Überwachung

0

12)

0

12)

 

0

Klassifizierungsstufe der Überwachung

K13)

K2

K13)

K2

 

K13)

1) Eine HFT = 0 bedeutet: Der 1. Fehler kann zum Verlust der Sicherheitsfunktion führen. Eine HFT = 1 bedeutet: 2 Fehler in Kombination können zum Verlust der Sicherheitsfunktion führen. Die Überwachung ist einfehlersicher. Eine HFT = 2 bedeutet: 3 Fehler in Kombination können zum Verlust der Sicherheitsfunktion führen. Die Überwachung ist zweifehlersicher.
2) Eine Fehlertoleranz von 0 ist zulässig für betriebsbewährte Überwachungen.
3) Für die notwendige Überwachung einer betrieblichen Zündquelle reicht eine Ausführung in bewährter Technik mit den allgemeinen Anforderungen nach Anhang I einschließlich regelmäßiger Prüfung aus.