Explosionsschutz im Glasanlagenbau

Für die Genehmigung einer Anlage sind Auflagen sowohl vom Hersteller (Atex 95, Direktive 94/9/EG) als auch vom Betreiber (Atex 137, Atex-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG) einzuhalten.

Hersteller und Betreiber in der Pflicht
Hersteller fertigen Anlagen entsprechend dem aktuellen Produktsicherheitsgesetz. Basierend auf den vom Betreiber nach Atex 137 inner- und außerhalb der Anlage zu definierenden Zonen, rüstet er die Anlage entsprechend Atex 95 aus und erstellt die korrespondierende Dokumentation. Diese erfolgt im Rahmen der Anlagendokumentation, jedoch nicht durch das Anbringen eines entsprechenden CE-Zeichens auf dem Fabrikschild der Anlage, da es sich im Sinne der Leitlinie zur Anwendung der Richtlinie Atex 95 in der Fassung vom August 2008, um eine verfahrenstechnische Anlage und somit um eine Kombination aus einzelnen Geräten handelt. Die einzelnen Geräte einer verfahrenstechnischen Glasanlage, die potentielle elektrische oder mechanische Zündquellen sein könnten, müssen entsprechend der Atex 95 zertifiziert und mit einem CE-Zeichen versehen sein. Der Betreiber der Anlage muss die Auflagen der aktuellen Betriebssicherheitsverordnung erfüllen. Daher muss er auch die Regeln der TRBS 2153 (Technische Regeln für Betriebssicherheit 2153, Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen (GMBl. Nr. 15/16 vom 9. April 2009)) beim Betrieb der Anlage innerhalb einer Atex-Zone zum Vermeiden von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen beachten, um der Atex 137 zu genügen.

Ursachen elektrostatischer Aufladung
Die Ursache für elektrostatische Aufladungen in verfahrenstechnischen Apparaturen ist die Reibungselektrizität, die beim Aneinanderreiben zweier unterschiedlicher Materialien dazu führt, dass sie sich gegensätzlich aufladen können. Entsprechend können sich ein fluides Medium und eine Wandung, beispielsweise beim Strömen des Mediums durch ein Rohr, gegensätzlich aufladen. Kommt es zu hohen beziehungsweise gefährlichen Aufladungen, kann es zu elektrostatischen Entladungen beziehungsweise Funken kommen. Normalerweise entstehen gefährliche elektrostatische Aufladungen nur bei Flüssigkeiten mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit. Aufladungen lassen sich somit auch häufig vermeiden, indem der Anwender Additive wie lösliche Salze zusetzt, die teilweise schon in Konzentrationen im ppm-Bereich die Leitfähigkeit der Flüssigkeiten ausreichend erhöhen. Darüber hinaus gibt es Prozesse, die die TRBS 2153 generell als stark ladungserzeugend einstufen. Entsprechend sollten Betreiber diese Prozessführung vermeiden oder aber besondere Schutzmaßnahmen ergreifen. Entstehen Aufladungen aufgrund der Reibungselektrizität, dann können Aufladungen durch Influenz auch an nicht medienberührten, leitenden Gegenständen entstehen. Eine Sicherheitsbetrachtung für den jeweiligen Fall muss der Betreiber durchführen.

Die Ladung muss weg
Als  elektrischen  Aufladungen entgegenwirkende Optionen kommen insbesondere das Vermeiden von isolierenden Materialien und das Erden von leitfähigen oder ableitfähigen Materialien in Betracht. Ableitfähig nach TRBS 2153 ist ein Stoff oder ein Material mit einem Oberflächenwiderstand von mehr als 104 ? und je nach Umgebung weniger als 109 beziehungsweise 1011?. Sind leitende oder ableitfähige Komponenten mit Erde verbunden, können sie sich nicht aufladen und stellen somit keine Zündgefahren mehr dar. Um dies im Sinne der TRBS 2153 zu realisieren, reicht es, Ströme von bis zu 10-4 A sicher ableiten zu können. Für diese geringen Stromstärken genügt als Erdung schon eine schlecht leitende Verbindung mit einem relativ hohen Widerstand. Diese Erdung nach TRBS 2153  ist nicht mit der Erdung elektrischer Geräte nach DIN VDE 0100-200:2006-06 zu verwechseln, die auch wesentlich höhere Ströme sicher ableiten muss. Im Weiteren wird daher für den Begriff „Erdung“ nach TRBS 2153 der Begriff „Potenzialausgleich“ verwendet. Dieser entspricht den Vorgaben der TRBS 2153, wenn er korrosionsbeständig, zuverlässig sowie dauerhaft ist und einen Widerstand von weniger als 106 ? aufweist. Eine solche Befestigung des Potenzialausgleichs erfolgt beispielsweise an den Edelstahlflanschringen der QVF-Supra-Line durch das Einklemmen eines durchgehenden Edelstahldrahts. Die Leitung des Potenzialausgleichs ist durch eine gelb/grün-gestreifte Farbgebung eindeutig zu kennzeichnen.

Auf die Oberfläche kommt es an
Von isolierenden Materialien lassen sich Ladungen nicht über einen Potenzialausgleich abführen. Daher ersetzen Hersteller zum einen isolierende Materialien durch leitfähige oder ableitfähige Materialien und beschichten zum anderen isolierende Materialien leitend oder auch ableitfähig. Sowie die leitfähigen Materialien beziehungsweise ableitfähigen Oberflächen an einem Potenzialausgleich anliegen, ist deren gefährliches Aufladen nicht mehr möglich. Isolierende Oberflächen finden sich in Glasanlagen auf Bauteilen aus Kunststoffen wie PTFE und unter bestimmten Umständen auf äußeren Glas­oberflächen. Äußere Glasoberflächen können Produzenten ableitfähig gestalten, indem sie sie beschichten. Im Inneren von Glasanlagen sind hingegen laut TRBS 2153 nur die gleichen Maßnahmen zu treffen wie in ableitfähigen Einrichtungen. PTFE- beziehungsweise Kunststoff-Komponenten, die in einer ableitfähigen, beispielsweise mit Leitpigmenten versetzten Version beziehungsweise leitfähig beschichteten Version zum Einsatz kommen, weisen Oberflächen auf, die nicht mehr als isolierend zu betrachten sind. Die ableitfähigen Komponenten erhalten, wie leitfähige Komponenten, einen Potenzialausgleich. Die metallischen Teile der mit ableitfähigem PTFE ausgerüsteten Komponenten wie Kompensatoren, Zwischenplatten etc. können sich, da sie leitend mit den Stoffströmen in der Apparatur  verbunden sind,  – im Gegensatz zu den mit isolierendem PTFE ausgestatteten Komponenten – auch ohne Influenzeffekte aufladen, und  müssen immer mit einem Potenzialausgleich versehen sein. In welchem Umfang Anwender Maßnahmen ergreifen müssen, hängt davon ab, in welchem Ausmaß ladungserzeugende Prozesse in und um die Anlage ablaufen.

Aufwand nach Maß
Es sind keine Potenzialausgleichs-Maßnahmen notwendig und das Verwenden isolierender Materialien zulässig, wenn der Betreiber eine gefährliche Aufladung im Innen- und Außenraum der Anlage sicher ausschließen kann oder dies durch experimentelle Versuche belegt ist. Wenn hingegen mit stark ladungserzeugenden Prozessen zu rechnen ist, sind  unabhängig von der Atex-Zone alle leitenden und ableitfähigen Gegenstände in der Nähe dieses Prozesses mit einem Potenzialausgleich zu versehen, nichtleitende Materialien generell zu vermeiden und durch leitfähige, ableitfähige oder ableitfähig beschichtete Materialien zu ersetzen. Sind ladungserzeugende Prozesse nicht gänzlich auszuschließen und die Prozesse nicht als stark ladungserzeugend einzustufen, können die Verantwortlichen apparativ abgestufte Vorkehrungen gegen gefährliche elektrostatische Aufladungen treffen. In diesen Fällen sollten die Anwender die Oberflächen nichtleitender Materialien nur begrenzen und leitende beziehungsweise ableitfähige Gegenstände erst ab einer gewissen Kapazität  mit einem Potenzialausgleich versehen. Wie groß die Oberflächen nichtleitender Materialien sein dürfen und welche leitfähigen und ableitfähigen Gegenstände mit einem Potenzialausgleich zu versehen sind, hängt von der Atex-Zone ab und wird von der TRBS 2153 bestimmt. Leitfähige Komponenten in Glasanlagen sind beispielsweise Metallflansche. Diese Flansche stehen nicht in Kontakt mit strömenden Medien und  können sich deshalb aufgrund von  ladungserzeugenden Prozessen innerhalb  der Anlage nur durch Influenz aufladen. Das mögliche Aufladen eines leitenden Gegenstandes hängt von dessen elektrischer Kapazität ab. Je nach Zone und Explosionsgruppe sind unterschiedliche Kapazitäten zulässig, bei denen auf einen Potenzialausgleich verzichtet werden kann. Die TRBS 2153 nennt für die Zonen 2, 1IIA und 1IIB einen Richtwert von 10 pF als höchstzulässige Kapazität und schreibt unter diesen Bedingungen einen Potenzialausgleich für Metallflansche ab der Nennweite DN50 vor. In der Zone 0 und 1 IIC müssen entsprechend der TRBS 2153 alle Metallflansche mit einem Potenzialausgleich versehen sein.
Bei ladungserzeugenden Prozessen, die nicht als stark ladungserzeugend eingestuft sind, müssen nicht immer alle PTFE-Komponenten wie Dichtungen, Kompensatoren, Rührer und Ventilfaltenbälge aus ableitfähigem Material bestehen. Diagramm 1 zeigt die durch die TRBS 2153 festgelegte maximale Oberfläche nichtleitender Materialien, bei denen unter diesen Prozessbedingungen keine gefährlichen Aufladungen zu erwarten sind. Die TRBS 2153 definiert diese maximale Oberfläche als die senkrecht zur Strömungsrichtung projizierte Oberfläche. Hier unterscheidet sich die aktuell gültige Auffassung der TRBS 2153 aus dem Jahr 2009  von den zuvor relevanten Berufsgenossenschaftlichen Regeln (BGR 132, Kap.3.1.2.1 aus 2003), die unabhängig von der Strömungsrichtung die maximale projizierte Fläche vorsahen. Die senkrecht zur Strömungsrichtung projizierten Oberflächen lassen sich für PTFE-Komponenten für den Außen- und Innenraum berechnen. Für die Zone 0 sind nur die Flächen im Innenraum berücksichtigt, da die einzelnen Geräte einer Glasanlage, die die Atex 95 erfasst, meist nicht für die Zone 0 im Außenraum zertifiziert sind. Für die Zonen 1 und 2 ist die jeweils größere der inneren beziehungsweise  äußeren projizierten Oberfläche zugrunde gelegt. Für die betrachteten PTFE-Dichtungen ergibt sich, dass nur Dichtungen der Nennweite DN300 und größer je nach Atex-Zone aus ableitfähigem PTFE bestehen müssen. Andere PTFE-Komponenten mit größeren Oberflächen nach TRBS 2153 müssen schon in kleineren Nennweiten aus ableitfähigem PTFE bestehen und mit einem Potenzialausgleich versehen sein.

Transparente Lösung
Für Glasapparaturen verwendetes Borosilicatglas 3.3 ist hydrophil. Der sich dadurch bei einer relativen Luftfeuchte von beispielsweise 50 % und einer Temperatur von 23 °C bildende Oberflächenfilm setzt den Oberflächenwiderstand auf 1011 ? herab. Unter diesen Bedingungen laden sich Glasapparaturen durch Vorgänge wie Reiben von außen nicht gefährlich auf. Bei einer relativen Luftfeuchte unter 50 % und bei Temperaturen über 50 °C verschwindet dieser Wasserfilm, so dass Betreiber Maßnahmen gegen gefährliche Aufladungen ergreifen müssen, wenn sie die Glasanlage in der Zone 0 oder 1 IIC betreiben wollen. Eine solche Maßnahme ist beispielsweise eine transparente ableitfähige Beschichtung  des Borosilicatglases. Die ableitfähige Beschichtung muss ebenfalls sicher und dauerhaft mit einem Potenzialausgleich verbunden sein.

Einen Link zum Hersteller finden Sie hier.Zu den Atex-Richtlinien gelangen Sie hier.
Die TRBS 2153 haben wir hier für Sie verlinkt.