Und es hat gefunkt!

Sichere Schlauchleitungen in Ex-Räumen

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05.06.2015 Zündfähige elektrostatische Aufladungen entstehenbeispielweise, wenn ein Isolator und ein anderer Stoff miteinander in Kontakt kommen und anschließend wieder getrennt werden. Man spricht in diesem Fall von der sogenannten Ladungstrennung. Ladungstrennung ist praktisch immer vorhanden, wenn Fluide durch Schlauchleitungen gefördert werden. Insbesondere bei Schlauchleitungen kommen Kombinationen aus zum Teil isolierenden Kunststoffen oder Elastomeren und Metallen zum Einsatz. Dies erschwert eine elektrostatische Beurteilung.

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Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Die Forderung, elektrostatisch sichere Schlauchleitungen herzustellen und zu betreiben, betrifft Hersteller und Anwender gleichzeitig. Es gilt Schlauchleitungen so auszulegen und einzusetzen, dass Effekte wie Pinhole-Effekt, Gleitstielbüschelentladung, Korrosion oder Funkenschlag sicher vermieden werden.
  • Wesentlich bei der Risikobetrachtung ist, ob eine Ex-Umgebungs-, eine Ex-Prozessatmosphäre oder beides gleichzeitig vorliegt. Abhängig davon sind dann Maßnahmen zum Vermeiden von zündfähigen Funken zu treffen.
  • Die Vielzahl der Ausführungsformen und die unterschiedlichsten Anwendungsfälle erschweren eine Regelung.

Die für die Sicherheit verantwortlichen Mitarbeiter müssen aus diesem Grund bei der Risikobeurteilung von Schlauchleitungen aufmerksam sein.

Kriterien der elektro­statischen Aufladung
Die physikalischen Parameter, die fluidseitig die Ladungstrennung beeinflussen, sind Strömungsgeschwindigkeit, Oberfläche der Fluide, die mit dem Behältnis in Kontakt kommt, Leitfähigkeit der Fluide sowie Viskosität.

Um die Ladungstrennung gering zu halten, sollte die Strömungsgeschwindigkeit bei größeren Schlauchdurchmessern ab einem Innendurchmesser von DN = 50 mm kleiner als v = 7 m/s liegen. Schlauchleitungen von einem Durchmesser bis DN = 19 mm oder kleiner bilden in der industriellen Praxis bis auf wenige stark isolierende Fluide kaum einen zündfähigen Funken. Stark isolierende Fluide sind Lösemittel, Stäube oder Dämpfe, so auch Reinigungsdämpfe. Fluide mit einem Leitwert im Bereich G = 1 * 10-8 S/m oder G = 3 * 10-8 S/cm oder besser geben ihre Aufladungen an eine geerdete Umgebung ab. Flüssige Fluide mit einer Viskosität kleiner als ?  = 0,3 mm²/s sind kaum aufladbar. Liegt die Viskosität oberhalb von ? = 0,7 mm²/s, ist mit elektrischen Aufladungen zu rechnen. Ein oft benutztes Beispielmedium für hohe Aufladungen während des Förderns ist das Lösemittel Toluol. Es hat eine Viskosität von ? = 0,7 mm²/s und ist gleichzeitig auch noch ein Isolator mit G = 8 * 10-14 S/m.

Drei mögliche Entladungsstellen
an einer Schlauchleitung

Aus diesen Kriterien beim Betreiben einer Schlauchleitung lässt sich auch ableiten, dass eine Vielzahl von Schlauchleitungen einen Zündfunken – oder zumindest ein hohes elektrisches Potenzial – durch Aufladung bilden können. Prinzipiell entlädt sich dieses elektrische Potenzial dort, wo die Schlauchleitung den geringsten Widerstand zur Erdung aufweist. Dieses sind in der Regel die metallisch angeschlossenen Bauteile der Schlauchleitung, wie Spirale, Fitting oder Einbindung.

Pinhole-Effekt: Der Funke schlägt durch den Liner der Schlauchleitung in die metallischen Komponenten wie Spirale oder Geflecht ein. Dieser Effekt wird nach seinem Funkenkanal „Pinhole“ genannt. Er kann die innere Wand, also den Liner des Schlauches, zerstören. An dieser Stelle kann das Fluid eindringen, den Wandaufbau des Schlauches durchdringen und ihn dann zum Platzen bringen. Ein Funkendurchschlag kann sogar entlang der Schlauchleitung mehrfach stattfinden. In der Literatur, zum Beispiel in der TRBS 2153, wird für einige Anwendungen gefordert, dass die Durchschlagspannung des Liners

Gleitstielbüschelentladung: Die Höhe der Zündenergie ist außer von den aufgeführten Parametern der Fluide bei isolierendem Liner stark abhängig von der Schlauchleitungslänge. Modellversuche der Dekra bei Pulverförderung zeigen, dass bei vollständig isolierenden Schlauchleitungen und entsprechender Fördergeschwindigkeit schon ab 1 m zündfähige Entladungen stattfinden können. Am metallischen Fitting, das meistens geerdet ist, verursacht diese Aufladung der Fluide dann eine kontinuierliche Entladung. Die Zündfunken werden entsprechend ihrem Aussehen als Gleitstielbüschel- oder Büschelentladung bezeichnet. Sie können aufgrund ihrer hohen Energie auch Prozessgase mit höherer Entzündungstemperatur entzünden. Solche Prozessgase entstehen allerdings nicht nur während des Förderns, sondern auch, wenn eine Schlauchleitung beispielsweise mit Pressluft gereinigt oder Luft aus der Schlauchleitung herausgedrückt wird. Darüber hinaus kann eine solche Entladung auch das zu fördernde Fluid dissoziieren oder verkohlen und damit unbrauchbar machen. Dies ist besonders auch bei pharmazeutischen Produkten zu berücksichtigen.


Schlagfunken oder Kontaktkorrosion:
Die Ladung überträgt sich in die metallischen Leiter der Schlauchleitung. Sie addiert sich entsprechend der Schlauchleitungslänge im metallischen Leiter zu einem nicht zu vernachlässigenden elektrischen Potenzial. Dies geschieht aufgrund von Ladungstrennung in den einzelnen Schichten der Schlauchwand, teilweise auch ohne Pinhole-Bildung. In der Wand vorhandene metallische Leiter können diese Energie entweder in Form einer schwelenden Kontaktkorrosion oder eines diskontinuierlichen Schlagfunkens (ähnlich einer Zündkerze) wieder abgeben. Durch den Schlagfunken kann ein fließendes Fluid in der Schlauchleitung auch die außenliegende Umgebungsatmosphäre entzünden. Eine Kontaktkorrosion kann dazu führen, dass sich der elektrische Widerstand der Schlauchleitung verändert. Daher ist bei einer Wiederholungsprüfung festzustellen, ob die gemessenen Werte der neuwertigen Schlauchleitung entsprechen. Bei der Wiederholungsprüfung ist der Widerstand zwischen den beiden Einbindungen zu messen.

Die Forderung, elektrostatisch sichere Schlauchleitungen herzustellen und zu betreiben, betrifft daher Hersteller und Anwender gleichzeitig. Es gilt Schlauchleitungen so auszulegen und einzusetzen, dass Effekte wie Pinhole-Effekt, Gleitstielbüschelentladung, Korrosion oder Funkenschlag sicher vermieden werden. Wesentlich bei der Risikobetrachtung ist, ob eine Ex-Umgebungs-, eine Ex-Prozessatmosphäre oder beides gleichzeitig vorliegt. Abhängig davon sind dann Maßnahmen zum Vermeiden von zündfähigen Funken zu treffen. Die Vielzahl der Ausführungsformen von Schlauchleitungen und die unterschiedlichsten Anwendungsfälle erschweren aber eine einheitliche Regelung.

Einige Festlegungen sind Stand der Technik und wurden in Normen und Regelwerken verankert. Die DIN VDE 0170-32-100:2015-01 sowie die VDE 0170-32-100:2015-01 beschreiben eine aufwendige elektrische Klassifizierung des Schlauchaufbaus. Die Praxis wird zeigen, ob sich diese Klassifizierung durchsetzt. Anerkannter Stand der Technik ist, wie beispielhaft in der EN 12115 beschrieben, dass eine Schlauchleitung im Ex-Raum sicher zu betreiben ist, wenn die Schlauchleitungsdecke einen elektrischen Widerstand von 109 ? und der innere Liner einen Widerstand von 106 ? aufweist. Die genauen Messverfahren sind in der ISO 8031 beschrieben.

Optimal ist eine elektrische Verbindung von Decke und Liner, um entstehende elektrische Potenziale auszugleichen. Ein solcher Ausgleich kann über die Einbindung von Decke und Liner im Bereich des Fittings oder auch durch die Schlauchwand erfolgen. Diese Schlauchleitungen werden als ?/T gekennzeichnet. Sind zusätzlich metallische Komponenten im Schlauchaufbau elektrisch mit den Fittings verbunden, werden diese Schlauchleitungen als M/T gekennzeichnet. Schlauchleitungen der Bauart ?/T sind zusätzlich auch für elektrostatische Sonderfälle geeignet. Dieses sind Streuströme oder unterschiedliche elektrische Potenziale in den Anlagenbereichen.

Fazit hinsichtlich des Betreibens einer Schlauchleitung im Ex-Raum
Aus den beschriebenen physikalischen Effekten und aus den relevanten Vorschriften sowie aus Befragung von Sicherheitsbeauftragten für den Ex-Schutz lassen sich folgende Merkmale für einen sicheren Einsatz von Schlauchleitungen im Ex-Raum ableiten:

  • Bei Schlauchleitungen ist vor dem ersten Einsatz der Widerstand, gemessen von der linken zur rechten Armatur, zu dokumentieren. Bei einer Wiederholungsprüfung ist der gemessene Wert mit dem dokumentierten Wert zu vergleichen.
  • Alle metallischen Leiter einer Schlauchleitung sind mit den Armaturen sicher zu verbinden, um eine Kontaktkorrosion zu vermeiden. Dies entspricht auch dem seit Langem gepflegten Stand der Technik. Hierzu gehören auch mit M/T gekennzeichnete Schlauchleitungen. Bei mit ?/T gekennzeichneten Schlauchleitungen ist der Umgang mit den metallischen Komponenten in der Schlauchleitung durch den Hersteller vorzugeben. Diese so dokumentierte elektrische Leitfähigkeit schafft auch Klarheit im Falle von Wiederholungsprüfungen.
  • Eine Decke mit einem Widerstand 107 < ? ? 109 reduziert eine elektrische Aufladung des Liners. Bei Kontakt der Decke mit anderen aufgeladenen Anlagenkomponenten entstehen keine Kriechströme.
  • Ein ableitfähiger Liner mit einem Widerstand ? 106 ? leitet ohne Schäden am Schlauch das durch das fließende Medium erzeugte elektrische Potenzial ab.
  • Lassen sich isolierende Liner nicht vermeiden, sollte die Lagendicke gering sein, um einen besseren Potenzialausgleich zu ermöglichen. Liegt die Durchschlagspannung des isolierenden Liners unter 4 kV, kann sich kaum ein Zündfunke bilden.

Achema 2015 Halle 8.0 – J64

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Heftausgabe: Juni 2015

Über den Autor

Dr.-Ing. Thomas Gottschalk , Technischer Leiter bei Alfons Markert
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