Eintauchen in Zone Null

Neue Sicherheitskonzepte für Tauchpumpen im explosionsgefährdeten Bereich

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04.02.2010 Die durch die Atex eingeführte Berücksichtigung von mechanischen Funken und heißen Oberflächen als Zündgefahr führt für Tauchpumpen zu erheblichen Änderungen in den Sicherheitskonzepten. Insbesondere für Pumpen der Kategorie 1 zum Einsatz in Zone 0 sind neue Ansätze nötig, die hier beschrieben werden.

Entscheider-Facts Für Betreiber

       

  • Für Pumpen, die dem VbF-Konzept entsprechen, wurde bislang keine Zündgefahrenbewertung gefordert.
  • Durch die in 94/9/EG (Atex) vorgeschriebene Vermeidung von mechanischen Funken und heißen Obeflächen als Zündquelle haben sich erhebliche Änderungen ergeben.
  • Da über die Bypassmethode keine Beharrungstemperatur erreicht wird, lässt sich keine Temperaturklasse bestimmen.
  • Um die nichtelektrischen Bauteile der Pumpe nach dem neuen Konzept der Atex bewerten zu können, müssen die Zündgefahren detailliert untersucht werden.

Ein explosionsgefährdeter Bereich ist die Arbeitsumgebung von Menschen. Hier greifen die gesetzlichen Bestimmungen für industrielle Sicherheit. Die Explosionsschutzrichtlinie 94/9/EG (Atex) schreibt die Vermeidung von wirksamen Zündquellen im explosionsgefährdeten Bereich vor und nennt u.a. mechanische Funken und heiße Oberflächen als Zündgefahr [1]. Die zu ergreifenden Maßnahmen werden jedoch nicht in der Richtlinie sondern in den harmonisierten europäischen Normen beschrieben. Aufgrund dieser normativen Lage haben sich für Tauchpumpen, im Vergleich zu den bisherigen nationalen (deutschen) Regelungen der VbF, erhebliche Änderungen ergeben [2]. Für Tauchpumpen der Kategorie 1 zum Einsatz in Zone 0 wird im Folgenden ein allgemeines Sicherheitskonzept beschrieben.

Für Pumpen, die dem früheren deutschen VbF-Konzept entsprechen, wurde keine Zündgefahrenbewertung gefordert. Diese Pumpen verfügen über eine Rücklaufleitung zum Auffangen und Rückführen von Leckagen aus der Gleitringdichtung. Eine andere Leitung dient als Temperaturausgleich und führt eine definierte Bypassmenge zum Tank zurück. Um die Verlustleistung verteilen zu können, ist eine Mindestsumpfmenge im Tank vorhanden. Die Zündgefahr aufgrund von heißen Oberflächen soll dadurch vermindert werden. Die Bypass- und Rückführleitungen sind durch Flammensperren gesichert, saugseitig wird die Pumpe mit einem Fußventil als autonomes Schutzsystem bestückt.

Diese Schutzsysteme sollen einen Flammendurchschlag von außen in den Tank verhindern. Als zusätzliche Maßnahmen werden ein Strömungswächter zur Absicherung der Minimumfördermenge und eine mit dem Tankinhalt gefüllte Tauchtasse zur Begrenzung der Pumpenoberflächentemperatur eingesetzt. Ein Trockenlauf der Pumpe, durch den sich eine Zündgefahr ergeben könnte, wird somit auf ein Minimum reduziert.

Veränderte Normenanforderungen für nichtelektrische Geräte
Die Änderungen, die aus dem neuen gesetzlichen Ansatz folgen, resultieren vor allem aus den veränderten und europäisch harmonisierten Normenanforderungen für nichtelektrische Geräte. Mit der Methode der Altgeräte, die Verlustleistung über die Bypassleitung in den Tank abzuleiten und das Mindestsumpfvolumen als Wärmekapazität zu nutzen, wird keine Beharrungstemperatur erreicht. Dies wäre jedoch erforderlich, um bei den heutigen Einsatzbedingungen eine Temperaturklasse zu bestimmen.

Außerdem reduziert die Bypassmenge den Wirkungsgrad der Pumpe. Die Flammensperren erzeugen einen Strömungswiderstand und sind aufgrund ihrer Konstruktion empfindlich gegenüber Verunreinigungen. Deshalb müssen sie regelmäßig gereinigt werden. Die Fußventile können aufgrund von Verunreinigungen geöffnet bleiben. Ihre effektive Funktion als Schutzsystem kann daher nicht unter allen Umständen sichergestellt werden.

Zündgefahren müssen detailliert untersucht werden
Um die nichtelektrischen Bauteile der Pumpe nach dem neuen Konzept der Atex bewerten zu können, müssen die Zündgefahren detailliert untersucht werden. Bei der Bewertung der potenziellen Zündquellen werden die Häufigkeit des Auftretens und die Zündfähigkeit der Zündquelle herangezogen. Es ist zu entscheiden, ob ein sicherer Betrieb des Gerätes ohne den Einsatz von Schutzsystemen möglich ist. Weiterhin ist zu überlegen, ob zusätzlich die Verwendung eines autonomen Schutzsystems, z.B. aufgrund der anforderungen nach TRbF 20, zwingend erforderlich ist [3].

Das Beispiel einer nicht vollständigen Zündgefahrenbewertung für eine Tauchpumpe der Kategorie 1 ist in Tabelle 1 dargestellt, die mit der Online-Version des Artikels abgerufen werden kann. Für Geräte der Kategorie 1 müssen auch seltene Störungen sowie Zündgefahren, die sich aufgrund von zwei zu erwartenden Störungen ergeben, berücksichtigt werden. Kombinationen zweier seltener Störungen oder einer seltenen Störung in Kombination mit einer zu erwartenden Störung sind nicht mehr zu berücksichtigen. In diesen Fällen wird die Zündgefahr als ausreichend unwahrscheinlich angesehen. Die Bilder 2 und 3 zeigen in Auszügen das Ergebnis einer Zündgefahrenbewertung gemäß der Norm EN 13463-1 [4]. Für den sicheren Betrieb der Pumpe kommt u.?a. die Zündquellenüberwachung nach EN 13463-6 zum Einsatz [5]. Hierbei müssen Sensoren, Auswertegeräte und Stellglieder sowie der Schaltvorgang in einem sicheren Zustand als gesamte Messkette berücksichtigt werden. Zusätzlich ist die Geschwindigkeit, mit der eine potenzielle Zündquelle zur wirksamen Zündquelle werden kann, zu beachten. Das Zündschutzsystem muss über ein ausreichendes Ansprechvermögen, inklusive Sicherheitsfaktoren, verfügen.

Kombination von Parametern zur Zündquellenüberwachung
Durch die Kombination verschiedener Überwachungsparameter und unter Verwendung von Komponenten mit einer nachgewiesenen Ausfallsicherheit wird die Zündquellenüberwachung realisiert. Eine Füllstandsüberwachung im Tank stellt sicher, dass während des Betriebes der Pumpe eine ausreichende Flüssigkeitsüberdeckung gewährleistet ist. Der erste Trockenlauf bis zum Ansprechen des Strömungswächters wurde bei dem Konzept berücksichtigt. Der Wächter stellt eine gewisse Mindestdurchflussmenge sicher. Eine Temperaturüberwachung am Pumpenkörper verhindert, dass sich das Pumpengehäuse unzulässig erwärmt. Die gesamte Sicherheitskette wird im Rahmen von Wartungsmaßnahmen regelmäßig überprüft.

Bei diesem Konzept ist ein Ausfall der Überwachungseinrichtungen als seltene Störung zu betrachten. Der gleichzeitige Ausfall mehrerer Überwachungseinrichtungen ist ausreichend unwahrscheinlich. Durch diversitäre Überwachung der Pumpe wird ein sicherer Betrieb auch bei seltenen Störungen erreicht.

Schlussendlich muss die geschützte Pumpe über eine ausreichend niedrige Fehlerrate verfügen und der sichere Betrieb durch regelmäßige Überprüfung im Rahmen der Wartungsmaßnahmen sichergestellt werden.

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Heftausgabe: Februar 2010

Über den Autor

Dipl.-Ing. (FH) Matthias Himstedt, PTB; Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Konrad, Dickow Pumpen
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