Explosionsschutz im Glasanlagenbau

1. Anforderungen an den Betrieb von verfahrens-technischen Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen

Beim Betrieb chemischer Anlagen ist die Vermeidung einer explosionsfähigen Atmosphäre in und um eine solche Anlage nicht immer möglich.
Um dennoch Anlagen in solchen Bereichen, auch Zonen genannt, sicher betreiben zu können, werden  erhebliche Anstrengungen unternommen, um Zündquellen sicher zu vermeiden. Die Auflagen hierfür werden von Richtlinien der Europäischen Union vorgegeben, die national umgesetzt werden müssen. Für die Genehmigung einer solchen Anlage sind Auflagen sowohl vom Hersteller ATEX 114, Direktive 2014/34/EU als auch vom Betreiber ATEX 137, ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG einzuhalten.

1.1. Anforderungen an den Hersteller

Der Hersteller fertigt die Anlagen entsprechend dem Produktsicherheitsgesetz. Basierend auf den vom Betreiber zu definierenden ATEX-Zonen inner- und außerhalb der Anlagen, wird die Anlage vom Hersteller entsprechend ATEX 114 ausgerüstet und dokumentiert. Diese Dokumentation 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 ATEX 114-Leitlinie um eine verfahrenstechnische Anlage und somit um eine Kombination aus einzelnen Geräten handelt.

Die einzelnen Geräte einer verfahrenstechnischen QVF® Glasanlage, die potentielle elektrische oder mechanische Zündquellen sein könnten, sind entsprechend der ATEX 114 zertifiziert und mit einem CE-Zeichen versehen.

So sind zum Beispiel die QVF® Rührwerke mit Gleitringdichtungen, QVF® Temperatur- und QVF® Drucksensoren entsprechend der ATEX 114-Richtlinie für die Gerätekategorie 1 (Tabelle 1), Gerätegruppe II und die Explosionsgruppe II (Tabelle 2) für den Innenraum zertifiziert. Sie können somit verwendet werden, wenn innerhalb der Anlage nach ATEX 137 die Zone 0 definiert ist. Um die Anlage herum bzw. im Außenraum muss jedoch die Zone 1 bzw. 2 definiert sein, da diese Geräte im Außenraum der QVF® Glasanlage der Gerätekategorie 2 entsprechen.

1.2. Anforderungen an den Betreiber

Der Betreiber der Anlage muss die Auflagen der Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) erfüllen. Daher sind vom Betreiber auch die Regeln der Technischen Richtlinie für Betriebssicherheit 2153 (TRGS 727) beim Betrieb der Anlage innerhalb einer ATEX-Zone zur Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen zu beachten, um der ATEX 137 zu genügen. Der Hersteller bereitet die Anlage apparativ auf die vom Betreiber genannten ATEX-Zonen vor und liefert die herstellerseitig notwendige Apparatedokumentation für das Explosionsschutzdokument. Die Auflagen der BetrSichV können somit vom Betreiber erfüllt und ein sicherer Betrieb der QVF® Anlage kann gewährleistet und dokumentiert werden.

2. Ursachen von elektrostatischen Zündgefahren in verfahrenstechnischen Anlagen

Die Ursache für elektrostatische Aufladungen in verfahrenstechnischen Apparaturen ist die Reibungselektrizität, die beim aneinander Reiben von zwei unterschiedlichen Materialien dazu führt, dass sie sich gegensätzlich aufladen können. Entsprechend können sich ein fluides Medium und eine Wandung, z. B. beim Strömen des Mediums durch ein Rohr, gegensätzlich aufladen. Kommt es zu hohen bzw. gefährlichen Aufladungen, kann es zu elektrostatischen Entladungen bzw. Funken kommen, die explosionsfähige Atmosphären zünden können. Daher sind gefährliche Aufladungen in explosionsgefährdeten Bereichen zu vermeiden. Beispielhaft sind in Tabelle 3 ladungserzeugende Prozesse in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit von Flüssigkeiten genannt, bei denen es zu Aufladungen kommen kann. Eine Sicherheitsbetrachtung für den jeweiligen Fall muss vom Betreiber durchgeführt werden. Normalerweise entstehen gefährliche elektrostatische Aufladungen nur bei Flüssigkeiten mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit. Aufladungen lassen sich somit auch häufig vermeiden, indem man – wenn möglich – den Flüssigkeiten Additive wie z.B. lösliche Salze zusetzt, die zum Teil schon in Konzentration im ppm-Bereich die Leitfähigkeit ausreichend erhöhen.

Darüber hinaus  gibt es Prozesse, die generell als stark ladungserzeugend eingestuft werden – siehe Tabelle 4.
Entsprechend sollte man diese Prozessführung vermeiden, begrenzt durchführen bzw. besondere Schutzmaßnahmen ergreifen.

3. Apparative Maßnahmen zur Vermeidung von elektrostatischen Zündgefahren in verfahrenstechnischen Anlagen

Entstehen Aufladungen aufgrund der Reibungselektrizität dann können Aufladungen durch Influenz auch an räumlich entfernten, leitenden Gegenständen hervorgerufen werden. Als beiden Aufladungen entgegenwirkende Maßnahmen kommen insbesondere die Erdung von leitfähigen Materialien32 und die Vermeidung von isolierenden Materialien33 in Betracht34. In welchem Umfang diese Maßnahmen ergriffen werden müssen, hängt davon ab, in welchem Ausmaß ladungserzeugende Prozesse in und um die Anlage ablaufen.

Die im Weiteren vorgestellten apparativen Maßnahmen entsprechen der TRGS 727, um bei den gegebenen Einsatzbedingungen Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen zu vermeiden.

Solche apparativen Maßnahmen sind jedoch nur notwendig, wenn z.B. in der Apparatur keine Inertisierung gewährleistet ist bzw. um die Apparatur mit einem zündfähigen Gemisch zu rechnen ist.

3.1. Potentialausgleich

Sind leitenfähige Komponenten geerdet oder ableitfähige Komponenten mit Erde verbunden können sie sich nicht aufladen und stellen somit keine Zündgefahren mehr dar. Um dies im Sinne der TRGS 727 zu realisieren, reicht es, Ströme von bis zu 10sicher ableiten zu können. Für diese geringen Stromstärken genügt als Erdung schon eine schlecht leitende Verbindung mit einem relativ hohen Widerstand von 10Ω. Diese Erdung nach TRGS 727 ist nicht mit der Erdung elektrischer Geräte nach DIN VDE 0100-200:2006-06 zu vergleichen, die auch wesentlich höhere Ströme sicher ableiten muss. Im Weiteren wird daher anstelle des Begriffs „Erdung nach TRGS 727" der Begriff „Potentialausgleich“ verwendet. Beim Potentialausgleich kann entweder jede Komponente einzeln oder leitfähig untereinander verbundene Komponenten gemeinsam mit Erde verbunden werden. Die Leitung des Potentialausgleichs ist eindeutig durch eine gelb/grün-gestreifte Farbgebung zu kennzeichnen40 - siehe Abb.1.

3.2. Vermeidung von isolierenden Materialien

Isolierende Materialien können durch ladungserzeugende Prozesse gefährlich aufgeladen werden. Diese Ladungen lassen sich von isolierenden Materialien nicht über einen Potentialausgleich abführen. Daher werden zum einen isolierende Materialien durch leitfähige oder ableitfähige Materialien ersetzt und zum anderen isolierende Materialien leitend oder ableitfähig beschichtet. Sowie die leitfähigen Materialien bzw. ableitfähigen Oberflächen an einen Potentialausgleich gelegt werden ist deren gefährliche Aufladung nicht mehr möglich.

3.3. Maßnahmen bei nicht ladungserzeugenden Prozessen

Es sind keine Potentialausgleichsmaßnahmen notwendig und die Verwendung isolierender Materialien zulässig, wenn eine gefährliche Aufladung im Innen- und Außenraum der Anlage sicher ausgeschlossen werden kann oder dies durch experimentelle Versuche belegt ist.

3.4. Maßnahmen bei stark ladungserzeugenden Prozessen

Wenn hingegen mit stark ladungserzeugenden Prozessen (siehe Tabelle 4) zu rechnen ist, sind apparative Maßnahmen notwendig, um gefährliche Aufladungen in explosionsgefährdeten Bereichen sicher zu vermeiden. Unabhängig von der ATEX-Zone sind in diesen Fällen alle leitenden und ableitfähigen Gegenstände in der Nähe dieses Prozesses mit einem Potentialausgleich zu versehen. Nichtleitende Materialien sind generell zu vermeiden und durch leitfähige, ableitfähige oder ableitfähig beschichtete Materialien zu ersetzen.

3.5. Maßnahmen bei ladungserzeugenden Prozessen

Wenn ladungserzeugende Prozesse nicht gänzlich ausgeschlossen werden können, und wenn die Prozesse nicht als stark ladungserzeugend einzustufen sind (siehe z. B. Tabelle 1), können apparativ abgestufte Vorkehrungen gegen gefährliche elektrostatische Aufladungen getroffen werden. In diesen Fällen sollen die Oberflächen nichtleitender Materialien nur begrenzt werden und leitende bzw. ableitfähige Gegenstände erst ab einer gewissen Kapazität  mit einem Potentialausgleich versehen werden. Wie groß die Oberflächen nichtleitender Materialien sein dürfen, und welche leitfähigen und ableitfähigen Gegenstände mit einem Potentialausgleich versehen werden müssen, hängt von der ATEX-Zoneab und wird von der TRGS 727 bestimmt

3.5.1. Potentialausgleich in QVF® Glasanlagen

Leitfähige Komponenten in QVF® Glasanlagen sind z. B. Metallflansche wie sie in Abb.1 zu sehen sind. Diese Flansche stehen nicht in Kontakt mit den in der Anlage strömenden Medien und können deshalb nur durch Influenz aufgeladen werden. Die mögliche Aufladung eines leitenden Gegenstandes hängt von dessen elektrischer Kapazität ab. Je nach Zone und Explosionsgruppe sind unterschiedlich hohe Kapazitäten zulässig, bei denen auf einen Potentialausgleich verzichtet werden kann. Die TRGS 727 nennt für die Zonen 2, 1IIA und 1IIB einen Richtwert von 10pF als höchstzulässige Kapazität und schreibt unter diesen Bedingungen einen Potentialausgleich für Metallflansche erst ab der Nennweite DN50 vor. In der Zone 0 und 1 IIC müssen hingegen alle Metallflansche unabhängig von ihrer Nennweite mit einem Potentialausgleich versehen sein.
Die Notwendigkeit eines Potentialausgleichs in Abhängigkeit von der Zone und Explosionsgruppe wird in Abb.2 dargestellt.

Aufgrund der Vielzahl der in einer Glasanlage vorhandenen Flanschverbindungen wurde bei der Gestaltung der QVF® SUPRA-Flanschverbindungen (Abb.4+5) größter Wert auf einen leicht zu montierenden und sicheren Potentialausgleich gelegt. Die korrosionsbeständigen Edelstahlflanschverbindungen werden nach der Montage der Flanschverbindung (Abb.5) aufeinanderfolgend leitend verbunden, indem ein fortlaufender 1,5 mm starker Edelstahldraht in einfachster Weise durch das Drehen der gespannten Feder (Pos.1 in Abb.5) elektrisch leitend fest mit dem Edelstahlflanschring (Pos.2 in Abb.5) verklemmt wird. Diese Klemmverbindung ist korrosionsbeständig und nur mit einem Werkzeug zu lösen. Da dieser Potentialausgleich zudem einen Widerstand von weniger als 10Ω aufweist entspricht er den Vorgaben der TRGS 727. An geeigneter Stelle werden die untereinander verbundenen Komponenten an Erde gelegt. Ein weiterer Vorteil der QVF® SUPRA-Line ist die Verwendung eines durchgehenden Drahtes für den Potentialausgleich. Dadurch kommt es nicht zu einer Unterbrechung des gesamten Potentialausgleichs aller miteinander verbundenen Flansche, wenn nur an einem Flansch die Klemmverbindung gelöst wurde.
Andere leitfähige Komponenten in QVF® Glasanlagen sind z. B. die Flansche von Faltenbälgen, Ventile, Rührwerke, Sensoren, Halterungen und Gestelle, die alle mit Anschlussmöglichkeiten für einen Potentialausgleich ausgestattet sind.

Ladungen innerhalb der Anlage werden von ableitfähigen Medien selbst und entlang von ableitfähigen inneren Glasoberflächen über ableitfähige PTFE-Komponenten abgeführt, die mit einem Potentialausgleich versehen sind.Innerhalb von Glasrohrleitungen ist die ableitfähige PTFE-Gelenkdichtung die universelle Lösung für diesen Anschluss, da sie wo notwendig an nahezu jeder Stelle platziert werden kann.

3.5.2. Vermeidung isolierender Oberflächen in QVF® Glasanlagen

Isolierende Oberflächen findet man in Glasanlagen auf Bauteilen aus Kunststoffen wie PTFE und unter bestimmten UmständenA auf äußeren Glasoberflächen. Diese isolierenden Oberflächen sind zu vermeiden bzw. zu begrenzen.
PTFE- bzw. Kunststoff-Komponenten können in einer ableitfähigen z. B. mit Leitpigmenten versetzten Version bzw. leitfähig beschichteten Version verwendet werden, so dass deren Oberflächen nicht mehr als isolierend zu betrachten sind.
Äußere Glasoberflächen können ableitfähig mit der QVF® SECTRANS-Beschichtung gestaltet werden. Im Inneren von Glasanlagen sind hingegen laut TRGS 727 die gleichen Maßnahmen zu treffen wie in ableitfähigen Einrichtungen, wenn Medien in der Anlage verwendet werden, die zu einer ableitfähigen inneren Glasoberfläche führen.  Ansonsten muss z.B. inertisiert werden.

3.5.2.1. Ableitfähige QVF® SECTRANS-Beschichtung für Borosilicatglas

Für Glasapparaturen verwendetes Borosilikatglas 3.3 ist hydrophil. Der sich dadurch z. B. bei einer rel. Luftfeuchte von 50% und einer Temperatur von 23°C bildende Oberflächenfilm setzt den Oberflächenwiderstand auf 10Ω herab. Unter diesen Bedingungen werden Glasapparaturen durch Vorgänge wie z.B. Reiben von außen nicht gefährlich aufgeladen sowie eine ableitfähige Verbindung zu Erde hergestellt ist. Bei einer rel. Luftfeuchte unter 50% und bei Temperaturen über 50°C verschwindet dieser Wasserfilm, so dass zusätzliche apparative Maßnahmen gegen gefährliche Aufladungen der äußeren Glasoberfläche ergriffen werden müssen, wenn die Glasanlage in der Zone 0 oder 1 IIC betrieben werden soll (Abb.6). Eine solche Maßnahme ist z. B. die ableitfähige QVF® SECTRANS-Beschichtung (Abb.7), die einen Oberflächenwiderstand von weniger als 10Ω aufweist. Dieser Oberflächenwiderstand wird nach DIN IEC 93 VDE 0303 T30 bei jeder beschichteten QVF®-Glaskomponente gemessen und dessen Zulässigkeit durch eine Plakette mit dem Datum der Messung auf der Beschichtung bestätigt. Die Montage der Edelstahlschellenringverbindung bis DN300 auf ableitfähig beschichteten Komponenten erfolgt ohne die Silikonunterlage (Pos.3 in Abb.5, S.6). Die ableitfähige Beschichtung ist somit leitend über die VA-Beilage (Pos.5 Abb.5, S.6) mit dem Edelstahlflanschring (Pos.2 der Abb.5, S.6) der QVF® SUPRA-Line verbunden, so dass Oberflächenladungen sicher und in einfacher Weise über den Edelstahldraht, der mit der Flanschverbindung geklemmt befestigt ist, abgeführt werden können. Bei Bauteilen ab der Nennweite DN450 erfolgt der Potentialausgleich der Beschichtung entweder über die Edelstahlflanschverbindung an einem Seitenstutzen kleinerer Nennweite oder über ein zusätzliches Erdungsband, das direkt auf die Beschichtung aufgelegt wird.
Neben der Vermeidung einer Zündquelle bietet die QVF® SECTRANS-Beschichtung zum einen den Schutz der Glasoberfläche vor mechanischen Beschädigungen und zum anderen u. U. eine mögliche Restentleerung der Anlage im Falle eines Glasbruchs.Die ableitfähige Beschichtung, die im Wesentlichen aus Polyurethan besteht, ist weitgehend chemikalien- und witterungsbeständig. Die Beschichtung eines nicht isolierten Glasbauteils ist bis zu einer Betriebstemperatur von 160°C langzeitstabil.

3.5.2.2. QVF® Komponenten aus ableitfähigem PTFE

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3.5.2.2.1. Dichtungen – 9GG – 9GR

Die Universaldichtung (Pos.4 in Abb.5, S.6 und Abb.9, S.7) der QVF® SUPRA-Line kann sowohl für Kugel/Pfanne- als auch Plan/Plan-Flanschverbindungen (Abb.12) eingesetzt werden. Das Auswahldiagramm in Abb.13 zeigt, dass nur Dichtungen der Nennweite DN300 und größer gegebenenfalls aus ableitfähigem Material bestehen müssen. Für die Klassifizierung in Zone 1 und 2 wurde die jeweils größere der inneren / äußeren projizierten Oberfläche herangezogen. Die ableitfähigen PTFE-Dichtungen sind mit einer Lasche ausgerüstet, um sie mit einem Potentialausgleich versehen zu können (Abb.14).

3.5.2.2.2. Gelenkdichtungen – 9GA

Gelenkdichtungen (Abb.16) erlauben die totraumarme Auswinkelung einer QVF® SUPRA-Planflanschverbindung. Sie bestehen produktseitig aus einer PTFE-Hülle, die von drei Edelstahlringen gestützt wird. Das Auswahldiagramm in Abb.15 zeigt, dass Gelenkdichtungen bis einschließlich DN40  erst ab Zone 1 IIC  und Zone 0 innen mit einem Potentialausgleich verbunden werden müssen. Gelenkdichtungen DN50 und größer müssen immer mit einem Potentialausgleich versehen sein. Dieser erfolgt mit einer Metalllasche, die am mittleren der drei Edelstahlringe angebracht ist. Zusätzlich müssen zum Beispiel in Zone 0 IIC innen die Gelenkdichtungen DN40 und größer ableitfähig ausgeführt werden.

3.5.2.2.3. Faltenbälge – 9BW

Mit Faltenbälgen (Abb.18) werden z. B. temperaturbedingte Längenänderungen unterschiedlicher Materialien innerhalb der Anlage ausgeglichen und so Spannungen im Glas vermieden. Die QVF® Faltenbälge bestehen aus PTFE, die über Edelstahlflansche mit den Rohrleitungen verbunden werden. Da die projizierten Oberflächen senkrecht zur Strömungsrichtung deutlich größer sind als bei den o.g. Dichtungen werden die Faltenbälge schon ab geringeren Nennweiten mit ableitfähigem PTFE benötigt (Abb.17). Für die Faltenbälge mit Vakuumstütze gilt die gleiche Abb.17. Der Faltenbalg ist direkt leitend mit dem Metallflansch verbunden, der wiederum über die Schrauben Kontakt zum Edelstahlflanschring der Verbindung hat. Der Potentialausgleich erfolgt genau wie bei der Edelstahlflanschverbindung über den durchgehenden Edelstahldraht, der mit der Feder in der Nut des Flanschrings eingeklemmt wird.

 3.5.2.2.4. Faltenbalgventile – 3VO, 3VD, 3VV

Die Faltenbalgventile (Abb.19/20) der QVF® SUPRA-Line können sowohl zum Absperren als auch zur groben Regelung eingesetzt werden. Das Ventiloberteil ist aus Edelstahl gefertigt und hat über eine buntmetallfreie Spindel elektrisch leitenden Kontakt zum PTFE-Faltenbalg. Die Ventiloberteile DN40 sind identisch mit denen der Nennweite DN50. Dies hat zur Folge, dass je nach Zone außerhallb der Anlage auch die Ventile der Nennweite DN40 mit einem Potentialausgleich versehen werden müssen - siehe Abb.22. Der Anschluss des Potentialausgleichs erfolgt am Ventiloberteil. Hierbei wird derselbe durchgehende Edelstahldraht am Ventiloberteil geklemmt, der auch mit den Edelstahlflanschringen verbunden ist. Die Fixierung des Edelstahldrahts erfolgt am Ventil mit angeflanschtem Ventiloberteil (Abb.19) wie bei der QVF® SUPRA-Flanschverbindung. Am Ventil mit glattem Ventiloberteil wird er mit einer Schraube verklemmt (Abb.20). Die Zone außerhalb der Apparutur ist entsprechend Abb.22 auch maßgebend dafür, ob die Glasgehäuse der Ventile ableitfähig beschichtet werden müssen. Die Wahl des PTFE's für den Ventilfaltenbalg ist hingegen unabhängig von der Zone außerhalb der Apparatur, da der wesentliche Teil des Ventilfaltenbalgs im Glasgehäuse sitzt und er somit nur in der Apparatur durch Reibungselektrizität aufgeladen werden kann. Der Abb.21 lässt sich entnehmen bei welchen Zonen in der Apparatur die Ventilfaltenbälge aus ableitfähigem PTFE bestehen müssen.

Als kompetenter Partner an Ihrer Seite beraten wir Sie gerne und stellen Ihnen die passenden Lösungen zur Verfügung, damit Sie Ihren Prozess sicher umsetzen und dokumentieren können.

QVF® Glasanlagen für alle EX-Zonen.