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Organisationseinheit der BAM
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In diesem Beitrag wird auf Unfälle im Zusammenhang mit Atemschutzgeräten, welche gerade nicht im Einsatz zum Zwecke des Beatmens verwendet werden, eingegangen. Die häufigsten Fehler bei der Bedienung bzw. beim Handling dieser Geräte werden beschrieben.
Es wird darauf eingegangen, welche Ereigniskette im "worst case" die wahrscheinlichste ist und wann welche Maßnahmen ergriffen werden sollten, um die Unfallfolgen zu begrenzen bzw. den Unfall gänzlich zu vermeiden.
Beim Abreißen von Flaschenventilen an Atemluftflaschen wird schlagartig sehr viel Energie frei. Im Beitrag wird auf Unfälle im Zusammenhang mit Atemschutzgeräten, welche gerade nicht im Einsatz verwendet werden, eingegangen. Es wird beschrieben, welche die häufigsten Fehler bei der Handhabung solcher Geräte sind, was im schlimmsten Fall passieren kann und an welchen Stellen welche Maßnahmen ergriffen werden sollten, um die Unfallfolgen zu begrenzen bzw. den Unfall zu vermeiden.
In Deutschland gibt es eine große Anzahl von Kraftfahrzeugen, die mit alternativen Antrieben (z. B. LPG (Liquefied Petroleum Gas), CNG (Compressed Natural Gas)) ausgerüstet sind. In zahlreichen Großversuchsserien untersucht die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Rahmen des internen Forschungsprojekts CoFi-ABV (Complex Fires – Auswirkungen von Behälterversagen) die Auswirkungen beim Versagen der Treibstoffbehälter dieser alternativen Antriebe. Ziel dieser Untersuchungen ist eine ganzheitliche Auswirkungsbetrachtung, um die Risiken für Feuerwehren und Rettungskräfte besser abschätzen zu können. Im Vorfeld zu den Versuchen für LPG- und CNG-Tanks wurden in einer weiteren Versuchsserie 15handelsübliche 11-kg-Propangasflaschen ohne Sicherheitseinrichtung unterfeuert. Alle 15 Behälter haben – wie zu erwarten war – versagt. Neben den Zustandsdaten des Behälters zum Versagenszeitpunkt (Temperatur des Behältermantels, Innendruck und -temperatur) wurden die Auswirkungen auf die Umgebung hinsichtlich Druckwirkung und Fragmentierung (Anzahl, Masse, Distanz, Richtung) dokumentiert.
Immer wieder werden Feuerwehren bei Einsätzen mit brandbeaufschlagten Propan- und Acetylenflaschen konfroniert. Im Falle eines Behälterversagens stellen diese eine enorme Gefährdung für die Einsatzkräfte dar. Die BAM beschäftigt sich seit vielen Jahren mit den Auswirkungen im Falle eines solchen Behälterversagens. Der Beitrag stellt die Arbeit der BAM auf diesem Gebiet vor und zeigt verschiedene Handlungsoptionen auf, um das Risiko für die Einsatzkräfte zu verrringern. Weiterhin werden zwei Merkblätter zu brandbeaufschlagten Druckgasbehältern vorgestellt, welche zusammen mit der DGUV im Jahr 2018 herausgegeben werden.
Das Einsatzspektrum von den besonders leichten Druckbehältern aus Faserverbund-werkstoffen erweitert sich kontinuierlich. Dies führt dazu, dass mit der erweiterten Verwendung auch die thermisch zulässigen Einsatzgrenzen dieser Behälter ausgeschöpft und sogar teilweise überschritten werden. So können bspw. Atemluftflaschen im Brandeinsatz der Feuerwehr an der Behälteroberfläche derart hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt werden, dass die zulässige Höchsttemperatur von 65 °C um bis zu 185 °C überschritten wird.
Diese Arbeit untersucht und bewertet die Auswirkungen dieser erhöhten thermischen Betriebslasten auf die Typ-III-Atemluftflasche. Dieser Behältertyp besteht aus einem Innenbehälter aus Aluminium, der von einem Faserverbundwerkstoff umschlossen ist.
Durch Analyse der thermischen Betriebslasten in ausgewählten Anwendungsbereichen und durch experimentelle Temperaturversuche an Probebehältern konnte gezeigt werden, dass bei der Brandbekämpfung die untersuchten Atemluftflaschen lokal über das in der Zulassung abgeprüfte Temperaturspektrum erhitzt werden. Der Glasübergangsbereich des Faserverbundwerkstoffs wird partiell um bis zu 95 °C überschritten. Um die reale Sicherheit der Atemluftflasche bewerten zu können, wurde ein analytisches Hybridbehältermodell entwickelt, das die Beanspruchungen mit validierten Materialtemperaturverläufen berechnet. Mit der Einbindung von Schädigungsansätzen konnte ein bisher nicht hinreichend beachtetes thermisches Degradationsverhalten in den Berechnungen berücksichtigt werden. Die sicherheitstechnische Bewertung basierte auf der Gegenüberstellung der Beanspruchungen aus den realen Betriebsbelastungen und abzuprüfenden Zulassungskriterien. Zudem wurden insgesamt 90 altersbedingt ausgesonderte Feuerwehr-Atemluftflaschen zerstörend geprüft, um nähere Erkenntnisse über den Sicherheitszustand am Ende der Lebenszeit zu erhalten. Die Versuche wurden ebenfalls zur Validierung der Schädigungsansätze genutzt.
Als Ergebnis der Arbeit wird am Beispiel des untersuchten Baumusters gezeigt, dass die Sicherheit dieser Atemluftflasche am Lebensende noch hinreichend ist. Jedoch konnte an einigen Exemplaren dieses großzügig dimensionierten Baumusters eine erhöhte Abnahme der Festigkeit festgestellt werden. Sollten Atemluftflaschen auf die vorgeschriebenen Normanforderungen optimiert werden, d.h. weniger überdimensioniert sein, wäre dem thermisch bedingten Sicherheitsverlust eine erheblich detailliertere Aufmerksamkeit zu widmen.
Ausgehend von der Verschiebung wesentlicher rechtlicher Grundlagen zum Explosionsschutz von der Betriebssicherheitsverordnung in die Gefahrstoffverordnung nennt der Beitrag die Maßnahmen des Explosionsschutzes bei Einsätzen der Feuerwehr. Für die häufigen Einsatztypen wird das Explosionsschutzkonzept unter Berücksichtigung der Beladung des aktuellen Gerätewagen Gefahrgutes beschrieben. Es kann als Vorlage für eine individuell für die Feuerwehr zu erstellende Gefährdungsbeurteilung (Explosionsschutzdokument) nach Paragraf 9 Absatz 4 Gefahrstoffverordnung dienen.
Die BAM hat zum Verhalten von Acetylen- und Propangasflaschen bei einer Vollunterfeuerung umfangreiche Versuchsreihen zur Auswirkungsbetrachtung des Behälterversagens auf dem TTS durchgeführt. In Zusammenarbeit mit verschiedenen Partnern entstanden zwei Merkblätter mit praktischen Hinweisen für Einsatzkräfte, die die aktuellen Forschungsarbeiten der BAM berücksichtigen.
Die BAM hat zum Verhalten von Acetylen- und Propangasflaschen bei einer Vollunterfeuerung umfangreiche Versuchsreihen zur Auswirkungsbetrachtung des Behälterversagens auf dem TTS durchgeführt. In Zusammenarbeit mit verschiedenen Partnern entstanden zwei Merkblätter mit praktischen Hinweisen für Einsatzkräfte, die die aktuellen Forschungsarbeiten der BAM berücksichtigen.
Der Vortrag stellt die für Feuerwehr-Einsatzkräfte relevanten Ergebnisse einer Versuchsreihe von 15 11kg-Progangasflaschen, die im Rahmen einer Unterfeuerung auf dem TTS zum Versagen gebracht wurden, vor. Die Auswirkungen Fragmentwurf, Wärme-strahlung und Druckwirkung werden dargestellt. Die Versuche bilden die Grundlage für eine Anpassung der taktischen und sicherheits-relevanten Vorgaben zum Vorgehen bei solchen Einsatzlagen.
Der Vortrag stellt die für Feuerwehr-Einsatzkräfte relevanten Ergebnisse einer Versuchsreihe von 15 11-kg-Progangasflaschen, die im Rahmen einer Unterfeuerung auf dem TTS zum Versagen gebracht wurden, vor. Die Auswirkungen Fragmentwurf, Wärmestrahlung und Druckwirkung werden dargestellt. Die Versuche bilden die Grundlage für eine Anpassung der taktischen und sicherheitsrelevanten Vorgaben zum Vorgehen bei solchen Einsatzlagen.
Immer wieder werden Feuerwehren bei Einsätzen mit brandbeaufschlagten Acetylenflaschen konfrontiert. Im Falle eines Behälterversagens stellen diese eine enorme Gefährdung für die Einsatzkräfte dar. Die BAM beschäftigt sich seit vielen Jahren mit den Auswirkungen im Falle eines solchen Behälterversagens. Der Beitrag stellt die Arbeit der BAM auf diesem Gebiet vor und zeigt verschiedene Handlungsoptionen auf, um das Risiko für die Einsatzkräfte zu verrringern. Weiterhin wird ein Merkblatt zu brandbeaufschlagten Acetylenflaschen vorgestellt, welche zusammen mit der DGUV im Jahr 2018 herausgegeben werden.
In einer Großversuchsserie wurden auf dem BAM-TTS 15 11-kg-Propangasflaschen ohne Sicherheitseinrichtung mit drei verschiedenen Methoden (Holz, Benzinpool, Gas) unterfeuert. Der Beitrag beschreibt die dokumentierten Auswirkungen (z. B. Fragmentierung, Überdruck), die Art des Versagens sowie den Behälterzustand zum Zeitpunkt des Versagens.
In einer Großversuchsserie wurden auf dem BAM-TTS 15 11-kg-Propangasflschen ohne Sicherheitseinrichtung mit drei verschiedenen Methoden (Holz, Benzinpool, Gas) unterfeuert. Der Vortrag präsentiert die dokumentierten Auswirkungen (z. B. Fragementierung, Überdruck), die Art des Versagens sowie den Behälterzustand zum Zeitpunkt des Versagens.
Ziel des Vorhabens war es, den Einfluss der realen Temperaturbelastung auf Atemschutzflaschen und Lithiumbatterien in Funkgeräten (FG) im Löscheinsatz von Rettungskräften zu ermitteln und deren Auswirkung auf die Alterung und Lebensdauer sowie die potenziellen Gesundheitsgefahren bei deren Nutzung besser beurteilen zu können und Handlungshilfen abzuleiten.
Im Rahmen dieses Vorhabens wurden zum einen unterschiedlich thermisch gealterte Composite-Atemluftflaschen systematisch hinsichtlich ihrer Restfestigkeiten untersucht. Zum anderen wurden Lithiumbatterien aus FG hinsichtlich der Einwirkung von kritischen Temperaturen untersucht, ab denen es zu einem thermischen Durchgehen der Batterien kommen kann. Für diese beiden wichtigen Komponenten, Lithiumbatterien und Composite-Atemluftflaschen, wurden kritische Temperatur-Zeit-Profile ermittelt, die Auswirkungen durch geeignete Methodiken untersucht und die sich ergebenden Gefährdungen für den Träger bewertet.
Als Methodische Vorgehensweise wurden durch Realversuche die tatsächlichen und zuvor durch Literatur-recherche ermittelten Temperaturprofile verifiziert und auf deren Grundlage die Laborbelastungen abgeleitet. Um den Eigenschaften der aus Faserverbundwerkstoffen hergestellten Composite-Atemluftflaschen Rechnung zu tragen, wurden an zwei repräsentativen Baumustern unterschiedlicher Hersteller Stichprobengruppen unterschiedlicher thermischer Belastung ausgesetzt und hinsichtlich ihrer verbleibenden Restfestigkeitsabnahme geprüft und mit thermisch unbelasteten Baumustern verglichen. Neben den statischen Berstversuchen wurden auch kombinierte Alterungs- und Restfestigkeitsuntersuchungen an zyklisch belasteten Behältern durchgeführt.
Die FG wurden thermisch sowohl statischen als auch zyklischen Belastungen ausgesetzt und mit Kapazitätsmessungen begleitet. Die statischen Versuche dienten dem Zweck, die maximale thermische Belastbarkeit der Akkus zu ermitteln, bei der noch kein Versagen auftritt. Bei den zyklischen Versuchen wurde der Temperaturverlauf bei Löscheinsätzen so nah wie möglich im Labor nachgestellt. Hierbei wurden die Akkus wiederholt einem Belastungsprofil mit konstanter Temperatur ausgesetzt und nach einigen Intervallen die Restkapazitäten am Akku gemessen und so die Degradation bestimmt.
Als Fazit der im Rahmen dieses Vorhabens durchgeführten Untersuchungen an zwei repräsentativen Baumustern von Atemschutzflaschen kann gefolgert werden, dass die thermischen Belastungen abhängig vom Baumuster einen z.T. deutlichen Einfluss auf die Restfestigkeiten der Atemschutzflaschen haben. Höhere thermische Exposition ist, zumindest an den untersuchten Atemschutzflaschen, deutlich zu erkennen und die Flaschen können durch die zuständigen Gerätewarte leicht ausgesondert und ersetzt werden. Die thermischen Belastungen, wie sie im Rettungseinsatz auftreten, waren für die untersuchten Atemschutzflaschen und die Rettungskräfte nicht kritisch sind. Die langjährige Erfahrung etablierter Hersteller dürfte hier aber nicht ohne Einfluss sein. Es ist somit kein Grund erkennbar, von der Verwendung der leichteren Typ 4 Atemschutzflaschen abzuraten, wenn Atemschutzflaschen, die visuell erkennbare thermische Einwirkungen (Farbänderungen, Materialschmelzungen o.ä.) aufweisen, unmittelbar ersetzt werden.
Die Ergebnisse an den FG zeigen, dass trotz hoher Temperaturen keine Selbstentzündung der Lithiumbatterien ausgelöst wird. Der Kapazitätsverlust der Batterien infolge der Belastung führt ebenfalls nicht zu einem Funktionsausfall. Es konnte gezeigt werden, dass die Kapazitätsbestimmung als zuverlässiges und geeignetes Kriterium für die Sicherheitsbewertung der Akkus herangezogen werden kann, wenn die Kapazitätsmessung bei gleichbleibenden Bedingungen (gleiche Raumtemperaturen, gleiche Messgeräte, etc.) stattfindet. Es wird empfohlen, die Akkus ab einer Restkapazität von unter 80% zu tauschen. Als schnelle und sehr einfache Überprüfung kann eine Sichtprüfung an den FG stattfinden. Die im Projekt verwendeten FG zeigten eine Verformung der Kunststoffhülle bei zu hohen Belastungen.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb hat es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten.
Um die Beanspruchungen innerhalb des Behältermaterials berechnen zu können wird in diesem dritten Teil der Aufsatzreihe die Entwicklung eines analytischen Hybrid-Behältermodells vorgestellt, in dem die für den Brandeinsatz zu erwartenden Materialtemperaturen, deren Ermittlung im Fokus des ersten und zweiten Teils dieser Untersuchungsreihe standen, eingebunden werden. Dabei werden im Modell erstmalig Schädigungsmechanismen berücksichtigt, die eine thermische Überbelastung des Faserverbundwerkstoffs einbeziehen.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden im Feuerwehrbetrieb hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Der thermisch sichere Bereich dieser Behälter ist jedoch heutzutage noch nicht einschätzbar. Deshalb haben es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe werden genutzt, um einzuschätzen, ob es sicherheitstechnisch notwendig ist, besondere thermische Betriebsbedingungen in normativen Prüfkriterien zu berücksichtigen.
In einem ersten Schritt wurden Typ-III-Atemluftflaschen der Berliner Feuerwehr Umgebungsbedingungen des typischen Belastungsprofils der Brandbekämpfung (130 °C bis 250 °C, 10 Minuten) ausgesetzt, um die Erwärmung des Behältermaterials zu erfassen. Da die Größe der bestrahlten Oberfläche in einem Brandeinsatz nicht bekannt ist, erfolgte zusätzlich eine Variation der Strahlungsexposition. Strömungsprozesse, die in einem Brandeinsatz den Behälter von innen kühlen, wurden in diesem ersten Untersuchungsabschnitt noch nicht betrachtet.
Es konnte gezeigt werden, dass der Aluminium-Liner einer Typ-III-Atemluftflasche einen erheblichen Einfluss auf die Temperaturverteilung im Behältermaterial ausübt. Die hohe Leitfähigkeit des Aluminiums führt bei Verringerung der bestrahlten Behälteroberfläche zu hohen Temperaturgradienten innerhalb der Behälterwand. Die Materialtemperaturen in der Atemluftflasche konnten für das Belastungsprofil der Brandbekämpfung auf ein typisches Temperaturintervall eingegrenzt werden. Die Grenzen liefern Aussagen zur exponierten Behälteroberfläche und liegen zwischen einseitiger und Vollbestrahlung.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb haben es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten.
In diesem zweiten Teil der Untersuchungsreihe werden Strömungsversuche dargestellt, die an dem untersuchten Baumuster einer Typ-III-Atemluftflasche unter Laborbedingungen durchgeführt wurden. Basierend auf den Wärmestrahlungsversuchen des ersten Teils dieser Untersuchungsreihe und auf den Strömungsversuchen wird ein analytischer Berechnungsansatz vorgestellt, der die instationäre Temperaturentwicklung im Material der Typ-III-Atemluftflasche konservativ annähert.
Anhand der berechneten Materialtemperaturen kann festgestellt werden, dass unter dem typischen Feuerwehr-Belastungsprofils von 130 °C bis 250 °C die Zulassungstemperatur der Typ-III-Atemluftflasche von 65 °C um bis zu 95 °C überschritten werden kann. Aus diesen Temperaturüberschreitungen können zwei Unsicherheiten identifiziert werden. Die Auslegung des Faserverbundwerkstoffs orientiert sich normgerecht an der oberen Zulassungstemperatur. Wird die Typ-III-Atemluftflasche im Brandeinsatz eingesetzt, ist es möglich, dass der lasttragende Faserverbundwerkstoff partiell über seinen nominellen Auslegungsbereich hinaus erwärmt wird. Eine weitere Unsicherheit ergibt sich für den Sicherheitsnachweis im Rahmen der Zulassungsprüfung. Für die Typ-III-Atemluftflaschen erfolgen für den Temperaturbereich des Brandeinsatzes kein statischer und kein dynamischer Festigkeitsnachweis.