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Organisationseinheit der BAM
Üblicherweise werden Werkzeuge für den industriellen Einsatz aus hochlegierten Chromstählen hergestellt. Für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen werden oft Werkzeuge aus speziellen Nichteisen-Metalllegierungen (NE-Metall) verwendet. Für diese sogenannten funkenarmen Werkstoffe und deren mögliche Schlagpartner gibt es bisher keine umfassenden Untersuchungen mit Aussagen zur Zündwahrscheinlichkeit.
Die TRGS 723, Abschn. 5.15, fordert den Nachweis der Funkenfreiheit der verwendeten Werkstoffpaarung. Jedoch sind Werkzeuge keine Geräte oder Schutzsysteme im Sinne der Richtlinie 2014/34/EU. Deshalb ist es nicht möglich, Werkzeuge in Übereinstimmung mit dieser Richtlinie zu zertifizieren. Der Nachweis der Erfüllung dieser Anforderungen ist durch Zertifizierungen im sogenannten "gesetzlich nicht geregelten" Bereich möglich. Die BAM bietet diese Zertifizierung für "Funkenarme Werkzeuge" im Rahmen ihres Zertifizierungsprogrammes an.
Die bisherigen Ergebnisse der hier vorgestellten Untersuchung haben gezeigt, dass es keine funkenfreien, metallischen Werkzeuge (non-sparking Tools) gibt. Entscheidend ist im Hinblick auf die TRGS 723, ob zündfähige Funken entstehen oder nicht. Es ist immer die Frage, worauf die Werkzeuge im praktischen Anwendungsfall schlagen oder fallen gelassen werden können, d.h. aus welchem Material der mögliche Schlagpartner besteht. Dies können metallische Schlagpartner, aber auch Betonoberflächen sein. Unterschiedliche Kombinationen von Werkstoffen ergeben bei Schlagbeanspruchung im explosionsgefährdeten Bereich jeweils unterschiedliche Zündwahrscheinlichkeiten. Aber auch die Höhe der beim Einsatz der Werkzeuge möglichen kinetischen Schlagenergie und der Brenngas/Luft-Atmosphäre im betreffenden explosionsgefährdeten Bereich sind wichtige Einflussgrößen.
Mechanisch erzeugte Schlagfunken stellen in explosionsgefährdeten Bereichen eine potentielle Zündquelle dar. Eine Vielzahl von mechanischen und reaktionskinetischen Einflüssen verursacht dabei eine komplexe Interaktion von Parametern, von deren Auswirkung auf die Zündwahrscheinlichkeit bislang wenig bekannt ist. Die statistisch erfassten Eigenschaften von Schlagfunken in dieser Untersuchung lassen auf stochastische Prozesse schließen, bei denen die Anzahl der durch einen Schlagprozess abgetrennten Partikel und deren Oxidationsverhalten sowie die Höhe der kinetischen Schlagenergie entscheidenden Einfluss auf die Zündwahrscheinlichkeit hat.
Statistisch belastbar konnte in Ergänzung zum BAM Forschungsbericht 279 durch empirische Untersuchungen erstmals die Zündwahrscheinlichkeit von mechanisch erzeugten Stahl-Schlagfunken mit der Werkstoffpaarung unlegierter Stahl/unlegierten Stahl von W = 3 Nm bis 277 Nm ermittelt werden. Ferner wurde die Zündfähigkeit von durch energiereiche Schlagvorgänge (≥ 190 Nm) abgetrennten nicht oxidierten Partikeln erhöhter Temperatur in überstöchiometrischen Gemischen nachgewiesen. Während eine eindeutige Korrelation von Schlagenergie und Zündwahrscheinlichkeit sowie eine Korrelation von Schlagenergie und Anzahl abgetrennter Partikel festgestellt wurden, lieferte die Untersuchung in Hinblick auf die gemessenen einzelnen Parameter (wie z. B. Anzahl, Größe, Geschwindigkeit, mögliche Oxidation und Oxidationszeit und –verhalten der Partikel im Zusammenhang zur Schlagenergie und zur Zündwahrscheinlichkeit) kein eindeutiges Ergebnis. Auch eine Hauptkomponentenanalyse (PCA), die die Interaktion der einzelnen Parameter berücksichtigt, konnte keine spezifische Kombination messbarer Eigenschaften der Partikel finden, die mit einer deutlichen Erhöhung der Zündwahrscheinlichkeit korreliert.
Die funkenerzeugenden Prozesse der Reib- und Schlagfunken konnten über gezielte Betrachtungen und einen schmalen Bereich der Parameterbreite der jeweiligen Zündquelle verglichen werden. So zeigten Versuche bei einem Volumenanteil von c ≤ 10 % H2 und somit sehr kurzen Reibzeiten (t < 1,0 s) ähnliche Ergebnisse bezüglich der Funkenentstehung sowie der Zündwahrscheinlichkeiten. Durch die unterschiedlichen funkenerzeugenden Mechanismen werden Schlagfunken jedoch schneller und bei geringeren Schlagenergien bzw. bei deutlich geringeren Leistungsdichten erzeugt.
In Wasserstoff/Luft-Atmosphären bis 10 % H2 sinkt mit geringer werdendem Wasserstoffanteil sowohl bei Kurzzeit-Reib- als auch bei Schlagvorgängen die Zündwahrscheinlichkeit. Bei Konzentrationen über 10 % H2 steigt nur bei Reibschlagvorgängen die Zündwahrscheinlichkeit. Dies liegt an der Zunahme des Einflusses der heißen Oberfläche bei gleichzeitig sinkender Oxidationsmöglichkeit der heißen Partikel durch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff bedingt durch den verminderten Sauerstoffgehalt im Gemisch.
Temperaturmessungen bestätigen trotz der verkürzten Reibzeit Temperaturen von über 400 °C, die zur Entstehung von Funken aus unlegiertem, ferritischem Stahl notwendig sind.
Eine sinnvolle und praxisgerechte Bewertung der Zündwahrscheinlichkeiten erscheint für Schlagfunken über das Energiekriterium und für Reibfunken über das Leistungskriterium möglich.
Experimentelle Untersuchungen zu streifenden Schlägen mit verschiedenen Edelstahlsorten in explosionsfähigen Atmosphären, jeweils bestehend aus Wasserstoff, Acetylen, Ethylen bzw. Propan mit Luft, haben gezeigt, dass deren Zündwahrscheinlichkeit sowohl von der Art des Brenngas-Gemisches als auch der Höhe der kinetischen Schlagenergie abhängt. Ein Einfluss des Chromgehaltes im Edelstahl auf die Zündwahrscheinlichkeit durch mechanisch erzeugte Schlagvorgänge konnte in dem untersuchten Bereich des Chromgehaltes nicht nachgewiesen werden, obwohl ein steigender Chromgehalt die Oxidationsfähigkeit abgetrennter Partikel erhöhter Temperatur tatsächlich senkt. Ferner haben weitere Werkstoffeigenschaften wie die Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität, Dichte und Härte einen Einfluss auf die Zündwahrscheinlichkeit mechanischer Edelstahl-Schlagvorgänge bei Wasserstoff/Luft-Gemischen. Mit steigender Wärmeleitfähigkeit des Edelstahls sinkt die Zündwahrscheinlichkeit. Für die spezifische Wärmekapazität, Dichte und Härte konnte kein Einfluss nachgewiesen werden. Für Schlagvorgänge wurden in der Norm EN 13463-1:2009 Grenzwerte für die maximale kinetische Schlagenergie festgelegt, unterhalb derer die Entstehung einer wirksamen Zündquelle als unwahrscheinlich angenommen werden kann. Dabei wurde zwischen Schlagvorgängen mit funkenarmen Metallen, wie z. B. Kupfer, Messing, und Schlagvorgängen mit sogenannten „sonstigen Werkstoffen“ unterschieden. Die Grenzwerte dieser sonstigen Werkstoffe resultieren aus Versuchen der BAM mit unlegiertem Baustahl. Bei solchen Schlagvorgängen wird von Oxidationsprozessen einzelner Partikel mit dem Luftsauerstoff ausgegangen, die das Gasgemisch aufgrund des hohen Temperaturanstiegs entzünden. In industriellen Anwendungen wie zum Beispiel der chemischen Industrie wird jedoch statt ferritischem Stahl überwiegend Edelstahl verwendet. Im Allgemeinen gilt mit Chrom hochlegierter Edelstahl bei Schlagvorgängen gegenüber ferritischem Stahl als funkenärmer, da die Oxidationsfähigkeit von Edelstahlpartikeln mit steigendem Chromgehalt abnimmt. Aufgrund der abnehmenden Oxidationsfähigkeit postulierte Voigtsberger, dass abgetrennte Edelstahlpartikel mit einem Anteil von 18,11 % Chrom nicht mehr oxidieren können. Bei den eigenen Schlagversuchen der BAM konnte zwar eine sinkende Oxidationsfähigkeit der Partikel, aber keine abnehmende Zündwirksamkeit von Edelstählen mit steigendem Chromgehalt beobachtet werden.
Die Konformitätsbewertung als Voraussetzung für das Inverkehrbringen von Geräten, die in den Geltungsbereich der Europäischen Richtlinie 94/9/EG fallen, bedarf einer Zündgefahrenbewertung, die auch die Gefahren durch 'mechanisch erzeugte Funken' berücksichtigen muss. In einem Forschungsvorhaben wurden in diesem Zusammenhang die von Edelstahlschlagfunken ausgehenden Zündgefahren untersucht.
Geräte für den bestimmungsgemäßen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen müssen die Anforderungen der europäischen Richtlinie 94/9/EG (Explosionsschutzrichtlinie) erfüllen. Die Erfüllung dieser Anforderungen wird in der EG-Konformitätserklärung des Herstellers dokumentiert. Grundlage für die Bewertung der Konformität ist die Zündgefahrenbewertung, die im Wesentlichen die Identifizierung und Bewertung möglicher Zündquellen beinhaltet. In den der Richtlinie 94/9/EG nach geordneten einschlägigen Normen, z. B. EN 1127-1 und EN 13463-1 ff., sowie in der BGR 104 (Regeln für das Vermeiden der Gefahren durch explosionsfähige Atmosphäre mit Beispielsammlung (Explosionsschutz-Regeln - EX-RL) sind die 13 möglichen Zündquellenarten aufgelistet. Die mechanisch erzeugten Funken stellen hierbei eine von diesen möglichen Zündquellenarten dar.
Aussagen über die Zündwirksamkeit und insbesondere Zündwahrscheinlichkeit von mechanisch erzeugten Schlagfunken in Abhängigkeit von der jeweiligen Brenngas/Luft- Atmosphäre bei bekannter kinetischer Schlagenergie lassen sich nach dem bisherigen Kenntnisstand nur sehr vage formulieren. Eine umfangreiche Literaturrecherche auf diesem Gebiet bestätigte diesen Mangel, der sowohl bei der Zündgefahrenbewertung als auch bei der Erstellung und Novellierung des für den Explosionsschutz einschlägigen Regelwerkes problematisch ist.
Im Maschinenbau und in der Verfahrenstechnik werden zum Bau u. a. von nichtelektrischen Geräten und Schutzsystemen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosions-gefährdeten Bereichen häufig Baustähle verwendet. Daher war es das Ziel der Forschungsarbeit, statistisch gesicherte Werte für die Zündwahrscheinlichkeit von Stahl-Schlagfunken in Abhängigkeit von der kinetischen Schlagenergie und der Mindestzündenergie der verwendeten Brenngas/Luft-Gemische zu ermitteln. Die Untersuchungen zur Entstehung mechanisch erzeugter zündfähiger Schlagfunken erfolgten mit Hilfe von Schlagfunkenmaschinen bei drei kinetischen Schlagenergiewerten.
Folgende Ergebnisse wurden für die Referenzbrenngase der IEC-Explosionsgruppen bei unterschiedlichen Gemischzusammensetzungen mit Luft erzielt:
1. Unterhalb der kinetischen Schlagenergie von 3 Nm konnten mit der im Rahmen dieser Untersuchung angewendeten Schlagkinematik und Schlaggeometrie keine zündfähigen mechanisch erzeugten Stahl-Schlagfunken erzeugt werden.
2. Bereits mit einer kinetischen Schlagenergie von 10 Nm konnten einzelne mechanisch erzeugte Stahl-Schlagfunken durch Oxidationsvorgänge des abgetrennten Teilchens zur gefährlichen Zündquelle werden. Die Versuche haben weiterhin gezeigt, dass dies für Brenngasgemische der IEC-Explosionsgruppe IIC (z. B. Acetylen und Wasserstoff) mit Luft mit einer Zündwahrscheinlichkeit im einstelligen Prozentbereich zutrifft. Literaturangaben zufolge können Explosionen aber auch für Brenngasgemische der Explosionsgruppe IIB (z. B. Ethylen) mit Luft nicht sicher ausgeschlossen werden.
3. Mit der vergleichsweise hohen kinetischen Schlagenergie von 190 Nm wurden alle Brenngas/Luft-Gemische unabhängig von einer stattfindenden Oxidation des Teilchens durch einen einzigen Schlagvorgang zur Explosion gebracht. Dabei lag die Zündwahrscheinlichkeit bei 100 % für Brenngasgemische der IEC-Explosionsgruppe IIC mit Luft. Für Brenngasgemische der IEC-Explosionsgruppen IIA (z. B. Propan und Benzindampf) und I (z. B. Methan) mit Luft fiel die Zündwahrscheinlichkeit bis in den einstelligen Prozentbereich ab.
Die experimentellen Untersuchungen haben weiter gezeigt, dass die Zündfähigkeit mechanisch erzeugter Funken grundsätzlich von einer Vielzahl von Einflussgrößen abhängig ist. Eine Interpolation der Ergebnisse zwischen den kinetischen Schlagenergien von 10 Nm und 190 Nm ist daher nicht möglich.
Für zukünftige Untersuchungen ist deshalb eine Fortführung der Arbeiten u. a. mit weiteren kinetischen Schlagenergien vorgesehen. Diese Ergebnisse können ferner zur Validierung von numerischen Simulationen herangezogen werden.
Die Ergebnisse des Forschungsprojektes zeigen, dass Schlagvorgänge mit Edelstählen eine erhebliche Zündgefahr von explosionsfähigen Brenngasgemischen darstellen können. Dabei bestehen jedoch mitunter deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Brenngasgemischen. Besonders hohe Zündwahrscheinlichkeiten konnten bei Brenngasgemischen mit Brenngasen der IEC-Explosionsgruppe IIC beobachtet werden, die Acetylen bzw. Wasserstoff als Brenngas enthielten. Schläge im Wasserstoff/Luft-Gemisch waren dabei jedoch bedeutend zündwirksamer. In diesem Gasgemisch konnte bei nied-rigen maximalen Schlagenergien bis 60 J sogar eine mitunter höhere relative Zündhäufigkeit beobachtet werden als bei Versuchen mit unlegiertem Baustahl.