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In dem hier vorgestellten Projekt wurde die Wirksamkeit mechanischer Schläge als Zündquelle für wasserstoffhaltige Atmosphären in Abhängigkeit von der inhomogenen Materialpaarung systematisch untersucht. Dabei wurden praxisrelevante Materialien wie Edelstahl, niedrig legierter Stahl, Beton und Nichteisenmetalle betrachtet. Es wurde festgestellt, dass eine Zündung vermieden werden kann, wenn Nichteisenmetalle in Kombination mit verschiedenen metallischen Werkstoffen verwendet werden. In Kombination mit Beton muss die kinetische Schlagenergie auch mit Nichteisenmetallen weiter begrenzt werden, um eine wirksame Entzündung zu vermeiden. Außerdem wurde untersucht, wie sich die Beimischung von Wasserstoff zu Erdgas auf die Wirksamkeit mechanischer Stöße als Zündquelle auswirkt. Bei Beimischungen von bis zu 25 % Wasserstoff und sogar mehr konnte kein Einfluss festgestellt werden. Die Ergebnisse sind vor allem relevant im Zusammenhang mit der Umwidmung des Erdgasnetzes oder der Beimischung von Wasserstoff im Erdgasnetzes.
Bei Geräten und Maschinen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen gemäß 2014/34/EU muss in der europäischen Union eine Zündgefahrenbewertung durchgeführt werden. Dabei müssen unter anderem die Gefahren von nichtelektrischen Zündquellen betrachtet werden, zu denen auch die mechanischen Schlagvorgänge gehören.
Bei mechanisch erzeugten Schlag-, Schleif- und Reibvorgängen kommt es infolge des Zusammenstoßes bzw. des Reibens zweier Werkstücke bzw. Bauteile zu einer Umwandlung der kinetischen Energie. Dabei erhöht sich die Temperatur der Werkstoffe an der Kontaktstelle und es kommt unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel erhöhter Temperatur. Sowohl die heißen Kontaktstellen (Zündquelle "heiße Oberflächen") als auch die abgetrennten Partikel (Zündquelle "mechanisch erzeugte Funken") können eine wirksame Zündquelle für ein explosionsfähiges Gasgemisch darstellen.
Zur Festlegung von Grenzwerten wurden in der Norm DIN EN ISO 80079-36:2016 die Gasgemische anhand ihrer Explosionsgruppe klassifiziert und zu jeder Gruppe die maximale Energie des Schlagvorgangs festgelegt, unter derer die Entstehung einer wirksamen Zündquelle als unwahrscheinlich angenommen werden kann.
Ferner finden sich in der TRGS 723 Hinweise zum Umgang mit funkenarmen Werkzeugen im explosionsgefährdeten Bereich.
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.
Im Projekt HySpark wird die Wirksamkeit mechanischer Schlagvorgänge beim Aufprall von unterschiedlichen Werkstoffen als Zündquelle für wasserstoffhaltige Atmosphären experimentell untersucht. Zum Einen wird die Zündwirksamkeit bei Wasserstoff/Luft-Gemischen in Abhängigkeit der Werkstoffpaarung untersucht. Dabei konnte v.a. festgestellt werden, dass bei Schlagvorgängen von Nicht-Eisen-Metallen mit verschiedenen Stahlsorten die wirksame Zündung vermieden werden kann. Jedoch können bei Schlagvorgängen mit Estrichbeton hohe Zündwahrscheinlichkeiten beobachtet werden. Zum anderen wird der Einfluss von Wasserstoffbeimischungen im Erdgasnetz auf die Zündwirksamkeit von mechanischen Schlägen untersucht. Bei Anteilen bis 25% Wasserstoff konnte bei den Versuchen kein Erhöhung der Zündwahrscheinlichkeit festgestellt werden.
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.
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.
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.
Edelstahl ist für Geräte für die Verwendung zum bestimmungsgemäßen Gebrauch im explosionsgefährdeten Bereich insbesondere in der Chemie ein wichtiger Konstruktionswerkstoff. Hersteller von Geräten für den bestimmungsgemäßen Gebrauch in explosionsfähigen Bereichen müssen, wenn sie unter die Richtlinie 94/9/EG fallen, für das Inverkehrbringen in EU-Mitgliedsstaaten eine Konformitätsbewertung durchführen. Dazu gehört eine Zündgefahrenbewertung, bei der auch nichtelektrische Zündquellen betrachtet werden müssen, zu denen die mechanischen Schlagvorgänge gehören. Bei dieser Zündquellenart kommt es infolge des Schlages eines Bauteils auf ein anderes zu einer Energieumwandlung. Dadurch kommt es zu einer Temperaturerhöhung an der Kontaktstelle sowie unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel. Sowohl die heißen Reibflächen als auch die abgetrennten Partikel stellen potentielle Zündquellen explosionsfähiger Atmosphären dar.
Die Ergebnisse des Forschungsprojektes "Entwicklung normativer Anforderungen an explosionsgeschützte nichtelektrische Geräte resultierend aus der Zündfähigkeit mechanisch erzeugter Schlagfunken (NAMES)" 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.
Der Anteil der mechanischen Zündungen an allen Unfällen bei Staub/Luft-Gemischen wird von Bartknecht mit rund 30 % beziffert. Am Beispiel von Ex-Ventilatoren wurden viele Unfälle mit zum Teil erheblichen Zerstörungen an den strömungstechnischen Anlagen in einer Publikation von Witt aufgezeichnet, deren nachgewiesene oder vermutete Ursache mechanische Zündquellen mit etwa ähnlich hohem Anteil wie bei den Stäuben waren.
Edelstahl ist für Geräte für die Verwendung zum bestimmungsgemäßen Gebrauch im explosionsgefährdeten Bereich insbesondere in der Chemie ein wichtiger Konstruktionswerkstoff. Hersteller von Geräten für den bestimmungsgemäßen Gebrauch in explosionsfähigen Bereichen müssen, wenn sie unter die Richtlinie 94/9/EG fallen, für das Inverkehrbringen in EU-Mitgliedsstaaten eine Konformitätsbewertung durchführen. Dazu gehört eine Zündgefahrenbewertung, bei der auch nichtelektrische Zündquellen betrachtet werden müssen, zu denen die mechanischen Schlagvorgänge gehören. Bei dieser Zündquellenart kommt es infolge des Schlages eines Bauteils auf ein anderes zu einer Energieumwandlung. Dadurch kommt es zu einer Temperaturerhöhung an der Kontaktstelle sowie unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel. Sowohl die heißen Reibflächen als auch die abgetrennten Partikel stellen potentielle Zündquellen explosionsfähiger Atmosphären dar.
Für Werkzeuge im Ex-Bereich wird gelegentlich sogenanntes „funkenarmes Werkzeug aus schwer oxidierbaren NE-Metallen verwendet.
Bisherige Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass von Schlagvorgängen zwischen Bauteilen aus unlegiertem Baustahl eine erhebliche Zündgefahr von explosionsfähigen Gasgemischen ausgehen kann (Grunewald et al., 2010). Dabei ging diese Gefahr insbesondere von oxidierten Partikeln aus, die während des Schlagvorgangs abgetrennt wurden. In industriellen Anwendungen wird jedoch häufig Edelstahl statt unlegiertem Baustahl verwendet. Die geringere Oxidationsfähigkeit des Edelstahls könnte zu einer geringeren Zündfähigkeit von Schlagvorgängen mit Edelstahl im Vergleich zu Schlagvorgängen mit unlegiertem Baustahl führen
Die Ergebnisse des Forschungsprojektes „NAMES 2104“ 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 niedrigen maximalen Schlagenergien bis 60 J sogar eine mitunter höhere relative Zündhäufigkeit beobachtet werden als bei Versuchen mit unlegiertem Baustahl.
Unsere bisherigen Untersuchungen lassen sich in zwei Stufen unterteilen. Eine erste Analyse /L-13/ ermittelte für alle Explosionsgruppen den Zusammenhang zwischen Schlagenergie, Ge-mischzusammensetzung, Oberflächenrauhigkeit der Schlagplatte und Zündwahrscheinlichkeit, wobei als Schlagenergie die Werte W = 3 Nm, 10 Nm und 190 Nm dienten. Die aktuelle Analyse hat die statistische Erfassung von Verhalten und Zündfähigkeit einzelner abgetrennter Partikel unter dem Einfluss von Schlagenergie und Gemischzusammensetzung zum Ziel
Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der kinetischen Schlagenergie und der Zünd-wahrscheinlichkeit: Je höher die kinetische Schlagenergie, umso höher die Wahrscheinlichkeit zur Erzeugung zündfähiger mechanischer Stahl-Schlagfunken.
Für die Gemische der IEC-Explosionsgruppe IIC bedeutet das eine signifikante Zunahme der Zündwahrscheinlichkeit durch Stahl-Schlagfunken von 1,5 % (für Wasserstoff) bis 3,0 % (für Ace-tylen) bei W = 10 Nm auf 100 % bei W = 190 Nm. Bei Ethylen beträgt die Zunahme der Zünd-wahrscheinlichkeit von 0 % auf 16,6 % und bei Propan von 0 % auf 6,7 %. Diese Abhängig¬keiten sind in Abb. 1 dargestellt.
Unterhalb einer kinetischen Schlagenergie von 3 Nm konnten mit der angewendeten Schlagki-nematik, Schlaggeometrie und Werkstoffen keine zündfähigen mechanisch erzeugten Stahl-Schlagfunken erzeugt werden.