Heft 1: 15. BAM-PTB-Kolloquium zur chemischen und physikalischen Sicherheitstechnik

Michael Beyer, Thomas Schendler

Seit über 30 Jahren veranstalten PTB und BAM gemeinsam die Kolloquien zu Fragen der chemi- schen und physikalischen Sicherheitstechnik. Die Veranstaltung führt die interessierten Kreise auf dem Gebiet des Explosionsschutzes zusammen, insbesondere die Hersteller explosionsgeschütz- ter Geräte und Schutzsysteme, die Betreiber von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen sowie die Behördenvertreter, Sachverständigen und For- schungspartner. In teils wissenschaftlichen, teils anwendungsorientierten Beiträgen präsentierten beide Bundesanstalten wieder Berichte zu aktuel- len Entwicklungen und Forschungsergebnisse aus ihrem gemeinsamen Arbeitsbereich. Schwerpunkte der Fachvorträge bilden traditionell die Themen- gebiete „Stoffeigenschaften“, „Zündquellen“ und „Explosionsvorgänge“. Ein besonderer Blick gilt bei diesem Kolloquium den Ringvergleichen zwischen Laboratorien auf nationaler und internationaler Ebene. Abgerundet wurde das Programm durch eine Poster-Ausstellung.

Martin Schmidt , René Erdt, Markus Gödde, Steffen Salg, Lisa Ittemann

Vorgestellt wird ein 2018 gestartetes Projekt zur Überprüfung der Extrapolation von im Labormaßstab ermittelten Selbstentzündungstemperaturen auf technisch relevante Volumina. Für die Ermittlung reaktionskinetischer Daten von Feststoffschüttungen stehen eine Reihe von Untersuchungsmethoden zur Verfügung. Dies sind thermische Analysen wie z. B. die differential scanning calorimetry DSC sowie Mikrokalorimetrie zur hochgenauen Messung von Wärmeströmen, bei denen sehr geringe Probenmengen zum Einsatz kommen. In der Regel wird das Selbstentzündungsverhalten jedoch mithilfe von isoperibolen oder adiabaten Warmlagerungsversuchen beurteilt, hier liegen die Probenvolumina üblicherweise im Bereich von ca. 100 cm³ bis zu einigen Litern. Die Extrapolation über mehrere Größenordnungen auf technische Volumina birgt Unsicherheiten, da mit Zunahme des Lagervolumens veränderte Start- und Randbedingungen vorliegen können. Zudem besteht die Möglichkeit, dass bei in technischen Lagern vorherrschenden niedrigen Temperaturen Reaktionen ablaufen, die in Standard- Laborversuchen nicht erfasst werden, aber einen wesentlichen Einfluss auf das Selbstentzündungsverhalten aufweisen können. Hauptziel des Projektes ist es daher, die im Labormaßstab vorhandenen Prüfeinrichtungen durch einen Versuchsstand zur Untersuchung von Probengrößen von bis zu 1000 dm³ zu erweitern, die Eignung (oder Nichteignung) der etablierten Methoden nachzuweisen und im Labormaßstab nicht erfassbare Einflussgrößen zu ermitteln. Zudem sollen anhand der kleinskaligen Tests Entscheidungskriterien abgeleitet werden, ob eine Extrapolation nach den derzeit üblichen Methoden zulässig ist.

Carsten Uber, Michael Hilbert

Elektrische Entladungen, die bei öffnenden elektrischen Kontakten, wie beispielsweise beim Ziehen einer Steckverbindung, auftreten können, sind eine Zündquelle in explosiven Atmosphären. In der Zulassungspraxis werden solche Entladungen im sogenannten IEC-Funkenprüfgerät zur Prüfung nach dem Zündschutzkonzept „i“ Eigensicherheit erzeugt. Die stark streuenden Ergebnisse dieses Gerätes und die noch nicht vollständig verstandene Physik der Kontaktvorgänge erfordern eine verbesserte Prüfmethode. Diese soll die für die Zündung relevante elektrische Entladung an der Zündgrenze nachbilden, um diese reproduzierbarer bestimmen zu können.

Für die Analyse der physikalischen Vorgänge, die zur Zündung führen, ist eine spezielle Kontaktvorrichtung entwickelt worden. Damit können die Entladungen > 200 μm Länge und mit einer Dauer von > 500 μs an einer bestimmbaren Position erzeugt und untersucht werden.

Für die Entladungen an der Zündgrenze bei niedrigen Spannungs- und Stromwerten (max. 30 V, 30 bis 100 mA Konstantstrombegrenzung) sind die Bedingungen für die Erzeugung ermittelt worden. Das sind die Rauheit auf der Kontaktoberfläche, die langsame Kontaktöffnungsbewegung und eine geeignet regelnde Spannungsquelle mit Konstantstrombegrenzung. Damit sind für diese Entladungen an der Zündgrenze die Strom-Spannungs-Kennlinie, das Spektrum mit dominierenden Linien von Cadmium- Metalldampf sowie die Temperaturverläufe ermittelt worden.

Enis Askar, Aksam Abdelkhalik, Detlev Markus, Thomas Stolz, Elisabeth Brandes

Die Explosionsbereiche für Dreistoffsysteme aus Brennstoff, Inertgas und Luft wurden nach dem Modell der konstanten adiabatischen Flammentemperaturprofile berechnet. Für die Parametrisierung des halbempirischen Modells muss der Explosionsbereich für ein bestimmtes Dreistoffsystem aus Brennstoff, Inertgas und Luft bekannt sein. Dann lassen sich Explosionsbereiche desselben Brennstoffs mit einem beliebigen Inertgas und bei einer beliebigen Temperatur berechnen. Ergänzend zu früheren Arbeiten, in denen die Explosionsbereiche für Brenngase aus der homologen Reihe der Alkane und Alkene berechnet worden sind, wurden nun die Berechnungen für 1-Propanol, Aceton und Difluormethan durchgeführt. Als Inertgase wurden neben Stickstoff und Kohlendioxid auch die Edelgase Argon und Helium berücksichtigt. Für die Berechnung der Explosionsbereiche in Systemen mit Helium, ist das Modell erweitert worden, so dass auch die Transporteigenschaften (d. h. Wärmeleitfähigkeit, Diffusionskoeffizient) der Komponenten berücksichtigt werden. Weiterhin ist eine Möglichkeit zur praxisnahen Berechnung der Spitze des Explosionsbereichs implementiert worden. Die Ergebnisse zeigen insgesamt, dass die Berechnung der Explosionsbereiche für Alkohole, Ketone und halogenierte Kohlenwasserstoffe mit ähnlicher Genauigkeit wie für Alkane und Alkene möglich ist. Die vorgenommenen Modifikationen sind geeignet, um auch eine Berechnung für Gasgemische mit Helium durchzuführen, dessen starke inertisierende Wirkung im Vergleich zu den Inertgasen Argon oder Stickstoff vor allem auf den stark unterschiedlichen Transporteigenschaften beruht.

Tim Krause, Jia Wu, Detlev Markus

Die Teilnahme an Ringvergleichsprogrammen ist eine Anforderung der ISO/IEC 17025 und IECEx für Prüflaboratorien im Bereich des Explosionsschutzes hinsichtlich der Notwendigkeit ihre Kompetenz nachzuweisen. Es ermöglicht eine Leistungsbewertung der Prüflaboratorien für spezifische Prüfungen oder Messungen und hilft Unterschiede zwischen den Laboren zu identifizieren. Darüber hinaus ist es ein wirksames Instrument, um die Vergleichbarkeit von Prüf- und Messverfahren zu untersuchen. Die Bestimmung des Explosionsdruckes ist eine wesentliche Messgröße für die Prüfung und Beurteilung elektrischer Betriebsmittel in der Zündschutzart druckfeste Kapselung. Aufgrund dessen wurde zwischen 2017 und 2018 das Ringvergleichsprogramm „Explosion Pressure – Test Round 2017“ entwickelt und umgesetzt. Während dieses Programms führten 65 internationale Prüflaboratorien Explosionsdruckmessungen an vordefinierten Prüfmusterkonfigurationen nach der IEC 60079-1 durch. Die Analyse und Auswertung der Ergebnisse hat ergeben, dass obwohl die Prüflaboratorien die gleichen technischen Standards verwenden und die Prüfungen nach einer vorgegebenen Verfahrensanweisung durchführten, die resultierenden Explosionsdrücke gewissen Schwankungen unterliegen. Die Gründe dafür sind mannigfaltig und werden in dieser Arbeit betrachtet. Abschließend werden notwendige Konsequenzen diskutiert, um die Vergleichbarkeit der Prüflaboratorien bei der Bestimmung von Explosionsdrücken in Zukunft zu verbessern.

Peter Lüth, Kirstin Frost, Lutz Kurth, Marcus Malow, Martin Schmidt, Heike Michael-Schulz, Steffen Uhlig, Sabine Zakel

Prävention beginnt im Prüflabor, wenn Chemikalien auf ihre gefährlichen Eigenschaften getestet werden. Dazu sind Prüfmethoden entwickelt und veröffentlicht worden, die heute weltweit Anwendung finden. Auf die Validität der Prüfmethode und richtige Durchführung der Prüfung im Laboratorium müssen sich Sicherheitsfachkräfte, Transporteure oder Händler verlassen können. Anhand der in den letzten 10 Jahren im Rahmen des CEQAT-DGHS von BAM und PTB durchgeführten Ringversuche (RV) wird gezeigt, dass bei allen bisher untersuchten Prüfmethoden ein Verbesserungsbedarf besteht. Die RV müssen daher zunächst auf die Methodenverbesserung und -validierung abzielen und nicht auf Leistungstests. Das Labormanagement und die praktische Durchführung der Prüfung sind in vielen Laboratorien verbesserungsbedürftig. Der Begriff „Erfahrung der Prüfer“ ist kritisch zu sehen: Eine „lange Erfahrung mit vielen Prüfungen“ ist nicht unbedingt ein Garant für richtige Ergebnisse. Bei der Prüfung der gefährlichen Eigenschaften von Chemikalien sind Referenzmaterialen aufgrund der Instabilität in der Regel nicht verfügbar. Für Prüflaboratorien sind RV daher eine Alternative bei der Qualitätssicherung. RV sind jedoch aufwendig und können nur in relativ großen Zeitabständen durchgeführt werden. Es sind deshalb Verfahren zur Verifizierung z.xxB. der in den Laboratorien verwendeten Prüfapparaturen zu entwickeln. Die Entwicklung von Verifizierungsverfahren wird am Bespiel der Prüfmethode UN Test N.5 demonstriert.

Stefan Essmann, Stefanie Spörhase, Holger Grosshans, Detlev Markus, Ulrich Maas

Elektrische Entladungen sind im Explosionsschutz häufig als mögliche Zündquellen für brennbare Gasgemische zu bewerten. Bei geringer Entladungsenergie ist der Zündprozess schlecht reproduzierbar. In dieser Arbeit werden die bei einer Zündung auf verschiedenen Zeitskalen ablaufenden Prozesse experimentell untersucht. Mittels optischer Emissionsspektroskopie werden das zeitliche Verhalten und die Temperatur der elektrischen Entladung bestimmt. Die sich an die Entladung anschließenden gasdynamischen Effekte werden mit dem Schlieren-Verfahren analysiert. Anschließend wird für die zündfähigsten Gemische von Wasserstoff, Ethen bzw. Propan mit Luft die Zündung und die Anfangsphase der Flammenausbreitung untersucht. Zeitaufgelöste Schlieren- Messungen zeigen den Einfluss der Entladungsenergie auf den Zündprozess und Einzelschuss-OH-LIFMessungen legen die Struktur des Flammenkerns in der Frühphase offen. Die Ergebnisse helfen beim Verständnis der Teilprozesse während der Zündung durch elektrische Entladungen. Dadurch wird die Weiterentwicklung detaillierter numerischer Modelle für die Vorhersage von Zündprozessen unterstützt.

Rico Tschirschwitz, Daniel Krentel, Martin Kluge

Es wurden insgesamt 57 Einzelversuche zum Versagen von Druckgasbehältern durchgeführt. Untersucht wurden dabei 11-kg-Propangasflaschen, PKW-Radmuldentanks für LPG sowie CNG-Tanks vom Typ III (Compositetanks mit Aluminiumliner) und Typ IV (Compositetanks mit Polymerliner). Mit 18 hydraulischen Berstversuchen wurde das Versagensverhalten unter kalten Bedingungen charakterisiert. In 39 Unterfeuerungsversuchen mit den gefüllten LPG- und CNG-Tanks, davon 36 mit Tanks ohne Sicherheitseinrichtung, wurde das Behälterversagen durch Brandbeaufschlagung untersucht. Neben verschiedenen Behältermanteltemperaturen und dem Behälterinnendruck wurde auch die Temperatur des gespeicherten Mediums dokumentiert. Dadurch war es möglich, genau zu dokumentieren, unter welchen Bedingungen und bei welchem Zustand der Behälter versagt hat. In einem Großteil der Unterfeuerungsversuche mit Behältern ohne Sicherheitseinrichtungen kam es zur Bildung eines Feuerballs, einer massiven Druck- und Temperaturwirkung auf den Nahbereich sowie einer Vielzahl von Fragmenten im Nah- und Fernbereich. In einer Entfernung von l = 7 m wurden Überdrücke von bis zu p = 0,41 bar gemessen. In 30 Unterfeuerungsversuchen kam es zur Fragmentierung des Behälters. Dabei konnten 159 Fragmente mit Wurfweite und Masse dokumentiert werden. Die dabei maximal festgestellte Wurfweite eines Fragments lag bei l = 311 m.