Einführung
Was sind physikalische Explosionen?
Zu einer physikalischen Explosion kann es kommen, wenn eine heiße Flüssigkeit (zum Beispiel Schmelze, aber auch Öl) mit einer kalten Flüssigkeit (zum Beispiel dem Kühlmittel Wasser) in Kontakt tritt und sich grob vermischt (Grobfragmente). Es bildet sich ein Dampffilm an der Grenzfläche zwischen heißem und kaltem Medium, der eine schnelle Wärmeübertragung verhindert. Bricht nun der Dampffilm zum Beispiel aufgrund eines Druckimpulses zusammen, kommt es zu einem extremen Wärmefluss und einer feinen Zerteilung (Feinfragmentation) der heißen Schmelze. Die feine Zerteilung bedingt eine große Oberfläche mit erhöhter Dampfbildung und Druckaufbau.
Abbildung 5.4-1. Ablauf einer physikalischen Explosion.
Gesetzliche Vorschriften zur Gefährdungsbeurteilung
Physikalische Explosionen gehören nach § 7 Abs. 2 Satz 5 Gefahrstoffverordnung zu den stofflichen Gefährdungen und nach § 3 Abs. 1 Satz 2 Betriebssicherheitsverordnung zu den Gefährdungen durch die Wechselwirkung von Arbeitsmitteln mit Arbeitsstoffen, die im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung nach dem Arbeitsschutzgesetz berücksichtigt werden müssen. In der Technischen Regel für Betriebssicherheit "Gefährdungen durch Wechselwirkung" (TRBS 2210) werden unter Nr. 4.2.3 beispielhaft Schutzmaßnahmen gegen physikalische Explosionen aufgeführt.
Art der Gefährdungen und deren Wirkungen
Voraussetzungen für physikalische Explosionen
Physikalische Explosionen können überall dort auftreten, wo kalte Flüssigkeiten auf heißere treffen. Wichtige Voraussetzungen für die Ausbildung einer solchen Explosion sind, dass es zu einer Grobvermischung beider Flüssigkeiten kommt und die Temperatur der heißen Flüssigkeit über dem Siedepunkt der kalten Flüssigkeit liegt. Je höher die Temperatur des heißen Mediums (häufig heiße Schmelze) über dem Siedepunkt der kalten Flüssigkeit (Kühlmittel, häufig Wasser) liegt, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine physikalische Explosion stattfindet.
Die physikalische Explosion kann aufgrund der großen Kontaktflächen nach der Fragmentation durch eine chemische Reaktion überlagert werden. Bei Aluminiumschmelze kann folgende Reaktion ablaufen:
2 Al + 3 H2O --> Al2O3 + 3 H2
Kontakt heißer Schmelzen mit Wasser
Wasser kann zum Beispiel in heiße Schmelze gelangen, wenn
- witterungsbedingt Wasser sich auf dem Untergrund oder im jeweiligen Behälter (Schmelzofen, Kokille, Gießtische und so weiter) vorliegt,
- Produktzugaben Wassereinschlüsse enthalten,
- Leckagen im Kühlsystem auftreten,
- bei der Granulierung beziehungsweise Abkühlung von Schmelzen der Kontakt bewusst herbeigeführt wird.
Heiße Schmelzen treten besonders in der Metallindustrie und in Hüttenwerken auf. Es kann in diesem Industriezweig zu physikalischen Explosionen kommen, wenn zum Beispiel Kondenswasser auf Gießtischen, in Kokillen oder in Schrottbeigaben mit heißer Metallschmelze aufeinandertrifft. Ebenfalls können Betriebe mit Dampfkesseln betroffen sein, wenn sich beispielsweise heiße Kohleschlacke und Kühlwasser aufgrund einer Leckage im Kühlsystem vermengen oder sich große Ascheklumpen von Ofenwänden lösen und in den mit Wasser gefüllten Aschesammler fallen. Auch in Betrieben mit Ölbädern, in der Glasindustrie, in der chemischen Industrie, bei der Versinterung von radioaktivem Abfall, während eines unfallbedingten Kontaktes von Kernschmelze und Kühlwasser in Leicht–Wasser–Kernreaktoren und in Flüssiggasleitungssystemen besteht die Gefahr einer physikalischen Explosion.
Bei der Granulierung und Abkühlung von Schmelzen wird der Kontakt gezielt herbeigeführt. Die Gefährdung durch eine Explosion wird dadurch minimiert, dass durch die Einstellung bestimmter Prozessparameter (Strömungsverhältnisse, Temperaturen, Wasser-Schmelze-Verhältnis) eine schnelle Abkühlung und Verfestigung der Schmelze vor einem möglichen Zusammenbruch des Dampffilmes und möglicher Einschlüsse von Wasser erfolgt oder eine Grobvermischung verhindert wird.
Verbrennungsgefahr
Als Folge der Explosion werden heiße Flüssigkeiten (Schmelzen) aus Behältern geschleudert, die zu schweren (gegebenenfalls tödlichen) Verbrennungen der Beschäftigten führen können.
Druckwelle und Trümmerwurf
Durch den hohen Druckaufbau können die Beschäftigten direkt von der Druckwelle oder bei Zerknall von Anlagenkomponenten durch Trümmerwurf gegebenenfalls tödlich verletzt werden.
Der Druckaufbau und somit die Schwere der Auswirkungen sind insbesondere abhängig von der Masse an fragmentierender Schmelze.
Arbeitsschutzmaßnahmen
Vermeidung des Kontaktes
Der einfachste und wirksamste Schutz vor physikalischen Explosionen ist die Vermeidung des Kontaktes von heißer und kalter Flüssigkeit. In den Gießereien und Metallhüttenbetrieben wird hierzu schon seit langer Zeit folgendes praktiziert:
- Masseln, Kokillen und Altmetall trocknen.
- Bei Druckabfall im Kühlwasserkreislauf sollte eine automatische Schnellschlussschaltung aktiviert werden. Der Gießvorgang ist dann abzubrechen.
- Gießtische trocken halten.
- Ausführung von Notauffanggruben mit Drainageschicht entsprechend VDG-Merkblatt S 80.
Granulierung und Abkühlung der Schmelze
In einem Granulator werden folgende Maßnahmen gegen Explosionen vorgenommen:
- Einstellen und Überwachen einer Mindestfließgeschwindigkeit und limitierter Temperatur des Wassers zur schnellen Abkühlung der Schmelze und Verhinderung von Wassereinschlüssen durch Schmelzeablagerungen;
- Verriegelung der Zugabe der Schmelze über den Wasserstrom und die Wassertemperatur.
Sekundäre Schutzmaßnahmen
Zu den Maßnahmen zur Vermeidung einer physikalischen Explosion sollten unbedingt Sekundärschutzmaßnahmen gegen die Auswirkung der Druckwelle ergriffen werden. Diese sind zum Beispiel Schutzkabinen mit Sicherheitsverglasung zur Einhausung des Steuerstandes und Druckentlastungseinrichtungen am Granulator.
Bei Ablöschung von flüssiger Schlacke sollte auf:
- großflächige Ausbreitung der Schlacke auf trockenem Untergrund und
- leichtes Besprühen mit Wasser gegen eine Grobvermischung beider Flüssigkeiten
geachtet werden.
Neben den Schutzmaßnahmen zur Vermeidung einer physikalischen Explosion kommen Maßnahmen als Schutz gegen deren Auswirkungen wie:
- Schutzschirme,
- Schutzdächer,
- Schutzkabinen mit Sicherheitsverglasung für Steuerstände,
- Druckentlastungseinrichtungen für Anlagenkomponenten und
- eine druckfeste Bauweise von Reaktoren
zum Einsatz.
Was ist eine Gefährdungsbeurteilung?
