Klassifizierung von explosionsgefährdeten Bereichen

Warum die Klassifizierung wichtig ist

Die Klassifizierung von Gefahrenbereichen ist der erste und wichtigste Schritt beim Explosionsschutz. Jede nachfolgende Entscheidung – Auswahl der Ausrüstung, Installationsmethode, Inspektionshäufigkeit, Betriebsverfahren – hängt von der richtigen Klassifizierung ab.

Bei einer zu konservativen Klassifizierung geben Sie zu viel Geld für Geräte aus, die nicht erforderlich sind. Bei einer zu laxen Klassifizierung riskieren Sie eine Entzündung in Bereichen, in denen die falschen Geräte installiert sind.

Die Klassifizierung unterliegt folgenden Normen:

• IEC 60079-10-1 – Klassifizierung von Bereichen mit explosionsfähigen Gasatmosphären
• IEC 60079-10-2 – Klassifizierung von Bereichen mit brennbaren Staubatmosphären
• Richtlinie 1999/92/EG (ATEX 137) – EU-Arbeitsplatzanforderungen für explosionsfähige Atmosphären

Das Zonensystem

Gefährliche Bereiche werden anhand der Häufigkeit und Dauer des Auftretens einer explosionsfähigen Atmosphäre in Zonen eingeteilt:

Gas-/Dampfzonen

Staubzonen

Nicht gefährliche Bereiche (manchmal auch als „sichere Bereiche” oder „nicht klassifiziert” bezeichnet) sind Orte, an denen keine explosionsfähigen Atmosphären zu erwarten sind.

Der Klassifizierungsprozess

IEC 60079-10-1 definiert einen systematischen Prozess für die Klassifizierung von Gasen/Dämpfen. Die gleiche Methodik gilt für Staub (IEC 60079-10-2) mit Anpassungen für das Staubverhalten.

Schritt 1: Identifizieren Sie Freisetzungsquellen

Eine Freisetzungsquelle ist jeder Punkt, an dem brennbares Gas, Dampf oder Flüssigkeit in die Atmosphäre entweichen kann. Die Quellen werden nach ihrer Häufigkeit eingestuft:

Für jede Quelle ist Folgendes zu dokumentieren:

• Standort (X-, Y-, Z-Koordinaten oder P&ID; Referenz)
• Freigesetzte Substanz (Gas, Dampf, Nebel) – siehe Gasgruppen
• Freisetzungsrate (kg/s oder Volumenstrom)
• Freisetzungsgeschwindigkeit und -richtung
• Stoffeigenschaften (Dichte im Verhältnis zu Luft, UEG, Siedepunkt, Flammpunkt) und Selbstentzündungstemperatur

Schritt 2: Bewertung der Belüftung

Die Belüftung bestimmt, wie schnell sich ein freigesetztes Gas verteilt. IEC 60079-10-1 bewertet die Belüftung anhand von zwei Faktoren:

Belüftungsgrad

• Hoch – Kontinuierliche und effektive Belüftung, die die Konzentration deutlich unter die UEG senkt (große offene Flächen, starke natürliche Winde, leistungsstarke mechanische Belüftung)
• Mittel – Kontrollierte Belüftung, die Freisetzungen während des normalen Betriebs zuverlässig verdünnt, aber vorübergehende Konzentrationen über der UEG möglicherweise nicht verhindern kann (typische Innenraum-Belüftungssysteme)
• Gering – Belüftung, die nicht ausreicht, um die Konzentration wirksam zu kontrollieren (geschlossene Räume, Totzonen, Sumpfbereiche)

Verfügbarkeit von Belüftung

• Gut – Die Belüftung ist praktisch kontinuierlich (natürliche Außenbelüftung, redundante mechanische Systeme)
• Befriedigend – Belüftung ist während des normalen Betriebs zu erwarten, aber es sind zeitweilige Unterbrechungen möglich (einziges mechanisches System, windabhängige natürliche Belüftung)
• Schlecht – Belüftung nicht zuverlässig (seltene Luftbewegung, keine mechanische Reserve)

Die Kombination aus Grad und Verfügbarkeit bestimmt, wie sich die Freisetzungsstufe auf den Zonentyp und das Ausmaß auswirkt.

Schritt 3: Zonentyp bestimmen

IEC 60079-10-1 Anhang B enthält eine Matrix:

NE (vernachlässigbares Ausmaß): Wenn die Belüftung so effektiv ist, dass das gefährliche Volumen vernachlässigbar ist, kann der Bereich als nicht gefährlich eingestuft werden. Dies erfordert einen quantitativen Nachweis und ist keine Standardannahme.

Schritt 4: Bestimmen Sie die Ausdehnung der Zone

Die Zonenausdehnung ist das physikalische Volumen um eine Freisetzungsquelle herum, in dem eine entzündliche Konzentration vorhanden sein könnte. Sie hängt ab von:

• Freisetzungsrate – Höhere Raten führen zu größeren gefährlichen Volumina
• Gasdichte – Gase, die schwerer als Luft sind (Propan, Butan), sammeln sich in niedrigen Höhen; Gase, die leichter als Luft sind (Wasserstoff, Methan), steigen auf und verteilen sich
• Belüftung – Eine bessere Belüftung verringert die Ausdehnung
• Hindernissen – Wände, Böden und Geräte können freigesetzte Gase einfangen oder kanalisieren

IEC 60079-10-1 bietet eine vereinfachte Berechnungsmethode auf der Grundlage des hypothetischen Volumens (V_z):

Vz = f × (dG/dt) / (k × C × LEL)

Dabei gilt:

• f = Wirkungsgradfaktor basierend auf den Belüftungseigenschaften
• dG/dt = Freisetzungsrate
• k = Sicherheitsfaktor (typischerweise 0,25 für den UEG-Grenzwert)
• C = Anzahl der Luftwechsel pro Zeiteinheit

Bei komplexen Anlagen können CFD-Modellierung (Computational Fluid Dynamics) oder Ausbreitungsmodellierung verwendet werden.

Klassifizierung für Staub (IEC 60079-10-2)

Die Klassifizierung von Staub folgt derselben allgemeinen Methodik, jedoch mit zusätzlichen Überlegungen:

Staubwolke vs. Staubschicht

• Staubwolke: In der Luft befindlicher brennbarer Staub in Konzentrationen über der minimalen Explosionskonzentration (MEC). Erzeugt Explosionsgefahr.
• Staubschicht: Abgesetzter Staub, der (durch Wind, Vibrationen oder den Betrieb von Geräten) zu einer Wolke aufgewirbelt oder direkt durch eine heiße Oberfläche entzündet werden kann.

Beide müssen bewertet werden. Eine Zone 22 aufgrund der Gefahr durch Staubwolken kann innerhalb von Geräten, in denen Staub absichtlich verarbeitet wird, eine Zone 21 oder sogar eine Zone 20 aufweisen.

Wesentliche Unterschiede zur Gasklassifizierung

• Die Zündtemperatur der Staubschicht muss berücksichtigt werden (oft niedriger als die Zündtemperatur der Staubwolke).
• Die Reinigung ist ein entscheidender Faktor – Staubansammlungen von mehr als 5 mm Tiefe erfordern in der Regel eine Neuklassifizierung.
• Die Partikelgröße beeinflusst die Explosionsfähigkeit – feinere Partikel (< 500 µm) sind gefährlicher.
• Der Feuchtigkeitsgehalt kann die Explosionsfähigkeit von Staub verringern, sollte jedoch nur unter kontrollierten Bedingungen berücksichtigt werden

Dokumentation: Die Bereichsklassifizierungszeichnung

Das Ergebnis des Klassifizierungsprozesses ist eine Reihe von Bereichsklassifizierungszeichnungen, die Folgendes zeigen:

• Grundrisse und Ansichten der Anlage
• Standort und Grad jeder Freisetzungsquelle
• Zonentyp (0, 1, 2 oder 20, 21, 22) für jeden Bereich
• Ausdehnung der Zone (horizontale und vertikale Grenzen)
• Gasgruppe und Temperaturklasse der Atmosphäre
• Angaben zur Belüftung (natürlich, mechanisch, Geschwindigkeit)

Explosionsschutzdokument (EPD)

Gemäß der Richtlinie 1999/92/EG müssen Arbeitgeber ein Explosionsschutzdokument erstellen, das Folgendes enthält:

• Identifizierung und Bewertung von Explosionsrisiken
• Zeichnungen zur Bereichsklassifizierung
• Beschreibung der Schutzmaßnahmen (technisch und organisatorisch)
• Begründung der Auswahl der Ausrüstung (Anpassung der Kategorie an die Zone)
• Wartungs- und Inspektionspläne
• Schulungsanforderungen für das Personal

Die EPD muss gepflegt und aktualisiert werden, wenn sich der Prozess, die Ausrüstung oder das Layout ändern.

Branchenspezifische Beispiele

Öl und Gas: Offshore-Plattform

• Zone 0: Innerhalb von Abscheidern, Gaswäschern, Fackel-Knock-out-Trommeln (Dampfräume)
• Zone 1: Offene Deckbereiche um Bohrlochköpfe, Prozessausrüstung, Molchstart-/Empfangsvorrichtungen, temporäre Schutzbereiche
• Zone 2: Bereiche angrenzend an die Grenzen der Zone 1, Rohrgestelle mit Flanschverbindungen, Kabelkanäle in der Nähe von Prozessbereichen
• Nicht gefährlich: Wohnräume (mit Überdruck), Hubschrauberlandeplatz (außer beim Betanken)

Chemiewerk: Lagerung von Lösungsmitteln

• Zone 0: Innerhalb von Lagertanks (Freiraum), Auffangbereiche mit stehender Flüssigkeit
• Zone 1: Innerhalb von 3 m um Tankentlüftungen, Befüllanschlüsse, Pumpendichtungen; innerhalb von Auffangbereichen
• Zone 2: 3–8 m von den Grenzen der Zone 1 entfernt (variiert je nach Belüftung), um Flansche und Ventilspindeln herum

Getreideumschlag: Siloanlage

• Zone 20: Innerhalb von Silos, Becherwerken, geschlossenen Förderbändern, Zyklonen
• Zone 21: Um Silo-Befüllstellen, LKW-Entladegruben, Absackstationen
• Zone 22: Bereiche, in denen sich Staubschichten ansammeln können (> 5 mm) und zu einer Staubwolke aufgewirbelt werden könnten

Pharmazeutika: Tablettenbeschichtung

• Zone 1: Im Inneren von Beschichtungspfannen bei Verwendung von Beschichtungen auf Lösungsmittelbasis (IPA, Ethanol)
• Zone 2: Um Absaugkanäle herum, innerhalb von 1 m um die Öffnungen der Beschichtungspfannen
• Zone 21: Im Inneren von Granulatoren, Fließbetttrocknern (Staubwolke während der Verarbeitung)
• Zone 22: Allgemeine Verarbeitungsbereiche, in denen mit feinem Pulver gearbeitet wird

Lackierkabine

• Zone 1: Innerhalb der Spritzkabine während des Betriebs (Lösungsmitteldämpfe aus Lacken)
• Zone 2: Umgebung im Umkreis von 1–3 m um die Öffnungen der Kabine; Abluftkanäle
• Nicht gefährlich: Bereiche außerhalb des Absaugbereichs mit ausreichender allgemeiner Belüftung

Nordamerikanischer Ansatz: Unterteilungen vs. Zonen

Die USA und Kanada verwenden zwei parallele Systeme gemäß dem National Electrical Code (NEC) und dem Canadian Electrical Code (CEC):

Abteilungssystem (NEC Artikel 500)

Zonensystem (NEC Artikel 505/506)

NEC unterstützt auch das IEC-Zonensystem (0, 1, 2 und 20, 21, 22), das vor allem in Anlagen verwendet wird, die auch nach internationalen Normen betrieben werden. Nach IECEx-Normen zertifizierte Geräte können in NEC-Zoneninstallationen akzeptiert werden.

Wesentlicher Unterschied: Das Division-System hat nur zwei Stufen (Division 1 und 2) und ist damit weniger detailliert als das dreistufige Zonensystem. Division 1 umfasst die Zonen 0 und 1 des IEC-Systems und erfordert das höchste Schutzniveau für einen größeren Bereich.

Häufige Fehler bei der Klassifizierung

1. Klassifizierung nach Gerätetyp statt nach Freisetzungsquelle

Richtiger Ansatz: Beginnen Sie mit der Freisetzungsquelle (wo kann Gas/Staub entweichen?), nicht mit dem Gerät. Eine Pumpe ist nicht automatisch Zone 1 – dies hängt vom Dichtungstyp, der Wartungshistorie, der verarbeiteten Substanz und der Belüftung ab.

2. Sekundäre Quellen ignorieren

Flanschverbindungen, Ventilspindeln und Instrumentenanschlüsse sind sekundäre Quellen. In einer Anlage mit Hunderten von Flanschen kann deren Ignorierung dazu führen, dass große Bereiche, in denen Zone 2 gelten sollte, nicht klassifiziert werden.

3. Überklassifizierung von Innenbereichen

Innenbereiche mit guter mechanischer Belüftung können eine reduzierte Zonenausdehnung oder sogar eine Einstufung als nicht gefährlich erhalten. Die Norm erlaubt eine Anrechnung der Belüftung – diese muss jedoch dokumentiert und aufrechterhalten werden. Wenn das Belüftungssystem ausfällt, wird die Einstufung wieder rückgängig gemacht.

4. Vernachlässigung des Verhaltens von Gasen, die schwerer als Luft sind

Propan (Dichte 1,52× Luft), Butan (2,01× Luft) und viele Lösungsmittel sammeln sich in niedrigen Bereichen – Gruben, Gräben, Kellern, Sumpfbecken. Die Klassifizierung muss die Gasbewegung berücksichtigen, nicht nur die Nähe zur Quelle.

5. Verwendung von Faustregel-Entfernungen

Branchenstandards (IP 15, IGEM, API RP 505) geben typische Zonenausdehnungen als Ausgangspunkt vor. Diese sind nicht universell gültig, sondern müssen an die jeweilige Anlage angepasst werden. Die blinde Anwendung von „3 Metern um eine Pumpe herum“ ohne Berücksichtigung des tatsächlichen Freisetzungsszenarios kann entweder zu konservativ oder gefährlich unzureichend sein.

6. Versäumnis, die Klassifizierung nach Änderungen zu aktualisieren

Änderungen an Prozessanlagen, Rohrleitungen, Lüftungssystemen oder Gebäudelayouts können die Klassifizierung verändern. Die EPD muss bei jeder Änderung überprüft und aktualisiert werden.

Wer führt die Klassifizierung durch?

Die Klassifizierung sollte von einem kompetenten Team durchgeführt werden, das Folgendes umfasst:

• Verfahrenstechniker – Verständnis der Freisetzungsquellen, Prozessbedingungen und Stoffeigenschaften
• Elektroingenieure – Kenntnisse über die Auswahl und Installationsanforderungen von Ex-Geräten
• Sicherheitsingenieure – Methoden zur Risikobewertung und regulatorische Anforderungen
• Betriebs-/Wartungspersonal – Praktische Kenntnisse darüber, wie sich Geräte im Betrieb tatsächlich verhalten

Der Teamleiter sollte über spezifische Kompetenzen im Bereich der Klassifizierung verfügen (z. B. CompEx-Modul, IChemE-Schulung oder gleichwertige Qualifikation). In vielen Ländern ist der Arbeitgeber gesetzlich für die Klassifizierung verantwortlich, auch wenn diese an Berater delegiert wird.

Verhaltenskodizes und Branchenrichtlinien

Mehrere Branchenverbände veröffentlichen Leitlinien zur Bereichsklassifizierung mit praktischen Beispielen und typischen Zonenausdehnungen:

Zonenausdehnung: Typische Abstände

Dies sind indikative Ausgangswerte aus den Verhaltenskodizes der Industrie. Die tatsächlichen Ausdehnungen müssen für jede einzelne Anlage berechnet oder bewertet werden.

Typische Gaszonenausdehnungen (im Freien, ausreichende Belüftung)

Innenräume: Aufgrund der geringeren Belüftung sind die Zonenabstände in der Regel größer. Bei unzureichender Belüftung kann der gesamte Raum klassifiziert werden.

Überprüfung und Wartung

Die Bereichsklassifizierung ist keine einmalige Angelegenheit. Sie muss überprüft werden, wenn:

• Prozessänderungen – neue Substanzen, Durchflussraten, Drücke oder Temperaturen
• Änderungen an der Ausrüstung – Austausch von Pumpen, Hinzufügen von Flanschen, Verlegen von Entlüftungspunkten
• Änderungen am Layout – Errichtung von Wänden, Einhausungen oder Entfernung von Belüftungswegen
• Zwischenfälle – Nach einer Freisetzung, Explosion oder Beinahe-Unfall
• Änderungen der Vorschriften – Aktualisierte Normen oder Verhaltenskodizes
• Regelmäßige Überprüfung – In der Regel alle 3–5 Jahre als Teil des Sicherheitsmanagementsystems

Jede Änderung, die sich auf die Freisetzungsquelle, die Belüftung oder die räumliche Anordnung auswirkt, sollte eine Überprüfung der Bereichsklassifizierung auslösen.

Zusammenfassung: Checkliste für die Klassifizierung

1. ☐ Identifizieren Sie alle verwendeten Stoffe (Gas, Dampf, Staub).
2. ☐ Bestimmen Sie die Eigenschaften der Stoffe (UEG, Dichte, Flammpunkt, Selbstentzündungstemperatur, Staub-MEC, Staubschicht-Entzündungstemperatur)
3. ☐ Lokalisieren und bewerten Sie alle Freisetzungsquellen (kontinuierlich, primär, sekundär)
4. ☐ Bewertung der Belüftung (Grad und Verfügbarkeit)
5. ☐ Bestimmen Sie den Zonentyp für jeden Bereich (Zone 0/1/2 oder 20/21/22)
6. ☐ Berechnung oder Bewertung der Zonenausdehnung (horizontal und vertikal)
7. ☐ Dokumentation auf Bereichsklassifizierungszeichnungen
8. ☐ Gasgruppe und Temperaturklasse für jede Zone identifizieren
9. ☐ Explosionsschutzdokument (ESD) erstellen
10. ☐ Auswahl der für jede Zone geeigneten Gerätekategorien
11. ☐ Festlegen eines Überprüfungsplans

Verwandte Themen

• Zonenklassifizierung – Erläuterung der Zonen 0, 1, 2 und 20, 21, 22
• Gasgruppen – IIA, IIB, IIC und ihre Beziehung zu den Eigenschaften von Stoffen
• Temperaturklassen – T1–T6 und Selbstentzündungstemperaturen
• Grundlagen – Das Feuerdreieck, explosionsfähige Atmosphären und Zündquellen
• ATEX-Richtlinie – Anforderungen an Geräte gemäß 2014/34/EU
• Geräteschutzstufen – Wie Ga/Gb/Gc der Zoneneignung zugeordnet werden