EINSATZ VON HANDBETÄTIGTEN KUNSTSTOFFARMATUREN
IN EX-ZONEN

ALEXANDER KAIL

Kunststoff-Armaturen findet man in allen möglichen Branchen, seit einigen Jahren auch Ventile aus leitfähigen Kunststoffen. Der Vorteil dieser Ventile ist die Kombination aus innerer und äußerer Korrosionsbeständigkeit und der Leitfähigkeit. Klassischer Einsatzfall: korrosive und leicht entzündbare Mischmedien wie sie zum Beispiel in der chemischen oder pharmazeutischen Industrie vorkommen im Bereich der EX-Zonen, die den ATEX-Richtlinien unterliegen.
Es gibt vom Prinzip zwei Hauptrichtlinien, die sich direkt mit der ATEX befassen: die ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG und seit Kurzem die ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU (die die bisherige Richtlinie 94/9/EG ersetzt). Viele Betreiber von Anlagen sind durch die Richtlinien verunsichert. Dürfen sie generell Kunststoff Ventile einsetzen? Müssen die Armaturen leitfähig sein? Stimmt es, dass handbetätigte Kunststoffventile generell nicht den ATEX Richtlinien unterliegen?
Im folgenden Beitrag wird versucht, dem Ganzen ein wenig Klarheit zu geben und dem Betreiber mehr Sicherheit zu vermitteln.

DER EINSATZ VON LEITFÄHIGEN KUNSTSTOFFARMATUREN

Die letzten 50 bis 60 Jahre haben einen gestiegenen Einsatz von Kunststoffventilen mit sich gebracht. Werkstoffe wie PVC, PP, PE oder PVDF erfreuen sich wachsender Beliebtheit. Kunststoff Armaturen findet man heute in allen möglichen Branchen: chemische Industrie, Pharmaindustrie, Landwirtschaft, Sanitärbereich, Gebäudetechnik,Umwelttechnik, usw.

Auch die Weiterentwicklung und die Verbesserung der konstruktiven Eigenschaften der verschiedenen Armaturentypen haben zu einem erweiterten Einsatz von Kunststoffarmaturen beigetragen. Aber die Entwicklungen in diesem Bereich befinden sich erst an ihrem Anfang. Fortschritte bei den Werkstoffen bieten neue Möglichkeiten und können nun auch andere Einsatzbereiche abdecken.

Bekannt sind schon seit langem die Vorteile von bestimmten Mischwerkstoffen wie zum Beispiel das glasfaserverstärkte Polypropylen, das sehr gute mechanische Eigenschaften aufweist. Seit einigen Jahren gibt es nun auch Ventile aus leitfähigen Kunststoffen auf dem Markt (Bild 1). Dazu findet man auch passende Fittings, Rohre und sogar Plattenmaterial. Normale Polymere haben ja eine circa 15-mal niedrigere Leitfähigkeit als metallische Werkstoffe. Der Vorteil des leitfähigen Ventiles ist die kombinierbare Abdeckung zweier Probleme: die innere und äußere Korrosionsbeständigkeit und die Leitfähigkeit. Klassischer Einsatzfall: korrosive und leicht entzündbare Mischmedien wie sie zum Beispiel in der chemischen oder pharmazeutischen Industrie vorkommen.
Der Haupteinsatz befindet sich im Bereich der EXZonen, die den ATEX-Richtlinien (ATEX kommt von Atmosphères Explosibles) der europäischen Union unterliegen. Es gibt vom Prinzip zwei Hauptrichtlinien die sich direkt mit der ATEX befassen: die ATEXBetriebsrichtlinie 1999/92/EG und seit Kurzem, die

Tabelle 1: Eigenschaften eines Mischwerkstoffs aus Kohlefasern und Polypropylen

ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU (die die bisherige Richtlinie 94/9/EG ersetzt).

WAS IST EINE LEITFÄHIGE KUNSTSTOFFARMATUR?

Bis jetzt gab es nur Kugelhähne, Absperrklappen und Rückschlagklappen in PP-el auf dem Markt. Polypropylen selber ist kein gut leitender Kunststoff. Er zählt eher zu den klassisch isolierenden Werkstoffen. Was die Leitfähigkeit deutlich erhöht ist der Zusatz von Karbon-Fasern. Die Karbon-Faser ist eine bestimmte Form von Graphit. Kohlenstoff-Atome, als sechsgliedrige Ringe, bilden lange und feine Flächen. Man könnte sie sich wie „Graphit Bänder“ vorstellen. Die Bindung von vielen Bändern geben dann die Fasern. Um Karbon-Fasern herzustellen, braucht man organische Polymer-Fasern. Diese Polymere sind meistens Acrylnitrilpolymere.

Allgemeine Eigenschaften	Methode	Einheit	Wert	Eine Pyrolyse bei 1.500 °C verwandelt die Polymer-Fasern in Karbon-Fasern. Polymer-Fasern liegen nebeneinander, in einer gleichen Achse. Diese Fasern sind sehr widerstandsfähig und man braucht hohe Kräfte um sie zu brechen. Trotz ihrer Starre können sich die Fasern strecken oder komprimieren. Graphit-Fasern werden als Compound mit Polypropylen verbunden, um einen Mischwerkstoff herzustellen. Dieser Werkstoff hat, neben seinen leitfähigen Eigenschaften, noch einige andere Eigenschaften (Tabelle 1). Leider unterliegt der überwiegende Teil der mechanischen Armaturen nicht den ATEX-Richtlinien. Der Hauptgrund liegt darin, dass die Armaturen keine potentiellen Zündquellen aufweisen (siehe dazu den VDMA ATEX-Leitfaden für die Armaturenindustrie). Dies ist die Theorie. Doch wenn wir die ATEXRichtlinien ein wenig näher betrachten, werden wir einige Unstimmigkeiten entdecken, und dies gerade in Betrachtung der neuen ATEX-Richtlinie 2014/34/EU. Der Anlagenbetreiber muss also besonders wachsam bleiben und nicht blind jedem „ATEX Zertifikat“ vertrauen. Besonders im Kunststoffbereich können solche Nachlässigkeiten schwerwiegende und fatale Folgen haben.
Spezifisches Gewicht	ISO 1183	g/cm³	1,02
Schmelzindex	ISO1133	g/10 min	2-3
Schwindung	ASTMD955	%	0,2-0,3
Mechanische Eigenschaften
Vergleichsspannung	ISO 527	MPa	76
Zug-E-Modul	ISO 527	N/mm²	1150
Zugfestigkeit	ISO 527	%	2,5
Biegefestigkeit	ISO 178	MPa	95
Biegeelastizitätsmodul	ISO 178	MPa	4900
IZOD-Kerbschlagzähigkeit	ISO 180	kJ/m²	6
CHARPY-Kerbschlagzähigkeit	ISO 179	kJ/m²	20
Thermische Eigenschaften
Schmelztemperatur	ASTM D2117	°C	165
Formbeständigkeitstemperatur unter Last 1,81 MPa	ISO 75	°C	152
Brennbarkeit FMVSS 302	ISO 3795	mm/mn	<100
Elektrische Eigenschaften
Oberflächenwiderstand	ASTM D257	Ohm	10³-10"
Kriechstromfestigkeit	ISO CEI 112	V	270

Tabelle 2: Gerätegruppen nach EG-Richtlinie 94/9/EG, Anhang I

Gruppe 1 (Bergwerke, Grubengas und/oder brennbare Stäube)		Gruppe 11 (explosionsfähige Atmosphäre aus Gas/Luft- oder Staub/ Luft Gemischen, Nebel oder Dämpfen)
Kategorie M		Kategorie 1		Kategorie 2		Kategorie 3
1	2	G (Gas) (Zone 0)	D (Staub) (Zone 20	G (Gas) (Zone 1)	D (Staub) (Zone 21)	G (Gas) (Zone 2)	D (Staub) (Zone 22)
Für Geräte, die ein sehr hohes Maß an Sicherheit gewährleisten. Betrieb auch bei seltenen Stör ungen gewährleistet	Für Geräte, die ein hohes Maß an Sicherheit gewährleisten. Abschaltung bei Auftreten einer explosionsfähigen Atmosphäre möglich	Für Geräte, die ein sehr hohes Maß an Sicherheit gewährleisten. Bestimmt für den Fall, dass häufig oder dauernd mit einer explosionsgefährdeten Atmosphäre zu rechnen ist.		Für Geräte, die ein hohes Maß an Sicherheit gewährleisten. Bestimmt für den Fall, dass mit einer explosionsgefährdeten Atmosphäre zu rechnen ist.		Für Geräte, die normales Maß an Sicherheit gewährleisten. Bestimmt für den Fall, dass eher selten und falls, nur kurzfristig mit einer explosions gefährdeten Atmosphäre zu rechnen ist.
Anhang II Nr.2.0.1 bzw. 2.0.2		Anhang II /Nr.2.1		Anhang II Nr.2.2		Anhang II /Nr.2.3

Wenn wir unseren Fokus weiterhin auf Kunststoffarmaturen legen, sollten wir nochmals einige Details der ATEX-Richtlinien näher betrachten.

ATEX-RICHTLINIE 99/92/EG

Wie bereits allgemein bekannt, muss der Betreiber seine Betriebe oder Betriebsbereiche in ATEX Zonen klassifizieren. Es gibt dann auch bestimmte Kriterien, um die Gerätegruppen in Kategorien einzustufen. Die Gerätegruppen haben sich von der Richtlinie 94/9/EG zu der Richtlinie 2014/34/EU verändert (Tabelle 2).
Die Zonen (0, 1, 2 für Gase, Dämpfe, Nebel und 20,21, 22 für Staub) müssen gegen potentielle Explosionsquellen geschützt werden. Geräte, Schutzgeräte und andere Komponente müssen entsprechend ausgewählt werden.

In Anhang II der Richtlinie, unter Punkt 2.5 steht: „Es sind alle erforderliche Maßnahmen zu treffen, dass der Arbeitsplatz, die Arbeitsmittel und die dazugehörigen Verbindungsvorrichtungen, die dem Arbeitnehmer zur Verfügung gestellt werden, so konstruiert, errichtet, zusammengebaut und installiert wurden und so gewartet und betrieben werden, dass das Explosionsrisiko so gering wie möglich gehalten wird…“Der Betreiber wird also hier vom Gesetzgeber erstmals in die Pflicht genommen.

ATEX-RICHTLINIE 2014/34/EU

Diese Richtlinie ersetzt seit Februar 2014 die ATEXRichtlinie 94/9/EG. Sie soll sowohl den Herstellern

von Komponenten wie dem Betreiber bei der Verwendung von Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen unterstützen.

In der Richtlinie gibt es mehrere Paragraphen, die sowohl Betreiber als auch Hersteller berücksichtigen sollten:

Artikel 2 Begriffsbestimmungen, § 5

„explosionsgefährdeter Bereich“ (Ein Bereich, in dem die Atmosphäre aufgrund der örtlichen undbetrieblichen Verhältnisse explosionsfähig werden kann).

Dies schließt aber einige Medien aus. Der VDMA, in seinem ATEX-Leitfaden, gibt das Beispieleines H2-Cl2-Gemisches, das hoch brennbar
ist, aber nicht den atmosphärischen Bedingungen unterliegt. Dieses Beispiel wird nicht von der Richtlinie 2014/34/EU erfasst. Denn unter „explosionsfähiger Atmosphäre“ gibt die Richtlinie folgende Definition (§4): „Ein Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen, Nebeln oder Stäuben unter atmosphärischen Bedingungen, in demsich der Verbrennungsvorgang nach erfolgter Entzündung auf das gesamte unverbrannte Gemischüberträgt“.

In unserem Beispiel trägt also der Betreiber dievolle Verantwortung. Er kann also nicht auf dasHersteller-Zertifikat des Herstellers vertrauen, sondern muss selber darauf achten, dass die eingesetzten Armaturen leitfähig sind.

Artikel 2 Begriffsbestimmungen, § 9

„bestimmungsgemäße Verwendung“: Die Verwendung eines Produkts in einer Art und Weise, die vom Hersteller dadurch vorgegeben wird, dass er das Gerät einer bestimmten Gerätegruppe und -kategorie zuordnet oder alle Angaben macht, die für den sicheren Betrieb des Schutzsystems, des Geräts oder der Komponente notwendig sind.

Hier wird der Hersteller in die Pflicht genommen. Eine Kennzeichnung einer Armatur könnte dann wie folgt aussehen (Bild 2). Die Einstufung erfolgt laut Tabelle 2.

Anhang II, § 1.1 Auswahl von Werkstoffen, 1.1.1.

„Die für den Bau der Geräte und Schutzsysteme verwendeten Werkstoffe dürfen unter Berücksichtigung betrieblich vorhersehbarer Beanspruchung nicht die Auslösung einer Explosion bewirken.“

Dieser Auszug aus der Richtlinie ist sehr wichtig und auch sehr explizit. Das größte Problem bei entzündbaren Medien, besonders bei den Medien,
die in Rohrleitungen gefördert werden, ist die Reibungselektrizität (triboelektrischer Effekt). In den meisten Fällen sind die entstandenen Ladungen ungefährlich, doch bei manchen Produkten können die elektrostatischen Entladungen zum Entzünden des Mediums führen. Die Höhe der Aufladung hängt von den Eigenschaften des Mediums, der Strömungsgeschwindigkeit, des Arbeitsverfahrens, der Größe der Rohrleitung und des eingesetzten Werkstoffs ab.

Thermoplaste wie sie normalerweise eingesetzt werden, haben einen Oberflächenwiderstand von größer gleich (1013 Ohm). Hier kann ein Abführen des elektrostatischen

Bild 2: Kennzeichnung von Kunststoff-Armaturen nach ATEX

Stromes nicht gewährleistet werden, da diese Werte einen isolierenden Werkstoff charakterisieren. Ein leitfähiger Kunststoff wie das PP-el hat einen Oberflächenwiderstand von < 106 Ohm. Messungen des Oberflächenwiderstandes bei leitfähigen Kunststoffkugelhähnen aus PP-el in einem Mischungsverhältnis von circa 80 % Polypropylen und 20 % Graphit ergeben Werte von 103 bis 104 Ohm. Das sind sehr gute Werte und damit ist die Leitfähigkeit garantiert.

Der Verbund zwischen PP und Graphit ist so gut, dass auch die chemische Beständigkeit weiterhin gewährleistet wird.

Anhang II, § 1.3 potentielle Zündquellen, 1.3.2.

„Gefahren durch statische Elektrizität“ „Elektrostatische Aufladungen, die zu gefährlichen Entladungsvorgängen führen könnten, müssen durch geeignete Maßnahmen vermieden werden.“

Hier noch einmal ein Hinweis auf die Gefahr die durch elektrostatische Aufladungen entstehen kann.

Eine Gefahrenanalyse der Anlage, wie sie durch die Richtlinie vom Betreiber durchgeführt werden muss, kann von Anfang an die Rahmenbedingungen zu einer uneingeschränkten Inbetriebnahme der Anlage laut ATEX-Richtlinien gewährleisten. Beim Verwenden von Kunststoff-Rohrleitungen, muss dann sofort geklärt werden ob ein Risiko zur statischen Aufladung existiert. Sollte dies der Fall sein, sollte unbedingt ein leitfähiger Kunststoff zum Tragen kommen, und dies nicht nur für die Armaturen, sondern auch das ganze Rohrsystem.

Es ist zu notieren, dass auch der Hersteller seinen Beitrag leisten sollte, indem er dem Betreiber alle wichtigen Informationen hinsichtlich Gerätegruppen und -kategorien zur Verwendung in Explosionsgefährdeten Bereichen angibt.

Anhang II, § 1.3 potentielle Zündquellen, 1.3.3.

„Gefahren durch elektrische Streu- und Leckströme“
„Elektrische Streu- und Leckströme in leitfähigen Geräteteilen, die beispielsweise zur Entstehung zündfähiger Funken, Überhitzung von Oberflächen oder gefährlicher Korrosion führen, müssen verhindert werden.“

Der Gesetzgeber gibt hier nochmals eine deutliche Warnung an Hersteller und Betreiber und weist auf Gefahren von Elektrischen Streu- und Leckströme hin.

FAZIT

Ungeachtet der Tatsache, dass handbetätigte Armaturen meist nicht der ATEX-Richtlinie 99/92/EG unterliegen, hat der Hersteller von Armaturen die Pflicht, beim Einsatz in Zusammenhang mit einer explosionsgefährdeten Umgebung alle möglichen Gefahren die durch den bestimmungsgemäßen Betrieb seines Produkts ausgehen können, zu analysieren.

Automatisierte Ventile werden hier ausgenommen, da der Antrieb einem entsprechenden Konformitätsbewertungsverfahren unterliegt.

Auf jeden Fall ist sicher, dass der Betreiber von Anlagen bei der Auswahl seiner Armaturen in der Verantwortung steht. Es gibt heutzutage leitfähige Kunststoffrohrsysteme die mögliche Probleme in EXBereichen lösen können. Die Entwicklung geht indem Bereich weiter, die Herstellung von leitfähigen Kunststoffen wird mit der Zeit wirtschaftlicher und die Auswahl an anderen Armaturentypen in leitfähigen Kunststoffen wird größer (Bild 3).

AUTHOR
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ALEXANDER KEIL
SAFI DEUTSCHLAND
Kunststoffarmaturen-Vertriebs-GmbH
64319 Pfungstadt
Tel.: 06157-81919
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Veröffentlicht in der Zeitschrift Industriearmaturen 02/2015 - www.Industriearmaturen -