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„Ist es sicher, Kunststofffässer und -behälter in explosionsgefährdeten Bereichen zu verwenden?“
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Einleitung
In den letzten Jahren kamen immer mehr neue und kostengünstige mobile Kunststoffbehälter auf den Markt. Dank verschiedener Behältergrößen von 1-Liter-Flaschen über 220-Liter-Fässer bis hin zu 1000-Liter-IBCs verfügen die Lieferketten in der Gefahrstoffindustrie nunmehr über eine breite Palette an Verpackungsoptionen für unterschiedlichste Produkte. Während für einige Verpackungsoptionen Kunststoffe benötigt werden, die mit bestimmten Produkten kompatibel sind, besteht der Hauptvorteil der Kunststoffverpackungen in ihren relativ geringen Kosten im Vergleich zu Metallbehältern wie Metallfässern und Metall-IBCs. Die vermehrte Verwendung von Kunststoffbehältern in der Gefahrstoffindustrie steht aufgrund der Gefahren durch elektrostatische Aufladung jedoch immer stärker auf dem Prüfstand. In diesem kurzen Artikel geht es um Fragestellungen im Zusammenhang mit der elektrostatischen Aufladung von Kunststoffverpackungen, entsprechende Berichte und Gutachten von Branchen- und Sicherheitsinstitutionen sowie um die Bereitstellung von Lösungen für die Erdung nichtmetallischer Behälter mit dem besonderen Augenmerk auf Fässern und IBCs aus Verbundwerkstoffen.
Definition der Begriffe „elektrostatisch ableitfähig“, „leitend“ und „isolierend“
Die korrekte Definition der Begriffe „leitend“, „isolierend“ und „elektrostatisch ableitfähig“ (antistatisch) ist wichtig, um die Fähigkeit von bestimmten Werkstoffen, elektrostatische Ladungen sicher von ordnungsgemäß geerdeten Objekte abzuleiten, voll erfassen zu können. Leitende Werkstoffe können elektrostatische Ladungen sofort abführen. In elektrostatisch ableitfähigen Werkstoffen werden elektrostatische Ladungen ebenfalls abgeleitet, allerdings erfolgt dies langsamer als bei leitenden Werkstoffen. In isolierenden oder, um präziser zu sein, schlecht leitenden Werkstoffen, werden elektrostatische Ladungen auf der Oberfläche gespeichert und auch dann nicht ohne weiteres abgeführt, wenn der Werkstoff geerdet wird.
Des Weiteren ist es wichtig, den Unterschied zwischen Durchgangswiderstand und Oberflächenwiderstand zu verstehen. Der spezifische Widerstand wird durch die immanenten Eigenschaften des Werkstoffs bestimmt, die den Stromfluss behindern. Der spezifische Durchgangswiderstand ρ stellt den gesamten spezifischen Widerstand eines Werkstoffstücks durch sein gesamtes Volumen hindurch dar. Der Gesamtwiderstand gegen den Ladungstransport wird berechnet, indem man den spezifischen Widerstandswert des Werkstoffstücks mit seiner Länge multipliziert und diesen Wert dann durch die Querschnittsfläche, durch die die Ladung fließt, dividiert:
R = ρl/A
Der Widerstand durch einen großen Block aus PTFE von 1 m Länge und einer Querschnittsfläche von 1m2 mit einem spezifischen Widerstandswert (ρ) von 1019 Ωm beträgt z.B. 1 x 1019 Ohm(1). Bei einem entsprechenden Kupferblock mit dem gleichen Volumen und einem spezifischen Widerstand von 1 x 10-8 Ωm beträgt der Widerstand durch das Kupfer hindurch 1 x 10-8 Ohm. Also selbst wenn der PTFE-Block ordnungsgemäß geerdet wurde, erfahren die Ladungen ein hohes Maß an Widerstand bei ihrer Bewegung in Richtung Erde, während es bei Metallen nur einen geringen oder überhaupt keinen Widerstand gibt und die Ladungen sofort zur Erde abgeleitet werden.
Der Widerstand, den der durch einen Werkstoffblock fließenden Strom erfährt, ist abhängig vom spezifischen Widerstand ρ des Werkstoffs sowie von der Länge und der Querschnittsfläche des Werkstoffblocks.
Der spezifische Oberflächenwiderstand λ stellt den spezifischen Gesamtwiderstand über die Oberfläche eines Werkstoffes dar. Im Wesentlichen ist es so, dass ein Werkstoff mit einem hohen spezifischen Durchgangswiderstand so ausgelegt werden kann, dass er nur einen geringen spezifischen Oberflächenwiderstand aufweist. In diesem Fall könnten Ladungen, die ansonsten nicht so einfach durch den Werkstoff fließen würden, über die Oberfläche geführt werden.
Der spezifische Oberflächenwiderstand stellt den spezifischen Gesamtwiderstand über die Oberfläche eines Werkstoffes dar. Im Wesentlichen ist es so, dass ein Werkstoff mit einem hohen spezifischen Durchgangswiderstand so ausgelegt werden kann, dass er nur einen geringen spezifischen Oberflächenwiderstand aufweist. In diesem Fall könnten Ladungen, die ansonsten nicht so einfach durch den Werkstoff fließen würden, über die Oberfläche geführt werden.
Der Gesamtoberflächenwiderstand wird auf ähnliche Art und Weise mit der Formel R = λ L1/L2 berechnet.
Der Widerstand, den der über eine Oberfläche fließende Strom erfährt, ist abhängig vom spezifischen Oberflächenwiderstand λ des Werkstoffs sowie von der Länge und Breite des Werkstoffabschnitts.
Im Allgemeinen können Werkstoffe in Abhängigkeit von ihren spezifischen Durchgangs- und Oberflächenwiderstandswerten in drei Kategorien eingeteilt werden.
Tabelle 1: Wertebereiche des spezifischen Widerstands für leitende, ableitfähige und isolierende Werkstoffe (1).
In Bezug auf die Zündgefahr aufgrund von elektrostatischer Ladung in explosionsgefährdeten Bereichen ist die korrekte Anwendung und Spezifikation der BehälterIn Bezug auf die Zündgefahr aufgrund von elektrostatischer Ladung in explosionsgefährdeten Bereichen ist die korrekte Anwendung und Spezifikation der Behälter aus leitenden, elektrostatisch ableitfähigen und isolierenden Werkstoffen für die Sicherheit des Personals und der Prozesse, in deren Verlauf diese Behälter zum Einsatz kommen, von größter Wichtigkeit.
Prüfung von IBCs aus Verbundwerkstoffen sowie Leitfäden für die Branche
AEin Bericht, der für die britische Health & Safety Executive (HSE) erstellt wurde, beschreibt die wichtigsten Auswahlkriterien, die Anlagenbetreiber bei der Verwendung von mobilen Behältern in explosionsgefährdeten Bereichen in Betracht ziehen sollten(2). Für den Bericht wurde das Ausmaß elektrostatischer Entladungen an Behältern von kleinen 1-Liter-Kunststoffflaschen bis hin zu starren 1000-Liter-IBCs getestet und quantifiziert. Starre IBCs werden aus zahlreichen unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt, z.B. aus isolierendem und elektrostatisch ableitfähigem Kunststoff oder auch aus isolierendem Kunststoff umgeben von einer Hülle aus Metallplatten oder mit einem Stahlrahmen. Kunststofffässer mit einem Fassungsvermögen von 220 Litern wurden bei diesen Tests nicht berücksichtigt.
Die Erzeugung und Messung der elektrostatischen Entladung erfolgte im Einklang mit EN 13463-1:2001 („Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen - Teil 1: Grundlagen und Anforderungen”).
Die Prüfungen unter kontrollierten Laborbedingungen ergaben, dass elektrostatische Entladungen von ausreichend hoher Energie zur Zündung von weit verbreiteten Gasen und Dämpfen bei allen Behältertypen möglich sind. Ein IBC aus Kunststoffverbundwerkstoff, der über eine elektrostatisch ableitfähige Außenschicht verfügte, wies sichere Entladungswerte auf. Der Berichte weist jedoch auch darauf hin, dass eine repräsentative Probemenge dieser IBCs geprüft werden müsse, um feststellen zu können, ob diese Eigenschaften konsistent vorhanden sind.
Im Folgenden werden einige der Schlussfolgerungen und Empfehlungen des Berichts aufgeführt:
- „Bei allen Bauformen ist es sehr wichtig, dass der Rahmen sowie alle anderen leitenden Teile bei allen Handhabungen, bei denen es zu elektrostatischer Aufladung kommen kann, geerdet werden und dass diese Behälter nicht auf stark isolierenden Flächen abgestellt werden, wenn diese nicht separat geerdet sind.“
- Der Erdschluss zwischen dem Rahmen und leitenden Teilen von Einfüll- und Entnahmestutzen etc. sollte regelmäßig überprüft werden.
- Freiliegende Kunststoffteile (z.B. Einfüll- und Entnahmestutzen sowie Einfüllverschlüsse) sollten aus elektrostatisch ableitfähigen Werkstoffen gefertigt werden.
- Metallrahmen sowie leitende Objekte auf IBCs sollten „elektrisch mit der Erde verbunden“ werden, wobei ausreichend Zeit für die Ladungsrelaxation vorzusehen ist.
- Zur Bestimmung des am besten geeigneten Behältertyps sollte eine gründliche Risikoanalyse durchgeführt werden. Dabei ist besonderes Augenmerk auf das elektrostatische Ladungspotential und das Vorhandensein von entzündlichen Gasen und Dämpfen der Kategorien IIA, IIB und IIC zu legen.