Bei einer Explosion von Gasen und Dämpfen wird gebundene chemische Energie freigesetzt. Bei einer Staubexplosion oder der Explosion von Nebel oder Aerosolen erfolgt eine Freisetzung von Energie durch eine schnelle Oberflächenreaktion.

Zu einer Explosion kommt es nach der Literatur nur, wenn bei der Zündung der Dampfwolke

- ein teilweiser Einschluss und/oder Hindernisse vorliegen oder

- eine Freisetzung mit hoher Anfangsenergie (Strahl) erfolgt oder

- die Wolke sich explosionsartig ausbreitet oder

- eine hohe Zündenergie vorliegt.

Anderenfalls kommt es nach der Zündung einer Dampfatmosphäre zu einem Dampfwolkenbrand (engl.: „flash fire“, UVCE), einem Feuerball oder gar einer BLEVE (engl.: „boiling liquid expanding vapour explosion“, Gasexplosion einer expandierenden siedenden Flüssigkeit).

Die Abgrenzung ist weder in der Literatur noch in der beobachteten Wirklichkeit streng, sondern fließend. Im Freien ist bei langsamer Freisetzung von brennbaren Dämpfen oder Gasen nach dem Gesagten eher mit einem Dampfwolkenbrand zur rechnen als mit einer Explosion.

Die BLEVE kann auftreten, wenn ein Stoff bei Drücken oberhalb seines Dampfdrucks gehandhabt wird, sodass eine Druckentlastung mit einer schlagartigen Verdampfung einhergeht. Sie tritt im Wesentlichen auf, wenn die Umschließung eines Lagerbehälters, der ein druckverflüssigtes brennbares Gas enthält, z.B. aufgrund eines Feuers oder einer mechanischen Belastung versagt und ist in der chemischen Industrie eine ganz entscheidende Gefährdungsart.

Die physikalischen Wirkungsparameter einer Explosion oder eines Feuerballs können dargestellt werden durch Effekte aus verschiedenen Faktoren:

• Flammenwirkung

• Wärmestrahlung

• Druckwirkung

• Trümmerwurf

Die Auswirkungen auf Personen und Gebäude sind je nach Wirkungsparameter sehr unterschiedlich.

Bezogen auf Personen gibt es Grenzwerte, ab denen eine 100%ige tödliche Wirkung zu erwarten ist. Diese liegt für eine tödliche Verbrennung durch Wärmestrahlung bei 10,5 KW/m², wenn diese länger als 40 s auf den Menschen einwirkt, und für den Explosionsdruck bei ca. 1,85 bar, bei dem ein Lungenriss zu einer tödlichen Verletzung führt. Eine Wärmewirkung von 36 kW/m² über 10 s führt zu Verbrennungen dritten Grades.

Eine Druckwirkung von 50 bis 70 mbar oder eine Wärmewirkung von 2 bis 5 kW/m² führt nach internationaler Einschätzung zu irreversiblen Personenschäden.

Ein Vergleich zeigt, dass die maximale Sonneneinstrahlung bei 1,3 kW/m² liegt und eine Druckerhöhung von nur 0,003 bar schon als lauter Knall wahrgenommen wird.

Flammen können wie eine zu hohe Wärmestrahlung durch die Abstrahldichte (engl.: „surface emissive power“ – SEP) zu Verbrennungen führen, sie lösen in aller Regel aber einen Brand aus, dessen Rauchwirkungen zu tödlichen Rauchvergiftungen führen können. Im Einflussbereich einer BLEVE wird der Mensch ersticken, verbrennen oder an der Druckwirkung sterben. Natürlich ist die Höhe der Auswirkungen von der gespeicherten Energiemenge und deren schlagartiger Umsetzung in eine Explosion abhängig. Insofern ist der Begriff der gefahrdrohenden Menge entscheidend.

Um sich eine Vorstellung von der zerstörerischen Wirkung der Umsetzung chemischer Energie in einer Explosion alleine durch die Druckwirkung zu machen, sei als Beispiel ein 3-m³-Behälter mit Propan genannt, der unter Sättigungsdruck steht und zu 90 % gefüllt ist und dessen gespeicherte chemische Energie schlagartig freigesetzt wird: Noch in ca. 50 m Entfernung vom Mittelpunkt der Explosion ist mit einer 100%igen Todeswirkung zu rechnen (nach Hauptmann, Forschungsbericht).

Bei den üblichen in Industrieanlagen vorhandenen Mengen an explosionsfähigen Stoffen kann man davon ausgehen, dass in einem Umkreis von etlichen Metern bis hin zu 100 m mit einer Todeswahrscheinlichkeit von 1, d.h. einer sicheren Todesfolge, aufgrund der Druck- oder der Wärmewirkung zu rechnen ist, und dies auch dann, wenn selbst nur Teile der vorhandenen explosionsfähigen Stoffe in einer Explosion umgesetzt werden.

Nur bei sehr geringen Energieumsetzungen oder größerer Entfernung lassen sich die Wärme- und die Flammenwirkung auf den Menschen durch eine persönliche Schutzausrüstung (PSA) vermindern, indem z.B. flammenhemmende Kleidung getragen wird.

Sekundäre Auswirkungen einer Druckwelle

Neben diesen direkten Wirkungen auf den Menschen kommen weitere Auswirkungen sekundärer Art auf den Menschen hinzu. Dies sind die mechanischen Auswirkungen auf den Menschen durch

• den Aufprall weggeschleuderter Teile und

• bei der Zerstörung von Bauwerken oder Raumabschlusswänden.

Auch nicht vergessen werden darf die Gefahr der gefährlichen Freisetzung gesundheitsschädigender Stoffe, die toxische, krebserregende oder verätzende Wirkungen haben können.

Mögliche Wirkungsparameter einer Explosion

Die folgenden Wirkungsparameter sind zu erwarten:

• Explosionstemperaturen bis ca. 3.000 °C

• Strahlungsleistungen von bis zu 200 KW/m² (bei einem LNG-Lachenbrand)

• Explosionsdrücke von ca. 8 bar bei Gas- und von bis zu 16 bar bei Staubexplosionen

Zur Veranschaulichung: Ein Druck von 10 bar entspricht einem Druck von 100 t/m².

Auswirkungen auf Gebäudeteile

Die Auswirkungen auf Gebäudeteile lassen sich leicht abschätzen, wenn man weiß, dass die Bauteile ihre konstruktiven Eigenschaften bei folgenden Drücken verlieren:

• bis 60 mbar: Fensterscheiben bersten.

• 60 bis 90 mbar: Tür- und Fensterrahmen zerbrechen.

• ab 300 mbar: In Stahlbetonwänden zeigen sich Risse, Stahlrahmenbauten verziehen sich, Dächer werden zerstört.

• zwischen 350 und 800 mbar: 30 bis 70 % der Substanz von Ziegelbauten werden zerstört.

• zwischen 800 und 2.600 mbar: Häuser werden total zerstört.

Einflussparameter auf die Auswirkungen durch Druck

Die Höhe der Auswirkungen beim Druck hängt von folgenden Faktoren ab:

• Menge der an der Umsetzung in die Explosion beteiligten explosionsfähigen Atmosphäre
• sicherheitstechnische Kennwerte der brennbaren Stoffe, z.B.:
• maximaler Druck
• Druckanstiegsgeschwindigkeit
• Detonationsgrenzen oder Neigung zur Detonation
• Brennstoffart und Konzentration
• Umschließung der explosionsfähigen Atmosphäre (Explosion in einem umschlossenen Raum oder im Freien)
• Festigkeit der Umschließung sowie der Stützkonstruktion
• Anlagengeometrie und Topografie der Umgebung
• Eigenschaften der gefährdeten Gegenstände (physikalisch, chemisch)
• Herstellungs- oder Bearbeitungsverfahren
• Sauerstoffkonzentrationen
• Teilbefüllung von Anlagenteilen mit explosionsfähigem Gemisch
• Druckverhältnisse
• Turbulenzen
• Wirksamkeit vorgelagerter Maßnahmen (z.B. Mengen- oder Konzentrationsbegrenzung, Inertisierung)
• Wirksamkeit explosionsdruckmindernder Maßnahmen (z.B. Explosionsdruckentlastung, Explosionsunterdrückung, explosionstechnische Entkopplung)

Die Auswirkungen von Explosionen bezogen auf die Druckwirkungen hängen weitgehend vom Ablauf der Explosion und damit vom Explosionsdruck ab. Dabei verstärken Turbulenzen durch vorhandene Hindernisse oder Verdämmungen die Auswirkungen. Andererseits können Reflexionen an Gebäuden oder Abschirmungen auch zu Abschwächungen führen.

Die Bedingungen sind äußerst komplex und kaum vorhersagbar. Wenn zur Abschätzung der Schadenshöhe erforderlich, sind deshalb Berechnungen vorzunehmen, die Experten vorbehalten sind, weil diese oft nur mithilfe spezieller Rechenprogramme möglich sind.

Der zu erwartende Explosionsdruck kann geringer sein als der maximale Explosionsdruck, wenn z.B. der Behälter nur zum Teil mit gefährlicher, explosionsfähiger Atmosphäre gefüllt ist, die Gemischzusammensetzung für die Explosionsabläufe ungünstig ist oder Abkühlungseffekte durch umfangreiche Einbauten auftreten.

In lang gestreckten Behältern oder Rohrleitungen besteht bei Gasen, Dämpfen und Nebeln sowie bei Vorliegen bestimmter Geometrien die Gefahr der Ausbildung von Detonationen. Detonationswellen haben aufgrund ihrer hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit und der hohen Drücke beim Aufprall auf Hindernisse eine besonders stark zerstörende Wirkung.

Dabei treten lokal kurzzeitig Druckstöße auf, deren Spitzenwerte ein Mehrfaches des maximalen Explosionsdrucks erreichen können. Bei Gasen und Dämpfen sind derartige Druckbelastungen durch Stoßfronten bei L / D < 5 (D: Durchmesser, L: Länge der Leitung) nicht zu erwarten; bei L / D > ca. 100 muss in der Regel mit einem Übergang zu einer stabilen Detonation gerechnet werden. Turbulenzerhöhende Einbauten, z.B. Messblenden, können jedoch auch schon weit unterhalb L / D = 100 zur Ausbildung von Detonationen führen.

Ausdehnung von Flammen

Die sich in explosionsfähiger Atmosphäre ausbreitenden Flammen können ein Volumen einnehmen, das etwa zehnmal so groß ist wie das der explosionsfähigen Atmosphäre vor ihrer Entzündung. Bei der Ausbreitung in einer Richtung muss deshalb mit entsprechend langen Stichflammen gerechnet werden. Dies ist insbesondere bei der Anordnung von Druckentlastungseinrichtungen (wie z.B. Berstscheiben) zu beachten.

Bei der Ausbreitung von Explosionen von einem Anlagenteil auf andere Anlagenbereiche kann es zu einer Vorkomprimierung, hohen Turbulenzen und extrem zündwirksamen Flammenstrahlen kommen. Diese Effekte können in verbundenen oder angrenzenden Anlagenteilen zu besonders heftigen Folgeexplosionen führen, die mit den Mitteln des konstruktiven Explosionsschutzes unter vertretbarem technischen Aufwand nicht sicher beherrschbar sind.

Ein praktisches Beispiel dafür ist die Entlastung einer Explosion in einem Behälter in andere geschlossene Behälter. Hier ist zu berücksichtigen, dass durch die Vorkompression des Gases in diesem Behälter wesentlich höhere Drücke entstehen können, als sie den Stoffkennwerten entsprechen würden.

Allgemein gilt, dass der Vordruck als Faktor in den Enddruck eingeht, d.h., bei einer Gasexplosion in einem Behälter unter atmosphärischem Druck von 1 bar würde ein Überdruck von ca. 8 bar entstehen. Ist der Behälter jedoch unter Druck stehend, z.B. 2 bar, so wäre ein Druck von 16 bar zu erwarten.

Autor: Dipl.-Ing. Klaus Wettingfeld

Diesen sowie weitere Fachartikel zum Thema finden Sie im Produkt "Die Elektrofachkraft in der betrieblichen Praxis".