26 Gasexplosieveiligheid

IMA soort: 
IMA-A

De materie is echter zo complex dat hier alleen de hoofdlijnen worden aangegeven. Voor meer gedetailleerde informatie wordt naar de betreffende ATEX-richtlijnen, de wetgeving en de NPR 7910-1 (Nederlandse praktijkrichtlijn) verwezen.

Op het werken met brandbare producten waarbij mogelijk een explosieve atmosfeer kan ontstaan, zijn twee Europese richtlijnen van toepassing die ook wel ATEX-richtlijnen worden genoemd. ATEX is de afkorting van Atmosphères Explosibles. Het doel van deze richtlijnen is werknemers te beschermen tegen explosiegevaar. Het gaat hierbij om de richtlijnen:

  • ATEX 95, Richtlijn 1994/9/EEG, is een productrichtlijn voor arbeidsmiddelen en beveiligingssystemen voor explosieve atmosferen, die voorschriften geeft voor het gebruik van apparaten en beveiligingssystemen voor gebruik op plaatsen waar ontploffingsgevaar kan heersen. Deze richtlijn is in Nederland opgenomen in het Warenwetbesluit explosieveilig materieel en beschrijft de algemene veiligheidsdoelen.
  • ATEX 137, Richtlijn 1999/92/EEG, werken in explosieve atmosferen, bevat minimumvoorschriften voor de verbetering van de gezondheidsbescherming van werknemers die door explosieve atmosferen gevaar kunnen lopen. De ATEX 137 heeft ook betrekking op ontploffingsgevaar in verband met het gebruik en/of de aard van het materieel en de installatiemethoden. In de richtlijn wordt een zone-indeling gedefinieerd in verband met zowel gas- als stofontploffingsgevaar. De ATEX 137 richtlijn wordt daarom in de volksmond ook wel sociale- of installatierichtlijn genoemd en is voor een belangrijk deel omgezet in het Arbobesluit. ATEX 137 is eigenlijk een aanvulling op de richtlijn ATEX 95. Deze laatste beschrijft de constructie van het materieel dat geschikt is voor installatie en het gebruik daarvan in gebieden met ontploffingsgevaar. ATEX 137 beschrijft hoe deze gebieden in gevarenzones ingedeeld moeten worden, hoe er daarin veilig kan worden gewerkt en wat de werkgever daartoe moet doen.

De NPR 7910-1 is de Nederlandse nationale praktijkrichtlijn voor gasexplosiegevaar: ‘NPR 7910-1 + C1 (nl) van maart 2012: Gevarenzone-indeling met betrekking tot explosiegevaar; Deel 1: Gasexplosiegevaar gebaseerd op NEN-EN-IEC 60079-10-1: 2009’. Deze praktijkrichtlijn geeft voor de gevarenzone-indeling een gemakkelijk uitvoerbare aanpak gebaseerd op aannamen die een sterke vereenvoudiging inhouden van de in werkelijkheid veelal zeer gecompliceerde situaties.

Eerst enkele begrippen
De hier beschreven begrippen zijn gebaseerd op bovengenoemde ATEX richtlijnen, de NPR7910-1 en de Arbowetgeving.

Soorten explosies
Er is een onderscheid te maken tussen drie verschillende soorten explosies:

  • Fysische explosie - voorbeelden zijn ballon, fietsband, spuitbus, gasfles, vulkaan, etc.;  
  • Chemische explosie - voorbeelden zijn gasexplosie, nevelexplosie en stofexplosie;
  • Nucleaire explosie.

Deze module is beperkt tot het gebied van de chemisch explosies voor wat betreft gassen en dampen.

Explosie
Een explosie (ontploffing) is een plotselinge vergroting van het volume en het snel vrijkomen van energie, gepaard gaand met het ontstaan van hoge temperaturen en het vrijkomen van gassen.

Volgens artikel 3.5g lid 3.c van het Arbeidsomstandighedenbesluit is er sprake van gevaar voor brand of explosie indien in de atmosfeer de concentratie van zuurstof hoger is dan 21 volumeprocent of de concentratie van brandbare gassen of dampen hoger is dan 10 volumeprocent van de onderste explosiegrens. Soms wordt dit type explosie ook thermische explosie genoemd.

Een explosie is een snelle verbranding met drukeffect. Door de snelle verbranding ontstaat er een grote hoeveelheid (verbrandings)gas die door de snelheid en door de vaak afgesloten ruimte een drukgolf en een vlamfront veroorzaken. Alle brandbare stoffen kunnen in de juiste verhouding met lucht (m.n. zuurstof) en een ontstekingsbron een explosie geven. Voor het ontstaan van explosies zijn namelijk drie factoren nodig:

  • Brandbare stof;
  • Zuurstof (lucht);
  • Ontstekingsbron.

Niet elk mengsel van gas of damp met lucht is explosief. Explosies kunnen alleen optreden wanneer de mengverhouding van brandstof en lucht tussen bepaalde grenzen ligt: de explosiegrenzen.

Brandbare stoffen
De term ‘brandbare stoffen’ moet hier als volgt worden beschouwd: materie die van zichzelf brandbaar is of waaruit een brandbaar gas, damp of nevel kan vrijkomen. Brandbare stoffen kunnen nader onderverdeeld worden in:  

  • Brandbare vloeistof - vloeistof waaruit onder alle voorzienbare bedrijfsomstandigheden een brandbare damp kan ontstaan.
  • Brandbaar gas of damp - gas of damp die in bepaalde verhoudingen met lucht gemengd een explosieve gasatmosfeer vormt. Onder damp wordt hierbij verstaan een stof die vanuit de vloeistoffase door warmtetoevoer of door drukverlaging in gasvorm is overgegaan. De NPR7910 beschouwt de termen gas en damp voor het ontstaan van explosie als synoniemen. In beide gevallen gaat het immers om moleculen van de stof die in de lucht zitten (dus niet in vaste of vloeibare vorm). Bij temperaturen en drukken waar zowel de gasfase als de vloeistoffase mogelijk zijn, wordt gesproken van een damp in plaats van een gas. Dit is bijvoorbeeld het geval bij water en kwik op kamertemperatuur. Boven de kritische temperatuur spreekt men van een gas. De kritische temperatuur van een stof is de temperatuur waarbij deze zich in één fase bevindt. Bij een hogere temperatuur zal de fase van de stof niet veranderen als de druk of het volume wordt veranderd. Dampen bevinden zich onder de kritische temperatuur en deze kan men vloeibaar maken door samenpersen. Voor gassen is dat niet het geval, die moeten eerst afgekoeld worden tot onder de kritische temperatuur. Voor water is de kritische temperatuur 374 °C. Voor stikstof (N2) is de kritische temperatuur -147 °C. Stikstof bij kamertemperatuur is een gas. Maar voor de toestand in de lucht in verband met explosiegevaar is dit niet van belang.
  • Brandbare nevel - fijn in lucht verdeelde druppeltjes van een vloeistof waarbij een explosieve atmosfeer wordt gevormd.

P.S. De explosierisico’s van brandbare vaste stoffen worden beschreven in een andere module.

Explosieve atmosfeer
Onder een explosieve atmosfeer wordt verstaan een mengsel van lucht, onder atmosferische omstandigheden, en brandbare stoffen in de vorm van gas of damp, waarin de verbranding zich, na te zijn ontstoken, kan voortplanten.

In het Arbobesluit art 3.1c en in het Warenwetbesluit artikel 1i staat als definitie van explosieve atmosfeer: een mengsel van lucht en brandbare stoffen in de vorm van gassen, dampen, nevels of stof, onder atmosferische omstandigheden waarin de verbranding zich na ontsteking uitbreidt tot het gehele niet verbrande mengsel.

Bovenste explosiegrens, Upper Explosion Limit (UEL)
De concentratie van brandbaar gas of damp in de lucht waarboven de atmosfeer niet explosief is. Bij deze mengsels is er te weinig zuurstof aanwezig om de verbranding in stand te houden en in hevigheid te laten oplopen: er treedt geen explosie op. Boven de bovenste explosiegrens kan er weliswaar geen explosie plaatsvinden, maar het mengsel is wel gevaarlijk. Wanneer plotseling extra lucht toetreedt, bijvoorbeeld door het openen van een deur, kan het mengsel alsnog in het explosiegebied terechtkomen.

Onderste explosiegrens, Lower Explosion Limit (LEL)
De concentratie van brandbaar gas of damp in de lucht beneden welke de atmosfeer niet explosief is. Bij deze mengsels is er te weinig brandbare gas of nevel aanwezig en zal er te weinig warmte ontstaan. De reactie kan zichzelf niet in stand houden en qua hevigheid laten oplopen: er treedt geen explosie op. Onder de laagste explosiegrens is het mengsel ongevaarlijk.

Explosiegebied
Het bereik van de concentratie van een brandbare stof in lucht waarbinnen een explosie kan plaatsvinden, dus het gebied tussen de onderste en de bovenste explosiegrens. Boven de UEL is het mengsel te 'rijk', onder de LEL is het mengsel te 'arm' om te kunnen worden ontstoken. 

Gasexplosiegevaar
Wanneer brandbare gassen in de atmosfeer vrijkomen, vermengen ze zich direct met de lucht die voor circa 21 vol% uit zuurstof bestaat. Als de concentratie van de brandbare stof in het ontstane gasmengsel tussen de onderste en de bovenste explosiegrens ligt, dan kan het mengsel ontploffen als het wordt ontstoken. Van ieder brandbaar gas liggen de explosiegrenzen in lucht bij omgevingsdruk vast. Voor de meestgebruikte gassen geldt dat de onderste explosiegrens (LEL) ergens ligt tussen de 2 vol% en 5 vol% ligt. De bovenste explosiegrens (UEL) kan echter relatief hoge waarden hebben tot 100%. Het gebied tussen de LEL en de UEl heet het explosiegebied.

In onderstaande tabel zijn enkele voorbeelden genoemd. 

Stofnaam

Exp.gebied

Stofnaam

Exp.gebied

aceton

2,1 - 13

methaan (aardgas)

4,4 - 16

acetonitril

3 - 17

methanol

5,5 - 44

acetyleen

2,3 - 80

methylethylketon (MEK)

1,8 - 11,5

ammoniak

15 - 30,2

propaan

1,7 - 9,3

butaan

1,3 - 8,5

n-propanol

2,1 - 19,2

ethanol

3,1 - 27

silaan (SiH4)

1,0 - 100

etheen

2,3 - 34

terpentine

0,6– 8,0

ether

1,7 - 48

tolueen

1,2 - 7,1

LPG

1,5 - 10

waterstof

4 - 76

Bij gasexplosie treedt nauwelijks volumevergroting op: de gasmoleculen zitten al in de gasfase. Wel kan er schade ontstaan door drukgolven door de obstakels in de ruimte. Bij stofexplosies is er wel sprake van een grote volumevergroting (zie de module over stofexplosies). 

Nevelexplosiegevaar
Een vloeibare brandbare stof zal afhankelijk van de dampspanning in meerdere of mindere mate verdampen en zal dus met de lucht een ontplofbaar mengsel vormen. De snelheid waarmee damp wordt gevormd en de concentratie boven het vloeistofoppervlak worden hoger naarmate de temperatuur van de vloeistof hoger is. Zodra de vloeistof een temperatuur boven zijn vlampunt heeft, ligt die concentratie boven de LEL en is het mengsel ontsteekbaar. Wanneer een vloeistof wordt verstoven, ontstaan zeer kleine druppeltjes, oftewel een nevel. Hoe kleiner de druppeltjes zijn, hoe stabieler de nevel is, en des te meer deze zich als een gas gedraagt en vervolgens op een overeenkomstige manier kan ontploffen.

Lineaire brandsnelheid
De snelheid waarmee de verbranding in een mengsel brandbare stof-lucht zich voortplant heet lineaire brandsnelheid. Bij gasmengsels liggen deze tussen de 0,1 en 200 m/s, bij vaste stoffen tussen de 0,001 en 1 m/s. Wanneer de verbranding zichzelf kan onderhouden (zonder dat er extra zuurstoftoevoer nodig is zoals bij een gewone verbranding) spreekt men van explosies. Wanneer dat gepaard gaat met relatieve lagere lineaire brandsnelheden (lager dan de geluidssnelheid in die stof) door het mengsel heen, heten deze deflagraties. Gaat het gepaard met zeer grote lineaire brandsnelheden (1 tot 9 km/s) dan heten deze detonaties. Bij detonaties plant het reactiefront in de explosieve stof zich sneller voort dan de geluidssnelheid in die stof en veroorzaakt een schokfront.

Indeling van gassen en dampen op basis van hun ontstekingseigenschappen
Gassen en dampen worden op basis van hun ontstekingseigenschappen ingedeeld in temperatuurklassen en gasgroepen. Materieel bestemd voor gebruik in explosiegevaarlijk gebied (gevarenzone) is eveneens ingedeeld in temperatuurklassen en gasgroepen. Een gevarenzone wordt gekenmerkt door zonesoort, temperatuurklasse en gasgroep.

Vlampunt
Het vlampunt is de laagste vloeistoftemperatuur waarbij onder zekere genormaliseerde omstandigheden uit een vloeistof dampen in een zodanige hoeveelheid worden afgegeven dat een brandbaar gasmengsel van damp en lucht kan worden gevormd. Voorheen bestond er een indeling in K-klassen. Deze is vervallen.

Ontstekingstemperatuur van een brandbare stof
De laagste temperatuur van een verhit oppervlak waarbij, onder gespecificeerde omstandigheden, ontsteking van een brandbare stof in de vorm van een gas- of dampmengsel met lucht zal plaatsvinden. De hoogst voorkomende oppervlaktetemperatuur behoort, om ontsteking te voorkomen, lager te zijn dan de ontstekingstemperatuur van het gasmengsel. Materieel dat in een bepaalde temperatuurklasse is ingedeeld mag worden toegepast voor gassen met een ontstekingstemperatuur die hoger is dan de bij die klasse behorende temperatuur. Anders gezegd: materieel behoort tenminste in dezelfde temperatuurklasse te zijn ingedeeld als die waarmee de zone is gekenmerkt. 

Indeling van materieel in temperatuurklassen

Temperatuurklasse van

het materieel

Maximaal toelaatbare
oppervlaktetemperatuur 0C

T1

450

T2

300

T3

200

T4

135

T5

100

T6

85

Ontstekingsbron
Dit is een plaats waar een zodanige hoeveelheid energie vrijkomt dat daardoor een explosieve atmosfeer kan worden ontstoken.
1. hete oppervlakken
2. vlammen (open vuur) en hete gassen
3. mechanische vonken en lasvonken
4. elektrische installaties en elektrisch materieel
5. zwerfstromen en kathodische bescherming
6. statische elektriciteit
7. bliksem
8. elektromagnetische straling in het radiofrequentiegebied van 104Hz tot 3x1012Hz
9. elektromagnetische straling in het optische gebied van 3x1011 tot 3x1015 Hz
10. ioniserende straling
11. ultrasoon geluid
12. adiabatische compressie, schokgolven en stromende gassen
13. exotherme chemische reacties

Gasgroepen
Voor gassen en dampen gelden de volgende groepen
Gasgroep I: mijngas (kolenwinning)
Gasgroep II: alle andere soorten gassen en dampen

Principes voor explosiebeveiliging
Primair: voorkomen dat er een explosieve atmosfeer kan ontstaan door het wegnemen of weghouden van alle brandbare stoffen en/of zuurstof.

  • Secundair: elimineren van ontstekingsbronnen (speciale behuizingen, intrinsiek veilig maken). 
  • Tertiair: in het uiterste geval, explosies gecontroleerd toelaten en beperken van de gevolgen door explosiebestendige constructies (bv. breekplaten, vlamdovers). 

In veel bedrijven kan de aanwezigheid van brandbare stoffen niet voorkomen worden en omdat in bedrijfsomgevingen vaak mensen werken, is het veelal niet praktisch om zuurstof weg te halen. De meest praktische manier om explosies te voorkomen is om de ontstekingsbron te elimineren. Dat betekent dat als er een explosieve atmosfeer kan ontstaan (in het zogenaamde Gevaarlijke Gebied) dat een bepaalde ‘zonering’ wordt aangebracht waarbinnen slechts bepaalde typen beveiligde ontstekingsbronnen gebruikt mogen worden. De zonering richt zich dus alleen op de ontstekingsbronnen.

Het doel van deze gevarenzone-indeling is om de toelaatbaarheid te beoordelen van ontstekingsbronnen in een gebied waarin brandbare stoffen aanwezig zijn. De indeling binnen zo´n Gevaarlijk Gebied in zoneklassen is afhankelijk van de waarschijnlijkheid van het aanwezig zijn van een ontplofbare atmosfeer. Deze wordt bepaald door de frequentie en duur van het optreden van een explosieve atmosfeer binnen die gevarenzone.

Soorten gebieden (vloeistoffen, gassen en dampen)
Als vastgesteld is dat er gevarenbronnen aanwezig zijn en bepaalde minimumhoeveelheden worden overschreden, wordt bekeken of er sprake is van een gevaarlijk gebied waarbinnen een nadere verdeling in zones nodig kan zijn.

  • Gevaarlijk gebied: dit is een gebied waarbinnen een explosieve gasatmosfeer in zulke hoeveelheden aanwezig is of aanwezig kan zijn dat speciale voorzieningen zijn vereist voor de constructie, de installatie en het gebruik van materieel. Deze wordt nader in drie zones verdeeld. In een ’Gevaarlijk gebied’ moeten maatregelen ter voorkoming van actieve ontstekingsbronnen (materieel en/of werkzaamheden) worden genomen.
  • Niet gevaarlijk gebied (NGG): dit is een gebied waarbinnen een explosieve gasatmosfeer niet wordt verwacht aanwezig te zijn, in zulke hoeveelheden dat speciale voorzieningen zijn vereist voor de constructie, de installatie en het gebruik van materieel.
  • Afwijkend gebied (AG): dit is een gebied waarbinnen ten gevolge van hete oppervlakken, open vuur en/of vlammen en/of open branders een constante ontstekingsbron aanwezig is en waardoor het door de noodzakelijke en onvermijdelijke aanwezigheid van een of meer secundaire gevarenbronnen niet zinvol is om een zone-indeling te maken.

Gevarenzone-indeling vloeistoffen, gassen en dampen
Dit is de indeling van ‘Gevaarlijke gebieden’ in zones, afhankelijk van de waarschijnlijkheid van het aanwezig zijn van een explosieve atmosfeer.Zones zijn gevaarlijke (deel)gebieden die op basis van de frequentie waarin een explosieve gasatmosfeer voorkomt en de duur daarvan, zijn ingedeeld. Voor zonering zijn drie zones gedefinieerd.

  • Zone 0: een gebied waarbinnen een explosieve gasatmosfeer voortdurend of gedurende lange perioden of regelmatig aanwezig is. Daarbij is te denken aan meer dan 10% van de bedrijfsduur van een installatie of van de duur van een activiteit (in eerdere versies van de NPR 7910-1 stond langer dan 1000 uur per jaar). Een voorbeeld van zone 0 is het binnenste van een tank met brandbare vloeistoffen.
  • Zone 1: een gebied waarbinnen de aanwezigheid van een explosieve gasatmosfeer bij normaal bedrijf af en toe te verwachten is. Daarbij is te denken aan tussen 0,1% en 10% van de bedrijfsduur van een installatie of van de duur van een activiteit (in eerdere versies van de NPR 7910: 10 - 1000 uur per jaar). Een voorbeeld van zone 1 is rondom een opening van een tank met brandbare vloeistoffen.
  • Zone 2: een gebied waarbinnen de aanwezigheid van een explosieve gasatmosfeer bij normaal bedrijf onwaarschijnlijk is en waarbinnen een dergelijke atmosfeer, indien aanwezig, slechts zelden en gedurende een korte periode zal bestaan. Daarbij is te denken aan minder dan 0,1% van de bedrijfsduur van een installatie of van de duur van een activiteit (in eerdere versies van de NPR 7910-1: totaal minder dan 10 uur per jaar). Een voorbeeld van zone 2 is de omgeving om een tank met brandbare vloeistoffen.