ATEX-Geräteauswahl
für nicht-elektrotechnische
Ingenieure

ATEX wird weithin als rein elektrotechnisches Problem verstanden. Das ist es nicht. Die Mehrheit der Zündquellen in explosionsgefährdeten Atmosphären ist mechanischer Natur — heiße Oberflächen, Reibungsfunken, mechanischer Stoß, durch Prozessanlagen erzeugte statische Elektrizität, und adiabatische Kompression. Der Maschinenbauingenieur, der eine Pumpe, einen Ventilator, ein Getriebe, oder eine Kupplung in einem explosionsgefährdeten Bereich spezifiziert, trifft Entscheidungen, die direkt beeinflussen, ob die Ausrüstung korrekt für die Zone bewertet ist, in der sie sich befinden wird — und ob Personen in ihrer Umgebung sicher sind, wenn sich unerwartet eine brennbare Atmosphäre bildet.

Dieser Artikel erklärt den ATEX-Rahmen aus der Perspektive eines Maschinenbauingenieurs, der ihn verstehen muss, ohne sich als Elektrotechniker oder ATEX-Spezialist auszugeben. Er behandelt Zonenklassifizierung, Gerätekategorien, Gasgruppen, Temperaturklassen, und die praktischen Entscheidungen bei der Spezifikation ATEX-konformer maschinenbautechnischer Ausrüstung.

Der gesetzliche Rahmen — ATEX und DSEAR

Zwei Rechtsvorschriften regeln explosionsgefährdete Atmosphären im Vereinigten Königreich und der EU:

• ATEX-Richtlinie 2014/34/EU (Geräterichtlinie, ATEX 114 in der EU, nach dem Brexit im britischen Recht beibehalten als Equipment and Protective Systems Intended for Use in Potentially Explosive Atmospheres Regulations 2016) — regelt die Herstellung von Geräten, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Atmosphären bestimmt sind. Gerätehersteller müssen ihre Produkte gemäß dieser Richtlinie zertifizieren und kennzeichnen, bevor sie auf den Markt gebracht werden können.
• DSEAR 2002 (Dangerous Substances and Explosive Atmospheres Regulations) — regelt die Nutzung von Ausrüstung in explosionsgefährdeten Atmosphären. Legt Arbeitgebern Pflichten auf, die Zonenklassifizierung explosionsgefährdeter Bereiche durchzuführen, geeignete Ausrüstung für jede klassifizierte Zone auszuwählen, und die Anordnungen in einem Explosionsschutzdokument (EPD) zu dokumentieren.

Die praktische Konsequenz: Sie können nicht einfach eine Pumpe kaufen und in einen explosionsgefährdeten Bereich stellen. Die Zone muss klassifiziert werden, die Ausrüstung muss passend zu dieser Zone ausgewählt werden, und die Auswahl muss dokumentiert werden. ATEX-gekennzeichnete Ausrüstung wurde als geeignet für einen definierten Bereich explosionsgefährdeter Atmosphären zertifiziert — aber die Verantwortung, die richtige Ausrüstung der richtigen Zone zuzuordnen, liegt beim Pflichtigen, nicht beim Gerätehersteller.

Zonenklassifizierung — Definition der Gefahr

Ausgangspunkt ist die Zonenklassifizierung — eine systematische Bewertung, wo und wie lange eine brennbare Atmosphäre bestehen könnte. Die Zonenklassifizierung wird von einer kompetenten Person durchgeführt (typischerweise ein Prozessingenieur oder spezialisierter Berater für explosionsgefährdete Bereiche) unter Verwendung der Leitlinien in IEC 60079-10 und dem weithin verwendeten Model Code of Safe Practice IP15 des Energy Institute.

Für Gase, Dämpfe und Nebel werden drei Zonen definiert:

• Zone 0 — ein Ort, an dem eine brennbare Gaswolke ständig, über lange Zeiträume, oder häufig vorhanden ist. Typischerweise das Innere von Lagertanks, der Dampfraum über einer Flüssigkeitsoberfläche in einem Behälter, oder innerhalb eines Abblaseschornsteins. Dies ist die gefährlichste Zonenbezeichnung.
• Zone 1 — ein Ort, an dem im Normalbetrieb gelegentlich eine brennbare Gaswolke auftreten kann. Typische Zone-1-Orte: der Bereich innerhalb von 1–3 Metern um eine Flanschverbindung an einer brennbaren Versorgungsleitung, um Pumpendichtungen und Ventilstopfbuchsen, in der Nähe von Probenanschlüssen, und um Atmungsventile an atmosphärischen Lagertanks.
• Zone 2 — ein Ort, an dem im Normalbetrieb eine brennbare Gaswolke unwahrscheinlich ist, und falls sie auftritt, nur für kurze Zeit bestehen wird. Typischerweise 1–5 Meter über die Zone-1-Grenze hinaus bei den meisten Ausrüstungsteilen. Die Mehrheit der Bereiche von Freiluft-Prozessanlagen ist Zone 2, wo der Prozess brennbare Medien beinhaltet.

Für Stäube werden äquivalente Zonen definiert als Zone 20 (ständiges Vorhandensein einer explosionsfähigen Staubwolke), Zone 21 (gelegentlich im Normalbetrieb), und Zone 22 (selten und kurze Dauer). Staubexplosionen sind eher energiereicher als Gasexplosionen und werden mit gleichwertiger Strenge behandelt, treten jedoch seltener in den allgemeinen Prozessindustrien auf.

Gerätekategorien — Welche Ausrüstung wohin darf

ATEX-Ausrüstung wird in Kategorien eingeteilt, die bestimmen, in welchen Zonen sie verwendet werden darf. Gerätegruppe II (Übertageindustrie — keine Bergwerke) hat drei Kategorien:

Eine Kategorie-2G-Pumpe kann in Zone 1 oder Zone 2 verwendet werden. Eine Kategorie-3G-Pumpe darf nur in Zone 2 verwendet werden — sie darf nicht in Zone 1 installiert werden. Kategorie-1G-Ausrüstung für Zone 0 ist unüblich und teuer; wo Zone 0 innerhalb eines Behälters besteht, ist der Standardansatz, alle Ausrüstung außerhalb der Zone-0-Grenze zu halten, statt zone-0-bewertete Instrumente darin zu spezifizieren.

Kategorien werden immer von dem G- oder D-Suffix begleitet — G für Gas/Dampf/Nebel, D für Staub. Mit Kategorie 2G gekennzeichnete Ausrüstung kann nicht als sicher in Staubatmosphären angenommen werden; sie muss mit 2D (oder 2GD für Doppelzertifizierung) für Staubbetrieb gekennzeichnet sein.

Gasgruppen — Zuordnung der Ausrüstung zum Stoff

Brennbare Gase und Dämpfe variieren erheblich in ihrer Zündfähigkeit — manche entzünden sich leicht bei geringer Funkenenergie, andere benötigen weit mehr Energie, um die Verbrennung einzuleiten. ATEX verwendet Gasgruppen, um Stoffe nach ihren Worst-Case-Zündeigenschaften zu kategorisieren, sodass Ausrüstung mit angemessenem Zündschutz für den anspruchsvollsten Stoff konstruiert werden kann, dem sie begegnen könnte:

Für Gruppe IIB gekennzeichnete Ausrüstung darf in IIA- und IIB-Atmosphären verwendet werden, aber nicht in IIC. Für Gruppe IIC gekennzeichnete Ausrüstung ist für alle Gerätegruppe-II-Gasatmosphären geeignet. Die praktische Implikation: Eine LPG-Anlage (Gruppe IIA) kann weniger streng konstruierte Ausrüstung verwenden als eine Wasserstoffanlage (Gruppe IIC). IIC-Ausrüstung durchgehend in einer Propananlage zu spezifizieren ist technisch akzeptabel, aber kommerziell überdimensioniert. IIA-Ausrüstung in einer Wasserstoffanlage zu spezifizieren ist gefährlich und nicht konform.

Für gängige Prozessmedien: Erdgas und die meisten Erdölprodukte sind IIA. Ethylencracker- und Chemieanlagen sind häufig IIB. Wasserstoffbetrieb, Chloralkali-, und Flusssäureanlagen sind IIC. Bei Unsicherheit über die Gasgruppe eines Stoffes klassifiziert die IEC-60079-20-Datenbank und NFPA 497 mehrere hundert Stoffe.

Temperaturklassen — Oberflächentemperaturgrenzwerte

Eine brennbare Atmosphäre kann nicht nur durch einen elektrischen Funken, sondern auch durch eine heiße Oberfläche gezündet werden. ATEX-Temperaturklassen definieren die maximal zulässige Oberflächentemperatur von Ausrüstung, die unter der Zündtemperatur (AIT) des brennbaren Stoffs in der Atmosphäre liegen muss:

Die maximale Oberflächentemperatur der Ausrüstung unter allen Betriebsbedingungen — einschließlich Fehlerbedingungen für Kategorie-1- und -2-Ausrüstung — darf den Temperaturklassengrenzwert nicht überschreiten. Die Temperaturklasse muss gegen die AIT des Stoffs abgeglichen werden. Gängige Zündtemperaturen: Methan 580°C (T1 ausreichend), Benzin 280°C (T3 erforderlich), Diethylether 160°C (T4 erforderlich), Schwefelkohlenstoff 90°C (T6 erforderlich).

Die Relevanz für Maschinenbauingenieure: Reibung, Lagerüberlastung, und Bremsbetätigung können erhebliche Oberflächentemperaturen an rotierender Ausrüstung erzeugen. Ein über seiner Nennlast laufendes Pumpenlager, eine an einer rotierenden Welle angewandte Bremse, oder eine festsitzende Kupplung können Temperaturen weit über der normalen Betriebsoberflächentemperatur erreichen. Die ATEX-Zertifizierung der Ausrüstung muss diese Fehlerbedingungstemperaturen berücksichtigen, nicht nur normale Betriebstemperaturen.

Eine ATEX-Kennzeichnung lesen

Jedes ATEX-zertifizierte Ausrüstungsteil trägt eine Kennzeichnung, die alle relevanten Informationen kodiert. Eine typische Kennzeichnung für eine Pumpe könnte lauten:

⟨Ex⟩ II 2 G Ex d IIB T4 Gb

Dekodiert:

• ⟨Ex⟩ — ATEX-zertifiziert (das sechseckige Symbol)
• II — Gerätegruppe II (Übertageindustrien, keine Bergwerke)
• 2 — Kategorie 2 (geeignet für Zone 1 und Zone 2)
• G — Gas-/Dampf-/Nebelatmosphäre (kein Staub)
• Ex d — Zündschutzart: druckfeste Kapselung (d = druckfest). Andere gängige Arten: Ex e (erhöhte Sicherheit), Ex ia (Eigensicherheit), Ex nA (funkenfrei), Ex p (Überdruckkapselung)
• IIB — Gasgruppe: geeignet für IIA- und IIB-Atmosphären, aber nicht IIC
• T4 — Temperaturklasse: maximale Oberflächentemperatur 135°C
• Gb — Geräteschutzniveau: Gb = hoher Schutz für Gas (Zone 1)

Bei maschinenbautechnischer Ausrüstung ist die Zündschutzart häufig Ex h (früher Ex c) — konstruktive Sicherheit —, die Schutz durch Konstruktionsmerkmale statt durch Kapselung oder Eigensicherheit umfasst. Mechanische Pumpen und Verdichter werden üblicherweise unter Ex h zertifiziert, was bedeutet, dass der Schutz durch Merkmale wie begrenzte Oberflächentemperaturen, kontrollierte Lagerspiele, funkenfreie Werkstoffe für Laufräder, und Gleitringdichtungen erreicht wird, die so konstruiert sind, dass sie verhindern, dass das geförderte Medium eine potenzielle Zündquelle erreicht.

Spezifische Überlegungen für maschinenbautechnische Ausrüstung

Pumpen und Verdichter

Bei Pumpen, die brennbare Medien in explosionsgefährdeten Bereichen fördern, sind die wichtigsten mechanischen Zündrisiken: Lagerüberhitzung durch Überlastung oder Schmierungsausfall, Laufradkontakt mit dem Gehäuse (Erzeugung von Reibungsfunken), und Gleitringdichtungsversagen, das brennbares Medium entweichen und eine heiße Oberfläche berühren lässt. Die ATEX-Pumpenzertifizierung behandelt alle drei durch Spezifikation der maximalen Lagertemperatur, Laufspielanforderungen, und Dichtflächenwerkstoffauswahl. Bei Pumpen, die brennbare Medien fördern — unabhängig von der ATEX-Zonenklassifizierung —, wird häufig eine Gleitringdichtung mit Sperrflüssigkeitssystem (Doppeldichtung, API Plan 52 oder 53) spezifiziert, um zu verhindern, dass Prozessmedium selbst bei Dichtungsversagen die Atmosphäre erreicht.

Ventilatoren und Lüftungsausrüstung

Ventilatoren, die brennbare Dampf-Luft-Gemische fördern (Dachlüfter an Lösungsmittellagern, Abluftventilatoren von Lackierkabinen), müssen ATEX-zertifiziert sein. Funkenfreie Ventilatorkonstruktion — Aluminiumlaufräder mit Messing- oder Bronzering am Einlass, oder GFK-Laufräder — ist erforderlich, um Funkenerzeugung durch Laufrad-Gehäuse-Kontakt zu verhindern. Motoren müssen angemessen für die Zone bewertet sein, in der sie installiert sind (Motor außerhalb der explosionsgefährdeten Zone mit Wellendurchführung ist die einfachste Anordnung; Motor in der Zone erfordert ATEX-bewerteten Motor).

Getriebe und Kupplungen

Getriebe in explosionsgefährdeten Bereichen müssen auf maximale Oberflächentemperatur unter allen Lastbedingungen, einschließlich Blockierung, bewertet werden. Kupplungsabdeckungen müssen aus funkenfreiem Material bestehen. Elastische Kupplungen dürfen keine statische Elektrizität erzeugen — dissipative Materialien oder Erdungsvorkehrungen sind erforderlich. Der Maschinenbauingenieur, der einen Antriebsstrang in einem Zone-1- oder Zone-2-Bereich spezifiziert, muss sicherstellen, dass jedes Element eine angemessene ATEX-Kennzeichnung trägt, nicht nur der Motor und die angetriebene Ausrüstung.

Ventile und Stellantriebe

Handbetätigte Ventile ohne mechanische Energiequelle erzeugen ein sehr geringes Zündrisiko und sind im Allgemeinen von ATEX-Geräteanforderungen befreit (obwohl ihre Dichtungen und Packungen bei der Zonenklassifizierung um sie herum berücksichtigt werden müssen). Angetriebene Ventile — pneumatisch, hydraulisch, oder elektrisch — erfordern die Berücksichtigung des ATEX-Status des Stellantriebs in der Zone, in der er installiert ist.

Das Explosionsschutzdokument

DSEAR verlangt, dass der Pflichtige ein Explosionsschutzdokument (EPD) für jeden Arbeitsplatz erstellt und pflegt, an dem explosionsfähige Atmosphären auftreten können. Das EPD muss enthalten: die Zonenklassifizierung explosionsgefährdeter Bereiche (Zonenzeichnungen), die Maßnahmen zur Verhütung von und zum Schutz vor Explosionen, die in jeder Zone installierte Ausrüstung und ihre ATEX-Zertifizierung, und die Vorkehrungen für Wartung, Inspektion, und Kompetenz des Personals.

Das EPD ist ein lebendiges Dokument — es muss aktualisiert werden, wenn sich der Prozess ändert, wenn Ausrüstung ersetzt wird, oder wenn Zonengrenzen überarbeitet werden. Bei einer Konformitätsprüfung oder nach einem Vorfall ist das EPD das primäre Dokument, das die Aufsichtsbehörde sehen möchte. Ein fehlendes oder unzureichendes EPD ist ein erheblicher Konformitätsmangel, unabhängig davon, ob die installierte Ausrüstung korrekt spezifiziert ist.

Häufige Fehler bei der ATEX-Gerätespezifikation

• Installation von Nur-Zone-2-Ausrüstung (Kategorie 3G) in Zone 1: Eine Kategorie-3G-Pumpe ist nur für Zone 2 zertifiziert. Ihre Installation in Zone 1 ist nicht konform, unabhängig von der allgemeinen Qualität der Ausrüstung. Die Zonenzeichnung vor der Spezifikation von Ausrüstung prüfen.
• Spezifikation der falschen Gasgruppe: Nur für IIA zertifizierte Ausrüstung ist in einer Ethylen- (IIB) oder Wasserstoffanlage (IIC) nicht konform. Der gehandhabte Stoff, nicht seine allgemeine Kategorie, bestimmt die Gasgruppenanforderung.
• Ignorieren der Temperaturklasse gegen die AIT des Mediums: Eine T3- (200°C max. Oberfläche) Pumpe in einer Diethylether-Atmosphäre (AIT 160°C) ist eine potenzielle Zündquelle. Die Temperaturklasse gegen die tatsächliche AIT des Stoffs bei seiner maximal erwarteten Konzentration verifizieren.
• Annahme der ATEX-Konformität bei Ersatzteilen: Das Ersetzen eines ATEX-zertifizierten Pumpenlaufrads durch ein nicht zertifiziertes Ersatzteil macht die ATEX-Zertifizierung der Baugruppe ungültig. Ersatzteile für ATEX-Ausrüstung müssen vom OEM oder zertifizierten Äquivalenten bezogen werden.
• Keine Zonenzeichnung: ATEX-Ausrüstung kann ohne eine Zonenklassifizierungszeichnung nicht korrekt spezifiziert werden. Wenn keine existiert, ist das EPD unvollständig, und keine Gerätespezifikation kann korrekt sein.

Zusammenfassung

ATEX ist ein strukturierter Rahmen — Zone, Kategorie, Gasgruppe, Temperaturklasse —, der die Gefahr in der Atmosphäre mit dem in die Ausrüstung eingebauten Schutzniveau verknüpft. Für einen Maschinenbauingenieur sind die Schlüsselentscheidungen: die Zonenklassifizierung aus der Bereichszeichnung verstehen, Ausrüstung der korrekten Kategorie für diese Zone spezifizieren, die Gasgruppe gegen den gehandhabten Stoff verifizieren, die Temperaturklasse gegen die Zündtemperatur prüfen, und sicherstellen, dass jede Komponente eines mechanischen Antriebsstrangs oder Pumpensystems eine angemessene ATEX-Zertifizierung trägt — nicht nur der Motor.

Die Konformität mit ATEX beginnt mit dem Explosionsschutzdokument und wird aufrechterhalten, indem es aktuell gehalten wird, wenn sich irgendetwas in der Anlage ändert. Das EPD ist keine einmalige Übung — es ist eine lebendige Aufzeichnung der Grundlage, auf der jedes Ausrüstungsteil in einem explosionsgefährdeten Bereich ausgewählt wurde und betrieben wird.