Druckbehälter

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Genieteter Druckbehälter mit Inspektionsöffnung und Armaturen
Druckluftspeicher (Windkessel) einer Kleinzeche
Reaktordruckbehälter im Kernkraftwerk Shippingport 1956

Druckbehälter sind geschlossene Behälter, deren Druck im Inneren über dem Umgebungsdruck liegt. Im Gegensatz zu Druckgasbehältern und Transportbehältern nach Verkehrsrecht, in denen Fluide befördert werden, ist der Betrieb von Druckbehältern einem bestimmten Aufstellungsort zugewiesen.

Definition und Abgrenzung

Historisch wird unterschieden zwischen Dampfkesseln und Druckbehältern. Dampfkessel sind dadurch definiert, dass sie zur Erzeugung von Wasserdampf (Dampfdruck über 0,5 bar) oder Heißwasser (Temperatur über 110 °C) mittels einer Feuerung, elektrischen Beheizung oder Abwärme eingesetzt werden.

Rohrleitungen zum Befördern von Fluiden sind keine Druckbehälter. Druckbehälter sind dadurch definiert, dass ihnen eine bestimmte Funktion zugewiesen ist (Lagern, Filtern, Wärmeübertragung).

Druckbehälterarten

Verflüssiger, Unterkühler, Verdampfer und Filtertrockner in einer Kälteanlage

Druckbehälter können in Bezug auf die Funktion wie folgt eingeteilt werden

Die konstruktiv ideale Form für Druckbehälter ist die Kugel und sie wird insbesondere bei sehr hohen Innendrücken oder sehr großem Volumen (Gasbehälter) als Bauform gewählt. Vorwiegend werden jedoch die zylindrische Form verwendet, die ein Optimum zwischen Druckfestigkeit und wirtschaftlicher Herstellung darstellen. Der zylindrische Mantel wird durch flache oder gewölbte Böden (Klöpperböden oder Korbbogenböden) beidseitig verschlossen.

Zu dem Druckbehälter gehören je nach Ausführung weitere Ausrüstungsteile wie Flansche, Schrauben, Schaugläser, Dichtungen.

Beschaffenheitsanforderungen

Nach europäischem Recht des freien Warenverkehrs (New Approach) unterscheidet man zwischen den „einfachen Druckbehältern“ (Richtlinie 2014/29/EU) und den „Druckgeräten“ (Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU).

Druckgeräterichtlinie

Seit 2002 unterliegen Druckbehälter mit maximal zulässigen Betriebsdrücken über 0,5 bar (Überdruck) der Druckgeräterichtlinie. Druckbehälter werden gemäß der Druckgeräterichtlinie neben Rohrleitungen, Dampfkesseln und druckhaltenden Ausrüstungsteilen (solches sind Ventile, Filter) als Druckgerät bezeichnet und müssen mit einer EG-Konformitätserklärung und einem CE-Zeichen in Verkehr gebracht werden. In Abhängigkeit von dem Gefahrenpotential (Kriterien: maximaler Betriebsdruck, Volumen, gasförmiges oder flüssiges Fluid, Fluidgruppe) werden Druckgeräte in die Kategorien I bis IV eingestuft. Der Hersteller kann aus unterschiedlichen Konformitätsbewertungsverfahren (Baumuster, Qualitätssicherungssystem, Einzelprüfung) wählen, um den Anforderungen der Druckgeräterichtlinie zu genügen. Der Druckbehälter erhält ein Herstellschild, auf dem die individuelle Herstellnummer sowie die zulässigen Betriebsdaten (Betriebsdruck, Prüfdruck, Temperatur, Volumen) und das CE-Zeichen aufgeführt sind. Falls eine benannte Stelle an der Produktionsüberwachung beteiligt war, ist auch deren Kenn-Nr. neben dem CE-Zeichen anzubringen. Der Hersteller muss im Rahmen des Konformitätsbewertungsverfahrens eine Gefahrenanalyse sowie eine Betriebsanleitung erstellen mit Angaben zur bestimmungsgemäßen Verwendung, zu Montage, Inbetriebnahme, Benutzung und Wartung und ggf. zur unsachgemäßen Verwendung.

Die Konstruktion und Dimensionierung von Druckbehältern wird in verschiedenen Regelwerken beschrieben. Die Druckgeräterichtlinie lässt die Wahl des anzuwendenden Regelwerkes offen. In Deutschland wird meistens das AD 2000-Regelwerk angewandt. Es sind harmonisierte europäische Normen für Druckbehälter (Normenreihe EN 13445) entwickelt worden, die noch zögerlich angewendet werden. Andere Regelwerke (ASME, CODAP) dürfen ebenfalls verwendet werden, wenn damit die grundlegenden Sicherheitsanforderungen des Anhang I der Druckgeräterichtlinie erfüllt werden. Die Umsetzung der Richtlinie in deutsches Recht wurde durch die 14. ProdSV (Druckgeräteverordnung) umgesetzt.

Die Betriebsvorschriften von Druckbehältern sind in der Betriebssicherheitsverordnung enthalten.

Richtlinie über einfache Druckbehälter

Seit dem 1. Januar 1993 durften einfache Druckbehälter nur noch in Verkehr gebracht werden, wenn sie die grundlegenden Anforderungen der „Richtlinie 87/404/EWG für einfache Druckbehälter“ erfüllten. Die Richtlinie wurde zunächst abgelöst durch die Richtlinie 2009/105/EG und inzwischen ersetzt durch die jetzt gültige Richtlinie 2014/29/EU.

Einfache Druckbehälter sind serienmäßig hergestellte Druckbehälter für bestimmte begrenzte Anwendungen und Konstruktionen:

  • nur zur Aufnahme von Luft oder Stickstoff
  • Behälter dürfen keinen Flammen ausgesetzt werden
  • nur aus unlegiertem Stahl oder Aluminium
  • besteht aus einem zylindrischen Teil, das von zwei nach außen gewölbten Böden oder flachen Böden verschlossen wird
  • max. Betriebsdruck = 30 bar
  • max. Druckinhaltsprodukt (Druck mal Volumen; p·V) darf höchstens 10.000 bar·Liter sein
  • max. Temperatur von 300 °C (Stahl) und max. 100 °C (Aluminium)

Typische Anwendungsbereiche dieser Behälter sind industrielle Druckluftbehälter oder Druckluftbehälter in Bremsanlagen von Fahrzeugen.

Die Umsetzung der heute geltenden Richtlinie 2014/29/EU[1] in deutsches Recht erfolgte durch die 6. ProdSV[2], eine Rechtsverordnung zum Produktsicherheitsgesetz.

Anforderungen an die Aufstellung und Prüfung von Druckbehältern sind in der nationalen Betriebssicherheitsverordnung spezifiziert.

Betrieb

Betriebssicherheitsverordnung

Druckbehälter und Druckbehälteranlagen sind im Sinne der Betriebssicherheitsverordnung überwachungsbedürftig und müssen einer Prüfung vor Inbetriebnahme und wiederkehrenden Prüfungen (äußere, innere Prüfung, Festigkeitsprüfung) unterzogen werden. Diese Prüfung können bei Behältern mit geringerem Gefährdungspotential (abhängig vom zulässigen Betriebsdruck und dem Behältervolumen) von einer befähigten Person, bei Behältern mit höherem Gefährdungspotenzial von einer zugelassenen Überwachungsstelle (ZÜS) durchgeführt werden.

Bei den Druckbehältern, die von den ZÜS geprüft werden müssen, sind die Prüffristen für die wiederkehrenden Prüfungen durch den Betreiber im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung festzulegen. Die Maximal-Prüffristen für wiederkehrende Prüfungen sind in der Betriebssicherheitsverordnung angegeben und betragen fünf Jahre (innere Prüfung) und zehn Jahre (Festigkeitsprüfung, in der Regel eine Druckprüfung). Bei den Druckbehältern, die durch eine befähigte Person geprüft werden können, sind die Prüffristen ebenfalls durch den Betreiber festzulegen. Die Maximal-Prüffrist beträgt in diesen Fällen 10 Jahre (Festigkeitsprüfung ggf. 15 Jahre).

Ausrüstungsteile mit Sicherheitsfunktion

Druckbehälter müssen mit Ausrüstungsteilen mit Sicherheitsfunktion ausgerüstet werden, um den Behälter vor unzulässigen Betriebsbedingungen (Überschreitung des Auslegungsdrucks oder -temperatur) zu schützen. Ausrüstungsteile mit Sicherheitsfunktion sind:

  • Sicherheitsventil (zur Druckentlastung in die Umgebung oder in ein Auffangsystem),
  • Berstscheibe (Druckentlastung meist bei großen abzuführenden Massenströmen oder Einsatz bei geringen Ansprechdrücken),
  • Druckbegrenzer (Abschalten des Druckerzeugers, Verdichter, Beheizung),
  • Temperaturbegrenzer (Abschalten der Heizquelle),
  • Flüssigkeitsmangelsicherung (bei befeuerten Druckbehältern als Schutz vor Überhitzung),
  • Überfüllsicherung (Sicherstellung eines Gaspolsters über einem Flüssigkeitsstand zur Vermeidung eines Überdrucks durch thermische Flüssigkeitsausdehnung),
  • Vakuumbrecher (Schutz vor äußerem Überdruck),
  • Sonderanwendungen in der Verfahrenstechnik (Reaktionsblocker bei heftigen exothermen Reaktionen in einem Druckbehälter, Laufüberwachung eines Rührwerks, um gleichmäßigen Reaktionsverlauf in einem Reaktor sicherzustellen),
  • Wasserberieselung-Einrichtungen (äußere Wärmeabfuhr zur Kühlung wie im Brandfall).

Wenn der Behälter mit der sicherheitstechnischen Ausrüstung von einem Hersteller als funktionelle Einheit in Verkehr gebracht wird, wird dies als Baugruppe bezeichnet. Er muss für diese Baugruppe eine EG-Konformitätserklärung erstellen und die Einsatzgrenzen in der Betriebsanleitung beschreiben.

Betreiberverantwortung

Plaketten als Nachweis regelmäßiger Prüfungen

Der Betreiber einer Druckbehälteranlage muss den sicheren Betrieb gewährleisten. Er muss eine Gefährdungsbeurteilung erstellen und Maßnahmen zur Vermeidung vor Gefährdungen vorsehen. Dies können sein:

  • äußerer Schutz des Behälters (Anfahrschutz),
  • Zutrittsverbote,
  • Warnschilder,
  • Gebotsschilder (Tragen persönlicher Schutzausrüstung),
  • Schulung und Unterweisung der Mitarbeiter,
  • Verwendung nur zugelassener Ersatzteile (Dichtungen, Schrauben),
  • regelmäßige Dichtheitsprüfungen bei Verwendung gefährlicher Fluide,
  • regelmäßige Entwässerung von Druckluftbehältern,
  • regelmäßige Kontrolle des Behälters auf Schäden,
  • Funktionsprüfung der sicherheitstechnischen Ausrüstung,
  • Schutz vor dem Berühren heißer Oberflächen,
  • Notfallübungen ggf. mit externen Stellen (Feuerwehr),
  • Regelmäßige Wartung.

Die als notwendig ermittelten Maßnahmen werden in einer Betriebsanweisung aufgenommen.

Gefahren

Die Gefährdung durch Druckbehälter geht von der gespeicherten Energie in dem unter Druck stehenden Fluid aus. Die Energie ist die aufgebrachte Volumenänderungsarbeit, die von der Fluideigenschaft, dem Volumen des Behälters und dem Druck abhängt. Weil die Kompressibilität (Formelzeichen: κ oder χ) von Flüssigkeiten gering ist, ist auch die gespeicherte Energie in Behältern mit Flüssigkeiten ohne Gaspolster und ebenso das Gefahrenpotential gering. In der Druckgeräterichtlinie und Betriebssicherheitsverordnung wird dieser Einfluss berücksichtigt. Die Anforderungen hinsichtlich Herstellung und Prüfung nach diesen Vorschriften sind für flüssigkeitsbeaufschlagte Behälter geringer als für Behälter, die mit Gasen beaufschlagt werden. Bei sehr hohen Drücken (p > 100 bar) muss aber die Gefährdung bei Undichtigkeiten durch Flüssigkeitsstrahlen mit sehr hoher Geschwindigkeit berücksichtigt werden.

Dagegen ist in Druckbehältern, die mit Gasen oder druckverflüssigten Gasen (Flüssigkeiten, die über den atmosphärischen Siedepunkt erhitzt sind), eine erhebliche Energie gespeichert. Bei druckverflüssigten Gasen, beispielsweise Heißwasser mit T über 100 °C, Kältemitteln, Flüssiggasen ist bei dem Bersten eines Druckbehälters noch die Nachverdampfung der überhitzten Flüssigkeit zu berücksichtigen. Ist ein Druckbehälter erheblich in seiner Festigkeit geschädigt und führt dies im Betrieb zu einem wanddurchgreifenden Riss, dann treten an diesen Rissstellen erhebliche Spannungsspitzen auf, die zu einem weiteren Aufreißen des Behälters führen. Dieses Aufreißen kann dazu führen, dass der Behälter durch den austretenden Gasimpuls raketenartig mehrere zig- bis hundert Meter fortgeschleudert wird. Ferner treten erheblich Gefährdungen durch weggeschleuderte Trümmerteile auf. Beim Bersten größerer Behälter kommt es bei einer Aufstellung in Räumen zu Druckspitzen, die zu einer erheblichen Gebäudebeschädigung führen können.

Weitere Gefährdungen, die ggf. zu berücksichtigen sind:

  • Wegschleudern von ungesicherten Schnellverschlüssen, die unter Druck geöffnet werden können,
  • Freisetzung giftiger Fluide,
  • Austreten heißer Fluide,
  • Austreten druckverflüssigter Gase (Kälteverbrennungen),
  • Bersten durch äußeren Überdruck, falls dieser Betriebsfall in der Auslegung nicht berücksichtigt wurde (Implosion),
  • Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre,
  • Dampfschläge bei der Entspannung von überhitzten Flüssigkeiten (spontanes Verdampfen) mit der Gefahr des Aufreißens von drucktragenden Verbindungen,
  • Schneller Druckanstieg bei exothermen Reaktionen,
  • Tieftemperaturversprödung bei unzulässig tiefen Temperaturen,
  • Quetschungen durch bewegte Teile
  • Druckwelle, die nach Art einer Luftmine zum Lungenriss führt

Schäden an Druckbehältern

Schäden an Druckbehältern können durch mangelhafte Herstellung und/oder in Verbindung mit schädigenden Betriebsbedingungen auftreten. Soweit die Schädigung der Wandung lokal auftritt, kann dies bei einer Durchrostung zu einer Leckage führen ("Leck vor Bruch"). Solange die Wandungen neben einem lokal begrenzten Schadensbereich noch ausreichende Festigkeit aufweisen, führt eine Leckage nicht zu einem schlagartigen Risswachstum. Ist der geschädigte Bereich aber ausgedehnt, dann kann bei Unterschreitung der kritischen Schwelle der Riss schlagartig weiter wachsen, mit der Folge, dass der Behälter großflächig aufreißt. Dieses wird als Bersten bezeichnet. Wenn der Behälter mit kompressiblen Fluiden beaufschlagt ist, wird in Sekundenbruchteilen eine erhebliche Energie frei, die den Behälter beschleunigt und ggf. bilden abgerissene Bruchteile der Wandung gefährliche Geschosse.

Außenkorrosion

Die Korrosionen der äußeren Wandung kann durch eine aggressive Atmosphäre ausgelöst werden, so durch Seewasser, halogenhaltige Reinigungsmittel oder durch säurebildende Gase. Behälter, deren Wandungen kälter sind als die Umgebungstemperatur, sind durch Außenkorrosion gefährdet. Insbesondere bei schwarzen Behältern muss auf einen ausreichenden Korrosionsschutz und mängelfreie Ausführung der Dampfbremse geachtet werden.

Bersten

Mit Bersten wird das plötzliche, schlagartige Versagen eines Druckbehälters bezeichnet. Bei Dampfkesseln spricht man auch von einem Zerknall. Gründe hierfür können sein:

  • Herstellungsfehler (mangelhafte Ausführung von Schweißverbindungen),
  • Werkstoffmängel oder Einsatz ungeeigneter oder falscher Werkstoffe,
  • mangelhafte Reparaturen,
  • großflächige Durchrostung des Behälters mit der Folge des Aufreißens der Behälterwandung unter Betriebsdruck (die Dimensionierung der Wandstärke eines Druckbehälters mittels Berechnung der Mindestwanddicke enthält einen entsprechenden Korrosionszuschlag),
  • besondere Korrosionsformen, die die Werkstoffeigenschaften erheblich beeinflussen (Spannungsrisskorrosion, Alterung des Werkstoffes bei hohen Temperaturen, Tieftemperaturversprödung),
  • äußere mechanische Gewalteinwirkung, denen der Druckbehälter nicht standhält,
    • Beispiel: Anfahren eines Behälters durch ein Fahrzeug
  • thermischer Einfluss; eine unzulässige Erwärmung (Feuer, Brandschaden) des Behälters reduziert die Festigkeit des Werkstoffes und kann zu einem Bersten führen,
  • unzulässige Erwärmung und Druckaufbau im Behälter, insbesondere bei Fluiden im Sattdampfzustand [Flüssiggas, Kältemittel] mit einem Druckanstieg, für den das Sicherheitsventil nicht ausgelegt ist.
  • Druckwechselbeansprchung für die der Druckbehälter nicht ausgelegt ist,
  • Flüssigkeitsschläge bei Druckabfall und Einsatz druckverflüssigter Medien,
  • Fehler in der Druckregelung und Nichtansprechen des Sicherheitsventils, Überdruckventils,
  • Ausfall von PLT-Schutzeinrichtungen,
  • fehlende oder falsche Druckabsicherung (Nichtberücksichtigung der thermischen Ausdehnung von Flüssigkeiten),
  • Unterdruckschaden (der Behälter ist nicht für Unterdruck ausgelegt und es ist keine Vakuumsicherung vorhanden).

Normen und Standards

Österreich:[3]

Weblinks

Commons: Druckbehälter – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ Richtlinie 2014/29/EU
  2. ↑ Sechste Verordnung zum Produktsicherheitsgesetz
  3. ↑ Behälter. In: Maschinen, Werkzeuge > Sonstige Arbeitsmittel. Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit, Sektion Arbeitsrecht und Arbeitsinspektion, 11. November 2004, archiviert vom Original am 11. März 2008; abgerufen am 14. Juni 2008.
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