ATEX oder IECEx? Explosionsschutzklassen für Offshore-Plattformkrane

Offshore-Öl- und Gasplattformen gehören zu den anspruchsvollsten industriellen Einsatzbereichen für Krane hinsichtlich des Explosionsschutzes. In Bohr-, Ölaufbereitungs- und Bohrlochkopfbereichen sind Methan, Propan, Schwefelwasserstoff und andere brennbare Gase vorhanden. Bereits ein winziger Funke elektrischer Geräte kann eine katastrophale Explosion auslösen – der Untersuchungsbericht zur Piper-Alpha-Katastrophe in der Nordsee von 1988 (167 Todesopfer) nennt Konstruktionsfehler im Explosionsschutz ausdrücklich als kritisches Glied in der Unfallkette. Die explosionsgeschützte Auslegung von Offshore-Plattformkranen muss zwei Ziele gleichzeitig erfüllen: zum einen das Entzünden der umgebenden explosionsfähigen Gasatmosphäre durch elektrische Betriebsmittel verhindern, zum anderen im Falle eines bereits eingetretenen Lecks im Notsituation weiterhin sicher betrieben werden können, um die Personenevakuierung und die Notabschaltung durchzuführen.

Die Diskussion der Gefahrenbereichseinteilung und Geräteauswahl basiert auf der Normenreihe IEC 60079 sowie der ATEX-Richtlinie 2014/34/EU. Die Tragwerkskonstruktion des Krans folgt den Sicherheitsanforderungen der DIN 15018.

ATEX vs. IECEx – die zwei Zertifizierungssysteme im Vergleich

ATEX (ATmosphères EXplosibles) ist die europäische Explosionsschutzrichtlinie (Richtlinie 2014/34/EU) und in der EU sowie in Regionen mit anerkannter CE-Zertifizierung verbindlich. IECEx (IEC System for Certification to Standards Relating to Equipment for Use in Explosive Atmospheres) ist das globale Explosionsschutz-Zertifizierungssystem der Internationalen Elektrotechnischen Kommission und wird außerhalb der EU – etwa im asiatisch-pazifischen Raum, im Nahen Osten und in Südamerika – breit angewendet. Die technischen Normen beider Systeme (IEC-60079-Reihe) sind weitgehend harmonisiert; die wesentlichen Unterschiede liegen im Zertifizierungsverfahren und in der Marktaufsicht.

Explosionsschutz-Zonen an Offshore-Plattformen – Einteilung nach Zone 0/1/2 und Zone 20/21/22

Die Gefahrenzonen auf Offshore-Plattformen werden gemäß IEC 60079-10-1 (Gase) und IEC 60079-10-2 (Stäube) klassifiziert. Gasatmosphären werden in Zone 0 (explosionsfähige Atmosphäre liegt dauerhaft vor, >1.000 h/Jahr), Zone 1 (kann im Normalbetrieb auftreten, 10–1.000 h/Jahr) und Zone 2 (im Normalbetrieb nicht oder nur kurzzeitig vorhanden, <10 h/Jahr) unterteilt. Der Arbeitsbereich von Offshore-Plattformkranen wird üblicherweise als Zone 1 oder Zone 2 eingestuft – der Bohrloch- und Bohranlagenbereich gilt als Zone 1 (Schutzart Ex db oder Ex eb erforderlich), während Wohn- und Versorgungsbereiche als Zone 2 eingestuft werden (Schutzart Ex ec zulässig).

Die maßgebliche Grundlage für die Zoneneinteilung in Zone 1/2 ist die Leckagequellenanalyse (Gas Dispersion Analysis) – mittels CFD-Software (Computational Fluid Dynamics, z. B. FLACS oder KFX) wird die Ausbreitung brennbarer Gase nach einer Freisetzung aus potenziellen Leckagequellen (Flansche, Ventile, Probenahmestellen) simuliert. In Verbindung mit der statistischen Verteilung von Windgeschwindigkeit und -richtung wird die Wahrscheinlichkeit und Dauer des Auftretens explosionsfähiger Atmosphäre in den jeweiligen Bereichen bestimmt. Offshore-Plattformkrane sind in der Regel am Plattformrand (Abstand zur Leckagequelle >10 m) und auf der Luvseite installiert. Durch die CFD-Analyse kann nachgewiesen werden, dass der Arbeitsbereich als Zone 2 einzustufen ist – dies reduziert die Explosionsschutzkosten für elektrische Betriebsmittel erheblich (in Zone 2 sind Geräte der Schutzart Ex ec mit erhöhter Sicherheit zulässig; die Kosten betragen etwa 40–60 % derjenigen für Ex-d-Geräte in Druckfester Kapselung für Zone 1).

Explosionsschutzkonzepte für Kran-Steuerungssysteme – Vergleich dreier Zündschutzarten

①Druckfeste Kapselung Ex d (Flameproof) – Elektrische Betriebsmittel werden in einem robusten, druckfesten Gehäuse installiert (in der Regel Grau- oder Stahlguss, Wandstärke ≥10 mm). Das Gehäuse hält dem inneren Explosionsdruck stand, ohne beschädigt zu werden, und kühlt die austretenden Flammen über die Spaltflächen (Spaltbreite <0,2 mm, Spaltlänge ≥13 mm) so weit ab, dass eine Zündung der umgebenden Atmosphäre ausgeschlossen ist. Vorteile: keine externe Spülluftversorgung erforderlich, einfache Wartung. Nachteile: hohes Gehäusegewicht (das Ex-d-Gehäuse eines 200-kW-Frequenzumrichters kann 800–1.200 kg erreichen), eingeschränkte Wärmeableitung (Leistungsreduzierung um 30–50 % erforderlich), hohe Kosten (etwa das 3- bis 5-Fache herkömmlicher Geräte). Geeignet für kleine Steuerkästen und Sensoren.

②Erhöhte Sicherheit Ex e (Increased Safety) – Durch vergrößerte Isolationsabstände (Kriechstrecke ≥10 mm, Luftstrecke ≥8 mm), erhöhte Schutzart (≥IP54) und begrenzte Temperaturerhöhung (10 K unter derjenigen herkömmlicher Geräte) wird sichergestellt, dass im Normalbetrieb keine Funken oder gefährlichen Übertemperaturen entstehen. Vorteile: geringere Kosten (ca. 60–70 % gegenüber Ex d), geringes Gewicht, gute Wärmeableitung. Nachteile: nur geeignet für Betriebsmittel, die im Normalbetrieb keine Funken erzeugen (z. B. Anschlussdosen, Klemmenleisten, Kurzschlussläufermotoren); nicht einsetzbar für Frequenzumrichter, SPS, Schütze und andere Geräte mit Schaltelementen. In Zone 1 ist Ex eb (hohe Zuverlässigkeit) erforderlich, in Zone 2 ist Ex ec zulässig.

③Überdruckkapselung Ex p (Pressurized) – In einen dicht verschlossenen Schaltschrank wird kontinuierlich sauberes Schutzgas (Druckluft oder Inertgas) eingeleitet, um einen Überdruck von mindestens 50 Pa gegenüber der Umgebung aufrechtzuerhalten und das Eindringen explosionsfähiger Atmosphäre zu verhindern. Das Schutzgas muss gefiltert (Entfernung von Ölnebel und Partikeln, Konformität mit ISO 8573-1 Klasse 2), getrocknet (Taupunkt mindestens 10 °C unter Umgebungstemperatur) und hinsichtlich des Durchflusses überwacht werden. Der wesentliche Vorteil des Ex-p-Konzepts liegt darin, dass im Schaltschrank beliebige Standard-Industriebetriebsmittel (Frequenzumrichter, SPS, HMI, Relais usw.) installiert werden können, ohne dass jedes Einzelgerät eine eigene Explosionsschutz-Zertifizierung benötigt – der gesamte Schaltschrank fungiert als explosionsgeschütztes Gehäuse. Ein weiterer konstruktiver Vorteil des Ex-p-Konzepts ist die Wartungsfreundlichkeit: Bei Inspektions- oder Reparaturarbeiten an den Schaltschrankkomponenten (z. B. Austausch von Leistungsmodulen im Frequenzumrichter, Fehlersuche in der SPS) muss der Wartungstechniker keine schweren Ex-d-Abdeckplatten demontieren (eine einseitige Abdeckplatte kann 50–80 kg wiegen und erfordert 2–3 Personen). Stattdessen genügt ein Tastendruck auf „Wartungsmodus" am HMI – das System führt automatisch einen standardisierten Ablauf aus Spülung, Druckentlastung und Türfreigabe durch. Der gesamte Vorgang dauert etwa 3–5 Minuten, und die Schaltschranktür kann anschließend von einer einzelnen Person innerhalb von 30 Sekunden geöffnet werden. Dies ist in der salzhaltigen, feuchten Umgebung einer Offshore-Plattform von besonderer Bedeutung, da Ex-d-Spaltflächen nach dem Öffnen innerhalb von 30 Minuten wieder montiert werden müssen – andernfalls kann die Ablagerung von Salznebel die geforderte Spaltbreite beeinträchtigen. Das Ex-p-Konzept steigert Effizienz und Sicherheit von Wartungsarbeiten um ein Vielfaches. Dies ist die optimale Lösung für große elektrische Kran-Steuerungssysteme (Gesamtleistung >100 kW, mehr als 5 Schaltschränke).

Konstruktionsrichtlinien für Überdruck-Belüftungssysteme (Ex p)

Der konstruktive Kern eines Ex-p-Belüftungssystems ist die Gewährleistung einer „fünfstufigen Sicherheitslogik": ①Vorspülphase: Vor dem Einschalten der elektrischen Betriebsmittel wird der Schaltschrank mit einem Schutzgasvolumenstrom von mindestens dem 5-fachen Schrankvolumen gespült (die Spüldauer wird aus Schrankvolumen ÷ Spülvolumenstrom berechnet, mindestens 5-facher Luftwechsel), um eventuell vorhandene brennbare Gase auf unter 25 % der unteren Explosionsgrenze (UEG) zu verdünnen. Spülvolumenstrom und Druck werden über Blenden-Durchflussmesser und Differenzdrucksensoren erfasst; die Daten werden an eine Sicherheits-SPS übertragen. ②Druckaufbauphase: Nach Abschluss der Spülung wird das Einlassventil auf den Haltedurchfluss (ca. 1- bis 2-faches Leckagevolumen des Schranks) reduziert, um den Innendruck im Bereich von 50–200 Pa zu halten. ③Normalbetrieb: Der Differenzdrucksensor überwacht kontinuierlich die Druckdifferenz zwischen Schrankinnenraum und Umgebung. Bei Unterschreiten von 25 Pa wird ein Alarm ausgelöst (Hinweis auf Dichtungs- oder Versorgungsleitungsprüfung); bei Unterschreiten von 10 Pa wird nach einer Verzögerungszeit von 3 Sekunden die Hauptstromversorgung im Schrank automatisch abgeschaltet – dies ist die letzte Schutzbarriere. ④Druckentlastung: An der Schrankoberseite ist ein explosionsgeschütztes Druckentlastungsventil (Einstelldruck 300–500 Pa) installiert, um eine Beschädigung der Dichtungen durch Überdruck bei Störungen der Gasversorgung zu verhindern. ⑤Notabschaltung: Bei Auslösung des Plattform-ESD-Systems (Emergency Shutdown) empfängt die Ex-p-Steuerung ein potenzialfreies Signal, unterbricht sofort die Stromversorgung im Schrank und schließt das Magnetventil der Gaszufuhr (Trennung des Schrankinnenraums von der explosionsfähigen Außenatmosphäre).

Kabel und Verdrahtung: Das unterschätzte Glied in der Ex-Schutzkette

Bei der explosionsgeschützten Konstruktion von Offshore-Plattformkranen werden die Kabelauswahl und die Verdrahtungsmethode häufig vernachlässigt – Statistiken zeigen jedoch, dass etwa 35 % der Ausfälle im Explosionsschutz auf eine unsachgemäße Installation der Kabeleinführungen (Cable Glands) zurückzuführen sind. Alle Kabel, die in Ex d- oder Ex e-Schränke geführt werden, müssen über zertifizierte, explosionsgeschützte Kabeleinführungen verlegt werden (Ex d muss die Anforderungen an druckfeste Kapselungen gemäß EN 60079-1 erfüllen, Ex e die Abdichtungsanforderungen gemäß EN 60079-7). Die Toleranz zwischen dem Kabelaußendurchmesser und dem Innendurchmesser des Dichtrings der Einführungsvorrichtung muss exakt passen – zu locker führt zu Undichtigkeiten, zu fest beschädigt den Kabelmantel. Die Schirmung bzw. der Bewehrungsdraht von Panzerkabeln muss an der Einführungsstelle zuverlässig geerdet werden (Erdungswiderstand < 4 Ω). Bei ungepanzerten Kabeln, die in einen Ex d-Schrank geführt werden, ist eine Mindestlänge von 3 m innerhalb der druckfesten Kapselung vor der Reihenklemme einzuhalten.

Alle Kabel müssen in schiffsbaulicher Ausführung, flammwidrig, halogenfrei und raucharm sein (FR-LSZH, Norm IEC 60092-359), mit einer Nennspannung von 0,6/1 kV und einem Arbeitstemperaturbereich von -40 °C bis +90 °C. Sie müssen die Bündelbrandprüfung nach IEC 60332-3-22 bestehen. Für die Motoranschlussleitungen vom Frequenzumrichter sind Kabel mit symmetrischem Schirmaufbau (3+3 Adern, Schirmabdeckung ≥ 85 %) zu verwenden, um die elektromagnetische Abstrahlung hochfrequenter Oberwellen zu unterdrücken und Störungen der Plattformkommunikationssysteme zu vermeiden.

Darüber hinaus ist der Unterschied zwischen der Komponentenzertifizierung und der Systemzertifizierung für explosionsgeschützte Geräte von besonderer Bedeutung. Ein Kran ist ein System, das zahlreiche explosionsgeschützte elektrische Bauteile umfasst (Motoren, Frequenzumrichter, Sensoren, Anschlusskästen, Leuchten, Melder). Es genügt nicht, dass nur die einzelnen Komponenten über ATEX/IECEx-Zertifikate verfügen. Die Klassifikationsgesellschaft wird vom Hersteller eine Konformitätserklärung für das Gesamtsystem verlangen, die von einer benannten Stelle ausgestellt wurde. Diese bestätigt, dass auch die Verbindungen zwischen den Komponenten (Kabel, Einführungsvorrichtungen, Potenzialausgleich) den Explosionsschutzanforderungen entsprechen.

Häufige Fragen zum Explosionsschutz

Kelude Schwerindustrie bietet für das explosionsgeschützte System von Offshore-Plattformkranen eine schlüsselfertige Projektplanung mit ATEX/IECEx-Doppelzertifizierung an – von der Gefahrenbereichseinteilung über die Auswahl der Explosionsschutzart bis hin zur Druckbelüftungsanlage. Detaillierte technische Lösungen erhalten Sie vom Engineering-Team.