Kenntnisse über die Eigenschaften der verwendeten Gase sind wichtig, um die Gerätetechnik richtig anzuwenden und damit Gefährdungen zu vermeiden.
In der Autogentechnik wird meist Acetylen als Brenngas eingesetzt. Flüssiggas und Erdgas werden vorwiegend für Anwärmarbeiten, Flammlöten und Brennschneiden verwendet.
Für Flammspritzarbeiten werden auch flüssige Brennstoffe eingesetzt.
Um den hohen Energiegehalt der Brennstoffe auszunutzen und hohe Flammenleistungen und hohe Verbrennungstemperaturen zu erreichen, wird meist Sauerstoff zugeführt.
Dichte der Gase im Vergleich zur Luft
Abb. 1 Dichte der Gase im Vergleich zu Luft
Explosionsbereiche von Gas-Luft-Gemischen
Abb. 2 Explosionsbereiche der Brenngase der Autogentechnik
Sauerstoff ist etwas schwerer als Luft (Abb. 1). Er ist selbst nicht brennbar, aber für Verbrennungsvorgänge unentbehrlich. Der Sauerstoffgehalt der Luft beträgt rund 21 Volumenprozent. Eine Erhöhung um nur wenige Prozent beschleunigt Verbrennungsprozesse erheblich. In reinem Sauerstoff verläuft die Verbrennung gezündeter oder glühender Stoffe äußerst lebhaft.
Neben der Beschleunigung der Verbrennungsvorgänge bei Erhöhung des Sauerstoffgehalts ist häufig auch eine Absenkung der Zündtemperatur brennbarer Stoffe feststellbar. So kann reiner Sauerstoff bereits bei Raumtemperatur zur Entzündung von Ölen oder Fetten führen.
Auch flammhemmend ausgerüstete Schutzkleidung für Schweißen, Schneiden und verwandte Verfahren kann in mit Sauerstoff angereicherter Atmosphäre sehr schnell brennen. Deshalb darf Sauerstoff niemals zur Luftverbesserung in Räumen oder Behältern, zum Abblasen der Kleidung oder zum Kühlen benutzt werden.
Auf Dichtheit der eingesetzten Schweiß- und Schneidausrüstung ist sorgsam zu achten.
Bei weniger als 18 Volumenprozent Sauerstoff in der Umgebungsluft spricht man von Sauerstoffmangel. Häufig wird nicht bedacht, dass jede Brenngasflamme neben dem zugemischten Sauerstoff aus Druckgasflaschen oder Entnahmestellen auch Sauerstoff aus der Umgebung für eine vollständige Verbrennung benötigt.
Besonders in engen Räumen und lüftungsarmen Bereichen besteht so die Gefahr des Sauerstoffmangels, wenn nicht auf ausreichende Frischluftzufuhr geachtet wird. Außerdem entsteht bei unvollständiger Verbrennung giftiges Kohlenmonoxid.
Die Wirkungen von Sauerstoffüberschuss und Sauerstoffmangel sind in Abbildung 3 aufgezeigt.
Für geringe Verbrauchsmengen und mobile Arbeitsplätze wird Sauerstoff in Druckgasflaschen in Größen bis 50 l Nenninhalt unter einem Druck von 200 oder 300 bar bereitgestellt.
Für größeren Verbrauch sind Flaschenbündel einsetzbar. Bei großen zentralen Versorgungsanlagen wird der Sauerstoff tiefkaltverflüssigt in Tanks gelagert. Über einen Verdampfer wird aber gesichert, dass der Sauerstoff im Verteilungsnetz unter Nenndruck immer gasförmig vorliegt.
Abb. 3 Wirkungen von Sauerstoffmangel und Sauerstoffüberschuss
Bauteile und Geräte der Autogentechnik, die mit reinem Sauerstoff in Kontakt kommen, müssen dafür geeignet sein. Eignung und Ausbrennsicherheit müssen vom Hersteller nachgewiesen werden.
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| In der DGUV Information 213-073 werden weitere Informationen zum Umgang mit Sauerstoff gegeben. |
Hinweise zu geeigneten nichtmetallischen Werkstoffen für, zum Beispiel, Dichtungen gibt die DGUV Information 213-075. Die DGUV Information 213-076 enthält eine Liste der geprüften Armaturen, Schläuche und Anlagenteile. Für Rohrleitungen für Sauerstoff gibt das DVS-Merkblatt 0217 Installationshinweise.
Die Autogentechnik beruht auf der Ausnutzung der in den Brenngasen enthaltenen Energien. Ihre Nutzbarmachung bedingt die Verwendung hoch entwickelter Geräte und Verfahren, die sich je nach eingesetztem Brenngas in Details wie Arbeitsdrücken, Düsengestaltung oder einsetzbaren Werkstoffen und Dichtungswerkstoffen unterscheiden.
Acetylen ist etwas leichter als Luft (Abb. 1). Es ist eine instabile chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Wasserstoff: C2H2.
Geringe Verunreinigungen verleihen dem Acetylen seinen eigentümlichen Geruch. An der Luft verbrennt das Gas mit stark rußender Flamme, da der zur Verfügung stehende Sauerstoff – die Luft enthält nur etwa 21 Volumenprozent – für eine vollständige Verbrennung nicht ausreicht.
Wird es dagegen im richtigen Verhältnis mit Pressluft oder Sauerstoff gemischt, verbrennt es vollständig und rußfrei bei hoher Temperatur, zum Beispiel mit Sauerstoff bei ca. 3100 °C.
Gemische aus Acetylen und Luft/Sauerstoff sind innerhalb bestimmter, aber sehr weiter, Grenzen zünd- und explosionsfähig. Bei Luft liegen diese Grenzen zwischen 2,3 und 82 Volumenprozent Acetylen (Abb. 2), während in reinem Sauerstoff bis 93 Volumenprozent Acetylen zu Explosionen führen können.
Das bedeutet, dass derartige Gemische nahezu in jedem Mischungsverhältnis explosionsgefährlich sind. Die Stärke des Geruchs ist kein Maßstab für die Größe der Gefahr.
Schon bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen – etwa 335 °C – und sehr niedriger Zündenergie kann es zur Zündung dieser Gasgemische kommen. Ein heruntergefallener eiserner Gegenstand, ein Funke in einer elektrischen Handbohrmaschine oder in einem Schalter, ein aus der Tasche fallendes Feuerzeug können ebenso wie die Funken am Schleifbock oder ein heißes Ofenrohr die Ursache einer Zündung sein. Zahlreiche Unfalluntersuchungen haben ergeben, dass oft ungewöhnliche Vorgänge für die Auslösung des Unglücks ursächlich waren.
Acetylen ist ein instabiles Gas. Bei plötzlichen Druckstößen oder Temperaturerhöhungen kann ein Zerfall in Wasserstoff und Kohlenstoff erfolgen. Dazu ist kein Sauerstoff erforderlich. Große Wärmemengen werden dabei frei, die schnell zu noch höheren Drücken und damit zu weiterem, explosionsartigem Zerfall führen.
Besondere Umsicht ist bei der Gestaltung und Nutzung von Hochdruckteilen der Acetylenversorgungsanlagen erforderlich. Querschnitte und Längen der Hochdruckleitungen sind so gering wie möglich auszuführen, da bei einer adiabatischen Verdichtung durchaus die Zerfallstemperatur von Acetylen erreicht werden kann.
Zur Vermeidung gefährlicher Vorgänge ist große Umsicht beim Umgang mit Acetylen erforderlich.
Manipulationen an Acetylenanlagen oder ihren Bauelementen sind verboten. So ist es zum Beispiel nicht zulässig, Flaschendruckregler für den Einsatz als Hauptstellendruckregler in Acetylenanlagen oder Bündelanschlüssen umzubauen oder mit selbst gefertigten Adaptern zu betreiben.
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| Installationshinweise für Rohrleitungen für Acetylen gibt das DVS-Merkblatt 0216. |
Der zulässige maximale Arbeitsdruck soll langsam erreicht werden und ist in der Regel auf 1,5 bar begrenzt.
Die sichere Speicherung von Acetylen unter höherem Druck in Acetylenflaschen beruht auf besonderen physikalischen Voraussetzungen.
Sicherer Umgang mit Acetylen fordert auch, dass nur geeignete Werkstoffe für Leitungen, Armaturen, Dichtungen und andere Bauteile verwendet werden.
Kommt Acetylen zum Beispiel mit Kupfer oder hoch kupferhaltigen Legierungen in Berührung, kann es zur Bildung des äußerst explosiblen Acetylenkupfers kommen. Teile aus reinem Kupfer oder aus Legierungen mit einem Kupfergehalt von mehr als 70 Gewichtsprozent dürfen daher an Acetylenanlagen nicht angebracht werden. Auch als Schlauchverbinder sind Kupferröhrchen deshalb unzulässig.
Das in der Autogentechnik unter anderem zum Brennschneiden, Anwärmen und Flammlöten benutzte Flüssiggas (Propan, Butan und deren Gemische sowie Propen) ist in gasförmigem Zustand wesentlich schwerer als Luft (Abb. 1).
Flüssiggase haben daher das Bestreben, in Vertiefungen, wie Keller, Schächte oder Gruben, einzuströmen. Dabei verdrängen sie gleichzeitig Luft.
Hierdurch kann es in solchen Bereichen zu Unfällen infolge Sauerstoffmangels kommen, vor allem aber bei Zündung des Gas-Luft-Gemischs zu Bränden und Explosionen.
Gemische von Flüssiggas und Luft sind bei einem Gasanteil von etwa 2 bis 9,5 Volumenprozent zünd- und explosionsfähig (Abb. 2). Eine Wolke ausgetretenen Flüssiggases ist in ihrer Randzone praktisch immer zündfähig.
Flüssiggas ist fast geruchlos. Es kann daher in größeren Mengen ausströmen, ohne bemerkt zu werden. Es wird deshalb meist ein Geruchsmittel beigemischt, damit bereits kleinere ausströmende Mengen als Gefahr wahrgenommen werden.
Strömt Flüssiggas in der flüssigen Phase aus, vergast es in kurzer Zeit zum 260-fachen seines bisherigen Volumens und kann sich somit gefährlich schnell und weit ausbreiten.
Auch Erdgas – meist aus Netzen der öffentlichen Gasversorgung – wird in der Autogentechnik eingesetzt.
Erdgas enthält hauptsächlich Methan, daneben oft auch weitere Brenngasanteile wie Propan, Butan, Wasserstoff und, je nach Förderort, unterschiedliche Anteile an Verunreinigungen mit Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff.
Zum Einstellen von definierten Energiegehalten pro Volumeneinheit wird in öffentlichen Netzen häufig Stickstoff zugemischt.
Erdgas ist leichter als Luft (Abb. 1). Der Zünd- und Explosionsbereich von Erdgas in Luft beträgt etwa 5 bis 15 Volumenprozent (Abb. 2).
Ausgeströmtes Erdgas bewirkt also bei Zündung Brände oder Explosionen. Zündquellen können sich auch weit über der Austrittsstelle befinden (Hallenbeleuchtung, Heizstrahler, Lüfter).
Erdgas ist geruchlos, wird aber häufig mit einem Geruchsmittel versetzt, um einen unbeabsichtigten und damit gefährlichen Austritt leichter bemerkbar zu machen.
Wasserstoff (H2) ist ein farbloses, geruchloses und brennbares Gas. Es ist das leichteste Gas. Da es mit kaum sichtbarer Flamme brennt, besteht eine besondere Gefährdung darin, dass Leckflammen kaum erkannt werden können.
Wasserstoff wird zum Gasschweißen, Brennschneiden und als Zusatz für Formiergas eingesetzt. Ein weiteres Einsatzgebiet ist das Plasma- oder auch Laserschneiden.
Der Zündbereich in Luft beträgt 4 bis 75,6 Vol.-%. Die untere Detonationsgrenze beträgt nur 18 Vol.-%.
Wasserstoff wird überwiegend gasförmig in Druckgasflaschen mit 200 oder 300 bar Speicherdruck oder, bei größerem Bedarf, tiefkalt verflüssigt in ortsfesten Tankanlagen bereitgestellt.