Sauerstoffmangel und -anreicherung: Grundlagen der Kryosicherheit

Der Sauerstoffmangel bei kryogener Arbeit entsteht, weil Stickstoff und Argon farb- und geruchlos sind und ein kleines Volumen Flüssigkeit beim Verdampfen ein großes Gasvolumen bildet, das in einem geschlossenen Raum ohne Warnung die Luft verdrängt. Flüssigsauerstoff erzeugt das umgekehrte Problem: eine angereicherte Atmosphäre, in der sich Brände leichter ausbreiten.

Beide Zustände sind gut verstanden und werden durch dieselben grundlegenden Maßnahmen kontrolliert: kryogene Anlagen im Freien oder in ausreichend belüfteten Bereichen aufstellen, den Sauerstoffgehalt dort überwachen, wo Personen sich aufhalten können, und Abblaseleitungen an einen sicheren Ort führen.

Dieser Beitrag erklärt den Mechanismus hinter beiden Gefahren, die physischen Risiken durch Kontakt mit kalter Flüssigkeit und kalten Oberflächen sowie die praktischen Schutzmaßnahmen, die Anlagenbetreiber und Käufer von Anlagen erwarten sollten.

Was versteht man unter einer Sauerstoffmangelgefahr?

Luft besteht zu etwa 20,9 Prozent aus Sauerstoff. Eine Sauerstoffmangelgefahr besteht immer dann, wenn etwas einen Teil dieser Luft verdrängt und den Sauerstoffanteil am Arbeitsplatz senkt. In der betrieblichen Praxis gilt eine Atmosphäre üblicherweise unterhalb von 19,5 Prozent Sauerstoff als sauerstoffarm, und viele nationale Vorschriften verwenden diesen oder einen ähnlichen Wert. Prüfen Sie den in Ihrem Land geltenden Schwellenwert und die zugehörigen Alarmeinstellungen.

Die Gefahr liegt nicht in der Giftigkeit. Stickstoff und Argon sind nicht toxisch. Die Gefahr besteht darin, dass sie den Raum einnehmen, den sonst Luft einnehmen würde, und der Körper gibt keine zuverlässige Warnung, dass der Sauerstoffanteil gesunken ist. Es gibt keinen Geruch, keine Farbe und keine Reizung, und das Urteilsvermögen kann beeinträchtigt sein, bevor eine Person überhaupt bemerkt, dass etwas nicht stimmt. Deshalb wird Sauerstoffmangel durch Technik und Überwachung kontrolliert und nicht dadurch, dass man erwartet, dass Menschen ihn selbst bemerken.

Warum verdrängen Stickstoff und Argon Sauerstoff so schnell?

Kryogene Flüssigkeiten dehnen sich beim Erwärmen auf Umgebungstemperatur enorm aus. Ein Volumen Flüssigstickstoff wird bei Standardbedingungen zu etwa 696 Volumen Gas, und Flüssigargon dehnt sich um etwa das 847-fache aus. Eine Flüssigkeitsmenge, die auf dem Boden klein aussieht, kann daher einen geschlossenen Raum mit Inertgas füllen.

• Kaltes Gas ist zunächst dichter als warme Luft und sammelt sich daher in Gruben, Kanälen, Kellern und tiefer gelegenen Bereichen
• Beim Erwärmen vermischt es sich und verteilt sich, weshalb Freiluftanlagen grundsätzlich sicherer sind
• Die normale Abdampfung ist kontinuierlich, sodass sich selbst ohne Leckage in einem geschlossenen Raum über die Zeit Gas ansammelt
• Abblase- und Sicherheitsventilaustritte setzen bestimmungsgemäß Gas frei, nicht durch einen Fehler, und müssen an einer sicheren Stelle enden
• Spül- und Abkühlvorgänge setzen absichtlich Inertgas frei und erfordern dieselben Schutzmaßnahmen

Wenn Sie die Rechengrundlage für eine Dimensionierung oder Gefährdungsbeurteilung benötigen, finden Sie in unserem Beitrag zu den Umrechnungsverhältnissen von kryogener Flüssigkeit zu Gas die Ausdehnungswerte und deren Anwendung.

Wo tritt die Sauerstoffmangelgefahr auf einem Gasstandort auf?

Im Freien aufgestellte Tankanlagen sind der Normalfall und das geringste Risiko. Das Risiko konzentriert sich dort, wo sich Gas ansammeln kann oder wo Personen nahe an einer Austrittsstelle arbeiten.

• Flaschenfüllhallen, Pumpenräume und innenliegende Prozessbereiche mit kryogener Flüssigkeit
• Gruben, Schächte, Kanäle, Keller und Inspektionskammern nahe dem Tankbereich
• Enge Räume einschließlich Behälter und Rohrleitungen, die zu Wartungszwecken betreten werden
• Fahrerkabinen, Transporter und geschlossene Transporträume mit Behältern kryogener Flüssigkeit
• Kühlräume, Labore und geschlossene Lagerbereiche mit Dewargefäßen oder MicroBulk-Behältern
• Bereiche nahe einem Abblaseschornstein oder Sicherheitsventilaustritt, besonders bei ruhiger Luft

Das Betreten enger Räume verdient besondere Aufmerksamkeit. Ein mit Stickstoff gespülter Behälter enthält praktisch keinen Sauerstoff mehr, und Einstiegsverfahren existieren genau deshalb, weil die Atmosphäre im Inneren keine sensorische Warnung gibt.

Warum ist Sauerstoffanreicherung durch Flüssigsauerstoff ein Brandrisiko?

Flüssigsauerstoff erzeugt den umgekehrten Zustand. Sauerstoff brennt selbst nicht, aber er unterstützt die Verbrennung, und in einer angereicherten Atmosphäre entzünden sich Materialien bei geringerer Energie und brennen schneller und heißer als in normaler Luft. Kleidung, die Sauerstoff aufgenommen hat, kann sich leicht entzünden. Anreicherung entsteht durch Abblasen, kleine Leckagen an Verbindungen, Verschütten beim Umfüllen und Füllvorgänge in schlecht belüfteten Räumen.

• Öle, Fette, Kraftstoffe und brennbares Material von Flüssigsauerstoffanlagen und dem darunterliegenden Boden fernhalten
• Nur für den Sauerstoffbetrieb zugelassene Schmierstoffe, Dichtungen und Dichtmittel verwenden
• Medienberührte Teile sauerstoffrein halten und jedes während der Wartung geöffnete Bauteil erneut reinigen
• Jeden Bereich belüften, in dem sich Sauerstoff ansammeln kann, und Zündquellen im nach örtlicher Vorschrift geforderten Abstand halten
• Wer sich in einer sauerstoffangereicherten Atmosphäre aufgehalten hat, sollte seine Kleidung an frischer Luft lüften, bevor er sich einer Zündquelle nähert
• Sauerstoff-Warnschilder anbringen und den Zugang zum Tankbereich kontrollieren

Unser Leitfaden zu Sicherheit und Auswahl von Flüssigsauerstofftanks behandelt Sauerstoffreinigung, Materialverträglichkeit und Standortwahl ausführlicher für alle, die Flüssigsauerstoffanlagen spezifizieren.

Wie kontrollieren Sauerstoffmonitore und Lüftung die Gefahr?

Lüftung entfernt angesammeltes Gas, und Überwachung informiert Personen, wenn sich die Atmosphäre verändert hat. Beide wirken zusammen. Lüftung allein kann lautlos ausfallen, wenn ein Ventilator stehen bleibt, und ein Monitor allein behebt den erkannten Zustand nicht.

• Sensoren dort platzieren, wo sich Gas tatsächlich ansammelt, unter Berücksichtigung, dass kaltes Gas sich zunächst tief absetzt, bevor es sich erwärmt
• Akustische und optische Alarme sowohl im Raum als auch am Eingang, damit niemand einen bereits alarmierten Bereich betritt
• Alarmschwellen abgestimmt auf die geltende nationale Vorschrift
• Kalibrierung und Funktionsprüfung im vom Hersteller angegebenen Intervall, mit Aufzeichnung
• Persönliche Sauerstoffmonitore für Mitarbeitende, die Gruben oder Bereiche ohne feste Detektion betreten
• Maschinelle Lüftung, ausgelegt auf das umschlossene Volumen und die glaubwürdige Freisetzungsmenge, geplant von einem Lüftungsingenieur
• Abblase- und Sicherheitsventilleitungen ins Freie geführt, entfernt von Türen, Fenstern, Lufteinlässen und Wegen
• Einstiegsverfahren, Atmosphärenprüfung vor dem Betreten und eine Aufsichtsperson, wo gefordert

Das ist der praktische Grund, warum Kryotanks möglichst im Freien aufgestellt werden. Die Freiluftaufstellung beseitigt den Ansammlungsmechanismus, statt ihn zu managen, wodurch die Standortplanung ebenso eine Sicherheitsentscheidung wie eine logistische Frage ist. Unser Beitrag zu Anforderungen an Aufstellung und Standort von Kryotanks behandelt die Layout-Seite.

Welche Risiken bestehen durch Kältekontakt und Materialversagen?

Kälteverbrennungen und Erfrierungen

Der Kontakt mit kryogener Flüssigkeit, kaltem Dampf oder ungedämmten kalten Rohrleitungen verursacht Gewebeschäden ähnlich einer Verbrennung. Haut kann an einer ungedämmten kalten Oberfläche festfrieren, und der Schaden kann entstehen, bevor die Person sich lösen kann. Spritzer in die Augen sind besonders kritisch, weshalb beim Umfüllen Gesichtsschutz getragen wird.

Sprödbruch von Werkstoffen

Viele Werkstoffe, die bei Raumtemperatur duktil sind, werden bei kryogener Temperatur spröde und können unter Last plötzlich versagen. Deshalb erfordert der Tieftemperaturbetrieb eine Kerbschlagprüfung, üblicherweise nach Charpy V, für Werkstoffe, die unterhalb von etwa minus 150 °C eingesetzt werden. Aus demselben Grund darf verschüttete kryogene Flüssigkeit nicht mit gewöhnlichem Baustahl, Beton oder Asphalt in Kontakt kommen, die beim Abkühlen reißen können.

Eingeschlossene Flüssigkeit und Druckaufbau

Kryogene Flüssigkeit, die zwischen zwei geschlossenen Ventilen eingeschlossen ist, erwärmt sich und dehnt sich ohne Entlastungsweg aus. Leitungsabschnitte, die an beiden Enden abgesperrt werden können, sind aus diesem Grund mit Sicherheitsventilen ausgestattet, und Sicherheitsventile werden während des Betriebs niemals blockiert oder abgesperrt.

Welche persönliche Schutzausrüstung wird beim Umgang mit kryogenen Flüssigkeiten verwendet?

PSA ist die letzte Schutzebene, nicht die erste. Standortwahl, Lüftung, Überwachung und Verfahren leisten die Hauptarbeit. Die folgenden Punkte sind Standard für Umfüll-, Anschluss- und Wartungsarbeiten, und die konkrete Anforderung sollte sich aus der eigenen Gefährdungsbeurteilung und den örtlichen Vorschriften ergeben.

• Gesichtsschutzschild über der Schutzbrille bei jeder Tätigkeit, bei der Spritzer möglich sind
• Locker sitzende Kryohandschuhe, die bei Flüssigkeitseintritt schnell abgestreift werden können
• Lange Ärmel und Hosenbeine, außerhalb geschlossener, nicht saugfähiger Schuhe getragen
• Keine Aufschläge, offenen Taschen oder Umschläge, in denen sich Flüssigkeit fangen kann
• Persönlicher Sauerstoffmonitor, wo keine feste Detektion vorhanden ist
• Bei Sauerstoffarbeiten: Kleidung frei von Öl- und Fettverunreinigung

Schulung zählt ebenso viel wie Ausrüstung. Bedienpersonal sollte die Eigenschaften des gehandhabten Produkts kennen, den Standort von Monitoren und Alarmen, den Fluchtweg, und die Regel, dass niemand ohne Atemschutzgerät und Rettungsplan einen alarmierten Bereich betritt, um eine Kollegin oder einen Kollegen zu retten.

Wie senkt die richtige Anlagenauswahl die Sauerstoffmangelgefahr?

Gut spezifizierte Anlagen vermeiden routinemäßige Freisetzungen, statt sie nur zu managen. Ein Tank mit intaktem Vakuum und funktionierendem Druckaufbau- und Economizer-Kreislauf bläst deutlich weniger ab als einer mit verschlechterter Isolierung, und ein ordnungsgemäß gewartetes Sicherheitsventilsystem arbeitet nur dann, wenn es soll.

• Intakte Vakuumisolierung hält die Abdampfrate moderner stationärer Tanks im normalen Bereich von etwa 0,2 bis 0,6 Prozent pro Tag
• Ein funktionierender Druckaufbau- und Economizer-Kreislauf nutzt Abdampfgas, statt es abzublasen
• Abblase- und Sicherheitsventilleitungen zu einem sicheren Auslasspunkt geführt, statt am Tank selbst zu enden
• Korrekte Ventil- und Dichtungsauswahl für das jeweilige Medium, einschließlich sauerstoffverträglicher Werkstoffe für Flüssigsauerstoff
• Eine Vakuummessung alle 6 bis 12 Monate, damit eine Verschlechterung erkannt wird, bevor sie zu Abblasen führt
• Für den Zielmarkt passende Zertifizierung: PED 2014/68/EU mit EN 13458 für statische vakuumisolierte Behälter, oder ASME, wo das US-Regelwerk gilt

Steigende Abdampfrate, Reif oder Schwitzwasser auf der Außenhülle sowie schnellerer Druckaufbau als üblich deuten allesamt auf Vakuumverlust hin, der das Abblasen und damit die in die Umgebung freigesetzte Gasmenge erhöht. Unser Beitrag zum Vakuumverlust bei Kryotanks erklärt, wie man ihn erkennt und bestätigt.

KAF Cryogenics liefert Lagertanks, Transportanlagen und Verdampfer neu nach Spezifikation sowie als zertifizierte Gebrauchtanlagen, die Inspektion, zerstörungsfreie Prüfung sowie Vakuum- und Druckprüfung bestanden haben, mit Dokumentendossier und schriftlicher Garantie. Wenn ein Standort eine übermäßig abblasende Anlage ersetzt, kann eine zertifizierte Gebrauchtanlage innerhalb von Wochen ab Lager geliefert werden, statt der Monate, die eine Neuanfertigung normalerweise erfordert.

Häufig gestellte Fragen

Weiterführende Artikel

• Umrechnungsverhältnisse von kryogener Flüssigkeit zu Gas
• Sicherheit und Auswahl von Flüssigsauerstofftanks
• Anforderungen an Aufstellung und Standort von Kryotanks
• Vakuumverlust bei Kryotanks
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• Kryogene Lagertanks