mini|Kesselexplosion bei einer Mallet-Lokomotive der Schmalspurbahn Nesttun–Os, Norwegen mini|2. Februar 1850 auf der York, Newcastle and Berwick Railway, Darlington: 3 Tote mini|Actæon am 7. Februar 1855 nach der Explosion mini|1862 Westbourne Park, Great Western Railway mini|GLAUCOS der Kaiser-Ferdinand-Nordbahn im Bahnhof Oderberg, heute: Bohumín am 23. März 1873 mini|Lok 44 der WEG im Bahnhof Schleusingen (2. November 1890) mini|Kesselzerknall (40-horse-power-Boiler) bei dem Unternehmen Hays Manufacturing Co. Erie, Pennsylvania (USA), 1901 mini|Güterzuglokomotive der EL, 13. Mai 1909. Der Kessel wurde bei der Explosion 70 m weit weggeschleudert.
Eine Kesselexplosion (auch Kesselzerknall) bezeichnet das Bersten eines Dampfkessels und ist eine Form der physikalischen Explosion. Die häufigsten Ursachen für die Explosion des Kessels sind Überhitzung durch Wassermangel, zu hoher Dampfdruck und mangelhafte oder fehlende Wartung.
Um solche Unfälle zu vermeiden, wurden in Deutschland regionale Dampfkesselüberwachungsvereine (DÜV) gegründet; die Vorläufer des TÜV.
Physikalische Grundlagen Ein Dampfkessel dient zur Erzeugung von Dampf oberhalb der atmosphärischen Siedetemperatur von Wasser, die bei 100°C liegt. Im Sattdampfteil des Kessels herrscht bei einem bestimmten Dampfdruck immer eine zugeordnete Sattdampftemperatur, die aus den Dampftabellen entnommen werden kann. Bei einem Druck von 15,5 bar (absolut) beträgt die zugehörige Sattdampftemperatur 200 °C. In dem Dampfkessel ist Energie gespeichert; einmal in Form des Wasserdampfes und andererseits in Form der Aufheizung des Wassers auf die Siedetemperatur. Die beim Kesselzerknall freigesetzte Energie aus dem bis zum Siedepunkt erhitzten Wasser ist erheblich höher als es bei (gasförmigem) Wasserdampf von gleichem Volumen, gleichem Druck und gleicher Temperatur wäre. Dieser Sachverhalt ist wesentlich für die Höhe des beim Zerknall entstehenden Schadens.
Beim Aufreißen eines Kesselkörpers tritt Dampf nach außen, und dies führt zu einer Druckreduzierung im beschädigten Kessel. Da das bis zur Sattdampftemperatur erhitzte Kesselwasser eine Temperatur von mehr als 100°C aufweist, verdampft durch den Druckabfall sofort ein Teil der flüssigen Phase. Dieser Vorgang führt zum Austritt erheblicher weiterer Dampfmengen aus dem geborstenen Kessel. Bis zur Entspannung auf den Atmosphärendruck verdampfen 20 % des Wassers, wenn der ursprüngliche Druck 15,5 bar (absolut) betragen hat. Dieser Effekt wird als Nachverdampfung bezeichnet.
Bei einer großflächigen Schädigung der Kesselwand infolge Überhitzung oder Korrosion kann von Mikrorissen ein Risswachstum induziert werden, das lokal die Festigkeit des Kesselmaterials herabsetzt. Begünstigt durch Druckwechselbeanspruchung geht die stabile Rissausbreitung in die instabile Rissausbreitung über. Die Geschwindigkeit der Rissausbreitung verläuft dann exponentiell und wenn der Riss die Wand durchdrungen hat, reißt das betroffene Bauteil in Sekundenbruchteilen auf. Die Nachverdampfung des Wassers in dem Kesselkörper hat zur Folge, dass der Druckabbau langsamer erfolgt und so die Zerstörungen an den Bauteilen enorm sind. Oft sind bei aufgerissenen Kesseltrommeln die Mantelbleche wieder vollständig abgewickelt worden. Mit zunehmender Größe der aufgerissenen Fläche steigt die Rückstoßkraft, sodass der Kessel meistens noch fortgeschleudert wird.
Ursachen Wassermangel Mobile Dampfmaschinen (Dampflokomotive, Dampftriebwagen, Lokomobile, Dampfwagen, Dampfschiffe, Dampfboote) haben eine wassergekühlte Feuerbüchse, der sich der Langkessel anschließt. Der Wärmeübergang ist in der Feuerbüchse am größten, da hier die Wärmeübertragung insbesondere durch Strahlung erfolgt. Von der Feuerbüchse gelangen die Rauchgase in die Rauchrohre, und die Wärme wird durch Konvektion an das Wasser abgegeben.
Eine Überhitzung der Heizflächen wird vermieden, wenn ein ausreichender Wasserstand im Kessel vorhanden ist, der auch bei starkem Gefälle die Feuerbüchse und Rauchrohre des Kessels überdeckt. Das verdampfte Wasser muss mit der Speisepumpe oder dem Injektor in ausreichender Menge nachgespeist werden. Im Falle einer ungenügenden Nachspeisung werden die Heizflächen nicht mehr mit Wasser bedeckt. Die Wärme kann an diesen Bereichen nur noch auf den Dampf übertragen werden. Die Wärmeübergangszahl bei der Wärmeübertragung auf Dampf im Vergleich zur Verdampfung ist um viele Größenordnungen geringer. Die Heizflächen, die im Normalbetrieb maximal 50°C wärmer als die Sattdampftemperatur sind, nehmen wesentlich höhere Temperaturen an und können zum Glühen gebracht werden. Die Festigkeit des Stahls nimmt mit zunehmender Temperatur stark ab, so dass durch den weiterhin anstehenden Kesseldruck die trockenliegenden Heizflächen, z.B. die Feuerbüchse, plastisch verformt (eingedrückt) werden und schließlich aufreißen.
Wenn durch die Bewegung des Fahrzeuges oder durch nachgespeistes Wasser die überhitzten Bauteile wieder mit Wasser bedeckt werden, besteht die Gefahr, dass schlagartig große Dampfmengen erzeugt werden, für die das Sicherheitsventil nicht ausgelegt ist. Dieser schnelle Druckanstieg und die Schädigung der Flächen durch die hohe Temperatur können zum Aufreißen des Kessels führen.
Beim Eisenbahnunfall von Herrlisheim 1909 kam es zu dem Kesselzerknall, weil ein defekter Wasserstandsanzeiger dem Lokomotivpersonal einen hohen Wasserstand anzeigte, der aber gar nicht mehr vorhanden war.Jean-Georges Trouillet: Les Chemins de fer Impériaux d’Alsace-Lorraine – Reichs-Eisenbahnen in Elsass-Lothringen. Éditions Drei Exen Verlag, Husseren-les-Châteaux 2018, ISBN 978-2-9565934-0-9, S. 341.
Der letzte Zerknall in Deutschland, der Kesselzerknall in Bitterfeld am 27. November 1977 hatte Wassermangel als Ursache.
Zu hoher Kesseldruck Normalerweise kann aufgrund der Sicherheitsventile, deren Wartung und der Anzeige eines Manometers kein zu hoher Kesseldruck auftreten. Es soll jedoch Fälle gegeben haben, wo Ventile manipuliert waren, um z.B. Wettfahrten zu gewinnen oder Rekorde zu brechen. Zum Kesselzerknall in Meiningen soll es dadurch gekommen sein, dass ein zu hoher Kesseldruck wegen defektem Manometer nicht erkannt wurde. Vermutlich waren auch die Sicherheitsventile nicht in korrektem Zustand.
Mangelhafte Instandhaltung Damit ein Dampfkessel jederzeit sicher betrieben werden kann, sind bestimmte Untersuchungsintervalle und Prüfungen vorgeschrieben. Bei einer Kesseluntersuchung wird der Kessel immer von außen komplett freigelegt. Alle Nähte werden überprüft. Im Bereich der Feuerbüchse, dem kritischsten Bereich eines Dampfkessels, werden sämtliche Stehbolzen auf Anrisse überprüft und im Zweifelsfall durch neue ersetzt. Üblicherweise wird nach Abschluss der Arbeiten eine Kaltwasserdruckprobe mit dem 1,5-fachen Betriebsdruck vorgenommen. Hierbei wird der Kessel vollständig mit Wasser gefüllt und langsam auf Prüfdruck gebracht. Dabei dürfen keine Verformungen und Undichtigkeiten am Kessel auftreten. Da sich bei dieser Prüfung ausschließlich Wasser im Kessel befindet, das sich nicht komprimieren lässt, ist kein Zerknall zu befürchten, da zum Beispiel das Aufreißen einer Naht nur zum sofortigen Druckabfall, nicht aber zum Entstehen von Dampf führt, der unkontrolliert nachströmen würde. Anschließend ist eine Warmdruckprobe mit 1,2-fachem Betriebsdruck vorgesehen. Zum Schluss werden die Sicherheitsventile, die den Betriebsdruck des Kessels begrenzen, von einem Kesselprüfer eingestellt und gegen Verstellen verplombt. Bei weitergehenden Prüfungen wird der Kessel auch von innen komplett freigelegt, dazu werden alle Rohre ausgebaut. Dabei werden die Kesselwandungen auf Materialabzehrungen untersucht, um zu geringe Wandstärken zu erkennen. Die abschließenden Prüfungen sind die gleichen wie oben beschrieben. Werden diese Untersuchungen versäumt, kann das dazu führen, dass Mängel am Kessel unbemerkt bleiben. Er kann beispielsweise dem zugelassenen Druck nicht mehr standhalten, da seine Wandungen mit der Zeit zu dünn geworden oder die versteifenden Stehbolzen im Feuerbüchsbereich gerissen sind.
In Medina (Ohio) (USA) zerknallte am 29. Juli 2001 der Kessel eines Dampftraktors auf einem Jahrmarkt. Bislang ist das der jüngste bekanntgewordene Fall eines Kesselzerknalls. Ursache waren hier schwere Unterhaltungsmängel (Kesselstein und abgezehrtes Material). Das bei der nachfolgenden Unfalluntersuchung nicht öffnende Sicherheitsventil und ein zu wenig anzeigendes Kesseldruckmanometer waren hingegen nicht die Explosionsursache. Übersetzte Auszüge aus den Untersuchungsberichten in: Zeitschrift des Dampfwalzen-Club Schweiz, Ausgabe Dezember 2001, Seiten 14–21, abgerufen am 27. August 2017 Die Unfalluntersuchung ergab, dass der Kessel einen dermaßen schlechten Zustand hatte, dass er wohl bereits unterhalb des Betriebsdruckes barst.
Konstruktionsfehler Am 9. Juli 1892 kam es auf dem Genfersee bei Lausanne zu einem Kesselzerknall auf dem Schaufelraddampfer Mont Blanc, der 26 Todesopfer unter Passagieren und Besatzung forderte. Als in Ouchy für die Weiterfahrt der Kesseldruck erhöht wurde, explodierte der horizontale Dampfdom des Schaufelraddampfers. Der Grund war eine Fehlkonstruktion und ungenügende Prüfung des Dampfdomes. Dies war einer der seltenen Fälle von Kesselexplosionen auf Dampfschiffen.
Sonstige Ursachen Verschiedene Ursachen wie unzureichendes Material, fehlerhafte Bedienung oder Überbelastung führten im 19. Jahrhundert häufig zu Explosionen bei stationär aufgestellten und mobilen Dampfkesseln. Durch diese Unfälle waren oft Menschen betroffen, die von weggeschleuderten Bauteilen und austretendem Dampf verletzt oder getötet wurden. Dies löste die Gründung von Dampfkessel-Überwachungsvereinen aus, aus denen sich später die Technischen Überwachungsvereine entwickelten, heute in Deutschland und Österreich bekannt unter der Abkürzung TÜV. In der Schweiz führt das Kesselinspektorat die vergleichbaren Überprüfungen durch. In Deutschland waren die Staatsbahnen meist selbst für die Überwachung der Kesselsicherheit verantwortlich.
Werkstofffehler Ein Beispiel für die Verwendung falscher Werkstoffe sei hier genannt: Bei der Deutschen Reichsbahn war man gegen Ende der 1930er Jahre der Annahme, durch Verwendung der Stahlsorte St47 K-Mo für den Kesselbau den Druck erhöhen zu können, ohne dass das Kesselgewicht durch größere Wandstärke deutlich ansteigt. Dieser Werkstoff ist mit Molybdän legiert und besaß einen recht hohen Kohlenstoffanteil. Dies ergab zwar anfangs eine hohe Festigkeit, jedoch war der Stahl nicht alterungsbeständig. Das Molybdän verringert die Wärmeleitfähigkeit des Stahls deutlich. An Verbindungsstellen mit anderen Stahlsorten entstehen Spannungen. Der hohe Kohlenstoffanteil versprödet den Stahl. Es bildeten sich bald Haarrisse, sodass z. B. der Kessel der 50 846 (Bj. 1940) als erster bereits 1941 barst. Als Sofortmaßnahme wurde der zulässige Betriebsdruck dieser Kessel herabgesetzt und eine intensivere Überwachung angeordnet. In besonders dringenden Fällen wurden schon in den frühen 1940er Jahren erste Ersatzkessel aus der bewährten und zuvor verwandten Stahlsorte St34 beschafft.
Gewalteinwirkung Auch äußere Gewalteinwirkung kann zu einer Kesselexplosion führen. So müssen Rettungsmannschaften damit rechnen, dass nach einem schweren Unfall die Gefahr eines Kesselzerknalls besteht (z. B. nach einem Frontalzusammenstoß unter Beteiligung einer Dampflokomotive).
Liste von Kesselexplosionen In der Spalte Beschädigung wird aufgeführt, welches Bauteil als erstes beschädigt wurde, was in der Folge die Zerstörung des Kessels bewirkte.
Lokomotiven Deutschland Länderbahnen