Ein Tieftemperaturschutzsystem (TTSS), auf Englisch Cold Equipment Protection System (CEPS), ist eine Sicherheitseinrichtung in kryogenen Verdampfersystemen. Es schützt Rohrleitungen und Apparate vor unzulässig tiefen Temperaturen, die eine Versprödung des Werkstoffs und damit einen Sprödbruch (auch Trennbruch ) verursachen können. Das System trägt so dazu bei, Gefahren für Menschen und Anlagen zu reduzieren.
Grundlage für die Auslegung eines TTS bilden die Empfehlungen der European Industrial Gases Association (EIGA), insbesondere das Dokument IGC 133 „Cryogenic Vaporisation Systems – Prevention of Brittle Fracture of Equipment and Piping“.
Hintergrund Bei der Verdampfung tiefkalter technischer Gase, kann es zu einem sogenannten Überfahren des Verdampfers kommen. Ursächlich sind insbesondere Gase wie Sauerstoff, Stickstoff oder Argon, die in flüssiger Form angeliefert und auf dem Betriebsgelände gelagert werden. Bei einer solchen Betriebsstörung kann tiefkalte Flüssigkeit den Verdampfer passieren (Verdampfer-Überfahren) und in nachgeschaltete Rohrleitungen und Anlagenteile gelangen.
Werkstoffe wie Kohlenstoffstahl verlieren unterhalb ihrer sogenannten duktil-spröden Übergangstemperatur (ductile-to-brittle transition temperature, DBTT) zunehmend ihre Zähigkeit und können plötzlich versagen: Inspectioneering Journal 99 Diseases of Pressure Equipment: Brittle Fracture. Infolgedessen können Bauteile unvermittelt und ohne nennenswerte plastische Verformung versagen. Dieses Phänomen wird als Sprödbruch, auf Englisch brittle fracture bezeichnet. Dieses Versagen kann zur Freisetzung großer Druck-Volumen-Energien, zur Bildung kryogener Flüssigkeits- oder Gaswolken sowie zu erheblichen Gefährdungen von Menschen und Anlagen führen.Springer Nature Link
Ursachen für tiefe Temperaturen Typische Ursachen für kritische Temperaturabfälle am Verdampferausgang sind:
Überlastung des Verdampfers durch Spitzenlast oder Zusatzentnahmen Ausfall von Hilfsenergiequellen (z. B. Strom, Dampf, Heißwasser), Vereisung luftbeheizter Verdampfer Fehlfunktion von Regel- oder Umschaltventilen Bei Luftverdampfern: Besondere Wetterphänomene
Schutzprinzipien Die EIGA (European Industrial Gases Association AISBL) unterscheidet drei Grundprinzipien für die Gestaltung sicherer Systeme:
Eigensicherheit: Alle stromabwärts liegenden Komponenten bestehen aus Werkstoffen, die für kryogene Temperaturen geeignet sind (z. B. Edelstahl, Kupfer). Gefährdungsbeurteilung: Wo keine vollständige Eigensicherheit vorliegt, sind Risikoanalysen durchzuführen. Dabei werden Verdampfertyp, Betriebsweise, Fluid, Wahrscheinlichkeit des Ausfalls und mögliche Folgen bewertet. (Beispiel einer Gefährdungsbeurteilung und Folgender Hanldungshilfe DGUV Information mit der Regel zur Vermeidung, dass "Sauerstoff in tiefkalt verflüssigtem Zustand in die Versorgungsleitung eintritt.") Zuverlässigkeit der Versorgung: Sicherheitsmaßnahmen müssen so ausgelegt sein, dass die Gasversorgung des Endanwenders – insbesondere bei nicht unterbrechbaren Versorgungssystemen – nicht gefährdet wird. (Beispiel Sauerstoff im Krankenhaus)
Möglicher Schutz durch Tieftemperaturschutzsystem Ein möglicher Schutz ist die Verwendung eines Tieftemperaturschutzsystems (TTSS). Ein regelkonformes TTSS muss die Folgen der geschilderten Szenarien beherrschen. Die EIGA definiert drei Grundprinzipien https://www.industriegaseverband.de/download-file/13305d-kryogeneverdampfer.pdf, woraus ein typisches (TTSS) besteht :
Temperatur-Messeinrichtungen Logiksystem (z. B. Relais, speicherprogrammierbare Steuerung), Abschalteinrichtungen wie Ventile oder Pumpenstopps
Ergänzende Maßnahmen können Drosselventile zur Durchflussbegrenzung, Alarmsysteme bei Ausfall von Hilfsenergiequellen oder automatische Verdampferumschaltungen sein.
Normativer Rahmen Die EIGA gibt Empfehlungen "13305d Kryogene Verdampfer" für die Auslegung von TTSS abhängig von der Sicherheitsbeurteilung des Betreibers:
dem PV-Risikograd (Produkt aus Druck und Volumen) der Gefahrklasse des Fluids (inert, Sauerstoff, brennbar/toxisch) der Wahrscheinlichkeit tiefer Temperaturen (abhängig vom Verdampfertyp) der Betriebsweise (Reserveversorgung oder Dauerbetrieb)
Für moderne sicherheitsgerichtete Systeme findet zusätzlich die internationale Norm IEC 61511 zur Funktionalen Sicherheit Anwendung. Diese ordnet Sicherheitsfunktionen einem Safety Integrity Level (SIL), also einer Sicherheitsanforderungsstufe zu. Typischerweise werden TTSS in den Stufen SIL 1 oder SIL 2 ausgeführt.
Betrieb und Instandhaltung Damit ein TTSS dauerhaft wirksam bleibt, sind regelmäßige Prüfungen erforderlich. Dazu gehören Funktionsprüfungen der Sensorik und Ventile, Verbrauchsmonitoring, periodische Risikoüberprüfungen sowie Schulungen des Betriebspersonals.
Weblinks European Industrial Gases Association: IGC Doc 133 – Cryogenic Vaporisation Systems: Prevention of Brittle Fracture of Equipment and Piping, Brüssel. LT GASETECHNIK: SIL-2-Tieftemperaturschutzsysteme in Kombination mit Verdampferumschaltung, Fachartikel 2024
Einzelnachweise
Kategorie:Kryotechnik Kategorie:Sicherheitstechnik