SICHERHEITSUNTERWEISUNG Umgang mit tiefkalten Gasen und Flüssigkeiten Bernd Petersen DESY –MKS1...

SICHERHEITSUNTERWEISUNG

Umgang mit

tiefkalten Gasen und Flüssigkeiten

Bernd Petersen DESY –MKS1

Quellen (u.a):

Verband Deutscher Ingenieure

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Ziele:Nach dieser Unterweisung sollten Sie sich an folgende

spezielle Risiken erinnern

•Erfrierungsgefahren

•Erstickungsgefahr

•Materialversprödung

•Thermische Ausdehnung

•Druckanstieg durch Verdampfung

•Gefahren durch Kondensation

•Brandgefahren

die beim Umgang mit tiefkalten Gasen und Flüssigkeiten auftreten können

Übersicht:

Gefahren im Umgang mit Kältemitteln


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(soweit sie uns betreffen: He,N2,Ar)

Unfall- und Versagensursachen

-> Abhilfen + Schutzmassnahmen

Übermittlungskontrolle(Test)


Beim Umgang mit kryogenen Flüssigkeiten und Tieftemperaturanlagen sind zwei mögliche Gefahrenquellen zu

beachten


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Erfrierungsverletzungen durch tiefe Temperaturen

verdampfende kryogene Flüssigkeiten, die zur

Sauerstoffverdrängung und somit zu einer Erstickungsgefahr führen können

http://gperinic.home.cern.ch/gperinic/kryokurs/de/kryok_11.htm


Erfrierungsverletzungen

Direkter Kontakt mit tiefkalten Flüssigkeiten und Gasen sowie mit tiefkalten Oberflächen kann zu massiven Schädigungen von Haut und Geweben

führen:


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Kaltverbrennungen, Erfrierungen

Die Verletzungsgefahr ist beim offenen Umgang mit kryogenen Medien besonders groß.

Besonders gefährdet sind dabei Augen und Schleimhäute.

Erfrierungsverletzungen

Schutzmaßnahmen und vorbeugende Maßnahmen:

Schutzkleidung, die das Eindringen der tiefkalten Flüssigkeiten verhindert:


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Augenschutz

leicht abstreifbare Handschuhe aus gut isolierendem, nicht brennbarem Material

hohe, enganliegende Schuhe

Hosen ohne Aufschläge, die die Schuhschäfte

überlappen

Erste Hilfe Maßnahmen

Gleiche Maßnahmen wie bei Brandverletzungen

Sterile Brandwundenauflage

BA: Spülen der Verletzung mit Wasser

Rettungsdienst alarmieren


Erstickungsgefahr

Durch die Verdampfung von kryogenen Flüssigkeiten kann es in geschlossenen und schlecht belüfteten Räumen zu einer Verdrängung des Luftsauerstoffs

kommen.


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Wegen der Geruchs- und Farblosigkeit der meisten gasförmigen Kryogene ist diese Gefahr nicht ohne weiteres erkennbar.

Tückisch: Ein Opfer verspürt keine Atemnot !

Wegen der – im Vergleich zur Umgebungsluft – höheren Dichte von Argon und kaltem Stickstoff kommt dazu, dass diese Gase sich,

in Unterflurräumen oder in der Nähe des Bodens ansammeln können.

Die Symptome von Sauerstoffmangel sind bei einem Sauerstoffanteil von:

19% - 15% deutlich verminderte Reaktionsfähigkeit

15% - 12% tiefe Atemzüge, schneller Puls,

Koordinationsschwierigkeiten

12% - 10% Schwindelgefühl, Fehleinschätzungen, Lippen leicht

blau gefärbt

10% - 8% Übelkeit, Übergeben, Bewusstlosigkeit

8% - 6% Tod innerhalb von 8 Minuten, bei 4-8 Minuten

Gehirnschäden

4% Koma nach 40 Sekunden, keine Atmung, Tod

Schutzmaßnahmen und vorbeugende Maßnahmen:

ausreichende Belüftung des Arbeitsplatzes

Abgase von Transportbehältern und von Experimenten in ein Rückgewinnungssystem oder in ein Abgaskamin leiten

ggf. Arbeitsplatz mit fest installiertem Sauerstoffwarngerät ausrüsten

Begehen von geschlossenen Räumen, z.B. Schächten oder Tanks, nur unter Aufsicht und nur mit

tragbaren Sauerstoffwarngeräten

(-> HERA Kryo-Kontrollraum)


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Gefahren im Umgang mit KältemittelnErstickungsgefahr

Beispiel für Helium: Heliumausbruch im LHC-Tunnel

Nebelbildung !!

O2-Konzentration nach HELIUM-Ausbruch in den LHC Tunnel

Ähnlich: HERA-Tunnel und TTF-Tunnel

Boden

Decke

Mitte

Gefahren im Umgang mit KältemittelnErstickungsgefahr

Gefahren im Umgang mit KältemittelnErstickungsgefahr: Gegenmassnahmen

Gefahrenbereich räumen !

Schutzkleidung benutzen

O2-Gehalt messen

Falls nötig umluftunabhängiges Atemgerät benutzen

Helium: Hauptgefahr ‚oben‘

Kalter Stickstoff und Argon : Hauptgefahr ‚unten‘


Materialversprödung

Tieftemperaturversprödung

Der Werkstoff wird bei einer Überlastung bei tiefen Temperaturen nicht plastisch verformt, sondern reisst spontan

Geeignete Stähle für Tieftemperaturanwendungen sind im AD-Merkblatt W10 aufgeführt. (Daneben eignen sich die meisten Werkstoffe mit kubisch flächenzentrierter Kristallstruktur wie Kupfer, Nickel, Kupfer-Nickel Legierungen, Aluminium und seine Legierungen,Zirkonium und Titan

Ist Wasserstoff bei der Herstellung von Werkstoffen anwesend oder kommen Werkstoffe im Betrieb in Kontakt mit Wasserstoff, so kann es unter bestimmten Bedingungen zur Wasserstoffversprödung kommen. Bernd Petersen DESY –MKS1

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Thermische Spannungen

Thermische Spannungen entstehen aufgrund der Kontraktion der Werkstoffe beim Abkühlen auf tiefe Temperaturen.

Sie können als permanente Belastungen im Betriebszustand z.B. bei Rohrleitungen oder als transiente Belastungen während der Abkühlung z.B.

in dickwandigen Komponentenauftreten und gegebenenfalls zu Schäden führen.

Da der Expansionskoeffizient bei vielen Materialien mit der Temperatur abnimmt, findet der größte Teil der Kontraktion oberhalb der LN2-

Temperatur ( 77K) statt.


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Thermische Spannungen

Thermische

Schrumpfung einiger Festkörper

77K

Stahl 0,3%

Plastik > 2%


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Druckanstieg durch Verdampfung

Kryogene Flüssigkeiten dehnen sich beim Verdampfen und Anwärmen auf Raumtemperatur um einen Faktor 500 bis 1500 aus

(Helium: 2K fl -> 300K d Faktor= 900)

-> sehr schneller Druckanstieg in einem geschlossenen Behälter

Mögliche Ursachen für einen verstärkten Wärmeeinfall sind:

rasches Abkühlen von Bauteilen und Kryosystemen,

starke Wärmeentwicklung in den Kühlobjekten z.B. Quench ,

der Zusammenbruch des Isolationsvakuums

thermoakustische Oszillationen ,Bernd Petersen DESY –MKS1

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Unterschied zum (idealen) Gasz.B. Helium T > 30K

Druck x Volumen = const x Temperatur

z.B. bei Druck = konstant

-> Volumen = const/konst x Temperatur

-> doppelte Temperatur ->doppeltes Volumen


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Druckanstieg durch Verdampfung

Lufteinbruch im Hohlleiter eines Kryostateneinsatzes-> Verdampfen mit ca. 2,6 kg/s Massenstrom durch SV

Wärmezufuhr bei Zusammenbruchdes Isolationsvakuums:

40kW / m2 ohne MLI 6kW/ m2 mit MLI


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Sicherheit: Lufteinbruch Vertikal-Kryo

13.06.2002 Level ???

Temperatur

Druck


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Weitere Mechanismen, die zu einem Druckanstieg führen können, sind:

Siedeverzug

In sehr sauberen Behältern setzt das Sieden eines unterkühlten verflüssigten Gases unter Umständen erst bei Temperaturen oberhalb des Siedepunktes ein. Der Siedevorgang kann dadurch heftig bis explosionsartig ablaufen.

Stratifikation

Wird das Kryogen in einem Speicherbehälter für einige Zeit nicht gestört, kann sich eine Temperaturschichtung einstellen, die zu einem schnelleren Druckanstieg als erwartet führt .

die Freisetzung von auf tiefkalten Oberflächen adsorbiertem Gas.


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Schutzmaßnahmen

gegen Druckanstieg


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Redundanz

(aus dem lat. => im Überfluss)

d.h. mehr Sicherheitseinrichtungen als

notwendig bzw. doppelte

Sicherheitseinrichtungen

Diversität

(aus dem lat. => Abwechslung,

Mannigfaltigkeit)

d.h. Sicherheitseinrichtungen, die verschiedenartig funktionieren


Schutzmassnahmen

Abblaseklappe

Vorsicht im Bereich von Abblaseeinrichtungen!


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Sicherheitsventil


Kondensation von Gasen

Anwendungen: Kältefallen und Kryopumpen

Gefahr: Verstopfung der Abgasleitungen

von Kryobehältern durch Eispfropfen aus Luftfeuchtigkeit und/oder Luft

Vorbeugende Maßnahmen:

nur Behälter mit getrennter Abgas- und Sicherheitsventilleitung verwenden

Transportbehälter nicht offen stehen lassen.

Abgasleitungen, die ins Freie führen, mit Rückschlagklappen ausrüsten

Vor dem Abpumpen von Kryobädern einen Lecktest durchführen und insbesondere

auf Leckagen achten, durch die Luft in den kalten Teil der Apparatur angesaugt

werden könnte Bernd Petersen DESY –MKS1

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Unfall- und Versagensursachen Kondensation von Gasen

LN2 Ausblaseleitung: Gefahr von Verschluss durch

Eisbildung


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Die unerwünschte Kondensation oder unerwünschtes Einfrieren kann auch folgende Auswirkungen haben:

Mechanische Schäden

durch Ausfrierungen an Ventilen, Turbinen etc.,

durch heruntertropfendes tiefkaltes Kondensat oder

durch das entstehende Tauwasser

Druckaufbau bei Desorption

Entstehung explosiver Gemische

durch die Kondensation von Luft oder

Sauerstoff in brennbaren Flüssigkeiten oder an brennbaren Festkörpern

im Isolationsmaterial von Transferleitungen,

in einem Flüssig-Wasserstoff-Tank oder

an der Aktivkohle eines Tieftemperaturadsorbers

Wichtig! - Luftkondensat wirkt stark brandfördernd, da es wegen des höheren Siedepunkts von Sauerstoff bis zu 50% Sauerstoff enthält.


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82K

21% O2 79%N2 (Luft)

50% O2

Siedekurve einer N2 / O2 Lösung

100% N2 100% O2

Siedetemperatur O2

Siede-

temperatur N2


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Unfall- und Versagensursachen : Brand- und Explosionsgefahr

Sauerstoff

flüssiger oder gasförmiger Sauerstoff kann

-Verbrennungsvorgänge stark beschleunigen,

- die Zündtemperatur erniedrigen,

- sich in brennbaren Materialien anreichern (insbesondere auch

in Kleidung),

- die dann bei Zündung heftig bis explosionsartig verbrennen.

Ozon

Sicherheitsbedenklich ist die Entstehung von Ozon in Systemen, die Sauerstoff enthalten, und unter Gamma- oder Neutronenbestrahlung stehen.

Eine explosionsfähige Menge an Ozon kann bereits aus den Sauerstoffverunreinigungen in einem Flüssig-Stickstoff-Tank entstehen, wenn dieser einer Bestrahlung ausgesetzt ist Bernd Petersen DESY –MKS1

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Vorbeugende Maßnahmen gegen Kondensation und deren Folgen:

Anlagen vor dem Betrieb gründlich spülen und evakuieren.

Im Betrieb bei leichtem Überdruck arbeiten, um das Eindringen von Verunreinigungen durch Leckagen zu vermeiden.

Wo möglich - Vakuumisolation verwenden.

Sonst nicht brennbares Isolationsmaterial verwenden und das Eindringen von Luft mittels Dampfsperre verhindern.


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Allgemeine Sicherheitsmassnahmen

Arbeiten im Kryobereich nur nach Absprache und mit Freigabe

durch MKS-Kryo-Operateure

Problemmeldungen an MKS Operateure / Rufbereitschaft

Betriebsanweisungen beachten !

Ziele:Nach dieser Unterweisung sollten sich an folgende

spezielle Risiken erinnern

•Erfrierungsgefahren

•Erstickungsgefahr

•Materialversprödung

•Thermische Ausdehnung

•Druckanstieg durch Verdampfung

•Gefahren durch Kondensation

•Brandgefahren

die beim Umgang mit tiefkalten Gasen und Flüssigkeiten auftreten können

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