SICHERHEITSUNTERWEISUNG Umgang mit tiefkalten Gasen und Flüssigkeiten Bernd Petersen DESY –MKS1 Quellen (u.a): Verband Deutscher Ingenieure Goran.Perinic@cern.ch

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

Gefahren im Umgang mit Kältemitteln Übersicht: Gefahren im Umgang mit Kältemitteln (soweit sie uns betreffen: He,N2,Ar) Unfall- und Versagensursachen -> Abhilfen + Schutzmassnahmen Übermittlungskontrolle(Test) Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

Erfrierungsverletzungen durch tiefe Temperaturen Gefahren im Umgang mit Kältemitteln Beim Umgang mit kryogenen Flüssigkeiten und Tieftemperaturanlagen sind zwei mögliche Gefahrenquellen zu beachten Erfrierungsverletzungen durch tiefe Temperaturen verdampfende kryogene Flüssigkeiten, die zur Sauerstoffverdrängung und somit zu einer Erstickungsgefahr führen können Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

Gefahren im Umgang mit Kältemitteln Erfrierungsverletzungen Direkter Kontakt mit tiefkalten Flüssigkeiten und Gasen sowie mit tiefkalten Oberflächen kann zu massiven Schädigungen von Haut und Geweben führen: Kaltverbrennungen, Erfrierungen Die Verletzungsgefahr ist beim offenen Umgang mit kryogenen Medien besonders groß. Besonders gefährdet sind dabei Augen und Schleimhäute. Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

Erfrierungsverletzungen Schutzmaßnahmen und vorbeugende Maßnahmen: Schutzkleidung, die das Eindringen der tiefkalten Flüssigkeiten verhindert: 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 Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

Gefahren im Umgang mit Kältemitteln Erstickungsgefahr Durch die Verdampfung von kryogenen Flüssigkeiten kann es in geschlossenen und schlecht belüfteten Räumen zu einer Verdrängung des Luftsauerstoffs kommen. 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. Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

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) Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

Gefahren im Umgang mit Kältemitteln Erstickungsgefahr Beispiel für Helium: Heliumausbruch im LHC-Tunnel Nebelbildung !!

Gefahren im Umgang mit Kältemitteln Erstickungsgefahr O2-Konzentration nach HELIUM-Ausbruch in den LHC Tunnel Ähnlich: HERA-Tunnel und TTF-Tunnel Mitte Boden Decke

Gefahren im Umgang mit Kältemitteln Erstickungsgefahr: Gegenmassnahmen Gefahrenbereich räumen ! Schutzkleidung benutzen O2-Gehalt messen Falls nötig umluftunabhängiges Atemgerät benutzen Helium: Hauptgefahr ‚oben‘ Kalter Stickstoff und Argon : Hauptgefahr ‚unten‘

Unfall- und Versagensursachen 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 Bernd.Petersen@desy.de

Unfall- und Versagensursachen 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. Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

Unfall- und Versagensursachen Thermische Spannungen Schrumpfung einiger Festkörper Plastik > 2% Stahl 0,3% Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de 77K

Unfall- und Versagensursachen 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 Bernd.Petersen@desy.de

Unterschied zum (idealen) Gas z.B. Helium T > 30K Druck x Volumen = const x Temperatur z.B. bei Druck = konstant -> Volumen = const/konst x Temperatur -> doppelte Temperatur ->doppeltes Volumen Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

Unfall- und Versagensursachen Druckanstieg durch Verdampfung Lufteinbruch im Hohlleiter eines Kryostateneinsatzes -> Verdampfen mit ca. 2,6 kg/s Massenstrom durch SV Wärmezufuhr bei Zusammenbruch des Isolationsvakuums: 40kW / m2 ohne MLI 6kW/ m2 mit MLI Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

Sicherheit: Lufteinbruch Vertikal-Kryo 13.06.2002 Level ??? Temperatur Druck Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

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. Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

Unfall- und Versagensursachen Schutzmaßnahmen gegen Druckanstieg 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 Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

Unfall- und Versagensursachen Schutzmassnahmen Abblaseklappe Sicherheitsventil Vorsicht im Bereich von Abblaseeinrichtungen! Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

Unfall- und Versagensursachen 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 Bernd.Petersen@desy.de

Unfall- und Versagensursachen Kondensation von Gasen LN2 Ausblaseleitung: Gefahr von Verschluss durch Eisbildung Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

durch Ausfrierungen an Ventilen, Turbinen etc., 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. Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

Siedekurve einer N2 / O2 Lösung 21% O2 79%N2 (Luft) Siedetemperatur O2 82K Siede- temperatur N2 50% O2 100% O2 100% N2 Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

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 Bernd.Petersen@desy.de

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. Bernd Petersen DESY –MKS1 Bernd.Petersen@desy.de

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