Kesselexplosion


Kesselexplosion

Ein Kesselzerknall bezeichnet das Platzen eines Dampfkessels und ist eine Form der physikalischen Explosion. Die häufigsten Ursachen für die Explosion des Kessels sind Wassermangel, zu hoher Dampfdruck und mangelhafte oder fehlende Wartung.

Explosion der Lokomotive „Windsbraut“ am 21. Mai 1846 in Leipzig

Inhaltsverzeichnis

Physikalische Grundlagen

Durch Kesselzerknall zerstörte Lokomotive um 1850

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 ein zugeordneter Sattdampfdruck, der 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 spezifische, auf die Masse bezogene, Enthalpie des Dampfes ist wesentlich höher als die des auf Siedetemperatur erhitzten Wassers. Da aber die Dichte des Wassers wesentlich höher ist als die Dampfdichte, ist in einem Dampfkessel die Enthalpie der latenten Wärme des Wassers wesentlich höher als die Dampfenthalpie.

Beim Aufreißen eines Kesselkörpers tritt Dampf nach außen, und dies führt zu einer Druckreduzierung im beschädigten Kessel. Da das nicht verdampfte Kesselwasser aber bis zur Sattdampftemperatur erhitzt ist, verdampft ein Teil der flüssigen Phase. Bis zur Entspannung auf den Atmosphärendruck verdampft 20 % des Wassers, wenn der ursprüngliche Druck 15,5 bar (absolut) betragen hat. Dieser Effekt wird als Nachverdampfung bezeichnet, und ist charakterisiert durch die überhitzte Flüssigkeit, die bei Druckabfall teilweise verdampft.

Bei einer großflächigen Schädigung der Kesselwand in Folge Überhitzung oder Korrosion kann von Mikrorissen ein Risswachstum induziert werden, das lokal die Festigkeit 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.

Ursachen

Kesselzerknall durch Wassermangel

Bei einer mobilen Dampfmaschine (Dampflokomotive, Lokomobile, Dampfschiff) wird zur Erzeugung des Dampfes ein Feuer in der Feuerbüchse entfacht, welche sich im Kessel befindet. Die entstehenden Rauchgase durchlaufen die Rauchrohre und erhitzen dabei das umgebende Wasser, bevor sie aus dem Schornstein entweichen. Am effektivsten wird das Wasser von den Feuerbüchswänden direkt erhitzt.

Vorausgesetzt, dass keine technischen Mängel vorliegen, ist dieses System stabil, solange sich ausreichend Wasser im Kessel befindet und dieser in der vorgesehenen Lage verbleibt. Bei einer stärkeren Neigung des Kessels, z. B. beim Befahren von starken Gefällen, kann das Wasser sich im vorderen Kesselende sammeln, während die hinten gelegene Feuerbüchse nicht mehr vollständig von Wasser umspült wird. Der gleiche Fall tritt ein, wenn für den verbrauchten Dampf nicht ausreichend neues Wasser nachgefüllt wird.

In Folge dieses Trockenfallens erhitzt sich die Feuerbüchsdecke stark, das Material kann weich werden, ausglühen und stark an Festigkeit einbüßen. Bei entsprechend langer und intensiver Hitzeeinwirkung kann die Festigkeit so sehr abnehmen, dass die Feuerbüchsdecke dem normalen Kesseldruck nicht mehr standhält und schließlich aufreißt. Bei bewegten Kesseln, oder wenn jetzt zusätzliches Wasser zugeführt wird, besteht schon vor dieser spontanen Zerstörung die Gefahr, dass wieder Wasser auf die glühenden Flächen gelangt und sofort verdampft (heiße Herdplatte). Durch den großen Energiegehalt des glühenden Metalls entsteht in kurzer Zeit eine so große Menge Dampf, dass die Sicherheitseinrichtungen damit völlig überfordert sind und der Kesseldruck schnell ansteigt, was in Verbindung mit der verringerten Stabilität der Feuerbüchse zu deren Reißen führen kann. Durch das entstehende Loch strömt der Dampf in die Feuerbüchse aus. Der sich dadurch verringernde Druck im Kessel bewirkt, dass das heiße Wasser gemäß seinem physikalischen Dampfdruckverhalten schlagartig im gesamten Volumen zu sieden beginnt (Nachverdampfung). Je größer das Loch, umso schneller sinkt der Druck und umso heftiger wird dadurch die Nachverdampfung. Das Kesselmaterial kann aber seine Wärmeenergie nicht so schnell abgeben wie das Wasser, sodass dieses selbst noch bei Erreichen des Umgebungsdrucks weiter geheizt wird, wodurch der Kesselinhalt innerhalb weniger Sekunden vollständig verdampft. Dabei entsteht eine gewaltige Menge Dampf. Durch diese stetig nachströmenden Dampfmengen entsteht auch eine Rückstoßkraft, die den Kessel aus seiner Verankerung reißen und fortschleudern kann.

Der letzte Zerknall in Deutschland ereignete sich am 27. November 1977 in Bitterfeld mit der Schnellzuglok 01 516 (EDV-Nummer 01 1516-2). Trotz besseren Wissens hatte das Personal die Lok trockengeheizt (es galt unter Eisenbahnern als Schande, die Lok auf freier Strecke „kaltmachen“ zu müssen, d. h. das Feuer vom Rost zu entfernen). Bei dem Unglück wurden neben Lokführer und Heizer sieben weitere Personen durch umherfliegende Splitter und Trümmer getötet und über 50 Personen verletzt; der Kessel wurde dabei 80 m von der Lok fortgeschleudert.

Die Untersuchungskommission fand heraus, dass der Kessel infolge Wassermangels zerknallte; im Tender war kein Wasser mehr zu finden. Aufgrund der Materialuntersuchung der Feuerbüchse wurde festgestellt, dass das Material auf ca. 740 °C erhitzt worden war. Dadurch sank die Festigkeit der Feuerbüchse von 52 kp/mm² auf weniger als 9 kp/mm². Um diese Temperaturen im Material zu erreichen, musste die Feuerbüchsdecke mindestens 4 min lang nicht mit Wasser bedeckt gewesen sein. Als der Zug dann im Bahnhof Bitterfeld abbremste, schwappte das restliche Kesselwasser auf die Feuerbüchsdecke und löste damit die Katastrophe aus.

Kesselzerknall durch zu hohen Dampfdruck

In Medina (Ohio), USA) zerknallte am 29. Juli 2001 der Kessel einer Lokomobile, eines dampfgetriebenen Straßenfahrzeugs, auf einem Jahrmarkt. Bislang ist das der jüngste bekannt gewordene Fall eines Kesselzerknalls. Ursache waren hier schwere Wartungsmängel und abgezehrtes Material, vor allem durch Kesselsteinablagerungen festgesetzte Sicherheitsventile, die einen Druckanstieg über die für den Kessel erlaubte Grenze zuließen. Mangelnde Aufmerksamkeit des Personals, das den Druckanstieg nicht bemerkte, tat ein Übriges.

Kesselzerknall durch mangelhafte Wartung

Damit ein Dampfkessel jederzeit sicher betrieben werden kann, sind bestimmte Wartungsintervalle und Prüfungen vorgeschrieben. Bei der Wartung 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 zusammenpressen lässt, ist kein Zerknall zu befürchten, da zum Beispiel das Aufreißen einer Naht nur zum sofortigen Druckabfall, nicht aber zum Entstehen eines zusätzlichen Mediums führt, das unkontrolliert nachströmen kann. 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, das heißt es 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 Wartungen 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.

Kesselzerknall durch Konstruktionsfehler

Am 9. Juli 1892 kam es auf dem Lac Léman (Genfersee) bei Lausanne zu einer Kesselexplosion auf dem Schaufelraddampfer Mont Blanc, welche 26 Todesopfer 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.

Sonstige Ursachen

Verschiedene Ursachen wie unzureichendes Material, fehlerhafte Bedienung oder Überbelastung führten im 19. Jahrhundert häufig zu Kesselzerknallen 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, heute bekannt unter der Abkürzung TÜV, entwickelten. In Deutschland waren die Staatsbahnen meist selbst für die Überwachung der Kesselsicherheit verantwortlich.

Bei der Deutschen Reichsbahn glaubte man gegen Ende der 30er Jahre, durch Verwendung der Stahlsorte St47 K-Mo für den Kesselbau dessen Druck erhöhen zu können, ohne dass dessen Gewicht durch größere Wandstärke deutlich ansteigt. Es handelte sich dabei um einen Stahl, der mit Molybdän legiert war. Er besaß zum Teil einen recht hohen Kohlenstoffanteil. Dies ergab zwar anfangs eine hohe Festigkeit, jedoch war der Stahl nicht alterungsbeständig. Das Molybdän verringerte die Wärmeleitfähigkeit des Stahles deutlich, was in der Kombination mit anderen Stahlsorten zu starken Spannungen führt, der hohe Kohlenstoffanteil machte den Stahl spröde und es bildeten sich bald Haarrisse, so dass z. B. der Kessel der 50 845 (Bj. 1940) als erster bereits 1941 zerknallte. Als Sofortmaßnahme wurde der zulässige Betriebsdruck dieser Kessel herabgesetzt und eine intensivere Überwachung angeordnet. Für besonders dringende Fälle wurden schon in den frühen 40er Jahren erste Ersatzkessel aus dem bewährten St34 beschafft.

Aber auch äußere Gewalteinwirkung kann im Extremfall zu einem Kesselzerknall führern. So mussten z. B. Rettungsmannschaften durchaus damit rechnen, dass nach einem entsprechend schweren Unfall, z. B. dem Frontalzusammenstoß zweier schneller Züge, auch die Gefahr eines Kesselzerknalls besteht.

Liste der Kesselzerknalle bei der Deutschen Reichsbahn und Nachfolger

In der Spalte Beschädigung wird aufgeführt, welches Bauteil als erstes beschädigt wurde, was in der Folge die Zerstörung des Kessels bewirkte.

Loknummer Datum Ort Feuerbüchse Beschädigung Ursache
74 471 Januar 1930 Reinsfeld (Eifel) vor Pz Kupfer Langkessel aufgerissen Dauerbruch in Stemmfurche
03 174 20. März 1939 Bei Angermünde vor D 17 Kupfer Feuerbüchse aufgerissen Wassermangel
02 101 3. April 1939 Bei Rothenstadt vor D-Zug Stahl Feuerbüchse aufgerissen Wassermangel
56 2753 25. Februar 1940 Neubeckum Kupfer Feuerbüchse aufgerissen Deckenstehbolzen abgezehrt
50 123 8. März 1941 Groß-Strehlitz Stahl Feuerbüchsendecke durchgedrückt Wassermangel
50 846 23. Juli 1941 Kenzingen vor G St 47K [1] Langkessel aufgerissen Härteriss in der Schweißnaht
92 976 13. März 1943 Danzig-Saspe Kupfer Feuerbüchsenseitenwand eingedrückt Seitenstehbolzen abgezehrt
5043 [2] 14. Juli 1943 Falk-Hargarten Kupfer Feuerbüchse aufgerissen Seitenstehbolzen gerissen
50 3158 17. November 1943 Crange (bei Herne) vor Üg Stahl Langkessel aufgerissen Spannungshäufungen an KS-Ventilen
17 269 24. November 1943 Torgau vor SF 2181 Kupfer Feuerbüchse aufgerissen Wassermangel
44 1639 6. Dezember 1943 Bei Hydebreck vor G 6721 Stahl Feuerbüchse aufgerissen Wassermangel
52 ?  ?. ? 1944 Pernegg (Steiermark) vor G Stahl Feuerbüchse aufgerissen  ? [3]
Westzonen und DB
41 309 8. September 1945 Uelzen Stahl Feuerbüchse aufgerissen Wassermangel
50 2764 5. Dezember 1945 Königsmoor Stahl Feuerbüchse aufgerissen Wassermangel
44 1368 25. September 1946 Rastatt Stahl Feuerbüchse aufgerissen Wassermangel
44 1514 7. Oktober 1946 Nürnberg Stahl Feuerbüchse aufgerissen Wassermangel
52 2753 27. Januar 1947 Sontra Stahl Feuerbüchse aufgerissen Wassermangel
52 6992 3. Februar 1947 Ingolstadt Stahl Feuerbüchse aufgerissen Wassermangel
50 1687 28. August 1951 Tostedt vor G Stahl Feuerbüchse aufgerissen Wassermangel
42 1893 12. Oktober 1951 bei Cochem Stahl Feuerbüchse aufgerissen Wassermangel
Ostzone und DR
50 582 18. November 1946 Haldensleben vor G 1101 St 47K [1] Feuerbüchse aufgerissen Härteriss neben Schweißnaht
95 6679 4. Mai 1952 RAW Meiningen Kupfer Feuerbüchse aufgerissen Druckprobe ohne Prüfmanometer
52 1515 24. Mai 1952 bei Döbeln Stahl Feuerbüchse aufgerissen  ?
03 1046 10. Oktober 1958 Bf Wünsdorf vor Balt-Orient-Express D 78 St 47K [1] Langkessel aufgerissen Härteriss durch Materialermüdung
01 1516 27. November 1977 Bf Bitterfeld vor D 567 Stahl Feuerbüchse aufgerissen Wassermangel

Anmerkungen:

  1. a b c Hierbei handelt es sich um den Kesselbaustahl, aus dem der Langkessel bestand und nicht um das Material der Feuerbüchse. In diesen Fällen entstanden die primären Schäden am Kessel und nicht an der Feuerbüchse.
  2. Französische Leihlok, von der Nummer her müsste es die elsass-lothringische AL 5043 sein, ehem. pr. G 81
  3. Genaue Angaben durch Kriegswirren verloren, Angaben aufgrund von Fotografien

Literatur

  • M. Weisbrod, R. Barkhoff: Die Dampflokomotive – Technik und Funktion, Teil 1: Der Kessel und die Geschichte der Dampflokomotive. Eisenbahn Journal, Hermann Merker Verlag, 1989, ISBN 3-922404-03-0
  • J. U. Ebel, H. Wenzel: Die Baureihe 50 – Band 1: Deutsche Reichsbahn. Eisenbahn-Kurier Verlag, 1988, ISBN 3-88255-545-9
  • J. U. Ebel, H. Wenzel: Die Baureihe 50 – Band 2: Deutsche Bundesbahn. Eisenbahn-Kurier Verlag, 1988, ISBN 3-88255-546-7
  • J. U. Ebel, H. Wenzel: Die Baureihe 74 – Die Geschichte der preußischen T11 und T12. Eisenbahn-Kurier Verlag, 1995, ISBN 3-88255-142-9
  • V. Lucas, H. Schnabel: Die Baureihe 01.5 – Die legendäre Reko-01 der Deutschen Reichsbahn. Eisenbahn-Kurier Verlag, 2002, ISBN 3-88255-113-5
  • Weisbrod, Müller, Petznick: Dampflokomotiven deutscher Eisenbahnen – Baureihe 01−39. Transpress VEB Verlag, 1976, ISBN 3-87094-081-6
  • Weisbrod, Müller, Petznick: Dampflokomotiven deutscher Eisenbahnen – Baureihe 41−59. Transpress VEB Verlag, 1978, ISBN 3-87094-082-4

Weblinks


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