Kesselzerknall


Kesselzerknall
Explosion der Lokomotive „Windsbraut“ am 21. Mai 1846 in Leipzig
Durch Kesselzerknall zerstörte Lokomotive um 1850
Lok 44 der WEG im Bahnhof Schleusingen (2. November 1890)

Ein Kesselzerknall (auch Kesselexplosion) 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.

Inhaltsverzeichnis

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 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 sensiblen 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 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.

Ursachen

Kesselzerknall durch Wassermangel

Mobile Dampfmaschinen (Dampflokomotive, Dampftriebwagen, Lokomobile, Dampfwagen, Dampfschiff, Dampfboot) haben eine wassergekühlte Feuerbüchse dem sich der Langkessel anschließt. Der Wärmeübergang ist in der Feuerbüchse am größten, da hier die Wärmeübergang insbesondere durch Strahlung erfolgt. Von der Feuerbüchse gelangen die Rauchgase in die Rauchrohre und die Wärme wird durch Konvektion zum Wasser übertragen.

Eine Überhitzung der Heizflächen wird vermieden, wenn ein ausreichender Wasserstand im Kessel vorhanden ist, der auch bei starkem Gefälle die Feuerbüchse und Rauchrohre 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 Größenordnung geringer. Die Heizflächen, die im Normalbetrieb maximal 50 °C heißer als die Sattdampftemperatur, 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 Innendruck die trocken liegenden 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. Wenn sich ein Riss bildet, entweicht der Dampf mit hoher Geschwindigkeit und der Riss wächst weiter. Mit dem sinkenden Druck im Kessel verdampft das noch vorhandene Wasser, man spricht von der Nachverdampfung. Mit zunehmender Größe der aufgerissenen Fläche steigt die Rückstoßkraft, so dass der Kessel meistens noch fortgeschleudert wird und zerknallt.

Der letzte Zerknall in Deutschland ereignete sich am 27. November 1977 in Bitterfeld (damals DDR) 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 zerknallt war; 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 510 N/mm² auf weniger als 88 N/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.

Ereignis im Eschweiler Pümpchen bei Aachen

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/Schweiz zu einem Kesselzerknall auf dem Schaufelraddampfer DS 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. 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 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.

Werkstoffversagen

Bei der Deutschen Reichsbahn glaubte man gegen Ende der 1930er Jahre, 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 Werkststoff 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 verringerte die Wärmeleitfähigkeit des Stahls deutlich. An Verbindungsstellen mit anderen Stahlsorten führt dies zu erheblichen Spannungen. Der hohe Kohlenstoffanteil versprödet den Stahl, und es bilden sich bald Haarrisse, so dass z. B. der Kessel der 50 846 (Bj. 1940) als erster bereits 1941 zerknallte. Als Sofortmaßnahme wurde der zulässige Betriebsdruck dieser Kessel herabgesetzt und eine intensivere Überwachung angeordnet. In besonders dringenden Fälle wurden schon in den frühen 1940er Jahren erste Ersatzkessel aus dem bewährten St34 beschafft.

Gewalteinwirkung

Aber auch äußere Gewalteinwirkung kann im Extremfall zu einem Kesselzerknall bzw. einer Kesselexplosion führen. So mussten z.B. Rettungsmannschaften durchaus damit rechnen, dass nach einem entsprechend schweren Unfall, wie etwa dem Frontalzusammenstoß zweier schneller Dampf-Züge, auch die Gefahr eines Kesselzerknalls besteht.

Liste der Kesselexplosionen 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

Siehe auch

Weblinks


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