Der Kesselzerknall in der Industriellen Revolution

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.


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)

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 infolge 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, der sich der Langkessel anschließt. Der Wärmeübergang ist in der Feuerbüchse am größten, da hier die Wärmeübertragung insbesondere durch Strahlung erfolgt. Von der Feuerbüchse gelangen die Rauchgase in die Rauchrohre und die Wärme wird durch Konvektion an das Wasser abgegeben.

Eine Überhitzung der Heizflächen wird vermieden, wenn ein ausreichender Wasserstand im Kessel vorhanden ist, der auch bei starkem Gefälle die Feuerbüchse und Rauchrohre des Fahrzeugs 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 Größenordnungen geringer. Die Heizflächen, die im Normalbetrieb maximal 50 °C heißer als die Sattdampftemperatur sind, nehmen wesentlich höhere Temperaturen an und können zum Glühen gebracht werden. Die Festigkeit des Stahls nimmt mit zunehmender Temperatur stark ab, sodass durch den weiterhin anstehenden Innendruck die trockenliegenden 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, sodass der Kessel meistens noch fortgeschleudert wird und zerknallt.

Der letzte Zerknall in Deutschland ereignete sich am 27. November 1977 in Bitterfeld.


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 bekanntgewordene 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 unter Passagieren und Besatzung 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 Fällen wurden schon in den frühen 1940er Jahren erste Ersatzkessel aus dem bewährten St34 beschafft.
Gewalteinwirkung

Auch äußere Gewalteinwirkung kann zu einem Kesselzerknall bzw. einer Kesselexplosion führen. So müssen z. B. Rettungsmannschaften damit rechnen, dass nach einem schweren Unfall die Gefahr eines Kesselzerknalls besteht (früher z. B. nach einem Frontalzusammenstoß zweier Dampf-Züge).
Liste von Kesselexplosionen

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

Siehe auch

Dampfmaschine

Quelle - literatur & einzelnachweise

Liste der Kesselexplosionen in der Quellenangabe