1. Basic Elements of Explosion Protection in the EU Legislative Context
ATEX Symposium
22 – 24 Eylül 2011, Ankara, Türkiye
Dr.-Ing. Uwe Klausmeyer
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Braunschweig, Germany

2. The ATEX Regulation
EU Directives of the „New Approach“ Legislative Framework, consisting of: - 94/9/EC (trade of equipment, ESRs) /92/EC (safety of workplace)

3. Accident in Oppau, Germany

4. Accident in Buncefield‚UK, 2005

5. Buncefield, 2005

6. Buncefield, 2005

7. Accident at INEOS near Cologne, Germany 17th of March, 2008
Has set fire to a methylacetate tank
Pipeline of Ethylene is burning

8. Explosion protection
Avoid concurrence: - Oxygen (air) !!! Inertization - Ignition source !!! Elimination - Combustibles (gas, vapour, dust) !!! Ventilation

9. Spread of gases
Convection
Buoyancy
Lighter than air
Heavier than air

10. Spread of liquids, leakages
Gas
Gasoline

11. Combustible liquids
5 ml gasoline is enough to produce 200 l of explosive atmosphere, which can destroy a barrel!
Formation of highly flammable vapour/ air mixture can occur when handling with even small amounts of break cleaners!

12. Spread of combustible dusts
Dust layers with a thickness of 1 mm can be enough to produce explosive atmospheres!

13. Critical concentration of Flammable substances (safety characteristics)
If the concentration is too high (rich mixture) or too low (lean mixture), no explosion occurs.
Instead, there is just a steady-state combustion reaction or none at all. It is only in the range between the lower and upper explosion limit that
the mixture reacts explosively when ignited. The explosion limits depend on the ambient pressure and the proportion of oxygen in the air

14. Influence of concentration

15. Ignition sources – EN
Ignition of an explosive atmosphere can be caused by various sources:
hot surfaces
flames and hot gases
mechanically generated sparks
electrical installations
equalizing currents, cathodic corrosion protection
static electricity
lightning
electromagnetic waves (high-frequency)
optical radiation
ionising radiation
ultrasonics
adiabatic compression and shock waves
exothermal reactions

16. Non-electrical equipment
Different types of protections (safety concepts) offered by EN/IEC standards
Gases/Vapours
Dusts
Type of protection
Symbol
Electrical equipment
Non-electrical equipment
Flameproof enclosure d ● -
Protection by enclosure tD
Enclosed break device nC
Non-incendive component
Pressurized apparatus p
Powder filling q
Oil immersion
o/k
Increased safety e
Non-sparking nA
Constructive safety c
Encapsulation m
Hermetically sealed device
Sealed/encapsulated device
Intrinsic safety i
Restricted breathing enclosure
nR/fr
Protection by control of ignition sources b

17. Flameproof enclosure “d”, to mitigate an explosion hazard
Special preparation:
Max tolerances at all gaps
Without gaskets and grease
Ignition device pressure transducer
Explosive gas mixture

18. Ignition hazards of a complex apparatus: a fork lift (electrical motor or combustion engine)
Electrical apparatus
Motor „d“, „e“
control device „d“, „e“, „i“
accumulator „e“
plug and socket „d“
lighting fixture and control lights „d“, „e“ 1
Sparks caused by metallic parts 5
Coating with brass, bronze and stainless steel 4
Temperature control 6
Motor control device
motor
hydraulic oil/system 3 4
Electrical installation 2
IEC/EN 3 7 1 3
Engine 7 6
Mechanical apparatus 3
Brakes and oil hydraulic system/components 2 1 5 5 4 4
Electrostatic charge
Conductable wheels
conductable seat material
conductable housing
grounding against electrostatic charge 4

19. The ATEX Regime
Free Trade Directive 94/9/EC in the Internal EU Market (Essential Health and Safety Requirements – ESRs, obligations of the manufacturer)
Worker protection (Social) Directive 1999/92/EC (obligations of the end user)
ATEX Standing Committee
ATEX Notified Bodies
ATEX Consultant, CENELEC, CEN, Presumption of Conformity with ESRs

20. What‘s about this „mark“????
Chinese Export, Confusion Everywhere ;-))))
1. Conformité Européenne (FR)
2. Legal mark, NOT a quality mark like TSE, VDE, UL… IECEx
3. Affixed by a manufacturer on his own responsibilty
4. may be based on an EC Type Examination Certificate by an independent ATEX Notified body, in the ATEX field only for Zone 0 and Zone 1 classified areas
5. installation and instruction manual!!!!!

21. Important directives of the New Approach
(Low Voltage Directive 73/23/EEC)
Machinery Directive 98/37/EC
ATEX (Explosion-proof equipment) 94/9/EC
EMC Directive /336/EEC
Pressure Equipment Directive 97/23/EC
R&TTE-Directive /5/EC
Toys Directive /378/EEC
Personal Protective Equipment Directive 89/686/EEC
Construction Products Directive 89/106/EEC
Medical Devices Directive 93/42/EEC
(CE-Kennzeichnungs-Richtlinie 93/68/EEC)

22. Relation of ATEX, CEN/CENELEC, ISO and IEC/IECEx
ATEX Notified Bodies - Nando
New Practice of many ATEX Notified Bodies (IECEx ExCB) is to use the elements of IECEx (ExTRs, QAR) to issue a EC Type Examination Ccertificate and the QA Notification

23. IEC vs. CEN/CENELEC
Dresden/Vienna Agreement on Parallel Voting of documents, stand still agreement CLC/IEC
EN (former edition EN EEx) is equivalent to IEC (Ex), EN/IEC „d“, -2 „p“, -5 „q“, -6 „o“, -7 „e“, -11 „i“, ….. , -18 „m“, -26 „Zone 0“ …., -34 „QM Production“, -36, -37 (mech.)
Plant operation: EN/IEC /-2, EN/IEC , -17, -19

24. Safety concepts for equipment – older versions of the standards

25. Selection and installation of equipment in accordance to EN/IEC 60079-14
Zone
Equipment category
(Directive 94/9/EG)
Safety level
0 /20
II 1 G/D
Even in the event of infrequent malfunctions
1/21
II 1 G/D oder II 2 G/D
In the event of expected malfunctions
2/22
II 1 G/D oder
II 2 G/D oder II 3 G/D
Normal operation
Kriterien für die Auswahl von Geräten und Schutzsystemen
Sofern im Explosionsschutzdokument unter Zugrundelegung der Ergebnisse derGefährdungsbeurteilung nichts anderes vorgesehen ist, sind in
explosionsgefährdeten Bereichen Geräte und Schutzsysteme entsprechend den Kategorien gemäß der Richtlinie 94/9/EG auszuwählen.
Insbesondere sind in explosionsgefährdeten Bereichen folgende Kategorienvon Geräten zu verwenden, sofern sie für brennbare Gase, Dämpfe, Nebel
oder Stäube geeignet sind.
Kategorie 1 umfasst Geräte, die konstruktiv so gestaltet sind, dass sie in Übereinstimmung mit den vom Hersteller angegebenen Kenngrößen betrieben werden können und ein sehr hohes Maß an Sicherheit gewährleisten. Geräte dieser Kategorie sind zur Verwendung in Bereichen bestimmt, in denen eine explosionsfähige Atmosphäre, die aus einem Gemisch von Luft und Gasen, Dämpfen oder Nebeln oder aus Staub/Luft-Gemischen besteht, ständig oder langzeitig oder häufig vorhanden ist.
Geräte dieser Kategorie müssen selbst bei selten auftretenden Gerätestörungen das erforderliche Maß an Sicherheit gewährleisten und weisen daher Explosionsschutzmaßnahmen auf, so dass
· beim Versagen einer apparativen Schutzmaßnahme mindestens eine zweite unabhängige apparative Schutzmaßnahme die erforderliche Sicherheit gewährleistet bzw.
· beim Auftreten von zwei unabhängigen Fehlern die erforderliche Sicherheit gewährleistet wird.
Kategorie 2 umfasst Geräte, die konstruktiv so gestaltet sind, dass sie in Übereinstimmung mit den vom Hersteller angegebenen Kenngrößen betrieben werden können und ein hohes Maß an Sicherheit gewährleisten. Geräte dieser Kategorie sind zur Verwendung in Bereichen bestimmt, in denen damit zu rechnen ist, dass eine explosionsfähige Atmosphäre aus Gasen, Dämpfen, Nebeln oder Staub/Luft-Gemischen gelegentlich auftritt.
Die apparativen Explosionsschutzmaßnahmen dieser Kategorie gewährleisten selbst bei häufigen Gerätestörungen oder Fehlerzuständen, die üblicherweise zu erwarten sind, das erforderliche Maß an Sicherheit.
Kategorie 3 umfasst Geräte, die konstruktiv so gestaltet sind, dass sie in Übereinstimmung mit den vom Hersteller angegebenen Kenngrößen betrieben werden können und ein Normalmaß an Sicherheit gewährleisten. Geräte dieser Kategorie sind zur Verwendung in Bereichen bestimmt, in denen nicht damit zu rechnen ist, dass eine explosionsfähige Atmosphäre durch Gase, Dämpfe, Nebel oder aufgewirbelten Staub auftritt, aber wenn sie dennoch auftritt, dann aller Wahrscheinlichkeit nach nur selten und während eines kurzen Zeitraums.
Geräte dieser Kategorie gewährleisten beim Normalbetrieb das erforderliche Maß an Sicherheit.

26. Maximum surface temperature
Classification of equipment in
accordance to EN/IEC
 Temperatur Class:
Maximum surface temperature
 Explosion Group
Temperaturklasse:
Betriebsmittel werden nach ihrer maximalen Oberflächentemperatur in Temperaturklassen eingeteilt. In Analogie dazu wird eine Einteilung der Gase nach ihren Zündtemperaturen vorgenommen.
Zündtemperatur:
Die unter vorgegebenen Versuchsbedingungen ermittelte, niedrigste Temperatur einer heißen Oberfläche, bei sich der die Entzündung eines brennbaren Stoffes als Gas/Luft-, Dampf/Luft- oder Staub/Luft-Gemisch eintritt. [EN ]
Explosionsgruppe:
Gase und Dämpfe werden in Abhängigkeit von ihrer Grenzspaltweite (in einer genormten Apparatur wird die Durchschlagsfähigkeit einer Explosionsflamme durch einen definierten Spalt ermittelt) und ihrem Mindestzündstrom (Strom der in einer genormten Apparatur zur Zündung führt) in drei Gruppen unterteilt (II A, II B, II C wobei II C die Gruppe mit den kleinsten Grenzspaltweite ist).
II A
Methan, Benzine, Methanol
II B
Schwefelwasserstoff
II C
Wasserstoff, Acetylen

27. Hazardous substance and safety characteristics (EN/IEC 60079-20)
Explosion characteristics
Methane
Biogas 70 % CH4 30 % CO2
Petrol
Propan
Explosion limits /air [Vol.- %]
4,4 - 17
4,4 - 14
0,6 - 8
1,7- 10,9
Ingition Temperature [0C]
595
450
Relative density (air = 1)
0,55
0,85
ca. 3,2 (gas)
1,55
Flashpoint [0C]
< - 20
- 104
Temperaturclass
T 1
T 3
Explosion group
II A
Max. Ex.- pressure [bar]
8,1
8,5
9,4

28. Examples of 94/9-equipment with EC Declaration of Conformity
Beispiele von Geräten im Sinne der Richtlinie 94/9/EG
To be installed in accordance with IEC

29. Classification of equipment

30. Minimum duties of the manufacturer
Electrical equipment
Mechanical equipment
Category 1/M1: - EC Type Examination Cert. - QA Notification/Annex IV
Category 2/M2: - EC Type Examination Cert. - QA Notification/Annex VII
Category 3: - self declaration of conformity, ATEX Notified Body not required
Category 1/M1: - EC Type Examination Cert. - QA Notification/Annex IV
Category 2/M2: - self declaration of conformity - Deposit of product documentation at an ATEX Notified Body
Category 3: - self declaration of conformity, ATEX Notified Body not required

31. Way to the CE marking CE – conformity marking# and
EC Declaration
of Conformity
CE – conformity marking# and
EC – declaration of conformity by the manufacturer (Annex X)
#: not for components according Article 8, 3
all categories
equipment,
protective systems
category 1, M1
equipment,
protective systems
category 2, M2
electrical equipment,
combustion engines
category 2, M2
non-electrical
equipment
category 3
equipment
Unit verification
(Annex IX)
Production
quality
assurance
(Annex IV) or
Product
verification
(Annex V)
Product
quality
assurance
(Annex VII) or
Conformity
to type
(Annex VI)
Internal
control of
production
(Annex VIII)
Internal
control of
production
(Annex VIII)
Deposit of
documentation
(Article 8, 1b ii) EC
type-examination
certificate
(Annex III) EC
type-examination
certificate
(Annex III)
Notified Body
Manufacturer
Category according
article 8

32. Probability and energy of ignition source
Risk assessment acc. ATEX Directive 1999/92
The employer has to conduct an ignition risk assessment:
Probability and duration of a significant amount of explosive gas or dust atmosphere (Zone classification in acc. to EN/IEC , -2)
Probability and energy of ignition source
scale of damages which might occur

33. EU-Directive 1999/92/EG and IEC 60079-10-1
Zone 0
A place in which an explosive atmosphere consisting of a mixture with air of flammable substances in the form of gas, vapour or mist is present continuously or for long periods or frequently.
Zone 1
A place in which an explosive atmosphere consisting of a mixture with air or flammable substances in the form of gas, vapour or mist is likely to occur in normal operation occasionally.
Zone 2
A place in which an explosive atmosphere consisting of a mixture with air of flammable substances in the form of gas, vapour or mist is not likely to occur in normal operation but, if it does occur, will persist for a short period only.
The employer has to classify the areas in which
explosive atmospheres may be present into zones,
and to ensure that the minimum organisational
and technical requirements of the Directive are
observed.

34. Directive 1999/92/EG and IEC 60079-10-2
Zone 20
A place in which an explosive atmosphere in the form of a cloud of combustable dust in air is present continously, or for long periods or frequently.
Zone 21
A place in which an explosive atmosphere in the form of a cloud of combustible dust in air is likely to occur in normal operation occasionally.
Zone 22
A place in which an explosive atmosphere in the form of a cloud of combustible dust in air is not likely to occur in normal operation but, if it
does occur, will persist for a short period only.
The employer has to classify the areas in which
explosive atmospheres may be present into zones,
and to ensure that the minimum organisational
and technical requirements of the Directive are
observed.

35. Examples for zoning hazardous areas – example of IEC 60079-10
Helpful
Stirrer

36. Examples of 94/9-equipment with EC Declaration of Conformity
Beispiele von Geräten im Sinne der Richtlinie 94/9/EG
CE – EU Dir. 94/9 marked equipment is required by the user‘s directive 1999/92

37. Directive 1999/92/EG (1) Documentation
Explosion protection document:
description of the plant, the process, the activities and flammable material quantities
material data
results of the explosion risk assessment
Explosion protection measures
Organizational measures (training staff, …)
Beschreibung der Arbeitsstätte und der Arbeitsbereiche
Im Explosionsschutzdokument werden die Arbeitsbereiche beschrieben, in denen eine Gefährdung durch explosionsfähige Atmosphäre vorhanden ist. Die Beschreibung kann z. B. enthalten: Name des Betriebes, Art der Anlage, Gebäude/Raumbezeichnung und Betriebsverantwortliche, Anzahl der Beschäftigten. Die baulichen und geografischen Gegebenheiten können bildlich dokumentiert werden, z. B. durch Lage- und Aufstellungspläne.
Beschreibung der Verfahrensschritte und/oder Tätigkeiten
In dieser Beschreibung sollten alle für den Explosionsschutz wichtigen Angaben enthalten sein. Dies umfasst eine Beschreibung der Arbeitsschritte inkl. An- und Abfahren, eine Übersicht über Auslegungs- und Betriebsdaten ggf. Art und Umfang von Reinigungsarbeiten und evtl. Angaben zur Raumlüftung. Beschreibung der eingesetzten Stoffe/ Sicherheitstechnische Kenngrößen
Insbesondere sollte beschrieben werden, durch welche Stoffe die explosionsfähige Atmosphäre gebildet wird, und unter welchen verfahrenstechnischen Bedingungen diese entsteht. Eine Auflistung der explosionsschutzrelevanten sicherheitstechnische Kenngrößen ist an dieser Stelle sinnvoll.
Darstellung der Ergebnisse der Gefährdungsbeurteilung
Es sollte beschrieben werden, wo gefährliche explosionsfähige Atmosphäre auftreten kann. Es sind nicht nur der Normalbetrieb, sondern auch das Anfahren/Abfahren und Reinigen sowie Betriebsstörungen zu berücksichtigen. Die explosionsgefährdeten Bereiche (Zonen) können sowohl textlich als auch grafisch in Form eines Zonenplans dargestellt werden. Weiterhin werden unter diesem Punkt die Explosionsgefährdungen dargestellt. Dabei ist es nützlich, die Vorgehensweise zu beschreiben, die verwandt wurde, um die Explosionsgefährdungen zu identifizieren.
Getroffene Explosionsschutzmaßnahmen
Basierend auf der Gefährdungsbeurteilung werden in diesem Kapitel die resultierenden Explosionsschutzmaßnahmen dargestellt. Es sollte das zugrundeliegende Schutzprinzip erwähnt werden, z. B. Vermeiden der Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre, Vermeiden von wirksamen Zündquellen“ etc. Eine Einteilung in technische und organisatorische Schutzmaßnahmen ist dabei sinnvoll.
Weitere Hinweise finden sie in Abschnitt E 6 der “Explosionsschutz- Regeln” BGR 104 ( s. hier: Prävention/Vorschriften und Regeln/Datenbank BG-Vorschriften) sowie im „ Nicht verbindlicher Leitfaden für für bewährte Verfahren im Hinblick auf die Durchführung der Richtlinie 1999/92/EG....“ (s. hier: Leistungen/Explosionsschutz/Atex-Leitlinien)
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38. Directive 1999/92/EG (2) Maintenance
Ensure expertise of the personell
Maintenance IEC and -19
Training and experience must be ensured
Prevent occurence of hazardous atmophere
install a fire monitor if necessary
Making sure before restarting that the explosion protection measures required for normal operation have been reactived
clean dust deposits from installed products

39. The ATEX Standing Committee
Representatives coming from Ministries of the EU Member States, Industry Associations, ExNB Group, Standardization Bodies CENELEC and CEN, ATEX Consultant, …. the Stakeholders
Interpretation of the Directives 94/9 and 1999/92
Interface to other Directives, e.g. to the Machinery Directive
Meeting once a year in Brussels

40. ATEX Notified Body group
The ATEX Notified Bodies
More than 60 ATEX Notified Bodies with similar scopes
but it is a national notification, not an accreditation in acc. with ISO/IEC standards
requirements for notification see annex XI of the 94/9
general experience: no chance outside EU with such a notification, ISO/IEC and ISO Guide 65 are to be applied by internationally recognized ILAC/IAF accreditation bodies like TÜRKAK