sauerstoff

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Weshalb ist „öl- und fettfrei“ in Sauerstoffsystemen so wichtig?
1.
Vorwort
Sauerstoff – dieses lebensnotwendige Gas ist in der Handhabung komplexer, als das tägliche Ein- und
Ausatmen vermuten lässt. Gerade die Industrie sieht sich immer wieder vor neue Herausforderungen im Umgang
mit Sauerstoff gestellt.
Die SERTO AG als Hersteller von
Rohrverbindungselementen und Ventilen stellt sich
den gehobenen Ansprüchen auf diesen Märkten
und entwickelte für ihre Produkte eigens eine
spezielle Reinigungsprozedur. Das vorliegende
Essay ist eine Zusammenstellung der intensiven
Recherchen zu diesem Thema. Es beleuchtet die
Besonderheiten des Gases Sauerstoff und hebt
schwerpunktmässig beachtenswerte Punkte mit
dessen Umgang hervor.
2.
Sauerstoff (O2)
2.1.
Herstellung und Anwendung
Das für die Sauerstoffgewinnung angewandte kryogene Verfahren wurde vor über 100 Jahren von Carl von Linde
entwickelt und nach ihm benannt. Dabei wird die Luft von Wasserdampf, Staub und Kohlendioxid befreit,
komprimiert und sehr stark abgekühlt. Anschließend wird sie durch Destillation (Rektifikation) in ihre Bestandteile
zerlegt. Bei -196°C verdampft zuerst der Stickstoff und es bleibt fast reiner Sauerstoff zurück, der erst bei –183°C
in den gasförmigen Zustand übergeht. Heute werden auch andere physikalische Verfahren zur Trennung und
Reinigung von Luftgasen verwendet, zum Beispiel Trennung durch Membrane oder Adsorption. Dabei werden
verschiedene Luftbestandteile mittels eines Spezialmaterials adsorbiert, während andere ungehindert
durchfließen.
1
Unfallverhütungsvorschrift 62 „Sauerstoff“, Fassung vom 1.Januar 1997
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Sauerstoff kommt in grossen Mengen in der Natur
vor. Ungefähr die Hälfte der Erdmasse besteht aus
chemisch gebundenem Sauerstoff. Die
atmosphärische Luft enthält etwa 21% Sauerstoff
(Oxygenium).
Der Grundstoff Sauerstoff ist ein farbloses und
geruchsloses Gas. Reiner Sauerstoff brennt nicht,
ist aber zur Verbrennung und Atmung absolut
notwendig. Sauerstoff geht mit allen Elementen
Verbindungen ein. Verbindet sich Sauerstoff mit
einem anderen Stoff, nennt man dies Oxydation.
Die Verbrennung ist eine Oxydation. Läuft dieser
Vorgang schnell ab, tritt eine Flamme auf, läuft er
schlagartig ab spricht man von einer Explosion. Die
Luftseparationsanlage
Quelle: Linde
meisten Stoffe verbrennen mit verdichtetem oder
reinem Sauerstoff heftig und schnell. Dies gilt auch für Stoffe, die in atmosphärischer Luft nicht zur Verbrennung
gebracht werden könne. Einzelne Stoffe reagieren mit Sauerstoff so heftig, dass sie entweder nach der Zündung
verbrennen oder sich sogar selber entzünden, wie zum Beispiel Öle und Fette. Die Berufsgenossenschaft
Chemische Industrie hat sich nebst vielen anderen auch mit dieser Thematik auseinandergesetzt. In ihrer
Unfallverhütungsvorschrift1 definiert sie Sauerstoff wie folgt:
• reiner Sauerstoff
• alle Gemische mit einem Volumenanteil > 21% Sauerstoff
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Sauerstoff wird vielseitig eingesetzt. Neben der Verwendung als Atemgas in der Medizin, Luft und Raumfahrt
wird Sauerstoff in der Industrie hauptsächlich als Oxydationsmittel in Verbrennungsprozessen zur Erreichung
hoher Temperaturen verwendet:
• in der Metallurgie, bei der Roheisen- und Stahlherstellung und bei der
Kupfer-Raffination
• in chemischen Prozessen, bei der Olefin-Oxidation, bei der partiellen
Oxidation von Kohle und Schweröl zur Wasserstoff- und SynthesegasErzeugung, bei der Erzeigung von Schwefel- und Salpetersäure, von
Acetylen,...
• in der Autogentechnik beim Schweissen, Schneiden, Flammstrahlen,
beim thermischen Trennen z.Bsp. von Beton
• in der Raketentechnik
•
•
in der Aufbreitung von Trink- und Abwasser
für die Ozonerzeugung
Weitere bedeutende Einsatzgebiete sind die
Messtechnik, Brennstoffzellen, Halbleitertechnik oder
biologische Prozesse.
3.
Gefahren in Sauerstoffsystemen
Die EIGA2 setzt sich in ihrer Dokumentation IGC 04/003 mit diesem Thema eingehend auseinander - denn
Sauerstoff ist nur scheinbar ungefährlich! Obwohl Sauerstoff selbst nicht brennt, im Gegenteil sogar
lebensnotwendig ist, birgt er ein hohes Gefahrenpotential. Im Umgang mit Sauerstoff ist deshalb grösste Vorsicht
geboten. Sauerstoff unterstützt nicht nur die Verbrennung, sondern bringt in reiner Form die meisten bekannten
Stoffe schnell oder unter Druck gar schlagartig (Explosion) zur Verbrennung. Für Menschen ist Erkennen des
Vorhandenseins einer höheren Dosis von Sauerstoff ohne Hilfsmittel nicht möglich
3.1.
Was braucht es, damit ein Feuer entsteht?
Generell sind folgende drei Elemente notwendig: Brennmaterial, Sauerstoff und eine Zündquelle. Fehlt ein
Element, kann kein Feuer entstehen.
Brennstoff
Es gilt: je höher der Sauerstoffanteil
• desto grösser das Risiko eines
Sauerstoffbrandes
• desto tiefer die Zündtemperatur
• umso höher die Flammtemperatur und
somit um so zerstörerischer das Feuer
Zündquelle
Sauerstoff
2
3
European Industrial Gases Association
Fire Hazards of Oxygen and Oxygen-enriched Atmospheres
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Das Feuerdreieck ist die gängige Art, um diesen Umstand darzustellen
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3.2.
Brennstoffe
Im Prinzip können alle Materialien mit Sauerstoff brennen, dies gilt auch für die meisten Metalle und
Metalllegierungen. Öle und Fette bestehen zum grossen Teil aus Kohlenstoff und sind in Sauerstoffsystemen
besonders gefährlich, da diese sich extrem leicht entzünden und explosionsartig verbrennen. Die Entzündung
von Ölen und Fetten in Sauerstoffanlagen führt oft zu einer Kettenreaktion, welche schliesslich im Schmelzen
oder Verbrennen von Metallen enden. Teile des geschmolzenen Materials können davonspritzen, wodurch
möglicherweise Sauerstoff austreten könnte, was wiederum dazu führen kann, dass sich das Feuer schneller auf
die Umgebung ausbreitet.
3.3.
Sauerstoff
Der Sauerstoff ist in diesen Systemen untrennbar, d.h. der Brennstoff Rohre, Verschraubungen, Ventile oder
Dichtungen sind zwangsläufig vom Sauerstoff beaufschlagt.
3.4.
Zündquelle
In unter Druck stehenden System ist die Zündquelle nicht so offensichtlich wie eine offene Flamme oder heisse
Oberflächen. Die Feuer können folgende Ursprünge haben:
• Reibung
• mechanische Einwirkungen
• elektrische Funken
• hohe Flussgeschwindigkeiten bei gleichzeitigem Vorhandensein von Partikeln
• Erwärmung durch Turbulenzen
• Erwärmung durch adiabatische Verdichtung
Die adiabatische Verdichtung entsteht, wenn Sauerstoff unter hohem Druck schlagartig in ein System mit
geringem Druck gelangt. Dabei kann das Gas zum Teil mit Schallgeschwindigkeit fliessen. Oft tritt diese Situation
bei Ventilen und Armaturen auf. Prallt ein Gas mit grosser Geschwindigkeit auf einen Widerstand, steigt die
Temperatur aufgrund der adiabatischen Verdichtung sehr schnell an. Dies ist immer dann der Fall, wenn Gase so
schnell verdichtet werden, dass dabei keine Wärmeenergie verloren geht. Als Regel gilt: Je höher der
Ausgangsdruck, desto höher wird auch die Temperatur. Diesen Umstand macht man sich auch beim Dieselmotor
zunutze. In den häufigsten Fällen sind es geschlossene Ventile, die solche Widerstände darstellen.
Adiabathische Verdichtung
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offen
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4.
Design und Materialien im Sauerstoffsystemen
4.1.
Allgemeines
Die Sicherheit von Sauerstoffsystemen beginnt bei deren Konstruktion resp. Auslegung. Aufgrund des
Gefahrenpotentials solcher Systeme ist es unabdingbar, dass nur Spezialisten und qualifizierte Fachleute dafür
in Frage kommen. Die nachstehenden Informationen sind lediglich Hinweise, sie entbinden den Konstrukteur in
keiner Weise einen kompetenten und technisch versierten Fachmann heranzuziehen. Die ASTM G884 definiert
einen Fachmann wie folgt: “Qualifiziertes Fachpersonal: Personen wie z.Bsp. Chemiker oder Ingenieure, die
aufgrund Ihrer Ausbildung und Erfahrung wissen, wie die physikalischen und chemischen Grundsätze
anzuwenden sind, die bei der Reaktion von Sauerstoff mit anderen Materialien auftreten.“
Sollten in Ihrer Nähe keine solchen Fachleute zur Verfügung stehen, kann der Sauerstofflieferant sicher
weiterhelfen.
4.2.
Risiken und Gefahren in Sauerstoffsystemen
Um die Sicherheit von Sauerstoffsystemen zu erhöhen und das Risiko zu vermindern ist es wichtig, die
möglichen Gefahrenquellen zu kennen.
4.3.
Durchflussgeschwindigkeiten
Die Durchflussgeschwindigkeit entscheidet, ob sich das Gas
entzünden kann. Bei hohen Geschwindigkeiten können sich
vorhandene Partikel durch den Aufprall an Rohren und Fittingen
selber entzünden und so eine Kettenreaktion auslösen. Es ist
V1
V2
deshalb darauf zu achten, dass keine hohen Geschwindigkeiten
auftreten. Plötzliche Übergänge von grossen auf kleine Durchmesser
sind speziell zu vermeiden. Durch abrupte Richtungsänderungen
oder Wirbel können ebenfalls hohe Temperaturen entstehen, die
wiederum zur Entzündung des Gases führen können. Aus diesen
Gründen sollte darauf geachtet werden, dass Armaturen, T-Stücke und ähnliches nicht zu nahe an der
Druckeinheit, wie der Flasche, zu liegen kommen sollten.
4.4.
Materialien
Nur schwer entzündbare Materialien sollen zur Anwendung gelangen. Die Legierungszusammensetzung, die
Stärke der Komponenten (Rohrwandung), die Temperatur, der Druck und die Reinheit des Sauerstoffs sind
Schlüsselgrössen, welche die Entflammbarkeit beeinflussen. Liegt der Druck unterhalb einer gewissen Grenze5
stellt die Geschwindigkeit als solches keine Gefahr mehr dar.
4.5.
Adiabatische Verdichtung
Diese kann beispielsweise entstehen, wenn eine Armatur schnell geöffnet wird und Sauerstoff unter hohem
Druck auf eine geschlossene Armatur aufprallt. Um diesen Effekt zu verhindern ist es wichtig, dass vor allem bei
manuell betätigten Armaturen diese nur langsam geöffnet werden.
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5
Standard Guide for Designing Systems for Oxygen Service
IGC 13/02 Anhang D
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4.6.
Sauberkeit
Die Reinheit der Systeme und der Komponenten ist sehr entscheidend. Alle bekannten Institutionen,
Körperschaften und Hersteller stellen Richtlinien, Spezifikationen und Normen zur Verfügung, die dieses Thema
explizit behandeln. In diesem Zusammenhang speziell zu erwähnen ist die ASTM G93-96.
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Die Systemsicherheit kann durch ein entsprechendes Design massiv verbessert werden. In einem Beispiel wurde
beim Betrieb versehentlich ein Kugelhahn geöffnet, der einseitig mit Hochdruck beaufschlagt war. Das Gas floss
mit hoher Geschwindigkeit in den dahinterliegenden Niederdruckbereich und schlug auf ein T-Stück auf. Durch
diesen Aufprall entzündete sich das System, wodurch die Edelstahlleitung und die Armatur verbrannten.
Es existieren diverse Anleitungen wie ein Sauerstoffsystem ausgelegt werden sollte, um Sauerstoffbrände zu
verhindern; trotzdem ist in jedem Fall der Beizug von Spezialisten zu empfehlen.
5.
Materialien
Die korrekte Wahl des Materials ist enorm wichtig, da Auswirkung und Ausbreitung von Sauerstoffbränden sehr
stark von der Flammresistenz des gewählten Werkstoffes abhängen. Das richtige Material an der
entscheidenden Stelle kann dazu beitragen, dass ein allfälliges Feuer innerhalb der Leitungen gefangen bleibt.
5.1.
Metallische Werkstoffe
Kupferbasierte Legierungen wie z.Bsp. Messing, Bronze oder Kupfer-Nickel-Legierungen haben eine lange und
Geschichte in Sauerstoffsystemen und eignen sich sehr gut für Sauerstoffsysteme. Auch Edelstähle können
eingesetzt werden. Der Verbrennungswiderstand von Edelstahl-Legierungen (nach DIN 1.4xxx) liegt zwischen
dem von Kupfer-Legierungen und C-Stahl-Legierungen. C-Stahl sollte, wenn überhaupt, nur in Systemen mit
weniger als 2 bar Betriebsdruck eingesetzt werden.
5.2.
Nichtmetallische Werkstoffe
Diese sind weniger geeignet für Sauerstoffsysteme und werden meistens für Dichtungen, Schmiermittel oder
Ventilpackungen verwendet, um die Dichtheit zu erhöhen oder Reibung zu reduzieren. Gemäss IGC Doc 13/026
eignen sich PTFE und FEP am ehesten für den Einsatz mit Sauerstoff. Elastomere wie z.Bsp. Kalrez® , Viton®
usw. sind ebenfalls geeignet. Bei der Verbrennung können jedoch giftige Gase entstehen.
Gewindedichtungen bestehen oft aus Kunststoffen; es ist daher unabdingbar, dass ein Dichtmittel gewählt wird,
welches mit Sauerstoff kompatibel ist. Mit PTFE-Band umwickelte Gewinde haben sich im Einsatz sehr gut
bewährt.
6.
Sauberkeit und Reinigung
6.1.
Organische Verunreinigung
Mineralische Öle und Fette bestehen zum grössten Teil aus Kohlenstoff-Verbindungen. Der Kohlenstoff bindet
sich mit vielen Stoffen, besonders aber mit Wasserstoff und Sauerstoff. Da Kohlenstoff mit Sauerstoff sehr leicht
oxidiert, entstehen schnell (zum Teil explosionsartig) extrem hohe Temperaturen, die wiederum zu einer
Selbstzündung des umgebenden Materials und so zu einer Kettenreaktion führen können. Es ist deshalb
unerlässlich, dass alle Oberflächen der Komponenten, die mit Sauerstoff in Kontakt kommen, öl- und fettfrei
sind. Aus diesem Grund dürfen Öle und Fette auch nie als Schmierstoff in Sauerstoffsystemen eingesetzt
werden.
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Oxygen Pipeline System
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Wie bereits vorgängig aufgezeigt, ist die Sauberkeit der Komponenten ein entscheidender Faktor, um
Sauerstoffsysteme sicherer zu machen. Ein System gilt als sauber, wenn sichergestellt ist, dass organische und
anorganische Verunreinigungen entfernt sind. Die Entfernung der Verschmutzungen wie zum Beispiel Fette, Öle,
Gewindedichtungen, Schmierstoffe, Späne usw. ist entscheidend. Eine periodische Überwachung des Systems
wird empfohlen.
Um die Sauberkeit zu gewährleisten, schreiben alle namhaften Institutionen wie ASTM, CGA, EIGA, NPF vor,
dass die Komponenten (Ventile, Verschraubungen, Rohre) durch den Lieferanten vorgereinigt geliefert werden
müssen.
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7.
Reinigung und Montage von Anlagenteilen und Komponenten der SERTO AG für
den Einsatz in Rohrleitungsystemen mit angereichertem Sauerstoff
Als Hersteller von metallisch dichtenden, radial (de)montierbaren Klemmring-Rohrverschraubungen und -Ventilen
sind wir besonders bemüht, den Anforderungen des Marktes zu begegnen. Viele Normen und Richtlinien
beschäftigen sich mit der Reinigung von Anlagenteilen, was zeigt, welche Bedeutung diesem Umstand
beigemessen wird. Die ASTM 7 nimmt sich in ihrer Norm G93-968 diesem Thema sehr ausführlich an und diente
als Basis für den Aufbau des gesamten Reinigungsprozesses bei der SERTO AG.
7.1.
Verunreinigung
In Absatz 10.3.1 „Allgemeines Konservatives Ziel“ heisst es:„ Für die Mehrheit der Systeme wird eine Zielgrösse
der Sauberkeit von ca. 1-5 mg/ft2 (11-55mg/m2) oder weniger von unerwünschten Ölen und Fetten
vorgeschlagen...“. Die SERTO AG setzte sein Ziel bei 33 mg/m2 von nichtflüchtiger Restverunreinigung. Diese
Sauberkeitsstufe entspricht der Stufe B9 gemäss ASTM.
7.2.
Reinigung der Komponenten
Um diese hohe Reinheit der medienberührten
Oberfläche zu erreichen, entwickelte wir in
Zusammenarbeit mit Spezialisten einen mehrstufigen
Prozess. Die zu reinigenden Komponenten werden
einzeln in spezielle Aufnahmekörbe gelegt; so wird
die ein sauberes Abfliessen der Reinigungs- und
Spülmedien sichergestellt. Je nach Material - Messing
oder Edelstahl - durchlaufen die Komponenten eine
Reihe von basischen und sauren Reinigungsbädern.
Die SERTO AG legte besonderen Wert darauf, dass
ausschliesslich umweltschonende Substanzen zur
Anwendung gelangen. Mehrfach, speziell jedoch am
Schluss, werden die Teile in warmen
DIUltraschallwasserbädern gespült und danach mit
gefilterter Luft getrocknet, um eine rückstandsfreie
Sauberkeit zu erzielen. Das gewählte
Reinigungsverfahren ist in der ASTM G13110
Reinigungsanlage SERTO AG
beschrieben. Während der Implementierung des
Prozesses wurde eng mit der EMPA11
zusammengearbeitet, unter anderem wurden dort die Oberflächensauberkeit der gereinigten Komponenten nach
unterschiedlichen Methoden gemessen. Diese Untersuchungen werden periodisch weitergeführt.
7.3.
Überwachung und Kontrolle
Die Prozesssicherheit ist von grosser Bedeutung. weshalb verschiedene Massnahmen und Abläufe definiert
wurden, um diese sicherzustellen. Zum einen wird in der gesamten Reinigungsanlage insbesondere die Qualität
der Reinigungs- und Spülmedien elektronisch überwacht. Alle Produktionsschritte werden von speziell
geschultem Personal durchgeführt und sind entsprechend dokumentiert. Die Qualität der Oberflächensauberkeit
wird mittels der in ASTM G14412 beschriebenen Prüfmethode periodisch überwacht und sichergestellt. Jeder
Reinigungsvorgang wird dokumentiert und kann zurückverfolgt werden.
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American Society for Testing and Materials
Standard Practice for Cleaning Methods and Cleanliness Levels for Material and Equipment Used in Oxygen-Enriched Environments
ASTM 93-96 Kapitel 11.4.3
10
Standard Practice for Cleaning of Materials and Components by Ultrasonic Techniques
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Eidgenössische Materialprüfungsanstalt
Standard Test Method for Determination of Residual Contamination of Materials and Components by Total Carbon Analysis Using a High Temperature Combustion Analyzer
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7.4.
Montage
Um nach der Reinigung sicherzustellen, dass die Komponenten
nicht nachträglich wieder verunreinigt werden, wurde für die
Montage eigens eine direkt an die Reinigungsanlage
angrenzende, von der übrigen Umgebung getrennte Produktionsund Montageinsel eingerichtet. Für diesen Bereich bestehen für
das Personal strenge Verhaltensvorschriften.
7.5.
Schmiermittel
Nach IGC13 13/02 soll, wenn immer möglich, auf Schmiermittel
verzichtet werden. Wo dies nicht möglich ist, soll ein geprüfter und
für den Sauerstoffeinsatz zugelassener Schmierstoff verwendet
werden. SERTO AG setzt ein vom BAM14 geprüftes und für den
Einsatz in Anlagenteilen für Sauerstoff zugelassenes
Schmiermittel ein. Die Auswahl erfolgte so, dass die normalen
Einsatzobergrenzen der Produkte +200°C und 250 bar nicht
eingeschränkt werden mussten.
7.6.
Dichtungen
Vor allem bei den Armaturen wie Regulier- oder Rückschlagventilen werden O-Ringe und andere Dichtungen
eingesetzt. Da deren Bestandteile meistens aus nicht metallischen Werkstoffen bestehen, muss diesem Umstand
besondere Beachtung geschenkt werden. SERTO AG verwendet nur Werkstoffe von Herstellern, deren Produkte
ein BAM-Zulassung besitzen.
7.7.
Prüfung
Die Armaturen werden so geprüft, dass die Produkte nach der Funktionsprüfung nicht wieder verunreinigt sind.
7.8.
Verpackung
Um die Sauberkeit während Transport und Lagerung bis zum Gebrauch der Komponenten vor Ort
sicherzustellen, werden die Teile einzeln in verschweisste Kunststoffbeutel verpackt. Die Beutel sind speziell
gekennzeichnet, so dass deren Inhalt ohne Öffnen identifiziert werden kann.
Die von der SERTO AG „öl- und fettfrei“ gereinigten und verpackten Komponenten können gefahrlos für den
Einsatz mit Sauerstoff verwendet werden – vorausgesetzt, es wurden insbesondere bei der Endmontage alle
notwendigen Vorkehrungen getroffen, damit die Komponenten nicht wieder verunreinigt werden. Der gesamte
Reinigungs-, Montage- und Überwachungsprozess ist in der SERTO-spezifischen Reinigungsvorschrift CSO-OX
festgehalten.
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Industrial Gas Council
Bundesanstalt für Materialforschung und Prüfung
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Hinweis
Der Inhalt dieser technischen Dokumentation soll unsere Kunden für die Gefahren im Umgang mit Sauerstoff
sensibilisieren. Wir verstehen dies als Dienst am Kunden. Für eine sichere, störungsfreie Funktion muss bei der
Auswahl eines Produkts die gesamte Systemauslegung berücksichtigt werden. Der Systemausleger und der
Anwender sind für die Funktion der Produkte, ihre Materialverträglichkeit, entsprechende Leistungsdaten und
Einsatzgrenzen sowie für die vorschriftsmässige Handhabung, den Betrieb und die Wartung verantwortlich. In
diesem Fall empfehlen wir speziell den Beizug eines Spezialisten. SERTO AG ist kein Spezialist auf diesem
Gebiet und schliesst jegliche Verantwortung und Haftung aus.