Statische und dynamische Materialbeanspruchung von Ex "d"-Gehäusen

Druckfest gekapselte Gehäuse sind nach der Norm IEC 60079-1 zertifiziert [1]. Bei der Zertifizierung müssen diese unter anderem einer Prüfung auf Druckfestigkeit unterzogen werden ([1] Abschnitt 15.2). Zunächst wird durch eine Explosion im Gehäuse der Bezugsdruck (der maximal entstehende Druck) gemessen. Dieser gilt als Grundlage für die Überdruckprüfung.

Es gibt zwei Möglichkeiten der Überdruckprüfung:

• Statisch: Der statische Druck wird meist mit Wasser im Innern des Gehäuses erzeugt, der mindestens 10 s lang gehalten werden muss. Abhängig vom Ergebnis ergeben sich für die Fertigung folgende Vorgaben:
  • der 4-fache Bezugsdruck wird dichtgehalten: Es müssen keine Stückprüfungen in der Fertigung durchgeführt werden.
  • der 3-fache Bezugsdruck wird dichtgehalten: Es muss eine Chargenprüfung als Stückprüfung durchgeführt werden.
  • wenn weniger als der 3-fache Bezugsdruck dichtgehalten wird, muss eine Stückprüfung (100 %) mit dem 1,5 fachen Bezugsdruck durchgeführt werden.
• Dynamisch: Der 1,5 fache Bezugsdruck wird durch eine Explosion im Gehäuse erzeugt. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass das Brenngas-Luft-Gemisch in dem Gehäuse vorkomprimiert wird.

Wenn das Gehäuse und dessen Spalte keine plastischen Verformungen oder Beschädigungen erlitten haben, gilt die Prüfung als bestanden.

Nach der Norm IEC 60079-1 sind diese beiden Verfahren der Überdruckprüfung als gleichwertig anzusehen. Es stellt sich die Frage, ob das Gehäuse wirklich durch beide Methoden auch gleich belastet wird.

Bei der statischen Methode ist die Belastung, im Vergleich zur dynamischen, sehr lang und es entstehen keine wesentlichen Temperaturdifferenzen zwischen dem Innenraum des Gehäuses und dem Gehäuse selbst.

Bei der dynamischen Methode geschieht die Belastung vergleichsweise schnell und es erhöht sich die Temperatur im Inneren des Gehäuses. Dies kann dazu führen, dass sich das Material anders verhält als bei Raumtemperatur. Neben diesem Effekt spielt noch ein ganz anderer eine wichtige Rolle bei der Belastung des Materials: Bei Inneneinbauten eines Gehäuses oder bei miteinander verbundenen Gehäusen kann es zu Drucküberhöhungen (pressure piling) kommen. Die Ursache dieser kurzzeitigen Druckspitzen ist die Kompression des noch unverbrannten Gases. Dabei kann es sein, dass Drücke um mehrere Faktoren höher und schneller entstehen, als bei einem Gehäuse ohne Verbindungsstücke oder Inneneinbauten [2, 3]. Neben der Druckerhöhung, die zu erhöhten Anforderungen für die Überdruckprüfungen führen kann, besteht auch die Möglichkeit, dass das Gehäuse zum Schwingen angeregt wird, wodurch das Material eine andere Art von Belastung erfährt.

Bei der Überdruckprüfung wird allein der Bezugsdruck als Ausgangsgröße verwendet. Es gibt Untersuchungen, die gezeigt haben, dass die alleinige Betrachtung des Explosionsdruckes wenig Auskunft über die tatsächliche Materialbeanspruchung gibt [4]. Damit stellt sich die Frage, welche Größen die Materialbeanspruchung des Gehäuses wirklich beeinflussen.

Damit Hersteller von druckfesten Gehäusen sichergehen, dass ihr Gehäuse die Überdruckprüfung besteht, werden diese meist überdimensioniert. Diese Materialressourcen könnten eingespart werden, wenn man mehr darüber wüsste, wie sich das Gehäuse bei der Prüfung verhält und warum. Mit diesem Wissen könnten Hersteller leichtere Gehäuse konstruieren. Neben der Materialeinsparung würden auch die Kosten für den Transport und den damit verbundenen Kraftstoffverbrauch sinken. Im Zuge der Nachhaltigkeit ist dies ein erstrebenswertes Ziel

Nach der Norm IEC 60079-1 sind die statische und dynamische Überdruckprüfung für druckfeste Kapselungen als gleichwertig anzusehen. Oben wurde gezeigt, dass dies nicht immer der Fall ist. Inwieweit die Norm allerdings geändert werden sollte, ist noch nicht klar. Dafür müssen weitere Versuche durchgeführt werden, um zu zeigen ob Unterschiede oberhalb der Streckgrenze auftreten.

[1]   DIN EN 60079-1. Abschnitt 15.2, Explosionsgefährdete Bereiche – Teil 1: Geräteschutz durch druckfeste Kapselung ”d“ (IEC 60079-1:2014). 2015-04.

[2]   L. Rogstadkjernet. Combustion of Gas in Closed, Interconnected Vessels: Pressure Piling. Masterarbeit. Department of Physics und Technology, University of Bergen, 2004.

[3]   H. Harcken und H. Wehinger. Untersuchungen zur dynamischen Beanspruchung von Stahlgehäusen der Zündschutzart Druckfeste Kapselung.

Techn. Bericht PTB-W-24. Abteilung Wärme: PTB-Bericht, 1985.

[4]   T. Krause, J. Bewersdorff und D. Markus. Investigations of static and dynamic stresses of flameproof enclosures. In: Journal of Loss Prevention in the Process Industries 49.B (Sep. 2017), S. 775–784. DOI: 10.1016/j.jlp.2017.04.015.

[5]   H. Wittel, D. Jannasch, J. Voßiek und C. Spura. Erratum zu: Festigkeitsberechnung. In: Roloff/Matek Maschinenelemente. 2019, Springer Vieweg, Wiesbaden. DOI: 10.1007/978-3-658-26280-8_49

[6]   Lizensiert durch Creative Commons Attribution 4.0 International, unverändertes Original, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Strain_gauge_-.jpg

[7]   S. Spörhase, F. M. Brombach, F. Eckhardt, T. Krause, D. Markus, B. Küstner und O. Walch. Untersuchungen zur Vergleichbarkeit der statischen und dynamischen Überdruckprüfung von druckfesten Kapselungen. 2022, Forschung im Ingenieurwesen. ISSN: 0015-7899, 1434-0860. DOI: 10.1007/s10010-022-00604-z