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

Um die Frage zu beantworten welche der Prüfungen für das Gehäuse kritischer ist, muss die jeweilige Materialbeanspruchung betrachtet werden. Dies ist in der Regel die mechanische Spannung [5]. Diese lässt sich allerdings nicht direkt bei einer Überdruckprüfung messen.

Was sich direkt messen lässt ist die Dehnung des Materials während des Versuchs. Der Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung ist bei Metallen bis zur Streck-/ Dehngrenze proportional. Die Streck-/ Dehngrenze gibt an bis zu welcher Spannung bzw. Dehnung ein Material sich elastisch verformen lässt [5].

In der Praxis lässt sich die Dehnung eines Materials mit Dehnungsmessstreifen, kurz DMS, messen. Diese bestehen aus einem (linearer DMS) oder mehreren (Rosetten-DMS) Messgittern.

Trägt man die Dehnung des Materials über dem Druck auf, so verhalten sich die beiden Größen bei der statischen Prüfung im elastischen Fall proportional zueinander. Wird das Material durch den Wasserdruck plastisch verformt, so bleibt nach der Belastung eine Restdehnung erhalten. Aus mehreren elastischen Versuchen lässt sich eine Gerade ermitteln, die das Verhalten eines Materials mit einer bestimmten Stärke beschreibt.

Ganz ähnlich sehen die Druck-Dehnungs-Diagramme aus, wenn das Gehäuse dynamisch mit einer Wasserstoff-Luft-Explosion belastet wird. Hierbei sind Druck und Dehnung ebenfalls proportional zueinander. Wird das Material durch den Wasserdruck plastisch verformt, so bleibt nach der Belastung eine Restdehnung erhalten. Hat man allerdings keine einfache Geometrie in dem Gehäuse, kommt es zum pressure pilling. Dann kann man keinen direkten Zusammenhang mehr zwischen Dehnung und Druck erkennen.

Die Abbildung zeigt die mittlere Gerade von mehreren statischen Versuchen mit 8 mm starkem Baustahl (grün). Für die dynamischen Versuche sind die Maximalwerte des Druckes und der Dehnung für Propan- (rot) und Wasserstoff- (blau) Luft-Explosionen eingezeichnet. Diese Versuche wurden einerseits in einem Gehäuse durchgeführt, in dem kein pressure piling entsteht (weiß gefüllt), und andererseits in einem, in dem es entsteht (grau gefüllt).

Der ausgegraute Bereich ist nach der Literatur für das verwendete Material nicht logisch. Die obere Grenze dieses ausgegrauten Bereiches ist die Streck-/Dehngrenze des Materials. Wie oben erläutert ist bis zu dieser Grenze die Dehnung proportional zur Spannung, also der Materialbeanspruchung. Darüber ist dies nicht mehr der Fall und deshalb können hier die statische Prüfung auch nicht mit der dynamischen verglichen werden. Unterhalb der Grenze allerdings schon.

Man erkennt, dass die dynamischen Versuche ohne pressure piling im Bereich der Gerade der statischen Versuche liegen. Somit ist hier die Materialbelastung dieser beiden Versuche als gleichwertig anzusehen.

Anders sieht es bei den dynamischen Versuchen mit pressure piling dem Versuch mit der Wasserstoff-Luft-Explosion aus. Hier ist der Wert der maximalen Dehnung bei gleichem Druck größer als bei den statischen Versuchen, sodass eine Gleichwertigkeit nicht gegeben ist. Deutlicher wird dies, wenn anstelle von Baustahl Aluminium als Gehäusematerial verwendet wird. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die dynamischen Versuche mit pressure piling (grau gefüllt) weisen hier deutlich höhere Dehnungswerte auf als die statischen Versuche bei gleichem Druck.

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.

Litertatur

[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