Erfahren Sie, wie ATEX-Stirnradgetriebe durch druckfeste Kapselung, Edelstahl und Zündquellenüberwachung die Sicherheit in Chemieanlagen gewährleisten.
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Gasexplosionsgruppen IIA, IIB und IIC: Bedeutung für die Getriebeauslegung
Wer ein Stirnradgetriebe in einer Chemieanlage betreibt, muss zunächst klären, welche Gasexplosionsgruppe am Einbauort herrscht. Für nichtelektrische Geräte wie Getriebe bilden heute die Normen ISO 80079-36 und ISO 80079-37 zusammen mit der IEC 60079-0 das harmonisierte Regelwerk unter der Richtlinie 2014/34/EU. Die Gasexplosionsgruppe des vorhandenen Mediums bestimmt anschließend, wie streng die konstruktive Ausführung ausfallen muss.
| Gasexplosionsgruppe | MESG (Grenzspaltweite) | Typische Gase |
|---|---|---|
| IIA | > 0,90 mm[1] | Propan, Butan, Ethanol, Benzol[1] |
| IIB | 0,50 bis 0,90 mm[1] | Ethylen, Schwefelwasserstoff, Ethylenoxid[1] |
| IIC | unter 0,50 mm[1] | Wasserstoff, Acetylen, Schwefelkohlenstoff[1] |
Grenzspaltweite und druckfeste Kapselung bei Ex-d-Bauteilen
Bei druckfest gekapselten Gehäusebereichen (Ex d) ist diese Einstufung direkt konstruktiv wirksam: Die Zündschutzart „d“ ist in der Norm IEC 60079-1 beschrieben und wird auch auf nichtelektrische Geräte angewendet[2]. Je kleiner die Grenzspaltweite des Gases, desto enger und länger müssen die Spalte an Wellendurchführungen und Lagerschildern ausgeführt sein, damit ein interner Flammendurchschlag nicht nach außen übergreift. Bei Wasserstoff mit einer MESG von 0,29 mm[1] sind die Toleranzen entsprechend eng; hier zahlt sich aus, wenn wir Gehäusetrennflächen, Passungen und Lagerschildbohrungen bereits in der Auslegung auf die geforderte Spaltlänge und Spaltweite dimensionieren. Die Grundlagen hierzu haben wir ausführlich in unserem Beitrag zu ATEX-Getrieben dargestellt.
- Gasexplosionsgruppe am Standort ermitteln (IIA, IIB oder IIC) und das Getriebe für die gefährlichste vorhandene Gruppe auslegen[1]
- Gerätekategorie nach Zone festlegen (2G für Zone 1, 3G für Zone 2)
- Spaltweite und Spaltlänge an Wellendurchführungen und Lagerschilden für Ex d nachweisen
Werkstoffbeständigkeit: Edelstahl und Beschichtungen für aggressive Medien
In Chemieanlagen wirken Lösemitteldämpfe, Säuren und chlorhaltige Medien dauerhaft auf Gehäuse, Wellen und Anbauteile. Korrosion ist dabei nicht nur eine Frage der Lebensdauer: Lochfraß erzeugt Rauheiten und Gruben, die Reinigung erschweren und im Extremfall mechanische Schwachstellen im Antriebsstrang darstellen. Die Werkstoffwahl entscheidet daher über Verfügbarkeit und Sicherheit gleichermaßen.
- Edelstahl 316 entsteht durch Zusatz von 2 bis 3 % Molybdän, wodurch die anfällige Lochfraßkorrosion des Werkstoffs 304 deutlich reduziert wird[3]
- Die kohlenstoffarme Variante 316L (1.4404) bietet zusätzlich ausgezeichnete Beständigkeit gegen Korngrenzenkorrosion und eignet sich für Anwendungen mit höchsten Korrosionsanforderungen[4]
- Der Molybdänanteil verbessert die Beständigkeit gegen Chloridkorrosion, weshalb der Werkstoff häufig in maritimen und aggressiven Industrieumgebungen eingesetzt wird[5]
Für Gehäuse und Wellen unserer Getriebe in Ex-Anwendungen ist 1.4404 daher der Referenzwerkstoff, wenn aggressive Medien am Einbauort zu erwarten sind. Ergänzend kommen chemikalienbeständige Beschichtungen zum Einsatz, die auch blanke Bauteile wie Wellen und Flanschflächen abdecken. Wie sich korrosionsbeständige Getriebe für anspruchsvolle Umgebungen systematisch auslegen lassen, beschreiben wir im Beitrag zu Edelstahlgetrieben. Entscheidend ist, dass Werkstoff, Dichtung und Schmierung als ein aufeinander abgestimmtes System betrachtet werden, nicht als einzelne Komponenten.
Dichtungswerkstoffe FKM und FFKM: Chemikalien- und Temperaturgrenzen
Die zulässige Oberflächentemperatur des Getriebes ergibt sich aus der Temperaturklasse der Umgebung: T3 begrenzt die Oberfläche auf 200 °C, T4 auf 135 °C[6]. Diese Grenze wirkt an jeder Stelle des Getriebes, insbesondere an den Wellendichtungen und am Ölsumpf. Der Dichtungswerkstoff muss diese Temperatur dauerhaft aushalten, ohne seine Elastizität und Dichtwirkung zu verlieren.
| Eigenschaft | FKM (Fluorkautschuk) | FFKM (Perfluorkautschuk) |
|---|---|---|
| Temperaturbeständigkeit | Dauertemperaturen bis ca. 200 °C[7] | je nach Mischung bis 325 °C[8] |
| Chemikalienbeständigkeit | zuverlässig gegenüber Kohlenwasserstoffen, Säuren und Laugen[7] | beständigste Elastomere gegenüber aggressiven Medien, chemisch dem PTFE sehr ähnlich[8] |
| Wirtschaftlichkeit | Standardwerkstoff für chemische Belastung | deutlich teurer, für extreme Medien und Temperaturen |
FFKM ist damit der Werkstoff der Wahl, wenn Dichtungstemperatur und Medienaggressivität die Grenzen von FKM erreichen; FKM bleibt der wirtschaftliche Standard für den breiten Anwendungsfall.
Schmierstoff-Flammpunkt und zulässige Oberflächentemperatur
Zusätzlich ist der Flammpunkt des eingesetzten Schmierstoffs zu bewerten: Ein Öl mit einem Flammpunkt von 150 °C darf grundsätzlich nicht in einer Anlage eingesetzt werden, in der Spitzentemperaturen über 150 °C erreicht werden[9]. Der Flammpunkt muss daher oberhalb der zulässigen Oberflächentemperatur der Temperaturklasse mit Sicherheitsabstand liegen, da der Schmierstoff sonst selbst zur Zündquelle werden kann. Für heiße Anlagenbereiche stehen Spezialöle mit Flammpunkten weit über 300 °C zur Verfügung[9]. Wie sich Antriebe für extreme Umgebungstemperaturen systematisch auslegen lassen, zeigen wir am Beispiel temperaturkompensierter Getriebemotoren.
Wälzlagerüberwachung als Zündquellenkontrolle nach ISO 80079-37
Im Getriebe gilt das Wälzlager als kritischste mechanische Zündquelle: Überrollen Fremdkörper, Materialermüdung oder Schmierstoffmangel können örtliche Temperaturen erzeugen, die die zulässige Oberflächentemperatur überschreiten. Für nichtelektrische Geräte regelt die ISO 80079-37 die Schutzarten konstruktive Sicherheit „c“, Zündquellenüberwachung „b“ und Flüssigkeitskapselung „k“; sie ersetzt damit die früheren Teile der DIN EN 13463. Bei der Zündquellenüberwachung nach Schutzart „b“ werden Zündschutzsysteme vom Typ b1 oder b2 unterschieden, die Sicherheitseinrichtungen einbinden können[10].
- Temperaturüberwachung der Lagerstellen mit automatischer Abschaltung bei Überschreiten der für die Temperaturklasse zulässigen Grenze[10]
- Alternativ: Nachweis der ex-sicheren Auslegung über die gesamte Lebensdauer, etwa durch Auslegung mit Sicherheitsfaktoren (SF > 1,2) auf Leistung und Drehmoment bereits in der Projektierung
- Bewertung von Getriebegröße, Umgebungstemperatur, Einschaltdauer, Drehzahl und Auslastungsgrad zur Festlegung der zulässigen Temperaturklasse (typisch T3 oder T4)
- Nachweis, dass die errechnete Getriebelebensdauer den projektspezifischen Mindestwert nicht unterschreitet
Für den Anlagenbetreiber bedeutet das: Die Zündquellenkontrolle lässt sich nicht nachträglich aufsetzen, sondern muss von der ersten Auslegung an mitgedacht werden. Wir bei ATEK Drive Solutions berechnen explosionsgeschützte Getriebe auf Basis dieser Projektierungsdaten, legen die zulässige Temperaturklasse fest und dokumentieren den Nachweis über die Lebensdauer. Ergänzend prüfen wir, ob für den Antriebsstrang weitere Ex-Komponenten wie ATEX-Bremsen erforderlich sind, damit Motor, Getriebe und Bremse als eine durchgängig zertifizierte Lösung aus einer Hand entstehen. So wird aus einer Normenanforderung ein belastbarer, prüfbarer Beitrag zur Anlagenverfügbarkeit.
Zone und Gerätekategorie für Getriebe in der Chemieanlage
Die Richtlinie 2014/34/EU ordnet den Zonen 0, 1 und 2 für Gasexplosionsgefahr die Gerätekategorien 1G, 2G und 3G zu, wobei Zone 1 mit Kategorie 2G den typischen Fall für umluftbelüftete Anlagenbereiche darstellt. Für den Getriebeeinsatz ergibt sich daraus die Gerätekategorie, die wiederum festlegt, welche Zündquellen im Normalbetrieb, bei erwarteten oder bei seltenen Störungen beherrscht werden müssen. Die Gerätekategorie nach Zone (2G für Zone 1, 3G für Zone 2) ist daher frühzeitig in der Projektierung festzulegen.
Häufig gestellte Fragen
Welche Rolle spielt die Gasexplosionsgruppe bei ATEX-Stirnradgetrieben?
In Chemieanlagen bestimmt die Gasexplosionsgruppe die zulässige Grenzspaltweite für die druckfeste Kapselung (Ex d). Bei der Gruppe IIB (z. B. Ethylen) liegt diese zwischen 0,5 und 0,9 mm, bei IIC (Wasserstoff) sogar unter 0,5 mm. Je kleiner der Wert, desto enger und länger muss der Gehäusespalt gefertigt sein, um den Austritt von Flammen nach außen sicher zu unterbinden.
Warum wird für ATEX-Getriebegehäuse häufig Edelstahl 316L verwendet?
Edelstahl 316L (1.4404) enthält 2 bis 3 Prozent Molybdän, was den Werkstoff besonders widerstandsfähig gegen aggressive Chemikalien, Säuren und Chloride macht. Diese Legierung verhindert effektiv Spalt- und Lochfraßkorrosion, sodass die mechanische Integrität der Getriebegehäuse in rauen Chemieumgebungen dauerhaft erhalten bleibt.
Was fordert die Norm ISO 80079-37 für mechanische Antriebe?
Die internationale Norm ISO 80079-37 regelt den Explosionsschutz mechanischer und nichtelektrischer Geräte. Sie fordert unter anderem den Einsatz der Zündschutzart Zündquellenüberwachung (Schutzart b). Für industrielle Getriebe bedeutet das oft, dass kritische Komponenten wie Wälzlager durch Sensorik thermisch überwacht und bei Überhitzung abgeschaltet werden müssen.
Wie unterscheidet sich FKM von FFKM bei Getriebedichtungen?
Beide Materialien sind hochgradig chemikalienbeständige Elastomere für Wellendichtringe. FKM (Fluorkautschuk) bietet eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit für Dauertemperaturen bis ca. 200 °C. FFKM ist eine hochleistungsfähige Weiterentwicklung, die je nach Mischung Temperaturen von bis zu 325 °C standhält und eine noch breitere Medienbeständigkeit bei aggressiven Chemikalien aufweist.
Wie beeinflusst die ATEX-Temperaturklasse die Wahl des Schmierstoffs?
Die definierte Temperaturklasse eines ATEX-Bereichs legt die maximal zulässige Oberflächentemperatur des Getriebes verbindlich fest. Der Flammpunkt des eingesetzten Schmierstoffs muss mit einem ausreichend dimensionierten Sicherheitsabstand oberhalb dieser Grenztemperatur liegen, da das heiße Öl andernfalls selbst zu einer gefährlichen Zündquelle werden könnte.
