Theoretical and experimental investigations on flameproof enclosures for hazardous areas

Nowadays, most equipment used in industries are electrical devices and if there is flammable gas or dust in the environment near equipment such as oil and gas industries, arc flash can ignite the flammable substances and leads to an explosion. ATEX Directive introduces all the situations that can happen in a potentially explosive environment, and it defines different levels of protection that should be taken into account. Flameproof enclosure Ex d is one of the common equipment that is mainly used for hosting electrical devices and there are specific rules in the design and test of this enclosure that is indicated in standard EN/IEC 60079-0 and EN/IEC 60079-1. The overpressure test is one of the standard tests, and it evaluates the mechanical strength of the enclosure to be sure about possible deformation and failure. The goal of this study is to apply the Finite Element Method for the first time for stress analysis of the EJB 13XL stainless steel and EJB Aluminum with window, types of Ex d enclosures of Technor Italsmea company to reduce the number of experimental tests, cost, and time of design and development of the products. In the first part of this study, it is focused on increasing the Safety Factor (SF) of EJB 13XL in a defined pressure. A reference model based on the old EJB 13XL enclosure is defined to validate the simulation results with the previous experimental test and use it as a reference point to compare the results of other scenarios. According to the reference model results, yield SF<1 shows a permanent deformation, and ultimate SF<1 represents a failure and breaking on the surface. Four scenarios are simulated to improve the yield SF from the reference model with SF=0.6 to reach SF=1 in the final scenario. According to the obtained results, increasing the thickness of the cover and bottom plate of the body has the most effect on the SF improvement. At the end, the simulation results are verified with an experimental test that is positively evaluated, and the simulation method is considered as a reference for the second part of this study. In the second part, it is investigated the possibility of applying large window on the cover of EJB Aluminum in different ranges of enclosures from EJB 2 to EJB 14 of the company. From EJB 2 to EJB 6, the evaluation is highly positive about applying window on the cover based on the amount of SF for cover and glass while from EJB 8, there is a risk of permanent deformation and failure at the center of the cover. More precisely, it is highly probable that EJB 9, 11, and 13 break at the center due to the low SF and the large size of EJB 13. In overall, these three models are suitable cases for the experimental test to be able to evaluate other models in comparison with them.

Al giorno d'oggi, la maggior parte delle apparecchiature utilizzate nelle industrie sono dispositivi elettrici e se c'è gas o polvere infiammabili nell'ambiente vicino ad apparecchiature come le industrie petrolifere e del gas, l'arco elettrico può accendere le sostanze infiammabili e portare a un'esplosione. La Direttiva ATEX introduce tutte le situazioni che possono verificarsi in un ambiente potenzialmente esplosivo e definisce diversi livelli di protezione di cui tenere conto. La custodia antideflagrante Ex d è una delle apparecchiature comuni utilizzate principalmente per ospitare dispositivi elettrici e ci sono regole specifiche nella progettazione e nel test di questa custodia che è indicata nelle norme EN/IEC 60079-0 e EN/IEC 60079-1. Il test di sovrapressione è uno dei test standard e valuta la resistenza meccanica dell'involucro per essere sicuri di possibili deformazioni e cedimenti. L'obiettivo di questo studio è applicare per la prima volta il metodo degli elementi finiti per l'analisi delle sollecitazioni dell'acciaio inossidabile EJB 13XL e dell'alluminio EJB con finestra, tipi di custodie Ex d dell'azienda Technor Italsmea per ridurre il numero di prove sperimentali, il costo, e tempi di progettazione e sviluppo dei prodotti. Nella prima parte di questo studio, è incentrato sull'aumento del fattore di sicurezza (SF) di EJB 13XL in una pressione definita. Viene definito un modello di riferimento basato sul vecchio contenitore EJB 13XL per convalidare i risultati della simulazione con il test sperimentale precedente e utilizzarlo come punto di riferimento per confrontare i risultati di altri scenari. Secondo i risultati del modello di riferimento, lo snervamento SF<1 mostra una deformazione permanente e l'SF ultimo <1 rappresenta un cedimento e una rottura sulla superficie. Vengono simulati quattro scenari per migliorare la resa SF dal modello di riferimento con SF=0.6 per raggiungere SF=1 nello scenario finale. Secondo i risultati ottenuti, l'aumento dello spessore del coperchio e della piastra inferiore del corpo ha l'effetto maggiore sul miglioramento dell'SF. Al termine, i risultati della simulazione vengono verificati con una prova sperimentale che viene valutata positivamente e il metodo di simulazione viene considerato come riferimento per la seconda parte di questo studio. Nella seconda parte, viene indagata la possibilità di applicare un'ampia finestra sulla copertura di EJB Aluminium in diverse gamme di custodie da EJB 2 a EJB 14 dell'azienda. Da EJB 2 a EJB 6, la valutazione è altamente positiva sull'applicazione della finestra sulla copertura in base alla quantità di SF per copertura e vetro mentre da EJB 8 esiste il rischio di deformazione permanente e rottura al centro della copertura. Più precisamente, è altamente probabile che EJB 9, 11 e 13 si rompano al centro a causa del basso SF e delle grandi dimensioni di EJB 13. Nel complesso, questi tre modelli sono casi adatti per il test sperimentale per poter valutare altri modelli rispetto ad essi.