update on the comparison of selected issues of the … · sect. viii div.1 und div. 2 durchgeführt...
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Update on the comparison of selected issues of the ASME Code Sect. VIII with EN standards Dr.-Ing. Robert Kauer, Dr.-Ing. Jürgen Deininger TÜV SÜD Industrie Service GmbH Bereich Anlagentechnik 80686 München robert.kauer@tuev-sued.de Immer wieder erscheinen vergleichende Untersuchungen zur Gegenüberstellung von Regel-werken, die meist je nach Herkunft entsprechende Aussagen transportieren. Insbesondere auch nach Erscheinen der EN 13445 wurde versucht, die Vorteile dieser europäischen Norm durch entsprechende Vergleichsbetrachtungen herauszustellen und deren Anwendung und Verbreitung dadurch voranzutreiben. Oft werden solche Vergleiche reduziert auf: Europäische Normen seien sicherer, intelligenter, dabei auch noch wirtschaftlicher und damit zum Erfolgs-schlager für die weltweite Anwendung prädestiniert. Immer wieder wird in solchen Beiträgen auch eine vergleichende Untersuchung im Auftrag der Europäischen Kommission aus dem Jahr 2005 zitiert, in der anhand von ausgewählten Druck-geräten (Behälter, Wärmetauscher, Tanks, etc.) ein Vergleich zwischen EN 13445, ASME Sect. VIII Div.1 und Div. 2 durchgeführt wurde. Dabei wurden insbesondere anhand von einge-holten Auskünften bei Lieferanten auch Kostenvergleiche durchgeführt (vgl. Folie 5 und 6). Problem ist jedoch immer noch, dass die seit 2002 veröffentlichte EN 13445 nach wie vor mit erheblichen Akzeptanzproblemen selbst im EWR zu kämpfen hat, da viele Länder mit eigenen Druckbehälterregelwerken wie Deutschland, Frankreich oder UK vorwiegend mit ihren alten bekannten nationalen Normen arbeiten. Zudem ist die Regelung des In-Service Bereichs nach wie vor in den Händen der jeweiligen Ländern und wird überall in Europa völlig unterschiedlich gehandhabt (vgl. Folie 7). Demgegenüber ist der ASME Code ein seit Jahrzehnten kontinuierlich fortentwickeltes Regel-werk mit einer seit 1971 massiv internationalen Ausrichtung (vgl. Folien 8 und 9). Darüber hin-aus besteht vor allem durch die Einbindung des Codes und seiner generellen Philosophie über die auch international Anwendung findenden In-Service Regularien wie z.B. der API 510 oder API 579 eine starke Anbindung an den gesamten Lebenszyklus einer Komponente. Dies wurde durch die Schaffung der sogenannten Post Construction Codes (PCCs), eine Zusammenarbeit von ASME und relevanten Usergruppen wie der API, noch verstärkt (vgl. Folie 10). Bezüglich der Materialspezifikationen gibt es sowohl im ASME Code die Möglichkeit europäi-sche Werkstoffe zu verwenden (entweder explizit genannt, z.B. SA/EN 10028-2 P295GH oder P355GH, bzw. durch Re-Certification über UG-10), als auch umgekehrt. Hier ist der Weg dann über ein Particular Material Appraisal (PMA). Ebenso besteht die Möglichkeit gleich Dual Certi-fied Material zu ordern. Wesentlich bei der Anwendung der ASME Spezifikationen ist, dass hier zwar zunächst ggf. weniger grundsätzlich spezifiziert ist, woraus oftmals geschlossen wird, dass diese daher weniger restriktiv seien. Dies wird jedoch dem System geschuldet, das eben bei spezifischen Anforderungen im Betrieb, diese dann auch spezifisch individuell geregelt ha-ben will. Hierzu bieten die jeweiligen Supplementary Requirements grundsätzlich alle Möglich-keiten, ob dies nun Gewährleistungswerte bei erhöhten Temperaturen oder Kerbschlagproben bei tiefen Temperaturen sind (vgl. Folien 12-17).
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Grundsätzlich sind die Kosten für ein Druckgerät natürlich zunächst einmal abhängig von den Materialkosten und damit von den Anforderungen des jeweiligen Regelwerks an die Wanddi-cke. Hierbei kommt dann vor allem auch der zulässige Werkstoffkennwert zum Tragen (vgl. Folien 19-21). Die entsprechenden Kennwerte haben sich hier beim ASME Code in Sect. VIII Div. 1 1998 (Sicherheit gegen Bruch reduziert von 4 auf 3.5) und bei der komplett neuen Fas-sung der Div. 2 im Jahre 2007 (Sicherheit gegen Bruch reduziert von 3.0 auf 2.4) maßgeblich geändert. Grundsätzlich berücksichtigt der ASME Code Festigkeitskennwerte gegen Bruch auch bei Temperatur, Kennwerte bei erhöhten Temperaturen (Creep Range) sind in das Konzept einge-bunden und es wird grundsätzlich nur die 0.2% Dehngrenze zur Bestimmung der zulässigen Werkstoffkennwerte verwendet. Sind Verformungen nicht auslegungsbegrenzend, wie z.B. bei Flanschen, kann das sogenannte 0.9 Yield Kriterium verwendet werden. Für jeweils einen gän-gigen Ferriten und einen Austeniten sind die Ergebnisse über der Temperatur in den Folien 23-24 dargestellt. Zusammenfassende Aussagen sind Folie 25 zu entnehmen. Folie 27 zeigt Unterschiede bzgl. der grundsätzlichen Vorgehensweise. Hierbei ist festzuhalten, dass ASME Sect. VIII Div. 1 für Standardanwendungen gedacht ist, obwohl auch hier darauf hinzuweisen ist, dass sowohl die entsprechenden Appendices als auch Code Case durchaus alternative Berechnungsmethoden bieten, z.B. für Böden, Ausschnitte, etc. Zudem berücksich-tigt Sect. VIII Div. 1 nicht nur Innendruckbeanspruchung. UG-22 fordert ausdrücklich, dass alle Lasten beim Design zu berücksichtigen sind, also z.B. auch Fatigue. Es ist richtig, dass hierfür in Div. 1 keine Regelungen vorgegeben sind, aber über U-1(a)(3) ist dann eben auf „Enginee-ring Judgment in consistency with the Code“ auszuweichen, also z.B. auf die Fatiguebewertung in Div. 2. In der ASME Antwort auf die EC Studie (Comparison of Pressure Vessel Codes ASME Sect. VIII and EN 13445, Technical, Commercial, and Usage Comparision, Design Fatigue Life Comparison, STP-PT-007, Dec. 2006) wird zudem darauf hingewiesen, dass die zulässigen Zyklenzahlen nach ASME Code wesentlich geringer sind als in der EC Studie ausgewiesen, und damit vor allem für die Beispiele 3 und 4 durchaus mit denen der EN vergleichbar sind (vgl. Folie 28). Insgesamt kommt die ASME Studie zu dem Schluss, dass der (Kosten-)vergleich in der EC Studie wesentliche Gesichtspunkte nicht erfasst hat und zudem nur jeweils 3 Angebote einge-holt wurden aus denen dann der Mittelwert gebildet wurde. Bereits die EC Studie selbst hat angemerkt, dass die Abweichungen zwischen den drei Anbietern oft mehr streuen als die zwi-schen den Regelwerken. ASME hat für seinen Vergleich Anbieter aus 8 Ländern (inkl. 3 aus EU-Ländern) ausgewertet (vgl. Folie 29). Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass sich der größte Anteil der Projektkosten auf einige wenige Komponenten verteilt, für die dann entweder unabhängig vom Regelwerk Zusatzanfor-derungen, z.B. zur Wärmebehandlung, gestellt werden oder für die dann eben auf Sect. VIII Div.2 ausgewichen wird. Hier dürfte mit der Neufassung der Div. 2 die Wettbewerbsfähigkeit des ASME Code nochmal gestärkt worden sein (vgl. Folie 30). Letztendlich verbleibt anzuerkennen, dass die Mehrzahl der Druckgeräte dieser Welt nach dem ASME Code hergestellt werden und international sicher auch der zukünftige Schwerpunkt im Anlagenbau eher nicht in Europa liegen wird (vgl. Folie 31 und 32). Die Zunahme der U-Stamp Holder z.B. in China bestätigt eindrucksvoll die internationale Akzeptanz dieses Regelwerks (vgl. Folie 33).
1TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Update on the comparison of selected issues of the ASME Code (Sect. VIII) with EN standards
Druckgerätetage, München, June 2011Dr. Robert Kauer / Dr. Jürgen Deiningerrobert.kauer@tuev-sued.de
2TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Content
Introduction
Updated considerations regarding- Material - Allowable stress values- Design Basics
Summary
3TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Content
Introduction
Updated considerations regarding- Material- Allowable stress values- Design Basics
Summary
4TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Some existing statements
Die europäische Druckbehälternorm EN 13445 – was lange währt …Veröffentlichung DIN Mitteilungen: Normenausschuss Chemischer Apparatebau (FNCA) im DIN, Feb. 2011
„und es deutet vieles darauf hin, dass sie mit steigender Akzeptanz im EWR auch auf internationalem Parkett eine führende Rolle spielen wird.“
5TÜV SÜD Industrie Service GmbH
EC Comparative Study Results
Comparative Study on Pressure Equipment Standards, Summary, EC DG Enterprise, Contract No. FIF.20030114, July 2004
DBF: Design by FormulaDBA: Design by AnalysisPED: Pressure Equiment
Directive
6TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Some existing statements pro EN
*1) Comparative Study on Pressure Equipment Standards, Summary, EC DG Enterprise, Contract No. FIF.20030114, July 2004
The fracture toughness concept in the ASME is less
conservative
7TÜV SÜD Industrie Service GmbH
European Regulation
Requirements for Construction and Design
- Design- Construction- Equipment- ...
Complete conversion (other national codes had to be repealed)
Pressure Equipment Directive(PED)
97/23/EG, 1997 (mand. 2002)
but old national code still in place likeAD-2000, BS 5500, CODAP
with some additional consideration also ASME
In-Service Requirements
- Service- Inspection- Testing- ...
National requirements had to be extended and adapted
e. g. GermanyBetrSichV
8TÜV SÜD Industrie Service GmbH
ASME‘s legal standing
■ Legislation at the location of the plant(e.g. Minnesota, New York City, Quebec, Dubai, Sarawak, …)
Section IPower boiler
Section IIINuclear power
Section IVBoiler
Section VIIIPressure vessel
Section XFiber plastics
ASME Piping Code
ASME B31.1Power piping
ASME B31.3Process piping
Construction Codes
Reference Codes Section IIMaterial
Section VNDT
Section IXWelding/Brazing
“In-service”-Codes Section VIBoiler
Section VIISteam boiler
Section XINuclear power
Standards, recommendations ANSI ASTM AWS ASNT
■ Authority at the location of the plant with references to - National Board Inspection Code NBIC- API In-service Codes e.g. API 510
API
ASME Boiler & Pressure Vessel Code
NACE
9TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Some facts around ASME
1915 First ASME Boiler Code (now Sect. I)1924 First Unfired Pressure Vessel Code (now Sect. VIII)1963 First Proposal for Nuclear Code (Sect. III)1968 Alternative Rules for Unfired Pressure Vessels (Sect. VIII Div. 2)1997 High Pressure Code (Sect. VIII Div. 1)2007 Re-written Sect. VIII Div. 2
Today 28 books embedded into the US standardization system Continuously new editions published Code Case System
700 technical committees continuously working (consensus process)
Over 3800 Volunteers (~10% International)
Until 1971 certification activities limited to USA and Canada, meanwhile expanded to 75+ countries, accepted in 100+ countries, and translated into Chinese, French, Japanese, Korean, Portuguese, Spanish and Swedish
Strong relation to in-service initiatives and user groups like API, NACE, ….
10TÜV SÜD Industrie Service GmbH
ASME Life Cycle Management
Risk Analysis and Inspection Planning
Codes/Standards
New Construction Codes and Standards
Inspection Findings?
Repair or Replace?
Repair or Replacement per In-Service Repair Codes and Standards
Sucessful?
Fitness for ServiceCodes and Standards
Decommission
Yes
Yes
YesNo
No
No
Results
Results
Inspect
Operate
Sect. VIIIAPI 620
PCC-3API 580API 510
NBIC API 579
PCC-2NBIC
API 510PTB-2-2009 Guide to Life Cycle Management of Pressure Vessel Integrity
11TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Content
Introduction
Updated considerations regarding- Material- Allowable stress values- Design Basics
Summary
12TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Material: Essential Safety Requirements
Source:http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/pressure-and-gas/documents/ped/materials/index_en.htm
13TÜV SÜD Industrie Service GmbH
PED: Particular Material Appraisal
Source:http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/pressure-and-gas/documents/ped/materials/index_en.htm
14TÜV SÜD Industrie Service GmbH
ASME Code: Listed Material, e.g. VIII-1
UNS (Unified Numbering System)Sxxxxx: Heat and corrosion resistant (stainless) steels
SA312
15TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Some Supplementary Requirements to SA-516
16TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Summary Material
Both systems (EN and ASME) generally allow the use of each other material
In case material shall be used in both systems dual certified material
To specify the material in a sufficient and economic way, specific comparison between the EN and ASME Specifications is required. Do not rely on general statements.
Material specification shall be mainly driven by the needs for the intended service (good sources are standards like API, NACE, Dechema, …)
Make use of supplementary requirements in the specifications.
Do not over-specify
17TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Specification example
Service susceptible to Polythonic Acid Stress Corrosion CrackingStabilizing Heat Treatment and IGC are recommendations from API and NACEstandards
18TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Content
Introduction
Updated considerations regarding- Material- Allowable stress values- Design Basics
Summary
19TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Allowable Stresses EN 13445
below the creep range
20TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Allowable Stresses ASME Sect. II Part D
ST Tensile strength at room temperatureSY Yield strength (0.2%) at room temperatureRT ratio of the average temperature dependent trend curve value of tensile strength to the room
temperature tensile strengthRY ratio of the average temperature dependent trend curve value of yield strength to the room
temperature yield strengthSRave Ave. rupture stress 100,000 hoursSRmin Min. rupture stress 100,000 hoursSC Ave. stress to cause a creep rate of 0.01%/1,000 hoursFavg Below 815°C = 0.67
for Sect. VIII, Div. 1
21TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Allowable Stresses ASME Sect. II Part D
for Sect. VIII, Div. 2
22TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Updated allowable stress value comparison
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 100 200 300 400 500 600
Allo
wab
le S
tres
s [M
Pa]
Temperature °C
Plate SA/EN 10028 P295GH and EN 13445 EN 10028 P295GH (1.0481)
EN 13445 Allowable (100 - 150 mm)
Sect. VIII Div. 1 Allowable (100 -150 mm) max: 500°Cmax: 538°C
23TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Updated allowable stress value comparison
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 100 200 300 400 500 600
Allo
wab
le S
tres
s [M
Pa]
Temperature °C
Plate SA-516 Gr. 70 and P295GH (1.0481)
EN 13445 Allowable (< 16 mm)
EN 13445 Allowable (60 - 100 mm)
Sect. VIII Div. 2 Allowable
Sect. VIII Div. 1 Allowable max: 500°Cmax: 538°C
24TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Updated allowable stress value comparison
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Allo
wab
le S
tres
s [M
Pa]
Temperature °C
Plate SA-240 304 and X5CrNi1810 (1.4301)
EN 13445 Allowable
Sect. VIII Div. 2 Allowable
Sect. VIII Div. 1 Allowable 0.9 SY
Sect. VIII Div. 1 Allowable
max: 550°C
max: 816°C
25TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Summary Allowable Stresses
Do not rely on general statements. Specifically compare the material at the intended temperature
When using the ASME code always consider the option for using Sect. VIII, Div. 2
When comparing austenitic steels also consider the 90% yield option provided for many materials
The ASME system is much less susceptible to user errors by providing simple tables with the allowable stresses (no need for calculation of the allowable stress)
26TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Content
Introduction
Updated considerations regarding- Material- Allowable stress values- Design Basics
Summary
27TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Design Concepts
EN 13445 ASME VIII-1 ASME VIII-2
Design by Formula √ √+ App. + Codes Cases √
Design by Analysis √ No, but U-1 √
Design by Fracture Mechanics √ No No
Loads other than Pressure √ No, but UG-22 √
Fatigue Design √ No, but UG-22 √
28TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Allowable Design Cycles
EN 13445 ASME VIII-2Example 3 33 576 > 5x106
Example 4 Batch 13 100 200x106
Example 4 Stirrer 212 000 > 1011
SNP-PT-007, Comparison of Pressure Vessel Codes ASME Section VIII and EN 13445, Technical, Commercial, and Usage Comparison, Design Fatigue Life Comparison
EN 13445 ASME VIII-2Example 3 RT+VT 33 576 N/A
Example 3 no NDT 8 600 6 450
Example 4 Batch 13 100 12 500
Example 4 Stirrer 212 000 1 100 000
29TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Content
Introduction
Updated considerations regarding- Material- Allowable stress values- Design Basics
Summary
30TÜV SÜD Industrie Service GmbH
ASME Cost comparison (excerpt)
Cost
SNP-PT-007, Comparison of Pressure Vessel Codes ASME Section VIII and EN 13445, Technical, Commercial, and Usage Comparison, Design Fatigue Life Comparison
Costs in a Clean Fuel Project
31TÜV SÜD Industrie Service GmbH
The ASME answer
Overall number of registrations on file at the end of 2010 was 45.713.776Comparison of Pressure Vessel Codes ASME Sect. VIII
and EN 13445, Technical, Commercial, and Usage Comparision, Design Fatigue Life ComparisonSTP-PT-007, Dec. 2006
National Board Bulletin, Fall 2010
0200000400000600000800000
1000000120000014000001600000
2006 2007 2008 2009 2010
1.495.632 1.572.626 1.563.665
1.357.3791.211.711
Total Number of Boilers and PV registered with the National Board
% ASME VIII-1
ASME VIII-2
Others
EN 13445
32TÜV SÜD Industrie Service GmbH
Downstream new projects (in $ bn)
EIC Database
33TÜV SÜD Industrie Service GmbH
ASME Stampholders
[1023][1004]
[20]
[3496][3467]
[1388][1087]
[116]
[14][9]
[28]
[ ] - 04/2011[ ] - 07/2010
[82][77]
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