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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 [email protected] 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 [email protected]


Content

Introduction

Updated considerations regarding- Material - Allowable stress values- Design Basics

Summary


Content

Introduction

Updated considerations regarding- Material- Allowable stress values- Design Basics

Summary


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.“


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


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


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


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


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, ….


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


Content

Introduction


Summary


Material: Essential Safety Requirements

Source:http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/pressure-and-gas/documents/ped/materials/index_en.htm


PED: Particular Material Appraisal

Source:http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/pressure-and-gas/documents/ped/materials/index_en.htm


ASME Code: Listed Material, e.g. VIII-1

UNS (Unified Numbering System)Sxxxxx: Heat and corrosion resistant (stainless) steels

SA312


Some Supplementary Requirements to SA-516


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


Specification example

Service susceptible to Polythonic Acid Stress Corrosion CrackingStabilizing Heat Treatment and IGC are recommendations from API and NACEstandards


Content

Introduction


Summary


Allowable Stresses EN 13445

below the creep range


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


Allowable Stresses ASME Sect. II Part D

for Sect. VIII, Div. 2


Updated allowable stress value comparison

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0 100 200 300 400 500 600

Allo

wab

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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



0

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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



0

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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. 1 Allowable 0.9 SY


max: 550°C

max: 816°C


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)


Content

Introduction


Summary


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 √


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


Content

Introduction


Summary


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


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


Downstream new projects (in $ bn)

EIC Database


ASME Stampholders

[1023][1004]

[20]

[3496][3467]

[1388][1087]

[116]

[14][9]

[28]

[ ] - 04/2011[ ] - 07/2010

[82][77]

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