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
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Immer wieder erscheinen vergleichende Untersuchungen zur Gegenüberstellung von Regelwerken, die meist je nach Herkunft entsprechende Aussagen transportieren. 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. voranzutreiben. Oft werden solche Vergleiche reduziert auf: Europäische Normen seien sicherer, intelligenter, dabei auch noch wirtschaftlicher wirtschaftlicher und damit zum Erfolgsschlager 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 Druckgeräten (Behälter, Wärmetauscher, Tanks, etc.) ein Vergleich zwischen EN 13445, ASME
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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 Wanddicke. 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 Fassung 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 eingebunden 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 gängigen Ferriten und einen Austeniten sind die Ergebnisse über der Temperatur in den Folien 2324 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 berücksichtigt 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-
Update on the comparison of selected issues of the ASME Code (Sect. VIII) with EN standards Druck gerätetage, Münc hen, Ju ne 2011 Dr. Robert Kauer / Dr. Jürgen Deinin ger
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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
„ und es deutet vieles darauf hin, dass sie mit steigender Akzeptanz im EWR auch auf internatio nalem Parkett eine führende Rolle spielen wird.“
Die europäische Druckbehälternorm EN 13445 – was lange währt …
EC Comparative Study Results
DBF: Design by Formula DBA: Design by Analysis PED: Pressure Equiment Directive
Some existing statements pro EN
The fractur e toughness concept in t he ASME is less conservative
European Regulation Requir ements for Construc tion and Design
- Design - Construction - Equipment - ... Complete conversion (other national codes had to be repealed)
Pressure Equip ment Directi ve (PED) 97/23/EG, 1997 (mand. 2002) but old national code still in place like AD-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. Germany BetrSichV
ASME‘s legal standing ■
Legislation at the location of the plant (e.g. Minnesota, New York City, Quebec, Dubai, Sarawak, …)
ASME Boiler & Press ur e Vess el Code
ASME Piping Code
Construction Codes Section I Section III Section IV Section VIII Section X Power boiler Nuclear power Boiler Pressure vessel Fiber plastics
Reference Codes
Section II Material
“In-service”-Codes Standards, recommendations
■
Section V NDT
Section VI Boiler ANSI
ASME B31.1 ASME B31.3 Power piping Process piping
Section IX Welding/Brazing
Section VII Section XI Steam boiler Nuclear power ASTM AWS ASNT API
Authority at the location of the plant with references to - National Board Inspection Code NBIC - API In-service Codes e.g. API 510
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
Sect. VIII API 620
New Construction Codes and Standards
Decommission
No
Operate
No
Risk Analysis and Inspection Planning Codes/Standards
Yes
Sucessful ?
PCC-3 API 580 API 510 NBIC
Results
Repair or Replacement per In-Service Repair Codes and Standards PCC-2 NBIC API 510
Yes
Inspect
No
Repair or Replace?
Inspection Findings?
API 579
Results
Yes
Fitness for Service Codes and Standards
Content
Introduction
Updated considerations regarding - Material - All owabl e str ess v alues - Des ig n Bas ic s
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
ASME Code: Listed Material, e.g. VIII-1
SA312
UNS (Unified Numbering System) Sxxxxx: Heat and corrosion resistant (stainless) steels
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 Cracking Stabilizing Heat Treatment and IGC are recommendations from API and NACE standards
Content
Introduction
Updated considerations regarding - Material - Allowable stress values - Desi gn Bas ic s
Summary
Allowable Stresses EN 13445 below the creep range
Allowable Stresses ASME Sect. II Part D for Sect. VIII, Div. 1
ST SY RT RY SRave SRmin SC Favg
Tensile strength at room temperature Yield strength (0.2%) at room temperature ratio of the average temperature dependent trend curve value of tensile strength to the room temperature tensile strength ratio of the average temperature dependent trend curve value of yield strength to the room temperature yield strength Ave. rupture stress 100,000 hours Min. rupture stress 100,000 hours Ave. stress to cause a creep rate of 0.01%/1,000 hours Below 815°C = 0.67
Allowable Stresses ASME Sect. II Part D for Sect. VIII, Div. 2
Updated allowable stress value comparison
Plate SA/EN 10028 P295GH and EN 13445 EN 10028 P295GH (1.0481) 180 160
] a 140 P M [ 120 s s e r t 100 S e 80 l b a w 60 o l l A 40
EN 13445 Allowable (100 - 150 mm)
max: 538°C Sect. VIII Div. 1 Allowable (100 -150 mm)
20
max: 500°C
0 0
100
200
300
Temperature °C
400
500
600
Updated allowable stress value comparison
Plate SA-516 Gr. 70 and P295GH (1.0481) 200 180 160
] 140 a P M [ 120 s s e r t 100 S e l b 80 a w o 60 l l A
EN 13445 Allowable (< 16 mm) EN 13445 Allowable (60 - 100 mm)
40
Sect. VIII Div. 2 Allowable
20
max: 538°C max: 500°C
Sect. VIII Div. 1 Allowable
0 0
100
200
300
Temperature °C
400
500
600
Updated allowable stress value comparison Plate SA-240 304 and X5CrNi1810 (1.4301) 180 160 140
] a P 120 M [ s 100 s e r t S 80 e l b a w 60 o l l A 40
max: 550°C
EN 13445 Allowable Sect. VIII Div. 2 Allowable Sect. VIII Div. 1 Allowable 0.9 SY
20
max: 816°C
Sect. VIII Div. 1 Allowable
0 0
100
200
300
400
500
Temperature °C
600
700
800
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
Updated considerations regarding - Material - Allowable stress values - Desi gn Bas ic s
Summary
Design Concepts EN 13445 Design by Formula Design b y Analysis Design by Fractur e Mechanics
ASME VIII-1
ASME VIII-2
+ App. + Codes Cases No, but U-1 No
Loads other than Pressure
No, but UG-22
Fatigue Design
No, but UG-22
No
Allowable Design Cycles
EN 13445
ASME VIII-2
Example 3
33 576
> 5x106
Example 4 Batch
13 100
200x106
Example 4 Stirrer
212 000
> 1011
EN 13445
ASME VIII-2
Example 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
Updated considerations regarding - Material - Allowable stress values - Design Basics
Summary
ASME Cost comparison (excerpt)
Cost
Costs in a Clean Fuel Project
The ASME answer
%
ASME VIII-1
Total Number of Boilers and PV registered with the National Board 1.495.632
ASME VIII-2 Others EN 13445
1.572.626
1.563.665
1600000
1.357.379 1.211.711
1400000 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 0 2006
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
2007
2008
2009
2010
Overall number of registrations on file at the end of 2010 was 45.713.776 National Board Bulletin, Fall 2010
Downstream new projects (in $ bn)
EIC Database
ASME Stampholders
[3496] [3467]
[1023] [1004]
[14] [9]
[82] [77] [1388] [1087]
[28] [116] [20] [ ] - 04/2011 [ ] - 07/2010
