Welche Neuerungen bringt die DIN EN Teil 3, im Vergleich zum bisherigen AD

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1 Welche Neuerungen bringt die DIN EN Teil 3, im Vergleich zum bisherigen AD Ferdinand Neuwieser, TÜV Süddeutschland, München 1. Einleitung Mit Inkrafttreten der Richtlinie 97/23/EG am wurde der Grundstein für ein einheitliches europ. Druckbehälterregelwerk gelegt. Im Anhang I der Richtlinie sind hierzu grundlegende Sicherheitsanforderungen für Druckgeräte in allgemeiner Form formuliert. Für die konkrete Umsetzung dieser Anforderungen wird im Artikel 5 der Richtlinie auf die harmonisierten Normen verwiesen, bei deren Anwendung die sog. Konformitätsvermutung vorliegt. Neben den harmonisierten Normen können auch andere Regelwerke zur Erfüllung der grundlegenden Sicherheitsanforderungen herangezogen werden. In diesem Fall ist die Konformitätsvermutung nicht automatisch gegeben. Vielmehr muss der Nachweis der Konformität mit den Anforderungen der Richtlinie gesondert geführt werden. Als harmonisierte Norm für Unbefeuerte Druckbehälter ist derzeit die Norm EN im Entstehen und wird daher als pren bezeichnet. Im Teil 3 behandelt sie die Themen Auslegung und Konstruktion, vergleichbar mit den AD-Merkblättern der Reihe B und S. Allgemeines, Werkstoffe, Herstellung und Prüfung, Sicherheitseinrichtungen, sowie Behälter aus Gusseisen mit Kugelgraphit werden in den anderen Teilen 1-7 der pren behandelt (Bild 1). Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf die derzeit vorliegende Fassung der Norm und haben deshalb vorläufigen Charakter

2 pren Unbefeuerte Druckbehälter Teil 1: Allgemeines Teil 2: Werkstoffe Teil 3: Konstruktion Teil 4: Herstellung Teil 5: Inspektion und Prüfung Teil 6: Sicherheitseinrichtungen Teil 7: Druckbehälter aus Kugelgraphit Zeitliche Abfolge: Frühjahr 1999: Anfang 2000: frühestens ab 2002: Übersetzung Europ. Entwurf Europ. Norm Bild 1: Aufbau der pren Unbefeuerte Druckbehälter In der 6-Monats-Umfrage zur pren Teil 3 wurden ca Einsprüche erhoben. Mit der endgültigen Verabschiedung dieser Norm ist deswegen voraussichtlich nicht vor 2002 zu rechnen. Um die Richtlinie bereits jetzt anwenden zu können, ergab sich die Notwendigkeit, die bisherigen nationalen Regelwerke an die Anforderungen der DGR anzupassen. Mittlerweile wurde dies für einige Regelwerke, wie z. B. AD-Merkblätter, CODAP sowie BS 5500 durchgeführt

3 2. Vergleich pren T3 und AD-Merkblätter 2.1 Inhalt Eine inhaltliche Gegenüberstellung der AD-Merkblätter mit dem vorliegenden Normentwurf pren Teil 3 zeigt, dass die EN für alle in den AD Merkblättern enthaltenen Komponenten aus Stahlwerkstoffen Berechnungsregeln enthält. Die Auslegung von Behältern aus den Werkstoffen Graphit, Glas bzw. GFK wird in der pren im Gegensatz zu den AD-Merkblättern nicht behandelt. Im Vergleich zu den AD-Merkblättern ist die EN zum Teil detaillierter und weist Erweiterungen wie z. B. Berechnungsregeln für unterschiedliche Arten von torisphärischen und für elliptische Böden, schräge Stutzen u.a. auf. Darüber hinaus wurde mit der Aufnahme eines Berechnungsverfahrens für rechteckige Behälter eine in den AD-Merkblättern vorhandene Lücke geschlossen. Auffallend in der Norm ist die große Anzahl der Anhänge, die neben ergänzenden Informationen auch alternative Berechnungsverfahren für Flansche und Rohrböden enthalten. 2.2 Wesentliche Unterschiede Die pren 13445, Teil 3, bildet eine Synthese verschiedener nationaler Berechnungsvorschriften. International anerkannte Regelwerke wie z. B. das deutsche AD-Regelwerk, das britische Regelwerk BS 5500, das französische Regelwerk CODAP sowie der amerikanische ASME-Code standen Pate bei der Erstellung der pren 13445, Teil 3 (Bild 2). AD-Merkblätter BS 5500 EN T3 CODAP TGL ASME-Code - 3 -

4 Bild 2: EN T3 - Eine Synthese nationaler Regelwerke Die unterschiedlichen Regelwerke basieren zum Teil auf verschiedenen Auslegungs- und Prüfphilosophien, so dass es bei der Dimensionierung für ein und dieselbe Komponente bereits in der Vergangenheit zu erheblichen Abweichungen bis in den zweistelligen Prozentbereich kommen konnte. Dies trifft auch bei einem Vergleich der AD-Merkblätter mit dem derzeit vorliegenden Entwurf pren 13445, Teil 3, zu. Anhand eines Behälters einfacher Bauart sollen einige wesentliche Unterschiede beispielhaft dargestellt werden. Untersucht werden soll ein Behälter mit folgenden Daten (Bild 3): Bild 3: Beispiel-Behälter vorwiegend ruhende Beanspruchung Drucktragende Teile: P355 NH nach DIN EN R p0,2 355 N/mm 2 R m 490 N/mm 2 Da = 2000 mm PS = 10 bar t = 20 C c = 1 mm v = 0,85-4 -

5 Klöpperböden nach DIN Ausschnitt: 508 x 13 mm Abgrenzung für vorwiegende ruhende Beanspruchung Die Dimensionierungsgleichungen in den Abschnitten 6-16 der pren T 3 gelten für vorwiegend ruhende Beanspruchung. Diese liegt vor, wenn die Anzahl der Voll-Lastwechsel die Zahl 500 nicht überschreitet. Im AD-Regelwerk S1 wird die Abgrenzung zwischen ruhender und schwellender Belastung mit 1000 Volllastwechsel angegeben und liegt damit deutlich höher als die pren Teil 3. In der Praxis bedeutet dies, dass künftig auf der Grundlage der pren Teil 3 wesentlich mehr Behälter auf Lastwechselbeanspruchung nach den Kap. 17 (vereinfachte) bzw. 18 (ausführliche Berechnung der Ermüdungslebensdauer) der EN überprüft werden müssen. Eine Begründung für diesen Unterschied zwischen EN und AD könnte u.a. in den teilweise geringeren Anforderungen der pren an die Schweißnahtgüte bzw. an zul. Formabweichungen liegen. Ist die Druckschwankungsbreite kleiner als der Berechnungsdruck bietet die pren Teil 3 die Möglichkeit über die Formel n eq = n i (DP i/p) 3 eine sog. äquivalente Lastwechselzahl zu ermitteln. Die Summe aus den Volllastwechseln und den äquivalenten Lastwechseln darf die Zahl 500 nicht überschreiten: n eq + n voll <

6 2.2.2 Berechnungsnennspannungen Die Berechnungsnennspannung bzw. nach bisherigem Sprachgebrauch die zul. Spannung wird nach pren , Tabelle 6-1, bestimmt (Bild 4). Im Unterschied zum AD-Merkblatt B0 ist für nichtaustenitische Stähle ein Zugfestigkeitskriterium in Form eines Sicherheitsbeiwertes S = 2,4 für die Zugfestigkeit bei 20 C zusätzlich zu beachten. Generell wirkt sich dies bei C-Stählen ab einem Streckgrenzenverhältnis Rp / Rm / t 20 0, 625 aus. Für herkömmliche C-Stähle (z. B. P 265 GH, St. 35.8, etc.) hat dies bei Temperaturen bis ca. 70 C geringe Auswirkungen. In diesem Bereich liegt die zulässige Spannung um ca. 4 % niedriger als in den AD-Merkblättern (Bild 5). Werkstoffe Nichtaustenitische Stähle Austenitische Stähle, Bruchdehnung A > 30 % Austenitische Stähle, Bruchdehnung A > 35 % Stahlgussteile Berechnungsnennspannung Rp0 f = min (, 2 / t Rm ; / 20 ) f = Rp1 0 1, 5, / t f = Rp1 0 1, 5, / t 1, 5 2, 4 Rp1 oder min (, 0 / t Rm ; / t ) Rp0 f = min (, 2 / t Rm ; / 20 ) 1, 9 3 1, 2 3 Bild 4: Berechnungsnennspannungen nach pren T3 außer Schrauben - 6 -

7 Sigma zul. (f) [N/mm²] Rm 2, Rp0,2 1, C 50 C 60 C 70 C 80 C 90 C 100 C Bild 5: Zul. Spannungen für P 265GH nach pren T3 Stärker betroffen sind jedoch die Feinkornbaustähle und niedrig legierte Stähle höherer Festigkeit (siehe Bild 6). Im vorliegenden Beispiel erhöht sich für den P 355 NH die Wanddicke auf Grund der niedrigen Berechnungsnennspannung bei Umgebungstemperatur im Vergleich zu den AD-Merkblättern um 13 % (Bild 7). Sigma zul. (f) [N/mm²] Rm 2,4 219 Rp0,2 1, C 50 C 60 C 100 C 150 C Bild 6: Zul. Spannungen für P355 NH nach pren T3-7 -

8 Für austenitische Stähle mit einer Bruchdehnung > 35 % wurde im Unterschied zu den AD-Merkblättern optional zu einem Sicherheitsbeiwert S = 1,5, ein verminderter Sicherheitsbeiwert S = 1,2 gegen die 1%- Dehngrenze R p1,0 in Verbindung mit einem Zugfestigkeitskriterium von S = 3 für die Zugfestigkeit bei Berechnungstemperatur eingeführt. Dies kann in Einzelfällen, z. B. beim , bei niederen Temperaturen zu einer Erhöhung der zulässigen Spannung im Vergleich zu den AD-Merkblättern von bis zu 11 % führen. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass eine Dimensionierung auf der Basis eines Sicherheitsbeiwertes S = 1,2 gegen R p1,0 bei verformungskritischen Bauteilen u.u. zu nicht akzeptablen Verformungen führt. Für höhere Temperaturen besteht das Problem, dass in den derzeit vorliegenden EN- Normen bisher keine Warmzugfestigkeitswerte ausgewiesen sind. Eine Gegenüberstellung der erforderlichen Wanddicken im zylindrischen Teil, für den Beispiel-Behälter für verschiedene Werkstoffe ist in Bild 7 dargestellt. Werkstoff pren AD-Merkblätter D (%) P355 NH 6,74 5,96 +13,0 P265 GH 7,86 7,64 +2, ) 8,0 8,64-7, (Duplex) 2) 5,14 4,67 +10,0 Bild 7: Erf. Wanddicke in [mm] für den zylindr. Teil des Beispielbehälters bei unterschiedlichen Werkstoffen 1) zul. Spannung min aus Rp 1, 0 und Rmt 1, 2 3, 0 Rp 2) zul. Spannung min aus 0, 2 / t 1, 5 und Rm / 20 2, 4-8 -

9 2.2.3 Gewölbte Böden Die Berechnungsregeln für gewölbte Böden basieren auf einer Synthese aus BS 5500, CODAP und AD und weichen hinsichtlich ihres Aufbaus bzw. Geltungsbereiches zum Teil erheblich vom AD-Merkblatt B3 ab. Gegenüber AD bietet die pren die Möglichkeit neben der Berechnung von Halbkugel-, Klöpper- und Korbbogenböden auch Berechnungen für elliptische und viele Arten von torisphärischen Böden durchführen zu können. Führt man für das vorliegende Beispiel eine Vergleichsrechnung durch, ergibt sich für den Klöpperboden bei gleicher zul. Berechnungsnennspannung eine um 4,5 % höhere Wanddicke nach pren Teil 3. Bringt man die unterschiedlichen zulässigen Spannungen mit in Ansatz, so erhöht sich die Wanddicke nach pren sogar um 15 % (Bild 8). Regelwerk s zul. nach pren13445 Erf. Wanddicke mit s zul. nach AD bzw. pren AD 9,55 8,68 pren 9,98 9,98 +4,5 % +15 % Bild 8: Erf. Wanddicke in [mm] für den Klöpperboden des Beispiel-Behälters Weitere Vergleichsrechnungen zeigen, dass das Ergebnis des Beispiel-Behälters repräsentativ ist. Demnach ergeben sich für Klöpperböden auf der Grundlage der pren ca. 5 % größere Wanddicken gegenüber dem AD-Merkblatt B

10 2.2.4 Ausschnitte Die Berechnung von Ausschnitten nach pren Teil 3 basiert wie im AD-Merkblatt B9 auf dem bewährten Flächenvergleichsverfahren für den Tragfähigkeitsnachweis. Abweichend von AD werden nach pren der Schweißnahtquerschnitt (Af w) der Stutzenkehlnaht mit in Ansatz gebracht. Dies ist in der Praxis nur in Grenzfällen von Bedeutung (s. Bild 9). Bild 9: Auszug aus pren T3 Darüber hinaus ist die mittragende Breite für das Stutzenrohr l b auf ( deb eb) eb begrenzt im Vergleich zu AD-Merkblatt 1,25 ( d + s ) s i s s Diese Begrenzung kann in Einzelfällen, wie dem vorliegenden Beispiel, durchaus von Bedeutung sein. Für den Beispiel-Behälter ergibt sich nach pren eine Unterdimensionierung des Ausschnittes (508 x 13 mm) von 9 %. Nach AD-Merkblatt B9 ist der Stutzen gerade noch ausreichend bemessen

11 Ein weiterer wesentlicher Unterschied besteht darin, dass in der pren die größte Stutzenwanddicke, die in der Verstärkungsberechnung berücksichtigt werden darf, ungünstiger definiert ist als im AD-Merkblatt B9 (Bild 10). In AD darf im Gegensatz zur pren unabhängig vom Öffnungsverhältnis maximal die 2fache Mantelwanddicke für den Stutzen bei der Verstärkungsberechnung angesetzt werden. AD-B9 Bild 10: Begrenzung des Wanddickenverhältnisses von Stutzen für die Verstärkungsberechnung nach pren T 3 und AD--B9 Ausschnittsberechnungen ab einem Öffnungsverhältnis von 0,3 werden nach AD-Merkblatt günstiger ausfallen, sofern, wie in der Praxis oftmals üblich, die Verstärkung des Ausschnitts über die Stutzenwanddicke optimiert wird Flanschverbindungen Die Berechnungsregeln des Kap. 11 der pren für Flanschverbindungen basieren auf der sog. Taylor- Forge-Methode und führen im Regelfall zu konservativen Dimensionierungsergebnissen. Der Nachweis erfolgt auf der Grundlage des Spannungskonzeptes und orientiert sich nicht an der Tragfähigkeitsgrenze

12 der Gesamtkonstruktion. Alternativ bietet die pren jedoch im Anhang G ein ausführliches Verfahren, das sich aus der TGL 32903/13 ableitet und als Wölfel-Methode bekannt wurde. Dieses Berechnungsverfahren ist sehr aufwendig, bietet allerdings die Möglichkeit äußere Einflüsse, wie z. B. Temperatureinflüsse zu berücksichtigen und den Nachweis der Dichtheit zu führen. Im Vergleich zur Taylor-Forge-Methode führt die Wölfel-Methode zu einer wesentlich wirtschaftlicheren Flanschdimensionierung. Vergleichsrechnungen für Flansche PN 10 nach DIN 2632 auf der Basis des Kap. 11 der pren mit dem AD-Merkblatt B8 ergeben eine bis zu 30 % höhere Belastbarkeit der Flanschverbindung nach AD (Bild 11). Dies bedeutet, dass sich bei der Auslegung von Flanschen nach Kap.11 der pren erheblich dickere Flanschausführungen ergeben. 2 pen/pad 1 0,8 0,86 0,71 0,76 1, DN Bild 11: Max. Belastbarkeit von DIN-Flanschen durch Innendruck - Vergleich AD mit EN Aufgrund der Komplexität der Berechnungsverfahren wurde im Rahmen dieses Vergleichs auf eine Gegenüberstellung von AD mit Anhang G der pren verzichtet

13 3. Zusammenfassung Im Vergleich zu den AD-Merkblättern ist die pren zum Teil detaillierter und enthält darüber hinaus zusätzliche und weitergehende Berechnungsverfahren. Allerdings behandelt sie keine Konstruktionen aus nichtmetallischen Werkstoffen, wie Graphit, Glas und GFK. Die gewählten Berechnungsansätze sind häufig umständlich bzw. kompliziert und daher wenig anwenderfreundlich. Dieses Defizit kann durch Einsatz der EDV ausgeglichen werden. Eine vergleichende Betrachtung der Berechnungsregeln für die Grundkomponenten des Behälterbaus zwischen AD und pren Teil 3 ergibt zum Teil erhebliche Abweichungen im Berechnungsergebnis. Dies ist nicht nur auf die unterschiedliche zul. Spannung, sondern auch auf Unterschiede im Berechnungsansatz zurückzuführen. Der untersuchte Beispielbehälter aus dem Werkstoff P355 NH müsste nach der pren deutlich dicker ausgeführt werden als nach den AD-Merkblättern. Im Gegensatz hierzu ergibt sich bei bestimmten austenitischen Behältern, die bei Umgebungstemperatur betrieben werden, wegen der höheren zulässigen Berechnungsspannung nach der pren ein erhebliches Einsparungspotential im Vergleich zu AD. Inwiefern sich die pren T3 als zukünftiger europäischer Code gegenüber den bisherigen nationalen Regelwerken durchsetzen wird, hängt maßgebend von der Verbesserung der Anwenderfreundlichkeit und der noch ausstehenden Praxisbewährung aber, insbesondere von der Wirtschaftlichkeit ab