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B31.PPT 09/03

The new One

The new One – the best one for you

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6. Europäische Druckgerätetage 2005

Dr. Dirk Kölbl

Sprödbruchvermeidung nach ASME Code - wie geht das denn?

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OneBeaconAmerica Insurance

Company

Boston, USA

RWTÜVSystems GmbH

Essen, Germany

Technische Inspektions GmbH, Essen

ONE/TÜV/BV

FMTUEV.PPT 04/02

BureauVeritas

Paris, France

1/3 1/31/3

Experten für ASME Boiler and Pressure Vessel CodeHerstellerzulassung, Beratung, Abnahme, Berechnung, Schulung

Im ASME Code wird keine Kerbschlagerprobung

gefordert!

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Sprödbruch

Materialeigenschaften

Beanspruchung

Zeit

Umgebung

Sicherheit gegen Sprödbruch

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Materialeigenschaften• Festigkeit• Zähigkeit• Wanddicke• Gestaltung• Bearbeitung, Schweissen, Wärmebehandlung• Imperfektionen• Zusammensetzung,Gefüge

Belastung• Statisch• Dynamisch• Spannungsspitzen• Mehrachsiger Spannungszustand

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Zeit• Belastungsgeschwindigkeit• Historie• Materialveränderungen

Umgebung• Temperatur• Medien• Korrosion• Strahlung

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Sprödbruch

Ein seltenes Bild: Sprödbruch eines ASME Code Druckbehälters während der Druckprobe

Sprödbruch

Warum sieht nicht jeder ASME Behälter so aus?

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Verantwortung

Betreiber-spezifikation

Evaluierung der Sprödbruchgefahr

Materialbestellung+/- KBZ, Temperatur

+/- ArbeitsprobenMit KBZ

Qualifikation der WPS+/- KBZ

Hersteller des Druckgerätes

Zeugnis Protokoll PQR

AI überprüft

AI überprüft

DataReport

Kerbschlagbiegezugversuch

Impact Test (KBZ):

• ASME Code verlangt Charpy-V nach ASTM E-23

• Test bei kältester Auslegungstemperatur

• + Einfache, schnelle, preisgünstige Versuche

• + kleine Proben

• + Reihenversuche üblich

• - starke Vereinfachung, nicht immer realistisch

• - grosse Streuung

• - Resultate nicht für Auslegung zu verwenden

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Section I: Dampfkessel

Sprödbruchvermeidung durch:• Vorschreiben der Materialauswahl

• Begrenzen der Spannungen

• Glühen nach dem Schweissen

• Zerstörungsfreie Prüfung

• Konstruktive Einschränkungen

• Keine tiefen Betriebstemperaturen

• Druckprobe des gesamten Kessels,min. 21°C

• Kerbschlagerprobung nur inbestimmten Materialnormen

Section VIII: DruckbehälterSprödbruchvermeidung durch:• Bruchmechanik (Division 3)

• Verpflichtung zur Kerbschlagerprobung Ausnahmen sind präzise definiert!

• Materialauswahl

• Begrenzen der Spannungen

• Glühen nach dem Schweissen (Ausnahmen)

• Zerstörungsfreie Prüfung (Ausnahmen)

• Konstruktive Einschränkungen

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Kerbschlagbiegezugversuch

Impact Test (KBZ) in den Materialnormen:

• 267 mal in den ASME Materialnormen

• In allen Spezifikationen ist KBZ eine Option

• Bestimmte Materialnormen verlangen KBZ,(z.B. SA-350 Forgings for low temperature service)

Impact Test (KBZ) im Construction Code:

• Abhängig von der Section (I, III, IV, VIII, XII)

• Einsatzzweck bestimmt Ausnahmen

• Auswirkung auf WPS Qualifikation und Geltungsbereich.

FMTUEV.PPT 05-03

Beispiel: Druckbehälter Beispiel: Druckbehälter ––ASME Code ASME Code SectionSection VIII VIII -- Division 1, CDivision 1, C--StahlStahl

Bild: Calorifer AG, Elgg, Switzerland

Fabrikschild: MAWP 2000 kPa at 300°CMDMT -29° C at 2000 kPa

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FMTUEV.PPT 05-03

Evaluierung der Sprödbruchgefahr für jedes Teil: 1. Pauschalausnahmen nach UG-20(f)2. Material und Wanddickenbeurteilung nach UCS-66(a)3. Bonus Spannungsausnutzung nach UCS-66(b)4. Bonus Spannungsarmglühen nach UCS-68(c)

Bild: Calorifer AG, Elgg, Switzerland

1. Pauschalen UG - 20 (f)

SEC81.PPT 10/02

UG-20 (f) Impact testing per UG-84 is not mandatory for pressure vessel materials whichsatisfy all of the following:

(1) The material shall be limited to P-No. 1, Gr. No. 1 or 2, and the thickness, as defined in UCS-66(a) [see also General Note (1) in Fig. UCS-66.2], shall not exceed thatgiven in (a) or (b) below:

(a) 1/2 in. ( 13 mm) for materials listed in Curve A of Fig. UCS-66;

(b) 1 in. (25 mm) for materials listed in Curve B, C, or D of Fig. UCS-66.

(2) The completed vessel shall be hydrostatically tested per UG-99(b) or (c) or 27-3.

(3) Design temperature is no warmer than 650°F (343°C) nor colder than -20°F (-29°C). Occasional operating temperatures colder than -20°F (-29°C) are acceptable when due to lower seasonal atmospheric temperature.

(4) The thermal or mechanical shock loadings are not a controlling design requirement.

(5) Cyclical loading is not a controlling design requirement. (See UG-22.)

Ausnahme von KBZ, wenn (1)-(5) erfüllt sind

(1) Kohlenstoffstahl, max. 13 bzw. 25 mm dick

(2) Wasserdruckprobe

(3) Auslegungstemperaturen von -29 bis 343°C

(4) Belastung nicht dynamisch

(5) Keine Wechselbeanspruchungen

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2. Material und Wanddickenbeurteilung nach UCS-66 (a)Beispiel: Curve B

A B

C

D

(b) Curve B applies to(1)...

SA-516 Grades 65 and 70 if not normalized...

(2) ...(3)all Pipe, Fittings, Forgings

and Tubing not listed forCurves C and D below;

(4)...

30mm WanddickeSA-516 Gr. 70:Kurve B Material

SEC81.PPT 02/05

Geforderte MDMT -29°C liegt unter der Kurve B (2°C für 30mm), daher KBZ als zusätzlicher Nachweis erforderlich!

SEC81.PPT 02/05

3. Bonus Spannungsausnutzung UCS-66(b)

Rat

io: (

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c)

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Rat

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°C

Fig. UCS-66.1M Reduction in Minimum Design Metal Temperature without Impact Testing

Wert der Kurve B (2°C für 30mm)Abzüglich Bonus (10°C)Resultat: - 8°C

Geforderte MDMT -29°C liegt unter der Ausnahmetemperatur, daher KBZ als zusätzlicher Nachweis erforderlich!

Beispiel: Ratio = 0,82: Bonus 10°C

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SEC81.PPT 09/03

4. Bonus Spannungsarmglühen nach UCS-68(c)

UCS-68(c) If postweld heattreating is performed when it isnot otherwise a requirement of this Division, a 30°F (17°C) reduction in impact testingexemption temperature may begiven to the minimumpermissible temperature fromFig. UCS-66 for P-No. 1 materials. The resultingexemption temperature may becolder than -55°F (-48°C).

Wert der Kurve B (2°C für 30mm)Abzüglich Bonus (10°C)Abzüglich Bonus (17°C)Resultat: - 25°C

Geforderte MDMT -29°C liegt unter der Ausnahmetemperatur, daher KBZ als zusätzlicher Nachweis erforderlich!

Beispiel: Freiwillig Spannungsarmglühen nach dem Schweissen: 17°C Bonus

FMTUEV.PPT 05-03

Beispiel: Druckbehälter Beispiel: Druckbehälter ––ASME Code ASME Code SectionSection VIII VIII -- Division 1, Division 1, AustenitischerAustenitischer Edelstahl AISI Type 316Edelstahl AISI Type 316Fabrikschild: MAWP 2000 kPa at 100°C

MDMT -196° C at 2000 kPa

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SEC81.PPT A99

UHA-51 (d) Impact testing is not required for Table UHA-23 Base Metalswhen the nominal thickness is less than 0.099 in. (2.5 mm) or for the following combinations of base metals and heat affected zones (if welded) and MDMT's, except as modified in UHA-51 (c):

UHA-51 (d)(1 ) for austenitic chromium-nickel stainless steels as follows:

(a) Types 304, 304L, 316, 316L, 321 and 347 at MDMT's of -320°F (-196°C) and warmer;

(b) those types not listed in (d)( 1 )(a) above and having a carbon content not exceeding 0.10% at MDMT's of -320°F (-196°C) and warmer;

(c) having carbon content exceeding 0.10% at MDMT's of -55°F and warmer(d) for castings at MDMT's of -20°F (-29°C) and warmer;

UHA-51 (d)(2) for austenitic chromium-manganese-nickel stainless steels (200 series) as follows: (a) having a carbon content not exceeding 0.10% at MDMT's of -320°F (-196°C) and warmer;(b) having a carbon content exceeding 0.10% at MDMT's of -55°F and warmer~(c) for castings at MDMT's of -20°F (-29°C) and warmer;

UHA-51 (d)(3) for the following cast and wrought steels at MDMT's of -20°F (-29°C) and warmer: (a) austenitic ferritic duplex steels with a nominal thickness of 3/8 in. ( 10 mm) and thinner(b) ferritic chromium stainless steels with a nominal thickness of 1/8 in. (3.2 mm) and thinner; (c) martensitic chromium stainless steels with a nominal thickness of 1/4 in. (6 mm) and thinner.

Evaluierung Sprödbruchgefahr Edelstahl

Grundwerkstoff: Ausnahme bis -196°C!Aber Achtung:

• Schweissverfahren sind mit KBZ bei -196°C zu qualifizieren!• Zusatzwerkstoff ist mit KBZ bei -196°C zu qualifizieren!

Bemerkungen: • Unter -196°C ist ASTM E-1820 JIC Test und Arbeitsprobe gefordert!• Wärmebehandlung 480-900°C fordert KBZ nach UHA-51(c)!• KBZ ist für Duplexstähle gefordert!• UHA-51 lesen!

Im ASME Code wird keine Kerbschlagerprobung

gefordert!

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Fazit: Im ASME Code wird ein

umfassendes Konzept zur Vermeidung von Sprödbrüchen

angewandt.

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The new One

Vielen Dank für Ihre Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!Aufmerksamkeit!

Y:\EIGENVA\2005\06_Europ Druckgerätetage\Internet\10_NEU Abstract kölbl 2005 rev1.docC:\Dokumente und Einstellungen\koelbl\Lokale Einstellungen\Temporary Internet Files\OLK26C\Abstract kölbl 2005.doc

Abstract Prevention of Brittle Fracture according to the ASME Code – how does it work? Dr. Dirk Kölbl Technical Director One/TÜV/BV ASME Codes do not require Impact Testing – this -statement is not correct, although frequently repeated. After a brief summary of the factors influencing brittle fracture, this presentation indicates how the ASME Code takes account of these. . Some of the factors are obvious and some are hidden in the text of the Code. For Power Boilers and Pressure Vessels the concept of preventing brittle fracture is presented. The effects of design temperature, material properties, thickness, design stress, heat treatment, non-destructive examination and pressure testing are combined in a comprehensive analysis for proving ductility of the material in service, or safety against brittle fracture in service. Charpy-V Impact tests and other methods of testing, play an important role in this analysis. Exemptions from performing verification testing are possible under conditions where brittle fracture can be excluded. Examples illustrate the correct application of the concept for some pressure vessels. The subject is certainly in the top three of FAQs on ASME Code and it is one of the keystones in correct application of the ASME Code rules, whether with ASME stamp or CE marking.