07 Neuwieser 2. Fassung

8/18/2019 07 Neuwieser 2. Fassung

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TÜV Akademie GmbHUnternehmensgruppe TÜV Süddeutschland

European PressureEquipment Conference

Ferdinand Neuwieser, TÜVSüddeutschland Bau und Betrieb

GmbH, Munich, Germany

The EN 13445 compared to AD 2000code in practice

5. EuropäischeDruckgerätetage

Ferdinand Neuwieser, TÜV SüddeutschlandBau und Betrieb GmbH, München

Die EN 13445 im Vergleich zum AD 2000Regelwerk anhand eines Praxisbeispiels


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Die EN 13445 im Vergleich zum AD 2000-Regelwerk anhand eines Praxisbeispiels

Ferdinand Neuwieser, TÜV Süddeutschland

Ulrich Killing, Fa. Cognis

Franz Griesmayr, Fa. G.I.G.

1. Einleitung

Am Beispiel eines konkreten Projekts wird nachfolgend ein Vergleich zwischen dem AD-

2000 Regelwerk und der EN 13445 hinsichtlich der Kriterien "Auslegung" und "Prüfung"

gezogen. Hierzu wurde aus dem Gesamtprojekt ein Wärmetauscher, ein so genannter

Fallfilmverdampfer ausgewählt.

Der Vergleich sollte für den Betreiber richtungweisend sein und als Entscheidungshilfe

über die künftige Anwendung der EN 13445 bzw. des AD 2000-Regelwerks als techni-

sche Spezifikation für weitere Projekte dienen. In diesem Zusammenhang war die Fra-

gestellung, inwiefern das gewählte Regelwerk die Anschaffungskosten beeinflusst, von

zentraler Bedeutung.

2. Beschreibung des Fallfilmverdampfers

Bei dem Fallfilmverdampfer handelt es sich um einen Wärmetauscher mit feststehendenRohrplatten und Kompensator im Mantelraum (s. Bild 1). Der Mantelraum wurde aus dem

Werkstoff P 460 NH nach EN 10028-3, der Rohrraum aus korrosionstechnischen Grün-

den aus dem Werkstoff 1.4539 nach EN 10028-7 gefertigt.


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Betriebsdaten:

Mantelraum Rohrraum

PS: 79 bar PS: -1/5 bar

TS: 350 °C TS: 350°C

P460 NH 1.4539

Rohrplatte sprengplattiert P355 NH +

1.4539

Flansche: C 22.8

Da = 1050

Bild 1 Fallfilmverdampfer

3. Auslegung

Im Hinblick auf die Auslegung können unterschiedliche Berechnungsergebnisse auf zwei

grundsätzliche Ursachen zurückgeführt werden:

1) Unterschiedliche Berechnungsnennspannungen

2) Unterschiedliche Berechnungsansätze


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3.1 Berechnungsnennspannungen

Die Berechnungsnennspannungen sind der Tabelle 6-1 bzw. für Schrauben dem Ab-

schnitt 11.4.3 der EN 13445 Teil 3 zu entnehmen (s. Bild 2). Die für dieses Projekt we-

sentlichen Unterschiede zum AD-Regelwerk, das so genannte "Zugfestigkeitskriterium" in

Form eines Sicherheitsbeiwertes von S = 2,4 für die Zugfestigkeit bei 20°C bei nicht aus-

tenitischen Werkstoffen, sowie die Variante eines verminderten Sicherheitsbeiwertes von

S = 1,2 gegen die 1 % Dehngrenze in Verbindung mit einem Zugfestigkeitskriterium von

S = 3 für die Zugfestigkeit bei Berechnungstemperatur für austenitische Stähle (A > 35%)

sind für die verwendeten Werkstoffe in den nachfolgenden Bildern 3 – 5 zusammenge-

fasst.

Nicht austenitische Stähle f = min )(4,2

;5,1

20//2,0 mt p R R

Austenitische Stähle, Bruch-

dehnung A > 30 %

f =

5,1

/0,1 t p R

Austenitische Stähle, Bruch-dehnung A > 35 %

f =5,1

/0,1 t p R oder

min )(3

;2,1

//0,1 t mt p R R

Schrauben aus C-Stahl f = min )(4

;3

/2,0 mt p R R

Bild 2 Berechnungsnennspannungen nach EN 13445 T3

Das Zugfestigkeitskriterium der EN hat auf die Berechnungsnennspannungen für den

P460 NH, der als Mantelwerkstoff des Fallfilmverdampfers verwendet wird, bei einer Be-

rechnungstemperatur von 350 °C keine Auswirkungen. Die Berechnungsnennspannun-

gen nach dem AD-Regelwerk und der EN 13445 sind ab ca. 200 °C identisch. Bei Be-

rechnungstemperaturen unter 200 °C ergibt sich nach dem AD-Regelwerk auf Grund des

Fehlens des Zugfestigkeitskriteriums eine zum Teil wesentlich günstigere Berechnungs-


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nennspannung (bis zu 20 %) (Bild 3). Ein ähnliches Bild ergibt sich für den P355 NH, derfür die Rohrplatte des Fallfilmverdampfers verwendet wird. Hier sind die Berechnungs-

nennspannungen bereits ab ca. 100 °C für beide Regelwerke identisch.

Bild 3 Berechnungsnennspannung für P460 NH

Für den als Flanschwerkstoff eingesetzten C 22.8 kommt das Zugfestigkeitskriterium bei

keiner Berechnungstemperatur zum tragen.

Ein anderes Bild ergibt sich für den auf der Rohrseite eingesetzten Werkstoff 1.4539nach EN 10028-7. Bei einer Berechnungstemperatur von 350 °C ergibt sich auf Grund

des verminderten Sicherheitsbeiwertes von S = 1,2 nach der EN 13445 eine um 25 %

höhere Berechnungsnennspannung als nach dem AD-Regelwerk (Bild 4).

268

248

222

300

209196

176

20°C 100°C 150°C 200°C 250°C 300°C 350°C

S i g m a z u l . [ N / m

m ² ]

237

Rm

2,4

Rp0,2

1,5

268

248

222

300

209196

176

20°C 100°C 150°C 200°C 250°C 300°C 350°C

S i g m a z u l . [ N / m

m ² ]

237

Rm

2,4

Rp0,2

1,5


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Bild 4 Berechnungsnennspannung für 1.4539 nach EN/AD

Auch bei dem verwendeten Schraubenwerkstoff C35E-Qt nach EN 10269 ergibt sich ein

erheblicher Unterschied. Im Vergleich zum AD-Regelwerk, welches bei Dehnschrauben

für den Betriebszustand einen Sicherheitsbeiwert von S = 1,5 gegen die 0,2 %-Dehngren-

ze festlegt, wird nach EN 13445 für Schrauben aus C-Stählen der kleinere Wert aus0,2%-Dehngrenze mit S = 3 oder Zugfestigkeit bei 20°C mit S = 4 als Berechnungsnenn-

spannung empfohlen, unabhängig davon, ob Dehn- oder Starrschrauben zum Einsatz

kommen (s. Bild 2). Im vorliegenden Fall ergibt sich bei TS = 350 °C für die Schrauben

der Flanschverbindung des Fallfilmverdampfers eine um 50 % niedrigere Berechnungs-

nennspannung nach EN (s. Bild 5).

Rp0,2 bzw. Rm/t

1,2 3

Rp0,2

1,5

EN

AD

173

110116

126136

146156

137145

150153160

166

173

20°C 100°C 150°C 200°C 250°C 300°C 350°C

S i g m a

z u l . [ N / m m ² ]

Rp0,2 bzw. Rm/t

1,2 3

Rp0,2

1,5

EN

AD

173

110116

126136

146156

137145

150153160

166

173

20°C 100°C 150°C 200°C 250°C 300°C 350°C

S i g m a

z u l . [ N / m m ² ]


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Bild 5 Berechnungsnennspannung für C35E-Qt nach AD/EN für Dehnschrauben

3.2. Ausnutzung der Berechnungsnennspannung in der Schweißnaht

Nach dem AD-Merkblatt HP 5/3 ist bei der Berechnung für die Mantelwerkstoffe P460 NH

und 1.4539 ein Ausnutzungsgrad von 100 %, d.h. v = 1,0 anzusetzen. In Tafel 6.6.1-1 der

EN 13445 Teil 5 wird auch für den P460 NH ( Werkstoffgruppe 1.3 ) ein Ausnutzungsgrad

von 100 % gefordert, für den 1.4539 (Werkstoffgruppe 8.2) lässt die EN alternativ auch85 % (z = 0,85) zu (Bild 6). Für den vorliegenden Fallfilmverdampfer wurde für beide

Werkstoffe ein Ausnutzungsgrad von 100% gewählt.

10090

8376 71

64 60

200

180166

152141

127121

20°C 100°C 150°C 200°C 250°C 300°C 350°C

S i g n m a z u l . [ N / m m ² ]

Rp0,2/t bzw. Rm

3 4

10090

8376 71

64 60

200

180166

152141

127121

20°C 100°C 150°C 200°C 250°C 300°C 350°C

S i g n m a z u l . [ N / m m ² ]

Rp0,2/t bzw. Rm

3 4

Rp0,2/t

1,5

EN

AD

10090

8376 71

64 60

200

180166

152141

127121

20°C 100°C 150°C 200°C 250°C 300°C 350°C

S i g n m a z u l . [ N / m m ² ]

Rp0,2/t bzw. Rm

3 4

10090

8376 71

64 60

200

180166

152141

127121

20°C 100°C 150°C 200°C 250°C 300°C 350°C

S i g n m a z u l . [ N / m m ² ]

Rp0,2/t bzw. Rm

3 4

Rp0,2/t

1,5

EN

AD


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Bild 6 Prüfgruppen für Druckbehälter aus Stahl mit den zul. Schweißnahtfaktoren

3.3 Zylindrischer Teil-Mantel

Die Berechnungsformeln für die Zylinderschale in der EN 13445 Teil 3 Abschnitt 7 sowie

dem AD-Merkblatt B1 basieren auf der Schubspannungshypothese und sind identisch.

Unterschiede im Berechnungsergebnis resultieren ausschließlich auf Unterschieden in

der Berechnungsnennspannung.

Bild 7 zeigt eine Gegenüberstellung der erforderlichen Wanddicken für den zylindrischen

Teil des Fallfilmverdampfers.

Werkstoff EN 13445 AD-Regel-werk

∆ (%)

P 460 NH 24.8 24.8 0

1.4539 1.9 2.4 20

Bild 7 Erforderliche Wanddicke [mm] für den zylindrischen Teil des Fallfilmverdampfers

(Mantel-/Rohrseite)


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3.4 Gewölbte Böden

Für den Fallfilmverdampfer wurde auf der Rohrseite ein Klöpperboden nach DIN 28011

verwendet.

Wie bereits in [1] beschrieben, unterscheiden sich in beiden Regelwerken die Berech-

nungsverfahren für gewölbte Böden hinsichtlich ihres Geltungsbereiches und Aufbaus

zum Teil erheblich.

Im Gegensatz zu den Korbbogenböden, bei denen geringfügige Unterschiede im Be-

rechnungsergebnis festgestellt werden können, haben Vergleichsrechnungen für Klöp-

perböden eine bis zu 5% größere Wanddicke nach der EN 13445 Abschnitt 7 gegenüber

dem AD-Merkblatt B3 ergeben.

Im vorliegenden Fall wurde auf Grund der um 25% höheren Berechnungsnennspannung

des 1.4539 erwartet, dass der Boden nach EN wesentlich dünner ausgeführt werden

kann als nach dem AD-Regelwerk.

Die Nachrechnung ergab jedoch ein unerwartetes Ergebnis - die erforderliche Boden-

wanddicke nach der EN liegt um 10 % oberhalb der nach AD (Bild 8). Ursächlich ist ein in

der EN enthaltenes Kriterium zur Überprüfung des plastischen Krempenbeulens bei

s/D < 0,005, welches im AD Merkblatt B3 nicht enthalten ist.

Werkstoff EN 13445 AD-Regel-werk

∆ (%)

1.4539 4.75 4.3 10

Bild 8 Erforderliche Wanddicke [mm] für den Klöpperboden

3.5 Feststehende Rohrplatte mit Kompensator

Die Auslegung von Rohrplatten gemäß Abschnitt 13 der EN basiert im Wesentlichen auf

dem amerikanischen Regelwerk (Gardner Methode). Die Berechnungsansätze sind sehr

detailliert und kompliziert und können nur mit EDV-Unterstützung wirtschaftlich angewen-


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det werden. Im Vergleich zum AD-Merkblatt B5 sieht die EN die Überprüfung einer Viel-zahl von Lastfällen - im vorliegenden Beispiel von 7 Lastfällen vor.

Der Berechnungsalgorithmus für Rohrplatten nach EN basiert auf dem Modell der elas-

tisch gelagerten Platte und berücksichtigt im Vergleich zum AD-Regelwerk eine Vielzahl

von Einzelfaktoren, wie z. B. die Axialsteifigkeit der Rohre, des Mantels, Kompensators,

Biegesteifigkeit des Mantels, die Verschwächung der Platte durch die Bohrungen

(s. Bild 9).

Bild 9 Berechnungsmodell für Rohrplatten nach EN 13445 Teil 3

Diese Faktoren werden bei der Ermittlung des sog. „effektiven Druckes Pe“ berücksich-

tigt, der als Ersatzgröße für PS in die gängige Plattenformel eingesetzt wird.


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In beiden Regelwerken ergibt sich die erforderliche Plattendicke u.a. in Abhängigkeit von

der Stützwirkung der Rohre. Mit zunehmender Plattendicke, bis zum Grenzfall der selbst-

tragenden Platte, können die Wärmetauscherrohre dünner dimensioniert werden.

Bei der Bewertung der Tragfähigkeit der Platte unterscheiden sich die beiden Regelwerke

erheblich. Das AD Regelwerk berücksichtigt die Stützwirkung der Wärmetauscherrohre

nur begrenzt. Ein Zusammenhang zwischen Rohrwanddicke und Rohrbodendicke wie

nach EN lässt sich nach AD nicht herleiten. Nach EN wird bei gleicher Plattendicke eine

größere Stützwirkung der Rohre erforderlich als nach AD. Im vorliegenden Fall einer 80

mm dicken Rohrplatte führt dies zu einer Unterdimensionierung der Wärmetauscherrohre

(60,3 x 3,8) im Randbereich nach EN um 50 % (s. Bild 10).

Nach dem AD-Merkblatt B5 liegt für diesen Fall eine noch ausreichende Bemessung der

Wärmetauscherrohre vor. Die Rohrbodendicke könnte nach AD bei einer Rohrwanddicke

(3.8 mm) der Wärmetauscherrohre auf 65 mm reduziert werden.

Abnahme der erforderlichen Wanddicke der Rohre mit

zunehmender Rohrbodendicke

5,8

44,2

4,44,64,8

55,25,45,65,8

6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

Rohrbodendicke

e r f o r d e r l i c h e

R o h r w a n d d i c k e

Rohrwanddicke

Bild 10 Einfluss der Stützwirkung der Rohre auf die Rohrbodendicke nach EN 13445 für den Fallfilmver-

dampfer


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Im Rahmen der vergleichenden Betrachtung zwischen EN und AD wurde ein Schwach-punkt im AD-Regelwerk aufgedeckt. Im Vergleich zur EN wird bei der Dimensionierung

des Wärmetauscherrohres keine Vergleichsspannungsbetrachtung unter Berücksichti-

gung aller Belastungsgrößen durchgeführt (s. Abschnitt 13.5.6.2 der EN 13445 Teil 3).

Für den Fallfilmverdampfer liegt unter Berücksichtigung des oben genannten Kriteriums

eine gerade noch ausreichende Bemessung des Wärmetauscherrohres nach AD vor.

3.6 Flanschverbindung

Die im Abschnitt 11 der EN beschriebene Berechnungsmethode basiert auf der so ge-

nannten Taylor-Forge-Methode und führt im Regelfall zu konservativen Berechnungser-

gebnissen im Vergleich zum AD-Merkblatt B8. Das Nachweisverfahren erfolgt auf Grund-

lage des Spannungskonzeptes und orientiert sich nicht an der Tragfähigkeitsgrenze der

Flanschverbindung. Ein alternatives, weniger konservatives Verfahren bietet die EN im

Anhang G. Dieses Verfahren wurde als so genannte "Wölfel-Methode" bekannt und bietet

die Möglichkeit, unterschiedliche Randbedingungen, wie z.B. Temperaturunterschiede,

Rohrleitungsmomente bei gleichzeitigem Nachweis der Dichtheit zu berücksichtigen.

Bisher kommt dieses komplexe Verfahren in der Praxis kaum zum Einsatz, da erforderli-

che Dichtungskennwerte bzw. verlässliche Berechnungsprogramme noch nicht zur Ver-

fügung stehen.

Im vorliegenden Fall wurde deshalb der Apparateflansch des Fallfilmverdampfers (C22.8)

nach Abschnitt 11 der EN ausgelegt und mit dem AD-Merkblatt B8 verglichen.

Nach EN 13445 Abschnitt 11 ergibt sich eine um 6.8 % höhere Flanschblattdicke alsnach dem AD-Merkblatt B8 (s. Bild 11).

Werkstoff AD EN ∆ (%)

C 22.8 541) / 59 63 6.8

1) Verformungskriterium nach AD B8 < 1° ist nicht eingehalten

Bild 11 Erforderliche Flanschblatthöhe in [mm] für den Apparateflansch für den Betriebszustand


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Vergleichsrechnungen zwischen AD-Merkblatt B8 und EN 13445 Abschnitt 11 für die Be-lastbarkeit von DIN-Flanschen bestätigen tendenziell das oben genannte Ergebnis. Nach

AD ergibt sich in Abhängigkeit von der Flanschgröße eine bis zu 25 % höhere Belastbar-

keit im Vergleich zur EN (s. Bild 12).

Bild 12 Auslastung von DIN-Flanschen bei Auslegung nach EN 13445 bzw. AD-Regelwerk

3.6.1 Schrauben

Nach dem AD-Merkblatt B7 sind aus spannungstechnischer Sicht 21 Dehnschrauben

für den Apparateflansch ausreichend, nach EN sind 43 erforderlich. Dies ist auf die um

100 % höhere Berechnungsspannung nach AD für Dehnschrauben zurückzuführen. Der

Konstruktionszuschlag von 3 mm wie er nach dem AD Merkblatt B 7 Abschnitt 7 für

Starrschrauben gefordert wird, entfällt bei Dehnschrauben.

Allerdings fordert das AD Merkblatt B8, dass zur Gewährleistung einer gleichmäßig über

den Flansch verteilten Anpresskraft die Schraubenteilung nicht unter 5 x dL liegen soll.Daraus ergibt sich eine erforderliche Schraubenanzahl von 31 mit einer Spannungsreser-

ve von 52% für den Betriebszustand.


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Werkstoff AD EN

C35E-Qt 21 / 311) 43

1) Kriterium für die Schraubenteilung < 5 x dL ist maßgebend nach AD B8

Bild 13 Anzahl der erforderlichen Dehnschrauben für den Betriebszustand

4. Prüfung des Fallfilmverdampfers

4.1 Zerstörungsfreie Prüfung

Nachfolgend werden die erforderlichen zerstörungsfreien Prüfungen nach EN 13445 Teil

5 Abschnitt 6.6 und dem AD-Merkblatt HP 5/3 verglichen. Wie den Bildern 14 bis 15 zu

entnehmen ist, ist der Prüfumfang bei der US- / Durchstrahlungsprüfung nach dem AD-

Merkblatt HP 5/3 für den 1.4539 bei der Rundnaht niedriger als nach EN. Allerdings bietet

die EN im Gegensatz zum AD-Regelwerk bei "zufriedenstellender Erfahrung", d.h. für den

Werkstoff 1.4539 eine Fertigung von 50 aufeinander folgenden Behältern bzw. 100 m

Schweißnaht ohne Beanstandungen, eine Reduzierung des Prüfumfanges auf 10 %.

Für den P460 NH fordert das AD-Regelwerk einen höheren Prüfumfang bei der Farbein-

dringprüfung (s. Bild 15). Der geforderte Prüfumfang bei der Durchstrahlungsprüfung ist

identisch. Beide Regelwerke sehen für diesen Werkstoff keine Erleichterungen bei ent-

sprechender Erfahrung vor.

Werkstoff LN RN St Stutzen- undKehlnähte

P460 NH 100 / 100 100 / 100 100 / 100 -1.4539 100 1) / 100 100 1) / 25 100 1) / 100 -

1) Erleichterung auf 10 % bei Erfahrung, d.h. 50 aufeinander folgende Druckbehälter bzw. 100 m Schweißnaht ohneBeanstandung

Bild 14 Zerstörungsfreie Prüfungen nach EN 13445-5 / AD-HP 5/3US- bzw. Durchstrahlungsprüfung


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Werkstoff LN RN St Stutzen- undKehlnähte

P460 NH 10 / 25 10 / 25 10 / 25 100 / 1001.4539 10 / 10 10 / 10 10 / 10 100 1) / 10

1) Erleichterung auf 10 % bei Erfahrung, d.h. 50 aufeinander folgende Druckbehälter bzw. 100 m Schweißnaht ohneBeanstandung

Bild 15 Zerstörungsfreie Prüfungen nach EN 13445-5 / AD HP 5/3FE- bzw. MP-Prüfung

4.2 Arbeitsprüfungen

Bei der Festlegung der Arbeitsprüfungen ergeben sich nach dem AD-Merkblatt HP 5/2

und der EN 13445 Teil 4 Abschnitt 8 nahezu identische Prüfumfänge. Darüber hinaus

gibt es keine Unterschiede hinsichtlich der Anforderungen zur Inanspruchnahme von Er-

leichterungen. Für den Werkstoff 1.4539 fordert die EN im Vergleich zum AD-Regelwerk

eine schmelzenbezogene Prüfung. Für den vorliegenden Fallfilmverdampfer führt dies

jedoch zu keiner Erhöhung des Prüfumfanges (s. Bild 16, 17).

P460 NH Gr. 1.3 1 Prüfstück je Behälter und Schmelze 1)

1.4539 Gr. 8.2 1 Prüfstück je Behälter und Schmelze 1)

1) Erleichterung nach 50 Probeplatten

Bild 16 Arbeitsprüfungen nach EN 13445-4 - Längsnähte

P460 NH Gr. 3 1 Prüfstück je Behälter und Schmelze 1)

1.4539 Gr. 7 1 Prüfstück je Behälter,schmelzen-unabhängig 1)

1) Erleichterung nach 50 Probeplatten

Bild 17 Arbeitsprüfungen nach AD-HP 5/2 - Längsnähte


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Zusammenfassung

Allen Beteiligten – Herstellern, Betreibern und Benannte Stellen – war am Anfang des

Projektes bewusst, dass nicht alle Unterschiede zwischen dem AD-Regelwerk und der

EN mit den entsprechenden Auswirkungen im Vorfeld exakt erfasst werden können. Wie

sich im Verlauf des Projektes tatsächlich herausstellte, enthält die EN zum Teil Detailre-

gelungen, deren Konsequenzen im Vorfeld nicht abschätzbar waren.

Mit fortschreitendem Projektverlauf gaben die auftretenden Schwierigkeiten bei der Mate-

rialbeschaffung sowie die Mehrkosten bei der Herstellung von ca. 15 – 20 % den Aus-

schlag für den Hersteller und Betreiber, auf das AD-Regelwerk zu wechseln.

Nach EN 13445 dickere Rohre für das Rohrbündel, dickere Apparateflansche sowie die

Erhöhung der Schraubenanzahl waren die wesentlichen Faktoren für die oben genannten

Mehrkosten.

Obwohl für den Hersteller und den Betreiber eine Anwendung des europäischen Regel-

werks als Standardregelwerk wünschenswert ist, sprechen derzeit bei diesem Apparate-

typ die Mehrkosten dagegen.

Literaturverzeichnis:[1] Auslegung von Druckbehältern nach harmonisierten Normen im Vergleich zum bis-

herigen AD Regelwerk - F. Neuwieser - DVS Berichte 223 Schweißen im Anlagen-

und Behälterbau

[2] DIN EN 13445 Unbefeuerte Druckbehälter

[3] AD 2000-Regelwerk

[4] CEN Conference Paper Brüssel 2002

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