ASME B31.3-Prozessrohrleitungscode: Besondere Aspekte bei der Konstruktion mit nicht genormten Legierungszusammensetzungen

ASME B31.3-Prozessrohrleitungscode: Besondere Aspekte bei der Konstruktion mit nicht genormten Legierungszusammensetzungen

Verständnis des Begriffs „nicht genormt“ im Kontext von B31.3

Im Rahmen der ASME B31.3 bezeichnet eine „nicht genormte“ Legierungszusammensetzung in der Regel ein metallisches Material, das nicht den in der Norm aufgeführten Spezifikationen entspricht Tabelle A-1 (zugelassene Rohrleitungswerkstoffe) oder dessen chemische/mechanische Eigenschaften außerhalb der festgelegten Toleranzbereiche der aufgeführten Spezifikationen liegen. Dazu gehören:

• Eigentümliche oder als Marke geschützte Legierungen (z. B. zahlreiche nickelbasierte Hochleistungslegierungen)

• Modifizierte Versionen genormter Werkstoffsorten (z. B. „316L Plus“ mit erhöhtem Stickstoffgehalt)

• Neue Legierungen, die noch nicht in die ASTM-/ASME-Werkstoffspezifikationen aufgenommen wurden

• Werkstoffe, die durch nicht-ASME-Normen geregelt sind (z. B. EN-, JIS-, GB-Normen) ohne nachgewiesene Äquivalenz

Der Konformitätsweg: Technische und dokumentarische Anforderungen

Wenn Standard-Spezifikationen nicht anwendbar sind, bietet B31.3 einen strukturierten, jedoch strengen Weg zur Einhaltung der Konformitätsanforderungen gemäß Absatz 323 (Werkstoffe) und verwandten Abschnitten.

1. Festlegung zulässiger Spannungen (Absatz 302.3 und Anhang A)

Für nicht aufgeführte Werkstoffe müssen Sie die zulässigen Spannungen gemäß Anhang A bestimmen. Dies erfordert:

• Kriechregime (> 815 °F / 435 °C für die meisten Legierungen): Spannungswerte basierend auf reißfestigkeit bei 100.000 Stunden kriterien.

• Bereich ohne Kriechen: Der niedrigste der folgenden Werte:

  • 1/3 der spezifizierten Mindestzugfestigkeit bei der jeweiligen Temperatur

  • 2/3 der spezifizierten Mindeststreckgrenze bei der jeweiligen Temperatur

  • 100 % der durchschnittlichen Spannung für eine Kriechgeschwindigkeit von 0,01 %/1.000 Stunden

  • 67 % der durchschnittlichen Spannung für den Bruch nach Ablauf von 100.000 Stunden

Praktische Herausforderung: Dies erfordert umfassende, zertifizierte prüfdaten bei erhöhter Temperatur vom Materialhersteller – oft die größte Hürde.

2. Erforderliche Materialdokumentation

Eine umfassende Dokumentation ist zwingend erforderlich und muss Folgendes umfassen:

• Zertifizierte Materialprüfberichte (CMTRs) mit vollständiger chemischer Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften

• Wärmebehandlungsspezifische Daten für Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung und Härte

• Korrosionsprüfdaten die für die Prozessumgebung relevant sind

• Schweißverfahren-Qualifikationsunterlagen unter Verwendung der tatsächlichen nichtstandardmäßigen Legierung

Wesentliche Konstruktionsüberlegungen und Anpassungen

1. Druckkonstruktion (Abschnitt 304)

Die grundlegende Wanddickeformel $t=PD\mathrm{/}(2(SE+PY))$gilt, jedoch mit kritischen Eingabewerten:

• S (zulässige Spannung): Wie oben ermittelt, nicht aus den veröffentlichten Tabellen der Norm B31.3.

• E (Qualitätsfaktor): Typischerweise 1,0 für nahtlose/geschweißte Rohre mit 100 % Durchstrahlungsprüfung, muss jedoch begründet werden.

• Konstruktionsdauer: Muss ausdrücklich angegeben werden, da die zulässigen Spannungen für nichtstandardmäßige Werkstoffe lebensdauerabhängig sind.

2. Flexibilitäts- und Dauerlastanalyse (Abschnitt 319 und 320)

• Elastizitätsmodul (E) und Wärmeausdehnung (α): Beschaffen Sie sich die vom Hersteller bestätigten Werte für alle Betriebstemperaturen. Gehen Sie nicht davon aus, dass sie mit Standardlegierungen übereinstimmen.

• Spannungssteigerungsfaktoren (i-Faktoren): Für nichtstandardmäßige Formstücke/Abzweigungen müssen Sie möglicherweise den konservativeren standard-i-Faktor von 2,0 verwenden oder alternative Werte durch Prüfung/Analyse begründen.

3. Werkstoffspezifische Fertigungsanforderungen

• Schweißen (Abschnitt 328): PQR/WPQ-Qualifikationen werden kritisch. Zu erwarten sind:

  • Heißrissprüfungen (z. B. Varestraint-Prüfung)

  • Korrosionsprüfungen von Schweißverbindungen (z. B. ASTM G48 zur Bestimmung der Lochfraßbeständigkeit)

  • Versuche zur spannungsarmen Nachwärmbehandlung (PWHT), um die Bildung schädlicher Phasen auszuschließen

• Umformen und Biegen (Abs. 332): Ermittlung der minimalen Biegeradien und der Wärmebehandlungsanforderungen mittels Versuchsbiegungen, da nichtstandardisierte Legierungen möglicherweise nur begrenzte Duktilität oder geringe Verfestigungsneigung beim Kaltumformen aufweisen.

4. Kerbschlagzähigkeitsprüfung (Abs. 323)

Die Freistellungs-Kurven in Abbildung 323.2.2A/B gelten nicht automatisch. Eine Kerbschlagzähigkeitsprüfung nach Charpy ist durchzuführen, wenn:

• Konstruktionstemperatur liegt unter -29 °C (-20 °F)

• Oder wenn das bekannte Verhalten oder die Einsatzgeschichte des Werkstoffs ein Risiko für Sprödbruch nahelegt

• Die Prüfung muss die schwerste Bedingung simulieren (z. B. nach der spannungsarmen Wärmebehandlung, bei Kaltumformung)

Die entscheidende Rolle der Korrosions- und metallurgischen Analyse

Bei nicht genormten Legierungen können die standardmäßigen Korrosionszuschläge (Abs. 323.2.1) unzureichend oder unnötig sein.

1. Festlegung eines projektbezogenen Korrosionszuschlags (CA):

   • Basierend auf probekörperprüfung in tatsächlichem oder simuliertem Prozessmedium

   • Muss berücksichtigt werden alle Betriebsphasen (Inbetriebnahme, Störung, Reinigung)

   • Die technische Begründung ausdrücklich in der Konstruktionsunterlage dokumentieren

2. Überprüfung der metallurgischen Stabilität:

   • Risiken der Bildung von sigma-Phase, Chi-Phase oder Laves-Phase in nickel-/chromreichem Legierungsmaterial während der Fertigung oder im Betrieb

   • Angeben kontrollmaßnahmen in Beschaffungs- und Fertigungsspezifikationen (z. B. maximale Wärmezufuhr, Abkühlgeschwindigkeiten)

Empfohlener Projektabwicklungsworkflow

Phase 1: Machbarkeit und Spezifikation

• Binden Sie frühzeitig einen Werkstoffingenieur ein. Definieren Sie die Technische Anfrage an den Legierungslieferanten mit der Bitte um alle erforderlichen Konstruktionsdaten.

• Erstellen Sie eine umfassende Werkstoffspezifikation mit Angaben zu chemischen Zusammensetzungen, Wärmebehandlung, Prüfungen, Kennzeichnung und Dokumentation.

• Leiten Sie die Qualifizierung von Schweißzusatzwerkstoffen ein parallel zum Materialbeschaffungsprozess.

Phase 2: Konstruktion und Analyse

• Führen Sie eine „Papierkonstruktion“ durch unter Verwendung konservativer, angenommener Eigenschaften.

• Nach Erhalt der zertifizierten Daten aktualisierung der Berechnungen und Ausstellung Konstruktionspaket mit:

  • Material-Datenblatt mit genehmigten Eigenschaftswerten

  • Begründungsschreiben zur Korrosion

  • Besondere Anforderungen an Fertigung und Prüfung

Phase 3: Beschaffung und Überwachung der Fertigung

• Prüfung der Werkszertifikate anhand Ihrer Projektspezifikation – nicht nur anhand der ASTM-Normen.

• Begutachtung kritischer Prüfungen (z. B. Wärmebehandlung, positive Materialidentifikation).

• Kette der Verantwortlichkeit aufrechterhalten zur Rückverfolgbarkeit aller nicht standardisierter Materialien.

Phase 4: Dokumentations- und Konformitätspaket

Zusammenstellung des endgültigen Ingenieurpakets zur Genehmigung durch den Auftraggeber und für eine mögliche behördliche Prüfung, einschließlich:

1. Memorandum zur Grundlage der Spannungsberechnung

2. Zertifizierte Materialprüfberichte mit wärmespezifischen Daten

3. Schweißverfahrensspezifikationen und Leistungsqualifikationen

4. Prüfberichte zur Schlagprüfung (falls erforderlich)

5. Korrosionsprüfdaten und Begründung der zulässigen Toleranzen

6. Konstruktionsberechnungen unter Bezugnahme auf die oben genannten Punkte

Häufige Fehlerquellen und Strategien zu deren Vermeidung

Fazit: Eine Philosophie der Begründung

Die Konstruktion mit nichtstandardmäßigen Legierungszusammensetzungen gemäß B31.3 verschiebt das Paradigma von vorgeschriebener Konformität bis zu nachweisbarer Leistung . Der Erfolg hängt ab von:

1. Frühzeitiges Engagement der Expertise im Bereich Werkstofftechnik

2. Umfassende Datenerfassung aus qualifizierten Quellen

3. Konservative, dokumentierte Analyse die die Werkstoffeigenschaften mit den Konstruktionsentscheidungen verbindet

4. Strenge Fertigungskontrolle die die vorgesehenen Eigenschaften des Werkstoffs bewahrt

Der Regelwerk-Code stellt den Rahmen dar, doch das Ingenieurteam liefert die Begründung. Indem jedes Anforderung systematisch behandelt und jede Annahme dokumentiert wird, können fortschrittliche Werkstoffe sicher eingesetzt werden, um spezifische Prozessherausforderungen zu bewältigen – und dies unter vollständiger Einhaltung der Zielsetzung von B31.3: der sicheren Auslegung und Errichtung von Prozessrohrleitungssystemen.