TWI: BS7910:2013

BS7910

• BS7910 ist ein Merkblatt zu Methoden zur Bewertung der Zulässigkeit von Fehlern in metallischen Strukturen.
• Sie wird benötigt, weil alle metallischen Strukturen (insbesondere diejenigen, die geschweißt sind) Fehler irgendeiner Art ernthalten (Risse, Einschlüsse, unzureichende Aufschmelzung oder Eindringtiefe, Poren, Korrosionsschäden ...) die, wenn sie ausreichend ausgeprägt sind, zum Versagen führen können.
• BS7910 bildet die Grundlage zur Entscheidung was 'ausreichend ausgeprägt' ist, insbesondere basierend auf Bruchmechanik-Prinzipien anstelle von Meinungen, allgemeiner Praxis und direktem Testen etc.
• BS7910 und ihre Vorgängerin, das Published Document PD6493, wurden um 1980 erstmals publiziert, aber 2013 wurde eine neue Ausgabe publiziert.
• Sie wurde in Großbritannien von der British Standard Institution publiziert, aber wird inzwischen weltweit eingesetzt, insbesondere von der Upstream-Öl- und Gasindustrie, der Energieerzeugungsindustrie, der chemischen Industrie, im Bauwesen sowie in der Luft- und Raumfahrt.
• Sie wurde von einer Expertengruppe aus der Industrie, von Universitäten und Forschungsinstituten entworfen und von der British Standard Institution (BSI) publiziert, die auch das Copyright hält.

• Das Hauptkomitee (WEE/37) bestand aus 20 Mitgliedern plus 11 Paneelen:
• • Bruchmechanik
  • Korrosion und umweltbedingte Korrosion
  • Zuverlässigkeit
  • Materialeigenschaften
  • Zerstörungsfreie Prüfung
  • (BS7608)
  • Ermüdung
  • Eigenspannungen
  • Kriechen
  • Offshore-Bauwerke
  • (Festigkeitsberechnung)

• PD6493:1980 -> PD6493:1991 -> BS7910:1999 -> BS7910:2005 -> BS7910:2013
• Die hauptsächlichen Änderungen zwischen BS7910:2005 und BS7910:2013 wurden in folgenden Gebieten durchgeführt:
• • Bruchmechanik (extensive Änderungen)
  • Zerstörungsfreie Prüfung
  • Bestimmun der Korrosion

• Korrektur von Fehlern oder Zweideutigkeiten in der Ausgabe von 2005
• Harmonisierung mit anderen Prozeduren (wie z.B. R6 und FITNET) soweit möglich
• Einschluss von fortschrittlichen Technologien wie 'Constraint Analysis' und 'Weld Strength Mismatch'
• Der Einsatz von einfachen und konservativen Methoden soll (z.B. für ältere Strukturen, über die wenig Daten vorliegen) weiterhin möglich sein
• Kompatibilität mit früheren Ausgaben von BS7910 wo immer möglich (um Nachbearbeitung zu minimieren)

• Die Clause genannten Klauseln 7-9 werden im Webinar erläutert:
• • Clause 7 zur Bruchmechanik (Fracture)
  • Clause 8 zur Ermüdumg (Fatigue)
  • Clause 9 zum Kriechen (Creep)

• Die Annex genannten Anhänge werden im Webinar kurz vorgestellt:
• • Annex N: 'Allowance for constraint effects'
  • Annex T: 'Guidance on the use of NDT with ECA (Engineering Critical Assessment)'
  • Annex U: 'Worked examples in fatigue assessment using the quality category procedure'
  • Annex G: 'The assesment of locally thinned areas (LTAs)'
  • Annex Q: 'Residual stress distribution in as-welded joints'
  • Annex P: 'Compendium of reference stress and limit load solutions...'
  • Annex L: 'Fracture toughnes determination for welds'
  • Annex J: 'Use of Charpy V-notch impact tests to estimate fracture toughness'
  • Annex M: 'Stress intensity factor solutions'
  • Annex R: 'Determination of plasticity interaction effects'
  • Annex K: 'Probalistic assessment'

• Die nächste Ausgabe von BS7910 wird substantielle Teile der europäischen FITNET- und R6-Prozeduren enthalten aber weiterhin einige Konzepte früherer Ausgaben enthalten
• Neue Bruchmechanik-Klauseln und entsprechende Anhänge (Annex I, L und Q) haben besondere Signifikanz für geschweißte Strukturen (z.B. Eigenspannung, Mismatch, Festlegung von K_mat)
• Der Entwurf zur öffentlichen Kommentierung wurde Ende 2012 herausgegeben und die vollständige Veröffentlichung fand Mitte 2013 statt.
• Drei Seminare zur Präsentation der neuen Prozedur wurden 2012 in London, Houston und Aberdeen gehalten
• Weitere Informationen sollten 2013 beim ESIA12-Seminar in Manchester und der ASME-PVP-Konferenz in Paris veröffentlicht werden

Dieses Webinar ist ein Update des Webinars von vor zwei Jahren über die Änderungen in BS7910:2013. Es geht hier nicht um die zugrundeliegenden Gleichungen sondern es wird vorgestellt, warum die Norm überarbeitet wurde:

• Was ist BS7910?
• Warum wird BS7910 überarbeitet?
• Was wird geändert werden?
• Begleitende Maßnahmen

Was ist BS7910?

BS7910 ist ein 'Merkblatt zu Methoden zur Bewertung der Zulässigkeit von Fehlern in metallischen Strukturen' (a "Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures"). Die Terminologie 'Merkblatt' ("Guide") wird hier gewählt, weil es sich nicht um eine verbindliche Vorschrift oder Spezifikation handelt, d.h. dass die Worte 'sollen' oder 'müssen' darin nicht vorkommen.

Sie wird benötigt, weil alle metallischen Strukturen (insbesondere geschweißte) Fehler irgendeiner Art enthalten (Risse, Einschlüsse, unzureichende Aufschmelzung oder Eindringtiefe, Poren, Korrosionsschäden ...), die, wenn sie wenn sie ausreichend ausgeprägt sind, zum Versagen führen können. 

BS7910 bildet die Grundlage zur Entscheidung was 'ausreichend ausgeprägt' ist, insbesondere basierend auf Bruchmechanik-Prinzipien anstelle von Meinungen, allgemeiner Praxis und direktem Testen etc.

Rückblick

Die Entwicklung von BS7910:2013 wurde im Wesentlichen durch den Bedarf der Offshore Öl- und Gasindustrie im Vereinigten Königreich von Großbritannien und Nordirland vorangetrieben:

• Neue Werkstoffe und Herstellungsverfahren
• Hohe zyklische Ermüdungslasten bei niedriger Umgebungstemperatur (im Vergleich zu anderen Offshore-Installationen z.B. im Golf von Mexiko)
• Kurzes Wetter-Fenster
• Verständnis von katastrophischem Versagen
• Unterscheidung zwischen gefährlichen und harmlosen Fehlern

Layout

Es gibt 10 Klauseln, die die hauptsächlichen Versagensursachen beschreiben:

• Bruch (Fracture, Clause 7)
• • Option 1
  • Option 2
  • Option 3
• Ermüdung (Fatigue, Clause 8)
• • Bruchmechanik
  • Qualitätskategorie
• Kriechen und Ermüdungskriechen (Creep and creep fatigue, Clause 9)
• Andere Mechanismen (Other modes, Clause 10)
• • Korrosion
  • Knicken
  • Leckagen
  • Plastische Verformung (Yielding)
  • Erosion

Es gibt 21 Anhänge: Stress intensity factor/reference stress/residual strss solutions, C_v-K_mat correlations, LBB, misalignment, mixed-mode fracture, NDT (non-destructive testing, zerstörungsfreie Prüfung), effects of strenght mismatch …

• Amendment 1 (herausgegeben im Juli 2015) war ein kompletter Ersatz
• Corrigendum 1 war eine im September 2015 herausgegebene Korrektur
• Corrigendum 2 war eine im August 2016 herausgegebene Korrektur

• BS7910 Komitee
• • Aktiv seit den 1970er Jahren
  • Offshore-Bauwerke, Brücken, Pipelines, Druckbehälter und Anlagenbau
• R6/R5 Paneele
• • Aktiv seit den 1970er Jahren
  • Nuklearanlagen
  • AGR, PWR
  • PLEX, PLIM
  • Schnittstelle zur zerstörungsfreien Prüfung

Vergleich mit anderen Prozeduren

Die BS7910 zugrundeliegende Technologie ist öffentlich zugänglich und entspricht der von beispielsweise R6, API 578.1/ASME FFS-1, FITNET/SINTAP mit folgenden Ausnahmen:

• R6 deckt vor allem den Bedarf der Nuklearanlagenbauer (Stilllegung soll auch bei hohen Kosten vermieden werden). Dabei sind als Input meistens sehr detaillierte Werkstoffdaten und Belastungsdaten erforderlich.
• API/ASME ist eng mit den ASME-Codes für Kessel, Druckbehälter, Druckrohrleitungen und Pipelines verlinkt. Das beinhaltet vereinfachte und konservative Methoden (Level 1 und 2) die von Inspektoren und Anlagenbauern eingesetzt werden können und nicht nur von Konstrukteuren und Strukturmechanik-Spezialisten (structural integrity specialists) (Level 3)
• SINTAP/FITNET wurden nicht gewartet. Ein Komitee wäre erforderlich um die Klauseln zu verifizieren, Fehler zu berichtigen und neue Entwicklungen einzuschließen.

Entwicklung der Zielsetzung

Vermeidung von Reparatur und Versagen -> Verwendung  der besten zu Verfügung stehenden Daten -> Berechnung der Versagensbedingungen, Optimierung von Design und Inspektion.

Methoden der zerstörungsfreien Prüfung

Radiographie -> Manuelle Ultraschalluntersuchung -> Gebietsweise automatisierte Ultraschalluntersuchung und Time of Flight Diffraction (TOFD).

Warum wird BS7910 überarbeitet?

• Alle British Standards werden alle fünf Jahre mit folgenden Ergebnismöglichkeiten überprüft:
• • Ohne Veränderungen beibehalten
  • Überarbeiten
  • Zurückziehen (z.B. wenn die Norm durch ein CEN- oder ISO-Dokument abgedeckt wird oder nicht länger erforderlich ist)
• Kleinere Fehler, Uneinheitlichkeiten oder Missverständlichkeiten, die in der Ausgabe von 2013 von Nutzern, Komitee-Mitgliedern oder Paneel-Mitgliedern bemerkt wurden
• Einarbeitung von neuen Forschungsergebnissen
• Die derzeitige 'Architektur' und die Größe des Dokuments erschweren zukünftige Überarbeitungen (das Dokument ist von 40 Seiten der Vorgängerversion von 1980 auf etwa 500 Seiten in der Ausgabe von 2013 angewachsen)

Was wird geändert werden?

• Fehler und Missverständlichkeiten der Ausgabe von 2013 werden berichtigt.
• Neustrukturierung des Dokuments in einzelne, abgeschlossene Klauseln, um die zukünftige Überarbeitung und Aktualisierung zu erleichtern
• Hinzufügen von neuen Inhalten
• Harmonisierung mit anderen Prozeduren (z.B. R6) wo erforderlich
• Unterstützung des Einsatzes moderner Techniken mit folgenden Ausnahmen:
• • Beibehaltung des Einsatzes der einfachen und konservativen Techniken:
    - z.B. bei älteren Strukturen, über die es wenig Daten gibt
    - z.B. bei Konstruktionen, für die detaillierte Daten noch nicht zur Verfügung stehen 
• Beibehaltung der Kompatibilität mit früheren Ausgaben von BS7910 sofern möglich (um die Neuberechnung zu minimieren
• Management der Größe des Dokuments

Für die Ausgabe von 2019 sollen folgende Änderungen durchgeführt werden:

• Hinzufügen von neuen Inhalten (z.B. strain-based assessment)
• Bessere Erklärung von Engineering Critical Assessment (ECA)
• Adressierung von Gebieten, in denen BS7910 von anderen Prozeduren abweicht, z.B.:
• • Berücksichtigung des Kollabierens von Pipelines durch axiale Fehler (Sicherheitsfaktor)
  • Globales und lokales Kollabieren (die Oberfläche durchdringende Fehler in flachen Platten)
  • Verwendung von partiellen Sicherheitsfaktoren bei Bruch (Annex K)
• Herausgabe in modulare Form, z.B. wird Clause 7 in Zukunft folgende Nummerierung enthalten:
• • Gleichungen [7.1] bis [7.w]
  • Bilder 7.1 bis 7.x
  • Tabellen 7.1 bis 7.y
  • Einzelnachweise 7.1 bis 7.z
  • Symbole und Definitionen
• Die Kreuzverweise werden automatisch aktualisiert, sobald neuer Inhalt hinzugefügt wird
• Die Paneele können bis kurz vor dem Redaktionsschluss (Draft for Public Comment) unabhängig voneinander arbeiten 
• Entwürfe werden hauptsächlich von den Paneelen erstellt, wobei das Hauptkomitee den Überblick z.B. bezüglich Einheitlichkeit und Stil behält
• Vorteil für den Anwender: Ein besseres und zuverlässigeres Dokument (Das Komitee und die Paneele haben mehr Zeit für den technischen Inhalt

Neue Inhalte

• Strain-based assessment
• • Einige Strukturen, insbesondere Offshore-Pipelines, unterliegen Belastungen oberhalb der klassischen Definition von elastischer Verformung
  • Kann BS7910 adaptiert werden, um das zu berücksichtigen?
  • Mehrere Ansätze zum Strain-based assessment sind veröffentlicht worden, aber es gibt keine generell anerkannte Methode, z.B.
  • • Kombinationen aus Finite-Elemente-Analyse und analytischen Methoden werden eingesetzt
    • Yield behaviour critical
    • Auswirkungen der Biaxialität sollten eingearbeitet werden
  • Das Strain-Based-Assessement-Paneel (SBA Panel) bereitet einen Zusammenfassung der verfügbaren Methoden vor und validiert eine Failure-Assessment-Diagram-basierte Methode (FAD based method) im Vergleich zu experimentellen Daten
• Das Failure Assessment Diagram (FAD) bildet die Grundlage der Bruchmechanik-Bewertungs-Methoden. Es ermöglicht, die Anfälligkeit für Bruch und plastisches Kollabieren unabhängig voneinander zu berechnen, wobei die Failure Assessment Line (FAL) die Beziehung zwischen den beiden Versagenskriterien aufzeigt: Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) -> Elastic Plastic Failure Mechanics (EPFM) 

Begleitende Maßnahmen

• Veröffentlichung von Hintergrundinformationen zur Ausgabe von 2013 (siehe auch TWI Members' Report 850/2006)
• Validierung der Fracture Assessment Procedures
• • TWI Grundlagenforschungsprojekt im Core Research Programme, dessen Ergebnisse den industriellen Mitgliedern zur Verfügung gestellt werden
  • Doktorarbeit im Rahmen der Zusammenarbeit der University of Bristol und TWI im National Structural Integrity Research Centre (NSIRC)

• Mitglieder des WEE/37-Komitees und seinen Paneelen und Arbeitsgruppen
• Industrielle Mitglieder des TWI
• Mitglieder des R6-Paneels

• Die hier veröffentlichten Ansichten sind die der Autoren, die nicht unbedingt mit denen von TWI Ltd, BSI oder dem WEE/37-Komitee übereinstimmen
• Aufgrund der Sorgfaltspflicht des Komitees und des Draft for Public Comment kann nicht garantiert werden, dass die hier gezeigten Beispiele in zukünftigen Ausgaben von BS7910 übernommen werden

Gliederung (0:04)

• Einführung
• Hintergrund der BS 7910 Ermüdungsrissforschrittsgeschwindigkeitsdiagramme (Fatigue Crack Growth Rate Curves, FCGR Curves)
• Hochfeste Stähle
• FCGR-Diagramm mit R ≥ 0,5 bei kleinem ΔK-Bereich
• FCGR-Diagramm mit R < 0,5
• Duplex-Edelstahl
• FCGR-Diagramm in anderen korrosiven Umgebungen
• Nachlassende Eigenspannungen
• M_K-Faktor
• Andere Themen
• Ein Fallbeispiel

• Außendurchmesser: 406 mm
• Wandstärke: 19,2 mm
• Ursprünglicher Fehler: 0,1 x 1,0 mm an der Wurzel-Kerbe (weld root toe)
• Gesamtbreite der Decklagen an der Nahtoberseite: 15 mm
• Breite der Wurzellage an der Nahtunterseite: 3 mm
• Drei unterschiedliche M_K-Lösungen wurden verwendet: „Weld Root M_K“, DNVGL-RP-F108:2017 und DNV-F101:2012
• In allen Fällen wird die gleiche Belastungsgruppe (120 MPa) und gleiche FCGR gewählt

• Wenn der Hi-Lo (Blechhöhenversatz an der Wurzel) klein ist, gibt DNVGL-RP-F108 ähnliche Ermüdungs-Lebensdauervorhersagen wie beim Einsatz der Wurzel M_K-Lösung
• Wenn aber Hi-Lo größer als 0,25 mm ist, ist DNVGL-RP-F108 nicht konservativ
• Der Einsatz von DNV-OS-F101:2012 wäre wegen des großen Einflusses der Wurzellagenbreite auf die M_K-Lösung, die in diesen Berechnungen vernachlässigt wird, unzureichend konservativ. Die vorhergesagte Ermüdungslebensdauer ist [laut DNV-OS-F101:2012] unabhängig vom Wurzelprofil.
• Der Vergleich der vorhergesagten Ermüdungslebensdauer in den Fällen 3 und 4 mit einer identischen maximalen Wurzellagenhöhe (weld root bead height, WRBH), weist darauf hin, dass die unzureichende Abschätzung kleiner wird, wenn Hi-Lo kleiner wird.

• Es gab kleinere Änderungen bei der Ermüdungsbeurteilung in BS 7910:2013 gegenüber der Vorgängerversion von 2005
• Mögliche zukünftige Entwicklungen wurden wie folgt vorgeschlagen:
• • Ausdehnung des Anwendungsbereichs der bestehenden FCGR-Diagramme auf höherfeste Stähle sowohl in den Luft- als auch Meeresumgebungs-FCGR-Diagrammen
  • Überarbeitung der derzeitigen FCGR-Diagramme im relativ kleinen ΔK-Bereich sowie der FCGR-Diagramme mit R < 0,5, um den Einfluss der Belastungsgeschwindigkeit zu berücksichtigen.
  • Untersuchung, ob es möglich ist austenitische und Duplex-Edelstähle in die Meeresumgebungs-FCGR-Diagramme aufzunehmen
  • Richtwerte bezüglich des möglicherweise vorteilhaften Einflusses von nachlassenden Eigenspannungen auf FCGR sowie Berechnung des effektiven ΔK-Werts für FCG im Grundmaterial unter Druckbelastung
  • Untersuchung, ob es möglich ist, einen Richtwert für den Sicherheitsfaktor bei der Ermüdungsbewertung zu erstellen
  • Untersuchung der M_K-Lösungen für die Bewertung von Fehlern an der Wurzel-Kerbe (weld root toe) in BS 7910

• Die Beiträge der Mitglieder des Ermüdungs-Paneels von BS 7910 werden dankend anerkannt.
• Für mehr Details, siehe die Veröffentlichung im International Journal of Pressure Vessels and Piping, 168 (2018), S. 79-86.

• Isabel Hadley und Henryk G. Pisarski (beide TWI Ltd): Overview of BS 7910:2013. Vortrag veröffentlicht bei der ESIA12, 12th International Conference on Engineering Structural Integrity Assessment, 28. und 29. Mai 2013, Manchester, Großbritannien.
• Assessing the acceptability of flaws in metallic structures – introducing BS 7910:2013. 21. Januar 2014.
• Andrew Cosham (Ninth Planet Engineering Limited, Newcastle upon Tyne, Großbritannien), Kenneth A Macdonald (University of Stavanger, Stavanger, Norwegen) sowie Isabel Hadley und Philippa Moore (TWI Ltd): ECAs: Lifting the lid of the Black Box. Proceedings of the ASME 2017 36th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering OMAE2017, 25.-30. Juni 2017, Trondheim, Norwegen. 

Für in Süddeutschland, Österreich und der Schweiz ansässige Unternehmen sind weitere Informationen über die diesbezüglichen Aktivitäten am TWI sowie zur Beratung durch TWI-Experten beim Einsatz dieser Norm von AluStir verfügbar. Bitte kontaktieren Sie uns per Telefon (+49 6024 636 0123) oder E-Mail (stephan.kallee@alustir.com).