PED, BS PD 5500 und EN 13445 —
Behälterauslegung
erklärt

Der regulatorische und technische Rahmen rund um die Druckbehälterauslegung in Großbritannien umfasst mindestens drei sich überschneidende Ebenen — den Rechtsrahmen (welche gesetzlichen Anforderungen gelten), das Auslegungsregelwerk (wie der Behälter konstruiert und berechnet wird), und den Konformitätsbewertungsweg (wie die Konformität nachgewiesen und dokumentiert wird). Verwechslungen zwischen diesen drei Ebenen sind häufig, und sie haben praktische Konsequenzen: Behälter, die ohne Erfüllung der regulatorischen Anforderungen gebaut werden, dürfen rechtmäßig nicht in Betrieb genommen werden, und Behälter, die ohne Verständnis des Regelwerksrahmens konstruiert werden, sind möglicherweise nicht sicher.

Dieser Artikel erklärt, wie die Druckgeräterichtlinie und ihr britischer Nachfolger mit den wichtigsten Auslegungsregelwerken — BS PD 5500, BS EN 13445 und ASME VIII — zusammenhängen, und was jede Ebene vom Ingenieur und Hersteller verlangt.

Der Rechtsrahmen — PED und UK PER

Die Druckgeräterichtlinie (PED 2014/68/EU)

Die Druckgeräterichtlinie ist eine EU-Richtlinie, die für die Konstruktion, Herstellung und Konformitätsbewertung von Druckgeräten und Baugruppen mit einem maximal zulässigen Druck über 0,5 bar gilt. Sie legt grundlegende Sicherheitsanforderungen (GSA) fest, die Druckgeräte erfüllen müssen, bevor sie auf dem EU-Markt in Verkehr gebracht, mit der CE-Kennzeichnung versehen und in Betrieb genommen werden können.

Die PED gilt für: Druckbehälter, Rohrleitungen, Sicherheitseinrichtungen und Druckzubehör. Sie spezifiziert selbst nicht, wie ein Behälter konstruiert werden muss — sie legt das zu erreichende Ergebnis fest (die grundlegenden Sicherheitsanforderungen) und definiert die Konformitätsbewertungswege, über die der Nachweis der Erfüllung dieser Anforderungen erbracht wird.

UK Pressure Equipment (Safety) Regulations 2016 — UK PER

Nach dem Brexit wurde die PED als Pressure Equipment (Safety) Regulations 2016 (UK PER) in britisches Recht übernommen, wobei die UKCA-Kennzeichnung die CE-Kennzeichnung für auf dem britischen Markt platzierte Geräte ersetzt. Die technischen Anforderungen der UK PER sind im Wesentlichen identisch mit der EU-PED — dieselben grundlegenden Sicherheitsanforderungen, dasselbe Kategorisierungssystem, dieselben Konformitätsbewertungswege —, aber der administrative Rahmen unterscheidet sich: UK Approved Bodies (UKABs) ersetzen EU-benannte Stellen (NBs) für die Platzierung auf dem britischen Markt, und die UKCA-Kennzeichnung ersetzt die CE-Kennzeichnung.

Ausnahmen von PED/UK PER

Nicht alle Druckgeräte fallen unter die Verordnungen. Wichtige Ausnahmen sind:

• Geräte mit einem maximal zulässigen Druck von 0,5 bar Überdruck oder darunter
• Einfache Druckbehälter, die unter die Simple Pressure Vessels (Safety) Regulations fallen
• Rohrleitungen für Gas-, Öl- und Wasserversorgung, die unter andere Gesetzgebung fallen
• Dampfkessel und zugehörige druckführende Teile, die unter separate Verordnungen fallen
• Geräte auf Schiffen und Luftfahrzeugen
• Geräte in kerntechnischen Anwendungen

PED/UK-PER-Kategorisierung — Bestimmung der Anwendbarkeit

Die Verordnungen klassifizieren Druckgeräte in vier Kategorien (I bis IV, plus SEP — Sound Engineering Practice für Geräte mit dem niedrigsten Risiko) basierend auf der Kombination aus maximal zulässigem Druck, Volumen oder DN, und der Gefährdung des enthaltenen Mediums. Höhere Kategorien ziehen strengere Konformitätsbewertungsanforderungen nach sich.

Fluidgruppen

Fluide werden in zwei Gruppen klassifiziert, die die Kategorisierung erheblich beeinflussen:

• Gruppe 1 (Gefährlich): Explosive, entzündliche, leicht entzündliche, hochentzündliche, giftige, hochgiftige oder oxidierende Fluide. Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff, Chlor, Ammoniak und die meisten Prozesschemikalien fallen in Gruppe 1.
• Gruppe 2 (Nicht gefährlich): Fluide, die nicht als gefährlich eingestuft sind — Wasser, Luft, Stickstoff, Inertgase, Dampf und viele ungefährliche Prozessmedien.

Die Kombination aus Fluidgruppe, Auslegungsdruck und Behältervolumen (oder Rohr-DN) bestimmt die PED-Kategorie über die Konformitätsbewertungstabellen in Anhang II der Verordnungen. Behälter und Rohrleitungen der Gruppe 1 erreichen bei niedrigeren Drücken und kleineren Größen höhere Kategorien als Gruppe 2, was ihr größeres Gefährdungspotenzial widerspiegelt.

Die vier Kategorien und ihre Anforderungen

Die Modulbuchstaben beziehen sich auf die in Anhang III der Verordnungen definierten Konformitätsbewertungsverfahren. Modul B ist die EG-/UK-Baumusterprüfung der Konstruktion. Modul D ist die Produktionsqualitätssicherung. Modul G ist die Einzelprüfung — der strengste Weg, der eine NB-/UKAB-Prüfung jedes einzelnen Behälters erfordert. Für Geräte der Kategorie IV ist typischerweise Modul G oder B+D erforderlich.

Die Auslegungsregelwerke — Was sie sind und wie sie sich auf die Verordnungen beziehen

Die PED/UK PER spezifizieren selbst nicht, wie ein Behälter konstruiert werden muss. Sie definieren das Ergebnis (die grundlegenden Sicherheitsanforderungen) und überlassen die Mittel dem Konstrukteur und Hersteller. Die Auslegungsregelwerke — BS PD 5500, BS EN 13445, ASME VIII — sind die technischen Dokumente, die Berechnungsmethoden, Werkstoffanforderungen, Fertigungs- und Prüfanforderungen sowie Testanforderungen festlegen. Die Konstruktion nach einem anerkannten Regelwerk ist der primäre Weg zum Nachweis der Erfüllung der GSA.

BS EN 13445 ist eine harmonisierte Norm — ihre Anwendung schafft eine Konformitätsvermutung mit der EU-PED, was bedeutet, dass ein nach BS EN 13445 konstruierter und gefertigter Behälter ohne weitere Begründung als konform mit den grundlegenden Sicherheitsanforderungen vermutet wird. BS PD 5500 war eine britische nationale Norm und ist keine harmonisierte EU-Norm, was bedeutet, dass sie nicht dieselbe automatische Konformitätsvermutung nach der EU-PED trägt — obwohl sie in der Praxis weithin akzeptiert ist und ihre Anwendung über die alternativen Wege in der Richtlinie begründet werden kann.

BS PD 5500 — Die britische Norm für unbefeuerte Druckbehälter

BS PD 5500 (früher BS 5500) ist das primäre britische Auslegungsregelwerk für unbefeuerte schmelzgeschweißte Druckbehälter. Es umfasst Behälter aus Kohlenstoffstahl, Kohlenstoff-Mangan-Stahl, legiertem und Edelstahl, Aluminium- und Kupferlegierungen. Die Bezeichnung „PD" (Published Document) spiegelt seinen aktuellen Status wider — es wurde von einem British Standard zu einem Published Document umklassifiziert, als BS EN 13445 als harmonisierte europäische Norm übernommen wurde, bleibt aber in Großbritannien und international weithin in Gebrauch, insbesondere im Öl- und Gassektor.

Wesentliche Merkmale von BS PD 5500:

• Auslegung nach Formel (Abschnitt 3) für Standardkomponenten — Zylinderschalen, Böden, Stutzen, Flachböden, Stützen
• Auslegung durch Analyse (Anhang A) mittels FEA für nicht standardmäßige Geometrien
• Werkstofftabellen mit nach Temperatur indexierten Auslegungsspannungswerten
• Schweißnahtfaktoren (Klasse 1, 2, 3) basierend auf dem Umfang der zerstörungsfreien Prüfung
• Anforderungen an die hydrostatische Druckprüfung (Prüfdruck = 1,25 × MAWP × Spannungsverhältnis)
• Umfassende Prüf- und Fertigungsanforderungen

BS EN 13445 — Die harmonisierte europäische Norm

BS EN 13445 (Unbefeuerte Druckbehälter) ist die harmonisierte europäische Norm für die Auslegung und Fertigung von Druckbehältern. Sie wird in mehreren Teilen veröffentlicht:

• Teil 1: Allgemeines
• Teil 2: Werkstoffe
• Teil 3: Konstruktion (die primäre Berechnungsnorm)
• Teil 4: Herstellung
• Teil 5: Prüfung
• Teil 6: Anforderungen für Auslegung und Fertigung von Druckbehältern und Druckteilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit
• Teil 8: Zusätzliche Anforderungen für Druckbehälter aus Aluminium und Aluminiumlegierungen

EN 13445 und BS PD 5500 liefern für die meisten Standard-Behälterkonfigurationen ähnliche Ergebnisse — beide verwenden dieselbe zugrundeliegende Druckbehältertheorie und ähnliche Sicherheitsfaktoren. Die Hauptunterschiede liegen in den spezifischen Berechnungsmethoden für bestimmte Komponenten (insbesondere Stutzenverstärkungsberechnungen), den zulässigen Werkstoffspannungstabellen und dem Schweißnahtfaktor-Ansatz.

ASME VIII Division 1 und Division 2

Der ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII umfasst Druckbehälter. Division 1 verwendet Auslegung nach Regel mit höheren Sicherheitsfaktoren (3:1 auf Zugfestigkeit, je nach Werkstoff variierend). Division 2 verwendet strengere Auslegungsanforderungen einschließlich Ermüdungsbewertung, wo erforderlich, mit niedrigeren Sicherheitsfaktoren (2,4:1 auf Zugfestigkeit), die dünnere Wände erlauben. Division 2 ist angemessen für Hochdruckbehälter, bei denen die Materialeinsparungen den komplexeren Auslegungsprozess rechtfertigen.

ASME VIII ist das dominierende Regelwerk im US-amerikanischen und nahöstlichen Öl- und Gassektor und wird international weithin akzeptiert. Es ist keine harmonisierte Norm nach der EU-PED, und seine Anwendung erfordert eine Begründung oder ergänzende technische Dokumentation für die Konformität mit EU-/UK-PED. ASME-gestempelte (U-Stamp) Behälter sind nicht automatisch CE-/UKCA-gekennzeichnet — dies sind separate Zertifizierungswege.

Wesentliche Auslegungskonzepte

Auslegungsdruck und maximal zulässiger Betriebsdruck

Der Auslegungsdruck ist der Druck, der als Grundlage für die Berechnung der Behälterwanddicken und Komponentengrößen verwendet wird. Er wird typischerweise auf den höchsten Druck festgelegt, dem der Behälter im Normalbetrieb begegnet, zuzüglich einer Marge — typischerweise 10% über dem Betriebsdruck, oder dem Ansprechdruck der Sicherheitsentlastungseinrichtung, je nachdem, welcher höher ist.

Der maximal zulässige Betriebsdruck (MAWP) ist der maximale Überdruck, der oben am fertiggestellten Behälter in seiner Betriebsposition für eine bestimmte Temperatur zulässig ist. Der MAWP wird nach der Konstruktion des Behälters durch Berechnung bestimmt — er wird gleich oder größer als der Auslegungsdruck sein, was widerspiegelt, dass der gebaute Behälter möglicherweise mehr Kapazität hat als das erforderliche Minimum. Der MAWP wird auf dem Typenschild eingestempelt.

Auslegungstemperatur

Die Auslegungstemperatur ist die Temperatur, bei der die Komponente betrieben wird, verwendet zur Bestimmung der zulässigen Spannung aus den Werkstofftabellen. Sowohl maximale als auch minimale Auslegungstemperaturen müssen berücksichtigt werden — hohe Temperatur verringert die Werkstofffestigkeit (niedrigere zulässige Spannung, dickere erforderliche Wand), während niedrige Temperatur die Werkstoffzähigkeit verringert und Charpy-Kerbschlagprüfungsanforderungen nach sich zieht.

Zulässige Spannung und Sicherheitsfaktoren

Die zulässige Auslegungsspannung ist die maximale Spannung, die der Werkstoff in der Druckbehälterauslegung bei Auslegungstemperatur tragen darf. Sie wird aus der Streckgrenze und Zugfestigkeit des Werkstoffs bei Temperatur abgeleitet, geteilt durch den geltenden Sicherheitsfaktor:

*Der ASME-VIII-Div.1-Sicherheitsfaktor wurde in der Ausgabe von 2007 von 4:1 auf 3,5:1 reduziert.

Der Unterschied im Sicherheitsfaktor zwischen ASME VIII Div.1 und den europäischen Regelwerken ist der Grund, warum ASME-Div.1-Behälter dickere Wände haben als gleichwertige BS-PD-5500- oder EN-13445-Behälter bei demselben Auslegungsdruck — die niedrigere zulässige Spannung erfordert mehr Material.

Zylinderschalendicke

Die minimal erforderliche Schalendicke für einen zylindrischen Behälter unter Innendruck — die grundlegendste Druckbehälterberechnung — ergibt sich aus:

e = PD_i / (2f·z − P)

Wobei e die minimal erforderliche Wanddicke (mm), P der Auslegungsdruck (MPa), D_i der Innendurchmesser (mm), f die zulässige Auslegungsspannung (MPa) und z der Schweißnahtfaktor (1,0 für vollständig geprüfte Schweißnähte, 0,85 für teilweise geprüfte, niedriger für Stichprobenprüfung) ist. Dies ist die Formel aus BS PD 5500 — EN 13445 verwendet eine nahezu identische Form.

Das berechnete e ist ein Minimum — die tatsächlich spezifizierte Dicke muss e zuzüglich eines etwaigen Korrosionszuschlags sein, plus ausreichender Marge, um sicherzustellen, dass die bestellte Nenndicke nach Walztoleranz das Minimum erfüllt.

Schweißnahtfaktor

Der Schweißnahtfaktor z (oder Gelenkkoeffizient bei ASME) berücksichtigt das verringerte Vertrauen in die Schweißnahtintegrität im Vergleich zum Grundwerkstoff, wenn die zerstörungsfreie Prüfung nicht umfassend ist. In BS PD 5500 gelten drei Prüfklassen:

• Klasse 1 (z = 1,0): 100%ige Durchstrahlungs- oder Ultraschallprüfung aller Stumpfnähte. Volles Vertrauen — keine Reduzierung der Auslegungsspannung.
• Klasse 2 (z = 0,85): Stichproben-Durchstrahlungsprüfung. Teilvertrauen — effektive Auslegungsspannung um 15% reduziert.
• Klasse 3 (z = 0,7): Nur Sichtprüfung. Geringstes Vertrauen — erhebliche Reduzierung der Auslegungsspannung, was zu dickeren Wänden führt.

Die Wahl einer niedrigeren Prüfklasse zur Reduzierung der Prüfkosten erhöht die Materialkosten durch dickere Wände. Bei höheren Drücken und größeren Durchmessern wird häufig der Übergangspunkt erreicht, an dem sich die Klasse-1-Prüfung durch eingesparte Materialkosten amortisiert. Dieser Kompromiss sollte bereits in der Auslegungsphase bewertet werden, nicht angenommen.

Druckbehälterböden

Die Enden (Böden) eines Druckbehälters nehmen mehrere Standardformen an, jede mit unterschiedlicher struktureller Effizienz und Kosten:

• Halbkugelförmig: Die strukturell effizienteste Form — erfordert etwa die halbe Wanddicke der Zylinderschale bei gleichem Druck. Teuer zu formen. Verwendet bei Hochdruckbehältern, wo die Materialeinsparung die Formkosten rechtfertigt.
• 2:1-Halbelliptisch: Die gängigste Bodenform. Erfordert etwa dieselbe Dicke wie die Schale. Kosteneffizient durch Warm- oder Kaltpressen zu formen. Standard für die meisten Prozessbehälter.
• Korbbogen (Klöpperboden): Flacher als elliptisch, günstiger zu formen, erfordert aber eine etwas dickere Wand. Üblich bei Niederdruck-Lagerbehältern und Tanks.
• Flachboden: Die am wenigsten effiziente Form — erfordert eine sehr dicke Platte, typischerweise mit Ankerschrauben oder anderer Verstärkung. Verwendet bei kleindurchmessrigen Hochdruckbehältern, Wärmetauschern, und wo Bodenzugang (Mannlöcher, Inspektionsdeckel) erforderlich ist.
• Konisch: Verwendet, wo ein Übergang von einem Durchmesser zu einem anderen erforderlich ist — Kolonnenübergänge, Trichter, Zyklonabscheider. Erfordert sorgfältige Behandlung des Kegel-Zylinder-Übergangs, wo Biegespannungen entstehen.

Stutzen, Öffnungen und Verstärkung

Jede Öffnung in einer Druckbehälterschale (für Stutzen, Mannlöcher, Entlüftungen, Abläufe, Instrumentierungsanschlüsse) verringert die strukturelle Integrität der Schale an dieser Stelle. Der entfernte Werkstoff muss durch Verstärkung kompensiert werden — zusätzlichen Werkstoff in der Schale, der Stutzenwand, oder eine dedizierte Verstärkungsplatte —, um die durch die Öffnung verlorene Integrität wiederherzustellen.

Die Verstärkungsflächenmethode (verwendet in BS PD 5500 und ASME VIII Div.1) berechnet die durch die Öffnung entfernte Querschnittsfläche und verlangt, dass eine äquivalente Fläche im Verstärkungsbereich um den Stutzen bereitgestellt wird. EN 13445 verwendet einen ähnlichen Ansatz. Die Stutzenberechnung ist eine der komplexeren Standardberechnungen in der Druckbehälterauslegung und eine häufige Fehlerquelle — insbesondere wenn der Stutzen geneigt ist, die Öffnung relativ zum Schalendurchmesser groß ist, oder der Stutzen erhebliche äußere Belastung aus angeschlossener Rohrleitung trägt.

Das technische Dokumentationspaket

Für CE-/UKCA-gekennzeichnete Druckgeräte muss der Hersteller ein technisches Dokumentationspaket erstellen und aufbewahren. Dies ist nicht optional — es ist eine gesetzliche Anforderung nach den Verordnungen und muss den Vollzugsbehörden auf Anfrage für mindestens zehn Jahre nach Inverkehrbringen der letzten Einheit zur Verfügung stehen. Das Paket umfasst:

• Allgemeine Beschreibung der Geräte
• Konstruktions- und Fertigungszeichnungen, einschließlich Werkstoffspezifikationen
• Auslegungsberechnungen, die die Erfüllung der GSA nachweisen
• Verweis auf harmonisierte Normen oder andere verwendete Spezifikationen
• Kopie der Konformitätserklärung
• Fertigungsaufzeichnungen einschließlich Werkstoffzeugnissen, Schweißprotokollen, ZfP-Berichten
• Prüfberichte (hydrostatisches Prüfzeugnis, ZfP-Aufzeichnungen)
• Zertifikat der benannten Stelle / Approved Body, sofern zutreffend

Nach dem Brexit: UKCA vs. CE — Die aktuelle Position

Seit dem 1. Januar 2021 benötigen Geräte, die auf dem britischen Markt platziert werden, eine UKCA-Kennzeichnung und müssen eine UK Approved Body (UKAB) für die Konformitätsbewertung in den Kategorien II, III und IV verwenden. Geräte, die auf dem EU-/EWR-Markt platziert werden, benötigen eine CE-Kennzeichnung und eine EU-benannte Stelle. Dieselben Geräte können beide Kennzeichnungen tragen, wenn sie beide Anforderungssätze erfüllen und sowohl eine UKAB als auch eine EU-NB verwenden — der übliche Ansatz für Hersteller, die beide Märkte beliefern.

Die britische Regierung hat die Übergangsfrist, während der CE-gekennzeichnete Geräte für den britischen Markt akzeptiert werden, mehrfach verlängert. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels werden manche CE-gekennzeichneten Geräte weiterhin akzeptiert, aber die Übergangsregelungen haben sich geändert — prüfen Sie die aktuelle Position beim Office for Product Safety and Standards (OPSS), bevor Sie sich für die Platzierung auf dem britischen Markt auf die CE-Kennzeichnung verlassen.

Häufige Missverständnisse

1. „Wir haben eine CE-Kennzeichnung, also erfüllen wir die PED." Die CE-Kennzeichnung ist ein Nachweis der Konformität mit einer oder mehreren Richtlinien/Verordnungen — sie spezifiziert jedoch nicht, mit welcher. Eine CE-Kennzeichnung nach der Maschinenrichtlinie ist kein Nachweis der PED-Konformität. Prüfen Sie, ob die Konformitätserklärung ausdrücklich auf die Druckgeräterichtlinie (2014/68/EU) oder UK PER verweist.
2. „Es ist nur Niederdruck, also gilt die PED nicht." Die PED/UK PER gilt für Geräte über 0,5 bar Überdruck. Viele Geräte, die niederdruckartig erscheinen — Druckluftbehälter, Heißwasser-Kalorifere, Ausdehnungsgefäße — überschreiten diesen Schwellenwert. Prüfen Sie den tatsächlichen maximal zulässigen Druck, nicht den Betriebsdruck.
3. „Wir haben es nach ASME konstruiert, also ist es CE-gekennzeichnet." Die ASME-Zertifizierung (U-Stamp) und die CE-/UKCA-Kennzeichnung sind völlig getrennte Zertifizierungssysteme. Ein U-gestempelter Behälter ist nicht CE- oder UKCA-gekennzeichnet, sofern keine separate Konformitätsbewertung nach der PED/UK PER durchgeführt wurde.
4. „Die benannte Stelle stempelt die Konstruktion." In den meisten Konformitätsbewertungsmodulen bewertet die NB/UKAB das Qualitätsmanagementsystem oder die Konstruktionsunterlagen — sie konstruieren den Behälter nicht. Die Konstruktionsverantwortung verbleibt vollständig beim Hersteller und dem verantwortlichen Ingenieur. Die NB-Beteiligung ist kein Ersatz für eine kompetente Druckbehälterauslegung.
5. „Wir können jedes Auslegungsregelwerk verwenden." Die PED/UK PER erlaubt die Verwendung harmonisierter Normen (die eine Konformitätsvermutung tragen) oder alternativer technischer Spezifikationen. Bei Verwendung einer nicht harmonisierten Norm (ASME VIII, BS PD 5500) muss der Hersteller die Gleichwertigkeit mit den GSA nachweisen — dies erfordert mehr Dokumentation und ist bei einer Prüfung schwerer zu verteidigen.

Zusammenfassung

Die Druckbehälterauslegung in Großbritannien liegt am Schnittpunkt einer regulatorischen Compliance-Anforderung (UK PER/PED), einer technischen Auslegungsdisziplin (BS PD 5500, EN 13445 oder ASME VIII), und eines Qualitätssicherungssystems (Konformitätsbewertungsmodule, ZfP, Werkstoffzertifizierung). Zu verstehen, zu welcher Ebene jede Frage gehört, ist der erste Schritt, sie korrekt zu beantworten.

Die Verordnungen bestimmen, ob Kennzeichnung und Drittbewertung erforderlich sind und auf welchem Niveau. Das Auslegungsregelwerk bestimmt, wie der Behälter dimensioniert wird, welche Werkstoffe verwendet werden können, und welche Fertigung und Prüfung erforderlich ist. Das Konformitätsbewertungsmodul bestimmt, wie die Erfüllung der Verordnungen dokumentiert wird und von wem. Diese drei sind unterschiedlich und müssen alle berücksichtigt werden — ein gut berechneter Behälter ohne Konformitätsbewertungsdokumentation erfüllt nicht die Verordnungen; ein konformitätsbewerteter Behälter mit unzureichender Auslegungsberechnung ist unsicher.