文章-冷凍用壓力容器blog202107-02

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冷凍用壓力容器國家標準差異研究

作者 張立民

作者 張立民

社團法人中華產業機械設備協會

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摘要

         與壓力容器相比,冷凍用壓力容器的規定範圍具特定性,因應內容物為冷媒之冷凍設備。民國79年版次CNS 12655「冷凍用壓力容器構造」應與各國對冷凍用壓力容器相關標準隨著時代進步、社會發展加上科技日新月異與時俱進。本研究著重CNS 12655與中華人民共和國行業標準NB/T 47012-2010「制冷装置用压力容器」之間進行差異性比較。並對CNS 12655提出幾點建議。

1. 概述

        各國對冷凍裝置用壓力容器制定適用標準對溫度、壓力、胴體內徑、冷媒的設計壓力、使用入熱量與冷媒區分標準等有特殊要求,如日本JIS B8240「冷凍用圧力容器の構造」[1]、中國NB/T 47012-2010「制冷装置用压力容器」[2]等。我國CNS 12655「冷凍用壓力容器構造」[3]於中華民國79年公布後,對不適用於CNS9788「壓力容器(通則)」[4]之冷凍裝置用壓力容器,政府相關執掌機關職業安全衛生署執行檢驗與檢查有所依據。

        本文將CNS 12655「冷凍用壓力容器構造」與NB/T 47012「制冷装置用压力容器」進行比較分析,中國NB/T 47012是經過JB/T 6917-93、ZBJ73003-1998、JB 6917-1998[5]、JB/T4750-2003[6],NB/T 47012至今經過這麼多對冷凍裝置用壓力容器修訂版本,為了設備安全使用條件所設定的參數,會因材料製造的技術進步、設計理論計算的演變、冷凍用壓力容器製造方法與檢驗過程都會依國家適用標準的更新,減少型式製造廠成本與時間的浪費,都是值得我國借鏡與研究。

2. 適用範圍

        CNS 12655針對冷凍裝置(為冷凍而構成冷凍循環之壓縮機(若為吸收冷凍裝置,則屬發生器),凝縮器,受液器、蒸發器,冷媒泵及配管等系統中,指壓縮機、冷媒泵、吸收溶液泵及其驅動用原動機),冷媒(包含二次冷媒)及直接控制吸收溶液之自動制御機器與冷媒及包括冷凍用吸收溶液之一套裝置,並包含熱泵裝置)。該標準適用於以沸點-150℃以上之液化氣體為冷媒之冷凍裝置用壓力容器及其附屬裝置。設計壓力50 kgf/cm2以上,胴體內徑160 mm以下。NB/T 47012標準規定設計壓力不高於4.0 MPa、設計溫度不高於200℃的制冷裝置用壓力容器的設計、製造、檢驗與驗收要求,當需製造不能以NB/T 47012標準確定結構尺寸的受壓件,允許使用有限元素法的應力分析或已使用中之可比較結構進行對比經驗設計,最後經過委員會評定認可。

3. 引用規範

         CNS 12655適用標準有CNS 9788-9803「壓力容器之構造」、CNS 12652「多管圓筒形熱交換器」、CNS 12937「鋼製全熔接石油貯槽的構造」等。

        NB/T 47012引用中國相關標準包含對材料、製造、檢驗與驗收等規範性引用文件,例如GB-150「压力容器」、GB-151「管壳式换热器」、GB/T 246「金属材料 管 压扁试验方法」等。

4. 一般規定

        CNS 12655對型式製造廠設計與製造的書面證明文件,並無保存年限規定。NB/T 47012 規定壓力容器設備應包含風險評估報告,設備之設計文件應保存至使用年限,製造商對製造的設備產品從材證、焊接規範、設計圖、檢驗記錄與竣工驗收等相關文件應至少保存7年。

        CNS 12655規定冷媒滿液狀態為該壓力容器的內容積80%以上之體積存在於內部之狀態。NB/T 47012 則規定,儲液類容器,制冷劑液體充裝量應不超過容器容積的80%,复叠式制冷装置(即指CNS 12655多元冷凍裝置)透過計算方式確定低溫側壓力容器的制冷劑充裝量。

        CNS 12655規定設計溫度,應取材料板厚方向之平均溫度以上。NB/T 47012 則規定,低壓側設計溫度,當使用溫度之一次總體薄膜應力≦材料常溫時最小抗拉強度之1/6,且不大於50 MPa時,則設計溫度取使用溫度與50℃之代數和。

        CNS 12655規定,耐壓部使用管材時須加算我國國家標準,所定厚度之負側之容許差。NB/T 47012 規定,鋼板或鋼管的厚度負偏差按鋼材標準標準規定。當鋼材厚度負偏差不大於0.25 mm,且不超過名義厚度(計算厚度+腐蝕裕度+鋼材負偏差值+加至鋼板規格厚度之增加值)的6%時,負偏差可忽略不計。

        腐蝕裕度在CNS 12655與NB/T 47012皆規定接觸冷媒側之部分,可不計腐蝕裕度。最小厚度在CNS 12655第3.2節,規定不同金屬材料成形後實際厚度要求,NB/T 47012規定,為滿足製造品質要求以及運輸和安裝過程的金屬材料強度要求,對壓力容器使用之金屬材料最小厚度為3 mm(不包括腐蝕裕度)。

        熔接接頭效率η在CNS 12655與NB/T 47012規定不盡相同,CNS 12655於對接兩側熔接或被視為與此同等以上對接片側熔接接頭施行全線放射線試驗者η=1.0,施行部分放射線試驗者η=0.95。NB/T 47012按GB 150進行分類,雙面焊全線放射線試驗者η=1.0,施行部分放射線試驗者η=0.85。CNS 12655於使用背貼金屬之對接片側熔接接頭而殘留背貼金屬者,施行部分放射線試驗者η=0.90,NB/T 47012,單面焊的對接接頭,且沿其根部全長具有緊貼基本金屬的墊板,施行全線放射線試驗者η=0.90,施行部分放射線試驗者η=0.80。

        材料與螺桿容許應力在CNS 12655 第2.3節與NB/T 47012第3.9節皆有定義,常溫抗拉強度與設計溫度時最小抗拉強度之安全係數。CNS 12655對鋼鐵材料取次值中最小者並安全係數取4,螺桿取次值中最小者並安全係數取5。NB/T 47012對碳鋼與低合金鋼材料取常溫抗拉強度數據最低值並安全係數取3,螺柱和螺栓依材料類別與螺栓直徑取不同安全係數。

        NB/T 47012第3.10節規定耐壓試驗,耐壓試驗一般採用液壓試驗,對於不是和液壓試驗的容器可採用氣壓或氣液組合試驗壓力,液壓試驗為最高使用壓力之1.25倍之壓力再依NB/T 47012 3.10.2節進行溫度修正後之壓力進行液壓試驗。氣壓或氣液組合試驗壓力為最高使用壓力之1.15倍再進行溫度修正後之壓力進行氣壓或氣液組合試驗。CNS 12655第8章規定設計壓力<2 kgf/cm2者,得以第8.3節(3)~(6)氣體試驗代替耐壓試驗。此時無需做放射線試驗。CNS 12655第8.2節規定耐壓試驗壓力取設計壓力之1.5倍以上之壓力進行液壓試驗(若以氣體試驗,則1.25倍)。CNS 12655第8.2節(1)及(2)說明耐壓試驗步驟與試驗時所安裝之壓力計尺寸與數量。

5. 材料

  NB/T 47012規定牌號為Q235B、Q235C碳鋼板磷與硫的化學成分,同時規定,設計溫度在0~20℃間,厚度≧6 mm的碳鋼板於型式製造廠應進行橫向試驗片的0℃衝擊試驗,3個試驗片的最小吸收能量值應控制到≧27 J,每1個試驗片的衝擊最低值以及次尺寸試驗片的衝擊數值依GB/T 700規定辦理,Q235B、Q235C碳鋼板相關最高使用壓力、胴體與其他受壓部使用碳鋼板厚度皆規定於NB/T 47012 第4.2.2節。CNS 12655 第2章規定有關材料使用限制,與NB/T 47012不同於當壓力容器最高使用溫度≦表2.2~2.4可查出鋼鐵、非鐵金屬、螺栓容許抗應力值之溫度時,應依第7.7.7節實施衝擊試驗。

6. 壓力容器的構造

        NB/T 47012 2010年版已把JB-T 4750-2003「制冷装置用压力容器」附錄D支座及附錄E管板部分納入標準第5.3節,規定臥式容器支撐座形心至端板與胴體間TL距離A≦胴體半徑/2,此距離A應不大於0.25倍之胴體長度L,如圖1。

圖1. 臥式容器鞍式支座

         NB/T 47012 第6.3.1節規定管台法蘭為非圓形(方形、腰形、橢圓形、梅花形)可按圖形法蘭計算,但應按以下規定

(a)法蘭外徑D0應取與圓孔同心且內接於法蘭外緣的圓直徑。

(b)將通過最外面螺栓孔中心圓的直徑作為螺栓中心圓直徑。

        特殊形狀部分的最小厚度與設計壓力,CNS 12655規定於第5節,NB/T 47012規定於第7節,差異在使用石灰求最弱部分降伏點,NB/T 47012規定1 L水加入約0.4 的石灰,此種確認試驗方法僅適用於碳鋼和低合金鋼的受壓零部件或壓力容器。CNS 12655卻僅適用於碳鋼製之壓力容器。使用低抗線應變求最弱部分所發生應力最大值之確認試驗方法,此種確認試驗方法亦適用於鋼材以外之材料所製作之材料。

        真空試驗CNS 12655及NB/T 47012皆規定試驗壓力8.0 kPa(絕對壓力)以下真空狀態。CNS 12655並要求真空狀態維持10分鐘以上。

        NB/T 47012對管板、傳熱管等規定於第8節。NB/T 47012規定固定式管板直徑D≦600 mm,計算及設計與JB/T 4750-2003規定相同,當D>600 mm時,按照GB151「熱交換器」或其他經過驗證的計算方法進行計算與設計。CNS12655第3.6節規定管板(管外徑在61 mm以下時) 的強度計算與設計。

        NB/T 47012第9節規定制冷装置用压力容器的製造、檢驗與驗收。CNS 12655對製造、檢驗與驗收規定於第7節熔接、第8節壓力試驗。CNS 12655第7.2.1節有關熔接接頭的位置分類,裝附全半球型端板於胴體之周相接頭,應屬分類A。NB/T 47012第9.2.2節(b),規定施焊前應清除開槽部及母材兩側表面20 mm範圍內的氧化物、油污、熔渣及其他有害雜質。NB/T 47012第9.2.3節(a)規定鄰近不相交的縱向熔接接頭中心線間距離應不小於100 mm,此規定於CNS 9788第7.6.1節規定不盡相同。NB/T 47012第9.2.4.4節胴體真圓度與CNS 12655比較,異於規定內徑差不應大於8 mm。補強層高度規定,NB/T 47012於第9.3.3節,CNS 12655僅於第7.2.4節(1)規定圖面,熔接施工要領書須註記。

        NB/T 47012第9.6.5節,熔接部局部實施放射線或超音波非破壞試驗,發現有不允許的缺陷時,應在該缺陷兩端的延伸部位增加檢查長度,增加的長度為該熔接部長度的10%,且長度≧250 mm。若仍有不允許的缺陷時,則對該熔接部實施100%非破壞試驗。CNS 12655第7.8.7節規定非破壞試驗之再試驗與CNS 9788第11.5節規定相同。
        NB/T 47012附錄B安全附件與CNS 12655第9節安全裝置,規定裝附在壓力容器之安全裝置選用與安裝規定,如安全閥、破裂板、易熔塞及液面計。NB/T 47012附錄B第B.11節規定壓力表的選用與安裝,壓力表精度使用於於最高使用壓力≤1.6 MPa時應不低於2.5級(±2.5%),最高使用壓力>1.6 MPa時應不低於1.6級(±1.6%),壓力表最大刻度值應為最高使用壓力的1.5~3.0倍(最好選用2.0倍),表盤直徑不小於100 mm,壓力表與壓力容器間應裝設三通旋塞閥或針型閥(Needle)。

7. 結論

        CNS 12655與NB/T 47012規範冷凍用壓力容器的設計、製造、檢驗、檢查等國家標準,CNS 12655適用CNS 9788標準的基礎下,應具有其獨特的設計技術特點,冷凍用壓力容器設計、製造、檢驗才有專用標準。

        CNS 12655材料安全係數、使用要求、耐壓與氣壓試驗要求、機械試驗片、熔接部非破壞檢驗應與CNS 9788一致標準,型式製造廠及政府相關檢查機關才有相同的設計、製造、強度計算、檢驗、安裝及使用後之定期檢查依據標準。

延伸閱讀:淺談壓力容器疲勞破損預防及檢查

 

參考文獻

[1] 日本工業標準調查會,“冷凍用圧力容器の構造”,JIS B8240,日本,2015。

[2] 國家能源局,“制冷装置用压力容器”,NB/T 4701(JB/T 4750),中國,2010。

[3]經濟部中央標準局,“冷凍用壓力容器構造”,CNS 12655 B5111,台灣,1980。

[4]經濟部中央標準局,“壓力容器(通則)”,CNS 9788 B5084,台灣,2005。

[5]中華人民共和國機械工業部,“制冷装置用压力容器”,JB 6917,中國,1998。

[6] 國家經濟貿易委員會,“制冷装置用压力容器”,JB/T4750,中國,2003。

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