CNS 2139國家標準 陸用鋼製鍋爐-構造 增修章節研究

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CNS 2139國家標準 陸用鋼製鍋爐-構造 增修章節研究

作者  張立民

作者 張立民

社團法人中華產業機械設備協會

 目錄

摘要

  鍋爐依鍋爐及壓力容器安全規則分為蒸汽鍋爐:指以火焰、燃燒氣體、其他高溫氣體或以電熱加熱於水或熱媒,使發生超過大氣壓之壓力蒸汽,供給他用之裝置及其附屬過熱器與節煤器。另一為熱水鍋爐:指以火焰、燃燒氣體、其他高溫氣體或以電熱加熱於有壓力之水或熱媒,供給他用之裝置。此CNS 2139經15年製造方法日新月異,新版於民國108年12月公佈,研究比較增修章節、設計、製造及檢查差異。

壹、概述

  各國對鍋爐制定壓力、溫度、使用最小厚度、熔接方法及附屬設備等適用標準,如日本JIS B8201「標準進行製造及檢驗之鍋爐」,中國GB/T 16508.1「鍋殼鍋爐」、GB/T 16507.1「水管鍋爐」、NB/T 47043「鍋爐鋼結構製造技術規範」、歐盟EN 12953「殼式鍋爐」、EN 「12952水管鍋爐及附屬設備」等。我國CNS 2139「陸用鋼製鍋爐-構造」[1]於中華民國93年公布後,政府對陸用鋼製蒸汽鍋爐及熱水鍋爐與其附屬設備之設計、製造及檢查有所規範。

  本文將CNS 2139 93年版「陸用鋼製鍋爐」(下文簡稱舊版)與108年版「陸用鋼製鍋爐-構造」[2](下文簡稱新版)進行章節條文研究[3],國家為執行雇主與操作人員於鍋爐作業場所安全衛生管理,要求鍋爐於設計、製造及檢查等熔接與構造過程皆依國家標準執行,鍋爐製造方法與檢查過程因CNS 2139的版次更新,型式製造廠減少設計成本與時間浪費,因此CNS 2139更值得相關檢查人員與製造廠鑽研。

貳、CNS 2139版次間差異

  新舊版第1章適用範圍解釋不盡相同。新版第1.1節鍋爐定義更區分鍋爐附屬設備附屬品解釋。參考鄰近國家日本JIS B8201 (2013),第2章引用國內現有國家標準(舊版登錄於第19章後)包括補充增修,如ISO 68-1、ISO 262、ISO 724、ISO 7005-2及參考資料日本產業標準,JIS B 0126、JIS G 0582、JIS G 0575,經濟部標準檢驗局並無提供參考資料。新版修訂日期共五次修訂,舊版則為二次,新版確認第二次修訂日期78年4月13日,修訂過程待確認。新版壓力(MPa)及應力單位皆國際單位(SI制),無kgf/cm2單位,含附表A材料之容許抗拉應力值單位(N/mm2)。新版增加強制循環鍋爐特別規定,且於第11章要求管理,例如第11.4.2節強制循環鍋爐安全閥之調整。

  新版,增加第3.3節厚度(thickness)、第3.5節附加厚度(additional thickness)及第3.9節多管式特殊循環鍋爐(multi-tube type special circulation boiler)。減少舊版第2章(1)鍋爐、(6)鋼料用語釋義。傳熱面積於新版第5.2節解釋傳熱面積之計算方法,簡化舊版第2章(5)(j)及(o)耐火物覆蓋之水管傳熱面積與胴體或集管器表面積。新舊版,對於最小厚度包括腐蝕侵蝕裕度與否定義不盡相同,新版第3.5節解釋附加厚度,包括4種附加的裕度。

  新版第4章材料,材料一般規定增第4.1節(d)材料之使用溫度,係為內部之蒸汽或液體之最高溫度,而在傳熱面處之材料的使用溫度,則為內部之蒸汽或液體之最高溫度加上30℃而得之溫度,或是以傳熱計算所求得之溫度替代之。第4.2節材料之使用限制增加(d) 、(e) 及(f)對鋼及不銹鋼材使用條件加以限制。(h)增加2款鑄鐵件不得用於鍋爐之條件;例:(2)為以平面所圍成之箱形鑄件…,(3)人孔蓋板。 舊版,材料之容許應力第3.3節僅要求鋼鐵材料,但第4.3節(a)將非鐵金屬材料之容許應力包含進來(熔接管、鑄鐵件排除,並更加詳盡細分類)。另螺栓係以熱處理或應變硬化方式而提高其強度,於使用溫度下容許抗拉應力應在最小值以下,鋼鐵材料的熔接管容許抗拉應力應由第4.3節(a)(1)求得之值85%以下。新舊版於材料之容許抗拉應力要求之安全係數皆相同,含供計算用之容許壓縮應力及容許剪力。

  新版,第5.3節各部份之最高使用壓力的限制要求,對應舊版為第4.2節;如應在鍋爐之最高使用壓力以上、對於蒸汽管所使用之處的最高使用壓力至少應採0.7 MPa以上,如係給水管及吹洩管,則分別依第6.8.7及6.8.9節規定,蒸汽管經計算公式求得最高使用壓力或至少應採0.7 MPa以上、鍋爐本體之最高使用壓力值應在0.2 MPa以上。舊版第4.1節一般構造對於局部應力及熱影響等荷重要求,同樣在新版亦要求鍋爐設計時應考慮鍋爐內壓或外壓外,還需視其必要性增加設計壓力值以外的荷重,第6.1.1節規定6種應考慮之荷重。第6.1.2節說明特殊形狀部分設計條件,依CNS9801之檢定水壓試驗求得特殊形狀部分之最高使用壓力。

  內壓胴體之最小厚度新版表4四種材料可查詢計算公式中k值,舊版材料僅肥粒鐵鋼及沃斯田鐵鋼,使用溫度增加至675℃以上。增列斜向配置之管孔部分的強度於第6.2.7節管孔帶效率例題範例可參考。舊版第5.10節有關鉚釘接合之鍋爐構造,於新版中已刪除,此接合方式已不適合須提高安全性之鍋爐建造。

  圓錐胴體之最小厚度計算,舊版第5.12節內面受壓之圓錐胴體各部計算,可由圓錐部、大徑端部及小徑端部所構成,計算方式各有不相同,於新版中已將小徑端部圓錐部計算方式及圖示皆刪除,以第6.2.11節(a) 即可求得圓錐部分之板的最小厚度。無孔洞之中低面處無受到壓力之牽條的全半球形端板最小厚度超過內半徑之35.6%時,新增依公式求其最小厚度。煙管鍋爐之平坦管板的最小厚度,新版表6及表7因使用SI制單位,將依牽條裝設方式而定之係數C有所調整,例如原2250值調整為2.6((2550/100)/9.8=2.6)。鍋爐主任設計者於強度計算調整第6.6.3節公式中C值。第6.4.3節(c)新增煙管鍋爐之平板部分的補強,得依圖12要求T型鋼之裝設方式加以補強。舊版第8.5節,具有阿當姆遜環(Adamson Ring)之平型爐筒之凸緣於新版已刪除該項規定。

  新版第6.5.7節燃燒室板之熔接,要求立式鍋爐的火焰口以熔接方式裝設在胴體及燃燒室上,應採如圖18(a)或(b)的熔接方法並無需實施放射透過試驗。第6.7.1節說明檢查孔用螺紋旋栓,應使用CNS495相關之管用螺紋,或是依ISO68-1~ISO724之M36以上之細目螺紋。舊版第10章稱為清掃孔已於新版第6.7.1節改稱掃除孔。第6.7.5節(b)及(c)橫煙管式廢熱鍋爐,應在胴體下部設掃除孔1個以上,並在胴體側面設檢查孔2個以上。但若可進入內部進行掃除及檢查者,則無此必要。但無法進入內部進行掃除及檢查者,得在胴體之上部設2個以上之檢查孔以替代人孔。新版刪除舊版第11.1節(1.2)利用管群最大之孔之直徑在圖11.1所示之值以下,直接依公式d=8.08[Dts(1-k)]1/3求得管群中最大之孔徑值以下。新版第6.7.9.3節(b)(1)及(2)設於端板之未經補強之孔的位置,分別解釋碟形端板及半橢圓體形端板孔邊緣及配置。第6.7.11節參考CNS 9788「壓力容器(通則)」[4],讓主任設計者知道何種是管座之壁以插入或對接熔接裝設於胴體等之情形,並介紹兩種插入方式補強之有效範圍計算。

  新版將舊版第11.7節熔接補強材之熔接強度要求規定於第8.2.6節(b)(2)。舊版表12.2求得對煙管、水管、過熱管、重熱管及節煤器用鋼管等厚度之最小值,新版僅煙管可依表14查詢最小厚度的限制,水管、過熱管、重熱管及節煤器用鋼管等之最小厚度則依第6.8.2節強度計算方式得出。蒸汽管之最小厚度於新舊版規定皆,新版另要求當外徑超過600mm者,則用第6.2.2節內壓胴體之最小厚度計算公式核算。第7.7節冷加工後之熱處理針對沃斯田鐵系不銹鋼製作而成之耐壓零件中經冷加工之部位,表19說明要求界限伸長率及熱處理事項條件 。

  舊版表13.2分類號碼(1)接頭種類的對頭兩面熔接或視為同等之對頭單面熔接接頭須分辨補強層充分磨削者、稍為磨削或不磨削者,兩者熔接接頭之效率有所差異,新版表21已刪除需分辨之過程,對接兩側熔接或視為與此有同等以上性能之對接單側熔接接頭施以放射線透過試驗者的熔接接頭之效率為100%。對頭熔接接頭之對準差,舊版依第13.2.4節表示,新版表22較薄處的母材厚度認定相關縱向與周向熔接接頭A、B、C及D類容許最大對準差,製造廠施工負責人現場施工時應注意此規定。舊版第13.2.6節tm,取被熔接之t、tn或tc之中較小值(其值超過20mm時,採為20mm),新版第8.2.6節(a)(1)tm,係經熔接之構材厚度中任何較小一方之值(其值超過19mm時,採為19mm),該項同樣被要求於CNS9788 附錄4。

  舊版須核算熔接部分的強度,新版已將圖40之(a)~(c)、(g)、(h)、(o-1)~(o-4)、(s-1)、(t-1)及(u-1)者,無須核算熔接部分之強度。另針對管座壁之剪斷強度及以熔接方式將管座、補強材料、牽條與其他類似之物件裝設於胴體、端板、集管器等之情形下,該熔接部分之強度,為母材之容許抗拉應力乘以表23中所列之常數及熔接面之面積所得之值。舊版將凸緣熔接於管、管台或其他件時,應依CNS7553~7557及CNS7558之規定,新版將引用標準修改,第8.2.8節以熔接方式將凸緣裝設在管、管座與其他類似物件上時,依CNS793及CNS794之規定。第8.2.10(d)裝設物之熔接新增對過熱管、再熱管、節煤器用之鋼管等有強度之要求者之裝設,以熔接方式或機械方式將裝設物設在鋼管壁上時,在管壁上,除壓力以外也會發生彎曲應力值;其裝設物會對管壁造成的荷重需核算。

  舊版針對熔接施工者要求,僅應具有相當之熔接術士資格,新版須依CNS9803確認熔接施工方法事前要實施熔接施工方法之確認試驗,熔接士經法規所規定之試驗、CNS15876-1之試驗或其他類似之試驗確認具有一定之技術水準的資格。此外,從事熔接之熔接士,應使之可被確認。第8.6.2節說明熔接後熱處理之熔接部的厚度認定,(b)對接熔接且材料之厚度不同時,以較薄材料之厚度,填角熔接時,以喉厚之厚度等。熔接接頭銲冠高度表25規定。型式製造廠應遵守表26熔接後無須熱處理之熔接部,表內母材之含碳量%及預熱溫度℃為舊版沒要求的項目。

  機械試驗之試驗板應與本體之熔接部實施同樣之熔接後熱處理規定,於新版中被刪除。舊版僅在母材規格上之抗拉強度之最小值以上時,為合格,但新版第9.1.2節列舉三種接頭抗拉試驗中接頭抗拉試驗結果之判定基準,此為參考CNS9788 第11.2節規定。新版第9.2節熔接部之非破壞試驗僅放射線透過試驗及超音波探傷試驗,新增第9.2.5節非破壞試驗員應依據CNS13588之有資格者或依據認為與此有同等程度之標準的有資格者。壓力計10.2.1 舊版壓力錶之最大刻度依第16.10節(3)規定以鍋爐之最高使用壓力之約2倍為準,但不得小於1.5倍。新版壓力計之最高刻度,以應在鍋爐之最高使用壓力的1.5倍以上、3倍以下,與CNS9788第12.2節(3)壓力表相同。

  舊版第18.7節自動控制裝置僅裝設自動給水調節器時;新版第10.7節增加兩項裝置,其一是低水位燃料遮斷裝置,另一為燃燒安全裝置,皆是鍋爐自動化後應設置的保護設施。

參、結論

  為降低作業場所之職業災害,合格型式製造廠於鍋爐設計、製造、檢驗、檢查等方法及政府職業安全衛生署相關檢查機關於事前或定期檢查之依據國家標準,CNS 2139 108年版參考許多先進國家的規範,減低不安全的職業行為致使職業災害發生。鍋爐使用之事業單位安裝附屬設備並實施自主管理亦降低職業災害。CNS 2139讓三方皆有依據規範並提供一個安全友善的職場環境。

參考文獻

[1] 經濟部中央標準局,“陸用鋼製鍋爐”,CNS 2139 B1023,台灣,2004。
[2] 經濟部中央標準局,“陸用鋼製鍋爐-構造”CNS2139:2019 B1023,台灣,2019。
[3] 社團法人中華產業機械設備協會,“新版「CNS 2139:2019 B1023陸用鋼製鍋爐-構造」標準之解析”, 代檢機構檢查員 賴俊發撰,2021。
[4] 經濟部中央標準局,“壓力容器(通則)”,CNS 9788 B5084,台灣,2005。

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