承壓設備相關標準在紡機產(chǎn)品設計中的應用

邵陽紡織機械有限責任公司 林 健 肖坤后/文

承壓設備相關標準在紡機產(chǎn)品設計中的應用

邵陽紡織機械有限責任公司 林 健 肖坤后/文

本文闡述了特種設備、承壓設備、壓力容器與紡機產(chǎn)品的關系，特種設備的法規(guī)、標準體系，紡機產(chǎn)品中承壓設備類型、使用介質、風險評價、容器特性、適用標準及設計應用中引起重視的問題。

承壓設備 紡機 產(chǎn)品 設計

一 前言

承壓設備的法規(guī)、標準體系涉及的法規(guī)、標準較多，系統(tǒng)性、專業(yè)性很強，紡機產(chǎn)品中涉及的承壓設備相對來講只是很少的一部分，從事紡機設計的工程技術人員大多不是壓力容器專業(yè)人員，缺乏系統(tǒng)的學習，對法規(guī)、標準不熟悉、不全面，理解不透徹，導致在實際工作中應用標準出現(xiàn)偏差，造成材料采購、制造、檢驗、監(jiān)檢、安裝、交付、使用過程中不必要的麻煩，甚至造成爆炸、傷人、財產(chǎn)損失等嚴重后果。

本文概述了特種設備的定義和紡織機械中的特種設備范圍，重點闡述了特種設備相關標準在紡機產(chǎn)品設計中的應用，提高紡機產(chǎn)品的安全性和穩(wěn)定性。

二 特種設備與紡機產(chǎn)品的關系

特種設備特指人們生產(chǎn)和生活中廣泛使用的，一旦發(fā)生故障有可能危及公共安全的，受到政府強制監(jiān)督管理的設備，按照特種設備的特點，可將其劃分為承壓類特種設備和機電類特種設備。承壓類特種設備包括鍋爐、壓力容器和壓力管道[1]。紡織機械產(chǎn)品中涉及到的特種設備主要是承壓容器，在化纖設備中有紡絲機、使用蒸汽加熱的輥筒、原液設備、真空設備；染整設備中的染色機、烘缸、換熱器及蒸箱等；輔助設備中的聯(lián)苯爐、蒸汽發(fā)生器、貯槽、載熱油加熱爐等。

這些產(chǎn)品的介質主料為紡織原料如棉、毛、麻、絲、化纖、織物、熔體（塑料切片、粒子）等，毒性程度為無毒或低毒、非易爆固態(tài)或液態(tài)物質，在加工處理過程中也不會達到TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》（以下簡稱《容規(guī)》）規(guī)定的標準沸點的汽化狀態(tài)，本身不會產(chǎn)生危害；涉及的輔料主要有油、聯(lián)苯、蒸汽、染液等，其工作狀態(tài)時具有較高的溫度和壓力，有可能產(chǎn)生傷人、爆炸等危險，相關承壓設備屬性見表1。

由于承壓設備的危險性，其設計、制造、檢驗、安裝、維護、使用有一套嚴格、完整的法規(guī)標準體系，包含法律、行政法規(guī)、行政規(guī)章（部門規(guī)章）、安全技術規(guī)范、相關標準五個層級：

1、法律由全國人大通過，以中華人民共和國主席令的形式發(fā)布，如《質量法》、《標準化法》、《特種設備安全法》；

2、行政法規(guī)包括國家行政法規(guī)和地方性法規(guī)等，國家行政法規(guī)由國務院制定，以國務院令的形式發(fā)布，如《特種設備安全監(jiān)察條例》；

3、行政規(guī)章包括國務院各部門行政規(guī)章和省、自治區(qū)、直轄市和較大城市的人民政府規(guī)章。行政規(guī)章是以國務院行政部門或地方政府首長令的形式發(fā)布、行政管理內(nèi)容較突出的文件，如《鍋爐壓力容器制造監(jiān)督管理辦法》；

4、安全技術規(guī)范是國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局依據(jù)《特種設備安全法》，對特種設備的安全性能和相應的設計、制造、安裝、改造、維修、使用和檢驗檢測的活動制定頒布的強制性規(guī)定，其作用是把與特種設備有關的法律、法規(guī)和規(guī)章的原則規(guī)定具體化[2]。“安全技術規(guī)范”通常為規(guī)程、規(guī)則、細則等，均標有“TSG”。如TSG 21《容規(guī)》、TSG R 1001—2012《壓力容器壓力管道設計許可規(guī)則》。

5、相關標準包括國家標準、行業(yè)標準、地方標準和企業(yè)標準，如國家標準GB150.1～150.4《壓力容器》，行業(yè)標準NB/T 47014《承壓設備焊接工藝評定》。

三 相關標準在紡機產(chǎn)品設計中的應用

1容器類別的劃分[3]

容器類別的劃分包括與安全相關的主要參數(shù)：介質危害

性、設計壓力、容積三要素。

介質危害性指容器在生產(chǎn)過程中因事故致使介質與人體大量接觸，發(fā)生爆炸或者因經(jīng)常泄漏引起職業(yè)性慢性危害的嚴重程度，用介質毒性程度和爆炸危害程度表示：

1.1 毒性程度：綜合考慮急性毒性、最高容許濃度和職業(yè)性慢性危害等因素，極度危害最高容許濃度小于0.1mg/m3；高度危害最高容許濃度0.1mg/m3～1.0mg/m3；中度危害最高容許濃度1.0mg/m3～10.0mg/m3；輕度危害最高容許濃度大于或者等于10.0mg/m3；

1.2 易爆介質：指氣體或者液體的蒸汽、薄霧與空氣混合形成的爆炸混合物，并且其爆炸下限小于10%，或者爆炸上限和爆炸下限的差值大于或者等于20%的介質；

1.3 介質毒性危害程度和爆炸危險程度的確定：按照HG 20660—2000《壓力容器中化學介質毒性危害和爆炸危險程度分類》確定，HG20660沒有規(guī)定的，由壓力容器設計單位參照GB5044—1985《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級》的原則，決定介質組別。

容器的類別與后續(xù)的制造、檢驗、監(jiān)檢、交付密切相關，劃分正確與否至關重要。不是所有的壓力容器都是一樣的，按GB150《壓力容器》規(guī)定：設計壓力≥0.1MPa且真空度≥0.02MPa的容器屬于壓力容器，但不一定屬于《容規(guī)》的管轄范圍，有些壓力容器盡管壓力、溫度較高，但不具備《容規(guī)》界定的條件，如紡絲機的熔體溫度超過300℃壓力高達40～50MPa但處于液態(tài)，基本不具有危險性，屬于非監(jiān)管的壓力容器產(chǎn)品，不應劃分類別。

只有屬于《容規(guī)》監(jiān)管的壓力容器產(chǎn)品才需要劃分類別，前提是同時滿足三個條件：

條件一：工作壓力大于等于0.1MPa；

條件二：容積大于或等于0.03m3，且內(nèi)直徑（非圓形截面指截面內(nèi)邊界最大幾何尺寸）大于或等于150mm；

條件三：盛裝介質為氣體、液化氣體以及介質最高工作溫度高于或等于其標準沸點的液體。

注意，這里指定的是工作壓力而非設計壓力，但在劃分類別時要取設計壓力，很多新手容易混淆；容積或幾何尺寸過小，或者介質為液態(tài)時，即使容器破裂，釋放的能量不會太大，產(chǎn)生破壞力有限。

壓力容器類別劃分方法：

1)基本劃分：壓力容器類別的劃分應當根據(jù)介質特性選擇類別劃分圖，見《容規(guī)》 圖A—1 “壓力容器分類圖—第一組介質”或圖A—2 “壓力容器分類圖—第二組介質”，再根據(jù)設計壓力p（單位MPa）和容積V（單位m3），標出坐標點，確定壓力容器類別，容積計算時應扣除永久連接的內(nèi)件體積；

2)多腔壓力容器類別劃分：多腔壓力容器（如換熱器的管程和殼程、夾套容器等）按照類別高的壓力腔作為該容器的類別并且按照該類別進行使用管理。但是應當按照每個壓力腔各自的類別分別提出設計、制造技術要求。對各壓力腔進行類別劃定時，設計壓力取本壓力腔的設計壓力，容積取本壓力腔的幾何容積；

表 1 相關承壓設備屬性

3)同腔多種介質壓力容器類別劃分：一個壓力腔內(nèi)有多種介質時，按照組別高的介質劃分類別；

4)介質含量極小的壓力容器類別劃分：當某一危害性物質在介質中含量極小時，應當根據(jù)其危害程度及其含量綜合考慮，按照壓力容器設計單位決定的介質組別劃分類別。

2 正確應用標準

由于承壓設備類型較多，涉及材料、設計、制造、焊接、無損檢測、監(jiān)檢、交付等多個環(huán)節(jié)和領域；相關法規(guī)、標準多，它們之間關系錯綜復雜，既有包含關系，引用關系，也有交叉關系，設計人員在設計產(chǎn)品時準確無誤地用好這些法規(guī)、標準并非易事。下面針對紡機產(chǎn)品中典型容器的適用標準問題進行說明。

2.1 產(chǎn)品標準

常用紡機承壓產(chǎn)品標準有一個通用標準和四個專用標準：

1）GB 150《壓力容器》，通用壓力容器標準；

2）GB/T 151《熱交換器》；

3）GB/T 17410《有機熱載體爐》；

4）NB/T 47042《臥式容器》；

5）NB/T 47003.1《鋼制焊接常壓容器》。

當有專用標準時應優(yōu)先采用專用標準，當沒有專用標準時即采用通用標準，具體參見表1。

2.2 安全技術規(guī)范與引用標準尺度的把握

安全技術規(guī)范是強制性的、最低安全要求，標準被安全技術規(guī)范引用后其引用部分即具有強制性；在《容規(guī)》中引用的壓力容器產(chǎn)品標準，如GB150和GB/T151等，并不是說這些標準因為被《容規(guī)》引用，標準內(nèi)容都變?yōu)閺娭菩裕瑢τ谶@些被引用標準，只有那些條款中具體引用的內(nèi)容才具有強制性。例如：《容規(guī)》3.2.10.2.2.2 全部射線或超聲檢測（7）設計者認為有必要進行全部無損檢測的焊接接頭；《容規(guī)》3.2.10.2.2.4表面無損檢測（9）設計者認為有必要進行全部無損檢測的焊接接頭。設計要求要松、嚴把握適度，不能因為是特種設備就過嚴應用這些規(guī)范、標準，但必須要保證最低安全要求。

2.3 材料選用

在進行壓力容器設計時選用材料應考慮的因素：

1）符合標準規(guī)范的要求，能夠選用專用材料的盡可能選用專用材料，如GB 713標準中的材料；

2）力學性能(強度等)、化學性能(腐蝕等)、物理性能(膨脹、導熱等)、工藝性能(焊接等)；

3）經(jīng)濟合理，盡量避免選用境外牌號，確有必要時，應在設計文件中說明其必要性和經(jīng)濟性，常規(guī)牌號不要迷信境外牌號比國內(nèi)好；

4）適合本企業(yè)的工藝制造能力。

常用典型材料見表2。

表2 常用典型材料

按照標準的規(guī)定，GB/T 3280、GB/T 4237標準的不銹鋼板、GB/T 3274中的Q235A鋼板、GB/T 8162鋼管、GB 3087《低中壓鍋爐用無縫鋼管》不得用于壓力容器。

3 受壓元件的界定

首先要弄清楚受壓元件、主要受壓元件、一般受壓元件、非受壓元件的概念：

3.1 受壓元件：即承受介質壓力的元件，需要注意的是設備中的壓力管道雖然承受壓力，但不一定是受壓元件，具體界定范圍見《容規(guī)》的1.6.1條；

3.2 主要受壓元件：即《容規(guī)》界定的壓力容器本體中的筒節(jié)、球殼板、非圓形容器的殼板、封頭、平蓋、膨脹節(jié)、設備法蘭，換熱器的管板和換熱管，M36以上(含M36)的設備主螺柱以及公稱直徑大于或者等于250mm的接管和管法蘭。

3.3 一般受壓元件：即除主要受壓元件外的受壓元件；

3.4 非受壓元件：即與主要受壓元件相聯(lián)接的非直接承受介質壓力的元件。

石油、化工行業(yè)對承壓設備相對比較專業(yè)，有專業(yè)的設計機構，只負責設計，制造可能是另外的專業(yè)制造廠，設計時考慮的因數(shù)相對簡單，只要滿足規(guī)范、標準的要求即可，較少考慮制造企業(yè)材料采購、工藝方面的條件，圖樣中沒有嚴格區(qū)分主要受壓元件、一般受壓元件，鑒于紡機行業(yè)的特殊性，承壓設備只是其中的個別機型或一部分，所占比重較小，制造企業(yè)一般都是自行設計，基本上還是繼承了老行業(yè)標準FZ 90058-1994《壓力容器類產(chǎn)品圖樣標注的規(guī)定》，對主要受壓元件、一般受壓元件予以區(qū)分，便于材料的采購和制造控制。只有正確理解了這些概念的內(nèi)涵與外延，才能準確劃分主要受壓元件、一般受壓元件、非受壓元件，從而合理選材，并提出適當?shù)闹圃旒夹g要求。

4 圖樣技術要求

對于非專業(yè)的壓力容器設計人員在圖樣的技術要求中，材料要求、無損檢測、耐壓試驗與泄漏試驗、需要注明成形厚度、計算厚度的情形等方面往往容易忽視或出錯：

4.1 圖樣中的受壓元件應有標注材料的牌號、規(guī)格和所采用標準；

4.2 設計圖樣上應規(guī)定無損檢測的方法、比例、質量要求、合格級別，質量要求為新增加的要求，從低到高依次為A、AB、B級，一般選AB級；

4.3 耐壓試驗的目的是檢驗設備強度和制造質量是否達到設計要求，是必須要進行的檢驗項目，優(yōu)先采用液壓試驗，其次是氣液混合試驗，避免氣壓試驗；泄漏試驗的目的是校驗容器的致密性，是可選項目，根據(jù)介質的危害程度和設計的需要確定，泄漏試驗采用氣密性試驗時，設計者應在圖樣上給出最高允許工作壓力；只有耐壓試驗合格后才能進行泄漏試驗；

4.4 當存在加工減薄量時，除在視圖上標注名義厚度外，還應注明最小成形厚度；由于結構原因不能進行內(nèi)部檢查的壓力容器應注明計算厚度和定期檢驗的要求[3]；不能進行耐壓試驗的壓力容器應注明計算厚度及制造和使用中的特殊要求；

4.5 帶墊板的單面焊焊縫系數(shù)應取0.8而不是0.85；

4.6 安全閥的整定壓力不得大于設計壓力或最高允許工作壓力。

承壓設備涉及的法規(guī)、標準較多，系統(tǒng)性、專業(yè)性強，在紡機產(chǎn)品的設計中，需要不斷地學習，熟悉并理解承壓設備的法規(guī)、標準內(nèi)涵，合理、正確地應用這些標準，提高紡機產(chǎn)品的安全性和穩(wěn)定性。

[1]張俊青,彭軍,彭朝華,武金宇,王鵬威.ANSYS在承壓特種設備檢驗中的應用[M] .2014遠東無損檢測新技術論壇論文集. 2014-06-20.

[2]王為,侯榮貴.表象及用途決定案件的性質[J].中國質量技術監(jiān)督.2013-12-18.

[3]TSG 21—2016 固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程 [S].