論符合歐盟壓力設備指令的水冷離心機組設計

□ 李 媛

特靈科技亞太研發中心 上海 200051

1 設計背景

為適應市場的需求,筆者所在單位決定基于現有的符合美國機械工程師協會標準的水冷離心機組產品,設計一款符合歐盟壓力設備指令的產品,筆者對此進行介紹。

2 壓力設備指令認證范圍

壓力設備指令是一個固定式承壓設備的安全指令,其管轄范圍是最高工作壓力大于0.5 bar(1 bar=0.1 MPa)的承壓設備,包括鍋爐﹑容器﹑管道﹑承壓附件﹑安全附件﹑組合件[1]。

承壓附件指具有操作功能的承壓殼體,如閥門﹑過濾器﹑壓力計等。安全附件指具有防止承壓設備超出允許極限的裝置,包括直接限制壓力的裝置和具有停止和鎖閉作用的限制裝置,前者如安全閥﹑爆破膜等,后者如壓力開關﹑液位開關等。組合件指制造商將幾個承壓設備組裝成完整的具有特定功能的功能件,如簡單的壓力鍋、復雜的水管鍋爐等。

3 壓力設備指令設計標準

對于內壓或外壓超過1 bar,內壓不超過200 bar的固定式壓力容器,抗拉強度安全因子為3.5,屈服強度安全因子為1.5。

4 壓力設備指令分類

判定設備類別主要包括四方面。

(1) 設備的類型,如鍋爐、壓力容器、管道、承壓附件、安全附件等[2-3]。

(2) 流體的性質。根據危險程度分成兩組,第一組為易燃、易爆、有毒、氧化的危險性流體,第二組為非危險性流體。

(3) 最高工作壓力。

(4) 容積或公稱直徑。

設備分類判據流程如圖1所示。首先根據流體的性質判斷屬于第一組還是第二組,然后根據壓力與容積數值的乘積判斷屬于哪一類容器。例如,制冷劑為無毒不易燃氣體,屬于第二組,參考壓力容積圖,若水冷離心機組壓力在0.5 bar以上,且該機組零件及連接的壓力與容積數值的乘積不小于200,不大于1 000,則該機組零件與連接屬于Ⅱ類容器。

5 壓力設備指令評審模式

設備需要根據類別進行評審,主要有A、A2、B、B1、C、D、E、E1、F、G、H、H1等符合性評審模式。

舉例而言,模式A為內部生產控制,模式A2為帶最終評定監督的內部制造檢驗,模式B為EC型式批準,模式G為單臺驗證。

筆者所在單位采用模式G,為單臺驗證,需滿足基本的安全、設計、制造、運行要求[4],包括:

(1) 制造商編制產品技術文件;

(2) 授權機構檢驗每臺壓力設備的設計和結構,并在制造時按相關標準進行檢驗和試驗;

(3) 授權機構的檢驗內容除模式B對應的項目外,包括最終檢驗、驗證試驗,以及安全裝置的檢查;

(4) 授權機構簽發檢驗產品的單臺符合性證書。

▲圖1 設備分類判據流程

6 壓力設備指令技術要求

技術要求主要包括總則、設計要求、制造要求、材料要求、特定設備要求、特定參數。

6.1 材料要求

三類可以使用的材料為協調標準材料、歐洲批準的材料、特殊材料批準書。其中,特殊材料批準書較為常見,由設備制造廠簽發,對于Ⅲ、Ⅳ類設備需要授權機構確認。

Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 類設備的主承壓材料應按EN 10204標準第3.1條或3.2條要求,提供質保書。

6.2 特定參數

(1) 許用應力。用非歐盟協調標準設計壓力容器時,其許用應力需與2014/68/EU附錄Ⅰ第7.1條的計算許用應力進行比較,選擇較低的許用應力。例如,對于碳鋼、低合金鋼,包括正火鋼,需滿足2/3Re/t和5/12Rm/20的較低值要求。其中,Re/t為在計算溫度下的屈服極限值,Rm/20為在20 ℃時的抗拉強度最小值[5]。以水冷機組冷凝器管板為例,其厚度為54 mm,材料為SA/GB 713 Q345R,查美國機械工程師協會標準材料參數表,材料Re/t為315 MPa,Rm/20為490 MPa,則最終許用應力為min{2/3Re/t,5/12Rm/20},即210 MPa。

(2) 焊接接頭因子[6-7]。水冷離心機組的焊接接頭因子取值如下:水冷離心機組的油箱組件進行非破壞性測試,確認整個系列的接頭沒有顯著缺陷,取為1;水冷離心機組的蒸發器和冷凝器殼體焊接不進行無損檢測或目檢,取為0.7。

(3) 水壓試驗。對應壓力設備在使用中可能受到的最大載荷為max{1.43Ps,1.25Ps(fa/frd)}。Ps為殼體設計壓力,fa為15 ℃工作溫度時的受力,frd為20 ℃最高允許溫度時的受力。以水冷離心機組蒸發器組件為例,Ps為3.5 bar,fa/frd為1,則可能受到的最大載荷為5.1 bar。

(4) 其它要求。對于水冷離心機組的鋼制材料,伸長率不小于14%。進行V形試樣沖擊試驗時,沖擊功要求不小于27 J。

7 設計過程

首先對水冷離心機組進行風險識別,判斷屬于壓力設備指令管轄范圍的零部件及連接。然后進行適用于壓力設備指令的產品設計,包括壓力容器圖紙、受壓零部件、水室部分及銘牌,其余保留原有設計。

7.1 風險識別

根據圖1,通過計算對水冷離心機組進行分類。其中,安全附件安全閥、爆破片等屬于Ⅳ類,蒸發器、冷凝器、經濟器等屬于Ⅲ類;油箱屬于Ⅱ類,抽氣、除塵裝置不適用。水冷離心機組示意圖如圖2所示,壓力設備指令類別見表1。

表1 水冷離心機組壓力設備指令類別

▲圖2 水冷離心機組示意圖

7.2 容器圖更新

(1) 圖面更新。圖面主要涉及技術參數及技術要求。將所有美國機械工程師協會標準要求的壓力單位MPa變為壓力設備指令要求的單位bar,其數值是原來的十倍。技術參數表根據壓力設備指令要求增加介質分類、容器類別、公稱容積等內容。原有圖面所列為美國機械工程師協會標準,將技術要求更新為壓力設備指令。

(2) 物料號更新。為與美國機械工程師協會標準圖紙有所區分,現有設計滿足壓力設備指令的容器圖紙,物料號均為新號。

7.3 零部件更新

用于壓力設備指令的新物料,其材料和美國機械工程師協會標準下的物料相同,僅增加V形試樣沖擊試驗要求。

由于蒸發器、冷凝器、經濟器、油箱的最低使用溫度各不相同,因此管板、殼體、鋼管的沖擊溫度對應各自所屬容器,鍛件和管接頭的沖擊溫度統一為不高于-20 ℃。

例如蒸發器中的一個受壓零件,其美國機械工程師協會標準材料為SA/GB 713 Q345R,壓力設備指令標準下材料為SA/GB 713 Q345R,需提供質保書,并做V形試樣沖擊試驗,沖擊功不小于27 J,沖擊溫度不高于蒸發器最低使用溫度。

7.4 水室設計更新

對于水室組件,根據圖紙尺寸,進行容積計算,整理出水室容積計算表,包括設計壓力、水室容積、壓力與容積數值乘積、類別等信息。水室組件壓力與容積數值乘積達到10 000,屬于Ⅰ類容器,增加壓力設備指令物料號碼和材料要求。

水室組件物料表增加擴展號,對應壓力設備指令物料。內部與介質接觸,且外部與大氣接觸的零件,屬于受壓件,材料不作改變,需要增加V形試樣沖擊試驗要求。

7.5 銘牌

銘牌使用新物料號,增加CE標志、殼程與管程技術參數、年限,以及檢測機構等信息。

8 總結

水冷離心機組型號眾多,系列化產品設計主要涉及三個方面。

(1) 零部件的分類。需要大量計算,根據壓力和容積數值乘積進行判別。

(2) 對應壓力設備指令要求進行圖紙更新。不同容器最低使用溫度各不相同,零部件的更新要求也不相同。

(3) 物料表整理和維護。容器圖及銘牌為全新物料,受壓零部件及水室組件只取擴展號,并對新舊物料進行替換。