論符合歐盟壓力設(shè)備指令的水冷離心機(jī)組設(shè)計(jì)

□ 李 媛

特靈科技亞太研發(fā)中心 上海 200051

1 設(shè)計(jì)背景

為適應(yīng)市場(chǎng)的需求,筆者所在單位決定基于現(xiàn)有的符合美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的水冷離心機(jī)組產(chǎn)品,設(shè)計(jì)一款符合歐盟壓力設(shè)備指令的產(chǎn)品,筆者對(duì)此進(jìn)行介紹。

2 壓力設(shè)備指令認(rèn)證范圍

壓力設(shè)備指令是一個(gè)固定式承壓設(shè)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(shè)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(guò)濾器﹑壓力計(jì)等。安全附件指具有防止承壓設(shè)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(guān)﹑液位開關(guān)等。組合件指制造商將幾個(gè)承壓設(shè)備組裝成完整的具有特定功能的功能件,如簡(jiǎn)單的壓力鍋、復(fù)雜的水管鍋爐等。

3 壓力設(shè)備指令設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于內(nèi)壓或外壓超過(guò)1 bar,內(nèi)壓不超過(guò)200 bar的固定式壓力容器,抗拉強(qiáng)度安全因子為3.5,屈服強(qiáng)度安全因子為1.5。

4 壓力設(shè)備指令分類

判定設(shè)備類別主要包括四方面。

(1) 設(shè)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(zhì)。根據(jù)危險(xiǎn)程度分成兩組,第一組為易燃、易爆、有毒、氧化的危險(xiǎn)性流體,第二組為非危險(xiǎn)性流體。

(3) 最高工作壓力。

(4) 容積或公稱直徑。

設(shè)備分類判據(jù)流程如圖1所示。首先根據(jù)流體的性質(zhì)判斷屬于第一組還是第二組,然后根據(jù)壓力與容積數(shù)值的乘積判斷屬于哪一類容器。例如,制冷劑為無(wú)毒不易燃?xì)怏w,屬于第二組,參考?jí)毫θ莘e圖,若水冷離心機(jī)組壓力在0.5 bar以上,且該機(jī)組零件及連接的壓力與容積數(shù)值的乘積不小于200,不大于1 000,則該機(jī)組零件與連接屬于Ⅱ類容器。

5 壓力設(shè)備指令評(píng)審模式

設(shè)備需要根據(jù)類別進(jìn)行評(píng)審,主要有A、A2、B、B1、C、D、E、E1、F、G、H、H1等符合性評(píng)審模式。

舉例而言,模式A為內(nèi)部生產(chǎn)控制,模式A2為帶最終評(píng)定監(jiān)督的內(nèi)部制造檢驗(yàn),模式B為EC型式批準(zhǔn),模式G為單臺(tái)驗(yàn)證。

筆者所在單位采用模式G,為單臺(tái)驗(yàn)證,需滿足基本的安全、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行要求[4],包括:

(1) 制造商編制產(chǎn)品技術(shù)文件;

(2) 授權(quán)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)每臺(tái)壓力設(shè)備的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu),并在制造時(shí)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)和試驗(yàn);

(3) 授權(quán)機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)內(nèi)容除模式B對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目外,包括最終檢驗(yàn)、驗(yàn)證試驗(yàn),以及安全裝置的檢查;

(4) 授權(quán)機(jī)構(gòu)簽發(fā)檢驗(yàn)產(chǎn)品的單臺(tái)符合性證書。

▲圖1 設(shè)備分類判據(jù)流程

6 壓力設(shè)備指令技術(shù)要求

技術(shù)要求主要包括總則、設(shè)計(jì)要求、制造要求、材料要求、特定設(shè)備要求、特定參數(shù)。

6.1 材料要求

三類可以使用的材料為協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)材料、歐洲批準(zhǔn)的材料、特殊材料批準(zhǔn)書。其中,特殊材料批準(zhǔn)書較為常見(jiàn),由設(shè)備制造廠簽發(fā),對(duì)于Ⅲ、Ⅳ類設(shè)備需要授權(quán)機(jī)構(gòu)確認(rèn)。

Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 類設(shè)備的主承壓材料應(yīng)按EN 10204標(biāo)準(zhǔn)第3.1條或3.2條要求,提供質(zhì)保書。

6.2 特定參數(shù)

(1) 許用應(yīng)力。用非歐盟協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)壓力容器時(shí),其許用應(yīng)力需與2014/68/EU附錄Ⅰ第7.1條的計(jì)算許用應(yīng)力進(jìn)行比較,選擇較低的許用應(yīng)力。例如,對(duì)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(jì)算溫度下的屈服極限值,Rm/20為在20 ℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度最小值[5]。以水冷機(jī)組冷凝器管板為例,其厚度為54 mm,材料為SA/GB 713 Q345R,查美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)材料參數(shù)表,材料Re/t為315 MPa,Rm/20為490 MPa,則最終許用應(yīng)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(jī)組的焊接接頭因子取值如下:水冷離心機(jī)組的油箱組件進(jìn)行非破壞性測(cè)試,確認(rèn)整個(gè)系列的接頭沒(méi)有顯著缺陷,取為1;水冷離心機(jī)組的蒸發(fā)器和冷凝器殼體焊接不進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)或目檢,取為0.7。

(3) 水壓試驗(yàn)。對(duì)應(yīng)壓力設(shè)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(shè)計(jì)壓力,fa為15 ℃工作溫度時(shí)的受力,frd為20 ℃最高允許溫度時(shí)的受力。以水冷離心機(jī)組蒸發(fā)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(duì)于水冷離心機(jī)組的鋼制材料,伸長(zhǎng)率不小于14%。進(jìn)行V形試樣沖擊試驗(yàn)時(shí),沖擊功要求不小于27 J。

7 設(shè)計(jì)過(guò)程

首先對(duì)水冷離心機(jī)組進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別,判斷屬于壓力設(shè)備指令管轄范圍的零部件及連接。然后進(jìn)行適用于壓力設(shè)備指令的產(chǎn)品設(shè)計(jì),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(shè)計(jì)。

7.1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

根據(jù)圖1,通過(guò)計(jì)算對(duì)水冷離心機(jī)組進(jìn)行分類。其中,安全附件安全閥、爆破片等屬于Ⅳ類,蒸發(fā)器、冷凝器、經(jīng)濟(jì)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(jī)組示意圖如圖2所示,壓力設(shè)備指令類別見(jiàn)表1。

表1 水冷離心機(jī)組壓力設(shè)備指令類別

▲圖2 水冷離心機(jī)組示意圖

7.2 容器圖更新

(1) 圖面更新。圖面主要涉及技術(shù)參數(shù)及技術(shù)要求。將所有美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)要求的壓力單位MPa變?yōu)閴毫υO(shè)備指令要求的單位bar,其數(shù)值是原來(lái)的十倍。技術(shù)參數(shù)表根據(jù)壓力設(shè)備指令要求增加介質(zhì)分類、容器類別、公稱容積等內(nèi)容。原有圖面所列為美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn),將技術(shù)要求更新為壓力設(shè)備指令。

(2) 物料號(hào)更新。為與美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)圖紙有所區(qū)分,現(xiàn)有設(shè)計(jì)滿足壓力設(shè)備指令的容器圖紙,物料號(hào)均為新號(hào)。

7.3 零部件更新

用于壓力設(shè)備指令的新物料,其材料和美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)下的物料相同,僅增加V形試樣沖擊試驗(yàn)要求。

由于蒸發(fā)器、冷凝器、經(jīng)濟(jì)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(duì)應(yīng)各自所屬容器,鍛件和管接頭的沖擊溫度統(tǒng)一為不高于-20 ℃。

例如蒸發(fā)器中的一個(gè)受壓零件,其美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)材料為SA/GB 713 Q345R,壓力設(shè)備指令標(biāo)準(zhǔn)下材料為SA/GB 713 Q345R,需提供質(zhì)保書,并做V形試樣沖擊試驗(yàn),沖擊功不小于27 J,沖擊溫度不高于蒸發(fā)器最低使用溫度。

7.4 水室設(shè)計(jì)更新

對(duì)于水室組件,根據(jù)圖紙尺寸,進(jìn)行容積計(jì)算,整理出水室容積計(jì)算表,包括設(shè)計(jì)壓力、水室容積、壓力與容積數(shù)值乘積、類別等信息。水室組件壓力與容積數(shù)值乘積達(dá)到10 000,屬于Ⅰ類容器,增加壓力設(shè)備指令物料號(hào)碼和材料要求。

水室組件物料表增加擴(kuò)展號(hào),對(duì)應(yīng)壓力設(shè)備指令物料。內(nèi)部與介質(zhì)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(yàn)要求。

7.5 銘牌

銘牌使用新物料號(hào),增加CE標(biāo)志、殼程與管程技術(shù)參數(shù)、年限,以及檢測(cè)機(jī)構(gòu)等信息。

8 總結(jié)

水冷離心機(jī)組型號(hào)眾多,系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要涉及三個(gè)方面。

(1) 零部件的分類。需要大量計(jì)算,根據(jù)壓力和容積數(shù)值乘積進(jìn)行判別。

(2) 對(duì)應(yīng)壓力設(shè)備指令要求進(jìn)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(hù)。容器圖及銘牌為全新物料,受壓零部件及水室組件只取擴(kuò)展號(hào),并對(duì)新舊物料進(jìn)行替換。