论符合欧盟压力设备指令的水冷离心机组设计

□ 李 媛

特灵科技亚太研发中心 上海 200051

1 设计背景

为适应市场的需求,笔者所在单位决定基于现有的符合美国机械工程师协会标准的水冷离心机组产品,设计一款符合欧盟压力设备指令的产品,笔者对此进行介绍。

2 压力设备指令认证范围

压力设备指令是一个固定式承压设备的安全指令,其管辖范围是最高工作压力大于0.5 bar(1 bar=0.1 MPa)的承压设备,包括锅炉﹑容器﹑管道﹑承压附件﹑安全附件﹑组合件[1]。

承压附件指具有操作功能的承压壳体,如阀门﹑过滤器﹑压力计等。安全附件指具有防止承压设备超出允许极限的装置,包括直接限制压力的装置和具有停止和锁闭作用的限制装置,前者如安全阀﹑爆破膜等,后者如压力开关﹑液位开关等。组合件指制造商将几个承压设备组装成完整的具有特定功能的功能件,如简单的压力锅、复杂的水管锅炉等。

3 压力设备指令设计标准

对于内压或外压超过1 bar,内压不超过200 bar的固定式压力容器,抗拉强度安全因子为3.5,屈服强度安全因子为1.5。

4 压力设备指令分类

判定设备类别主要包括四方面。

(1) 设备的类型,如锅炉、压力容器、管道、承压附件、安全附件等[2-3]。

(2) 流体的性质。根据危险程度分成两组,第一组为易燃、易爆、有毒、氧化的危险性流体,第二组为非危险性流体。

(3) 最高工作压力。

(4) 容积或公称直径。

设备分类判据流程如图1所示。首先根据流体的性质判断属于第一组还是第二组,然后根据压力与容积数值的乘积判断属于哪一类容器。例如,制冷剂为无毒不易燃气体,属于第二组,参考压力容积图,若水冷离心机组压力在0.5 bar以上,且该机组零件及连接的压力与容积数值的乘积不小于200,不大于1 000,则该机组零件与连接属于Ⅱ类容器。

5 压力设备指令评审模式

设备需要根据类别进行评审,主要有A、A2、B、B1、C、D、E、E1、F、G、H、H1等符合性评审模式。

举例而言,模式A为内部生产控制,模式A2为带最终评定监督的内部制造检验,模式B为EC型式批准,模式G为单台验证。

笔者所在单位采用模式G,为单台验证,需满足基本的安全、设计、制造、运行要求[4],包括:

(1) 制造商编制产品技术文件;

(2) 授权机构检验每台压力设备的设计和结构,并在制造时按相关标准进行检验和试验;

(3) 授权机构的检验内容除模式B对应的项目外,包括最终检验、验证试验,以及安全装置的检查;

(4) 授权机构签发检验产品的单台符合性证书。

▲图1 设备分类判据流程

6 压力设备指令技术要求

技术要求主要包括总则、设计要求、制造要求、材料要求、特定设备要求、特定参数。

6.1 材料要求

三类可以使用的材料为协调标准材料、欧洲批准的材料、特殊材料批准书。其中,特殊材料批准书较为常见,由设备制造厂签发,对于Ⅲ、Ⅳ类设备需要授权机构确认。

Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 类设备的主承压材料应按EN 10204标准第3.1条或3.2条要求,提供质保书。

6.2 特定参数

(1) 许用应力。用非欧盟协调标准设计压力容器时,其许用应力需与2014/68/EU附录Ⅰ第7.1条的计算许用应力进行比较,选择较低的许用应力。例如,对于碳钢、低合金钢,包括正火钢,需满足2/3Re/t和5/12Rm/20的较低值要求。其中,Re/t为在计算温度下的屈服极限值,Rm/20为在20 ℃时的抗拉强度最小值[5]。以水冷机组冷凝器管板为例,其厚度为54 mm,材料为SA/GB 713 Q345R,查美国机械工程师协会标准材料参数表,材料Re/t为315 MPa,Rm/20为490 MPa,则最终许用应力为min{2/3Re/t,5/12Rm/20},即210 MPa。

(2) 焊接接头因子[6-7]。水冷离心机组的焊接接头因子取值如下:水冷离心机组的油箱组件进行非破坏性测试,确认整个系列的接头没有显著缺陷,取为1;水冷离心机组的蒸发器和冷凝器壳体焊接不进行无损检测或目检,取为0.7。

(3) 水压试验。对应压力设备在使用中可能受到的最大载荷为max{1.43Ps,1.25Ps(fa/frd)}。Ps为壳体设计压力,fa为15 ℃工作温度时的受力,frd为20 ℃最高允许温度时的受力。以水冷离心机组蒸发器组件为例,Ps为3.5 bar,fa/frd为1,则可能受到的最大载荷为5.1 bar。

(4) 其它要求。对于水冷离心机组的钢制材料,伸长率不小于14%。进行V形试样冲击试验时,冲击功要求不小于27 J。

7 设计过程

首先对水冷离心机组进行风险识别,判断属于压力设备指令管辖范围的零部件及连接。然后进行适用于压力设备指令的产品设计,包括压力容器图纸、受压零部件、水室部分及铭牌,其余保留原有设计。

7.1 风险识别

根据图1,通过计算对水冷离心机组进行分类。其中,安全附件安全阀、爆破片等属于Ⅳ类,蒸发器、冷凝器、经济器等属于Ⅲ类;油箱属于Ⅱ类,抽气、除尘装置不适用。水冷离心机组示意图如图2所示,压力设备指令类别见表1。

表1 水冷离心机组压力设备指令类别

▲图2 水冷离心机组示意图

7.2 容器图更新

(1) 图面更新。图面主要涉及技术参数及技术要求。将所有美国机械工程师协会标准要求的压力单位MPa变为压力设备指令要求的单位bar,其数值是原来的十倍。技术参数表根据压力设备指令要求增加介质分类、容器类别、公称容积等内容。原有图面所列为美国机械工程师协会标准,将技术要求更新为压力设备指令。

(2) 物料号更新。为与美国机械工程师协会标准图纸有所区分,现有设计满足压力设备指令的容器图纸,物料号均为新号。

7.3 零部件更新

用于压力设备指令的新物料,其材料和美国机械工程师协会标准下的物料相同,仅增加V形试样冲击试验要求。

由于蒸发器、冷凝器、经济器、油箱的最低使用温度各不相同,因此管板、壳体、钢管的冲击温度对应各自所属容器,锻件和管接头的冲击温度统一为不高于-20 ℃。

例如蒸发器中的一个受压零件,其美国机械工程师协会标准材料为SA/GB 713 Q345R,压力设备指令标准下材料为SA/GB 713 Q345R,需提供质保书,并做V形试样冲击试验,冲击功不小于27 J,冲击温度不高于蒸发器最低使用温度。

7.4 水室设计更新

对于水室组件,根据图纸尺寸,进行容积计算,整理出水室容积计算表,包括设计压力、水室容积、压力与容积数值乘积、类别等信息。水室组件压力与容积数值乘积达到10 000,属于Ⅰ类容器,增加压力设备指令物料号码和材料要求。

水室组件物料表增加扩展号,对应压力设备指令物料。内部与介质接触,且外部与大气接触的零件,属于受压件,材料不作改变,需要增加V形试样冲击试验要求。

7.5 铭牌

铭牌使用新物料号,增加CE标志、壳程与管程技术参数、年限,以及检测机构等信息。

8 总结

水冷离心机组型号众多,系列化产品设计主要涉及三个方面。

(1) 零部件的分类。需要大量计算,根据压力和容积数值乘积进行判别。

(2) 对应压力设备指令要求进行图纸更新。不同容器最低使用温度各不相同,零部件的更新要求也不相同。

(3) 物料表整理和维护。容器图及铭牌为全新物料,受压零部件及水室组件只取扩展号,并对新旧物料进行替换。