鍋爐與壓力容器規則 boiler and pressure vessel

1. 鍋爐與壓力容器規則boiler and pressure vessel • 基本法規包括: 鍋爐及壓力容器安全規則，以及高壓氣體勞工安全規則，危險性機械及設備安全檢查規則，高壓氣體特定設備檢查基準several regulations等。 • 鍋爐boiler: 蒸汽鍋爐steam，熱水(含熱媒)鍋爐hot water or heating media，小型鍋爐small boiler三類 • 壓力容器pressure vessel: 第一類壓力容器1st type，第二類壓力容器2nd type，以及小型壓力容器small vessel。另外加上高壓氣體特定設備與高壓氣體容器。 •  分類classification的意義在於針對不同性質的鍋爐或壓力容器，依其不同程度的危險性，進行不同程度的管理different management for different scale of potential danger。

2. 名詞定義nomenclature • 小型鍋爐small boiler的定義: • 最高使用壓力pressure smaller than小於1 kg/cm2, 且熱傳面積heat transfer area在1 m2以下之蒸汽鍋爐 • 最高使用壓力小於1 kg/cm2, 且胴體內徑在300 mm 以下，長度在600 mm 以下之蒸汽鍋爐steam boiler • 熱傳面積在3.5 m2以下者，且裝有內徑25 mm以上之U型豎立管，其水頭壓力在5m以下之蒸汽鍋爐 • 熱傳面積在3.5 m2以下者，且裝有內徑25 mm以上之開放於大氣的蒸汽管之蒸汽鍋爐 • 水頭壓力在10 m 以下，且熱傳面積在8 m2以下之熱水鍋爐 • 最高使用壓力在10 kg/cm2, 且熱傳面積在10 m2以下之貫流鍋爐。

3. 壓力容器的規定pressure vessel • 第一類壓力容器1st type: 接受外來熱源使產生蒸汽steam，且容器壓力pressure higher than 1 atm高於一大氣壓者; 或保存溫度超過其大氣壓下之沸點之液體之容器。 • 第二類壓力容器2nd type: 內存超過大氣壓氣體之容器，例如壓力在2-10 kg/cm2 (壓縮空氣則為2 –50 kg/cm2), 且內容積在0.04 m3以上者，或胴體內徑在200 mm以上，長度在1000 mm以上者 • 小型壓力容器small vessel: (a) 最高使用壓力在1 kg/cm2以下，且內容積在0.2 – 0.04 m3間之第一類壓力容器; (b)最高使用壓力在1 kg/cm2以下，且胴體內徑在500-200 mm間，長度在1000mm以下之第一類壓力容器; (c) P (kg/cm2) x V (m3) 在0.2 – 0.04 以下之第一類壓力容器

4. * 取自Marshall, 1987; 一般的壓力容器示意圖schematic of an ordinary pressure vessel

5. 更多的相關(法律)名詞more terms • 容器container: 指罐裝高壓氣體的移動式壓力容器 • 灌氣容器gas-containing 仍然保有超過罐裝時1/2over half以上者 • 殘氣容器:residual gas container 現有量未滿罐裝時的1/2less than half者 • 低溫容器low temperature • 超低溫容器ultra low temperature: 指可罐裝-50oC以下之液化氣體liquefied gas者 • 儲槽storage tank: 固定在地盤上的高壓氣體儲存設備 • 高壓氣體設備 high gas pressure 有高壓氣體流通之部分 • 處理設備:treatment equipment 已壓縮，液化或其他方法處理氣體之高壓氣體製造設備 • 減壓設備pressure reducing equipment

6. 範例examples on special high pressure gas • 高壓空氣high pressure air • 高壓氫氣high pressure hydrogen • 液氨，液氧，液氮，液氯等liquefied ammonia, oxygen, nitrogen, chlorine • 液化石油氣，液化天然氣liquefied oil gas, LNG • 高壓乙炔high pressure acetylene • 液化環氧乙烷epoxyethane，液化溴甲烷bromoform • 高壓反應器high pressure reactor: 例如合成甲醇，硝酸等

7. 一般化學產業壓力範圍Pressure range for some common chemicals • Nitric acid: 2 – 10 bar • 大多數液化氣體儲槽壓力liquefied gas storage tank上限: ~15 bar • 氫化反應hydrogenation reaction: 20 – 500 bar • urea: 200 – 500 bar • methanol:50 – 500 bar • ammonia: 300 – 1000 bar • PU: 50 – 2000 bar • acetic acid: 50 – 1500 bar

8. 若干一般性的管理要點a few points on management • 設置合格的專責人員qualified person in charge，每人以一座為原則one person for one vessel，於運轉時during operation，雇主不得使從事與鍋爐或高壓容器無關的工作 • 鍋爐應安裝在專用建築物內boiler in designated building，或者以障壁分開之場所separated by walls。固體燃料fuels away from boiler應距鍋爐至少1.2m, 其他燃料保持2m以上距離 • 設置禁止無關人員擅自進入的標示no entrance sign，鍋爐檢查合格證書，以及專責人員的資格證書影本，也要揭示於明顯處show copy of certificates for equipment and person • 高低水位警報器加上液位計level meter for high and low levels; one of safety device，是鍋爐的安全裝置之一

9. 安全閥safety valve應調整於最高使用壓力以下吹洩，安全閥經檢查後，應予固定不得變動remain unchanged during operation • 壓力表刻度板上，應明顯標示最高使用壓力之位置mark for highest allowable pressure，以隨時提醒作業人員to remind operators • 事業場所應有明確的境界線，並設置警戒標示 • 彼此間要保持安全距離safety distance，例如可燃性高壓氣體設備，要與氧氣製造設備間，保持10 m 以上之距離 • 可燃性氣體combustible gas，要圖以紅色red mark or letters或以紅色字體書寫該氣體名稱

10. 液化氣體四周要設置防溢堤dike or embankment • 高壓氣體設備high gas pressure equipment要以常用壓力的1.5倍壓力進行耐壓試驗(1.5 x ordinary pressure for pressure-resistance test)，以及常用壓力進行氣密試驗ordinary pressure for gas-tight test • 要有能承受地震sustain earthquake effect影響的耐震構造 • 要有如安全閥safety valve或破裂板rupture disc之安全裝置，如為毒性氣體，需要放在除毒設備內inside toxics removing system • 大型的液化氣體儲槽配管large liquefied gas storage tank，要在5m以外處，設置緊急遮斷裝置emergency shut-off valve • 液化儲槽儲liquefied gas storage tank存量，不得超過常用溫度下容積的not over90% capacity

11. 危險性設備的法定檢查inspection of dangerous equipment • 製造前before construction: 型式type檢查(document) • 製造時:during construction 熔接檢查welding，構造structure檢查 • 安裝時installation: 竣工completion檢查 (發合格證to issue certificate); 國外進口者，要重新檢查re-exam for imports; 高壓容器修改變更時，也要變更檢查inspection for modification • 使用階段:during use 定期檢查regular inspection; 若有遷移，或閒置一段時間後再使用，也要重新檢查

12. * 取自Marshall, 1987; 壓力容器在不同階段的參與工作人員

13. 非破壞性檢測 • NDE: nondestructive examination • 目測法visual • 放射線檢查: x-ray or -ray • 超音波ultrasonic detection探傷檢查: 通常使用 1 – 25 MHz 音波 • 磁粉探傷檢查magnetic powder flaw detection • 液滲探傷檢查liquid or dye • Eddy current: 用於圓管circular pipes，圓管的缺陷會改變它的阻抗impedance, 因而得知 • 干擾圖譜: holographic interferometry • 聲波發設法acoustic emission • 膠體電擊法gel electrode

14. 整體容器的測試Test on overall container • 前述的非破壞性檢測，理論上可以偵測出結構上的缺陷，對整體容器而言，則可以進行下列諸測試: •  水壓試驗water pressure test •  氣密試驗gastight test •  耐壓試驗pressure-resistance test • 因為危險性較高high risk，所以必須由專門的機構進行by specialized company

15. * 取自Marshall, 1987; 壓力容器在最初發生意外的機率高(因為設計或施工不當); 然後在使用依段時間後，發生意外的頻率再度升高(因為材料腐蝕，或維修為落實等)

16. 意外事故的原因causes of accidents • 對於壓力容器與鍋爐而言，最擔心的意外事故，就是容器破裂(loss of containment: rupture of leak) ，造成物質外洩，甚或爆炸事件。 • 容器破裂的原因分析reasons: •  材料問題material problem: 選用不當的材料，以致於受到腐蝕，或材料內部缺陷造成 •  設計問題design: 不正確的計算，或不正確的數據 •  施工問題:construction 例如施工品質不佳，焊接不良等 •  使用問題:during use 例如操作條件operating condition different from design與當初設計不符，維修工作poor maintenance沒有落實等

17. 壓力容器的設計design of pressure vessel，皆有標準可循。原則為 ： 材料行為material behavior，應力分析(設計)stress-strain analysis，以及品質保證(quality assurance施工與維修)三個基本要求。安全係數safety factor多選用3-5。

18. 造成材料破裂的原因 reasons for material rupture • 致命的外力撞擊deadly impact from others: 多半是突發意外事件due to accident • 材料疲乏(fatigue), 例如來自週而復始(cyclic actions)的作用力, 造成潛變(creep deformation), 終而變形破裂 • 材料脆化(brittle): 如低溫脆化low temperature，氫脆化hydrogenation。或者高溫高壓下，某些分子進入材料結構中，進而產生氣泡bubble formation from certain molecules due to high temperature，降低材料韌性或強度

19. 高溫效應high temperature effect • 熱衝擊 thermal shock • 振動vibration • 化學效應chemical effect: 主要就是腐蝕作用corrosion，而且會因為材料承受應力under stress，而加速腐蝕stress corrosion cracking (SCC)

20. * 取自Marshall, 1987; 壓力容器破裂原因的統計數字statistics of rupture of pressure vessel

21. 不同的材料選擇different choices Temp: both high and low temperature; 其他還可以包括: 塑膠plastics，玻璃glass，橡膠rubber, Teflon等

22. 壓力容器的弱點weak points in a pressure vessel • 最容易發生洩漏的部位most frequent locations of leak: •  管線接頭:connector between pipes 因為安裝不良poor installation，或熱漲冷縮造成expansion/contraction •  墊圈部位:gasket/packing/washer 墊圈材料受損 •  蓋板安裝部位flange: 清掃孔，或檢查孔部位，同樣會因為墊圈，或安裝不良而造成洩漏 •  焊接或熔接部位:welding parts 來自腐蝕或應力corrosion or stress

23. * 取自Marshall, 1987; 破裂部位的統計分析數據

24. * 如果平時就會微量洩漏(聞到味道)if smell something，表示結構不很健全，若加上其他外在原因，就很可能成為設備破損之點it could turn into a point of rupture。

25. An Accident Involving Fire Extinguisher • 某次安全消防檢查a safety check-up, 需要移動滅火器(remove fire extinguisher to weigh), 去秤重, 不小心掉落,結果頭部的閥, 撞及水泥平台, 損及螺紋, 造成閥分離, 使得600 psig (~ 41 bar) cylinder 像火箭般射出like a rocket, 達400公尺遠!!  What Can we do? • 認知到此類高壓容器的危險性recognize danger • 採取措施預防移動時掉落prevent from falling • 加裝頭部的保護帽 (protective cap) • 要由有經驗人士處理此類檢查handle by experts

26. Taken from CEP, June, 2008, p.30

28. 鍋爐運轉的安全對策strategy for safe operation of boiler • 保持正常水位keep normal liquid level，避免過高或過低not too high nor too low • 維持一定氣壓: 安全閥safety valve與壓力表pressure gauge必須正常運作normal • 加強水處理:water treatment to avoid scale or corrosion 避免節垢，或腐蝕 • 加強對鍋爐受熱面積的清掃工作regular cleaning of heat transfer area: 避免積灰 (熱傳不均勻，會造成局部過熱，因而該區材料受損) • 注意通風good ventilation

29. 半導體業的高壓氣體鋼瓶gas cylinder in semiconductor factory • 用量多large quantity，氣體種類多many different kinds，而且許多特殊氣體具高度可燃性combustible，毒性toxic，例如PH3, AsH3, SiF4, etc. • 除氣體鋼瓶外，輸送管線pipelines，儲存空間storage room都算是系統system的一環，都要注意安全的設計與操作。此處有許多新的作法many new technologies: • 例如對於置放於儲存間的危險性氣體鋼瓶for storage room，目前已經發展出pneumatic controller, 以便在管線或末端洩漏時可以遙控關閉之shut-off remotely。

30. 再如: 使用RFO (restrictive orifice flow小孔之類的裝置)的裝置於鋼瓶出口at the outlet of cylinder(e.g. SiH4), 以便意外時，洩漏速度不會太快。 • 另一項新的發展new development就是: 低壓或低於一大氣壓(sub-atmospheric)的輸送(delivery)氣體技術。其原理為: 利用多孔porous，高表面積high surface area material的物質吸附該氣體，然後減壓(抽真空)或加熱脫附，達到輸出該氣體的目的。一些成功應用的範例，如下表。此類鋼瓶萬一洩漏，洩漏量將遠低於普通的高壓鋼瓶 (much smaller leak rate差到60,000倍) • 上述鋼瓶的缺點: 輸送的速率有限limited delivery rate。此外就是可用的吸附劑有限。

31. 資料取自SST, 153-158, July, 2001