美日英压力容器标准与国内(台湾)之比较

34工業安全衛生月刊/2007.12美日英壓力容器標準與國內之比較沈育霖【摘要】壓力容器設備，係屬於「危險性機械設備」之範疇，若引用國外安全構造規範之設備，輸入我國境內使用時，很難只就其不滿足我國安全標準部份加以改善。以我國CNS和科技較先進國家對壓力容器安全構造規範進行比較，含日本之JISB8265及JISB8266，英國之BSPD5500及美國ASMESec.VIIIDiv.1等，單就設計而言，各國之標準與我國之CNS差異頗多，應無法定出一通則，基於我國之管理與規範之適用性，至少應在：(1)設計板厚、(2)最小板厚、(3)腐蝕裕度、(4)設計負載（特別是風壓與地震之動態考量方面）、及(5)安全裝置等五方面，必須以「不小於CNS之規定為原則」，且應具備製造與檢測之品管相關文件，以呈現相當程度之製造與設計之品質。壹、前言依據我國主管機關的研究統計指出[1]，過去二十年來所發生的職業災害案例中，分析有關壓力容器所造成的危害種類，主要有：(1)爆炸、(2)感電、(3)與低溫接觸、(4)墜落、及(5)被切或割傷等五大類；而其所發生的工作程序是以：(1)銲補作業、(2)閥操作作業、(3)進卸料作業、(4)儀器操作作業、及(5)試驗檢查作業等，地點中所造成。這些職業災害中，又以壓力容器的爆炸所帶來的生命、財產損失最為嚴重[2]。除此之外，由於壓力容器相關之技術與安全規定比較早就被業界接受，因此，雖然近年以來，相對的職災發生機率並不高，不過，發生之災害後果影響卻相較於其他類型者為高，也仍是值得警惕的。隨著我國經濟之發展以及台商工業全球化之發展趨勢，或者對外投資生產設備，或者進口外國之設備等行為，針對壓力容器而言，可見的短期內將會有（或者已經發生了少數個案）的情形，含：●國內工業界由國外進口壓力容器設█論著與譯文█2007.12/工業安全衛生月刊35備，而該設備依法[3]適用於我國壓力容器構造標準，不管是程序上或是安全規範要求上，都應以我國的構造標準為主，包含設計、製造及檢查等，然而，國內業界或基於便宜行事，或基於其商業競爭時效壓力，可能會要求：(1)在程序上，依國內之檢查、核准程序辦理，以滿足相關之勞工安全法律規定；以及(2)在構造硬體規範之設計、製造、檢驗及測試等，依國外之相關規範辦理。對於前者之制度面，相關之研究方面，雖然沒有特別以「壓力容器」為研究對象者，但[4]之研究顯示，至少有針對相關之「高壓氣體設備」者；而對於後者，所有之安全構造規範訂立是用以規定設備之安全性，使設備達到最起碼之指定安全程度，以確保證相當程度之品質，而使用者則得到安全保障，雖不一定都由政府機關訂立[5]，一經納入法律，便屬於國家公權力之範疇，如果需要引用排除適用之條款，均必須經過主管機關之個案核准。●屬於國內製造之壓力容器設備，須輸出設立於他國境內使用之新、舊設備，需要一些國內、外相關設計規範之比較參考，以增加其製造競爭力。針對前者，主管機關需要有更多相關的研究分析，以便在符合我國法令規定、滿足勞工安全，及符合我國工業民情要求下，有一套比較有系統的核准原則，一者讓工業界可以有一較清晰的遵循方向及具體的原則，否則在全球競爭白熱化的今天，主管機關容易遭受各界「擾民」的責難，從而忽視了背後替勞工安全把關的真正意義。本研究中所納入之國外壓力容器構造規範或標準者，以下列為主：(1)PD5500(SpecificationforUn-firedfusionweldedpressureves-sels,BS5500)[9](2)日本JISB8265[10]及JISB8266[11]壓力容器(3)ASMESectionVIII[12]由於美國機械工程學會(ASME)所訂立之壓力容器規章，ASMEVIIIdiv.1，已經被許多國家或地區直接採用，因此，本文中則於相關章節中適當地納入，以做為比較之參考。貳、構造法規之一般通則一、適用範疇在與CNS9788壓力容器標準之定義下，JISB8265標準則訂定其適用於「設計壓力」小於30MPa之構造與固定式之壓力容器，其餘之適用範疇36工業安全衛生月刊/2007.12內容與CNS規範相同。不過，CNS中並沒有明訂其壓力是否為「設計壓力」，而以「保存壓力」定義，由字面意義來看，似乎比較接近實際之「最高操作壓力」或「最高可以承受之壓力」，此與JIS標準也有很大地差異。另一方面，JISB8266標準適用於「設計壓力」小於100MPa之容器，其設計溫度在潛變範圍內，同時保存壓力超過大氣壓壓力或受外壓之壓力容器。另外在英國BS及美國ASME方面，所規定之適用範疇皆有其個別定義，如：英國之BSPD5500所指的壓力容器除了不直接接觸火焰、及原先會使用的電熱和其它熱加工外，則是不包括下列：1.用來儲存近大氣壓之液體的容器，其壓力附加之水頭壓不得超過大氣壓140mbar或低於大氣壓6mbar。2.具有直立軸且低壓而立於地面上，儲存液體壓力不超過1bar的容器。3.容器之設計應力少於BS之應力計算法所規定之應力值的10%。4.多層卷、預壓容器或其它特殊設計、需承受高壓的容器。5.運輸容器。6.其它BS分類所列示之特殊應用的容器。對ASME而言，其所指的容器不包括下列所列舉者：1.其它Sections已另有規定者。2.烘製處理之加熱管。3.為旋轉或往復機械裝置之壓力容器，如幫浦、壓縮機等等，其主要設計與應力依照裝置之實際需求做考量。4.管路系統其整體部份的系統中，主要功能為從一地運送液體至另一地所需要的構造。5.管路元件，如管、凸緣、墊圈、閥、膨脹接頭、配件及其它元件，其具有混合、分離、計量、控流及其它目的，如伸張或拉緊的裝置與設備等。6.在壓力下盛裝水的容器，包括使用空氣來壓縮的緩衝器，其設計壓力不超過300psi，而設計溫度不超過210℉(98.89℃)。7.用蒸氣加熱的熱水供應槽或不超過下列之限制(1)熱輸入為200000Btu/hr(2)水溫為210℉(98.89℃)(3)標稱水量為120gal8.內外壓不超過15psi，且在尺寸上不設限的容器。9.內徑、寬、高及剖面對角長度均不超過6in，且在長度或壓力沒有限制的容器。10.可容納個人的壓力容器ASMESectionVIIIdiv.1所規範的壓2007.12/工業安全衛生月刊37力容器是受壓不超過3000psi(20.7MPa)的壓力容器，超過3000psi時務必參閱更高壓的設計規範(如div.2或div.3)。二、壓力容器之範圍CNS9788、JISB8265或是JISB8266所涵蓋之範圍規定皆相同，在BS方面則是包括，壓力容器本體，及利用螺栓、螺紋或銲接等方法連接至壓力容器之接點上的連接管，還有托架及其它銲接在壓力容器上的附屬品均屬之。而ASME規範除了和CNS規定相同之外，與外部配管之關聯部分，還另外包含一點，即專用接頭為至最初之密封面。三、等級區分CNS主要依(1)壓力範疇、(2)內容物，將壓力容器區分為第一種容器、第二種容器及第三種容器等三種不同等級，然而，遍查JISB8265及JISB8266之規定分類，均無此壓力容器之分類規定，但其實不同分類已經分別規定在不同的適用規範中了，例如，JISB8265比較接近我國CNS9788之第二種壓力容器(同設計壓力不超過30MPa)，而JISB8266則接近第一種壓力容器者(同設計壓力不超過100MPa)。另外，BS有構造分類以區隔出材料與使用溫度上的限制；ASME則以設計壓力之限制分別規定，就如ASMESectionVIII,Div.1所規定的是受壓不超過3000psi(20.7MPa)的壓力容器，較接近CNS第二種容器(30MPa以下)之規定，而ASMESectionVIII,Div.2在設計的規範上則是接近CNS第一種容器之規定。經整理後，本研究所納入之各國法規若依「設計壓力」之分級可參考圖1。圖1各國法規依設計壓力之分級參、壓力容器之設計一、設計通則JISB8265除所需最小厚度及孔有特別規定外，則無其它相關說明，而近似CNS第一種容器的JISB8266則皆同CNS規定，另外，BS與ASME多少同CNS規定，但還另有其特別規定，與CNS甚有出入：(1)設計載重方面，BS除同CNS規定外，還須加上38工業安全衛生月刊/2007.12如運送及裝卸於最終定點時造成之作用力、無法驗證設計之適當性之載重效果、局部應變的累積對該元件之壽命所造成之影響等規定；ASME除與CNS規定相同外，尚須考慮由流體震顫所造成之衝擊力。(2)設計壓力，則大致相同。(3)設計溫度，JISB8266除了同CNS之規定外，還另外規定應設置兩種設計溫度：一種為高溫（稱「設計溫度」），另一種為低溫（稱「最小金屬設計溫度」）。此外，BS對高溫及低溫有較詳細的敘述，ASME說明最高、最低溫度，且有詳細的建議作業溫度，及可不進行衝擊試驗之滿足條件之規定。(4)組合應力效應，僅CNS有規定。(5)最小厚度規定，JIS依分類大致可對應至CNS，而BS與ASME則另有規定。(6)腐蝕裕度，各國皆有對此裕度賦予相當需要的意義，或是不需要的規定。(7)複合容器，僅JISB8266與我國CNS有相同規定，BS及ASME均對複合容器無相關之特別條文規定，但ASME另有條文說明各部之腐蝕可以不同，事實如此之規定已大致涵蓋了複合容器。(8)孔，孔之數量與直徑，JISB8265與JISB8266同CNS規定，BS在人孔及檢查孔之規定須參照BS470，另外，ASME所規定之告知孔同CNS外，還規定泄液孔，還有孔徑與容器直徑的關係等規定。二、材料之容許應力JISB8265在容許應力的規定上，大都與CNS在第二或第三種容器規範相同，但容許壓縮應力則另有規定，另外在支壓應力、一次一般膜應力之基本容許應力之加成則無相關規定；JISB8266大多與CNS規定相同或無規定，而容許抗拉應力規定與CNS之基本容許應力大致相同；而BS除壓縮應力有不同於CNS且較詳細之規定外，則無其它應力相關規定；ASME在容許抗拉應力以另外篇幅有詳細說明，容許剪應力方面僅以破壞理論（最大剪應力理論）定義之，容許壓縮應力則同CNS規定，但一次一般膜應力之基本容許應力之加成所造成的應力在其基本容許應力的倍數考量上與CNS不同，會較CNS為小些。三、疲勞之應力分析JISB8266不論在應力分析或是疲勞分析皆同CNS規定，JISB8265及ASME則無相關規定，而BS應力分析之相關規定只有規定設計強度與設計應力，且依構造分類之第一、二類容器與第三類容器分別規定，無疲勞分析之相關規定。四、胴體及端板胴體及端板主要係規定在某設計壓力及設計溫度下，所需之板厚大小2007.12/工業安全衛生月刊39（未含腐蝕裕度），以下依相同設計條件下，計算出各國規範所規定之最小厚度值加以比較：1.圓筒形胴體：在計算厚度之考量上，唯JISB8265僅考慮僅受內壓的情況，其它規範皆和CNS相同，會考慮兩種情況，僅受內壓之圓周方向應力和軸方向應力；而在計算厚度的求解上，JISB8265及ASME和CNS第二種容器相同，JISB8266及BS則與CNS第一種容器相同。2.球形胴體與端板：在計算厚度之考量上，JISB8265及ASME皆只考慮僅受內壓的情況，JISB8266及BS皆有考慮僅受內壓及組合載重的情況；而在計算厚度的求解上，若以某相同條件下計算時，BS厚度值幾乎同CNS，而其它規範皆和CNS相同。3.碟形端板：計算厚度上，JISB8265與ASMEVIIIDiv.1與CNS第二、三種容器計算方式相同，而JISB8266與ASMEVIIIDiv.2與CNS第一種容器計算方式相同，BS係以圓筒端之外直徑且和其它規範類似但不同的方式計算，CNS第一種容器、JISB8266及ASMEVIIIDiv.2皆須以圓筒端之內直徑計算厚度，若以某相同條件下計算時，厚度值會比CNS規範還小些。4.半橢圓形端板：各國法範幾乎皆同碟形端板之規定，但BS在半橢圓形端板的設計限制條件與碟形端板不同，應當注意，若以某相同條件下計算時，厚度值會比CNS規範還大。5.圓錐形端板：JI