111 地方特考三等 職業安全衛生 安全工程 考古題詳解

核心觀念

本題旨在測驗工業通風與排氣處理工程中「除塵裝置（Particulate Control Devices）」之工程選用準則（Selection Criteria）。在職業安全衛生與安全工程領域中，局部排氣系統之空氣清淨裝置肩負「作業環境粉塵濃度控制」與「排入外氣符合環保排放標準」之雙重目的。

相關核心法規與理論基礎包括：

1. 法規要求（以命題當年民國 111 年法規為準）：

• 《職業安全衛生設施規則》第 286 條至第 316 條（通風設備與空氣清淨裝置之性能要求）。
• 《粉塵危害預防標準》第 14 條、第 23 條（局部排氣清淨裝置之集塵方式與排氣處理規定）。
• 《固定污染源空氣污染物排放標準》及相關空氣污染防制法規。

2. 工程物理與物理化學指標：

• 分級收集效率（Fractional Collection Efficiency）：特定粒徑 $d_p$ 下之捕集率 $\eta(d_p)$。
• 壓力降（Pressure Drop, $\Delta P$）：集塵系統之流體阻力，直接決定風機所需軸動力 $P_{\text{fan}} = \frac{Q \cdot \Delta P}{\eta_{\text{fan}}}$。
• 粉塵物理化學特性：粒徑分佈（Particle Size Distribution, PSD）、真密度／堆積密度、研磨性、潮解性、黏附性、粉塵比電阻（Electrical Resistivity, 範圍一般需在 $10^4 \sim 10^{10}\ \Omega \cdot \text{cm}$ 之間始適於靜電集塵）。
• 氣體熱工與流力特性：風量 $Q$、溫度 $T$、濕度與露點（Dew Point）、腐蝕性成分。

解題方法

本題為典型申論題，若僅零星列舉「要注意溫度、要注意大小」，將無法獲取閱卷委員青睞。標準的工程解題架構應依循「污染物流體進氣條件 $\to$ 淨化機能與法規需求 $\to$ 操作維護與環境限制 $\to$ 安全防爆與生命週期經濟性」之系統化工程評估途徑開展：

1. 第一層面（污染物與載流氣體之理化特性）：清淨裝置直接接觸之對象為粉塵及含塵廢氣，兩者之物化性質為決定裝置工作機制（重力、慣性、離心、過濾、洗滌、靜電）之關鍵邊界條件。
2. 第二層面（性能與法規限制）：系統必須達成之集塵效率與排放限制。
3. 第三層面（工程實務與維護運轉）：場地配置限制、動力耗損（壓降）、粉塵之後續卸料及廢水廢泥衍生之二次公害問題。
4. 第四層面（安全防爆與衛生）：可燃性粉塵引爆風險（如鋁、鎂、麵粉、塑膠粉末）及有害毒性粉塵對維修人員之暴露防護。
5. 第五層面（全生命週期經濟評估）：初設成本（CAPEX）與後續營運維護成本（OPEX）。

解題技巧

1. 破題關鍵（答題結構化）：利用工程系統矩陣，將注意面向劃分為「粉塵特性」、「氣體特性」、「設備性能與法規要求」、「運轉維護與場地條件」、「安全防爆與環保二次公害」、「經濟評估」等六大構面。
2. 閱卷得分點（關鍵專有名詞與量化參數）：

• 提及袋濾式集塵器時，務必帶出「氣布比（Air-to-Cloth Ratio / 過濾風速）」與「露點溫度（避免糊袋，Blinding/Caking）」。
• 提及靜電集塵器時，務必寫出「比電阻（Resistivity）」對逆電暈（Back Corona）現象之影響。
• 提及濕式洗滌集塵器時，務必點出「二次水污染處理」與「泥渣（Sludge）脫水處理」。
• 提及安全工程時，切勿遺漏「可燃性粉塵爆炸（Dust Explosion）」之洩爆防爆設計。

3. 常見陷阱：

• 誤將「除塵裝置種類」當作「選擇考量面向」作答：題目問的是「選擇時要注意哪些方面」，若通篇只介紹旋風集塵器、袋濾式集塵器的原理，屬於答非所問。應以「評估指標／注意面向」為母項，將不同集塵器之特性作爲子項佐證。

【答案】

一、前言

空氣清淨裝置依污染物相態可區分為處理顆粒狀污染物之「除塵裝置」與氣狀污染物之「廢氣處理裝置」。除塵裝置之選擇屬於多目標工程決策，若選用不當，輕則導致壓降過高、耗能暴增或排放超標，重則引發糊袋堵塞、設備腐蝕乃至粉塵爆炸災害。因此，選用除塵裝置時應從以下六大構面予以綜合評估：

二、選擇除塵裝置時應注意之主要面向

（一）粉塵之物理與化學特性（Particulate Characteristics）

1. 粒徑分佈（Particle Size Distribution, PSD）：

• 粒徑是決定除塵機構的最關鍵因素。
• 粗顆粒（$d_p > 10\ \mu\text{m}$）可選用重力沈降室或旋風分離器（Cyclone）；
• 微細顆粒（$d_p < 2.5\ \mu\text{m}$、次微米級）則必須選用高效率之袋濾式集塵器（Baghouse Filter）或靜電集塵器（Electrostatic Precipitator, ESP）。

2. 進氣粉塵負荷量（Dust Loading / Concentration）：

• 高濃度粉塵若直接進入高級除塵設備（如袋濾式），易造成濾布負荷過重、逆洗頻繁；常需先串聯旋風分離器進行預先除塵（Pre-cleaner）。

3. 比重與顆粒形狀：

• 影響粉塵終端沉降速度（Terminal Settling Velocity）。纖維狀或片狀粉塵易架橋堵塞管道與集塵漏斗。

4. 黏著性、吸濕性與潮解性：

• 具潮解性或強黏著性之粉塵易附著於乾式集塵表面，導致「糊袋（Blinding）」或電極積垢，此類粉塵宜優先考量濕式洗滌器（Venturi Scrubber 等）或特製防油防水濾材。

5. 研磨性（Abrasiveness）：

• 高硬度、高研磨性粉塵（如矽砂、礦石粉末）在高速氣流下會嚴重沖刷磨損旋風器內壁及管道彎頭，選用時需加設耐磨內襯或降低管道風速。

6. 比電阻（Electrical Resistivity）：

• 若考慮靜電集塵器，粉塵比電阻應介於 $10^4 \sim 10^{10}\ \Omega \cdot \text{cm}$ 之間。比電阻過低（$< 10^4\ \Omega \cdot \text{cm}$，如碳黑）易產生二次飛揚；比電阻過高（$> 10^{10}\ \Omega \cdot \text{cm}$）則易引發「逆電暈（Back Corona）」現象，大幅降低集塵效率。

核心觀念

本題測驗壓力容器與化學製程之「過壓保護系統（Overpressure Protection System）」設計，核心在於釋壓裝置的分類、作動機制與組合配置策略。涉及的主要標準與規範包括：

1. 釋壓裝置分類與定義：依據國際規範（ASME Section VIII、API Standard 520）及我國《職業安全衛生設施規則》第 144 條、《鍋爐及壓力容器安全規則》（以命題當年民國 111 年法規為準）：

• 重閉型（Reclosing device）：如彈簧負載式安全閥（Spring-loaded Pressure Relief Valve, PRV/PSV），超壓排放後壓力降至回座壓力時可自動關閉。
• 非重閉型（Non-reclosing device）：如破裂盤（Rupture Disk），超壓破裂後無法自動復原，提供全開口面積。

2. 組合配置機制：破裂盤與彈簧釋壓閥的串聯（Series）與並聯（Parallel）安裝，目的在於互補彼此機械特性的優劣（氣密性、耐蝕性、阻抗反應速度、洩放量與可重閉性）。

解題方法

本題為典型的申論題，配分為 5 分與 20 分，解題切入點應按題旨雙核心展開：

1. 第一題（5 分）：定義破裂盤並拆解為「功用」與「工作原理」，說明材料力學破壞機制（拉伸或屈曲）及全通徑洩放特性。
2. 第二題（20 分）：配分比重高，必須將「串聯使用」與「並聯使用」明確分開論述，且串聯應進一步區分「破裂盤在上游（入口端）」與「破裂盤在下游（出口端）」，全面涵蓋防漏、抗蝕、抗堵塞、階梯式分級釋壓（Staged Relief）及應對失控反應等實務工程目的。

解題技巧

1. 閱卷給分關鍵字掌握：

• 原理與功用：非重閉型、預設破裂差壓（Burst Pressure）、材料引伸/挫屈破壞、全開通徑、極短反應時間。
• 串聯目的：零洩漏（Zero Leakage）、防止腐蝕/黏稠結垢卡死閥座、下游背壓隔離、節省高昂合金閥門成本。
• 並聯目的：分級釋壓（Primary vs. Secondary）、應對極端緊急事故（失控反應 Runaway Reaction、火災包圍 Fire Case）、兼顧製程運轉連續性與極限安全性。

2. 高分陷阱提醒：

• 串聯配置時，務必加註「破裂盤與安全閥之間必須安裝壓力錶／過壓警報指示與釋放短管」，若破裂盤產生針孔微漏，會使夾層建立背壓，造成破裂盤無法在預定設定壓力下正常破裂。此要點為安全工程實務的關鍵評分點。

【答案】

一、破裂盤（Rupture Disk）之功用及原理（5 分）

1. 功用：

• 破裂盤屬於非重閉型壓力釋放安全裝置（Non-reclosing Pressure Relief Device）。
• 當製程系統因化學反應失控、外部火災或操作失誤導致內部壓力上升至危險極限前，破裂盤能於瞬間破裂，迅速提供最大流通面積釋放內部流體，防止容器產生永久變形或物理性超壓爆炸。
• 特別適用於劇烈升壓反應、高黏度、易聚合結垢、腐蝕性強，或對微量外洩極度敏感之流體系統。

2. 原理：

• 利用精密加工之薄金屬片（或石墨等材料）的材料力學強度特性設計而成。

核心觀念

本題考查可靠度方塊圖的串聯與並聯計算。各零組件故障互相獨立時：

• 串聯系統：所有元件都正常，系統才正常，因此可靠度相乘： $R_{\text{串聯}}=\prod_i R_i$
• 並聯系統：至少一個元件正常，系統即可正常；先算全部故障的機率，再用 $1$ 相減： $R_{\text{並聯}}=1-\prod_i(1-R_i)$

已知 $R(A)=0.9$、$R(B)=0.86$，故 $A$、$B$ 的故障機率分別為 $0.1$、$0.14$。

解題方法與計算

先依圖辨認每一組態的串並聯關係，再代入公式。

$T_1$：兩個 $A$ 並聯，與一個 $B$ 串聯

兩個 $A$ 並聯的可靠度為： $R_{A\parallel A}=1-(1-0.9)^2=1-0.01=0.99$

再與 $B$ 串聯： $R(T_1)=0.99\times0.86=\boxed{0.8514}$

$T_2$：一個 $A$ 與兩個 $B$ 並聯組串聯

核心觀念

本題旨在測驗考生對於「危險性設備（壓力容器）」在各生命週期階段（製造階段、使用階段）所仰賴之品質控制與完整性評估工具——**非破壞性檢測（Non-Destructive Testing, NDT / NDE）**之基本認知。

1. 法規與規範依據（以命題當年民國 111 年法規為準）：

• 依據《職業安全衛生法》第 16 條及《危險性設備檢驗規則》，第一種壓力容器於製造階段須實施銲接檢查、構造檢查；於使用階段須依週期實施定期檢查、內部檢查等。
• 檢驗基準常引用我國國家標準（如 CNS 9788、CNS 12657 等）或國際壓力容器法典（如 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section V 及 Section VIII）。

2. 核心物理定義：

• 非破壞性檢測係指在不損壞、不改變材料或工件未來使用性能之前提下，利用光、聲、電、磁、射線等物理原理，探測材料內部或表面之不連續性（Discontinuity）或缺陷（Defect，如裂紋、氣孔、夾渣、未銲透、未熔合、腐蝕減薄等），並評定其幾何尺寸、位置與嚴重程度。

解題方法

本題為專業申論題，答題架構應具備工程邏輯。最佳切入方式為：

1. 依缺陷偵測範圍分類：將技術區分為「表面及近表面檢測技術」與「內部（體積型）檢測技術」。
2. 條列五大傳統核心技術（傳統五大法）與延伸現代常用技術，逐一說明其原理、適用材質、缺陷類型及於壓力容器製造／使用階段之具體應用情境。
3. 彙整比較表，展現系統化歸納能力。

選項分析（技術剖析）

本題為申論題型，無選擇選項。以下針對壓力容器製造與使用檢驗中最常用的六大非破壞性檢測技術，逐一剖析其原理、適用時機與限制：

1. 目視檢測（Visual Testing, VT）

• 基本原理：利用可見光、人眼或輔助光學儀器（如放大鏡、內視鏡、工業孔徑鏡），直接觀察工件表面外觀。
• 適用檢驗時機：
• 製造階段：銲道成形檢查、開槽尺寸、咬邊（Undercut）、銲冠過高、表面裂紋、氣孔、對位偏差。
• 使用階段：容器內外部之大面積腐蝕、機械變形、洩漏痕跡、漆膜剝落與結垢。
• 限制：僅能檢測肉眼可及之表面顯著缺陷，無法探測內部或細微開口裂紋。

2. 液體滲透檢測（Liquid Penetrant Testing, PT）

• 基本原理：基於毛細管作用（Capillary action）。將高滲透性染色或螢光液塗敷於表面，使其滲入開口缺陷；清除多餘滲透劑後塗敷顯微劑，將滲入之液體吸附至表面形成放大顯示。
• 適用檢驗時機：
• 製造階段：非鐵磁性材料（如沃斯田鐵不銹鋼、非鐵合金容器）及鐵磁性材料之銲道表面開口裂紋、熱影響區（HAZ）微裂紋檢測。
• 使用階段：應力腐蝕破裂（SCC）、疲勞裂紋等延伸至表面之缺陷。
• 限制：僅適用於「表面有開口」之缺陷；多孔性材料無法適用；前處理清潔度要求極高。

3. 磁粒檢測（Magnetic Particle Testing, MT）

• 基本原理：利用電磁鐵或永久磁鐵將受測物磁化，若材料表面或近表面存在垂直或斜向磁力線之缺陷，會產生「漏磁場（Magnetic Flux Leakage）」，吸引外加磁粉聚集形成肉眼可辨識之磁痕。
• 適用檢驗時機：
• 製造階段：碳鋼與低合金鋼壓力容器銲道及熱影響區之表面裂紋、近表面未熔合（比 PT 更具深度探測力且效率高）。
• 使用階段：內部檢查時之濕硫化氫龜裂、疲勞裂紋偵測（常搭配螢光磁粉提高對比度）。
• 限制：僅適用於鐵磁性（Ferromagnetic）材料，對不銹鋼（沃斯田鐵系）無效；受測後通常需要進行去磁（Demagnetization）處理。

4. 射線照相檢測（Radiographic Testing, RT）

• 基本原理：利用高能量射線（X 射線機或 $\gamma$ 射線同位素如 Ir-192、Co-60）穿透物體，由於缺陷部位（如氣孔、夾渣）與完好金屬之密度與吸收係數不同，使背後底片或數位感光板（CR/DR）感光強度產生差異。
• 適用檢驗時機：
• 製造階段：全滲透對接銲道（Butt Welds）之體積型內部缺陷（氣孔、鎢夾渣、未銲透、未熔合）檢驗，具有法定永久留存影像紀錄之效益。
• 使用階段：管線與局部構件之內部腐蝕與沉積物分布。
• 限制：具游離輻射危險，現場作業須設立管制區並停止其他工序；對厚壁構件穿透耗時；對於與射線方向不平行之層狀裂紋檢出率低。

5. 超音波檢測（Ultrasonic Testing, UT）

• 基本原理：利用壓電探頭向工件發射高頻音波（通常為 $1\text{ MHz} \sim 10\text{ MHz}$）。當音波在介質中傳播遇到聲阻抗（Acoustic Impedance, $Z = \rho \cdot v$）不連續之界面或缺陷時，會產生反射與折射，由探頭接收反射訊號計算缺陷位置與深度。
• 適用檢驗時機：