管道壓力等級確定的條件和因素以及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

管道壓力等級確定的條件和因素以及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)管道的壓力等級是指管道系統(tǒng)中能夠承受的最大工作壓力等級，該等級通常由以下因素決定：管道所運輸?shù)慕橘|(zhì)、管道本身的材料和制造工藝。其主要目的是確保管道系統(tǒng)能夠安全、可靠地運行，并且不對生產(chǎn)或環(huán)境造成損害。壓力等級的確定是壓力管道設(shè)計的核心，也是布置和應(yīng)力校核的前提條件，以及影響壓力管道基建投資和管道可靠性的重要因素。管道的壓力等級包括2個方面：標(biāo)準(zhǔn)管件的公稱壓力等級（以公稱壓力表示）和壁厚等級（以壁厚等級表示）。通常，管道的壓力等級是標(biāo)準(zhǔn)管件的公稱壓力等級和壁厚等級共同決定的參數(shù)。在確定管道的壓力等級時，需要考慮以下方面：管道所輸送介質(zhì)的性質(zhì)（如流量、密度、粘度、溫度、壓力等參數(shù)），管道本身的材料和工藝（如管道的材質(zhì)、內(nèi)部涂層、制造標(biāo)準(zhǔn)等）、管道系統(tǒng)所需承受的外部壓力或荷載（如地震、風(fēng)荷載、支架荷載等）以及確定所需的安全系數(shù)和使用壽命（如使用年限、應(yīng)力、疲勞、裂紋等）。根據(jù)這些指標(biāo)和實際工程需求，可以進行系統(tǒng)的計算和分析，以確定管道所需的壓力等級。同時，還需要考慮國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的規(guī)定，以及現(xiàn)場實際情況和安全要求等。、管道壓力等級的確定質(zhì)，在考慮其公稱壓力等級時，不能只按照溫度-壓力表來確定，而應(yīng)適當(dāng)提高其公稱壓力等級，即提高其安全可靠系數(shù)。SH3059.SYJ1064標(biāo)準(zhǔn)都有詳細規(guī)定，例如：運輸劇毒介質(zhì)的管道，無論介質(zhì)的操作壓力是多少，其公稱壓力等級應(yīng)不低于PN5.OMPa（SH標(biāo)準(zhǔn)體系）或PN4.0（JB標(biāo)準(zhǔn)體系）；運輸氫氣、氨氣、液態(tài)燃等介質(zhì)的管道，其最低公稱壓力等級應(yīng)不低于PN2.OMPa（SH標(biāo)準(zhǔn)體系）或PN2.5MPa（JB標(biāo)準(zhǔn)體系）；運輸一般可燃介質(zhì)的管道，其公稱壓力等級應(yīng)不低于PN2.OMPa（SH標(biāo)準(zhǔn)體系）或PNL6MPa（JB標(biāo)準(zhǔn)體系）。4介質(zhì)操作溫度及管系附加力許多法蘭標(biāo)準(zhǔn)都注明，其溫度-壓力表對應(yīng)值是指法蘭未受沖擊載荷時的對應(yīng)值。實際上，外部管道施加在法蘭上的彎曲、振動、溫度循環(huán)等載荷，都會影響其密封性和可靠性強度。因此，在確定管道所需的公稱壓力時，應(yīng)將這些外部載荷轉(zhuǎn)化為當(dāng)量介質(zhì)壓力。管系的熱脹冷縮常會引起法蘭的彎曲載荷。對于PN2.0等級的法蘭，當(dāng)其工作溫度大于200C時，或PN5.0及以上等級的法蘭在工作溫度大于400℃時，均應(yīng)考慮管系對法蘭產(chǎn)生的附加載荷的影響。否則，應(yīng)提高管系的公稱壓力等級。當(dāng)工作溫度接近材料蠕變溫度時，法蘭連接處會逐漸松弛，從而持續(xù)降低螺栓載荷，進而影響連接緊密性。因此，有必要定期擰緊螺栓以防止泄漏。工作溫度高于表列溫度而缺乏確切（額定）數(shù)值時，可根據(jù)使用經(jīng)驗或計算，由設(shè)計者自行確定。采用表列以外的材料時，法蘭的最高無沖擊工作壓力可根據(jù)材料許用應(yīng)力相當(dāng)?shù)脑瓌t，參照表列材料予以確定，但不得大于公稱壓力。三、影晌壁厚等級確定的因素1材料的許用應(yīng)力材料的許用應(yīng)力是指材料的強度指標(biāo)除以相應(yīng)的安全系數(shù)而得到的值。材料的機械性能指標(biāo)有屈服極限、強度極限、蠕變極限、疲勞極限等，這些指標(biāo)分別反映了不同狀態(tài)下失效的極限值。為了保證管道運行中的強度可靠，常將管道元件中的應(yīng)力限制在各強度指標(biāo)下某一值，該數(shù)值即為許用應(yīng)力。當(dāng)管道元件中的應(yīng)力超過其許用應(yīng)力值時，就認為其強度已不能得到保證。因此說，材料的許用應(yīng)力是確定管道壁厚等級的基本參數(shù)。不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，選取材料的許用應(yīng)力值是不同的。對壓力管道來說，國內(nèi)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是按GB150鋼制壓力容器確定的許用應(yīng)力值，ASTM材料則是取按ANSIB31.3ProcessPiping標(biāo)準(zhǔn)確定的許用應(yīng)力值。2腐蝕余量的取值腐蝕余量是管道壁厚減薄后增加的值，是考慮介質(zhì)對管道腐蝕所需的。該值直接影響到管道壁厚取值，或者說影響到壁厚等級的確定。目前我國尚未建立涵蓋各種腐蝕介質(zhì)在不同條件下對各種材料腐蝕速率數(shù)據(jù)的體系。因此，在工程中通常仍然按照經(jīng)驗來確定腐蝕余量。國內(nèi)外許多工程公司或設(shè)計院通常將腐蝕余量分為四級：無腐蝕余量，即腐蝕余量為0。一般情況下適用于不銹鋼管道；1.6mm腐蝕余量。對于腐蝕情況不嚴重的碳素鋼和銘鋁鋼管道通常選擇該值；3.2mm腐蝕余量。對于腐蝕比較嚴重的碳素鋼和輅鋁鋼管道多數(shù)情況下采用該值；加強級（大于3.2mni）腐蝕余量。對于存在固體顆粒沖刷等特殊情況的管道，需要根據(jù)實際情況確定其具體的腐蝕余量。3.3管子及其元件的制造壁厚偏差在制造管子及其元件過程中，相對于公稱壁厚（或理論壁厚），通常會存在正、負偏差。因此，在確定管子及其元件公稱壁厚時一定要考慮到負偏差值的可能性。各種鋼管標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的負偏差值是不完全相同的，GB/T8163流體輸送用無縫鋼管、GB/T14976流體輸送用不銹鋼無縫鋼管規(guī)定的壁厚偏差值如下:常用標(biāo)準(zhǔn)的壁厚偏差值材料標(biāo)準(zhǔn)壁厚（mm）偏差值（％）GB/T8163<20+15,-10,+12,-5,-10GB/T14976〈15215+15,-12.5+20,-153.4焊縫系數(shù)金屬的焊接過程實質(zhì)上是金屬冶金變形過程的一種，因此其組織具有明顯的鑄造組織特征。通常情況下，鑄造組織缺陷較多，對材料性能的影響也比較大。對于存在縱向焊縫和螺旋焊縫的焊接管子及其元件而言，相對于無縫管及其元件，通常會將其機械性能下降的程度用一個強度降低系數(shù)（即焊縫系數(shù)）來衡量。在工程上，焊縫系數(shù)的取值可參考下表：焊接鋼管的焊縫系數(shù)序號焊接方法接頭形式焊縫型式檢驗型式焊縫系數(shù)1鍛焊對焊直線按標(biāo)準(zhǔn)要求0.62電阻焊對焊直線或螺旋形按標(biāo)準(zhǔn)要求0.853電弧焊單面對焊直線或螺旋形RT10%RT100%RT雙面對焊直線或螺旋形RT10%RT100%RT3.5設(shè)計壽命的選擇a.在考慮壓力管道的腐蝕余量時，針對均勻腐蝕情況，如果知道其年腐蝕速率，就可以根據(jù)預(yù)定的設(shè)計壽命，輕松計算出應(yīng)當(dāng)采取的腐蝕余量。b.在考慮交變應(yīng)力引起的荷載變化次數(shù)、氫損傷的孕育時間以及斷裂因子的擴展周期等因素時，需要綜合考慮這些因素的影響。c.在考慮壓力管道的一次性投資、資金代價期和技術(shù)更新周期時，需要間接考慮這些經(jīng)濟因素與當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展水平的相關(guān)性。d.國外雜志推薦不同材料管道的設(shè)計使用壽命為：碳鋼為5年，銘鑰鋼和不銹鋼為10年。而按照SH3059標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，管道的設(shè)計壽命為15年。在國外，一些工程公司總承包項目的設(shè)計壽命通常為10年，而非總承包項目則為15年。3.6介質(zhì)對材料選用的影響舉例：1）介質(zhì)的易燃、易爆對材料選用的影響GB50160給出的定義、危害性,風(fēng)險控制級別,質(zhì)量要求。如石油液化氣（比空氣重,爆炸下限低,遇明火爆炸而不就是燃燒）。2）介質(zhì)的毒性對選材的影響GB5044給出的定義,危害性,質(zhì)量要求。事故事例：重慶氣田的硫化氫介質(zhì)泄漏。3)介質(zhì)的腐蝕性對選材的影響對工業(yè)生產(chǎn)裝置來說，有近半數(shù)的管子選材取決于介質(zhì)的腐蝕性、腐蝕對材料選擇影響的復(fù)雜性,可作為專題。舉例:氫氣、硫化物、石油酸、堿介質(zhì)、各種無機酸、含氯離子、尿素介質(zhì)環(huán)境下的材料選用。4)潔凈要求對材料選用的影響舉例：食品管道，醫(yī)藥管道，粉料輸送管道。5)帶固體顆粒的介質(zhì)對材料選用的影響磨蝕舉例：SECCO苯乙烯一條含固體顆粒的管道。6)其它方面的影響舉例：高壓氧氣管道。四、常用壓力管道器材的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以下列舉的為常見設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：DGB50316-2008工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范2)GB50251-2015輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范；3)GB50253-2014輸油管道工程設(shè)計規(guī)范；4)GB50028-2016城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范；5)GB50030-2013氧氣站設(shè)計規(guī)范；6)SH3059-2012石油化工管道設(shè)計器材選用通則;SH3064-2003石油化工鋼制通用閥門選用、檢驗及驗收;HG/T20646化工裝置管道材料設(shè)計規(guī)定。工程上，工藝操作參數(shù)不宜直接作為壓力管道的設(shè)計條件，要考慮工藝操作的波動、相連設(shè)備的影響、環(huán)境的影響等因素，而在工藝操作參數(shù)的基礎(chǔ)上給出一定的安全裕量作為設(shè)計條件。這里所說的設(shè)計條件主要是指設(shè)計壓力和設(shè)計溫度。設(shè)計壓力的確定管道的設(shè)計壓力：應(yīng)不低于正常操作時，由內(nèi)壓（或外壓）與溫度構(gòu)成的最苛刻條件下的壓力。最苛刻條件：是指導(dǎo)致管子及管道組成件最大壁厚或最高公稱壓力等級的條件?？紤]介質(zhì)的靜液柱壓力等因素的影響，設(shè)計壓力一般應(yīng)略高于由（或）外壓與溫度構(gòu)成的最苛刻條件下的最高工作壓力。管道設(shè)計壓力應(yīng)該考慮最苛刻條件下的內(nèi)外壓和溫度因素，為了安全起見，設(shè)計壓力一般要略高于最高工作壓力。在確定設(shè)計壓力時，我們可以參考壓力容器的做法，使用增加裕度系數(shù)的方式，以確保操作方便和安全。a.一般情況下管道元件的設(shè)計壓力確定一般情況下，采用在相應(yīng)工作壓力的基礎(chǔ)上增加一個裕度系數(shù)。一般情況下管道元件的設(shè)計壓力確定工作壓力Pw(MPa)設(shè)計壓力P(MPa)PwW1.8P=Pw+O.181.8<Pw<4.0P=l.IPw4.0<Pw<8.0P=Pw+O.4Pw>8.0P=l.05Pw※當(dāng)按該原則確定的設(shè)計壓力會引起管道壓力等級變化時，應(yīng)判斷該工作壓力是否就是由內(nèi)壓(或外壓)與溫度構(gòu)成的最苛刻條件下的最高工作壓力，如果是，在報請有關(guān)技術(shù)負責(zé)人批準(zhǔn)的情況下，設(shè)計壓力可取此時的最高工作壓力，而不加系數(shù)。所有與設(shè)備或者壓力容器連接的管道，其設(shè)計壓力應(yīng)不低于設(shè)備或容器的設(shè)計壓力，并滿足以下下要求：b.管道中有安全泄壓裝置時，預(yù)示著該管道在運行過程中有出現(xiàn)超出其正常操作壓力的可能。設(shè)置安全泄壓裝置(如安全閥、爆破片等)的目的，就是在系統(tǒng)中出現(xiàn)超出其正常操作壓力的情況時，能將壓力自動釋放而使設(shè)備、管道等系統(tǒng)的硬件得到保護。此時管道的設(shè)計壓力應(yīng)不低于安全泄放壓力與液柱靜壓力之和。沒有設(shè)置安全泄壓裝置時，其設(shè)計壓力不應(yīng)低于壓力源可能達到的最高壓力和靜液柱壓力之和。無安全泄壓裝置的離心泵出口管道設(shè)計壓力，應(yīng)取以下兩項較大值：(1)離心泵正常吸入壓力加泵的出口額定壓差的1.2倍。(2)離心泵的最大吸入壓力加泵的出口壓差c.管道中有高揚程的泵，尤其是往復(fù)泵，在開始啟動的短時間內(nèi)，往往會在第一道切斷閥之前的管道和泵內(nèi)產(chǎn)生一個較高的封閉壓力，有時這個封閉壓力會達到一個很大的值。此時泵的出口管道，其設(shè)計壓力應(yīng)取泵的最大封閉壓力值。d.真空系統(tǒng)管道承受的壓力就是其外部的大氣壓力，故其設(shè)計壓力應(yīng)取0.IMPa外壓；e.與塔或容器等設(shè)備相連的管道，其設(shè)計壓力應(yīng)不低于所連設(shè)備的設(shè)計壓力。當(dāng)管道內(nèi)有較高的液體液柱時，還應(yīng)考慮該液體靜壓頭的影響。事實上，對于管道來說，其受力要比設(shè)備復(fù)雜，這是因為它除受介質(zhì)載荷之外，還往往遭受到由于管道的熱脹冷縮而產(chǎn)生的管系力等。因此，管道的設(shè)計壓力一般應(yīng)不低于設(shè)備的設(shè)計壓力。設(shè)計溫度的確定管道的設(shè)計溫度:應(yīng)不低于正常操作時，由內(nèi)壓(或外壓)與溫度構(gòu)成的最苛刻條件下的溫度。最苛刻條件指導(dǎo)致管子及管道組成件最大壁厚、最高公稱壓力等級或最高材料等級的條件?？紤]環(huán)境、隔熱、操作穩(wěn)定性等因素的影響，設(shè)計溫度應(yīng)略高于由內(nèi)壓（或外壓）與溫度構(gòu)成的最苛刻條件下的最高工作溫度。a.一般情況下為了操作上的方便，在此不妨也采用壓力容器的做法，在相應(yīng)工作溫度的基礎(chǔ)上增加一個裕度系數(shù)（除法蘭和螺栓以外）作為元件的設(shè)計溫度。一般情況下管道元件的設(shè)計溫度確定工作溫度Tw（℃）設(shè)計溫度T（℃）-20<Tw<15T=Tw-5(最低取-20)15<Tw<350T=Tw+20Tw>350T=Tw+(5~15)※當(dāng)按該原則確定的設(shè)計溫度會引起管道壓力等級或材料變化時，應(yīng)判斷該工作溫度是否就是由內(nèi)壓（或外壓）與溫度構(gòu)成的最苛刻條件下的最高工作溫度，如果是，在報請有關(guān)技術(shù)負責(zé)人批準(zhǔn)的情況下，設(shè)計溫度可取此時的最高工作溫度，而不加系數(shù)。不同管道的設(shè)計溫度由以下要求確定：1）、無隔熱層管道的設(shè)計溫度SHA級的管道組成件，應(yīng)當(dāng)取介質(zhì)溫度為設(shè)計溫度，如取其他溫度作為設(shè)計溫度時必須通過計算并通過實驗核實。其余級別的管道及其組成件的設(shè)計溫度，當(dāng)介質(zhì)的溫度小于65度時取介質(zhì)溫度，當(dāng)介質(zhì)溫度大于或等于65度時按下列原則選?。汗茏?、對焊管件、承插焊或?qū)搁y門及其他壁厚與管道相近的組成件設(shè)計溫度不一般高小于95%介質(zhì)溫度。法蘭、墊片的設(shè)計溫度不低于最高工作溫度的90%；螺栓、螺母的設(shè)計溫度應(yīng)不低于最高工作溫度的80%。2）、帶外隔熱層得管道應(yīng)根據(jù)溫度條件對管材的作用后果的嚴重性取介質(zhì)的最高最低工作溫度作為設(shè)計溫度。b.對于夾套或外伴熱的管道當(dāng)工藝介質(zhì)溫度高于伴熱介質(zhì)溫度時，其設(shè)計溫度按上表選?。划?dāng)工藝介質(zhì)溫度低于伴熱介質(zhì)溫度時，對夾套伴熱取伴熱介質(zhì)溫度為設(shè)計溫度，而對外伴熱則取伴熱介質(zhì)溫度減10C與工藝介質(zhì)溫度二者的較大值為設(shè)計溫度；c.安全泄壓管道取排放時可能出現(xiàn)的最高或最低溫度為設(shè)計溫度；d.采用蒸汽吹掃的管道當(dāng)介質(zhì)溫度高于吹掃蒸汽的溫度時，則按介質(zhì)溫度根據(jù)上表確定其設(shè)計溫度。當(dāng)介質(zhì)溫度低于吹掃蒸汽溫度時，應(yīng)視具體情況而定。例如，按介質(zhì)溫度選取的管道及其元件不能承受吹掃介質(zhì)的條件時，應(yīng)適當(dāng)提高等級以適應(yīng)吹掃介質(zhì)條件。e.臨氫管道，在查Nelson曲線時，應(yīng)取設(shè)計溫度再加30?50℃作為查曲線的溫度參數(shù)值。這是因為Nelson曲線為統(tǒng)計值，在鄰近曲線下方選材時而出現(xiàn)氫損傷的實例也曾發(fā)生過；f.多種工況下工作的管道同一根管道，如果在兩種或兩種以上工況條件下工作時，其設(shè)計溫度應(yīng)取與內(nèi)壓（或外壓）構(gòu)成的最苛刻條件下的最高工作溫度，并對其它工況進行校核。g.帶襯里的管道，其金屬部分的管道設(shè)計溫度應(yīng)經(jīng)計算或?qū)崪y確定。一般情況下，宜取250C作為設(shè)計溫度；h.在進行有彈簧支架的管系應(yīng)力計算時，宜取介質(zhì)的正常工作溫度作為計算參數(shù)。二、影響管道壓力等級確定的因素除了上述的設(shè)計溫度和設(shè)計壓力是確定管道壓力等級的基本參數(shù)外，還有一些其他因素會影響到管道壓力等級的確定。其中，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系、材料、介質(zhì)和操作條件都是重要因素。2.1應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系的選擇由于不同的標(biāo)準(zhǔn)體系下公稱壓力等級系列不同，對應(yīng)的溫度-壓力表也不同。因此，即便在相同的設(shè)計條件下，如果選用不同的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，其公稱壓力等級也可能存在差異。因此，在確定管道的公稱壓力等級之前，需要先明確所采用的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系。2.2管道系統(tǒng)所使用的材料不同材料的機械性能是有差異的，因此它們在標(biāo)準(zhǔn)溫度-壓力表上的對應(yīng)值也會有所不同。在確定管道的公稱壓力前，需要優(yōu)先考慮管道及其元件的材料選擇，因為材料的選用要依據(jù)設(shè)計溫度、設(shè)計壓力以及操作介質(zhì)來進行。通常情況下，管道的不同元件所采用的材料標(biāo)準(zhǔn)也不相同。例如，管子一般使用管材，法蘭則多采用鍛材，而閥門則多數(shù)采用鑄材。無論所采用的材料標(biāo)準(zhǔn)是什么，它們應(yīng)該具備同等級的材料特性，即適應(yīng)相同的操作條件和具有相同的強度；此外還需注意管材、板材、棒材以及鑄材之間的匹配。法蘭壓力-溫度等級是指法蘭在不同工作溫度下所能承受的最高無沖擊工作壓力或最