壓力管道全書-原理-維修-設(shè)計5

5管道壓力等級

5.1設(shè)計條件

5.1.1設(shè)計壓力

5.1.2設(shè)計溫度

5.2影響管道壓力等級確定的因素

5.2.1應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系

5.2.2材料

5.2.3操作介質(zhì)

5.2.4介質(zhì)溫度及管系附加力

5.3影響壁厚等級確定的因素

5.3.1材料的許用應(yīng)力

5.3.2腐蝕余量

5.3.3管子及其元件的制造壁厚偏差

5.3.4焊縫系數(shù)

5.3.5設(shè)計壽命

5.4常用壓力管道器材的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

5管道壓力等級

前面已經(jīng)提及，壓力管道的組成件一般都是標(biāo)準(zhǔn)件，因此壓力管道組成件的設(shè)計主要是其標(biāo)

準(zhǔn)件的選用，管道壓力等級的確定也就是其標(biāo)準(zhǔn)件等級的確定。

管道的壓力等級包括兩部分：

以公稱壓力表示的標(biāo)準(zhǔn)管件的公稱壓力等級；

以壁厚等級表示的的標(biāo)準(zhǔn)管件的壁厚等級。

管道的壓力等級:通常把管道中由標(biāo)準(zhǔn)管件的公稱壓力等級和壁厚等級共同確定的能反映管

道承壓特性的參數(shù)叫做管道的壓力等級。而習(xí)慣上為簡化描述，常把管道中管件的公稱壓力

等級叫做管道的壓力等級。

壓力等級的確定是壓力管道設(shè)計的基礎(chǔ)，也是設(shè)計的核心。它是壓力管道布置、壓力管道應(yīng)

力校核的設(shè)計前提條件，也是影響壓力管道基建投資和管道可靠性的重要因素。

5.1設(shè)計條件

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。

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。

設(shè)計壓力確定：考慮介質(zhì)的靜液柱壓力等因素的影響，設(shè)計壓力一般應(yīng)略高于山(或)外壓

與溫度構(gòu)成的最苛刻條件下的最高工作壓力。

a.一般情況下管道元件的設(shè)計壓力確定

一般情況下，為了操作上的方便，在此不妨采用壓力容器的做法，即在相

應(yīng)工作壓力的基礎(chǔ)上增加一個裕度系數(shù)。

表5-1一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+0.18

1.84.0Pw>8.0P=1.05Pw

X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(fù)

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)。

b.管道中有安全泄壓裝置時;

管道中有安全泄壓裝置時預(yù)示著該管道在運(yùn)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(hù)。此時管道的設(shè)計壓力應(yīng)不

低于安全泄壓裝置的設(shè)定壓力。

c.管道中有高揚(yáng)程的泵

對于高揚(yáng)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(dá)

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)

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0.1MPa外壓；

e.與塔或容器等設(shè)備相連的管道

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。

5.1.2設(shè)計溫度

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。

設(shè)計溫度的確定:考慮環(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.一般情況下管道元件的設(shè)計溫度確定

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）。

表5—2一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（℃）

-2015Tw>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(fù)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)。

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%。

b.夾套或外伴熱管道

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??；當(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10℃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

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蒸汽吹打的管道

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。

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(jìn)行校核。

￡臨氫管道

臨氫操作的管道，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；

g.帶襯里的管道

帶隔熱耐磨襯里的管道，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.管系應(yīng)力計算時

在進(jìn)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)。

5.2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)計壓力是管道壓力等級確定的基本參數(shù)外，還有一些其它因素也將

影響到管道壓力等級的確定。

5.2.1應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系

不同的標(biāo)準(zhǔn)體系，其公稱壓力等級系列是不同的，對應(yīng)的溫度-壓力表也不相同?；蛘哒f，

相同的設(shè)計條件，而選用不同的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，其公稱壓力等級是不同的。因此，在確定管道公

稱壓力等級之前，應(yīng)首先確定其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系。

5.2.2材料

不同的材料，其機(jī)械性能是不同的，那么它們在標(biāo)準(zhǔn)中的溫度-壓力表上的對應(yīng)值也是不相

同的。因此在確定管道的公稱壓力之前應(yīng)首先確定管道及其元件的材料材料的選用是由設(shè)

計溫度、設(shè)計壓力和操作介質(zhì)確定的。

管道中各元件的材料標(biāo)準(zhǔn)往往是不同的，?般情況下，管子用管材，法蘭

用鍛材.，而閥門多用鑄材。無論用什么材料標(biāo)準(zhǔn)，它們都應(yīng)該是同等級的材料，即具有對操

作條件的同等適應(yīng)性和等強(qiáng)度；注意管材、板材、棒材、鑄材的配伍。

5.2.3操作介質(zhì)

一般情況下，管道的公稱壓力在對應(yīng)溫度下的許用壓力不得超出其設(shè)計壓力。

對由于管子及其元件失效而將造成嚴(yán)重危害或易于產(chǎn)生重大事故的介質(zhì)，在考慮其公稱壓力

等級時、不應(yīng)僅僅按溫度-壓力表來確定，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)對此都有詳細(xì)的規(guī)定，例如：

對輸送劇毒介質(zhì)的管道，當(dāng)采用SH標(biāo)準(zhǔn)體系時;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PN5.0MPa；當(dāng)采用JB標(biāo)準(zhǔn)體系時，應(yīng)不低于PN4.0；

對輸送氫氣、氨氣、液態(tài)燃等介質(zhì)的管道，當(dāng)采用SH標(biāo)準(zhǔn)體系時，無論介質(zhì)的操作壓力是

多少，其最低公稱壓力等級應(yīng)不低于PN2.OMPa,當(dāng)采用JB標(biāo)準(zhǔn)體系時，應(yīng)不低于

PN2.5MPa；

對輸送一般可燃介質(zhì)的管道，當(dāng)采用SH標(biāo)準(zhǔn)體系時，其公稱壓力等級應(yīng)不低于PN2.0MPa,

當(dāng)采用JB標(biāo)準(zhǔn)體系時，應(yīng)不低于PN1.6MPa?

5.2.4介質(zhì)溫度及管系附加力

許多法蘭標(biāo)準(zhǔn)都給出這樣-個注釋:其溫度-壓力表的對應(yīng)值是指法蘭不受沖擊載荷的對應(yīng)

值。事實上，法蘭遭受外部管道給予的彎曲、振動、溫度循環(huán)等附加載荷時，都將影響其密

封性，甚至影響到強(qiáng)度的可靠性，此時應(yīng)將這些外部載荷折算成當(dāng)量介質(zhì)壓力來確定管道所

需的公稱壓力。

給予法蘭的彎曲載荷主要是由管系的熱脹冷縮引起的。一般情況下，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。

5.3影晌壁厚等級確定的因素

5.3.1材料的許用應(yīng)力

材料的許用應(yīng)力是指材料的強(qiáng)度指標(biāo)除以相應(yīng)的安全系數(shù)而得到的值。材料的機(jī)械性能指標(biāo)

有屈服極限、強(qiáng)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(yùn)行中的強(qiáng)度可靠，常將管道元件中的應(yīng)力限制在各強(qiáng)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(rèn)為其強(qiáng)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ANSIB31.3《ProcessPiping》

標(biāo)準(zhǔn)確定的許用應(yīng)力值。

5.3.2腐蝕余量

腐蝕余量是考慮因介質(zhì)對管道的腐蝕而造成的管道壁厚減薄，從而增加的管道壁厚值。它的

大小直接影響到管道壁厚的取值，或者說直接影響到壁厚等級的確定。

目前我國尚沒有一套有關(guān)各種腐蝕介質(zhì)在不同條件下對各種材料的腐蝕速率數(shù)據(jù)，因此，工

程上大多數(shù)情況下仍是憑經(jīng)驗來確定其腐蝕余量的。許多國內(nèi)外的工程公司或設(shè)計院通常都

將腐蝕余量分為如下四級：

a.無腐蝕余量。對?般的不銹鋼管道多取該值；

b.1.6mm腐蝕余量。對于腐蝕不嚴(yán)重的碳素鋼和銘鋁鋼多取該值；

c.3.2mm腐蝕余量。對于腐蝕比較嚴(yán)重的碳素鋼和銘鋁鋼管道多取該值；

d.加強(qiáng)級（大于3.2mn）腐蝕余量。對于有固體顆粒沖刷等特殊情況下的管道，根據(jù)實際情況

確定其具體值。.

5.3.3管子及其元件的制造壁厚偏差

管子及其元件在制造過程中，相對于其公稱壁厚（或者叫理論壁厚）都會有正、負(fù)偏差，因此

在確定管子及其元件公稱壁厚時一定要考慮可能出現(xiàn)的負(fù)偏差值。各種鋼管標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的負(fù)

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：

表5—3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/T8163W20+15,-10,+12,-5,-10

GB/T14976<15

,15+15,-12.5

+20,-15

5.3.4焊縫系數(shù)

金屬的焊接過程，實質(zhì)上是一個冶金過程，其組織帶有明顯的鑄造組織特征。一般情況下，

鑄造組織缺陷較多，材料性能也有所下降。對于有縱焊縫和螺旋焊縫的焊接管子及其元件，

相對于無縫管子及其元件來說，工程上常給它一個強(qiáng)度降低系數(shù)(即焊縫系數(shù))，以衡量其機(jī)

械性能下降的程度。其焊縫系數(shù)的取值見表5H

表5-4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0.6

2電阻焊對焊直線或螺旋形按標(biāo)準(zhǔn)要求0.85

3電弧焊單面對焊直線或螺旋形無RT

10%RT

100%RT0.8

0.9

1.0

雙面對焊直線或螺