影响管道压力等级确定的因素_沧州五森管道有限公司

影响管道压力等级确定的因素

除了上述的设计温度和设计压力是管道压力等级确定的基本参数外，还有一些其它因素也将影响到管道压力等级的确定。前文已经讲到，管道的压力等级包括公称压力等级和壁厚等级两部分，而对它们的影响因素也不尽相同，故下面将分开介绍。

一、影响公称压力等级确定的因素

1、应用标准体系

如第二章所述，目前国内外应用的管道标准体系有多个，而不同的标准体系，其公称压力等级系列是不同的，对应的温度－压力表也不相同。或者说，相同的设计条件，而选用不同的应用标准，其公称压力等级是不同的。因此，在确定管道公称压力等级之前，应首先确定其应用标准体系。

在第二章第三节中已经讲道，有时在同一装置甚至同一管道中，可能会同时采用两种或多种应用标准体系的标准。当同一管道中采用了两种或多种公称压力相同但应用标准不同的管道元件时，应注意它们的温度－压力值的差别，并应根据设计条件逐个核对其温度－压力值，并使各标准的温度－压力值均能得到满足。这类问题时常出现在SH法兰与API阀门、GB法兰与JB法兰的配接中。

2、材料

从第三章中已经了解到，不同的材料，其机械性能是不同的，那么它们在标准中的温度－压力表上的对应值是不相同的，因此在确定管道的公称压力之前，应首先确定管道及其元件的材料。材料的选用是由设计温度、设计压力和操作介质确定的。但管道中各元件的材料标准往往是不同的，一般情况下，管子用管材，法兰用锻材，而阀门多用铸材。无论用什么材料标准，它们都应该是同等级的材料，即具有对操作条件的同等适应性和等强度。很多标准中如ANSI B16.5、ANSI B16.34都给出了管材、锻材、板材、棒材、铸材的配伍表，但SH3406和GB法兰没有相应的配伍表，因此使用时应注意法兰和阀门的材质配伍以及它们的温度－压力值的一致性。同时要注意，在一些标准中，如ANSI B16.34标准，都给出了一些材料的应用限制，设计选用时应注意这些限制。

3、操作介质

一般情况下，管道的公称压力在对应温度下的许用压力值不得超出其设计压力。对由于管子及其元件失效而将造成严重危害或易于产生重大事故的介质，在考虑其公称压力等级时，不应仅仅按温度－压力表来确定，应适当提高其公称压力等级，即提高其安全可靠系数。SH3059、SYJ1064标准对此都有详细的规定，例如对输送剧毒介质的管道，当采用SH标准体系时，无论介质的操作压力是多少，其公称压力等级最低应不低于PN5.0MPa，当采用JB标准体系时，应不低于PN4.0MPa；对输送氢气、氨气、液态烃等介质的管道，当采用SH标准体系时，无论介质的操作压力是多少，其最低公称压力等级应不低于PN2.0MPa，当采用JB标准体系时，应不低于PN2.5MPa；对输送一般可燃介质的管道，当采用SH标准体系时，其公称压力等级最低应不低于PN2.0MPa，当采用JB标准体系时，应不低于PN1.6MPa。4、介质温度及管系附加力

许多法兰标准都给出这样一个注释：其温度－压力表的对应值是指法兰不受冲击荷载的对应值。事实上，法兰遭受外部管道给予的弯曲、振动、温度循环等附加载荷时，都将影响其密封性能，甚至影响到强度的可靠性，此时应将这些外部载荷折算成当量介质压力来确定管道所需的公称压力（详见本章第三节所述）。管道给予法兰的弯曲载荷主要是由管系的热胀冷缩引起的。一般情况下，对于PN2.0等级的法兰，当其工作温度大于200℃时，或PN5.0及以上等级的法兰在工作温度大于400℃时，均应考虑或核算管系对法兰产生的附加载荷的影响，否则应提高管系的公称压力等级。

二、影响壁厚等级确定的因素

1、材料的许用应力

材料的许用应力是指材料的强度指标除以相应的安全系数而得到的值。在第三章中已经了解到，材料的机械性能指标有屈服极限、强度极限、蠕变极限、疲劳极限等，这些指标分别反映了材料在不同状态下失效的极限值。为了保证管道运行中的强度可靠性，常将管道元件中的应力限制在各强度指标下某一值，该数值一般由各强度指标除以一个大于等于的系数得到，并称之为许用应力，这里的系数被称为安全系数。当管道元件中的应力超过其许用应力值时，管件的强度将难以保证。因此说，材料的许用应力是确定管道壁厚等级的基本参数。

不同的设计标准，采用的安全系数是不同的，也就是说选取的许用应力值是不同的。对压力管道来说，国内的设计标准一般是取按GB150《钢制压力容器》规范确定的许用应力值，而ASTM材料则是取按ANSI B31.3《 Process Piping》标准确定的许用应力值。

为了便于材料工程师查阅，在这里给出几个常用设计标准的许用应力确定方法。

ANSI B31.3规定：计算管子强度时的许用应力值不应超过下列中的最小值（不包括螺栓的许用应力值）：

1. 室温下规定的最小抗拉强度的1/3；

b、该温度下的抗拉强度的1/3；

c、室温下规定的最小屈服强度的2/3；

d、该温度下屈服强度的2/3。但对奥氏体不锈钢和某些镍钢除外，它们可以达到该温度下屈服极限的90%，但不能大于室温下规定的最小屈服强度的2/3；

e、每1000小时蠕变率为0.01%的平均应力的100%；

f、每100000小时终了时的平均断裂应力的67%；

g、每100000小时终了时的最小断裂应力的80%；

计算螺栓强度时的许用应力值不应超过下列中的最小值：

1. 室温下规定的最小抗拉强度的1/4；

b、该温度下的抗拉强度的1/4；

c、室温下规定的最小屈服强度的2/3；

d、该温度下屈服强度的2/3；

e、每1000小时蠕变率为0.01%的平均应力的100%；

f、每100000小时终了时的平均断裂应力的67%；

g、每100000小时终了时的最小断裂应力的80%；

GB150标准规定的管材许用应力按表4-3选取。

表4-3 钢材（螺栓材料除外）的许用应力

材料	许用应力取下列各值中的最小值，MPa
碳钢、低合金钢	σ_b/3.0、σ_s/1.6、σ_S^t/1.6、σ_D^t/1.5、σ_n^t/1.0
高合金钢	σ_b/3.0、σ_s(σ_0.2)/1.5、σ_S^t(σ^t_0.2)/1.5、σ_D^t/1.5、σ_n^t/1.0
对奥氏体高合金钢钢制受压元件，当设计温度低于蠕变温度范围，且允许有微量的永久变形时，可适当提高许用应力至0.9σ_S^t(σ^t_0.2)，但不得超过σ_s(σ_0.2)/1.5。此规定不适用于法兰或其它有微量永久变形就产生泄漏或故障的场合。

螺栓材料的许用应力按表4-4选取：

表4-4 螺栓材料的许用应力

材料	螺栓直径	热处理状态	许用应力取下列各值中的最小值，
	mm		MPa
碳钢	£M22	热轧、正火	σ_S^t/2.7
	M24~M48		σ_S^t/2.5
低合金钢	£M22		σ_S^t(σ^t_0.2)/3.5
马氏体高合金钢	M24~M48	调质	σ_S^t(σ^t_0.2)/3.0	σ_D^t/1.5
	³M52		σ_S^t(σ^t_0.2)/2.7
奥氏体高合金钢	£M22	固溶	σ_S^t(σ^t_0.2)/1.6
	M24~M48		σ_S^t(σ^t_0.2)/1.5

表中：σ_b……材料标准抗拉强度下限值，MPa；

σ_s(σ_0.2)……材料标准常温屈服点（或材料发生0.2％屈服变形时对应的强度值），MPa；

σ_S^t(σ^t_0.2)……材料在设计温度下的屈服点（或材料在设计温度下发生0.2％屈服变形时对应的强度值），MPa；

σ_D^t……材料在设计温度下经历10万小时断裂的持久强度的平均值，MPa；

σ_n^tt……材料在设计温度下经历10万小时蠕变率为1％的蠕变极限，MPa。

ANSI B31.4则规定许用应力为最小屈服点的72%。

ANSI B31.1与ANSI B31.3的规定相近（略）。

2、腐蚀余量

腐蚀余量是考虑因介质对管道的腐蚀而造成的管道壁厚减薄，从而增加的管道壁厚值。它的大小直接影响到管道壁厚的取值，或者说直接影响到壁厚等级的确定。腐蚀余量一般是根据介质对管道材料的腐蚀性和管道的设计寿命确定的。但是，目前工程上比较难做到的是，大多数腐蚀环境对金属材料的年腐蚀量难以确定。第三章中已经讲到，目前我国尚没有一套有关各种腐蚀介质在不同条件下对各种材料的腐蚀速率数据，因此，工程上大多数情况下仍是凭经验来确定其腐蚀余量的。为了简化计算数据，许多国内外的工程公司或设计院通常都将腐蚀余量分为如下四级：

a、无腐蚀余量。对一般的不锈钢管道多取该值；

b、1.6mm腐蚀余量。对于腐蚀不严重的碳素钢和铬钼钢管道多取该值；

c、3.2mm腐蚀余量。对于腐蚀比较严重的碳素钢和铬钼钢管道多取该值；

d、加强级（大于3.2mm）腐蚀余量。对于有固体颗粒冲刷等特殊情况下的管道，根据实际情况确定其具体值。

3、管子及其元件的制造壁厚偏差

管子及其元件在制造过程中，相对于其公称壁厚（或者说是理论壁厚）都会有正、负偏差，因此在确定管子及其元件公称壁厚时一定要考虑可能出现的负偏差值。各种钢管标准中规定的偏差值是不完全相同的，GB8163《流体输送用无缝钢管》和GB13296《流体输送用不锈钢无缝钢管》规定的壁厚偏差值见表4-5。

表4-5 常用标准的钢管壁厚偏差值

材料	壁厚（mm）	偏差值（%）
GB8163《流体输送用无缝钢管》	≤20	+15 －10
GB13296《流体输送用不锈钢无缝钢管》	<15 ³15	+15，－12.5 +20，－15

4、焊缝系数

金属的焊接过程，实质上是一个冶金过程，其组织带有明显的铸造组织特征。一般情况下，铸造组织缺陷较多，材料性能也有所下降，有关这方面的知识将在第九章和第十章中介绍。对于有纵焊缝和螺旋焊缝的焊接管子及其元件，相对于无缝管子及其元件来说，工程上常给它一个强度降低系数（即焊缝系数），以衡量其机械性能下降的程度。机械性能下降的多少取决于焊缝中存在缺陷的多少，通常用无损探伤（主要是射线探伤RT）来检查焊缝缺陷，并以射线探伤检查的多少来衡量机械性能下降的程度。设定无缝钢管的焊缝系数为1，那么不同的焊接型式、不同的射线探伤比例，其焊缝系数的取值见表4-6。

表4-6 焊接钢管的焊缝系数

序号	焊接方法	接头型式	焊缝型式	检验型式	焊缝系数
1	锻焊（炉焊）	对焊	直线	按标准要求	0.6
2	电阻焊	对焊	直线或螺旋形	按标准要求	0.85
3	电弧焊	单面对焊	直线或螺旋形	无RT 10%RT 100%RT	0.8 0.9 1.0
		双面对焊	直线或螺旋形	无RT 10%RT 100%RT	0.85 0.9 1.0

5、铸造质量系数

同焊缝一样，相对于轧制或锻制的管子元件来说，铸件存在的缺陷相对较多，使得其机械性能有所下降。在ANSI B31.3中，为了衡量铸件机械性能下降的程度，用铸造质量系数来表示。铸造质量系数同样与无损探伤的检验数量有关。一般情况下，符合材料基本要求且根据MSS SP－55的规定已经过肉眼检验的静态铸件，可取其基本铸造质量系数为0.8，对每一铸件进行补充检验后可以按表4-7的要求提高。值得一提的是，铸件用作压力管道及其元件的情况并不多，仅大直径（DN³50）阀门的阀体常采用铸件，但阀门阀体的强度设计一般由制造商进行，而且多数阀门标准已经给出了最小壁厚要求，故实际的压力管道设计中很少用到铸造质量系数这个概念。

表4-7 铸造质量系数

检验项目	铸造质量系数
1、根据ANSI B46.1规定，对所有表面进行机加工，表面机加工精度为250微英寸，以增加表面检查效果	0.85
2a、对于碳素钢和铬钼钢铸件，按ASTM E709或E138标准，进行磁粉探伤（MT），并按ASTM E125的参照照片判定合格；	0.85
2b、对于不锈钢铸件，按ASTM E165标准，进行液体渗透探伤（PT），并按ASTM E125的参照照片判定合格	0.85
3a、对每个铸件，按ASTM E114标准进行全面超声波探伤（UT），并确定缺陷深度不超过公称壁厚的5%时；	0.95
3b、对每个铸件，按ASTM E142标准进行全面的射线探伤（RT），并确定符合ASTM E446、E186、E280标准II级合格时	0.95
满足1和2a、2b时	0.9
满足1和3a、3b时	1.0
满足2a、2b和3a、3b时	1.0
满足MSS SP-55标准要求时	0.8

ANSI B31.3规定，用于剧烈操作条件下及工艺介质管道上的焊接和铸造管件，其焊接质量系数和铸造质量系数均不得低于0.9。

6、设计寿命

前面已经提到，设计寿命与压力管道的腐蚀余量有关。对于均匀腐蚀来说，当知道其年腐蚀速率后，根据预定的设计寿命，就很容易算出其应取的腐蚀余量了。除此之外，设计寿命还与交变应力作用的荷载变化次数、氢损伤的孕育时间、断裂因子的扩展期等影响因素有关，同时又与压力管道的一次性投资、资金代尝期和技术更新周期有关。美国一杂志上推荐的设计使用寿命为：碳钢为5年；铬钼钢和不锈钢为10年。SH3059标准规定的使用寿命为（10～15）年。国外的一些工程公司对总承包项目和非总承包项目分别规定了不同的设计寿命，前者一般为10年，后者一般为15年，以便从中获取较大的利润。

思考题：

1、影响管道公称压力等级确定的因素有那些？

2、介质性质是如何影响管道公称压力等级的？

3、影响管道壁厚等级确定的因素有那些？

4、我国管道材料的许用应力是如何确定的？

5、焊接管子的焊缝系数如何选取？

6、SH3059规定的管道设计寿命是多少？

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