管道壓力等級
　　
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　　壓力管道的組成件一般都是標準件，因此壓力管道組成件的設計主要是其標準件的選用，管道壓力等級的確定也就是其標準件等級的確定。從廣義上理解，壓力管道是指所有承受內壓或外壓的管道，無論其管內介質如何。
　　
　　壓力管道是管道中的一部分，管道是用以輸送、分配、混合、分離、排放、計量、控制和制止流體流動的，由管子、管件、法蘭、螺栓連接、墊片、閥門、其他組成件或受壓部件和支承件組成的裝配總成。從中國頒發《壓力管道安全管理與監察規定》以后，“壓力管道”便成為受監察管道的名詞。在《壓力管道安全管理與監察規定》第二條中，將壓力管道定義為：“在生產、生活中使用的可能引起燃爆或中毒等危險性較大的特種設備”。
　　
　　國務院2009年5月1日頒發實施的《特種設備安全監察條例》(國務院令第549號)中，將壓力管道進一步明確為“利用一定的壓力，用于輸送氣體或者液體的管狀設備，其范圍規定為高工作壓力大于或者等于0.1MPa（表壓）的氣體、液化氣體、蒸汽介質或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、高工作溫度高于或者等于標準沸點的液體介質，且公稱直徑大于25mm的管道”。這就是說，所說的“壓力管道”，不但是指其管內或管外承受壓力，而且其內部輸送的介質是“氣體、液化氣體和蒸汽”或“可能引起燃爆、中毒或腐蝕的液體”物質。
　　
　　國務院頒布的《特種設備安全監察條例》明確規定：壓力管道和鍋爐、壓力容器、起重機械并列為不安全因素較多的特種設備。
　　
　　管道的壓力等級包括兩部分:
　　
　　以公稱壓力表示的標準管件的公稱壓力等級；
　　
　　以壁厚等級表示的的標準管件的壁厚等級。
　　
　　管道的壓力等級：通常把管道中由標準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叫做管道的壓力等級。而習慣上為簡化描述，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計的基礎，也是設計的核心。它是壓力管道布置、壓力管道應力校核的設計前提條件，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設計條件
　　
　　工程上，工藝操作參數不宜直接作為壓力管道的設計條件，要考慮工藝操作的波動、相連設備的影響、環境的影響等因素，而在工藝操作參數的基礎上給出一定的安全裕量作為設計條件。這里所說的設計條件主要是指設計壓力和設計溫度。
　　
　　管道的設計壓力：應不低于正常操作時，由內壓(或外壓)與溫度構成的苛刻條件下的壓力。
　　
　　苛刻條件：是指導致管子及管道組成件大壁厚或高公稱壓力等級的條件。
　　
　　設計壓力確定：考慮介質的靜液柱壓力等因素的影響，設計壓力一般應略高于由(或)外壓與溫度構成的苛刻條件下的高工作壓力。
　　
　　a.一般情況下管道元件的設計壓力確定
　　
　　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，即在相應工作壓力的基礎上增加一個裕度系數。
　　
　　表5-1一般情況下管道元件的設計壓力確定
　　
　　工作壓力Pw(MPa)
　　
　　設計壓力P(MPa)
　　
　　Pw≤1.8
　　
　　P=Pw+0.18
　　
　　1.8<PW≤4.0<p>
　　
　　P=1.1Pw
　　
　　4.0<PW≤8.0<p>
　　
　　P=Pw+0.4
　　
　　Pw>8.0
　　
　　P=1.05Pw
　　
　　※當按該原則確定的設計壓力會引起管道壓力等級變化時，應判斷該工作壓力是否就是由內壓(或外壓)與溫度構成的苛刻條件下的高工作壓力，如果是，在報請有關技術負責人批準的情況下，設計壓力可取此時的高工作壓力，而不加系數。
　　
　　b.管道中有安全泄壓裝置時，
　　
　　管道中有安全泄壓裝置時預示著該管道在運行過程中有出現超出其正常操作壓力的可能。設置安全泄壓裝置(如安全閥、爆破片等)的目的，就是在系統中出現超出其正常操作壓力的情況時，能將壓力自動釋放而使設備、管道等系統的硬件得到保護。此時管道的設計壓力應不低于安全泄壓裝置的設定壓力。
　　
　　c.管道中有高揚程的泵
　　
　　對于高揚程的泵，尤其是往復泵，在開始啟動的短時間內，往往會在*道切斷閥之前的管道和泵內產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，其設計壓力應取泵的大封閉壓力值。
　　
　　D.真空系統
　　
　　真空系統管道承受的壓力就是其外部的大氣壓力，故其設計壓力應取0.1MPa外壓；
　　
　　e.與塔或容器等設備相連的管道
　　
　　與塔或容器等設備相連的管道其設計壓力應不低于所連設備的設計壓力。當管道內有較高的液體液柱時，還應考慮該液體靜壓頭的影響。事實上，對于管道來說，其受力要比設備復雜，這是因為它除受介質載荷之外，還往往遭受到由于管道的熱脹冷縮而產生的管系力等。因此，管道的設計壓力一般應不低于設備的設計壓力。
　　
　　5.1.2設計溫度
　　
　　管道的設計溫度:應不低于正常操作時，由內壓（或外壓）與溫度構成的苛刻條件下的溫度。苛刻條件:指導致管子及管道組成件大壁厚、高公稱壓力等級或高材料等級的條件。設計溫度的確定:考慮環境、隔熱、操作穩定性等因素的影響，設計溫度應略高于由內壓(或外壓)與溫度構成的苛刻條件下的高工作溫度。
　　
　　a.一般情況下管道元件的設計溫度確定
　　
　　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，在相應工作溫度的基礎上增加一個裕度系數（除法蘭和螺栓以外）。
　　
　　表5－2一般情況下管道元件的設計溫度確定
　　
　　工作溫度Tw(℃)
　　
　　設計溫度T(℃)
　　
　　-20<TW≤15<p>
　　
　　T=Tw-5(低取－20)
　　
　　15<TW≤350<p>
　　
　　T=Tw+20
　　
　　Tw>350
　　
　　T=Tw+(5～15)
　　
　　※當按該原則確定的設計溫度會引起或材料變化時，應判斷該工作溫度是否
　　
　　就是由內壓(或外壓)與溫度構成的苛刻條件下的高工作溫度，如果是，在報請有關技術負責人批準的情況下，設計溫度可取此時的高工作溫度，而不加系數。
　　
　　法蘭、墊片的設計溫度不低于高工作溫度的90％；
　　
　　螺栓、螺母的設計溫度應不低于高工作溫度的80％。
　　
　　b.夾套或外伴熱管道
　　
　　對于夾套或外伴熱的管道當工藝介質溫度高于伴熱介質溫度時，其設計溫度按上表選取；當工藝介質溫度低于伴熱介質溫度時，對夾套伴熱取伴熱介質溫度為設計溫度，而對外伴熱則取伴熱介質溫度減10℃與工藝介質溫度二者的較大值為設計溫度；
　　
　　c.安全泄壓管道
　　
　　安全泄壓管道取排放時可能出現的高或低溫度為設計溫度；
　　
　　d.蒸汽吹掃的管道
　　
　　采用蒸汽吹掃的管道當介質溫度高于吹掃蒸汽的溫度時，則按介質溫度根據上表確定其設計溫度。當介質溫度低于吹掃蒸汽溫度時，應視具體情況而定。例如，按介質溫度選取的管道及其元件不能承受吹掃介質的條件時，應適當提高等級以適應吹掃介質條件。
　　
　　e.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，其設計溫度應取與內壓(或外壓)構成的苛刻條件下的高工作溫度，并對其它工況進行校核。
　　
　　f.臨氫管道
　　
　　臨氫操作的管道，在查Nelson曲線時，應取設計溫度再加30～50℃作為查曲線的溫度參數值。這是因為Nelson曲線為統計值，在鄰近曲線下方選材時而出現氫損傷的實例也曾發生過；
　　
　　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計溫度應經計算或實測確定。一般情況下，宜取250℃作為設計溫度；
　　
　　h.管系應力計算時
　　
　　在進行有彈簧支架的管系應力計算時，宜取介質的正常工作溫度作為計算參數。
　　
　　5.2影響確定的因素
　　
　　了上述的設計溫度和設計壓力是確定的基本參數外，還有一些其它因素也將影響到的確定。
　　
　　5.2.1應用標準體系
　　
　　不同的標準體系，其公稱壓力等級系列是不同的，對應的溫度-壓力表也不相同。或者說，相同的設計條件，而選用不同的應用標準，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，應首先確定其應用標準體系。
　　
　　5.2.2材料
　　
　　不同的材料，其機械性能是不同的，那么它們在標準中的溫度-壓力表上的對應值也是不相同的。因此在確定管道的公稱壓力之前應首先確定管道及其元件的材料。材料的選用是由設計溫度、設計壓力和操作介質確定的。管道中各元件的材料標準往往是不同的，一般情況下，管子用管材，法蘭用鍛材，而閥門多用鑄材。無論用什么材料標準，它們都應該是同等級的材料，即具有對操作條件的同等適應性和等強度；注意管材、板材、棒材、鑄材的配伍。
　　
　　5.2.3操作介質
　　
　　一般情況下，管道的公稱壓力在對應溫度下的許用壓力不得超出其設計壓力。對由于管子及其元件失效而將造成嚴重危害或易于產生重大事故的介質，在考慮其公稱壓力等級時，不應僅僅按溫度-壓力表來確定，應適當提高其公稱壓力等級，即提高其安全可靠系數。SH3059、SYJ1064標準對此都有詳細的規定，例如：對輸送劇毒介質的管道，當采用SH標準體系時，無論介質的操作壓力是多少，其公稱壓力等級應不低于PN5.0MPa；當采用JB標準體系時，應不低于PN4.0；對輸送氫氣、氨氣、液態烴等介質的管道，當采用SH標準體系時，無論介質的操作壓力是多少，其低公稱壓力等級應不低于PN2.OMPa，當采用JB標準體系時，應不低于PN2.5MPa；對輸送一般可燃介質的管道，當采用SH標準體系時，其公稱壓力等級應不低于PN2.0MPa，當采用JB標準體系時，應不低于PN1.6MPa。
　　
　　5.2.4介質溫度及管系附加力
　　
　　許多法蘭標準都給出這樣一個注釋:其溫度-壓力表的對應值是指法蘭不受沖擊載荷的對應值。事實上，法蘭遭受外部管道給予的彎曲、振動、溫度循環等附加載荷時，都將影響其密封性，甚至影響到強度的可靠性，此時應將這些外部載荷折算成當量介質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，當其工作溫度大于200℃時，或PN5.0及以上等級的法蘭在工作溫度大于400℃時，均應考慮管系對法蘭產生的附加載荷的影響，否則應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材料的許用應力
　　
　　材料的許用應力是指材料的強度指標除以相應的安全系數而得到的值。材料的機械性能指標有屈服極限、強度極限、蠕變極限、疲勞極限等，這些指標分別反映了不同狀態下失效的極限值。為了保證管道運行中的強度可靠，常將管道元件中的應力限制在各強度指標下某一值，該數值即為許用應力。當管道元件中的應力超過其許用應力值時，就認為其強度已不能得到保證。因此說，材料的許用應力是確定管道壁厚等級的基本參數。同的設計標準，選取材料的許用應力值是不同的。對壓力管道來說，國內的設計標準是按GB150《鋼制壓力容器》確定的許用應力值，ASTM材料則是取按ANSIB31.3《ProcessPiping》標準確定的許用應力值。
　　
　　5.3.2腐蝕余量
　　
　　腐蝕余量是考慮因介質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各種腐蝕介質在不同條件下對各種材料的腐蝕速率數據，因此，工程上大多數情況下仍是憑經驗來確定其腐蝕余量的。許多國內外的工程公司或設計院通常都將腐蝕余量分為如下四級:
　　
　　a.無腐蝕余量。對一般的不銹鋼管道多取該值；
　　
　　b.1.6mm腐蝕余量。對于腐蝕不嚴重的碳素鋼和鉻鉬鋼多取該值；
　　
　　c.3.2mm腐蝕余量。對于腐蝕比較嚴重的碳素鋼和鉻鉬鋼管道多取該值；
　　
　　d.加強級(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的負偏差值。各種鋼管標準中規定的負偏差值是不*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》規定的壁厚偏差值如下：
　　
　　表5－3常用標準的壁厚偏差值
　　
　　材料標準
　　
　　壁厚（mm）
　　
　　偏差值（％）
　　
　　GB/T8163
　　
　　≤20
　　
　　+15，-10，+12，-5，-10
　　
　　GB/T14976
　　
　　<15
　　
　　≥15
　　
　　+15，-12.5
　　
　　+20，-15
　　
　　5.3.4焊縫系數
　　
　　金屬的焊接過程，實質上是一個冶金過程，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度降低系數(即焊縫系數)，以衡量其機械性能下降的程度。其焊縫系數的取值見表5-4
　　
　　表5-4焊接鋼管的焊縫系數
　　
　　序號
　　
　　焊接方法
　　
　　接頭形式
　　
　　焊縫型式
　　
　　檢驗型式
　　
　　焊縫系數
　　
　　1
　　
　　鍛焊
　　
　　對焊
　　
　　直線
　　
　　按標準要求
　　
　　0.6
　　
　　2
　　
　　電阻焊
　　
　　對焊
　　
　　直線或螺旋形
　　
　　按標準要求
　　
　　0.85
　　
　　3
　　
　　電弧焊
　　
　　單面對焊
　　
　　直線或螺旋形
　　
　　無RT
　　
　　10%RT
　　
　　99%RT
　　
　　0.8
　　
　　0.9
　　
　　1.0
　　
　　雙面對焊
　　
　　直線或螺旋形
　　
　　無RT
　　
　　10%RT
　　
　　99%RT
　　
　　0.85
　　
　　0.9
　　
　　1.0
　　
　　RT射線探傷
　　
　　5.3.5設計壽命
　　
　　a.設計壽命與壓力管道的腐蝕余量有關。
　　
　　對于均勻腐蝕來說，當知道其年腐蝕速率后，根據預定的設計壽命，就很容易算出其應取的腐蝕余量了。
　　
　　b.設計壽命還與交變應力作用的荷載變化次數、氫損傷的孕育時間、斷裂因子的擴展期等影響因素有關，
　　
　　c.與壓力管道的一次性投資、資金代嘗期和技術更新周期有關。
　　
　　d.美國一雜志上的設計使用壽命為:碳鋼為5年；鉻鉬鋼和不銹鋼為10年。
　　
　　SH3059標準規定的設計壽命為15年。國外的一些工程公司對總承包項目規定一般為10年；非總包項目一般為15年，以便從中獲取較大的利潤。
　　
　　5.4常用壓力管道器材的設計標準
　　
　　1)GB50316-2000《工業金屬管道設計規范》；
　　
　　2)GB50251-94《輸氣管道工程設計規范》；
　　
　　3)GB50253-94《輸油管道工程設計規范》；
　　
　　4)GB50028-93《城鎮燃氣設計規范》(1998年版)(2002年局部修訂條文)；
　　
　　5)GB50030-91《氧氣站設計規范》；
　　
　　6)SH3059-2001《石油化工管道設計器材選用通則》；
　　
　　7)SH3064-1994《石油化工鋼制通用閥門選用、檢驗及驗收》；
　　
　　8)HG/T20646《化工裝置管道材料設計規定》。
　　
　　公稱直徑
　　
　　無縫鋼管Sch對應的壓力等級如何推算，在此稍做解釋：Sch壁厚系列是1938年美國國家標準協會ANSIB36.10（焊接和無縫鋼管）標準規定的，中國石油化工企業鋼管系列（SH3405）也是按管子表號表示壁厚系列。管子表號（Sch）是設計壓力與設計溫度下材料的許用應力的比值乘以1000；并經圓整后的數值。即Sch=（P/σ）×1000，其中，P為設計壓力（MPa），σ為設計溫度下材料的許用應力（MPa）。切記：管子表號Sch不是壁厚，是壁厚系列。同一管徑在不同的管子表號中其壁厚各異！
　　
　　一般來說，管子的直徑可分為外徑、內徑、公稱直徑。管材為無縫鋼管的管子的外徑用字母D來表示，其后附加外直徑的尺寸和壁厚，例如外徑為108的無縫鋼管，壁厚為5MM，用D108*5表示，塑料管也用外徑表示，如De63,其他如鋼筋混凝土管、鑄鐵管、鍍鋅鋼管等采用DN表示，在設計圖紙中一般采用公稱直徑來表示，公稱直徑是為了設計制造和維修的方便人為地規定的一種標準，也較公稱通徑，是管子（或者管件）的規格名稱。管子的公稱直徑和其內徑、外徑都不相等，例如：公稱直徑為100MM的無縫鋼管郵102*5、108*5等好幾種，108為管子的外徑，5表示管子的壁厚，因此，該鋼管的內徑為（108*5-5）＝98MM，但是它不*等于鋼管外徑減兩倍壁厚之差，也可以說，公稱直徑是接近于內徑，但是又不等于內徑的一種管子直徑的規格名稱，在設計圖紙中所以要用公稱直徑，目的是為了根據公稱直徑可以確定管子、管件、閥門、法蘭、墊片等結構尺寸與連接尺寸，公稱直徑采用符號DN表示，如果在設計圖紙中采用外徑表示，也應該作出管道規格對照表，表明某種管道的公稱直徑，壁厚。
　　
　　.管子系列標準
　　
　　壓力管道設計及施工，首先考慮壓力管道及其元件標準系列的選用。世界各國應用的標準體系雖然多，大體可分成兩大類。壓力管道標準見表3。法蘭標準見表4。
　　
　　表3壓力管道標準
　　
　　分類
　　
　　大外徑系列
　　
　　小外徑系列
　　
　　規格
　　
　　DN-公稱直徑
　　
　　Ф－外徑
　　
　　DN15-ф22mm，DN20-ф27mm
　　
　　DN25-ф34mm，DN32-ф42mm
　　
　　DN40-ф48mm，DN50-ф60mm
　　
　　DN60-ф76(73)mm，DN80-ф89mm
　　
　　DN100-ф114mm，DN125-ф140mm
　　
　　DN150-ф168mm，DN200-ф219mm
　　
　　DN250-ф273mm，DN300-ф324mm
　　
　　DN350-ф360mm，DN400-ф406mm
　　
　　DN450-ф457mm，DN500-ф508mm
　　
　　DN600-ф610mm，
　　
　　DN15-ф18mm，DN20-ф25mm
　　
　　DN25-ф32mm，DN32-ф38mm
　　
　　DN40-ф45mm，DN50-ф57mm
　　
　　DN65-ф73mm，DN80-ф89mm
　　
　　DN100-ф108mm，DN125-ф133mm
　　
　　DN150-ф159mm，DN200-ф219mm
　　
　　DN250-ф273mm，DN300-ф325mm
　　
　　DN350-ф377mm，DN400-ф426mm
　　
　　DN450-ф480mm，DN500-ф530mm
　　
　　DN600-ф630mm，
　　
　　1、壓力管道是一個系統，相互關聯相互影響，牽一發而動全身。
　　
　　2、壓力管道長徑比很大，極易失穩，受力情況比壓力容器更復雜。壓力管道內流體流動狀態復雜，緩沖余地小，工作條件變化頻率比壓力容器高（如高溫、高壓、低溫、低壓、位移變形、風、雪、地震等都有可能影響壓力管道受力情況）。
　　
　　3、管道組成件和管道支承件的種類繁多，各種材料各有特點和具體技術要求，材料選用復雜。
　　
　　4、管道上的可能泄漏點多于壓力容器，僅一個閥門通常就有五處。
　　
　　5、壓力管道種類多，數量大，設計，制造，安裝，檢驗，應用管理環節多，與壓力容器大不相同。對壓力管道的檢驗檢測工作包括：外觀檢驗、測厚、無損檢測、硬度測定、金相、耐壓試驗等。而磁粉檢測則是無損檢測一種經常使用的方法。磁粉檢測的能力不僅與施加磁場強度的大小有關，還與缺陷的方向、缺陷的深寬比、缺陷的形狀、工件的外形、尺寸和表面狀態及可能產生缺陷的部位有關。因此就有各種不同的磁化方法。壓力管道的作業一般都在室外，敷設方式有架空、沿地、埋地，甚至經常是高空作業，環境條件較差，質量控制要求較高。由于質量控制環節是環環相扣，有機結合，一個環節稍有疏忽，導致的都是質量問題。而焊接是壓力管道施工中的一項關鍵工作，其質量的好壞、效率的高低直接影響工程的安全運行和制造工期，因此過程質量的控制顯得更為重要。根據壓力管道的施工要求，必須在人員、設備、材料、工藝文件和環境等方面強化管理。有針對性地采取嚴格措施，才能保證壓力管道的焊接質量，確保焊接工程的實現。與本文相關的論文有：五陽煤礦應用閥門案例