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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(jì)主要是其標(biāo)準(zhǔn)件的選用，管道壓力等級(jí)的確定也就是其標(biāo)準(zhǔn)件等級(jí)的確定。
管道的壓力等級(jí)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(jí)；
以壁厚等級(jí)表示的的標(biāo)準(zhǔn)管件的壁厚等級(jí)。
管道的壓力等級(jí)：通常把管道中由標(biāo)準(zhǔn)管件的公稱壓力等級(jí)和壁厚等級(jí)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(jí)。而習(xí)慣上為簡(jiǎn)化描述，常把管道中管件的公稱壓力等級(jí)叫做管道的壓力等級(jí)。
壓力等級(jí)的確定是壓力管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是設(shè)計(jì)的核心。它是壓力管道布置、壓力管道應(yīng)力校核的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)條件，要考慮工藝操作的波動(dòng)、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(jì)條件。這里所說的設(shè)計(jì)條件主要是指設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度。
管道的設(shè)計(jì)壓力：應(yīng)不低于正常操作時(shí)，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(jí)的條件。
設(shè)計(jì)壓力確定：考慮介質(zhì)的靜液柱壓力等因素的影響，設(shè)計(jì)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。
a. 一般情況下管道元件的設(shè)計(jì)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(gè)裕度系數(shù)。
表5-1 一般情況下管道元件的設(shè)計(jì)壓力確定
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工作壓力Pw(MPa) |
設(shè)計(jì)壓力P(MPa) |
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Pw≤1.8 |
P= Pw+0.18 |
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1.8<Pw≤4.0 |
P= 1.1Pw |
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4.0<Pw≤8.0 |
P= Pw+0.4 |
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Pw>8.0 |
P=1.05 Pw |
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※ 當(dāng)按該原則確定的設(shè)計(jì)壓力會(huì)引起管道壓力等級(jí)變化時(shí)，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(bào)請(qǐng)有關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)的情況下，設(shè)計(jì)壓力可取此時(shí)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(shí)，
管道中有安全泄壓裝置時(shí)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(shí)，能將壓力自動(dòng)釋放而使設(shè)備、管道等系統(tǒng)的硬件得到保護(hù)。此時(shí)管道的設(shè)計(jì)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(duì)于高揚(yáng)程的泵，尤其是往復(fù)泵，在開始啟動(dòng)的短時(shí)間內(nèi)，往往會(huì)在第一道切斷閥之前的管道和泵內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)較高的封閉壓力，有時(shí)這個(gè)封閉壓力會(huì)達(dá)到一個(gè)很大的值。此時(shí)泵的出口管道，其設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)壓力應(yīng)不低于所連設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力。當(dāng)管道內(nèi)有較高的液體液柱時(shí)，還應(yīng)考慮該液體靜壓頭的影響。事實(shí)上，對(duì)于管道來說，其受力要比設(shè)備復(fù)雜，這是因?yàn)樗芙橘|(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(jì)壓力一般應(yīng)不低于設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力。
5.1.2設(shè)計(jì)溫度
管道的設(shè)計(jì)溫度:應(yīng)不低于正常操作時(shí)，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(jí)或最高材料等級(jí)的條件。
設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(gè)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(jì)溫度確定
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工作溫度Tw(℃) |
設(shè)計(jì)溫度T(℃) |
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-20<Tw≤15 |
T= Tw-5(最低�。�20) |
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15<Tw≤350 |
T= Tw+20 |
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Tw>350 |
T= Tw+(5～15) |
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※當(dāng)按該原則確定的設(shè)計(jì)溫度會(huì)引起管道壓力等級(jí)或材料變化時(shí)，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(bào)請(qǐng)有關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)的情況下，設(shè)計(jì)溫度可取此時(shí)的最高工作溫度，而不加系數(shù)。 |
法蘭、墊片的設(shè)計(jì)溫度不低于最高工作溫度的90％；
螺栓、螺母的設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)，其設(shè)計(jì)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(shí)，對(duì)夾套伴熱取伴熱介質(zhì)溫度為設(shè)計(jì)溫度，而對(duì)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(jì)溫度；
c. 安全泄壓管道
安全泄壓管道取排放時(shí)可能出現(xiàn)的最高或最低溫度為設(shè)計(jì)溫度；
d. 蒸汽吹掃的管道
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(shí)，則按介質(zhì)溫度根據(jù)上表確定其設(shè)計(jì)溫度。當(dāng)介質(zhì)溫度低于吹掃蒸汽溫度時(shí)，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(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高等級(jí)以適應(yīng)吹掃介質(zhì)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(shí)，其設(shè)計(jì)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(duì)其它工況進(jìn)行校核。
f. 臨氫管道
臨氫操作的管道，在查Nelson曲線時(shí)，應(yīng)取設(shè)計(jì)溫度再加30～50℃作為查曲線的溫度參數(shù)值。這是因?yàn)镹elson曲線為統(tǒng)計(jì)值，在鄰近曲線下方選材時(shí)而出現(xiàn)氫損傷的實(shí)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(jì)溫度應(yīng)經(jīng)計(jì)算或?qū)崪y(cè)確定。一般情況下，宜取250℃作為設(shè)計(jì)溫度；
h. 管系應(yīng)力計(jì)算時(shí)
在進(jìn)行有彈簧支架的管系應(yīng)力計(jì)算時(shí)，宜取介質(zhì)的正常工作溫度作為計(jì)算參數(shù)。
5.2影響管道壓力等級(jí)確定的因素
除了上述的設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力是管道壓力等級(jí)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(jí)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(jí)系列是不同的，對(duì)應(yīng)的溫度-壓力表也不相同�；蛘哒f，相同的設(shè)計(jì)條件，而選用不同的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，其公稱壓力等級(jí)是不同的。因此，在確定管道公稱壓力等級(jí)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?cè)跇?biāo)準(zhǔn)中的溫度-壓力表上的對(duì)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(jì)溫度、設(shè)計(jì)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，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(biāo)準(zhǔn)，它們都應(yīng)該是同等級(jí)的材料，即具有對(duì)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(duì)應(yīng)溫度下的許用壓力不得超出其設(shè)計(jì)壓力。
對(duì)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(jí)時(shí)，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(jí)，即提高其安全可靠系數(shù)。SH3059、SYJ1064標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此都有詳細(xì)的規(guī)定，例如：
對(duì)輸送劇毒介質(zhì)的管道，當(dāng)采用SH標(biāo)準(zhǔn)體系時(shí)，無論介質(zhì)的操作壓力是多少，其公稱壓力等級(jí)應(yīng)不低于PN5.0MPa；當(dāng)采用JB標(biāo)準(zhǔn)體系時(shí)，應(yīng)不低于PN4.0；
對(duì)輸送氫氣、氨氣、液態(tài)烴等介質(zhì)的管道，當(dāng)采用SH標(biāo)準(zhǔn)體系時(shí)，無論介質(zhì)的操作壓力是多少，其最低公稱壓力等級(jí)應(yīng)不低于PN2.OMPa，當(dāng)采用JB標(biāo)準(zhǔn)體系時(shí)，應(yīng)不低于PN2.5MPa；
對(duì)輸送一般可燃介質(zhì)的管道，當(dāng)采用SH標(biāo)準(zhǔn)體系時(shí)，其公稱壓力等級(jí)應(yīng)不低于PN2.0MPa，當(dāng)采用JB標(biāo)準(zhǔn)體系時(shí)，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)都給出這樣一個(gè)注釋:其溫度-壓力表的對(duì)應(yīng)值是指法蘭不受沖擊載荷的對(duì)應(yīng)值。事實(shí)上，法蘭遭受外部管道給予的彎曲、振動(dòng)、溫度循環(huán)等附加載荷時(shí)，都將影響其密封性，甚至影響到強(qiáng)度的可靠性，此時(shí)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(duì)于PN2.0等級(jí)的法蘭，當(dāng)其工作溫度大于200℃時(shí)，或PN5.0及以上等級(jí)的法蘭在工作溫度大于400℃時(shí)，均應(yīng)考慮管系對(duì)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(jí)。
5.3影晌壁厚等級(jí)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(shí)，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(jí)的基本參數(shù)。
不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選取材料的許用應(yīng)力值是不同的。對(duì)壓力管道來說，國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)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ANSI B31.3《Process Piping》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(duì)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(jí)的確定。
目前我國(guó)尚沒有一套有關(guān)各種腐蝕介質(zhì)在不同條件下對(duì)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(yàn)來確定其腐蝕余量的。許多國(guó)內(nèi)外的工程公司或設(shè)計(jì)院通常都將腐蝕余量分為如下四級(jí):
a.無腐蝕余量。對(duì)一般的不銹鋼管道多取該值；
b.1.6mm腐蝕余量。對(duì)于腐蝕不嚴(yán)重的碳素鋼和鉻鉬鋼多取該值；
c.3.2mm腐蝕余量。對(duì)于腐蝕比較嚴(yán)重的碳素鋼和鉻鉬鋼管道多取該值；
d.加強(qiáng)級(jí)(大于3.2mn)腐蝕余量。對(duì)于有固體顆粒沖刷等特殊情況下的管道，根據(jù)實(shí)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(duì)于其公稱壁厚(或者叫理論壁厚)都會(huì)有正、負(fù)偏差，因此在確定管子及其元件公稱壁厚時(shí)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
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材料標(biāo)準(zhǔn) |
壁厚（mm） |
偏差值（％） |
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GB/T8163 |
≤20 |
+15，-10，+12，-5，-10 |
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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(shí)質(zhì)上是一個(gè)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(duì)于有縱焊縫和螺旋焊縫的焊接管子及其元件，相對(duì)于無縫管子及其元件來說，工程上常給它一個(gè)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5-4
表5-4 焊接鋼管的焊縫系數(shù)
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序號(hào) |
焊接方法 |
接頭形式 |
焊縫型式 |
檢驗(yàn)型式 |
焊縫系數(shù) |
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1 |
鍛焊 |
對(duì)焊 |
直線 |
按標(biāo)準(zhǔn)要求 |
0.6 |
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2 |
電阻焊 |
對(duì)焊 |
直線或螺旋形 |
按標(biāo)準(zhǔn)要求 |
0.85 |
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3 |
電弧焊 |
單面對(duì)焊 |
直線或螺旋形 |
無RT
10%RT
100%RT |
0.8
0.9
1.0 |
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雙面對(duì)焊 |
直線或螺旋形 |
無RT
10%RT
100%RT |
0.85
0.9
1.0 |
RT 射線探傷
5.3.5設(shè)計(jì)壽命
a. 設(shè)計(jì)壽命與壓力管道的腐蝕余量有關(guān)。
對(duì)于均勻腐蝕來說，當(dāng)知道其年腐蝕速率后，根據(jù)預(yù)定的設(shè)計(jì)壽命，就很容易算出其應(yīng)取的腐蝕余量了。
b. 設(shè)計(jì)壽命還與交變應(yīng)力作用的荷載變化次數(shù)、氫損傷的孕育時(shí)間、斷裂因子的擴(kuò)展期等影響因素有關(guān)，
c. 與壓力管道的一次性投資、資金代嘗期和技術(shù)更新周期有關(guān)。
d. 美國(guó)一雜志上推薦的設(shè)計(jì)使用壽命為:碳鋼為5年；鉻鉬鋼和不銹鋼為10年。
SH3059標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)計(jì)壽命為15年。
國(guó)外的一些工程公司對(duì)總承包項(xiàng)目規(guī)定一般為10年；非總包項(xiàng)目一般為15年，以便從中獲取較大的利潤(rùn)。
5.4 常用壓力管道器材的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
1) GB50316-2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》；
2) GB50251-94 《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》；
3) GB50253-94 《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》；
4) GB50028-93 《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(1998年版)(2002年局部修訂條文)；
5) GB50030-91 《氧氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》；
6) SH3059-2001 《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用通則》；
7) SH3064-1994 《石油化工鋼制通用閥門選用、檢驗(yàn)及驗(yàn)收》；
8) HG/T20646 《化工裝置管道材料設(shè)計(jì)規(guī)定》。 |