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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。
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(shù)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(shù)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(huán)境的影響等因素，而在工藝操作參數(shù)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(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。
設計壓力確定：考慮介質(zhì)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(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(shù)。
表5-1 一般情況下管道元件的設計壓力確定
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工作壓力Pw(MPa) |
設計壓力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(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，在報請有關技術負責人批準的情況下，設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備、管道等系統(tǒng)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(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，其設計壓力應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(nèi)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(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(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，設計溫度應略高于由內(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(shù)（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
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工作溫度Tw(℃) |
設計溫度T(℃) |
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-20<Tw≤15 |
T= Tw-5(最低取－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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※當按該原則確定的設計溫度會引起管道壓力等級或材料變化時，應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，在報請有關技術負責人批準的情況下，設計溫度可取此時的最高工作溫度，而不加系數(shù)。 |
法蘭、墊片的設計溫度不低于最高工作溫度的90％；
螺栓、螺母的設計溫度應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工藝介質(zhì)溫度高于伴熱介質(zhì)溫度時，其設計溫度按上表選取；當工藝介質(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計溫度；
d. 蒸汽吹掃的管道
采用蒸汽吹掃的管道當介質(zhì)溫度高于吹掃蒸汽的溫度時，則按介質(zhì)溫度根據(jù)上表確定其設計溫度。當介質(zhì)溫度低于吹掃蒸汽溫度時，應視具體情況而定。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，應適當提高等級以適應吹掃介質(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，其設計溫度應取與內(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。
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(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計溫度應經(jīng)計算或?qū)崪y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(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
除了上述的設計溫度和設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(zhì)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(zhì)
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(chǎn)生重大事故的介質(zhì)，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(shù)。SH3059、SYJ1064標準對此都有詳細的規(guī)定，例如：
對輸送劇毒介質(zhì)的管道，當采用SH標準體系時，無論介質(zhì)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(tài)烴等介質(zhì)的管道，當采用SH標準體系時，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(zhì)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(zhì)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(huán)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(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(chǎn)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(shù)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(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力限制在各強度指標下某一值，該數(shù)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(shù)。
不同的設計標準，選取材料的許用應力值是不同的。對壓力管道來說，國內(nèi)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ANSI B31.3《Process Piping》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(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(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)的負偏差值。各種鋼管標準中規(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：
表5－3 常用標準的壁厚偏差值
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材料標準 |
壁厚（mm） |
偏差值（％） |
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GB/T8163 |
≤20 |
+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度降低系數(shù)(即焊縫系數(shù))，以衡量其機械性能下降的程度。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 |
焊接方法 |
接頭形式 |
焊縫型式 |
檢驗型式 |
焊縫系數(shù) |
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1 |
鍛焊 |
對焊 |
直線 |
按標準要求 |
0.6 |
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2 |
電阻焊 |
對焊 |
直線或螺旋形 |
按標準要求 |
0.85 |
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3 |
電弧焊 |
單面對焊 |
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(jù)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(shù)、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. 美國一雜志上推薦的設計使用壽命為:碳鋼為5年；鉻鉬鋼和不銹鋼為10年。
SH3059標準規(guī)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(guī)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(yè)金屬管道設計規(guī)范》；
2) GB50251-94 《輸氣管道工程設計規(guī)范》；
3) GB50253-94 《輸油管道工程設計規(guī)范》；
4) GB50028-93 《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》(1998年版)(2002年局部修訂條文)；
5) GB50030-91 《氧氣站設計規(guī)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(guī)定》。 |