|
壓力管（guǎn）道的組成件一般都（dōu）是標準件，因此壓力管道組成件的設（shè）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（kuò）兩部分:
以公稱壓力表示的標（biāo）準管（guǎn）件的公（gōng）稱（chēng）壓力等級；
以壁（bì）厚等級表示的的標準管件的壁厚等級（jí）。
管道的壓力等級：通常把管道中由標準管件的公稱壓力（lì）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（guǎn）道的壓力等級。而習慣上為簡化描（miáo）述，常把管道中管件的（de）公稱壓力等級（jí）叫做管道的壓力等級。
壓力等級的確定是壓（yā）力管道設計的基礎，也是設計的核（hé）心。它是壓力管道布置、壓力管道應力校核的設計前提條（tiáo）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（tiáo）件
工程上，工藝操作參數不宜直接作為壓力管道的設計（jì）條件，要考慮工藝操作的波動、相連設備的影（yǐng）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（liàng）作為設計條（tiáo）件。這裏所說的設計（jì）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（dī）於正常操作時，由內壓(或外壓)與溫度構成的最苛刻條件下的（de）壓力。
最苛刻條件：是指導致（zhì）管子及管道組成件最大壁厚或最高公稱壓力等級的（de）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（jì）壓（yā）力一般應略（luè）高於由(或)外（wài）壓與溫（wēn）度構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（de）做法（fǎ），即在相應工作壓力的基礎上增加一個裕度係數。
表5-1 一般情況下（xià）管道（dào）元件的設計壓力確（què）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= 1.1Pw |
|
4.0<Pw≤8.0 |
P= Pw+0.4 |
|
Pw>8.0 |
P=1.05 Pw |
|
※ 當按該原則（zé）確（què）定的設計壓力會引起（qǐ）管道壓力等級（jí）變化時，應判斷該工作壓力是否就是由內壓(或外壓)與溫度構成的最苛刻條件下的最高工（gōng）作壓力，如果是，在報請有（yǒu）關技術負責人批（pī）準的情況下（xià），設計壓力可取此時的最高工作壓力，而不加係數。 |
b. 管道中有安全泄（xiè）壓裝（zhuāng）置時，
管道中有安全泄壓裝置時預示著該管道在運行（háng）過程中有出現超出其正常操作壓力的可能。設置（zhì）安全泄壓裝置(如安全閥、爆（bào）破片等)的目的（de），就是在係統中出現超出其（qí）正常操作壓力的情況時，能將壓力自動釋放而使設備、管道等係統（tǒng）的硬件得（dé）到（dào）保護。此時管道的設（shè）計壓力應不低於安全泄壓裝置的設定壓力。
c. 管道中有高揚程（chéng）的（de）泵
對於高揚程（chéng）的泵，尤其是往複泵，在開始啟動的短時間內，往（wǎng）往會在第一道切斷（duàn）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（hěn）大的值。此時泵的出口管道，其設計壓力應取泵的最大封（fēng）閉（bì）壓力值。
D. 真空（kōng）係統
真空係統（tǒng）管道承受的壓力就是其外部的大（dà）氣壓力，故其設計壓力應取0.1MPa外壓；
e. 與（yǔ）塔或容器等（děng）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（yīng）不低於所連設備的設計壓力。當（dāng）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（shí）上，對於管（guǎn）道來說，其受力要比設備複（fù）雜，這是因為它除受介質載荷之外，還（hái）往往遭受到由於（yú）管道的熱脹（zhàng）冷縮而產生（shēng）的管係力等。因此，管道的設計壓力一般應不低於設備的設計壓力。
5.1.2設計溫度（dù）
管道的設計溫度:應不低於正常操作時，由內壓（或外壓）與溫度構成的最（zuì）苛刻條件下的溫度。
最苛刻條件: 指導致管子及管道組（zǔ）成件最大壁（bì）厚、最高公稱壓力等級或最高材（cái）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（shè）計溫度應略高於由內壓(或（huò）外（wài）壓)與溫度構成的最苛刻條件下（xià）的最高工作溫度。
a. 一般情況下管（guǎn）道元件的設（shè）計溫度確（què）定
一般情況下為了（le）操作上的（de）方便，在此不妨也采用壓力（lì）容器的做法（fǎ），在相應工作溫度的（de）基礎上增加一個裕度係數（除法蘭和螺栓以外）。
表5－2 一般情況（kuàng）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 |
T= Tw-5(最（zuì）低取－20) |
|
15<Tw≤350 |
T= Tw+20 |
|
Tw>350 |
T= Tw+(5～15) |
|
※當按該（gāi）原則確定的設計溫度會（huì）引起管道壓力（lì）等級（jí）或材料變化時，應判斷該工作溫（wēn）度是否（fǒu）
就（jiù）是由內壓(或外壓)與溫（wēn）度構成（chéng）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（fù）責人批準的情況下（xià），設計（jì）溫度可取（qǔ）此時的最高工作溫度，而不加係數（shù）。 |
法蘭、墊（diàn）片的設計溫度不低於最高工（gōng）作溫度的90％；
螺栓、螺母的設計溫度應不（bú）低於最（zuì）高工作溫度的80％。
b. 夾（jiá）套或外伴熱管道
對於夾套或外伴熱的管道當工藝介質溫度高（gāo）於伴熱介質溫度時，其設計溫度按上表選取；當工藝介（jiè）質溫度低於伴熱介質（zhì）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（dào）
安（ān）全泄壓（yā）管道取排（pái）放（fàng）時可能出現（xiàn）的最高或最（zuì）低溫度為設計溫度；
d. 蒸汽吹掃的管道（dào）
采用蒸汽（qì）吹掃的管道當介質溫（wēn）度高於吹掃（sǎo）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（zhì）溫度低（dī）於吹掃蒸汽溫度時，應視具體情況而定（dìng）。例（lì）如，按介質溫度選取的管道及其（qí）元（yuán）件不能承受吹掃介質（zhì）的（de）條件時，應適當提高等級以適應吹掃介質條件（jiàn）。
e. 多種工（gōng）況下工作的管道
同一根管道，如果在兩種或兩種以上工（gōng）況條件下工（gōng）作時，其設計溫度應取與內壓(或外壓)構（gòu）成的最苛刻條件下的最高（gāo）工作溫度，並對其它工況進（jìn）行校核。
f. 臨氫管道
臨氫操作的管道，在查Nelson曲線（xiàn）時，應取設（shè）計溫度再加30～50℃作為查（chá）曲線的溫度參數值。這（zhè）是因為Nelson曲線（xiàn）為統（tǒng）計值，在鄰近（jìn）曲線（xiàn）下方選（xuǎn）材時而出現（xiàn）氫損傷的實（shí）例也曾發生過；
g. 帶襯裏的管道
帶（dài）隔（gé）熱耐磨襯裏的管道，其（qí）金屬部分的管道設（shè）計溫度應經計算或實測確（què）定。一般情況下（xià），宜取250℃作為設計溫度；
h. 管係應力計（jì）算時
在進行有彈簧支架的管係應力計算（suàn）時，宜取介（jiè）質的正常工作溫度作為計算參數。
5.2影響管道壓力等級確定（dìng）的因（yīn）素
除（chú）了上述的設計溫度和設計壓力是管道壓（yā）力等級確定的基本參數外，還有一些其它因素也將（jiāng）影響到管道壓力等（děng）級的確定。
5.2.1應（yīng）用標準體（tǐ）係
不同的（de）標準體係，其公稱壓力（lì）等級係（xì）列是不同的（de），對應的（de）溫度-壓力（lì）表也（yě）不相同。或者說，相同的設（shè）計條件，而選用不（bú）同的應（yīng）用標準，其（qí）公稱壓力等級是不同的。因此，在確定管道公稱壓力（lì）等級之前，應首先確定其應用標準體係。
5.2.2材料
不同的材料，其機械性能是不同的（de），那麽它（tā）們在標準（zhǔn）中的溫度-壓力（lì）表上的對應值也是不相同的。因此在確定管道的公稱（chēng）壓力之（zhī）前應首先確定管道及其元件的材料。材料的選用是（shì）由設計溫度、設計壓力和操作介質確定的。
管道中各元（yuán）件的材料標準往往是（shì）不同的，一般情況下，管子（zǐ）用管材，法蘭
用（yòng）鍛材，而閥門多用鑄材。無論用什麽（me）材料標準，它們都應該（gāi）是同等級的材料，即（jí）具有（yǒu）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（bān）情況下，管道（dào）的公稱壓力在對應溫度下的許用壓力不得超（chāo）出其設計（jì）壓力。
對（duì）由於管子及其元件失效而將造成嚴重危害（hài）或易於（yú）產生重大事（shì）故的介質，在考慮其公稱壓力等級時，不（bú）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（qí）安全可靠係數。SH3059、SYJ1064標準對此都有詳細（xì）的規定，例如：
對（duì）輸送劇毒（dú）介質的管（guǎn）道，當采用（yòng）SH標準體係（xì）時，無論介質的操作（zuò）壓力是多少，其（qí）公稱壓力等級應不低於PN5.0MPa；當采用JB標準體係時，應不（bú）低於PN4.0；
對輸送氫氣、氨氣、液（yè）態烴等介質的管道，當采用SH標準體係時，無論介質的操作壓力是多少，其最低公稱壓力等（děng）級（jí）應不低於PN2.OMPa，當采用JB標準體係（xì）時，應不低於PN2.5MPa；
對輸送一般可（kě）燃介質的管道，當采用SH標準體（tǐ）係時，其公稱壓（yā）力等級應（yīng）不低於PN2.0MPa，當采用JB標準體（tǐ）係時，應不低於PN1.6MPa。
5.2.4介質溫度及管係附加力
許（xǔ）多法蘭標準（zhǔn）都給出這樣一個注釋:其溫度-壓力（lì）表的對應值是指法蘭不受衝（chōng）擊載荷的對應值。事實（shí）上，法蘭遭受外部管道給予的彎（wān）曲、振動、溫度循（xún）環等附加載荷時，都將影（yǐng）響其密封性（xìng），甚至影響到（dào）強度的可靠性，此時應將這些外部（bù）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係的熱脹冷縮引起的。一般情（qíng）況下，對於PN2.0等級的法蘭（lán），當（dāng）其工作溫度大於200℃時（shí），或PN5.0及以上等級的法蘭在工作溫度大於400℃時，均應考慮管係對法（fǎ）蘭產生的附加（jiā）載荷的影響，否則應提（tí）高管係的公稱壓力等級。
5.3影晌壁厚（hòu）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（liào）的強度指標（biāo）除以相應的安全係（xì）數而（ér）得到的值（zhí）。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（děng），這些指標分別（bié）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（de）應力限製在各強度指標下某一值，該數值（zhí）即為許用應力。當管道元件（jiàn）中（zhōng）的應力超過其許用應（yīng）力值時，就認為其強度已不能得到保證。因此說（shuō），材料的許用應力是確定管道（dào）壁厚等級（jí）的基本參數。
不同的設計標準，選取（qǔ）材料的許用應力值（zhí）是（shì）不同的。對壓力管道來說，國內的設計標準是按GB150《鋼製壓力容器》確定（dìng）的許用（yòng）應（yīng）力（lì）值，ASTM材（cái）料則是取（qǔ）按ANSI B31.3《Process Piping》標準確定的許用應力（lì）值。
5.3.2腐蝕餘量（liàng）
腐蝕餘量是考慮因（yīn）介質對管（guǎn）道的腐（fǔ）蝕而造成的管道壁厚減薄，從而增加的管（guǎn）道壁厚值。它的大小直接影響到管道壁厚（hòu）的取值，或者說直接影響到壁厚（hòu）等（děng）級的確定。
目前我國尚沒有一套有關各種腐蝕介（jiè）質在不同條件下（xià）對各種材（cái）料的腐蝕速率數據，因（yīn）此，工程上大多數情況下（xià）仍是憑（píng）經驗來確定其腐蝕（shí）餘量的。許多國內外的工程公司或設計院通常都將腐蝕（shí）餘量分為如下四級:
a.無腐蝕餘量。對一般的不鏽鋼管道多取該值；
b.1.6mm腐蝕餘量。對於腐蝕不嚴重的碳（tàn）素鋼（gāng）和鉻鉬鋼多取（qǔ）該值；
c.3.2mm腐（fǔ）蝕餘量。對於腐蝕比較（jiào）嚴重的碳素鋼和鉻鉬鋼管道多取該值；
d.加強級(大於3.2mn)腐蝕餘量。對於有固體顆粒衝刷等特殊情況下的管道，根據實（shí）際情況確定其具（jù）體值。.
5.3.3管（guǎn）子及（jí）其元件（jiàn）的製造壁厚偏差
管子及（jí）其元件在製造過程中，相對於其公稱壁厚(或者叫理（lǐ）論壁厚)都（dōu）會有正、負偏差，因此在確定管子及其元件（jiàn）公稱壁厚時一定要考慮可能出現的（de）負偏差值。各種（zhǒng）鋼管（guǎn）標準（zhǔn）中規定的負偏差值是不完全相（xiàng）同的，GB/T8163《流體輸送用無縫鋼管》、GB/T14976《流體輸送用不鏽鋼無縫鋼管》規定的壁厚偏差值（zhí）如下：
表5－3 常用標（biāo）準的（de）壁厚偏差值
|
材料標準（zhǔn） |
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焊縫係數
金屬的焊接過程，實質上是（shì）一個冶金（jīn）過程，其組（zǔ）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（yě）有（yǒu）所下降。對於（yú）有縱焊縫（féng）和螺旋焊縫的焊接管子及其元件，相（xiàng）對於無縫管子及其元件來說，工程上常（cháng）給它一個強度降低係數(即焊縫（féng）係數)，以衡量其機（jī）械性能（néng）下降的程度。其焊縫係數的取值見表5-4
表5-4 焊接鋼管的（de）焊縫係（xì）數
|
序號 |
焊接方法 |
接頭形式 |
焊縫型式 |
檢驗型式 |
焊縫係數 |
|
1 |
鍛焊 |
對焊 |
直線 |
按標準要求 |
0.6 |
|
2 |
電阻焊 |
對焊（hàn） |
直（zhí）線或螺（luó）旋形 |
按標準（zhǔn）要（yào）求 |
0.85 |
|
3 |
電弧（hú）焊 |
單麵對焊 |
直（zhí）線或（huò）螺旋（xuán）形 |
無RT
10%RT
100%RT |
0.8
0.9
1.0 |
|
雙麵對焊 |
直線或螺旋形 |
無RT
10%RT
100%RT |
0.85
0.9
1.0 |
RT 射（shè）線探傷
5.3.5設計壽（shòu）命
a. 設計壽命與壓力管道的腐蝕餘量有關。
對於均勻腐蝕來說，當知道其年腐蝕速率後，根據預定的設計（jì）壽命，就很容易算出其應取的腐蝕餘量了。
b. 設計壽命還與交變應力作（zuò）用的荷載（zǎi）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（sù）有關（guān），
c. 與壓力管道的一次性投資、資金代嚐期和技術更新周期有關。
d. 美國（guó）一雜誌上推薦的設計使用壽命為:碳鋼（gāng）為5年；鉻（gè）鉬鋼和不鏽鋼為10年（nián）。
SH3059標準規定的設計壽命為15年。
國外（wài）的一些工程公司對（duì）總承包項目規定一般為10年；非總包項（xiàng）目一般為15年，以便從中（zhōng）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（gōng）業金屬管（guǎn）道設計規範》；
2) GB50251-94 《輸氣管道工程設計規範》；
3) GB50253-94 《輸油管（guǎn）道工程設計（jì）規範》；
4) GB50028-93 《城鎮燃氣設計規範》(1998年版)(2002年局部修訂條文)；
5) GB50030-91 《氧氣站設計規範》；
6) SH3059-2001 《石油化（huà）工管道設計（jì）器材選用（yòng）通則（zé）》；
7) SH3064-1994 《石油化工（gōng）鋼製通用閥門選用、檢驗及驗（yàn）收（shōu）》；
8) HG/T20646 《化工裝置管道材料設計（jì）規定》。 |