管道压力等级

　　管道压力等级
　　
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　　压力管道的组成件一般都是标准件，因此压力管道组成件的设计主要是其标准件的选用，管道压力等级的确定也就是其标准件等级的确定。从广义上理解，压力管道是指所有承受内压或外压的管道，无论其管内介质如何。
　　
　　压力管道是管道中的一部分，管道是用以输送、分配、混合、分离、排放、计量、控制和制止流体流动的，由管子、管件、法兰、螺栓连接、垫片、阀门、其他组成件或受压部件和支承件组成的装配总成。从中国颁发《压力管道安全管理与监察规定》以后，“压力管道”便成为受监察管道的名词。在《压力管道安全管理与监察规定》第二条中，将压力管道定义为：“在生产、生活中使用的可能引起燃爆或中毒等危险性较大的特种设备”。
　　
　　国务院2009年5月1日颁发实施的《特种设备安全监察条例》(国务院令第549号)中，将压力管道进一步明确为“利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm的管道”。这就是说，所说的“压力管道”，不但是指其管内或管外承受压力，而且其内部输送的介质是“气体、液化气体和蒸汽”或“可能引起燃爆、中毒或腐蚀的液体”物质。
　　
　　国务院颁布的《特种设备安全监察条例》明确规定：压力管道和锅炉、压力容器、起重机械并列为不安全因素较多的特种设备。
　　
　　管道的压力等级包括两部分:
　　
　　以公称压力表示的标准管件的公称压力等级；
　　
　　以壁厚等级表示的的标准管件的壁厚等级。
　　
　　管道的压力等级：通常把管道中由标准管件的公称压力等级和壁厚等级共同确定的能反映管道承压特性的参数叫做管道的压力等级。而习惯上为简化描述，常把管道中管件的公称压力等级叫做管道的压力等级。
　　
　　压力等级的确定是压力管道设计的基础，也是设计的核心。它是压力管道布置、压力管道应力校核的设计前提条件，也是影响压力管道基建投资和管道可靠性的重要因素。
　　
　　5.1设计条件
　　
　　工程上，工艺操作参数不宜直接作为压力管道的设计条件，要考虑工艺操作的波动、相连设备的影响、环境的影响等因素，而在工艺操作参数的基础上给出一定的安全裕量作为设计条件。这里所说的设计条件主要是指设计压力和设计温度。
　　
　　管道的设计压力：应不低于正常操作时，由内压(或外压)与温度构成的苛刻条件下的压力。
　　
　　苛刻条件：是指导致管子及管道组成件大壁厚或高公称压力等级的条件。
　　
　　设计压力确定：考虑介质的静液柱压力等因素的影响，设计压力一般应略高于由(或)外压与温度构成的苛刻条件下的高工作压力。
　　
　　a.一般情况下管道元件的设计压力确定
　　
　　一般情况下，为了操作上的方便，在此不妨采用压力容器的做法，即在相应工作压力的基础上增加一个裕度系数。
　　
　　表5-1一般情况下管道元件的设计压力确定
　　
　　工作压力Pw(MPa)
　　
　　设计压力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
　　
　　※当按该原则确定的设计压力会引起管道压力等级变化时，应判断该工作压力是否就是由内压(或外压)与温度构成的苛刻条件下的高工作压力，如果是，在报请有关技术负责人批准的情况下，设计压力可取此时的高工作压力，而不加系数。
　　
　　b.管道中有安全泄压装置时，
　　
　　管道中有安全泄压装置时预示着该管道在运行过程中有出现超出其正常操作压力的可能。设置安全泄压装置(如安全阀、爆破片等)的目的，就是在系统中出现超出其正常操作压力的情况时，能将压力自动释放而使设备、管道等系统的硬件得到保护。此时管道的设计压力应不低于安全泄压装置的设定压力。
　　
　　c.管道中有高扬程的泵
　　
　　对于高扬程的泵，尤其是往复泵，在开始启动的短时间内，往往会在*道切断阀之前的管道和泵内产生一个较高的封闭压力，有时这个封闭压力会达到一个很大的值。此时泵的出口管道，其设计压力应取泵的大封闭压力值。
　　
　　D.真空系统
　　
　　真空系统管道承受的压力就是其外部的大气压力，故其设计压力应取0.1MPa外压；
　　
　　e.与塔或容器等设备相连的管道
　　
　　与塔或容器等设备相连的管道其设计压力应不低于所连设备的设计压力。当管道内有较高的液体液柱时，还应考虑该液体静压头的影响。事实上，对于管道来说，其受力要比设备复杂，这是因为它除受介质载荷之外，还往往遭受到由于管道的热胀冷缩而产生的管系力等。因此，管道的设计压力一般应不低于设备的设计压力。
　　
　　5.1.2设计温度
　　
　　管道的设计温度:应不低于正常操作时，由内压（或外压）与温度构成的苛刻条件下的温度。苛刻条件:指导致管子及管道组成件大壁厚、高公称压力等级或高材料等级的条件。设计温度的确定:考虑环境、隔热、操作稳定性等因素的影响，设计温度应略高于由内压(或外压)与温度构成的苛刻条件下的高工作温度。
　　
　　a.一般情况下管道元件的设计温度确定
　　
　　一般情况下为了操作上的方便，在此不妨也采用压力容器的做法，在相应工作温度的基础上增加一个裕度系数（除法兰和螺栓以外）。
　　
　　表5－2一般情况下管道元件的设计温度确定
　　
　　工作温度Tw(℃)
　　
　　设计温度T(℃)
　　
　　-20<TW≤15<p>
　　
　　T=Tw-5(低取－20)
　　
　　15<TW≤350<p>
　　
　　T=Tw+20
　　
　　Tw>350
　　
　　T=Tw+(5～15)
　　
　　※当按该原则确定的设计温度会引起或材料变化时，应判断该工作温度是否
　　
　　就是由内压(或外压)与温度构成的苛刻条件下的高工作温度，如果是，在报请有关技术负责人批准的情况下，设计温度可取此时的高工作温度，而不加系数。
　　
　　法兰、垫片的设计温度不低于高工作温度的90％；
　　
　　螺栓、螺母的设计温度应不低于高工作温度的80％。
　　
　　b.夹套或外伴热管道
　　
　　对于夹套或外伴热的管道当工艺介质温度高于伴热介质温度时，其设计温度按上表选取；当工艺介质温度低于伴热介质温度时，对夹套伴热取伴热介质温度为设计温度，而对外伴热则取伴热介质温度减10℃与工艺介质温度二者的较大值为设计温度；
　　
　　c.安全泄压管道
　　
　　安全泄压管道取排放时可能出现的高或低温度为设计温度；
　　
　　d.蒸汽吹扫的管道
　　
　　采用蒸汽吹扫的管道当介质温度高于吹扫蒸汽的温度时，则按介质温度根据上表确定其设计温度。当介质温度低于吹扫蒸汽温度时，应视具体情况而定。例如，按介质温度选取的管道及其元件不能承受吹扫介质的条件时，应适当提高等级以适应吹扫介质条件。
　　
　　e.多种工况下工作的管道
　　
　　同一根管道，如果在两种或两种以上工况条件下工作时，其设计温度应取与内压(或外压)构成的苛刻条件下的高工作温度，并对其它工况进行校核。
　　
　　f.临氢管道
　　
　　临氢操作的管道，在查Nelson曲线时，应取设计温度再加30～50℃作为查曲线的温度参数值。这是因为Nelson曲线为统计值，在邻近曲线下方选材时而出现氢损伤的实例也曾发生过；
　　
　　g.带衬里的管道
　　
　　带隔热耐磨衬里的管道，其金属部分的管道设计温度应经计算或实测确定。一般情况下，宜取250℃作为设计温度；
　　
　　h.管系应力计算时
　　
　　在进行有弹簧支架的管系应力计算时，宜取介质的正常工作温度作为计算参数。
　　
　　5.2影响确定的因素
　　
　　了上述的设计温度和设计压力是确定的基本参数外，还有一些其它因素也将影响到的确定。
　　
　　5.2.1应用标准体系
　　
　　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。
　　
　　5.2.2材料
　　
　　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-压力表上的对应值也是不相同的。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。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；注意管材、板材、棒材、铸材的配伍。
　　
　　5.2.3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，其公称压力等级应不低于PN5.0MPa；当采用JB标准体系时，应不低于PN4.0；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，其低公称压力等级应不低于PN2.OMPa，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，其公称压力等级应不低于PN2.0MPa，当采用JB标准体系时，应不低于PN1.6MPa。
　　
　　5.2.4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载荷的对应值。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，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。
　　
　　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。
　　
　　5.3影晌壁厚等级确定的因素
　　
　　5.3.1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。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，常将管道元件中的应力限制在各强度指标下某一值，该数值即为许用应力。当管道元件中的应力超过其许用应力值时，就认为其强度已不能得到保证。因此说，材料的许用应力是确定管道壁厚等级的基本参数。同的设计标准，选取材料的许用应力值是不同的。对压力管道来说，国内的设计标准是按GB150《钢制压力容器》确定的许用应力值，ASTM材料则是取按ANSIB31.3《ProcessPiping》标准确定的许用应力值。
　　
　　5.3.2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。
　　
　　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。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3.2mn)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。.
　　
　　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过程中，相对于其公称壁厚(或者叫理论壁厚)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负偏差值是不*相同的，GB/T8163《流体输送用无缝钢管》、GB/T14976《流体输送用不锈钢无缝钢管》规定的壁厚偏差值如下：
　　
　　表5－3常用标准的壁厚偏差值
　　
　　材料标准
　　
　　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。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。其焊缝系数的取值见表5-4
　　
　　表5-4焊接钢管的焊缝系数
　　
　　序号
　　
　　焊接方法
　　
　　接头形式
　　
　　焊缝型式
　　
　　检验型式
　　
　　焊缝系数
　　
　　1
　　
　　锻焊
　　
　　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
　　
　　99%RT
　　
　　0.8
　　
　　0.9
　　
　　1.0
　　
　　双面对焊
　　
　　直线或螺旋形
　　
　　无RT
　　
　　10%RT
　　
　　99%RT
　　
　　0.85
　　
　　0.9
　　
　　1.0
　　
　　RT射线探伤
　　
　　5.3.5设计寿命
　　
　　a.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。
　　
　　b.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，
　　
　　c.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。
　　
　　d.美国一杂志上的设计使用寿命为:碳钢为5年；铬钼钢和不锈钢为10年。
　　
　　SH3059标准规定的设计寿命为15年。国外的一些工程公司对总承包项目规定一般为10年；非总包项目一般为15年，以便从中获取较大的利润。
　　
　　5.4常用压力管道器材的设计标准
　　
　　1)GB50316-2000《工业金属管道设计规范》；
　　
　　2)GB50251-94《输气管道工程设计规范》；
　　
　　3)GB50253-94《输油管道工程设计规范》；
　　
　　4)GB50028-93《城镇燃气设计规范》(1998年版)(2002年局部修订条文)；
　　
　　5)GB50030-91《氧气站设计规范》；
　　
　　6)SH3059-2001《石油化工管道设计器材选用通则》；
　　
　　7)SH3064-1994《石油化工钢制通用阀门选用、检验及验收》；
　　
　　8)HG/T20646《化工装置管道材料设计规定》。
　　
　　公称直径
　　
　　无缝钢管Sch对应的压力等级如何推算，在此稍做解释：Sch壁厚系列是1938年美国国家标准协会ANSIB36.10（焊接和无缝钢管）标准规定的，中国石油化工企业钢管系列（SH3405）也是按管子表号表示壁厚系列。管子表号（Sch）是设计压力与设计温度下材料的许用应力的比值乘以1000；并经圆整后的数值。即Sch=（P/σ）×1000，其中，P为设计压力（MPa），σ为设计温度下材料的许用应力（MPa）。切记：管子表号Sch不是壁厚，是壁厚系列。同一管径在不同的管子表号中其壁厚各异！
　　
　　一般来说，管子的直径可分为外径、内径、公称直径。管材为无缝钢管的管子的外径用字母D来表示，其后附加外直径的尺寸和壁厚，例如外径为108的无缝钢管，壁厚为5MM，用D108*5表示，塑料管也用外径表示，如De63,其他如钢筋混凝土管、铸铁管、镀锌钢管等采用DN表示，在设计图纸中一般采用公称直径来表示，公称直径是为了设计制造和维修的方便人为地规定的一种标准，也较公称通径，是管子（或者管件）的规格名称。管子的公称直径和其内径、外径都不相等，例如：公称直径为100MM的无缝钢管邮102*5、108*5等好几种，108为管子的外径，5表示管子的壁厚，因此，该钢管的内径为（108*5-5）＝98MM，但是它不*等于钢管外径减两倍壁厚之差，也可以说，公称直径是接近于内径，但是又不等于内径的一种管子直径的规格名称，在设计图纸中所以要用公称直径，目的是为了根据公称直径可以确定管子、管件、阀门、法兰、垫片等结构尺寸与连接尺寸，公称直径采用符号DN表示，如果在设计图纸中采用外径表示，也应该作出管道规格对照表，表明某种管道的公称直径，壁厚。
　　
　　.管子系列标准
　　
　　压力管道设计及施工，首先考虑压力管道及其元件标准系列的选用。世界各国应用的标准体系虽然多，大体可分成两大类。压力管道标准见表3。法兰标准见表4。
　　
　　表3压力管道标准
　　
　　分类
　　
　　大外径系列
　　
　　小外径系列
　　
　　规格
　　
　　DN-公称直径
　　
　　Ф－外径
　　
　　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、压力管道是一个系统，相互关联相互影响，牵一发而动全身。
　　
　　2、压力管道长径比很大，极易失稳，受力情况比压力容器更复杂。压力管道内流体流动状态复杂，缓冲余地小，工作条件变化频率比压力容器高（如高温、高压、低温、低压、位移变形、风、雪、地震等都有可能影响压力管道受力情况）。
　　
　　3、管道组成件和管道支承件的种类繁多，各种材料各有特点和具体技术要求，材料选用复杂。
　　
　　4、管道上的可能泄漏点多于压力容器，仅一个阀门通常就有五处。
　　
　　5、压力管道种类多，数量大，设计，制造，安装，检验，应用管理环节多，与压力容器大不相同。对压力管道的检验检测工作包括：外观检验、测厚、无损检测、硬度测定、金相、耐压试验等。而磁粉检测则是无损检测一种经常使用的方法。磁粉检测的能力不仅与施加磁场强度的大小有关，还与缺陷的方向、缺陷的深宽比、缺陷的形状、工件的外形、尺寸和表面状态及可能产生缺陷的部位有关。因此就有各种不同的磁化方法。压力管道的作业一般都在室外，敷设方式有架空、沿地、埋地，甚至经常是高空作业，环境条件较差，质量控制要求较高。由于质量控制环节是环环相扣，有机结合，一个环节稍有疏忽，导致的都是质量问题。而焊接是压力管道施工中的一项关键工作，其质量的好坏、效率的高低直接影响工程的安全运行和制造工期，因此过程质量的控制显得更为重要。根据压力管道的施工要求，必须在人员、设备、材料、工艺文件和环境等方面强化管理。有针对性地采取严格措施，才能保证压力管道的焊接质量，确保焊接工程的实现。与本文相关的论文有：五阳煤矿应用阀门案例