|
壓（yā）力管道的組成件一般（bān）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（qí）標準件等級的確定（dìng）。
管（guǎn）道的（de）壓力等級包括兩部分:
以（yǐ）公稱壓力表示的標準管件的（de）公稱壓力等級；
以壁厚等級表示的的標準管件的壁（bì）厚等級。
管（guǎn）道的壓力等級：通常把管道中由（yóu）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（jiào）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（děng）級叫（jiào）做管道的壓力等級。
壓（yā）力等級的確定（dìng）是壓力管道設計的基礎，也是設計的核心。它是壓力（lì）管道布置、壓力管道應（yīng）力（lì）校（xiào）核的（de）設計前提條件，也是影響壓（yā）力管道基建投資（zī）和管道可靠性的重要因素。
5.1 設計條件
工程上，工（gōng）藝操作參數不宜直（zhí）接作為壓力管道的設計條件，要考慮工藝操（cāo）作的波動、相連設備（bèi）的影響、環境的影響等因素，而在工藝操作參數的基礎上（shàng）給出一定的安全裕量作為設計條件（jiàn）。這裏所說的設計條件主要是指設計壓力（lì）和設計溫度。
管道的設計壓力：應不低於正常操作時，由內壓(或外（wài）壓)與溫度構成的最苛刻條件下的壓力。
最（zuì）苛刻條件：是指導致管子及管道組成件最大壁（bì）厚或最高公稱壓力等級的條件。
設計壓力確定：考（kǎo）慮（lǜ）介質的靜液柱壓（yā）力等因素的影（yǐng）響，設計壓力一般（bān）應略高於由(或)外壓（yā）與溫度（dù）構成的最苛刻條件下（xià）的最高（gāo）工作壓力。
a. 一般情況下管道元件的設計壓（yā）力確定
一般情況下，為了操作上的方便（biàn），在此不妨采用壓（yā）力容器的做法，即在相應工作壓力的基礎上增加一個裕度係數。
表（biǎo）5-1 一般（bān）情況下管道元件的設計（jì）壓力確定
|
工（gōng）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（yā）力是否就是由（yóu）內（nèi）壓(或外壓)與溫度構成的最苛刻條件下的最高工作壓力，如果是（shì），在報（bào）請有關技術負責人（rén）批準的情況下（xià），設計壓力可取（qǔ）此時（shí）的（de）最高工作壓力（lì），而不加（jiā）係數。 |
b. 管道中有安全泄壓裝置時，
管道中有安全泄壓裝（zhuāng）置時預示著該（gāi）管道在運行過程中（zhōng）有出現超出（chū）其正常（cháng）操（cāo）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（de），就是在係統中出現超出其正（zhèng）常操作壓力的情（qíng）況時，能將壓力自動釋放（fàng）而使設備、管（guǎn）道等係統的硬件得到保護（hù）。此時管道的設計壓力應（yīng）不低於安全泄（xiè）壓裝置的設定壓力。
c. 管道中有高（gāo）揚程的泵
對於高揚程的泵，尤其是往複（fù）泵，在（zài）開始啟（qǐ）動的短時間內，往往會在第一道切斷閥之前的管道（dào）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（gè）很大的（de）值。此時泵（bèng）的出口（kǒu）管道，其（qí）設計壓力應取泵的最大封閉壓力值。
D. 真空係統
真空（kōng）係統管道承受的壓力就是其外（wài）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（guǎn）道其設計壓力應不低於（yú）所連設備的設計壓力。當（dāng）管道內有（yǒu）較高的（de）液體液柱時，還（hái）應考慮該液體靜壓頭的影響。事實上，對於管道來說，其受力要比設備複雜，這是因為它除受介質（zhì）載荷之外（wài），還往往遭受到由於管道的熱脹冷縮（suō）而產生的管係（xì）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
管（guǎn）道的設計溫度:應不低於正常操（cāo）作時，由內壓（或外壓）與溫度構成的最（zuì）苛刻（kè）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（jí）或最高材料等級的條件。
設計溫（wēn）度的確（què）定:考（kǎo）慮環（huán）境（jìng）、隔熱、操作穩（wěn）定性等因素的影響，設計溫度（dù）應略高於由內壓(或外（wài）壓（yā）)與溫度構成的最苛刻條件下的最（zuì）高工作溫度。
a. 一般情況（kuàng）下（xià）管道元（yuán）件的設計溫度確定
一（yī）般情況下（xià）為了操（cāo）作上的方便，在（zài）此（cǐ）不妨也采用壓力容器的做法，在相應工作溫（wēn）度的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（shè）計溫度確定
|
工作溫度Tw(℃) |
設（shè）計溫度T(℃) |
|
-20<Tw≤15 |
T= Tw-5(最低取－20) |
|
15<Tw≤350 |
T= Tw+20 |
|
Tw>350 |
T= Tw+(5～15) |
|
※當按（àn）該原則確定的設計溫（wēn）度會引（yǐn）起管道壓力等級或材料變化時，應（yīng）判斷該工作溫度是（shì）否
就是由（yóu）內壓(或外壓)與溫度（dù）構成的最苛刻條件下的最（zuì）高工作溫度，如果是，在報請有關技術負（fù）責人批準的情況（kuàng）下，設計溫度可取此（cǐ）時的最（zuì）高工作溫度（dù），而不加係數。 |
法蘭、墊片（piàn）的設計溫度（dù）不低於最（zuì）高工（gōng）作溫度的90％；
螺栓、螺母的設（shè）計溫度應不低於最高工作溫度的80％。
b. 夾套或外（wài）伴熱（rè）管道
對於夾套或外伴熱的管道當工藝介質溫度（dù）高於伴熱介質（zhì）溫（wēn）度時，其設計溫度按上表選取；當工（gōng）藝介質溫度低於伴熱介質溫度時，對夾套伴熱取伴熱介質溫度為設計溫度，而對外伴（bàn）熱則取伴熱介質溫度減10℃與工藝介質溫度二者（zhě）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最（zuì）高或最低（dī）溫度為設（shè）計溫度；
d. 蒸（zhēng）汽（qì）吹掃的管道
采用蒸汽吹掃（sǎo）的管道當介質溫度高於吹掃蒸汽的溫（wēn）度時，則按介質（zhì）溫度根據上表確定其設計溫度。當介質溫度低於吹（chuī）掃蒸（zhēng）汽溫度時，應視具體情況而定。例如，按（àn）介質溫度選取的管道及其（qí）元件不能（néng）承受吹掃（sǎo）介質的條件時，應適當提高等級以適應吹掃介質（zhì）條件。
e. 多（duō）種工況下工作的管道
同一根管道（dào），如（rú）果在兩種（zhǒng）或兩（liǎng）種以上工況條件（jiàn）下工作時，其設計溫度應取與內壓(或外壓)構成的最苛刻條（tiáo）件下（xià）的最高工作溫（wēn）度，並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（qǔ）設計溫度再加30～50℃作為查曲（qǔ）線的溫度參數值。這是因為Nelson曲線為統計值，在（zài）鄰近曲線（xiàn）下方選材時而出現氫損傷的實例（lì）也曾發生過；
g. 帶襯裏的管道
帶隔熱耐磨襯裏的（de）管道，其金屬部分的管道設計（jì）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. 管係應力（lì）計算時
在進行有彈簧支架的管係應力計算時，宜取（qǔ）介（jiè）質的正常工作（zuò）溫度作為計算參數。
5.2影響管道壓力等級確定的因素
除了上（shàng）述（shù）的設計溫度和設計壓力是管（guǎn）道壓力等級確定的基（jī）本參數外（wài），還（hái）有一些其它因素也將影（yǐng）響到（dào）管道壓（yā）力等級的確定。
5.2.1應用標準體係
不同的（de）標準體（tǐ）係，其公稱壓力等（děng）級係列是（shì）不同的，對應的溫度-壓力表也不相同。或者說，相同的設計條（tiáo）件，而選用不（bú）同的應用標準，其公稱（chēng）壓力等級是不同（tóng）的。因（yīn）此，在確定管道公稱壓力等級之前，應首先確定其應用標（biāo）準體係。
5.2.2材料
不同的材料，其機械（xiè）性能是不同的，那麽它們在標準中的溫度-壓力表上的對應值也是（shì）不相（xiàng）同的。因此在確定管道的公稱壓力之前（qián）應（yīng）首先確定（dìng）管道及其（qí）元件的材料。材料的選用是由（yóu）設計溫度、設計壓力和操作介質確定的（de）。
管道中各元（yuán）件的（de）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（shí）麽材料（liào）標準，它（tā）們都應該（gāi）是同等級的材料（liào），即具有對操作條件的同等適應性和等強度（dù）； 注意管材、板（bǎn）材、棒材、鑄材的配伍。
5.2.3操作介（jiè）質
一般情（qíng）況（kuàng）下，管道的公稱（chēng）壓力在對應（yīng）溫度下的許用壓力不得超出其設計壓力。
對由（yóu）於管子及其元件失效而將造成嚴重危害或易於產生重大事故的介質，在考慮其公稱壓力等級時，不（bú）應僅僅（jǐn）按溫度-壓力表（biǎo）來確定，應適當提高其公稱（chēng）壓力等級，即提高其安全可靠係數。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（yòng）SH標準體係時，無論介質的操作壓力是多少，其公稱（chēng）壓力等級應不低於PN5.0MPa；當采用（yòng）JB標準體係時，應不低於（yú）PN4.0；
對輸送氫氣、氨氣、液態烴等介質的管道（dào），當采用SH標（biāo）準（zhǔn）體係時，無論介質的操作壓力是多少，其最低公（gōng）稱壓力等級應不低於PN2.OMPa，當采用JB標準體係時，應不低（dī）於PN2.5MPa；
對輸送一般可（kě）燃介質的管道，當采用SH標準（zhǔn）體（tǐ）係時，其公稱壓力（lì）等級（jí）應不低於PN2.0MPa，當采用JB標準體係時，應不低於PN1.6MPa。
5.2.4介質溫度及管係附加（jiā）力
許多法蘭標準（zhǔn）都（dōu）給出（chū）這樣一個（gè）注釋:其溫度-壓力表的對應值是指法蘭不受衝擊載荷的對應值。事實上，法（fǎ）蘭遭受外部管道給予的彎曲、振動、溫度循（xún）環等附加載荷時（shí），都將影響其密封性，甚至影響到強度的可靠性，此時（shí）應將這些外部載荷折算成當量（liàng）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（yī）般情況下，對於PN2.0等級的法蘭，當其工（gōng）作溫度大於200℃時，或PN5.0及以上等級（jí）的法蘭在工作溫（wēn）度大於400℃時，均應考慮管係對（duì）法蘭產生的附加載荷的影響，否則應提高管係的公（gōng）稱壓力（lì）等級。
5.3影晌壁厚等級確（què）定的因素
5.3.1材料的（de）許用應（yīng）力
材料的許用應力是指材料的強度指（zhǐ）標除以相應的安全係數而（ér）得到的值。材料的機械性能指（zhǐ）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（jí）限值（zhí）。為了保證管（guǎn）道運行中（zhōng）的強度可靠，常將管道元（yuán）件中的應力限製在各強度指（zhǐ）標下某（mǒu）一值，該數值即為許用應力。當管道（dào）元件中的（de）應力超過其許用應力（lì）值時，就認為其強度已不能得到保證（zhèng）。因此說，材料的許用應力是確定管道壁厚等級的基本參數。
不同的設（shè）計標準，選取（qǔ）材料的許用（yòng）應力值是不同的。對壓（yā）力管道來說（shuō），國內的設計標準是按GB150《鋼（gāng）製壓力容器》確定的許用（yòng）應力值，ASTM材料則是（shì）取按ANSI B31.3《Process Piping》標準確定的許用（yòng）應力值。
5.3.2腐蝕餘量（liàng）
腐蝕（shí）餘量是考慮因介質對管道的腐蝕而造成（chéng）的管（guǎn）道壁厚減薄，從而增加的管道壁厚值（zhí）。它的大小直接影響到管（guǎn）道壁厚的取值（zhí），或者說直接影響到壁厚等級的確定。
目前（qián）我國尚沒有一套有關各種腐蝕介（jiè）質在不（bú）同（tóng）條件下對各種材料的腐蝕速率數據，因此，工程上大多（duō）數（shù）情況下仍是憑經驗來確定其腐蝕（shí）餘量（liàng）的。許多（duō）國內外的工程公（gōng）司或設計院通常都將腐蝕餘量分為（wéi）如下四級:
a.無腐蝕餘量。對一般（bān）的不鏽鋼管道多取該值（zhí）；
b.1.6mm腐蝕餘量。對於腐蝕不嚴重的碳素鋼（gāng）和鉻鉬鋼多取該值；
c.3.2mm腐蝕餘量。對於腐蝕比較嚴重的碳素鋼和鉻鉬鋼（gāng）管道多取（qǔ）該值；
d.加強級(大於3.2mn)腐蝕餘量。對於有（yǒu）固體（tǐ）顆粒衝刷等（děng）特殊情況（kuàng）下的管道，根據實際情況（kuàng）確定其具體值。.
5.3.3管（guǎn）子及其元件的製造壁厚偏差
管子及其元件在製造過程中，相對於其（qí）公稱壁厚（hòu）(或者叫理論壁（bì）厚)都會有正、負偏差，因此在（zài）確定管子及其元（yuán）件公（gōng）稱壁厚時一（yī）定要考慮可能出現的負偏差值。各種鋼管標準中規（guī）定的（de）負（fù）偏差值（zhí）是（shì）不完（wán）全相同的，GB/T8163《流體（tǐ）輸送用無縫鋼管》、GB/T14976《流體輸送用不鏽鋼無縫鋼管》規定的壁厚偏差值如（rú）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（hàn）縫係數
金屬的焊接過程（chéng），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（xià），鑄造組織缺（quē）陷較多，材料性能也有所下降。對於有縱焊縫和螺旋焊縫的焊（hàn）接管子及其（qí）元件，相對於無縫管子及其元件（jiàn）來說，工程（chéng）上常給它一個強度降低係數(即焊縫係數)，以衡量其機械性（xìng）能下降（jiàng）的程度。其焊縫係數的取值見表5-4
表5-4 焊接鋼管的焊縫係（xì）數
|
序號（hào） |
焊接方法 |
接頭形式 |
焊縫型式 |
檢驗（yàn）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 |
直線或螺旋（xuán）形（xíng） |
按標準（zhǔn）要求 |
0.85 |
|
3 |
電弧焊 |
單麵對（duì）焊 |
直線或螺旋形 |
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，根據預定的設計壽命（mìng），就很容易算出其應取（qǔ）的腐蝕餘量了。
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（yù）時間、斷裂因子的擴展期等影（yǐng）響因素有關，
c. 與壓（yā）力管（guǎn）道的一次性（xìng）投資、資金代（dài）嚐期和技術更新周期有關。
d. 美國（guó）一雜誌上（shàng）推薦的設計使用壽命為:碳鋼為5年；鉻鉬鋼和不鏽鋼為10年。
SH3059標準規（guī）定的設計（jì）壽（shòu）命（mìng）為15年。
國外的一些工程公司對（duì）總承包項目規定一般為10年；非總包項目一般（bān）為15年，以便從（cóng）中獲取較大的利潤。
5.4 常用壓力管道器（qì）材的設計標準（zhǔn）
1) GB50316-2000《工業金屬管（guǎn）道設計規範》；
2) GB50251-94 《輸（shū）氣管道工程設計規範》；
3) GB50253-94 《輸油管道工程設計規範》；
4) GB50028-93 《城鎮燃（rán）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 《石油化工管道設計器材（cái）選用通則》；
7) SH3064-1994 《石油化（huà）工鋼製通用閥門選用、檢驗及驗收》；
8) HG/T20646 《化工裝置管（guǎn）道材料設計規（guī）定》。 |