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影響管道壓力等級(jí)確定的因素_滄州五森管道有限公司
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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。前文已經(jīng)講到，管道的壓力等級(jí)包括公稱(chēng)壓力等級(jí)和壁厚等級(jí)兩部分，而對(duì)它們的影響因素也不盡相同，故下面將分開(kāi)介紹。

    一、影響公稱(chēng)壓力等級(jí)確定的因素
    1、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系
如第二章所述，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的管道標(biāo)準(zhǔn)體系有多個(gè)，而不同的標(biāo)準(zhǔn)體系，其公稱(chēng)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(shuō)，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(chēng)壓力等級(jí)是不同的。因此，在確定管道公稱(chēng)壓力等級(jí)之前，應(yīng)首先確定其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系。
在第二章第三節(jié)中已經(jīng)講道，有時(shí)在同一裝置甚至同一管道中，可能會(huì)同時(shí)采用兩種或多種應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)同一管道中采用了兩種或多種公稱(chēng)壓力相同但應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)不同的管道元件時(shí)，應(yīng)注意它們的溫度－壓力值的差別，并應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)條件逐個(gè)核對(duì)其溫度－壓力值，并使各標(biāo)準(zhǔn)的溫度－壓力值均能得到滿(mǎn)足。這類(lèi)問(wèn)題時(shí)常出現(xiàn)在SH法蘭與API閥門(mén)、GB法蘭與JB法蘭的配接中。
2、材料
從第三章中已經(jīng)了解到，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)值是不相同的，因此在確定管道的公稱(chēng)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。但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(mén)多用鑄材。無(wú)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。很多標(biāo)準(zhǔn)中如ANSI B16.5、ANSI B16.34都給出了管材、鍛材、板材、棒材、鑄材的配伍表，但SH3406和GB法蘭沒(méi)有相應(yīng)的配伍表，因此使用時(shí)應(yīng)注意法蘭和閥門(mén)的材質(zhì)配伍以及它們的溫度－壓力值的一致性。同時(shí)要注意，在一些標(biāo)準(zhǔn)中，如ANSI B16.34標(biāo)準(zhǔn)，都給出了一些材料的應(yīng)用限制，設(shè)計(jì)選用時(shí)應(yīng)注意這些限制。
3、操作介質(zhì)
一般情況下，管道的公稱(chēng)壓力在對(duì)應(yīng)溫度下的許用壓力值不得超出其設(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(chēng)壓力等級(jí)時(shí)，不應(yīng)僅僅按溫度－壓力表來(lái)確定，應(yīng)適當(dāng)提高其公稱(chēng)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(wú)論介質(zhì)的操作壓力是多少，其公稱(chēng)壓力等級(jí)最低應(yīng)不低于PN5.0MPa，當(dāng)采用JB標(biāo)準(zhǔn)體系時(shí)，應(yīng)不低于PN4.0MPa；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(wú)論介質(zhì)的操作壓力是多少，其最低公稱(chēng)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(chēng)壓力等級(jí)最低應(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。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?zhuān)浩錅囟龋瓑毫Ρ淼膶?duì)應(yīng)值是指法蘭不受沖擊荷載的對(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)，都將影響其密封性能，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(lái)確定管道所需的公稱(chēng)壓力（詳見(jiàn)本章第三節(jié)所述）。管道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)考慮或核算管系對(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(chēng)壓力等級(jí)。
二、影響壁厚等級(jí)確定的因素
    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。在第三章中已經(jīng)了解到，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)分別反映了材料在不同狀態(tài)下失效的極限值。為了保證管道運(yùn)行中的強(qiáng)度可靠性，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)值一般由各強(qiáng)度指標(biāo)除以一個(gè)大于等于的系數(shù)得到，并稱(chēng)之為許用應(yīng)力，這里的系數(shù)被稱(chēng)為安全系數(shù)。當(dāng)管道元件中的應(yīng)力超過(guò)其許用應(yīng)力值時(shí)，管件的強(qiáng)度將難以保證。因此說(shuō)，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)，采用的安全系數(shù)是不同的，也就是說(shuō)選取的許用應(yīng)力值是不同的。對(duì)壓力管道來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一般是取按GB150《鋼制壓力容器》規(guī)范確定的許用應(yīng)力值，而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。
為了便于材料工程師查閱，在這里給出幾個(gè)常用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的許用應(yīng)力確定方法。
ANSI B31.3規(guī)定：計(jì)算管子強(qiáng)度時(shí)的許用應(yīng)力值不應(yīng)超過(guò)下列中的最小值（不包括螺栓的許用應(yīng)力值）：
1. 室溫下規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度的1/3；
b、該溫度下的抗拉強(qiáng)度的1/3；
c、室溫下規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度的2/3；
d、該溫度下屈服強(qiáng)度的2/3。但對(duì)奧氏體不銹鋼和某些鎳鋼除外，它們可以達(dá)到該溫度下屈服極限的90%，但不能大于室溫下規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度的2/3；
e、每1000小時(shí)蠕變率為0.01%的平均應(yīng)力的100%；
f、每100000小時(shí)終了時(shí)的平均斷裂應(yīng)力的67%；
g、每100000小時(shí)終了時(shí)的最小斷裂應(yīng)力的80%；
計(jì)算螺栓強(qiáng)度時(shí)的許用應(yīng)力值不應(yīng)超過(guò)下列中的最小值：
1. 室溫下規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度的1/4；
b、該溫度下的抗拉強(qiáng)度的1/4；
c、室溫下規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度的2/3；
d、該溫度下屈服強(qiáng)度的2/3；
e、每1000小時(shí)蠕變率為0.01%的平均應(yīng)力的100%；
f、每100000小時(shí)終了時(shí)的平均斷裂應(yīng)力的67%；
g、每100000小時(shí)終了時(shí)的最小斷裂應(yīng)力的80%；
GB150標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的管材許用應(yīng)力按表4-3選取。
 
表4-3  鋼材（螺栓材料除外）的許用應(yīng)力
材料
許用應(yīng)力取下列各值中的最小值，MPa
碳鋼、低合金鋼
σb /3.0、σs /1.6、σSt/1.6、σDt/1.5、σnt/1.0
高合金鋼
σb /3.0、σs(σ0.2) /1.5、σSt(σt0.2)/1.5、σDt/1.5、σnt/1.0
對(duì)奧氏體高合金鋼鋼制受壓元件，當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于蠕變溫度范圍，且允許有微量的永久變形時(shí)，可適當(dāng)提高許用應(yīng)力至0.9σSt(σt0.2)，但不得超過(guò)σs(σ0.2)/1.5。此規(guī)定不適用于法蘭或其它有微量永久變形就產(chǎn)生泄漏或故障的場(chǎng)合。
 
螺栓材料的許用應(yīng)力按表4-4選?。?/span>
表4-4  螺栓材料的許用應(yīng)力
材  料
螺栓直徑
熱處理狀態(tài)
許用應(yīng)力取下列各值中的最小值，
 
mm
 
MPa
碳鋼
£M22
熱軋、正火
σSt/2.7
 
 
M24~M48
 
σSt/2.5
 
低合金鋼
£M22
 
σSt(σt0.2)/3.5
 
馬氏體高合金鋼
M24~M48
調(diào)質(zhì)
σSt(σt0.2)/3.0
σDt/1.5
 
³M52
 
σSt(σt0.2)/2.7
 
奧氏體高合金鋼
£M22
固溶
σSt(σt0.2)/1.6
 
 
M24~M48
 
σSt(σt0.2)/1.5
 
表中：σb……材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值，MPa；
      σs(σ0.2)……材料標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服點(diǎn)（或材料發(fā)生0.2％屈服變形時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值），MPa；
      σSt(σt0.2)……材料在設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn)（或材料在設(shè)計(jì)溫度下發(fā)生0.2％屈服變形時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值），MPa；
      σDt……材料在設(shè)計(jì)溫度下經(jīng)歷10萬(wàn)小時(shí)斷裂的持久強(qiáng)度的平均值，MPa；
      σntt……材料在設(shè)計(jì)溫度下經(jīng)歷10萬(wàn)小時(shí)蠕變率為1％的蠕變極限，MPa。
ANSI B31.4則規(guī)定許用應(yīng)力為最小屈服點(diǎn)的72%。
ANSI B31.1與ANSI B31.3的規(guī)定相近（略）。
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(shuō)直接影響到壁厚等級(jí)的確定。腐蝕余量一般是根據(jù)介質(zhì)對(duì)管道材料的腐蝕性和管道的設(shè)計(jì)壽命確定的。但是，目前工程上比較難做到的是，大多數(shù)腐蝕環(huán)境對(duì)金屬材料的年腐蝕量難以確定。第三章中已經(jīng)講到，目前我國(guó)尚沒(méi)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(lái)確定其腐蝕余量的。為了簡(jiǎn)化計(jì)算數(shù)據(jù)，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(wú)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管道多取該值；
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3.2mm）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。
3、管子及其元件的制造壁厚偏差
管子及其元件在制造過(guò)程中，相對(duì)于其公稱(chēng)壁厚（或者說(shuō)是理論壁厚）都會(huì)有正、負(fù)偏差，因此在確定管子及其元件公稱(chēng)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)定的偏差值是不完全相同的，GB8163《流體輸送用無(wú)縫鋼管》和GB13296《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》規(guī)定的壁厚偏差值見(jiàn)表4-5。
表4-5  常用標(biāo)準(zhǔn)的鋼管壁厚偏差值
 材     料
壁  厚  （mm）
偏差值  （%）
GB8163《流體輸送用無(wú)縫鋼管》
≤20
 
+15
－10
GB13296《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》
<15
³15
+15，－12.5
+20，－15
 
4、焊縫系數(shù)
金屬的焊接過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)冶金過(guò)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，有關(guān)這方面的知識(shí)將在第九章和第十章中介紹。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(wú)縫管子及其元件來(lái)說(shuō)，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。機(jī)械性能下降的多少取決于焊縫中存在缺陷的多少，通常用無(wú)損探傷（主要是射線探傷RT）來(lái)檢查焊縫缺陷，并以射線探傷檢查的多少來(lái)衡量機(jī)械性能下降的程度。設(shè)定無(wú)縫鋼管的焊縫系數(shù)為1，那么不同的焊接型式、不同的射線探傷比例，其焊縫系數(shù)的取值見(jiàn)表4-6。
表4-6  焊接鋼管的焊縫系數(shù)
序 號(hào)
焊接方法
接頭型式
焊縫型式
檢驗(yàn)型式
焊縫系數(shù)
1
鍛焊（爐焊）
對(duì)  焊
直線
按標(biāo)準(zhǔn)要求
0.6
2
電阻焊
對(duì)  焊
直線或螺旋形
按標(biāo)準(zhǔn)要求
0.85
 
 
3
 
 
電弧焊
 
單面對(duì)焊
 
直線或螺旋形
無(wú)RT
10%RT
100%RT
0.8
0.9
1.0
 
 
 
雙面對(duì)焊
 
直線或螺旋形
無(wú)RT
10%RT
100%RT
0.85
0.9
1.0
 
    5、鑄造質(zhì)量系數(shù)
    同焊縫一樣，相對(duì)于軋制或鍛制的管子元件來(lái)說(shuō)，鑄件存在的缺陷相對(duì)較多，使得其機(jī)械性能有所下降。在ANSI B31.3中，為了衡量鑄件機(jī)械性能下降的程度，用鑄造質(zhì)量系數(shù)來(lái)表示。鑄造質(zhì)量系數(shù)同樣與無(wú)損探傷的檢驗(yàn)數(shù)量有關(guān)。一般情況下，符合材料基本要求且根據(jù)MSS SP－55的規(guī)定已經(jīng)過(guò)肉眼檢驗(yàn)的靜態(tài)鑄件，可取其基本鑄造質(zhì)量系數(shù)為0.8，對(duì)每一鑄件進(jìn)行補(bǔ)充檢驗(yàn)后可以按表4-7的要求提高。值得一提的是，鑄件用作壓力管道及其元件的情況并不多，僅大直徑（DN³50）閥門(mén)的閥體常采用鑄件，但閥門(mén)閥體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)一般由制造商進(jìn)行，而且多數(shù)閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)給出了最小壁厚要求，故實(shí)際的壓力管道設(shè)計(jì)中很少用到鑄造質(zhì)量系數(shù)這個(gè)概念。
 
表4-7   鑄造質(zhì)量系數(shù)
檢     驗(yàn)     項(xiàng)     目
鑄造質(zhì)量系數(shù)
    1、根據(jù)ANSI B46.1規(guī)定，對(duì)所有表面進(jìn)行機(jī)加工，表面機(jī)加工精度為250微英寸，以增加表面檢查效果
0.85
    2a、對(duì)于碳素鋼和鉻鉬鋼鑄件，按ASTM E709或E138標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行磁粉探傷（MT），并按ASTM E125的參照照片判定合格；
0.85
    2b、對(duì)于不銹鋼鑄件，按ASTM E165標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行液體滲透探傷（PT），并按ASTM E125的參照照片判定合格
0.85
    3a、對(duì)每個(gè)鑄件，按ASTM E114標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面超聲波探傷（UT），并確定缺陷深度不超過(guò)公稱(chēng)壁厚的5%時(shí)；
0.95
    3b、對(duì)每個(gè)鑄件，按ASTM E142標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面的射線探傷（RT），并確定符合ASTM E446、E186、E280標(biāo)準(zhǔn)II級(jí)合格時(shí) 
0.95
    滿(mǎn)足1和2a、2b時(shí)
0.9
    滿(mǎn)足1和3a、3b時(shí)
1.0
    滿(mǎn)足2a、2b和3a、3b時(shí)
1.0
    滿(mǎn)足MSS SP-55標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)
0.8
 
    ANSI B31.3規(guī)定，用于劇烈操作條件下及工藝介質(zhì)管道上的焊接和鑄造管件，其焊接質(zhì)量系數(shù)和鑄造質(zhì)量系數(shù)均不得低于0.9。
    6、設(shè)計(jì)壽命
    前面已經(jīng)提到，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(lái)說(shuō)，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。除此之外，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)，同時(shí)又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)。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)定的使用壽命為（10～15）年。國(guó)外的一些工程公司對(duì)總承包項(xiàng)目和非總承包項(xiàng)目分別規(guī)定了不同的設(shè)計(jì)壽命，前者一般為10年，后者一般為15年，以便從中獲取較大的利潤(rùn)。
  思考題：
  1、影響管道公稱(chēng)壓力等級(jí)確定的因素有那些？
  2、介質(zhì)性質(zhì)是如何影響管道公稱(chēng)壓力等級(jí)的？
  3、影響管道壁厚等級(jí)確定的因素有那些？
  4、我國(guó)管道材料的許用應(yīng)力是如何確定的？
  5、焊接管子的焊縫系數(shù)如何選??？
  6、SH3059規(guī)定的管道設(shè)計(jì)壽命是多少？

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