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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外，還有一些其它因素也將影響到管道壓力等級的確定。前文已經講到，管道的壓力等級包括公稱壓力等級和壁厚等級兩部分，而對它們的影響因素也不盡相同，故下面將分開介紹。

一、影響公稱壓力等級確定的因素

1、應用標準體系

如第二章所述，目前國內外應用的管道標準體系有多個，而不同的標準體系，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。

在第二章第三節中已經講道，有時在同一裝置甚至同一管道中，可能會同時采用兩種或多種應用標準體系的標準。當同一管道中采用了兩種或多種公稱壓力相同但應用標準不同的管道元件時，應注意它們的溫度－壓力值的差別，并應根據設計條件逐個核對其溫度－壓力值，并使各標準的溫度－壓力值均能得到滿足。這類問題時常出現在SH法蘭與API閥門、GB法蘭與JB法蘭的配接中。

2、材料

從第三章中已經了解到，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確定的。但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。很多標準中如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法蘭沒有相應的配伍表，因此使用時應注意法蘭和閥門的材質配伍以及它們的溫度－壓力值的一致性。同時要注意，在一些標準中，如ANSI B16.34標準，都給出了一些材料的應用限制，設計選用時應注意這些限制。

3、操作介質

一般情況下，管道的公稱壓力在對應溫度下的許用壓力值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生重大事故的介質，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。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SH標準體系時，無論介質的操作壓力是多少，其公稱壓力等級最低應不低于PN5.0MPa，當采用JB標準體系時，應不低于PN4.0MPa；對輸送氫氣、氨氣、液態烴等介質的管道，當采用SH標準體系時，無論介質的操作壓力是多少，其最低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PN2.5MPa；對輸送一般可燃介質的管道，當采用SH標準體系時，其公稱壓力等級最低應不低于PN2.0MPa，當采用JB標準體系時，應不低于PN1.6MPa。4、介質溫度及管系附加力

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荷載的對應值。事實上，法蘭遭受外部管道給予的彎曲、振動、溫度循環等附加載荷時，都將影響其密封性能，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壓力來確定管道所需的公稱壓力（詳見本章第三節所述）。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，均應考慮或核算管系對法蘭產生的附加載荷的影響，否則應提高管系的公稱壓力等級。

二、影響壁厚等級確定的因素

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而得到的值。在第三章中已經了解到，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材料在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性，常將管道元件中的應力限制在各強度指標下某一值，該數值一般由各強度指標除以一個大于等于的系數得到，并稱之為許用應力，這里的系數被稱為安全系數。當管道元件中的應力超過其許用應力值時，管件的強度將難以保證。因此說，材料的許用應力是確定管道壁厚等級的基本參數。

不同的設計標準，采用的安全系數是不同的，也就是說選取的許用應力值是不同的。對壓力管道來說，國內的設計標準一般是取按GB150《鋼制壓力容器》規范確定的許用應力值，而ASTM材料則是取按ANSI B31.3《 Process Piping》標準確定的許用應力值。

為了便于材料工程師查閱，在這里給出幾個常用設計標準的許用應力確定方法。

ANSI B31.3規定：計算管子強度時的許用應力值不應超過下列中的最小值（不包括螺栓的許用應力值）：

1. 室溫下規定的最小抗拉強度的1/3；

b、該溫度下的抗拉強度的1/3；

c、室溫下規定的最小屈服強度的2/3；

d、該溫度下屈服強度的2/3。但對奧氏體不銹鋼和某些鎳鋼除外，它們可以達到該溫度下屈服極限的90%，但不能大于室溫下規定的最小屈服強度的2/3；

e、每1000小時蠕變率為0.01%的平均應力的100%；

f、每100000小時終了時的平均斷裂應力的67%；

g、每100000小時終了時的最小斷裂應力的80%；

計算螺栓強度時的許用應力值不應超過下列中的最小值：

1. 室溫下規定的最小抗拉強度的1/4；

b、該溫度下的抗拉強度的1/4；

c、室溫下規定的最小屈服強度的2/3；

d、該溫度下屈服強度的2/3；

e、每1000小時蠕變率為0.01%的平均應力的100%；

f、每100000小時終了時的平均斷裂應力的67%；

g、每100000小時終了時的最小斷裂應力的80%；

GB150標準規定的管材許用應力按表4-3選取。

表4-3 鋼材（螺栓材料除外）的許用應力

材料	許用應力取下列各值中的最小值，MPa
碳鋼、低合金鋼	σ_b/3.0、σ_s/1.6、σ_S^t/1.6、σ_D^t/1.5、σ_n^t/1.0
高合金鋼	σ_b/3.0、σ_s(σ_0.2)/1.5、σ_S^t(σ^t_0.2)/1.5、σ_D^t/1.5、σ_n^t/1.0
對奧氏體高合金鋼鋼制受壓元件，當設計溫度低于蠕變溫度范圍，且允許有微量的永久變形時，可適當提高許用應力至0.9σ_S^t(σ^t_0.2)，但不得超過σ_s(σ_0.2)/1.5。此規定不適用于法蘭或其它有微量永久變形就產生泄漏或故障的場合。

螺栓材料的許用應力按表4-4選取：

表4-4 螺栓材料的許用應力

材料	螺栓直徑	熱處理狀態	許用應力取下列各值中的最小值，
	mm		MPa
碳鋼	£M22	熱軋、正火	σ_S^t/2.7
	M24~M48		σ_S^t/2.5
低合金鋼	£M22		σ_S^t(σ^t_0.2)/3.5
馬氏體高合金鋼	M24~M48	調質	σ_S^t(σ^t_0.2)/3.0	σ_D^t/1.5
	³M52		σ_S^t(σ^t_0.2)/2.7
奧氏體高合金鋼	£M22	固溶	σ_S^t(σ^t_0.2)/1.6
	M24~M48		σ_S^t(σ^t_0.2)/1.5

表中：σ_b……材料標準抗拉強度下限值，MPa；

σ_s(σ_0.2)……材料標準常溫屈服點（或材料發生0.2％屈服變形時對應的強度值），MPa；

σ_S^t(σ^t_0.2)……材料在設計溫度下的屈服點（或材料在設計溫度下發生0.2％屈服變形時對應的強度值），MPa；

σ_D^t……材料在設計溫度下經歷10萬小時斷裂的持久強度的平均值，MPa；

σ_n^tt……材料在設計溫度下經歷10萬小時蠕變率為1％的蠕變極限，MPa。

ANSI B31.4則規定許用應力為最小屈服點的72%。

ANSI B31.1與ANSI B31.3的規定相近（略）。

2、腐蝕余量

腐蝕余量是考慮因介質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。腐蝕余量一般是根據介質對管道材料的腐蝕性和管道的設計壽命確定的。但是，目前工程上比較難做到的是，大多數腐蝕環境對金屬材料的年腐蝕量難以確定。第三章中已經講到，目前我國尚沒有一套有關各種腐蝕介質在不同條件下對各種材料的腐蝕速率數據，因此，工程上大多數情況下仍是憑經驗來確定其腐蝕余量的。為了簡化計算數據，許多國內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管道多取該值；

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3.2mm）腐蝕余量。對于有固體顆粒沖刷等特殊情況下的管道，根據實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程中，相對于其公稱壁厚（或者說是理論壁厚）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的負偏差值。各種鋼管標準中規定的偏差值是不完全相同的，GB8163《流體輸送用無縫鋼管》和GB13296《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》規定的壁厚偏差值見表4-5。

表4-5 常用標準的鋼管壁厚偏差值

材料	壁厚（mm）	偏差值（%）
GB8163《流體輸送用無縫鋼管》	≤20	+15 －10
GB13296《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》	<15 ³15	+15，－12.5 +20，－15

4、焊縫系數

金屬的焊接過程，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，鑄造組織缺陷較多，材料性能也有所下降，有關這方面的知識將在第九章和第十章中介紹。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（即焊縫系數），以衡量其機械性能下降的程度。機械性能下降的多少取決于焊縫中存在缺陷的多少，通常用無損探傷（主要是射線探傷RT）來檢查焊縫缺陷，并以射線探傷檢查的多少來衡量機械性能下降的程度。設定無縫鋼管的焊縫系數為1，那么不同的焊接型式、不同的射線探傷比例，其焊縫系數的取值見表4-6。

表4-6 焊接鋼管的焊縫系數

序號	焊接方法	接頭型式	焊縫型式	檢驗型式	焊縫系數
1	鍛焊（爐焊）	對焊	直線	按標準要求	0.6
2	電阻焊	對焊	直線或螺旋形	按標準要求	0.85
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
		雙面對焊	直線或螺旋形	無RT 10%RT 100%RT	0.85 0.9 1.0

5、鑄造質量系數

同焊縫一樣，相對于軋制或鍛制的管子元件來說，鑄件存在的缺陷相對較多，使得其機械性能有所下降。在ANSI B31.3中，為了衡量鑄件機械性能下降的程度，用鑄造質量系數來表示。鑄造質量系數同樣與無損探傷的檢驗數量有關。一般情況下，符合材料基本要求且根據MSS SP－55的規定已經過肉眼檢驗的靜態鑄件，可取其基本鑄造質量系數為0.8，對每一鑄件進行補充檢驗后可以按表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）閥門的閥體常采用鑄件，但閥門閥體的強度設計一般由制造商進行，而且多數閥門標準已經給出了最小壁厚要求，故實際的壓力管道設計中很少用到鑄造質量系數這個概念。

表4-7 鑄造質量系數

檢驗項目	鑄造質量系數
1、根據ANSI B46.1規定，對所有表面進行機加工，表面機加工精度為250微英寸，以增加表面檢查效果	0.85
2a、對于碳素鋼和鉻鉬鋼鑄件，按ASTM E709或E138標準，進行磁粉探傷（MT），并按ASTM E125的參照照片判定合格；	0.85
2b、對于不銹鋼鑄件，按ASTM E165標準，進行液體滲透探傷（PT），并按ASTM E125的參照照片判定合格	0.85
3a、對每個鑄件，按ASTM E114標準進行全面超聲波探傷（UT），并確定缺陷深度不超過公稱壁厚的5%時；	0.95
3b、對每個鑄件，按ASTM E142標準進行全面的射線探傷（RT），并確定符合ASTM E446、E186、E280標準II級合格時	0.95
滿足1和2a、2b時	0.9
滿足1和3a、3b時	1.0
滿足2a、2b和3a、3b時	1.0
滿足MSS SP-55標準要求時	0.8

ANSI B31.3規定，用于劇烈操作條件下及工藝介質管道上的焊接和鑄造管件，其焊接質量系數和鑄造質量系數均不得低于0.9。

6、設計壽命

前面已經提到，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，根據預定的設計壽命，就很容易算出其應取的腐蝕余量了。除此之外，設計壽命還與交變應力作用的荷載變化次數、氫損傷的孕育時間、斷裂因子的擴展期等影響因素有關，同時又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。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標準規定的使用壽命為（10～15）年。國外的一些工程公司對總承包項目和非總承包項目分別規定了不同的設計壽命，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。

思考題：

1、影響管道公稱壓力等級確定的因素有那些？

2、介質性質是如何影響管道公稱壓力等級的？

3、影響管道壁厚等級確定的因素有那些？

4、我國管道材料的許用應力是如何確定的？

5、焊接管子的焊縫系數如何選取？

6、SH3059規定的管道設計壽命是多少？

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