文章轉載自“通用機械”微信公眾號，如有侵權請聯系刪除！
管道的壓力等級是指管道系統中能夠承受的最大工作壓力等級，該等級通常由以下因素決定：管道所運輸的介質、管道本身的材料和制造工藝。其主要目的是確保管道系統能夠安全、可靠地運行，并且不對生產或環境造成損害。
壓力等級的確定是壓力管道設計的核心，也是布置和應力校核的前提條件，以及影響壓力管道基建投資和管道可靠性的重要因素。管道的壓力等級包括2個方面：標準管件的公稱壓力等級(以公稱壓力表示)和壁厚等級(以壁厚等級表示)。通常，管道的壓力等級是標準管件的公稱壓力等級和壁厚等級共同決定的參數。
在確定管道的壓力等級時，需要考慮以下方面：管道所輸送介質的性質(如流量、密度、粘度、溫度、壓力等參數)，管道本身的材料和工藝(如管道的材質、內部涂層、制造標準等)、管道系統所需承受的外部壓力或荷載(如地震、風荷載、支架荷載等)以及確定所需的安全系數和使用壽命(如使用年限、應力、疲勞、裂紋等)。根據這些指標和實際工程需求，可以進行系統的計算和分析，以確定管道所需的壓力等級。同時，還需要考慮國家相關標準和法規的規定，以及現場實際情況和安全要求等。
一、管道壓力等級的確定
工程上，工藝操作參數不宜直接作為壓力管道的設計條件，要考慮工藝操作的波動、相連設備的影響、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作為設計條件。這里所說的設計條件主要是指設計壓力和設計溫度。
1.1設計壓力的確定
管道的設計壓力：應不低于正常操作時，由內壓(或外壓)與溫度構成的最苛刻條件下的壓力。
最苛刻條件：是指導致管子及管道組成件最大壁厚或最高公稱壓力等級的條件。
考慮介質的靜液柱壓力等因素的影響，設計壓力一般應略高于由(或)外壓與溫度構成的最苛刻條件下的最高工作壓力。
管道設計壓力應該考慮最苛刻條件下的內外壓和溫度因素，為了安全起見，設計壓力一般要略高于最高工作壓力。
在確定設計壓力時，我們可以參考壓力容器的做法，使用增加裕度系數的方式，以確保操作方便和安全。
a.一般情況下管道元件的設計壓力確定一般情況下，采用在相應工作壓力的基礎上增加一個裕度系數。一般情況下管道元件的設計壓力確定
所有與設備或者壓力容器連接的管道，其設計壓力應不低于設備或容器的設計壓力，并滿足以下下要求：
b.管道中有安全泄壓裝置時，預示著該管道在運行過程中有出現超出其正常操作壓力的可能。設置安全泄壓裝置(如安全閥、爆破片等)的目的，就是在系統中出現超出其正常操作壓力的情況時，能將壓力自動釋放而使設備、管道等系統的硬件得到保護。此時管道的設計壓力應不低于安全泄放壓力與液柱靜壓力之和。
沒有設置安全泄壓裝置時，其設計壓力不應低于壓力源可能達到的最高壓力和靜液柱壓力之和。
無安全泄壓裝置的離心泵出口管道設計壓力，應取以下兩項較大值：
(1)離心泵正常吸入壓力加泵的出口額定壓差的1.2倍。
(2)離心泵的最大吸入壓力加泵的出口壓差
c.管道中有高揚程的泵，尤其是往復泵，在開始啟動的短時間內，往往會在第一道切斷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大的值。此時泵的出口管道，其設計壓力應取泵的最大封閉壓力值。
d.真空系統管道承受的壓力就是其外部的大氣壓力，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，其設計壓力應不低于所連設備的設計壓力。當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。
事實上，對于管道來說，其受力要比設備復雜，這是因為它除受介質載荷之外，還往往遭受到由于管道的熱脹冷縮而產生的管系力等。因此，管道的設計壓力一般應不低于設備的設計壓力。
1.2設計溫度的確定
管道的設計溫度:應不低于正常操作時，由內壓(或外壓)與溫度構成的最苛刻條件下的溫度。
最苛刻條件指導致管子及管道組成件最大壁厚、最高公稱壓力等級或最高材料等級的條件。
考慮環境、隔熱、操作穩定性等因素的影響，設計溫度應略高于由內壓(或外壓)與溫度構成的最苛刻條件下的最高工作溫度。
a.一般情況下為了操作上的方便，在此不妨也采用壓力容器的做法，在相應工作溫度的基礎上增加一個裕度系數(除法蘭和螺栓以外)作為元件的設計溫度。一般情況下管道元件的設計溫度確定
不同管道的設計溫度由以下要求確定:
1)、無隔熱層管道的設計溫度
SHA級的管道組成件，應當取介質溫度為設計溫度，如取其他溫度作為設計溫度時必須通過計算并通過實驗核實。
其余級別的管道及其組成件的設計溫度，當介質的溫度小于65度時取介質溫度，當介質溫度大于或等于65度時按下列原則選取：
管子、對焊管件、承插焊或對焊閥門及其他壁厚與管道相近的組成件設計溫度不一般高小于95%介質溫度。
法蘭、墊片的設計溫度不低于最高工作溫度的90%;螺栓、螺母的設計溫度應不低于最高工作溫度的80%。
2)、帶外隔熱層得管道應根據溫度條件對管材的作用后果的嚴重性取介質的最高最低工作溫度作為設計溫度。
b.對于夾套或外伴熱的管道當工藝介質溫度高于伴熱介質溫度時，其設計溫度按上表選取;當工藝介質溫度低于伴熱介質溫度時，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.安全泄壓管道取排放時可能出現的最高或最低溫度為設計溫度;
d.采用蒸汽吹掃的管道當介質溫度高于吹掃蒸汽的溫度時，則按介質溫度根據上表確定其設計溫度。當介質溫度低于吹掃蒸汽溫度時，應視具體情況而定。例如，按介質溫度選取的管道及其元件不能承受吹掃介質的條件時，應適當提高等級以適應吹掃介質條件。
e.臨氫管道，在查Nelson曲線時，應取設計溫度再加30～50℃作為查曲線的溫度參數值。這是因為Nelson曲線為統計值，在鄰近曲線下方選材時而出現氫損傷的實例也曾發生過;
f.多種工況下工作的管道同一根管道，如果在兩種或兩種以上工況條件下工作時，其設計溫度應取與內壓(或外壓)構成的最苛刻條件下的最高工作溫度，并對其它工況進行校核。
g.帶襯里的管道，其金屬部分的管道設計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.在進行有彈簧支架的管系應力計算時，宜取介質的正常工作溫度作為計算參數。
二、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確定管道壓力等級的基本參數外，還有一些其他因素會影響到管道壓力等級的確定。其中，應用標準體系、材料、介質和操作條件都是重要因素。
2.1應用標準體系的選擇
由于不同的標準體系下公稱壓力等級系列不同，對應的溫度-壓力表也不同。因此，即便在相同的設計條件下，如果選用不同的應用標準，其公稱壓力等級也可能存在差異。因此，在確定管道的公稱壓力等級之前，需要先明確所采用的應用標準體系。
2.2管道系統所使用的材料
不同材料的機械性能是有差異的，因此它們在標準溫度-壓力表上的對應值也會有所不同。在確定管道的公稱壓力前，需要優先考慮管道及其元件的材料選擇，因為材料的選用要依據設計溫度、設計壓力以及操作介質來進行。
通常情況下，管道的不同元件所采用的材料標準也不相同。例如，管子一般使用管材，法蘭則多采用鍛材，而閥門則多數采用鑄材。
無論所采用的材料標準是什么，它們應該具備同等級的材料特性，即適應相同的操作條件和具有相同的強度;此外還需注意管材、板材、棒材以及鑄材之間的匹配。
法蘭壓力-溫度等級是指法蘭在不同工作溫度下所能承受的最高無沖擊工作壓力或最大允許工作壓力。它與法蘭材料及其高溫機械性能、法蘭所采用的計算方法等諸因素密切相關。根據法蘭在不同工作溫度下的最高無沖擊工作壓力，合理選擇法蘭及法蘭附件的公稱壓力以達到和各附件相互協調，確保管道附件安全可靠地在管道裝置中運行。如果法蘭接頭的螺栓和墊片符合相關限定條件，而且法蘭接頭的找正和裝配符合優良規程，則這樣的法蘭接頭可適用于壓力-溫度的額定值。如將額定值用于不符合這些限定條件的法蘭接頭，則由用戶負責。
相應于額定壓力的額定溫度是指法蘭和法蘭管件的承壓容器的殼體溫度。一般情況下，這個溫度與儲存流體的溫度相同。不按儲存流體溫度來選用壓力額定值的責任由用戶自負。當溫度在-29℃(-20℉)以下時，選用的壓力額定值應不大于-29℃(-20℉)時的額定值。
壓力-溫度選用表中給出的各種材料的壓力-溫度等級是指在所示工作溫度下的最高無沖擊工作壓力(以表壓計);對于中間溫度的壓力，允許用線性插值法計算。
工作溫度系指在壓力作用下法蘭金屬的溫度。工作溫度低于20℃時，法蘭的最高無沖擊工作壓力值與20℃時相同。對于鐵素體鋼，100℃時的最高無沖擊工作壓力值可使用至120℃;奧氏體不銹鋼20℃時的最高無沖擊工作壓力值可使用至50℃。
壓力-溫度等級用于法蘭連接時，應考慮到由于管道連接中產生的力和力矩而引起的泄漏的危險。因此，在溫度變化急劇和熱循環工況下，溫度高于260℃時，建議不使用螺紋法蘭。
2.3操作介質的特性
一般情況下，管道的公稱壓力應在對應溫度下的許用壓力范圍內，不得超出其設計壓力。
對于會因管子及其元件失效而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，不能只按照溫度-壓力表來確定，而應適當提高其公稱壓力等級，即提高其安全可靠系數。SH3059、SYJ1064標準都有詳細規定，例如：
運輸劇毒介質的管道，無論介質的操作壓力是多少，其公稱壓力等級應不低于PN5.0MPa(SH標準體系)或PN4.0(JB標準體系);
運輸氫氣、氨氣、液態烴等介質的管道，其最低公稱壓力等級應不低于PN2.0MPa(SH標準體系)或PN2.5MPa(JB標準體系);
運輸一般可燃介質的管道，其公稱壓力等級應不低于PN2.0MPa(SH標準體系)或PN1.6MPa(JB標準體系)。
2.4介質操作溫度及管系附加力
許多法蘭標準都注明，其溫度-壓力表對應值是指法蘭未受沖擊載荷時的對應值。實際上，外部管道施加在法蘭上的彎曲、振動、溫度循環等載荷，都會影響其密封性和可靠性強度。因此，在確定管道所需的公稱壓力時，應將這些外部載荷轉化為當量介質壓力。
管系的熱脹冷縮常會引起法蘭的彎曲載荷。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。
當工作溫度接近材料蠕變溫度時，法蘭連接處會逐漸松弛，從而持續降低螺栓載荷，進而影響連接緊密性。因此，有必要定期擰緊螺栓以防止泄漏。
工作溫度高于表列溫度而缺乏確切(額定)數值時，可根據使用經驗或計算，由設計者自行確定。
采用表列以外的材料時，法蘭的最高無沖擊工作壓力可根據材枓許用應力相當的原則，參照表列材料予以確定，但不得大于公稱壓力。
三、影晌壁厚等級確定的因素
3.1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。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，常將管道元件中的應力限制在各強度指標下某一值，該數值即為許用應力。當管道元件中的應力超過其許用應力值時，就認為其強度已不能得到保證。
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，選取材料的許用應力值是不同的。對壓力管道來說，國內的設計標準是按GB150鋼制壓力容器確定的許用應力值，ASTM材料則是取按ANSIB31.3ProcessPiping標準確定的許用應力值。
3.2腐蝕余量的取值
腐蝕余量是管道壁厚減薄后增加的值，是考慮介質對管道腐蝕所需的。該值直接影響到管道壁厚取值，或者說影響到壁厚等級的確定。目前我國尚未建立涵蓋各種腐蝕介質在不同條件下對各種材料腐蝕速率數據的體系。
因此，在工程中通常仍然按照經驗來確定腐蝕余量。國內外許多工程公司或設計院通常將腐蝕余量分為四級：
a.無腐蝕余量，即腐蝕余量為0。一般情況下適用于不銹鋼管道;
b.1.6mm腐蝕余量。對于腐蝕情況不嚴重的碳素鋼和鉻鉬鋼管道通常選擇該值;
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數情況下采用該值;
d.加強級(大于3.2mm)腐蝕余量。對于存在固體顆粒沖刷等特殊情況的管道，需要根據實際情況確定其具體的腐蝕余量。
3.3管子及其元件的制造壁厚偏差
在制造管子及其元件過程中，相對于公稱壁厚(或理論壁厚)，通常會存在正、負偏差。因此，在確定管子及其元件公稱壁厚時一定要考慮到負偏差值的可能性。
各種鋼管標準中規定的負偏差值是不完全相同的，GB/T8163流體輸送用無縫鋼管、GB/T14976流體輸送用不銹鋼無縫鋼管規定的壁厚偏差值如下：常用標準的壁厚偏差值
3.4焊縫系數
金屬的焊接過程實質上是金屬冶金變形過程的一種，因此其組織具有明顯的鑄造組織特征。通常情況下，鑄造組織缺陷較多，對材料性能的影響也比較大。
對于存在縱向焊縫和螺旋焊縫的焊接管子及其元件而言，相對于無縫管及其元件，通常會將其機械性能下降的程度用一個強度降低系數(即焊縫系數)來衡量。在工程上，焊縫系數的取值可參考下表：
焊接鋼管的焊縫系數
3.5設計壽命的選擇
a.在考慮壓力管道的腐蝕余量時，針對均勻腐蝕情況，如果知道其年腐蝕速率，就可以根據預定的設計壽命，輕松計算出應當采取的腐蝕余量。
b.在考慮交變應力引起的荷載變化次數、氫損傷的孕育時間以及斷裂因子的擴展周期等因素時，需要綜合考慮這些因素的影響。
c.在考慮壓力管道的一次性投資、資金代價期和技術更新周期時，需要間接考慮這些經濟因素與當地社會經濟發展水平的相關性。
d.國外雜志推薦不同材料管道的設計使用壽命為：碳鋼為5年，鉻鉬鋼和不銹鋼為10年。而按照SH3059標準規定，管道的設計壽命為15年。在國外，一些工程公司總承包項目的設計壽命通常為10年，而非總承包項目則為15年。
3.6介質對材料選用的影響舉例：
1)介質的易燃、易爆對材料選用的影響GB50160給出的定義、危害性,風險控制級別,質量要求。如石油液化氣(比空氣重,爆炸下限低,遇明火爆炸而不就是燃燒)。
2)介質的毒性對選材的影響GB5044給出的定義,危害性,質量要求。事故事例：重慶氣田的硫化氫介質泄漏。
3)介質的腐蝕性對選材的影響對工業生產裝置來說,有近半數的管子選材取決于介質的腐蝕性、腐蝕對材料選擇影響的復雜性,可作為專題。
舉例:氫氣、硫化物、石油酸、堿介質、各種無機酸、含氯離子、尿素介質環境下的材料選用。
4)潔凈要求對材料選用的影響
舉例：食品管道，醫藥管道，粉料輸送管道。
5)帶固體顆粒的介質對材料選用的影響磨蝕舉例：SECCO苯乙烯一條含固體顆粒的管道。
6)其它方面的影響舉例：高壓氧氣管道。
四、常用壓力管道器材的設計標準
以下列舉的為常見設計標準：
1)GB50316-2008工業金屬管道設計規范
2)GB50251-2015輸氣管道工程設計規范；
3)GB50253-2014輸油管道工程設計規范；
4)GB50028-2016城鎮燃氣設計規范；
5)GB50030-2013氧氣站設計規范；
6)SH3059-2012石油化工管道設計器材選用通則；
7)SH3064-2003石油化工鋼制通用閥門選用、檢驗及驗收;
8)HG/T20646化工裝置管道材料設計規定。
您當前的位置：