钢管、法兰、管件选用方法
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应用科学 科20技10辜鳞4年第期 钢管、法兰、管件选用方法 王芸 (中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司,河北任丘062552) 摘要管道组成件多为按照公称压力、公称管径和壁厚系列划分的标准件,对钢管、法兰、管件的设计主要是对标准件的选用。目前存在 国内外多种标准体系,这些标准中的大部分随着近年技术的发展进行了修改,同时国内标准中大量引入了美国及欧洲标准的相关内容,与 以往的规定有了一定差异,因此在设计及选用时易产生混淆和错误。本文通过对国内外标准规范的分析和总结,澄清了易混淆的概念,提 出钢管壁厚、法兰压力等级和管件选用的推荐作法。 关键调压力等级;公称压力;压力一温度等级;许用应力;直管段壁厚;管表号 中圈分类号TU991.36 文献标识码A 文章编号1673—9671一(2010)022—0086—03 1同题的提出及研究目的 表2一般隋况下管道组成件设计温度的确定 为了简化管道器材规格,便于管道组成件的标准化,国内外均将各 最高或最低工作温度rr0(℃) 设计温度T(℃) 种管道组成件按压力和直径两个参数进行分级。在压力等级标准中规定 的分级压力称为公称压力,在管径系列标准中规定的分级直径称为公称 rn<—_20 垒德 蘑嚣 温度减o。 喊取 —直径。设计中采用的压力管道组成件一般都是标准件,因此压力管道组 2O<Tb≤l5 T= 一5(但最低仍高于—2o) 成件的设计主要是对标准件的选用。 15< Tb≤350 _Tw+加 在压力管道设计中,一般将管道组成件的公称压力等级和壁厚等级 To>350 T=Tw+(5—15) 共同确定能够反应管道承压特性的参数称为管道的压力等级。影响管 注:法兰、垫片的设计温度不低于最高工作温度的9o%;螺栓、螺 道组成件压力等级的因素主要是设计压力、设计温度、采用的标准体系 母的设计温度应不低于最高工作温度的80%。 (在不同的标准体系中,公称压力等级系列不同,对应的压力—温度等 2.3公称压力 级也不同)、组成件的材料类型及其压力—温度等级。管道组成件的允 管道组成件的公称压力是指与其机械强度有关的设计给定压力,它 许工作压力一般随温度的升高而降低,这种压力—温度关系称为压力一 通常表示管道组成件在规定的基准温度下的最大允许工作压力。随温度 温度等级(额定值),也就是公称压力对应的许用工作压力和工作温度 的升高,材料的许用应力下降,即允许工作压力也下降。 的参数值。 《管道元件公称压力》GB/T1048中规定的公称压力系列包括两种, 压力管道按类别不同,分为三类:长输管道(GA)、公用管道 一是DIN系列,包括PN2.5,6,10,16,25,40,63,100,其它非常 (GB)、工业管道(GC)。钢管、法兰、管件是长输管道和工业管道 用公称压力未列入其中;二是ANSI系列,包括PN20、PN50、PN110、 中最为常用的管道组成件。通过对国内外标准规范和相应研究资料的研 PN150、PN260、PN420。美国ASMEB16.5,ASMEB16.47中规定的公称压 究和对比,辨析其中的内容,在本文中将提出钢管、法兰和管件标准件 力等级包括:Class 150,300,600,900,1500,2500。 的选用方法及注意事项。 公称压力的基准温度国内外标准存在一定差异。在《钢制管法兰温 2关键名词定义及解析 度一压力等级》CB 9131中,以100℃材料的许用应力为基准,碳素钢、 首先要明确设计压力、设计温度和公称压力的定义及内涵。 低合金钢、锻钢法兰及阀门的公称压力在100%时允许工作压力和公称 2.1设计压力 压力相同。美国ASME B16.5、B16.47中l ̄2Class表示的公称压力等级是 设计压力是指进行管道组成件设计时,在计算和分析过程中所用的 高温压力等级,除Classl50是以260 ̄2为基准外,其他各级均以454.5℃ 压力。管道组成件的设计压力,不应低于正常操作过程中,由内(外) (850 ̄F)为基准。 压与温度构成的最苛刻条件(是指导致管道组成件最大壁厚或最高压力 3钢管壁厚等级选用分析 等级的条件)下的压力。一般设计压力可采用压力容器的作法来确定, 在石油行业的长输管道和工业管道类项目中,常用的设计规范包 即在相应工作压力的基础上增加一个裕度系数, 具体来说可认为设计压 括:《输气管道工程设计规范》GB 50251—2003;《输道工程设计规 力=最高操作压力+安全余量+压力设定值余量+操作压力不确定的余 范》CB 50253—2003;《油气集输设计规范》GB 50350-2005;《工业金 量。具体数值可参照《输气管道工程设计规范》GB52051中对安全阀定 属管道设计规范》GB50316-2000。 压的规定,见表1。在《钢制压力容器》GB150,《石油化工钢制压力容 在以上规范中,对于钢管设计壁厚的确定均采用公式计算,在公式 器》SH/T3074,《工业金属管道设计规范》GB50316等规范中也均有如 中反应管道压力、温度、材质等对钢管选用的影响。以上四个规范对 何确定设计压力值的说明。 于管道直管段钢管壁厚计算的规定基本相同,并且与《输气和配气管道 表1一般情况下管道组成件设计压力的确定 系统》ASME B31.8、《液态烃和其他液体管线输送系统》ASNE B31.4、 管道允许最大操作压力MAOP(MPa) 设计压力P(MPa) 《工艺管线》ASME B31-3中的规定也基本相同,都是采用第三强度理 MA0P≤1.8 P=MAOP+o.18 论。计算公式的基本模式如下: 1.8<MAOP≤7.5 P=I.1MA0P PD MAOP>7.5 P=I.O5MA0P 2l I 2.2设计温度 式中:8——直管段钢管计算壁厚(rain); 管道组成件的设计温度,不应低于正常操作过程中,由压力和温度 P——输送介质设计内压力(MPa); 构成的最苛刻条件下的温度。一般设计温度的确定也可采用压力容器的作 D——钢管外直径(mln); 法,即在相应最高工作温度(或最低工作温度)的基础上增加一个裕度系 [ ]——钢管的许用应力(NPa); 数。具体数值可参照《石油化工钢制压力容器》SH/13074-,见表2。 c——管道腐蚀裕量(Ilktn)。 L 科技与生活 201o年第4期 应用科学 87 钢管的许用应力是由材料的强度指标在考虑相应的安全系数后得到 的。材料的强度指标有屈服强度、强度极限、蠕变极限、疲劳极限等, 这些指标反映了不同状态下材料失效的极限值。 在中国国家标准中以钢管壁厚尺寸表示壁厚系列,中国石化《石油 化工企业钢管尺寸系列》(SH3405)和美国标准AsME B36.IOM《焊接和 无缝锻轧钢管》、ASME B36.19M《不锈钢管》按管表号表示壁厚系列。 钢管壁厚选用的方法首先根据规范中规定的公式确定钢管的设计壁 厚,而后对照钢管的壁厚系列对设计壁厚向上进行圆整即可确定钢管的 壁厚等级(即标准中规定的壁厚尺寸或管表号)。 输气管道、输道及油气集输管道设计规范中确定材料许用应力 的方式基本相同,而在工业金属管道中则略有不同。下面将分别进行详 细分析,提出推荐的各种数据、系数的选用方法。 3.1输气、输油及油气集输类管道壁厚计算方法 在输气管道、输道及油气集输管道中,钢管的许用应力应按下 式计算: 【Cr]- tfo- 焊缝系数; t——温度折减系数,当管道内介质温度低于120 ̄C时,【值取1.O; F——强度设计系数; s——钢管的最低屈服强度(MPa)。 对照国内外相关规范,对如何确定各项系数详细说明如下: 3.1.1焊缝系数 输道、输气管道及集输管道工程用钢管均要求符合现行国 家标准《石油天然气工业输送钢管交货技术条件》GB/T9711.1及GB/ 1'9711.2、《输送流体用无缝钢管》GB/T8163、《高压锅炉用无缝钢管》 CB5310和《高压化肥设备用无缝钢管》GB6479。符合以上标准要求的钢 管焊缝系数均取为1.0。 3.1.2温度折减系数t 在GB 50251、GB 50350的壁厚计算公式中设有温度折减系数,但规 范中未提供温度折减系数的规定及计算方法。这种规定与ASME B31-8 中的规定基本相当。ASME B31.8的适用范围为一20。F(一30 ̄C)一450。F (232 ̄C),其中规定当管道温度在一30%一12&C之间时,温度折减系数 为l,当管道温度高于120℃时,需考虑钢管强度的降低。B31_8中的表 841.1lA钢管的温度降低系数规定如表3: 表3 B31.8中钢管的温度降低系数 温度,。F(℃) 温度降低系数 ——大于350 ̄e,优质碳钢(如20g钢)大于4oo℃就要考虑蠕变影响。碳钢在 570℃以上会被显著氧化。而在O℃以下塑性和冲击韧性又急剧下降,在 低温条件下,金属材料韧性降低、脆性增加。因此,钢管材料的使用温 度不应超出其规定的温度上下限。 目前,世界上一些国家的规范规定的低温界限在0-一30%之间(如 美国定为一3O℃),我国则把一20℃作为低温界线,等于和低于该温度 时.就要对金属材料低温韧性提出要求。 3.1.3钢管的最小屈服强度13"s 《石油天然气_T业输送钢管交货技术条件》CB/T9711.1及CB/ T971 1.2中钢管的最小屈服强度可按GB50253一中的表5.2.1选取。本文摘 录了其中部分数据,详见表6。《输送流体用无缝钢管》一GB/T8163一、 《高压锅炉用无缝钢管》一GB53 10一和《化肥设备用高压无缝钢管》一 GB6479一中钢管的最小屈服强度可按CB50316的附录A选取。 3.1.4强度设计系数F 1)输气管道和天然气集输管道的站外一段地段,输气管道的站 场、阀室和人群聚集场所管道的强度系数应按GB50251-中的表4.2.3和 4.2.4:N取。详见表4,表5。 表4强度设计系数 地区等级 强度设计系数F 一级地区 O.72 O.6 0-5 2.N地区 三级地区 四级地区 0.4 表5输气站、阀室及人群聚集场所管道的强度设计系数 地区等级 管道及管段 输气站内管道及其上、下 四 强度设计系数F 游各200m管道,截断阀室 管道及其上、下游各50Tn管 O.5 O.5 n5 n4 道(其距离从输气站和阀 室边界线起算) 人群聚集场所的管道 0.5 0.5 O-5 0.4 2)输送液态液化石油气(LPG)的管道强度设计系数见GB50253附 录E,其划分方式与输气管道类似。 3)输道和原油集输管道的站外一般地段的强度系数取0.72。 4)输道站内管道的许用应力,按照《钢制压力容器》 ≤250(120) 1 300(150) 0.967 350(180) 4O0(200) 450(230) 0.933 0.9 O.867 (CB150)和《工艺管线》(ASNEB31.3)的规定选取。 《石油天然气工业输送钢管交货技术条件》GB/T9711.1及GB/ T9711.2中钢管的许用应力可按《工艺管线》(ASME B31_3)附录A的表 A一1选取。 GB 50253的壁厚计算公式中无温度折减系数,这与ASME B31.4中 的规定基本相同。ASME B31.4的适用为范围一20。F(一30℃)一25O。F (120%),在其壁厚计算公式中也无温度折减系数。 温度升高时,钢的强度下降,塑性提高,普通碳钢( ̄nQZ35--B) 《输送流体用无缝钢管》GB/T8163、《高压锅炉用无缝钢管》 GB5310和《化肥设备用高压无缝钢管》GB6479中钢管的最小屈服强度可 按GB150的表4—3、GB50316的附录A选取。 5)输气管道、输道、油气集输管道的穿越,应按《油气输送 表6 ASNE B31.3中金属拉伸基本许用应力 标准号 钢号 A(【21O) B(L245) X42(I290) X46(L320) AP15L X52(L360) X56(L390) 最低屈服强度MPa 100(37) llO 137 137 144 151 163 207(210) 241(245) 289(290) 320(320) 360(360) 390(390) 金属温度为。Ff℃)时的基本许用压力MPa 200(93) 300(149) 4OO(204) 500(260) l1O 11O 1lO 1lO 137 137 144 151 163 6O0(315) 102 119 137 137 144 151 163 137 137 144 151 163 130 X60(IA15) 415(415) 172 172 172 172 X65(L45O) X70(IA85) X80(L555) 450(450) 485(485) 555(555) 177 188 206 177 188 2o6 177 188 206 177 188 2o6 注:括号内的钢级及屈服强度为GB9711标准的数值。 88 应用科学 表7常用钢管许用应力 2科0技10年第4毒巍蟊 期 钢号 常温强度指标 使用状 厚度 标准号 o 态 (MPs 在下列温度 ℃)下的许用应力/MPa ≤20 1oo 使用温 150 2oo 250 3【x】 350 400 425 450 475 500 525 550 度下限 a) (MPa) (℃) 碳素钢钢管(无缝管) 10 GB6钉9 热轧、正火 ≤15 335 205 l12 l12 1O8 101 92 83 77 7l 69 61 —29 GB,T 8163 热轧、正火 16~40 335 195 l12 110 104 98 89 79 74 68 66 61 正火 热轧、 ≤15 39o 245 13o 130 13o 123 110 101 92 86 83 61 20 GB,I’8163 正火 热轧、正火 16 40 39O 235 130 130 125 l16 1o4 95 86 79 78 61 —2O GB6479 热轧、 ≤16 410 245 137 137 132 123 11O 101 92 86 83 61 _20G CB5310 正火 正火 17~40 410 235 137 132 126 116 1o4 95 86 79 78 61 低合金钢钢管(无缝管) l6Mn GB,IGB6479 ’8163 正火 ≤15 49lo 320 163 163 163 159 147 135 126 119 93 66 43 4o 16~40 4g0 310 163 163 163 153 141 129 119 116 93 66 43 高合金钢钢管(无缝管) 0Cr19NiOCr18Ni9 GB,I'9 GB,r14976 1 771 固溶 ≤14 ≤l8 137 137 137 114 137 103 130 96 122 90 1185 4 11l82 1()79 78.7 105 103 101 76 75 100 98 9174 73 71 79 64 67 62 —196 管道穿越工程设计规范》GB50423选取强度设计系数,详见表8。 在工业金属管道中,钢管壁厚计算的方法与压力容器壁厚的计算方 表8强度设计系数 法基本相同。其材料许用应力的确定方法与输气、输油和集输管道的略 输气管道地区等级 有不同,材料的许用应力是取各种强度指标( 准抗拉强度下限值、 管道及管段 四 输道 s标准常温屈服强度、lit s设计温度下的屈服点、 I设计温度下经1O万 强度设计系数F Ⅲ、Ⅳ级公路有套管穿越 0.72 O.6 0.5 O-4 O.72 h断裂的持久强度的平均值、 设计温度下经1O万h蠕变率为1%的蠕变 Ⅲ、Iv级公路无套管穿越 O.6 0-5 O.5 0-4 极限)在考虑安全系数后的最小值。 综合以上分析可知,长输及集输管道的管线壁厚计算采用屈服极限 路I、Ⅱ级公路、高速公 O.6 n6 O.5 0-4 0.6 、铁路有套管穿越 法,以设计系数作为安全系数来确定管道壁厚。工业管道则采用许用应 山地隧道、冲沟穿越 O.6 n5 0.5 O_4 力,考虑压力—温度等级来确定管道壁厚。 水域小型穿越 0.72 O.6 n5 O.4 O.72 水域大、中型穿越 O.6 O.5 0.4 O.4 0.6 4管件选取方法 3.1.5需注意的问题 在钢制对焊管件的中国国家标准《钢制对焊无缝管件》GB/T 1)通过对国内外规范的研究和对比,可以知道在输油、输气和集 12459、《钢板制对焊管件》GBzT 13401,中国石油天然气行业标准《钢 输管道直管段壁厚计算公式的设计系数中已考虑了规范中准用材料标准 制对焊管件》SY/T0510,中国石油化工总公司标准《钢制对焊无缝管 中提供的壁厚负偏差和最大允许缺陷深度等因素,并为此增加了裕量。 件》SH/T3408、《钢板制对焊管件》SH/T 3409,美国工程师协会标准 因此在确定管道壁厚时,不需考虑壁厚负偏差等因素。 《工厂制造的锻钢对焊管件》ASME B16.9、《锻轧钢制对接焊小弯曲 2)由于国内规范中未提供各种材料钢管对应的温度折减系数,且 半径弯头和180 ̄弯头》ASME B16.28中,管件的壁厚等级均通过管表号 此种计算公式主要用于常温管道(不高于120 ̄C),因此建议当输油、 (Sch,也叫壁厚系列号)值来表示。管表号的计算公式为: D 输气、油气集输场站的站内管道设计温度超过12O℃时,其管道壁厚宜 Sch=二一X1000 按工业金属管道中的规定计算。气处理类设施的站内管道,管道壁厚宜 o| 按工业金属管道中的规定计算。 P—设计压力,MPa; —3.2工业金属管道类壁厚计算方法 设计温度下材料的许用应力,MPa; 对于工业金属管道,根据《工业金属管道设计规范》GB503 16、 设置管表号的初衷是希望建立一个与钢管直径、壁厚相关联的钢管 《石油化工管道设计器材选用通则》SH3059中的规定,承受内压直管, 壁厚系列号码体系,但随着钢管的发展和规范的修订,Seh已经失去了其 当直管的计算厚度t小于管子外径D 的1/6时,按下式计算: 早期的功能。管表号目前只是一个用于编排钢管壁厚顺序的简便标志系 P统,若用于计算管壁厚度则偏差较大,是不适宜的。 D而o 推荐的管件选取方法为:首先计算与管件连接的直管段的壁厚,查 取与计算值相匹配的Sch值,然后选取相同材质、相同Sch值的管件。 式中: t——直管计算壁厚(mln); P——设计压力(MPa); 参考文献 D ——管子外径(mm); 『I]GB 50251—2003输气管道工程设计规范[s]. D——管子内径(nlln); 『2]GB 50253—2003输道工程设计规范[s]. [盯卜——在设计温度下材料的许用应力(MPa); . 『3]GB 50350—2005油气集输设计规范【S]. E——焊接接头系数; [4]GB150—2000钢制压力容器[s]. ——系数;取值详见GB50316中的表6.2.1。 f5]GB 9131钢制管法兰温度一压力等级【s】. 直管的设计厚度按下式计算: 『6]GB ̄1048—2005管道元件公称压力[s]. t =t +C1+C2 [7]《输气和配气管道系统》ASME B31.8 式中: 『8]HG20592—20635—2009钢制管法兰、垫片、紧固件[s]. t.——直管设计壁厚(1nn1); 『9]GB/T12459钢制对焊无缝管件[s]. c.—厚度减薄附加量,包括加工、开槽和螺纹深度及材料厚度负偏 [10]李小瑜,丁清一.管件壁厚计算选取方法的探讨[j】.管道技术与设备,2002,06. 差(1nln); 『11]杜保军,黄丽,刘志广.标准管件壁厚系列号的选择[J】.管道技术与设 C —腐蚀或磨蚀附加量(1/11/1); 备,2003,02.