压力管道管径和壁厚的选择论述

压力管道管径和壁厚的选择论述摘要：压力管道的运行安全问题备受关注，特别是石油化工行业的压力管道，不仅作业环境复杂多变，而且易燃易爆、有毒有害介质较多，故必须对其管径和壁厚进行慎重选择和规范设计，来确保压力管道的安全运行。对此，本文结合压力管道设计内涵，并就其管径和壁厚的选择方法进行了重点论述。关键词：压力管道设计管径壁厚众所周知，压力管道涉及的介质多具有较强的毒害性、爆炸性和环境破坏性，一旦发生事故极易造成难以弥补的人员伤亡、经济损失和环境污染等，近年来这样的事故也在频频发生，故强化压力管道的规范化设计就具有更重要和深远的意义。其中管径和壁厚的大小对介质流速、管路安全运行、费用成本等都有着重要影响，选择合理的管径和壁厚就尤为关键，下面就其选择方法加以论述。一、压力管道设计内涵压力管道，是指利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm的管道。国家在相应的监督规程中以设计压力、温度、输送介质的腐蚀性、毒性和火灾危险程度等为依据，将压力管道分为GA类（长输管道）、GB类（公用管道）、GC类（工业管道）、GD类（动力管道）[1]。虽然管径的大小会影响介质的输送效果，壁厚的大小会影响介质的输送安全，但这并不意味着管径越大、管壁越厚就越好，而应将两者视为设计的基础和关键，予以综合分析和科学计算，以此来确保其取值切实合理，有助于提高压力管道的安全性、可靠性与经济性。二、压力管道管径和壁厚的选择1.压力管道的管径选择一般情况下，若流体的输送能力一定，管径越大，介质流动速度越小，管路压力降也会随之减小，此时虽降低了压缩机、泵等动力设备的运行费用，但会大大增加管路建设费用，所以从安全和经济的角度出发，形成了一套简单而有效的方法用于计算管道内径，即di=18.8[qm/υ]1/2，其中di-管道内径（mm）、qm-介质体积流量（m3/h）、υ-介质平均流速（m/s），可见管径的选择是以预定介质流速为前提的[2]。在此以气体介质为例，就压力管道内径取值过程加以分析。例如：在某城市燃气门站中下游设备需求天然气量为210m3/h，天然气压力为3.0Mpa，管道设计温度50℃，管道材质选用20#无缝钢管。一般天然气的传输速度不超过30m/s[9]，在此取值30m/s进行计算，在实际设计时通常选择在20-30m/s之间。di=18.8×[210/30]1/2=49.7mm（选择A系列DN50无缝钢管）若管道系统对阻力有要求时，还需要对管道阻力进行核算，满足要求便可以此结果确定管径的大小，若不满足要求就需要重新进行选择计算。2.压力管道的壁厚选择有时候设计人员在选择管道壁厚时，往往为保险起见而增大管道壁厚，但试验表明，在具有较高操作温度的情况下，壁厚的随意扩大会增大热应力，进而加重管系的风险因数，同时也会加大结构设计的难度和施工的费用，足以见得，扩大管道壁厚的做法并不可取，而应加以科学计算[3]。考虑到压力管道内部的气体压力对其壁厚有着决定性影响，一般压力管道多为合金钢、碳钢、不锈钢等材质的无缝钢管，根据工业金属管道壁厚计算公式计算壁厚：ts=P×DO/2（[σ]t×Ej+P×Y）-2-1tsd=ts+C1+C2，-2-2其中ts-管道的计算厚度（mm），P-管道的设计压力（MPa），Do-管道外径（mm），[σ]t-在设计温度下材料的许用应力（MPa），Ej-焊接接头系数（通常取值1[8]），Y-系数[6]，C1-材料的减薄量或负偏差（mm），C2-管道的腐蚀裕量（mm）为简便计算，通常当ts≤6mm时，C1取值为1mm.而当管道为弯曲状态，则要适当增加其壁厚，即以tsd=ts+tsDo/2R加以计算，其中Do和R分别代表管道外径和弯曲半径。虽然根据上述公式可以算出压力管道的壁厚，但具体计算还必须以标准而规范的参数变量为基础。如与压力管道壁厚等级密切相关的[σ]t，其作为材料强度指标与安全系数的比值，应按照材料的相关标准来确定；如制造管子或元件时产生的壁厚偏差，或多或少的与理论壁厚存在出入，故应将其负偏差值考虑在内；再如直接影响壁厚取值的腐蚀裕量，既可以根据C2（腐蚀裕量）=K（介质对材料的腐蚀速率）B（管道的预期寿命）计算，也可以参考腐蚀程度、速率、余量参数[4]，在一些国内外企业和设计院通常将腐蚀裕量分四级：一）、无腐蚀裕量（一般为不锈钢管道取该值）；二）、1.6mm（腐蚀不严重的碳素钢或铬钼钢多取该值）；三）、3.2mm（腐蚀比较严重的碳素钢或铬钼钢多取该值）四）、大于3.2mm的加强级（有固体颗粒冲刷等的特殊管道，根据实际情况确定其取值）。待规范相关变量后，便可着手计算壁厚。通过上述的管径计算选择DN50管道（外径60mm），管道材料选用20#钢（一般当压力管道所输送气体介质的压力大于1.5MPa时，均建议采用20#/16Mn钢等材料），查得20#钢管在设计温度50℃时[σ]t=137MPa[6]，Ej=1[8]，C1=1，C2=1.6，Do=60（A系列），代入2-1、2-2的计算式中，得到ts=0.65mm，tsd=3.25mm。根据管径和壁厚的计算结果选取无缝钢管规格为φ60×4mm[5]。3.校核选取的管道管径和壁厚a）校核管径：实际选取的管道内径d=60-4×2=52mmdi=49.7mm满足要求b）校核壁厚：考虑管道制造过程中可能出现的负偏差C1=10%（壁厚3mm时允许偏差为±10%）[7]，去除负偏差后得到管道壁厚=4-4×10%=3.6mmtsd=3.25mm满足要求最终校核结果：选取的φ60×4mm的20#无缝钢管能够满足系统的管径和壁厚要求。三、结束语综上所述，管径和壁厚的取值对压力管道设计的安全性与经济性有着相当关键的影响，若选择不当，极易带来安全隐患，也易增加投资成本。可在具体的设计实践过程中，却有着十分复杂的影响因素，这就要求我们结合实际，用科学的方法进行计算和选择，以此确保压力管道的安全性和经济性。参考文献[1]TSGD0001-2009《压力管道安装许可规则》.[2]张燕.压力管道设计安装若干问题探讨[J].煤气与热力，2011（01）.[3]魏同锋.基于ANSYS的腐蚀压力管道的应力分析[J].机械研究与应用，2012（04）.[4]蔡暖姝，应道宴.我国压力管道安全标准/技术规范体系的建立和完善[J].化工设备与管道，2010（03）.[5]SH3405-1996《石油化工企业钢管尺寸系列》.[6]GB50316-2000《工业金属管道设计规范》.[7]GB6479-2000《高压化肥设备用无缝钢管》.[8]GB50350-2005《油气集输设计规范》.[9]HG/T20570.6-1995《管径选择》.2008年毕业于沈阳建筑大学机械设计制造及其自动化专业。曾就职于中国核工业第二三建设有限公司-管道工程师，主要从事核电厂核岛内工艺管道及附件的施工安装及管理工作；现就职于大连派思燃气系统股份有限公司-机务工程师，主要从事工艺管道系统及附件的设计工作。