1、2022年11月15日星期二化工压力管道设计管道化工压力管道设计管道设计基础管道概论设计基础管道概论讨论 什么是管道Pipe（管道系统Pipe system）？管道是包括管子、法兰、管件、螺栓、垫片、阀门和其它管道组件，也包括管子吊架、支承和其它必要的防止蓄压元件超压和超负荷的物件等组成的输送介质或传递压力的通道。管道系统：当管段与管件、阀门和其它机械设备连接在一起，并通过吊架、支承予以适当地支撑时，才称之为管道系统。第第1部分：管道设计基础部分：管道设计基础第第1 1章章 管道概论管道概论第第1 1章章 管道概论管道概论一、管道级别、类别一、管道级别、类别二、管道的设计压力和设计温度二、管道
2、的设计压力和设计温度三、公称压力和压力三、公称压力和压力-温度等级温度等级四、公称直径、外径和壁厚系列四、公称直径、外径和壁厚系列五、管材许用应力五、管材许用应力一、管道级别、类别一、管道级别、类别1、我国工业管道的分类、分类、我国工业管道的分类、分类 1）按国标规定的施工验收要求分类、分级）按国标规定的施工验收要求分类、分级 2）石油化工管道分级）石油化工管道分级 3）国标工业金属管道设计规范的管道分级国标工业金属管道设计规范的管道分级 4）压力管道安全管理与监察规定中管道分级压力管道安全管理与监察规定中管道分级2、美国国家压力管道标准的管道分级、美国国家压力管道标准的管道分级一、管道类别、
3、级别 1、我国工业管道的分类、分级 1）按国标规定的施工验收要求分类、分级）按国标规定的施工验收要求分类、分级 1997.10.5建设部批准工业金属管道工程施工及验收规范（GB50235-97）为强制性国家标准。国标GB50235-97没有将管道具体分类或分级 但对管道输送流体有明确的定义和划分：剧毒流体-相当于GB5044-85职业性接触毒物 危害程度分级中级危害程度毒物；有毒流体-相当于GB5044-85中级以下危 害程度毒物；可燃流体-生产操作条件下可以点燃和连 续燃烧的气体或可以气化的液体。国标GB50235-97对输送上述流体管道规定了不 同检验和施工要求。对管道组成件，如阀门试验，
4、划分成两类阀门：1、国标GB50235-97将输送剧毒、有毒及可燃流体阀门和和 输送设计压力大于1MPa或设计压力小于等于1MPa且设计温度小于-29C或大于186C的非可燃、无毒流体管道阀门划成一类；2、另一类为输送压力小于等于1MPa且设计温度为-29C186C的非可燃、无毒流体管道阀门。对管道焊缝射线照相检验，国标GB50235-97将管道划分为三种情况，1、100%射线照相检验，质量不低于级。这类管道为：1）输送剧毒流体的管道；2）输送设计压力大于等于10MPa或设计压力大于等于4MPa的非可燃流体、无毒流体的管道；3）输送设计压力大于等于10Mpa且设计温度大于等于400C的非可燃流
5、体、无毒流体管道；4）设计温度小于-29C的低温管道。2、焊缝可不进行射线照相的管道 为输送设计压力小于等于1MPa且设计温度小于400C的非可燃流体和有毒流体管道 3、焊缝射线照相检验抽检比例不低于5%，质量不低于级的管道 除上述两类管道以外的管道。关于泄漏性试验：GB50235-97规定输送剧毒流体、有毒流体、可燃流体的管道必须经行泄漏性试验。泄漏性试验，三类管道均为一类。2）石油化工管道分级）石油化工管道分级管道级别管道级别适用范围适用范围SHA1毒性程度为极度危害介质管道2设计压力等于或大于10MPa的SHB级介质管道SHBSHB1毒性程度为高度危害介质管道2设计压力小于10MPa的甲
6、类、乙类可燃气体和甲A类液化烃、甲B类可燃液体介质管道3乙A类可燃介质管道SHB1乙B类可燃液体介质管道2丙类可燃液体介质管道3）国标工业金属管道设计规范的管道分级）国标工业金属管道设计规范的管道分级输送5类流体的管道类别分别与流体类别对应流体类别流体类别适用范围适用范围A1类某种剧毒流体，相当于职业性接触毒物危害程度分级GB5044中级（极度危害）的毒物A2类相当于职业性接触毒物危害程度分级GB5044中级（高度、中度、轻度危害）的毒物B类能点燃并在空气中连续燃烧的流体，这些流体在环境或操作条件下是一种气体或可闪蒸产生气体的液体C类不包括D类流体的不可燃、无毒的流体D类设计压力不大于1.0M
7、Pa和设计温度高于-20186的不可燃、无毒流体4）压力管道安全管理与监察规定中管道分级）压力管道安全管理与监察规定中管道分级检查规定中压力管道按其用途分为：长输管道，为GA类，级别：GA1级、GA2级，指产地、储存库、用户间的用于输送商品介质的管道；公用管道，为GB类，级别：GB1级和GB2级，包括燃气管道和热力管道；工业管道，为GC类。工业管道（GC类）分级表如下：级别级别品种品种适用范围适用范围GC11输送GB5044中毒性程度为极度危害的介质管道2设计压力P10.0MPa的流体管道3输送GB50160中火灾危险性为甲乙类可燃气体或甲类可燃液体且设计压力P4.0MPa的管道4设计压力P4
8、.0MPa且设计温度400的可燃液体、有毒流体管道GC21输送GB50160中，火灾危险性为甲乙类可燃气体或甲类可燃液体，且设计压力P4.0MPa的管道2设计压力P4.0MPa而设计温度400的可燃液体、有毒流体管道3设计压力P10.0MPa而设计温度400的无毒、不可燃介质管道4设计压力P10.0MPa且设计温度400的管道GB5044-职业性接触毒物危害程度分级GB50160-石油化工企业设计防火规范 GB5044中常见有毒介质表级别级别毒物名称毒物名称极度危害（级）汞及其化合物、苯、砷及其无机化合物、氯化烯、铬酸盐、重铬酸盐、黄磷、铍及其化合物、对硫磷、羰基镍、八氟异丁烯、氯甲醚、锰、及
9、其无机化合物、氰化物高度危害（级）三硝基甲苯、铅及其化合物、二硫化碳、氯、丙烯睛、四氯化碳、硫化氢、甲醛、苯胺、氟化氢、五氯酚及其钠盐、镉及其化合物、敌百虫、氯丙烯、钒及其化合物、溴甲烷、硫酸二甲酯、金属镍、甲苯二异氰酸酯、环氧氯丙烷、砷化氢、敌敌畏、光气、氯丁二烯、一氧化碳、硝基苯中度危害（级）苯乙烯、甲醇、硝酸、硫酸、盐酸、甲苯、二甲苯、三氯乙烯、二甲基甲酰胺、六氯丙烯、苯酚、氢氧化物轻度危害（级）溶剂汽油、丙酮、氢氧化钠、四氯乙烯、氨GB50160中可燃性气体火灾危险性分类举例类别类别可燃气体名称可燃气体名称甲乙炔、环氧乙烷、氢气、合成气、硫化氢、乙烯、氰化氢、丙烯、丁烯、丁二烯、顺丁烯
10、、反丁烯、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、丙二烯、环丙烷、甲胺、环丁烷、甲醛、甲醚、氯甲烷、氯乙烯、异丁烷乙一氧化碳、氨、溴甲烷 2、美国国家压力管道标准的管道分级 ASME压力管道规范（ANSI/ASME B31）包括若干部分，每一部分都是一个美国国家标准，如：B31.1-动力管道；B31.3-化工厂和石油炼制厂管道；B31.4-液体石油输送管道系统；B31.5-冷冻管道；B31.8-气体传送和分配管道系统。B31.3已经得到全世界的公认，成为石油化工厂压力管道设计普遍遵循的规范。B31.3根据介质的安全性、对人体的危害程度和设计条件（压力、温度）等因素将流体分为M类、D类、一般流体类（介于M类和D
11、类之间的流体）。M类流体-剧毒流体：极少泄露即会造成严重的即使马上进行治疗也难以治愈的伤害D类流体-设计压力不超过1.05MPa，设计温度在-19186C之间的不易燃、无毒、对人体无害的流体一般流体-除M、D类以外的流体，该类管道指除M、D类以外的所有工艺和公用工程管道，但但 不包括加热炉、热交换器、容器和机组的内部管道。2 管道的设计压力和设计温度 管道设计压力、设计温度、管道输送介质-管道工程设计的重要参数 设计压力-管道设计规范均有各自规定 国标工业金属管道设计规范规定设计压力按下列要求确定：一条管道的设计压力（表压），不应小于运行中遇到的可能内压或外压与温度相耦合时最严重条件下的压力。
12、最严重条件就是强度计算时管道组成件需要最大厚度及最高公称压力时的参数。中国石化总公司石油化工企业管道设计器材选用通则（SH 3059-94）规定管道组成件的设计压力，不低于正常操作过程中，由内压或外压与温度构成的最苛刻条件下的压力。最苛刻条件是导致管道组成件最大壁厚或最高压力等级的条件。与设备或容器连接的管道，其设计压力应不低于所连接设备或容器的设计压力，并应符合以下要求：管道系统无安全泄压装置时，设计压力不应低于压力源可能引起的最高压力与静液柱压力之和，装有安全泄压装置时，则不应低于安全泄压装置的设定压力与静液柱压力之和。离心泵排出管道的设计压力取以下两项中的较大值，取离心泵的正常吸入压力加
13、泵进出口额定压差的1.2倍或离心泵最大吸人压力加泵进出口的额定压差。真空系统管道的设汁压力为0.1MPa外压。ANSI/ASME B313定义的设计压力为：一条管道的设计压力不应小于在操作中可能遇到的内压或外压与温度相偶合时的最严重情况下的压力，最严重情况是导致组成件需要最大厚度和最高参数时的情况。总之设计压力是导致管道组成件最大厚度和最高总之设计压力是导致管道组成件最大厚度和最高压力等级的压力，根据各根管道的具体条件确定。压力等级的压力，根据各根管道的具体条件确定。设计温度 管道的设计温度系指正常操作过程中，由压力和温度构成的最苛刻条件下的材料温度。各管道规范设计温度取法并不完全一致。ANS
14、I/ASME B313将管道分成三种情况分别确定其设计温度，对于不保温管道，流体温度低于38C时，金属温度与流体温度相同，38C及其以上温度，除非通过试验或传热计算有较低的平均壁温外组成件金属温度不应低于以下数值：阀门、管于、翻边短节、焊接管件和其它壁厚与管子相近组成件的金属温度为流体温度的95；带法兰管件和法兰温度为流体温度的90(松套法兰为85)；螺栓连接件的温度为流体温度的80。对于外部保温管道，除经计算或试验或实测所得可以使用其它温度外，均以流体温度为使用温度，当采用外伴热或夹套时应考虑这种加热影响，对于内部保温管道，金属温度根据伴热计算或试验确定。SH3059-94设计温度的确定与A
15、NSI/ASME B31.3比较一致，但更具体。国标工业金属管道设计规范设计温度的确定与B313和SH3059有以下不同点。一是对于0C以下的管道，设计温度取管道材料可能达到的最低温度，包括流体及环境温度影响可达到的最低温度；二是对于外伴热或夹套管道，应以外加热和管内流体温度中的较高温度为设计温度；三是对不保温管道上述38的界限改为65；四是国标规定对于非金属材料衬里的保温管道，其设计温度取流体的最高工作温度，不保温时，外层金属温度通过传热计算或试验决定。而SH3059规定带衬里或内隔热层管道的设计温度均经计算或实测确定。设计温度与设计压力一样是管道工程设计设计温度与设计压力一样是管道工程设计
16、的重要参数，是管道选材的依据之一，正的重要参数，是管道选材的依据之一，正确确定设计温度，才能保证管道安全运行，确确定设计温度，才能保证管道安全运行，又不致造成浪费。又不致造成浪费。3 公称压力、压力-温度等级 公称压力-为管子、管件、阀门等在规定温度下允许承受的以压力等级表示的工作压力。符号：PN 单位：MPa，bar（公制）psi（英制Pounds per square inch）1磅/平方英寸，1psi=6.89kpa 1 bar=14.56 psi=0.1MPa 公称压力一般表示管道法兰或法兰连接的其他管道组成公称压力一般表示管道法兰或法兰连接的其他管道组成件在某一基准温度下的最大许用工
17、作压力，由于公称压件在某一基准温度下的最大许用工作压力，由于公称压力中的某一基准温度在公制中为一个较低的温度或常温，力中的某一基准温度在公制中为一个较低的温度或常温，因而在较高温度时的许用工作压力小于该公称压力值，因而在较高温度时的许用工作压力小于该公称压力值，而在英制中这一基准温度为一较高温度，低于此基准温而在英制中这一基准温度为一较高温度，低于此基准温度时的许用工作压力可大于其公称压力值。为此公制与度时的许用工作压力可大于其公称压力值。为此公制与英制的对应关系不能用简单的单位换算来被此替换。例英制的对应关系不能用简单的单位换算来被此替换。例如英制如英制CLASS300psi对应的公制公称压
18、力为对应的公制公称压力为PN5.0MPa，而不是，而不是300 x 6.8948x0.0012.07MPa。管道操作条件繁多，管道上的法兰如以使用条件管道操作条件繁多，管道上的法兰如以使用条件逐个计算，不仅工作量大，而且法兰的连接及其逐个计算，不仅工作量大，而且法兰的连接及其互换性均成问题，因此各国都归并成若干个公称互换性均成问题，因此各国都归并成若干个公称压力等级、使法兰标准化、系列化，简化了品种压力等级、使法兰标准化、系列化，简化了品种又增加了互换性。又增加了互换性。各国公称压力分级及国内公称压力分级见各国公称压力分级及国内公称压力分级见表表各国公称压力分级各国公称压力分级国名国名标准号标
19、准号单位单位公称压力公称压力中国中国GB9112-88MPa0.25、0.60、1.0、1.6、2.0、2.5、4.0、5.0、10.0、15.0、25.0、42.0美国美国ANSI B16.5psi150、300、400、600、900、1500、2500MPa2.0、5.0、6.8、10.0、15.0、25.0、42.0英国英国BS10-1962psi30、50、100、150、250、450、600、900德国德国DIN 2401Bar1、1.6、(2)、2.5、(3.2)、4、(5)、6、(8)、10、(12.5)、16、(20)、25、(32)、40、(50)、63、(80)、100
20、、(125)、160、(200)、250、(315)、400、(500)、630、(700)、(800)、1000、(1250)、1600、(2000)、2500、4000、6300日本日本JIS B2201-1970kg/cm22、5、10、16、20、30、40、63ISOISO 7268Kgf/cm2系列系列110、16、20、50、100、150、250、420系列系列22.5、6、25、40应优先选用表中不带括弧的压力等级；应优先选用表中不带括弧的压力等级；以前用过以前用过64这个数，这个数，63和和64可以互换。可以互换。压力压力-温度等级温度等级 管道组成件允许的工作压力与工作温
21、度有关，对同一材管道组成件允许的工作压力与工作温度有关，对同一材料而言，工作压力一般均随温度的升高而降低。各种管料而言，工作压力一般均随温度的升高而降低。各种管道组成件的压力一温度等级的确定有以下两种情况。道组成件的压力一温度等级的确定有以下两种情况。1）以公称压力分级的管道组成件）以公称压力分级的管道组成件 这类管道组成件的压力一温度关系大多可在相应的法兰这类管道组成件的压力一温度关系大多可在相应的法兰标准中直接查得。对于只标明公称压力的组成件，除非标准中直接查得。对于只标明公称压力的组成件，除非另有规定，在设计温度下的许用压力可按下列公式计算。另有规定，在设计温度下的许用压力可按下列公式计
22、算。2）没有以公称压力分级的组成件 此类组成件如管子、管件，其压力一温度参数值可用设计温度下材料的许用应力及组成件的有效厚度(名义厚度减去所有厚度附加量)计算确定。4 公称直径、外径和壁厚系列公称直径、外径和壁厚系列 公称直径公称直径 为简化管道组成件的连接尺寸，便于生产和选用，工为简化管道组成件的连接尺寸，便于生产和选用，工程上对管道直径进行了标准化分级，以程上对管道直径进行了标准化分级，以“公称直径公称直径”表示，表示，公称直径的符号为公称直径的符号为DN，公制单位为公制单位为mm，英制单位为，英制单位为in 公称直径为表征管子、管件、阀门等口径的名义内直公称直径为表征管子、管件、阀门等口
23、径的名义内直径，其实际数值与内径并不完全相同，我国以前用的钢径，其实际数值与内径并不完全相同，我国以前用的钢管公称直径数值一班与钢管实际内径比较接近，而管公称直径数值一班与钢管实际内径比较接近，而ANSI钢管的公称直径数值，钢管的公称直径数值，DN12时与内径比较接时与内径比较接近，当近，当DN14时公称直径的数值为钢管外径或与外径时公称直径的数值为钢管外径或与外径相接近，因此同样公称直径的管道组成件并不意味能完相接近，因此同样公称直径的管道组成件并不意味能完全匹配连接。全匹配连接。公称直径分级国内外基本相同，见表 外经系列外经系列 钢管是按外径和壁厚系列组织生产的。目前世界钢管是按外径和壁厚
24、系列组织生产的。目前世界各国均有各自的钢管标准，钢管尺寸并不统一。各国均有各自的钢管标准，钢管尺寸并不统一。因此，公称直径相同的钢管，往往会有不同的外因此，公称直径相同的钢管，往往会有不同的外径。国内外主要的外径系列见下表径。国内外主要的外径系列见下表 壁厚系列壁厚系列 管子和管件除了以公称直径分级外，还以管壁厚管子和管件除了以公称直径分级外，还以管壁厚度分级，目前常用的分级方法主要有下述几种：度分级，目前常用的分级方法主要有下述几种：1）以管子表号（）以管子表号（Sch）表示的壁厚系列）表示的壁厚系列 这是美国这是美国ANSI B36.10标准规定的，适用于焊接标准规定的，适用于焊接钢管和无
25、缝钢管。钢管和无缝钢管。管子表号管子表号Sch是设计压力与设计温度下材料许用是设计压力与设计温度下材料许用应力的比值乘以应力的比值乘以1000，并经圆整的数值。，并经圆整的数值。即：管子表号并非壁厚值，但与壁厚有直接关系，同管子表号并非壁厚值，但与壁厚有直接关系，同一直径管子，每种表号均有相对应的壁厚值，而一直径管子，每种表号均有相对应的壁厚值，而同样表号对不同直径的管子，其壁厚值各自不同同样表号对不同直径的管子，其壁厚值各自不同 利用表号可以算得该管子在某设计温度下所能适利用表号可以算得该管子在某设计温度下所能适应的设计压力，即：应的设计压力，即：从公式可以看出，同一材料、同样温度、表号相从
26、公式可以看出，同一材料、同样温度、表号相同的管子所能适应的设计压力是相同的。同的管子所能适应的设计压力是相同的。以管子表号表示的壁厚系列是目前管道工程中使用以管子表号表示的壁厚系列是目前管道工程中使用最多的。管子表号所对应的具体壁厚各国均有各自最多的。管子表号所对应的具体壁厚各国均有各自的规定值，不完全相同，但比较接近。的规定值，不完全相同，但比较接近。GB12459钢制对焊管件分为钢制对焊管件分为Sch 5s、10s、20s、20、30、40、60、80、100、120、140、160。GB/T13401-92钢板制对焊管件分级为钢板制对焊管件分级为Sch 5s、10s、20s、40和和80
27、。石化标准规定无缝钢管表石化标准规定无缝钢管表号为号为 5s、10s、20s、20、30、40s、40、60、80s、80、100、120、140、160和和XXS。无缝钢管和焊接钢管在不同设计温度和设计压力下无缝钢管和焊接钢管在不同设计温度和设计压力下的表号确定图如下：的表号确定图如下：2）以管子重量表示的壁厚系列）以管子重量表示的壁厚系列 美国规定以重量表示壁厚分为：美国规定以重量表示壁厚分为：标准重量管，以标准重量管，以STD表示表示 加厚管，以加厚管，以XS表示表示 特厚管，以特厚管，以XXS表示表示 以重量表示的壁厚等级和以管子表号表示的壁厚系列以重量表示的壁厚等级和以管子表号表示的
28、壁厚系列在一定直径范围互相对应，如在一定直径范围互相对应，如DN200管子，管子，STD的的壁厚值与壁厚值与Sch40和和Sch40s完全一样；完全一样；DN150管子，管子，XS的壁厚值与的壁厚值与Sch80和和Sch80s完全相同。完全相同。我国我国GB/T3092低压流体输送用焊接钢管和低压流体输送用焊接钢管和GB/T3091镀锌焊接钢管将钢管分成普通与加厚镀锌焊接钢管将钢管分成普通与加厚两种。两种。GB/T13401钢板制对焊管件分成钢板制对焊管件分成LG薄壁薄壁壁厚；壁厚；STD标准壁厚和标准壁厚和XS加厚壁厚三种。加厚壁厚三种。3）其它壁厚表示法）其它壁厚表示法 我国焊接钢管（包括
29、螺旋缝和上述低压流体输送我国焊接钢管（包括螺旋缝和上述低压流体输送用焊接钢管）的壁厚直接用厚度值表示，这类钢用焊接钢管）的壁厚直接用厚度值表示，这类钢管规格表示法为管规格表示法为 外径厚度。日本外径厚度。日本JIS标准的标准的SGP和和STPY焊接钢管也只规定实际厚度系列。焊接钢管也只规定实际厚度系列。5 管材许用应力管材许用应力 管道材料的许用应力是指在一定温度下，管道材管道材料的许用应力是指在一定温度下，管道材料容许承受的应力。一般都按材料的各项强度分料容许承受的应力。一般都按材料的各项强度分别除以对应的安全系数，取其中的最小值作为该别除以对应的安全系数，取其中的最小值作为该材料的许用应力。材料的许用应力。
