管道壁厚的合理計算和選擇

裴孝君 李莉（天津渤海化工集團(tuán)規(guī)劃設(shè)計院，天津 300450）

管道壁厚的計算及選擇是管道設(shè)計中最基本和最常見的問題，其選擇方法有兩類，一類是通過理論計算，另一類是選擇管子的壁厚系列。然而在實際設(shè)計過程中對于管子壁厚的選擇卻非?；靵y，經(jīng)常會出現(xiàn)憑經(jīng)驗估算、亂套管子壁厚系列表（SCH）表、不經(jīng)過演算隨意套用某些手冊數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，有的甚至認(rèn)為管道壁厚越大越好，隨意擴(kuò)大管道壁厚，不僅給安全帶來隱患，而且也造成建設(shè)成本的提高和材料的浪費，因此，正確的選擇管道的的壁厚是設(shè)計過程中非常必要和重要的環(huán)節(jié)。

1 理論計算選擇管道壁厚

根據(jù)GB50316-2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》，管子壁厚的計算公式如下：

式中：

δ→選用管壁厚度（mm）；

δ0→設(shè)計管壁厚度（mm）

P→設(shè)計壓力（MPa）；

D→管子外徑（mm）；

[σ]→在設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力（MPa）；

?→焊接接頭系數(shù)，對于無縫鋼管?=1，焊接鋼管?=0.8，螺旋焊接鋼管?=0.6；

C→厚度附加量之和（mm）；C=C1+C2+C3

C1→厚度減薄附加量，包括加工、開槽及材料厚度負(fù)偏差（mm）；

C2→腐蝕或磨蝕附加量（mm）；

C3→螺紋加工深度值（mm）；

1.1 設(shè)計壓力P和溫度T的計算和選定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 50316-2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》，除了工藝有特殊的條件或要求外，一般管道設(shè)計壓力和設(shè)計溫度可按表1進(jìn)行確定。

表1 設(shè)計壓力和溫度表

1.2 管子外徑D的確定

管子的外徑包括A、B兩個系列，A系列為國際通用系列（俗稱英制管），B系列為國內(nèi)沿用系列（俗稱公制管）,不同的系列關(guān)系到管道中法蘭選擇系列[1]，但無論選擇哪種系列的管子，在確定鋼管的外徑之前需要對鋼管的公稱直徑DN進(jìn)行計算，而對于給定的流量，管徑的大小與管道系統(tǒng)的一次投資費(材料和安裝)、操作費(動力消耗和維修)和折舊費等項有密切的關(guān)系，應(yīng)根據(jù)這些費用作出經(jīng)濟(jì)比較，以選擇適當(dāng)?shù)墓軓剑送膺€應(yīng)考慮安全流速及其它條件的限制。以下將采用預(yù)定介質(zhì)流速的方法來選擇管徑，可用于工程設(shè)計中的估算，計算公式如下：

式中：

d→管道的內(nèi)徑（mm）；

W→管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/h；

V0→管內(nèi)介質(zhì)的體積流量，m3/h；

ρ→介質(zhì)在工作條件下的密度，kg/m3；

u→介質(zhì)在管內(nèi)的平均流速，m/s。

上式中介質(zhì)在管內(nèi)的平均流速u是預(yù)定的，可參考HG/T 20570《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計技術(shù)規(guī)定》中不同介質(zhì)的常用流速表。

1.3 鋼管許用應(yīng)力[σ]的確定

金屬材料在進(jìn)行拉伸試驗時，應(yīng)力變化和材料變形分為彈性階段、屈服階段、強化階段和局部變形階段。通常鋼材是以屈服作為破壞的準(zhǔn)則，但是在制造和使用時會由于各種因素影響其實際使用，因此采用一個統(tǒng)一打折的方法規(guī)定材料的許用應(yīng)力，零件或構(gòu)建中的工作應(yīng)力不準(zhǔn)超過許用應(yīng)力。鋼管在不同溫度下的許用應(yīng)力可根據(jù)GB150《鋼制壓力容器》進(jìn)行查詢。

1.4 管道厚度附加量C的確定

管壁附加厚度C值的選用如表2：

表2 管壁附加厚度C值選用表（mm）

通過以上對管道壁厚計算公式的解析可知，理論計算考慮的因素比較全面，因此計算結(jié)果則相對可靠些。

2 選擇管子的壁厚系列

管子和管件除了以公稱直徑分級外，還以管壁厚度分級，目前常用的分級方法主要有以下幾種：

2.1 以管子表號“Sch”表示的壁厚系列

管子表號“Sch”適用于焊接鋼管和無縫鋼管，管子表號是設(shè)計壓力與設(shè)計溫度下材料許用應(yīng)力的比值乘以1000，并經(jīng)圓整后的數(shù)值。公式如下：

式中：P→設(shè)計壓力Mpa，

[σ]t→設(shè)計溫度下的材料許用應(yīng)力Mpa。

管子表號“Sch”并非壁厚值，但與壁厚有直接關(guān)系。同一直徑的管子，每種表號均有相對應(yīng)的壁厚值。而相同表號不同直徑的管子，其壁厚各不相同。同一材料、同樣溫度、表號相同的管子所能適應(yīng)的設(shè)計壓力是相同的。管子的表號系列[2][3][4][5]有：Sch5S、Sch10S、Sch10、Sch20、Sch30、Sch40S、Sch40、Sch60、Sch80S、Sch80、Sch100、Sch120、Sch140、Sch160（其中帶“S”者僅用于奧氏體不銹鋼管）。與理論計算公式相比，此處只考慮了壓力的因素，因此只能對管子的壁厚進(jìn)行粗選。

2.2 以管子質(zhì)量表示的壁厚系列

美國ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的以質(zhì)量表示的壁厚分為：

a、標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量管，以STD表示；

b、加厚管，以XS表示；

c、特厚管，以XXS表示。

我國低壓流體輸送用焊接鋼管（GB/T 3091），管端用螺紋和溝槽連接的6-150mm的鋼管壁厚分為普通鋼管和加厚鋼管。

3 結(jié)語

管道壁厚選取的步驟和原則如下：

3.1 管道壁厚選取之前應(yīng)首先計算管道的管子表號“Sch”，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定粗選管子壁厚，再通過理論計算與之比較，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17395-2008《無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》選擇鋼管的尺寸。

3.2 不應(yīng)隨意擴(kuò)大管子的壁厚，夠用即可，因為壁厚擴(kuò)大了，管系產(chǎn)生的熱應(yīng)力就會增大，反而會增加管系的不安全因素，除此之外管系對管道支吊架的作用力也增加了，增大了土建、結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工難度，增大了施工費用，從經(jīng)濟(jì)上來講也不合理。

3.3 對于高溫和特殊管網(wǎng)，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析。管道壁厚的選取還應(yīng)滿足降低管網(wǎng)局部應(yīng)力的要求。

3.4 管道壁厚的選取要充分考慮項目所在地的實際情況，應(yīng)便于管道的采購。

[1]HG/T 20592-20635-2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》.

[2]ASMEB36.10《焊接和無縫鍛軋鋼管》.

[3]ASMEB36.19《無縫鋼管》.

[4]HG 20553-2011《化工配管用無縫及焊接鋼管尺寸選用系列》.

[5]SH 3405-96《石油化工企業(yè)鋼管尺寸系列》.