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壓力管道的組成件一般都是標準件，因此壓力管（guǎn）道組成件（jiàn）的設計主要是其標準件（jiàn）的選用，管道壓力等級的確定也就（jiù）是其標準件等級的確定。
管道的壓（yā）力等級包括兩部分:
以公稱壓力表示的標準管件的公稱（chēng）壓力等級；
以壁厚等（děng）級表示的的標準管件的壁厚等級。
管道的壓力等級：通常把（bǎ）管道中由標準（zhǔn）管件的公稱壓力等級和壁（bì）厚等級共同確定（dìng）的能反映管道承壓特（tè）性的參數叫做管道的壓力等級（jí）。而習慣上為簡化描述，常把管道中管件的公稱壓力等級叫做管道（dào）的壓力等級。
壓力等級的確定是壓力管道設計的基礎（chǔ），也是設計的核心。它是壓力（lì）管道布置、壓力管道應力校（xiào）核的設計前提條件，也是影響壓力管（guǎn）道基建投（tóu）資和管道可靠性的重要因素（sù）。
5.1 設計條件
工（gōng）程上，工（gōng）藝操作（zuò）參數不宜直接作為壓力（lì）管道的設計條（tiáo）件，要考慮工藝操作的波動、相連設（shè）備的影響、環境的影響等因素，而在（zài）工藝操作參數（shù）的基礎上給出一定的安全裕量作為設計條件。這裏所說的設計條件主要是指設計壓力和設計溫度。
管道的設計壓力：應不低於正常操作（zuò）時（shí），由內壓(或外壓)與溫度構成的最（zuì）苛刻條件下的壓（yā）力。
最苛（kē）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。
設計壓力確定：考慮介質的靜液柱壓力等因素的影響，設計壓力一般應（yīng）略高於（yú）由(或（huò）)外壓與溫度（dù）構成的最苛刻條件下的最高工作壓力。
a. 一般情況下管道元件的設計壓力確定（dìng）
一般情況下（xià），為了操作上的方便，在此不妨采用（yòng）壓力容器的做（zuò）法，即在相應工作壓力的（de）基礎上增加一個裕度係數。
表5-1 一般（bān）情況下管道元件（jiàn）的設計壓力確定
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工作壓力Pw(MPa) |
設計壓（yā）力P(MPa) |
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Pw≤1.8 |
P= Pw+0.18 |
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1.8<Pw≤4.0 |
P= 1.1Pw |
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4.0<Pw≤8.0 |
P= Pw+0.4 |
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Pw>8.0 |
P=1.05 Pw |
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※ 當按該原則（zé）確定的設（shè）計壓力會引起管道壓力等級變化時，應判（pàn）斷該工作壓力是否就（jiù）是由內壓(或外壓)與溫度構成的最苛刻條件下的最高工作壓力，如果是，在（zài）報（bào）請有關技術負責人批準的情況下，設（shè）計壓力可取（qǔ）此時的最高工作壓力，而不加係數。 |
b. 管道中有安全泄壓裝置（zhì）時，
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（chū）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，就是在係統中出（chū）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、管道等係統的硬件得到保護。此時管道的設計壓（yā）力應不低於安全泄壓（yā）裝置的設定壓力。
c. 管（guǎn）道（dào）中（zhōng）有高揚（yáng）程的泵
對於高揚程的泵，尤其是往（wǎng）複泵，在開始啟動的短時間內，往往會在第一道（dào）切斷閥之前的（de）管道和泵內產生一（yī）個較高的封閉壓力，有時這個封閉壓力會達到一（yī）個很大的值。此時（shí）泵的出口（kǒu）管道，其設計壓力應取泵的最（zuì）大（dà）封（fēng）閉壓力值。
D. 真空（kōng）係統
真空係統管道（dào）承受的壓力（lì）就是其外部的大氣壓（yā）力，故其設計（jì）壓力（lì）應取0.1MPa外壓；
e. 與塔或容（róng）器等（děng）設備相連的管道
與塔或容器等設備相連的管道（dào）其（qí）設計壓力應不（bú）低於所連設備的設計壓力。當管道內有較（jiào）高的液體液柱時，還應（yīng）考慮該液體靜壓頭（tóu）的影（yǐng）響。事（shì）實上，對於管道來說，其受力要比設備複雜，這是因為它除受介質載荷之外（wài），還（hái）往往遭受到由於管（guǎn）道的熱脹冷縮（suō）而產生的管係力等。因此（cǐ），管道的設計壓力一般應不低於設備的設計壓力。
5.1.2設計溫度
管道的設計溫度:應不低於正常操作時，由內壓（或外壓）與溫度構成的最苛刻（kè）條（tiáo）件下的溫度。
最苛刻條件: 指導致（zhì）管子及管（guǎn）道組成件最大（dà）壁厚、最高公稱壓力等級或最高材料等級的（de）條件。
設計溫度的（de）確（què）定:考慮環境、隔熱、操作穩定（dìng）性等（děng）因素的影響，設（shè）計溫（wēn）度應略高於由內壓(或外壓（yā）)與溫度構（gòu）成的（de）最苛刻條件下的最高工作溫（wēn）度。
a. 一般情況下管道元件的設計溫度確定
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係數（除（chú）法蘭（lán）和螺栓（shuān）以外）。
表5－2 一般情況（kuàng）下管（guǎn）道元件（jiàn）的設計溫度確定（dìng）
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工作溫度Tw(℃) |
設計溫度T(℃) |
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-20<Tw≤15 |
T= Tw-5(最低取－20) |
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15<Tw≤350 |
T= Tw+20 |
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Tw>350 |
T= Tw+(5～15) |
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※當按該原則確（què）定的設計溫度會引起管道壓（yā）力等級或材料變化時，應判斷該（gāi）工作溫度是（shì）否
就是由內壓(或外壓)與溫度構成的最苛刻條件（jiàn）下的最高工作溫度，如果是（shì），在報請有（yǒu）關技術負責人批準的情況下，設計溫度可取（qǔ）此時的最高工（gōng）作（zuò）溫度，而不加係數。 |
法蘭、墊片（piàn）的設計（jì）溫度不低於最高工作溫度的90％；
螺栓、螺母的設計溫度應不低於（yú）最高工作溫度的80％。
b. 夾套或（huò）外伴熱管道
對於夾套或外伴（bàn）熱的管道當工藝介質溫度高於伴熱（rè）介質（zhì）溫度時，其設計溫度按上表選取（qǔ）；當工藝（yì）介（jiè）質溫度低於伴熱（rè）介質溫度時，對夾套伴熱取伴熱介質（zhì）溫度為設計溫（wēn）度，而對外伴熱則取伴熱介質溫（wēn）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
安全泄壓管道取排（pái）放時可能（néng）出現的最高或最低溫度為設計溫度；
d. 蒸汽吹掃的管（guǎn）道
采用蒸（zhēng）汽（qì）吹掃的管道當介質溫度高於吹掃蒸汽的溫（wēn）度時，則按介質溫度根據上表確定其設計溫度。當介質溫度低於吹（chuī）掃（sǎo）蒸汽溫度時，應（yīng）視具體情況而定。例如，按介質（zhì）溫度（dù）選取的管道及其元件不能承受（shòu）吹掃介質的條件時，應（yīng）適當提高等級以適應吹掃介質條件。
e. 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（zuò）時，其設計溫（wēn）度應取（qǔ）與內壓(或外壓)構成的最苛刻條件下的（de）最高工作溫度，並對（duì）其它工況（kuàng）進行校核。
f. 臨氫管道
臨氫操作的管道，在查Nelson曲線時，應取設計溫度再加30～50℃作為查曲（qǔ）線的溫度參數（shù）值。這是因為Nelson曲線為統計值，在（zài）鄰近曲線下方選材時而出現氫損傷（shāng）的（de）實例也曾發（fā）生過；
g. 帶襯裏的管道（dào）
帶隔熱耐磨襯裏的管道，其金屬部分的管道設計溫（wēn）度應經（jīng）計算或實測確（què）定。一般情況下（xià），宜取250℃作為設計溫度；
h. 管係應力計算時
在進行（háng）有彈簧支架的管係應（yīng）力計算時，宜取介質（zhì）的正常工作溫度作為計算（suàn）參數。
5.2影（yǐng）響管（guǎn）道壓力等級確定的因（yīn）素
除了上述的設（shè）計溫度（dù）和設（shè）計壓力是管道（dào）壓力等級確（què）定（dìng）的基本參數外，還有一些其它因素也將影響到管道壓力等（děng）級的確（què）定（dìng）。
5.2.1應用標準體係
不同的標準體（tǐ）係，其公稱壓（yā）力等級係列是（shì）不同的，對應的溫度（dù）-壓力（lì）表也不（bú）相同。或者說，相同的設計條件，而選（xuǎn）用不（bú）同的應用標準，其公（gōng）稱壓力等級是不同的。因此，在確定管道公稱（chēng）壓力等級之前，應（yīng）首先確定其應用（yòng）標準體係（xì）。
5.2.2材料
不同的（de）材料，其機械性能是不同的，那麽它們在（zài）標準中的溫度（dù）-壓力表上（shàng）的（de）對應值也是不相同的。因此在確定管道的公稱壓力（lì）之前應首先確定管道及其元件的材料（liào）。材料的選用是由設計溫度、設計壓力和操作介質確定的（de）。
管道中各元件的材料標準往往是不同的，一般情況下，管子用管材（cái），法蘭（lán）
用鍛材（cái），而閥門多用鑄材。無論（lùn）用什麽材料標準，它們都應該是同等級的材料，即具有對操作條（tiáo）件的同等適應性和等強度； 注（zhù）意管材、板（bǎn）材、棒材、鑄材的配伍。
5.2.3操作介質
一般（bān）情況下，管道的公稱壓力在對（duì）應溫度下的許（xǔ）用壓力不得超出其設計壓力（lì）。
對（duì）由於管子及其元件失效而（ér）將造成（chéng）嚴重危害或（huò）易於產生重（chóng）大事故的介質，在考慮其（qí）公稱壓力等級時，不應僅僅按溫度（dù）-壓力表來確定，應（yīng）適當提高其公稱壓力等級，即提高其安（ān）全（quán）可（kě）靠（kào）係數（shù）。SH3059、SYJ1064標準（zhǔn）對此都有詳細的規定，例如：
對輸（shū）送劇毒介質的管道，當采用SH標準體係時，無論介質的操作壓力是多少（shǎo），其公稱（chēng）壓力等級應（yīng）不低於PN5.0MPa；當（dāng）采用JB標準體係時（shí），應不（bú）低於PN4.0；
對輸送氫氣、氨氣、液態烴等介質的管道，當（dāng）采用（yòng）SH標準（zhǔn）體係時，無（wú）論介質的操作壓力是多少，其最低公稱壓力等級應不低於PN2.OMPa，當采用JB標準體係時，應不低於PN2.5MPa；
對輸送一（yī）般可燃介質的管道，當采用SH標準體係時，其公稱壓力等級應不低於PN2.0MPa，當采用JB標準體係時（shí），應（yīng）不低於PN1.6MPa。
5.2.4介質溫度及管係附加力
許多法蘭標準都給（gěi）出這樣一個注釋（shì）:其溫度-壓力表的對應值是指法蘭不受衝擊載荷的對應值。事實上，法蘭遭受外部管道給予的（de）彎曲、振動、溫度循環等附加（jiā）載荷時（shí），都將影響其密封性，甚至影響到強度的可靠性，此時應將這些外部載荷折算成當量介質壓力（lì）來確（què）定管道所需（xū）的公稱壓力。
給予（yǔ）法蘭的彎曲（qǔ）載荷主要是由管係的熱脹冷縮引起的。一般情況下，對於PN2.0等級的法蘭，當其工作溫度大於（yú）200℃時，或PN5.0及（jí）以上等級的法蘭在工作溫度大於（yú）400℃時，均應考慮管係對法蘭產生的附加載荷的影響，否則應提高管係的公稱（chēng）壓力等級。
5.3影（yǐng）晌壁厚等級確定的因素
5.3.1材料的許用應力
材料的許（xǔ）用應力是指（zhǐ）材料的強度指標除以（yǐ）相應的安全係數而（ér）得到的值。材（cái）料的機械性能指標（biāo）有屈（qū）服極限、強度極限、蠕變極限、疲勞（láo）極限等，這些指標分別反映了（le）不（bú）同狀態下失（shī）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（yīng）力限製在各強度指標下某一值，該數值即（jí）為許用應力。當管（guǎn）道元件中的（de）應（yīng）力超過其許用應（yīng）力值時，就（jiù）認為其強度已不能得到（dào）保（bǎo）證。因此說，材料的許（xǔ）用應力是確定（dìng）管道壁厚等（děng）級（jí）的基本參數。
不同的設計標（biāo）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（de）設計（jì）標準是按GB150《鋼製壓力容器》確定的許用應力值，ASTM材料（liào）則是取按ANSI B31.3《Process Piping》標準確（què）定的許用應（yīng）力值。
5.3.2腐蝕餘量
腐蝕（shí）餘量是考慮因介質對管道的腐蝕而造成的管（guǎn）道壁厚減薄，從而增加的管道壁厚值。它的大小直接影響到管道壁厚的取值，或者說直接影（yǐng）響到壁厚等級的確（què）定。
目前我國（guó）尚沒有一套有關各種腐蝕介質在不同條件下對各種（zhǒng）材料的腐蝕速（sù）率數（shù）據，因（yīn）此，工程上大（dà）多數情況下仍是憑經驗（yàn）來確定（dìng）其腐蝕餘量（liàng）的。許多國內外（wài）的工程（chéng）公司或設計院通常都將腐蝕餘量分為（wéi）如下（xià）四級:
a.無腐蝕餘量（liàng）。對一（yī）般的不鏽鋼管道多取該值；
b.1.6mm腐蝕餘量。對於腐蝕不嚴（yán）重的碳素鋼和鉻鉬鋼多取（qǔ）該值；
c.3.2mm腐蝕餘量。對於腐蝕比較嚴重（chóng）的碳素鋼和鉻鉬鋼管道（dào）多取該值；
d.加強級(大於3.2mn)腐蝕（shí）餘量。對於有固（gù）體顆粒衝刷等（děng）特殊情況下的管道，根（gēn）據實際情況確定其具體值。.
5.3.3管子及其元件的（de）製造壁厚偏差
管子及其元件在（zài）製（zhì）造過（guò）程中，相對於其公稱壁厚(或者（zhě）叫理論壁厚)都會有正、負偏差（chà），因此在確定管子及其元（yuán）件公稱（chēng）壁厚時一定要考（kǎo）慮可能出現的負偏差值。各種鋼管標準中規定的負偏差值是不（bú）完（wán）全（quán）相同的，GB/T8163《流體輸送用無縫鋼管》、GB/T14976《流體輸（shū）送用不鏽鋼無縫鋼管》規定的壁厚偏差值如下：
表5－3 常用標準的壁厚偏差（chà）值
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材料標準 |
壁厚（mm） |
偏差值（％） |
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GB/T8163 |
≤20 |
+15，-10，+12，-5，-10 |
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GB/T14976 |
<15
≥15 |
+15，-12.5
+20，-15 |
5.3.4焊縫係（xì）數
金屬的焊接過程，實質上是一個冶金過程，其組織帶有明顯的（de）鑄造組織特（tè）征。一般情況下，鑄造（zào）組織缺陷較多，材料性能也有所下降。對於有（yǒu）縱焊縫和螺旋焊縫的焊接管子及其元件，相對於無縫管子及其元件來說，工程上常給（gěi）它一個強度降低係數(即焊縫係數)，以衡量其機械性能下降的程度。其焊縫（féng）係數的取值見表5-4
表5-4 焊接（jiē）鋼（gāng）管的焊（hàn）縫係數
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序號 |
焊接方法 |
接頭形式 |
焊（hàn）縫型式 |
檢驗（yàn）型式 |
焊（hàn）縫係數 |
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1 |
鍛焊（hàn） |
對焊（hàn） |
直線（xiàn） |
按標準要求 |
0.6 |
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2 |
電阻焊 |
對焊 |
直線或螺旋形 |
按標準要求 |
0.85 |
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3 |
電弧焊 |
單麵對焊 |
直（zhí）線或螺旋形 |
無RT
10%RT
100%RT |
0.8
0.9
1.0 |
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雙麵對焊 |
直線或螺旋（xuán）形 |
無RT
10%RT
100%RT |
0.85
0.9
1.0 |
RT 射線探傷
5.3.5設計壽命
a. 設計壽命與壓力管道的腐蝕餘量有關。
對於均勻腐蝕來（lái）說，當知道其年腐蝕速（sù）率後（hòu），根據預定的設計壽命，就（jiù）很容易算出其應取的腐蝕餘量了。
b. 設計壽命還與交變應力作用的荷載變化次數（shù）、氫損傷（shāng）的孕育時間、斷裂因（yīn）子的擴展期等（děng）影響因素有關，
c. 與壓（yā）力管道的一次（cì）性投（tóu）資、資金代嚐期和技（jì）術更新周期有關（guān）。
d. 美國一雜誌上推薦的設計使用壽（shòu）命為:碳鋼為5年；鉻鉬鋼和不鏽鋼為10年。
SH3059標準（zhǔn）規定的設計壽命（mìng）為15年。
國外的一些（xiē）工程公（gōng）司對總承包（bāo）項目規定一般為10年；非總包項目一般為15年，以便從中獲取較大的利潤。
5.4 常用壓力（lì）管道器材的設計標準
1) GB50316-2000《工（gōng）業金屬管道設計規（guī）範（fàn）》；
2) GB50251-94 《輸氣管道（dào）工程設計規範》；
3) GB50253-94 《輸油管道工程設計規範》；
4) GB50028-93 《城鎮（zhèn）燃氣設計規範》(1998年版)(2002年局部修訂條文)；
5) GB50030-91 《氧氣站設計（jì）規範》；
6) SH3059-2001 《石油化工管道（dào）設計器材選用通（tōng）則》；
7) SH3064-1994 《石油化工鋼製通用閥門選用、檢驗及驗收》；
8) HG/T20646 《化工裝置管道材料設計規定》。 |