壓力管道器材及其選擇

本文節(jié)選自 《壓力管道設(shè)計及工程實例(二版) 第4章》

    一、  公稱壓力（Nominal Pressure （PN））

    管道組成件的公稱壓力是指與其機械強度有關(guān)的設(shè)計給定壓力，它一般表示管道組成件在規(guī)定溫度下的最大許用壓力。目前，國內(nèi)外管道組成件的公稱壓力已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，各國管道元件公稱壓力雖然不同，但基本上可分為兩個系列，即美洲系列和歐洲系列。

　　二、  以ASME B16.5為代表的美洲系列

　　美國ASME B16.5《管法蘭和法蘭管件》是一套在世界上通用的、系統(tǒng)性較強、內(nèi)容涉及墊片、螺栓及管子的完整的管法蘭標(biāo)準(zhǔn)。其公稱壓力見表4.1.2，公稱直徑為NPS 1/2～24，其適用的鋼管外徑尺寸應(yīng)符合ASME B36.10M。該標(biāo)準(zhǔn)從1927年經(jīng)美國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ASA）批準(zhǔn)為美國試行標(biāo)準(zhǔn)B16e以來，已經(jīng)先后進(jìn)行了十多次的修訂。1981年增加了公制尺寸，稱為ANSI B16.5，但在1988年版中取消了公制尺寸，稱為ASME/ANSI B16.5，1996年開始稱為ASME B16.5，一直沿用到現(xiàn)在的最新版本。

表4.1.1  ASME B16.5的發(fā)展歷程

表4.1.2  ASME B16.5公稱壓力分級

　　這種壓力等級系列在美國、日本等國家得到廣泛應(yīng)用。

　　三、  以DIN2401為代表的歐洲系列

　　德國標(biāo)準(zhǔn)《壓力和溫度說明、概念、公稱壓力等級》（DIN2401）規(guī)定的公稱壓力等級如下表所示：

　　1應(yīng)優(yōu)先選用表中不帶括弧的壓力等級；

　　2以前也用過64這個數(shù)，63與64可以互換。

　　在DIN2401壓力等級系列標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定公稱壓力為200℃時的最大許用工作壓力，單位為Bar。

　　此壓力等級系列標(biāo)準(zhǔn)在原蘇聯(lián)及東歐影響較大，我國JB、HG法蘭標(biāo)準(zhǔn)的公稱壓力等級也與此壓力等級標(biāo)準(zhǔn)相同。

　　四、  ISO公稱壓力等級標(biāo)準(zhǔn)

　　上述美洲系列和歐洲系列兩個壓力等級標(biāo)準(zhǔn)在世界不同區(qū)域均有很大的影響，目前還無法統(tǒng)一成一個標(biāo)準(zhǔn)。國際化標(biāo)準(zhǔn)組織考慮到這現(xiàn)狀于年制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)實際上是一個折中的標(biāo)準(zhǔn)。它將上述兩個標(biāo)準(zhǔn)的主要壓力等級分別列在兩個系列中。

　　國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的法蘭標(biāo)準(zhǔn)（ISO7005-1）同時包括了“美洲系列”和“歐洲系列”兩個系列，以期與這兩個標(biāo)準(zhǔn)體系都能配伍，它代表了當(dāng)前世界法蘭標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用趨勢。如表4.1.3所示。

　　表4.1.3  ISO7005-1法蘭壓力等級系列

　　注：系列1為基本等級，系列2的應(yīng)用應(yīng)加上限制，并應(yīng)盡可能取消，PN40限制使用。

　　上述兩個系列中的PN2.5、PN6、PN10、PN16、PN25、PN40共六個等級屬“歐洲系列”。而PN20(相當(dāng)于Class150)、PN50(相當(dāng)于Class300)、PN110(相當(dāng)于Class600)、PN150、PN260(相當(dāng)于Class1500)、PN420共六個等級屬于“美洲系列”，二者在結(jié)構(gòu)尺寸和密封面尺寸上是不能互換的。

　　五、  日本的壓力等級標(biāo)準(zhǔn)

　　日本的JIS B2201標(biāo)準(zhǔn)自成體系，既不屬于“美式”，也不屬于“歐式”。該標(biāo)準(zhǔn)包括的公稱壓力等級共八個，對應(yīng)的溫度－壓力等級見表4.1.4。

表4.1.4  JIS法蘭標(biāo)準(zhǔn)在120℃時的溫度－壓力等級近似值

　　JIS應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系與ASME和DIN等都不能配套使用。為了彌補這個缺陷，日本石油學(xué)會編制了一套JPI標(biāo)準(zhǔn)，它基本上等效采用了ASME/API應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系，故它能與ASME互換。

　　六、  英國、法國的壓力等級標(biāo)準(zhǔn)

　　英國采用的壓力等級標(biāo)準(zhǔn)為兩類，相應(yīng)的法蘭標(biāo)準(zhǔn)也分為兩類，其一是以BS1560為代表的法蘭標(biāo)準(zhǔn)，它基本上等同采用了ASME標(biāo)準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)型式和密封面型式同ASME B16.5；其二是以BS4504為代表的法蘭標(biāo)準(zhǔn)，它基本上等同采用了DIN標(biāo)準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)型式和密封面型式同DIN2500

　　相應(yīng)的管子尺寸標(biāo)準(zhǔn)有兩類，其一是以BS1600為代表的管子、管件標(biāo)準(zhǔn)，它基本上等同采用了ASME標(biāo)準(zhǔn)，其直徑范圍和壁厚分級同ASME B36.10/B36.19；其二是以BS3600為代表的管子、管件標(biāo)準(zhǔn)，它基本上等同采用了ISO標(biāo)準(zhǔn)，其直徑范圍和壁厚分級同ISO4200。

　　法國和英國采用的壓力等級標(biāo)準(zhǔn)類似。

　　七、  中國的各種壓力等級標(biāo)準(zhǔn)

　　目前，國內(nèi)的壓力管道及其元件的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)很多，又均不完整。常用的標(biāo)準(zhǔn)就有國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB）、石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SH）和化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（HG）等。這些標(biāo)準(zhǔn)各有各自的溫度－壓力表、密封面尺寸和接管尺寸，相互之間互換性差，有些甚至不能配套使用。

　　1、  GB/T1048《管道元件 PN（公稱壓力）的定義和選用》

　　我國的管道元件壓力標(biāo)準(zhǔn)是在考慮我國工業(yè)發(fā)展的歷史狀況和當(dāng)前國際標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢的前提下編制而成。對PN(公稱壓力)的定義按ISO/CD 7268和BS EN 1333《管道元件 PN的定義和選用》進(jìn)行了修改。

　　PN:與管道系統(tǒng)元件的力學(xué)性能和尺寸特性相關(guān)、用于參考的字母和數(shù)字組合的標(biāo)識。它由字母PN和后跟無因次的數(shù)字組成。

　　注1:字母PN后跟的數(shù)字不代表測量值，不應(yīng)用于計算目的，除非在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中另有規(guī)定。

　　注2:除與相關(guān)的管道元件標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)聯(lián)外，術(shù)語PN不具有意義。

　　注3:管道元件允許壓力取決于元件的PN數(shù)值、材料和設(shè)計以及允許工作溫度等，允許壓力在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的壓力溫度等級表中給出。

　　注4:具有同樣PN和DN數(shù)值的所有管道元件同與其相配的法蘭應(yīng)具有相同的配合尺寸。

　　GB/T1048-2005《管道元件公稱壓力》規(guī)定的公稱壓力系列如下表：

　　GB1048/T管道元件公稱壓力

　　注：ANSI標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不使用，變?yōu)锳SME標(biāo)準(zhǔn)

　　2、  石化行業(yè)的壓力等級標(biāo)準(zhǔn)

　　法蘭標(biāo)準(zhǔn)（SH3406）石化行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系的法蘭標(biāo)準(zhǔn)（SH3406）等效采用了ASME B16.5和API605標(biāo)準(zhǔn)，屬于“美式法蘭”。SH3406在結(jié)構(gòu)尺寸和密封面型式上與ASME B16.5/API605有著很好的互換性，因此它能與ASME、API、MSS等標(biāo)準(zhǔn)的管道元件配套使用。但因為SH3406采用了我國材料標(biāo)準(zhǔn)而不是美國材料標(biāo)準(zhǔn)（ASTM），故二者的溫度－壓力表有少許偏差，故在考慮二者互換時，應(yīng)注意并核對它們的溫度－壓力對應(yīng)允許值。

　　SH3406標(biāo)準(zhǔn)的公稱壓力等級共包括PN1.0、PN2.0（Class 150）、PN5.0（Class 300）、PN6.8（Class 400）、PN10.0（Class 600），PN15.0（Class 900）、PN25.0（Class 1500）、PN42.0（Class 2500）八個等級。

　　3、  化工行業(yè)的壓力等級標(biāo)準(zhǔn)

　　法蘭標(biāo)準(zhǔn)（HG20592～HG20605和HG20615～HG20626）

　　化工行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系的管法蘭標(biāo)準(zhǔn)參照了ISO7005－1標(biāo)準(zhǔn)的編寫模式，即同時包含了“歐式法蘭”和“美式法蘭”兩個體系。

　　其歐式法蘭標(biāo)準(zhǔn)（HG20592～HG20605）的公稱壓力等級共包括PN0.25、PN0.6、PN1.0、PN1.6、PN2.5、PN4.0、PN6.3、PN10.0、PN16.0、PN25.0等10個壓力等級，公稱直徑范圍為（DN10～DN2000）mm，法蘭型式有板式平焊、帶頸平焊、帶頸對焊、整體式、承插焊、螺紋、對焊環(huán)松套、平焊環(huán)松套、法蘭蓋、襯里法蘭等10種，密封面型式有突面、凹凸面、榫槽面、環(huán)連接面、全平面等5種。它可以與我國的JB閥門配套使用。

　　其美式法蘭標(biāo)準(zhǔn)（HG20615～HG20626）基本上等效采用了ASME標(biāo)準(zhǔn)。其中，對于DN≤600mm的法蘭則等效采用了ASME B16.5標(biāo)準(zhǔn)，而對DN≥650mm的法蘭則等效采用API605標(biāo)準(zhǔn)。法蘭的公稱壓力等級共包括PN2.0、PN5.0、PN11.0、PN15.0、PN26.0和PN42.0等6個壓力等級，公稱直徑范圍為（DN15～DN1500）mm，法蘭型式有帶頸平焊、帶頸對焊、整體法蘭、承插焊、螺紋、松套等5種，密封面型式有突面、凹凸面、榫槽面、環(huán)連接面、全平面等5種型式。

　　化工行業(yè)壓力管道應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系也是一個相對比較完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，而且經(jīng)歷了若干年的生產(chǎn)實踐檢驗，具有成熟的使用經(jīng)驗。其使用面比較廣，它既可以與國外的ASME、DIN、ISO等標(biāo)準(zhǔn)配合使用，又可以與國內(nèi)的GB、SH、JB等標(biāo)準(zhǔn)配合使用。

　　4、  機械行業(yè)的壓力等級標(biāo)準(zhǔn)

　　機械行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系（JB）中的法蘭標(biāo)準(zhǔn)JB/T74～JB/T90屬于歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系，其公稱壓力等級共包括PN0.25、PN0.6、PN1.0、PN1.6、PN2.5、PN4.0、PN6.3、PN10.0、PN16.0、PN20.0等10個壓力等級。

　　5、  中國的壓力等級標(biāo)準(zhǔn)

　　中國應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系的法蘭標(biāo)準(zhǔn)GB9112～GB9123等效采用了ISO7005-1標(biāo)準(zhǔn)，因此它同時包括了“歐式法蘭”和“美式法蘭”兩個體系。公稱壓力有兩個系列：其一是以PN0.25、PN0.6、PN1.0、PN1.6、PN2.5、PN4.0共6個等級組成的I系列，屬于“歐式法蘭”；其二是以PN2.0、PN5.0、PN10.0、PN15.0、PN25.0、PN42.0共6個等級組成的II系列，屬于“美式法蘭”。

　　公稱壓力標(biāo)記示例：

　　PN  XX

           公稱壓力（MPa）

            公稱壓力代號

　　八、  影響公稱壓力等級確定的因素

　　1.   采用的標(biāo)準(zhǔn)體系

　　相同的設(shè)計條件，而選用不同的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，其公稱壓力等級是不同的。因此，在確定管道公稱壓力等級之前，應(yīng)首先確定其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系

　　有時在同一裝置甚至同一管道中，可能會同時采用兩種或多種應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)同一管道中采用了兩種或多種公稱壓力相同但應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)不同的管道元件時，應(yīng)注意它們的溫度－壓力值的差別，并應(yīng)根據(jù)設(shè)計條件逐個核對其溫度－壓力值，并使各標(biāo)準(zhǔn)的溫度－壓力值均能得到滿足。工程實踐中，發(fā)現(xiàn)這類問題時常出現(xiàn)在SH法蘭與API閥門、GB法蘭與JB法蘭的配套使用中。

　　2.   壓力管道材料

　　壓力管道材料的選用是由設(shè)計溫度、設(shè)計壓力和操作介質(zhì)確定的。但管道中各元件的材料標(biāo)準(zhǔn)往往是不同的，一般情況下，管子用管材，法蘭用鍛材，而閥門多用鑄材。無論采用什么材料標(biāo)準(zhǔn)，它們都應(yīng)該是同等級的材料，即具有對操作條件的同等適應(yīng)性和等強度。

　　很多標(biāo)準(zhǔn)中如ASME B16.5、ASME B16.34都給出了管材、鍛材、板材、棒材、鑄材的配伍表，但SH3406和GB法蘭沒有相應(yīng)的配伍表，因此使用時應(yīng)注意法蘭和閥門的材質(zhì)配伍以及它們的溫度－壓力值的一致性。同時要注意，在一些標(biāo)準(zhǔn)中，如ASME B16.34標(biāo)準(zhǔn)，都給出了一些材料的應(yīng)用限制，設(shè)計選用時應(yīng)注意這些限制。

　　3.   操作介質(zhì)

　　對于輸送易造成嚴(yán)重危害或易于產(chǎn)生重大事故的介質(zhì)的管道，在考慮其公稱壓力等級時，不應(yīng)僅僅按溫度－壓力表來確定，應(yīng)適當(dāng)提高其公稱壓力等級，即提高其安全可靠系數(shù)。《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》GB50316對不同操作介質(zhì)的管道公稱壓力作出了也一些規(guī)定。

　　對于有毒、可燃介質(zhì)管道的法蘭連接最低公稱壓力，SH3059標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：SHA級管道的公稱壓力，不宜低于5.OMPa；SHB、SHC級管道的公稱壓力，不宜低于2.OMPa。當(dāng)采用JB標(biāo)準(zhǔn)體系時，對輸送劇毒介質(zhì)的管道，應(yīng)不低于PN4.0MPa；對輸送氫氣、氨氣、液態(tài)烴等介質(zhì)的管道，應(yīng)不低于PN2.5MPa；

　　對輸送一般可燃介質(zhì)的管道， 當(dāng)采用SH標(biāo)準(zhǔn)體系時，其公稱壓力等級最低應(yīng)不低于PN2.0MPa，當(dāng)采用JB標(biāo)準(zhǔn)體系時，應(yīng)不低于PN1.6MPa。

　　4.   介質(zhì)溫度及管系附加力

　　很多法蘭標(biāo)準(zhǔn)的溫度－壓力表的對應(yīng)值是指法蘭不受沖擊荷載的對應(yīng)值。管道給予法蘭的彎曲載荷主要是由管系的熱脹冷縮引起的。一般情況下，對于PN2.0等級的法蘭，當(dāng)其工作溫度大于200℃時，或PN5.0及以上等級的法蘭在工作溫度大于400℃時，均應(yīng)考慮或核算管系對法蘭產(chǎn)生的附加載荷的影響，或者提高管系的公稱壓力等級。