管道设计与计算手册(宣讲稿)

《燃气专业管道设计与计算手册》编写内容简介

一．编写概况

二．《手册》适用范围：《手册》编写内容，主要侧重于煤气管道和氧气管道。其它介质管道，如燃油管道、LPG管道等不在本《手册》编写范围之内。

三．有关《手册》编写的内容，重点是介绍煤气管道部分。

1. 计算数据的规定：对于常用的无缝钢管、铜管、钢板及铜板等材料的许用应力、焊缝系数以及低压煤气管道许用弯曲应力的规定说明。

① 关于Q235-A.F、Q235-A钢号及其许用应力问题：

经国家标准化委员会于2002年4月16日批准，自2002年7月1日起实施的GB150-1998《钢制压力容器》第1号修改单“表4-1 钢板许用应力”中，取消了Q235-A.F、Q235-A钢号及其相应的许用应力。

由国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察局主编的《全国压力管道设计审批人员培训教材》第六章第七节“压力管道常用金属材料的应用限制”第6.7.4条中也提及“因Q235-A.F和Q235-A钢板型号存在问题，已不推荐使用”。

武汉院蔡令放来中冶华天作压力管道培训讲课时，也告诫Q235-A.F和Q235-A钢号在武汉院的工程设计中也已淘汰，“起步”钢号就是Q235-B。

其它设计单位的作法不详。

中冶华天：

从以上相关文件的要求，可以看出：凡属压力容器和压力管道的工程设计，无疑均应执行上述规定要求，对于其它情况是否可不受限制或是自由选择？需要讨论。

② 纯铜和黄铜管的材料性能及许用应力如何确定。

原《O2天书》在当时条件下，其许用应力规定为：

T2 半硬 抗拉强度σb=25 kgf/mm2 许用应力[σ]=6.2 kgf/mm2 n=4.032

软 抗拉强度σb=21 kgf/mm2 许用应力[σ]=5.2 kgf/mm2 n=4.038

H62半硬 抗拉强度σb=34 kgf/mm2 许用应力[σ]=8.5 kgf/mm2 n=4.0

软 抗拉强度σb=30 kgf/mm2 许用应力[σ]=7.8 kgf/mm2 n=4.0

本《手册》在编写过程中，在现行规范中或相关手册中均未查到对纯铜和黄铜管的许用应力的规定。仅在GB/T1527-1997《铜及铜合金拉制铜管》标准4.5.1“管材的液压试验”条文中，提及了纯铜（T2 、T3、 TP1 和TP2）的许用应力为41.2MPa（4.2 kgf/mm2）。本《手册》即按此相应的安全系数取值（n=4.975），给出了常用铜管抗拉强度及其许用应力参考值，详见《手册》表1-2。此考虑是否合理，请提出意见。

③近年来，引进的工艺设备以及承接的国外工程设计项目逐渐增多，各国钢材牌号各不相同。《手册》中拟增添“主要国家常用钢材钢号对照表”，是否加入本《手册》，请提出意见。

2.管径计算：煤气流速及流量速查表，扩大了管径范围，（由DN3400至DN4600）。

3.管道壁厚计算及说明

关于管道壁厚计算，这本《手册》并未涉及。原因是在2005年编写的《燃气专业常用材料及法兰手册》中，已对各种材质的管道壁厚给出了推荐值，如：

常用公称压力下碳素钢无缝钢管的管壁厚度；

常用公称压力下不锈钢无缝钢管的管壁厚度； 常用公称压力下黄铜管的管壁厚度；

低压煤气管道（钢板卷管）的管壁厚度；

以上分别见2005年编写的《燃气专业常用材料及法兰手册》表1-1、表1-2、表1-3及表1-4。

关于管道壁厚计算，现简介如下：

a．低压煤气管道

计算公式见原《M天书》p274。其中附加裕量BFG为2mm，COG为3mm；计算压力按爆炸压力计算。BFG及MG的爆炸压力均按6 kgf/cm2 计；COG的爆炸压力按7 kgf/cm2 计；

例如：核算φ2220mm COG管道，计算壁厚：

δ=7×2220/2.76×1330×0.95 + 3 = 4.456 + 3 = 7.456mm 取8mm。

核算φ2220mm BFG管道，计算壁厚：

δ=6×2220/2.76×1330×0.95 + 2 = 3.82 + 2 = 5.82mm 取6mm。

核算φ2220mm MG管道，计算壁厚：

δ=6×2220/2.76×1330×0.95 + 3 = 3.82 + 3 = 6.82mm 取7mm。

按现行规范GB50316-2000内压直管壁厚计算公式, 计算φ2220mm COG管道，计算壁厚：

δ=0.7×2220/2（113×0.85+0.7×0.4）+ 3 = 8.066 + 3 =11.066mm ，需取壁厚为12mm。

再算φ3020mm COG管道，计算壁厚：

δ=0.7×3020/2（113×0.85+0.7×0.4）+ 3 = 10.973 + 3 =13.97mm ，需

取壁厚为14mm。

讨论：按现行规范GB50316-2000内压直管壁厚计算公式计算的煤气管道壁厚，如果仍按煤气的爆炸压力取值，显然计算壁厚过大，似有不合理之处。

b．氧气管道

壁厚计算公式为δ=p×D/230[σ]×φ + C ，见原《O2天书》p209。

原《O2天书》中，按当时的条件给出了各主要材料的抗拉强度值及[σ]值，以及附加裕量的规定。

例如：用于输送压力为1.6MPa的氧气管道（常温），采用φ219mm 无缝钢管，材质为10钢，计算壁厚δ=16×219/230×11.4×1.0 + 2 = 1.336 + 2 = 3.336mm

选用壁厚为6mm。采用φ219mm 螺旋焊管，材质为A3钢，计算壁厚 δ=16×219/230×13×0.6 + 2 = 1.953 + 2 = 2.953mm,仍选用壁厚为6mm。

按现行规范GB50316-2000内压直管壁厚计算公式，以上述相同条件（输送压力1.6MPa、φ219mm 无缝钢管、10钢及常温）进行核算。[σ]=110MPa，C1+C2仍取2mm，Y=0.4，φ取0.9，则: δ=1.6×219/2（110×0.9+1.6×0.4） + 2 =

1.758 + 2 = 3.785mm,仍取壁厚为6mm。当输送压力分别为2.5MPa和4.0MPa时,

设计壁厚计算值分别为4.74mm和6.35mm,故选用壁厚分别为6mm和7mm。

以φ219mm不锈钢无缝钢管为例,设计压力按4.0MPa进行核算。此时[σ]=137MPa, 其它条件同上。则计算壁厚δ=4.0×219/2（137×0.9+4.0×0.4）

+ 2 = 3.507 + 2= 5.507mm, 壁厚取6mm。

以φ220mm黄铜管（H62）为例, 设计压力按4.0MPa进行核算。其许用应力[σ]按335/5=67.3MPa计, C1+C2取1.5mm，δ=4.0×220/2（67.3×0.9+4.0×0.4） + 1.5=7.077+ 1.5=8.577 mm, 应取壁厚为9mm。2005年所编《燃气专业常用材料及法兰手册》中，黄铜管（H62）的许用应力[σ]是按8.375kgf/cm2计算取值的（安全系数n=4），则δ=40×220/230×8.375×1.0 + 1.5=4.568+

1.5=6.068 mm,可取壁厚为7mm。

此处需要说明，在计算铜和铜基合金管的许用应力时，由于取用安全系数有所不同，计算壁厚就会有差异。对于铜材的强度性能，安全系数取多大为合理尚需待定。

4.跨距计算：

1）基本荷载的说明：荷载规定未作修改，仍按原《M天书》确定的数值执行。煤气管道除管道自身金属重量外，其余荷载主要有管道积水和预留荷载2项。其中预留荷载在原《M天书》附表3-7和附表3-8中用n=1.2、n=1.3〃〃〃〃〃〃n=2表示其预留荷载的百分数。

举例如下：当设计的煤气管道直径为φ1020×6,预留荷载确定为n=1.2时，其: 计算荷载为（金属重150 + 事故水重390）×1.2=648kg/m;

操作荷载为（金属重150×1.2 + 事故水重390×0.2）+ 操作水重41=299

kg/m。

补充说明：土建专业在设计管道支架时，工艺专业应提供管架上的荷载，有：

管道本体重、介质重（包括管内的操作水、事故水、试压水等）、管道预留荷载以及操作平台上的活荷载等；对固定管架，还要提供管道的水平推力及其作用方向。上述各种荷载（不包括管道在活动管架上的摩擦推力以及风、雪和地震等荷载），土建专业在设计管架时要进行管架内力和内力组合计算及管架基础计算，均需要按管道不同的工作状态（操作及事故）进行各种荷载的组合，取其安全、可靠的计算结果。

2）低压煤气管道临界弯曲应力σej及许用弯曲应力[σ]w

低压煤气管道在达到临界弯曲应力时，管壁即发生翘曲。对直径较大的架空煤气管道，其丧失稳定性主要是压应力。其临界弯曲应力及许用弯曲应力的计算按《M天书》第四章推荐的公式（4-3）、（4-4）、（4-5）、（4-6）、（4-7）和（4-8）进行。当临界弯曲应力超过屈服点时，许用弯曲应力[σ]w只按公式（4-5）第1式计算即可。当临界弯曲应力小于屈服点时，其许用弯曲应力[σ]w则按公式（4-5）两式计算,取较小值。

现以计算实例说明如下：

原《M天书》按A3钢、σS=2400 kgf/cm2 及[σ]=1330 kgf/cm2（n=1.8）作为计算基础数据。

核算1020×4

R=51cm

E=2.1×106 kgf/cm2

σS=2400 kgf/cm2

计算临界弯曲应力，得σej=2628 kgf/cm2（原《M天书》表4-4 σej=2660

kgf/cm2），此值大于屈服点σS=2400 kgf/cm2；

计算内压折算应力,得σzS = 55.43 kgf/cm2 (其中Pj=0.5 kgf/cm2, D=102cm ,

δj=0.4cm)；

按公式（4-5）第1式计算[σ]w=1819.85 kgf/cm2（原《M天书》表4-4 [σ]w

=1820 kgf/cm2）；

其竖向许用弯曲应力[σ]w1

η=0.9 [σ]w1 =1819.85×（0.9）2=1474 kgf/cm2 （1470 kgf/cm2） η=0.85 [σ]w1 =1819.85×（0.85）2=1313.8 kgf/cm2 （1320 kgf/cm2）

η=0.8 [σ]w1 =1819.85×（0.8）2=1164.7 kgf/cm2 （1170 kgf/cm2）

其横向许用弯曲应力[σ]w2

η=0.9 [σ]w2 =1819.85×[（1-0.9）4]1/2=1067.2 kgf/cm2 （1070 kgf/cm2）

η=0.85 [σ]w2 =1819.85×[（1-0.85）4]1/2=1258.3 kgf/cm2 （1260 kgf/cm2）

η=0.8 [σ]w2 =1819.85×[（1-0.8）4]1/2=1398.4kgf/cm2 （1400 kgf/cm2）

其许用切应力[τ]

[τ]= 0.5[σ]w= 0.5×1819.85=910 kgf/cm2

核算1220×4

计算临界弯曲应力，得σej=2194.7 kgf/cm2（原《M天书》表4-4 σej=2210