管道压力试验封头型式及厚度的确定

长输管道压力试验封头型式及厚度的确定
郭明万
摘要：根据长输管道的材质和压力等级，匹配常用的压力容器用钢板作为管道压力试验封头用材料，按压力容器的方法确定封头的结构型式和厚度。

关键词：压力试验；封头；厚度
符号说明
δ——计算厚度，mm；
P
——计算压力，MPa；等于设计压力与压力试验管段液位高差静压力之和；
c
——封头内直径，mm；
D
i
[σ]t——设计温度下材料的许用应力，MPa；
φ——焊接接头系数，采用整板料取1；
α——圆锥半顶角，（°）；
压力试验是管道施工涉及人身和财产安全的关键工序，在管道设计规范、施工规范中均未对管道压力试验的封头型式、材质与厚度作出相应的规定，施工单位一般根据经验和材料的实际情况确定，存在着较大的安全风险。

但压力管道（最大直径φ1219mm，最高设计压力10MPa）与压力容器（最大直径超过φ5000mm，最高设计压力大于100MPa）同属承压类特种设备，把管道等同于筒体很长的压力容器，管道压力试验与压力容器的压力试验就是完全相同的，因此，用压力容器的方法确定长输管道试压封头是满足管道要求的。

管道压力试验的封头型式、材质与厚度可以根据压力容器的基本要求和计算方法确定。

1 封头型式的确定
压力容器用封头根据几何形状的不同，一般分为球形封头、椭圆封头、碟形封头、锥形封头、平盖等。

以峰值应力和截面突变情况为依据，优先选用球形封头，其它封头依次次之，平盖的受力状况最差，截面突变最大。

1.1球形封头
球形封头截面形状为半球形，球形封头没有相应的专业制造标准，到目前为止，一般按照GB150进行设计计算，参照JB/T4746制造，根据需要，封头直边可有可无，供需双方协商确定。

由于截面突变最小，其受力状况最好，在同等条件下所需的金属厚度最小，其厚度计算公式为：
δ=
P
c
D
i
4[σ]tφ-P
c
但由于封头深度较大，加工难度相对较大，且考虑到与管道（筒体）等厚度焊接的因素，从经济适用出发，球形封头一般用于压力较高的场合才能体现其受力状况佳、用料厚度较小的优势。

建议设计压力≥8.0MPa的管道采用球形封头作为试压封头。

1.2椭圆封头（本文指标准椭圆封头）
椭圆封头截面形状为半椭圆形，按GB150进行设计计算，按JB/T4746制造加工。

其截面突变和受力状况仅次于球形封头，加工深度较小，使用最普遍，标准椭圆封头厚度计算公式为：
δ=
P
c
D
i
2[σ]tφ-0.5P
c
建议设计压力＜8.0MPa的管道采用标准椭圆封头作为试压封头。

1.3碟形封头
使用较少，不采用。

1.4锥形封头
锥形封头类同于管件中大小头，按GB150进行设计计算，按JB/T4746制造加工。

由于管道直径与压力容器直径常有不匹配的现象，在试压时采用锥形封头作为过渡段，使锥形封头的直径与球形封头、椭圆封头匹配。

锥形封头的长度不应小于管道外径值且不应小于0.5m，其厚度计算公式为：
δ=
P
c
D
i
2[σ]tφ-P
c
·
1
cosα
采用锥形封头过渡，均必须过渡至压力容器直径系列中最靠近的直径值，且管道直径由大过渡至较小为宜。

1.5平盖
平盖的型式较多，在GB150中，仅规定了不加筋平盖的设计计算，共13种类型；在HG20582中，对径向筋板圆形平盖的结构和厚度计算有比较详细的规定，但仅适用于低压容器（<1.6MPa）和真空容器。

虽然加筋圆形平盖在管道试压中有过成功地运用，从理论上存在可行性，但其厚度计算十分复杂，且没有检索到能够很好解决厚度计算的文献资料和适用方法，根据经验确定结构和厚度，存在着安全风险和不确定因素，就安全性和适用性而言，还有待于进一步研究。

因此，管道压力试验不建议采用平盖封头。

2 封头材质的确定
2.1材料力学性能的比较
按照压力容器的基本原则，封头的材质一般和筒体相同，也就是说，管道试压封头的材质最好与管道材质相同，这样其强度和焊接性能完全相同。

但由于试压封头用料较少以及管道材料的专用性，获得与管道材质相同的钢板十分困难，而压力容器用钢板十分普遍，从实际情况出发，采用压力容器用钢板代替管道用钢板制作封头是比较简单适用的解决办法。

根据GB713-2008，最常用的压力容器钢板为Q245R（20R）、Q345R（16MnR），GB700、GB/T9711、API5L标准管道钢与GB713中的Q245R、Q345R力学性能见表1：
表1 材料力学性能的比较
2.2管道与试压封头材料的匹配
采用GB700的Q235-A、B、C、D制作的钢管，虽然GB3274均有相对应的材料，但GB150已取消Q235-A，且对Q235-B、Q235-C的使用有严格限制规定，所以一般不建议采用采用Q235系列钢板制作封头。

在压力容器的计算中，以抗拉强度为计算依据，根据抗拉强度管道材料对应的试压用封头材料匹配关系见表2：
表2 管道与容器材料的匹配关系
3 试压封头厚度的确定
根据球形封头、标准椭圆封头、锥形封头（根据实际情况选配）计算公式确定计算厚
取0.8mm，考虑腐蚀裕量1mm. 一般情况下，管道试压均在常温下度δ，钢板负偏差C
1
进行，常温范围可以确定为高于-20℃低于100℃，Q245R(20R)的许用应力[σ]t=133MPa；Q345R(16MnR)的许用应力[σ]t =170MPa.
确定试压封头厚度举例：
①计算条件：管道的设计压力为6.4 MPa，管道规格φ355.6×7.9，材质 L415，
L415的力学性能：Rel=415 Mpa，Rm =520 MPa
②直径匹配：管道内直径D=355.6-2*7.9=339.8mm，与压力容器直径不匹配，增加锥
形过渡段材料采用Q345R(16MnR)，向直径较小的方向匹配到DN325（外径），见下图：
δ=
P
c
D
2[σ]tφ-P
c
·
1
cosα
=
6.4×339.8
2×170×1-6.4
·
1
cos1.8
= 6.52mm
6.52+0.8+1=8.32mm，则名义厚度：10mm
因此，锥形过渡段厚度为10mm，材质为Q345R(16MnR).
③椭圆封头厚度计算：管道设计压力为6.4MPa，采用Q345R(16MnR)标准椭圆封头
δ=
P
c
D
i
2[σ]tφ-0.5P
c
δ——计算厚度，mm；
P
c
——计算压力，MPa；假如在平原地区，压力试验管段无液位高差静压力，取计算压力等于设计压力；
D
i
——封头内直径，mm；
[σ]t——设计温度下材料的许用应力，MPa；
φ——焊接接头系数，采用整板料取1；
δ=
6.4×305
2×170×1-0.5×6.4
= 5.8mm
5.8+0.8+1=7.6mm
则名义厚度：8mm（考虑用料因素，也可以取10mm）因此，试压椭圆封头直径为φ325mm（外径），厚度10mm.
④应力校核：根据GB150及管道施工规范（如GB50369）压力试验的环向应力σ≤
0.9σ
s
σ =P
T
(D
i
+δ
e
)
2δ
e
σ——环向应力， MPa；
P
T
——试验压力，1.5×6.4 MPa；
D
i
——封头内直径，φ305 mm；
δ
e ——有效厚度，考虑钢板负偏差及腐蚀裕量，δ
e
=10-0.8-1=8.2 mm；
0.9σ
s
—— 0.9×345=310.5 MPa；
按公式计算得：σ=183.34 Mpa ＜ 0.9σ
s
，应力校核合格。

⑤计算结果：采用φ355.6×φ325×10锥形封头作为过渡段，采用φ325×10的
椭圆封头作为试压封头，两者材质均为Q345R(16MnR).
4 需要说明的情况
试压封头与锥形过渡段、管道的对接按标准规定加工坡口，焊缝（包括锥形过渡段纵焊缝）必须进行100%的射线探伤，封头必须为整板冲压。

Q245R（20R）、Q345R（16MnR）与管道材料的焊接建议进行工艺评定，以保证焊接后的力学性能。

参考文献：
1.GB150-1998 《钢制压力容器》
2.GB713-2008 《锅炉和压力容器用钢板》
3.HG20582-1998 《钢制化工容器强度计算规定》
4.GB50369-2006 《油气长输管道工程施工及验收规范》。