压力管道壁厚设计计算与对比分析

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压力管道壁厚设计计算与对比分析

作者：安红卫

来源：《中国化工贸易·中旬刊》2018年第04期

摘 要：文章依据内压薄壁圆筒壁厚计算模型，对压力管道经典壁厚计算公式的现状、来源和发展过程做了说明，进而对国内外、国内各类别压力管道和工业管道各种不同标准规范在壁厚计算方面的差异，以及负压工况下大口径薄壁管道壁厚校核和两种许用外压计算方法做了对比分析和示例说明，以期对压力管道设计人员能有所帮助。

关键词：压力管道；壁厚计算；对比分析；许用外压

1 内压直管壁厚计算基础

1.1 内压薄壁圆筒壁厚计算模型

由内压在薄壁圆筒上产生的周向应力和轴向应力可根据平衡条件计算。根据牛顿定律，从薄壁圆筒周向断面上的平衡可得周向应力σc= Pr/t；从薄壁圆筒轴向断面上的平衡可得轴向应力σe=Pr/2t。因轴向应力仅为周向应力的一半，可忽略不计。根据第一强度理论，σc=

Pr/t≤[σ]，可得粗略的薄壁内压圆筒壁厚计算公式t=Pr/[σ]或t=P D/2[σ]。

1.2 ASME B31.3壁厚计算公式来源与发展过程

从上面的推导过程可知，对于理想的薄壁圆筒管状设备，如果要使其强度承受给定内压而不致破坏，所取的计算厚度应与内压和管子直径的乘积成正比，与材料的许用应力成反比。经过多年发展并考虑各种影响因素和对公式的不断修正，形成了目前广泛认可的ASME B31.3经典壁厚计算公式。

2 国内外压力管道壁厚计算对比分析

通过上面的分析，我们知道了目前国际上广泛认可的压力管道壁厚计算公式的现状、来源和发展过程，而国内大多数压力管道的标准规范大多等效或参照采用ASME等国际先进标准规范体系。因国内行业分工不同导致压力管道类别较多，相同类别还有各种不同标准规范且要求不一，有的与ASME等不能一一对应（如输油和输气管道），有的现行标准明显滞后，跟不上国际先进标准。

2.1 国内压力管道规范与ASME对比分析

目前国内压力管道规范--工业管道GB/T20801-2006因被國家安全技术法规“压力管道安全技术监察规程”引用而成为强制标准。该标准等同采用了ASME B31.3较早版本的管道壁厚计龙源期刊网

算公式，只不过因为国内材料标准不同且自成体系，计算时材料许用应力取值稍有差别。目前ASME B31.3的有效版本在分母SE项增加了一个焊接接头强度降低系数，如果材料相同，在蠕变温度下按GB/T20801的计算值或安全性相对于ASME B31.3会有所降低。实际上，动力管道规范ASME B31.1仅对焊接钢管而不对无缝钢管增加焊接接头强度降低系数，这点与国内电力行业的动力管道规范是一致的。

2.2 国内主要工业管道规范对比分析

目前国内现行的压力管道规范-工业管道方面主要包括国标GB/T20801-2006和GB50316-2000（2008版）、石化器材标准SH/T3059-2012，以及电力行业汽水管道规范DL/T5054-2016。GB/T20801-2006前面已有说明，虽然等效或参照采用了ASME B31.3，但没有跟上ASME B31.3的发展步调，在计算式中缺少焊接接头强度降低系数，目前急需升版。GB50316-2000（2008版）因是国家强制标准仍然有效，也没有焊接接头强度降低系数，但其许用应力取值偏保守，目前两套标准并行的局面一直困扰着广大管道材料设计人员。个人建议应执行GB/T20801，而GB50316已完成其历史使命，应尽快择机退出历史舞台。石化行业器材规定SH/T3059-2012因发布较晚，与现行ASME B 31.3完全一致，在计算式中增加了焊接接头强度降低系数。电力行业汽水管道规范与现行的ASME动力管道规范是一致的，许用应力取值相对于工艺管道高，特别是无缝钢管在蠕变温度下的计算结果比工艺管道要小得多。国内各工业管道规范因标准不同可能导致管道壁厚计算和取值结果完全不同。

2.3 国内工业管道规范和长输管道、燃气管道规范对比分析

目前国内现行的长输管道规范如输油管道GB50253-2014和输气管道GB50251-2015，主要参照采用ASME B31.4“液态烃输送管道”和ASME B31.8“气体输送管道”。不管是长输管道还是燃气管道，一般走公共区域地下，无一例外都引入了设计系数的概念。因长输管道和燃气管道许用应力取值相对较高且不考虑腐蚀裕度（因有阴极保护）和负偏差（设计系数中已考虑）等厚度附加量，同等条件下，长输管道和燃气管道的壁厚计算和取值比工业管道要薄很多。对于工业管道与长输管道、燃气管道，或不同设计系数长输管道、燃气管道之间直接焊接连接时，因壁厚差异不宜直接用打破口的形式连接，而是要加一段过渡管段，这点应加以注意。

3 负压工况下管道壁厚校核

上面对各种标准规范在内压下压力管道的壁厚计算进行了比较分析，按内压壁厚计算并考虑其它因素选取的壁厚可保证压力管道的强度在内压下不会失效。有时还要考虑外压工况下，特别是大口径薄壁管道，应校核管道的壁厚或许用外压，确保管道刚度和安全运行。

①ASME B31.3对直管外压下壁厚计算和加强圈要求，应符合ASME BPV规范第VIII卷第1册UG-28。 龙源期刊网

②国内压力管道规范GB/T20801-2006对直管的外压（真空）设计则是按GB150。同时对L/T≥25且D/Te≥65，当设计温度不超过300℃时，可按下列简化公式计算许用外压：

③下面示例说明如何按GB/T20801-2006简化公式计算许用外压。设有一段20米放空管，材料A312 TP304，规格DN600 Sch10S（Φ610X6.35），请计算200℃下许用外压。

经核算符合L/T≥25且D/Te≥65和设计温度不超过300℃条件，查GB/T20801.2-2006表B.3得E=183x103N/mm2，去掉壁厚负偏差12.5%得Te=5.56mm。代入上式即可得出许用外压[p]=0.102MPa，即可承受全真空的外压。同理，如果其它条件相同，对于Sch5S的管子，可算出许用外压为[p]=0.067MPa，即只能承受0.033MPa的真空度。

④上述相同条件下Sch5S的管子，也可按GB150.3-2011计算该外压圆筒的许用外压：因Do/δe=610/（5.56x87.5%）=125.84≥20，可按4.3.2计算。先确定外压应变系数A：根据L/Do=20000/610=32.79和Do/δe=125.84，由图4-2或表4-2查取A=7.07×10-5。再确定外压应力系数B：按所用材料S30408，查表4-1確定对应的外压应力系数B曲线图4-8，由A值可查取B值：因A值小于设计温度曲线得最小值，则B=2AE/3=2×7.07×10-5×183×103/3=8.6MPa。然后就可确定许用外压：[p]=B/（Do/δe）=8.6/125.84=0.068MPa。可以看出，GB/T20801-2006简化的许用外压计算公式和GB/T150.3-2011的计算结果是一致的。同理，ASME BPV规范第VIII卷第1册UG-28在相同条件下也可得出相同得结果。

⑤如果许用外压不满足设计条件，可按GB150.3-2011的4.5或ASME BPV规范第VIII卷第1册UG-29、UG-30设计加强圈。

4 管件壁厚确定

一般标准管件的压力设计，是选取端部与所连接管子相同的厚度，即管件的承压应与管子相匹配。目前国内现行的管件标准增加和明确了对弯头内弧侧壁厚和三通肩部圆弧过渡区的最小壁厚要求。当采用焊接弯头和焊接三通时，应特别注意该处的最小厚度要求是否满足。

5 结语

①压力管道壁厚计算和设计取值经过长期发展，已形成涵盖各类别品种各部门行业的门类齐全的标准体系，可以满足压力管道的设计需要和安全可靠运行；

②国内大多数压力管道标准规范等效或参照采用国际先进标准规范如ASME等，有些存在相对滞后跟不上或不能一一对应等问题，在设计中应加以注意； 龙源期刊网

③通过各种压力管道标准规范壁厚计算的对比分析，相同条件下，一般工业工艺管道比其它类别压力管道如长输管道、输气管道和动力管道等壁厚取值相对更加保守，在管道设计中无需刻意放大壁厚取值；

④在负压工况下应校核大口径薄壁管道壁厚取值或许用外压；

⑤应注意焊接弯头和内弧侧壁和三通肩部圆弧过渡区的最小壁厚是否满足要求。

参考文献：

[1]查尔斯贝赫特IV.ASME B31.3实用指南[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2] GB/T 20801-2006.压力管道规范-工业管道[S].北京：中国国家标准化管理委员会，2006.

[3] GB 50316-2000（2008版）.工业金属管道设计规范[S].北京：国家质量技术监督局，中华人民共和国建设部，2000.

[4] GB 50251-2015.输气管道工程设计规范[S].北京：中国石油天然气集团公司，2015.

作者简介：

安红卫（1968- ），男，湖南人，福斯特惠勒（河北）工程设计有限公司上海分公司，注册化工师，长期从事管道材料设计工作。