管道壁厚的合理計算和選擇

裴孝君 李莉（天津渤?；ぜ瘓F規劃設計院，天津 300450）

管道壁厚的計算及選擇是管道設計中最基本和最常見的問題，其選擇方法有兩類，一類是通過理論計算，另一類是選擇管子的壁厚系列。然而在實際設計過程中對于管子壁厚的選擇卻非?；靵y，經常會出現憑經驗估算、亂套管子壁厚系列表（SCH）表、不經過演算隨意套用某些手冊數據的現象，有的甚至認為管道壁厚越大越好，隨意擴大管道壁厚，不僅給安全帶來隱患，而且也造成建設成本的提高和材料的浪費，因此，正確的選擇管道的的壁厚是設計過程中非常必要和重要的環節。

1 理論計算選擇管道壁厚

根據GB50316-2000《工業金屬管道設計規范》，管子壁厚的計算公式如下：

式中：

δ→選用管壁厚度（mm）；

δ0→設計管壁厚度（mm）

P→設計壓力（MPa）；

D→管子外徑（mm）；

[σ]→在設計溫度下材料的許用應力（MPa）；

?→焊接接頭系數，對于無縫鋼管?=1，焊接鋼管?=0.8，螺旋焊接鋼管?=0.6；

C→厚度附加量之和（mm）；C=C1+C2+C3

C1→厚度減薄附加量，包括加工、開槽及材料厚度負偏差（mm）；

C2→腐蝕或磨蝕附加量（mm）；

C3→螺紋加工深度值（mm）；

1.1 設計壓力P和溫度T的計算和選定

根據標準GB 50316-2000《工業金屬管道設計規范》，除了工藝有特殊的條件或要求外，一般管道設計壓力和設計溫度可按表1進行確定。

表1 設計壓力和溫度表

1.2 管子外徑D的確定

管子的外徑包括A、B兩個系列，A系列為國際通用系列（俗稱英制管），B系列為國內沿用系列（俗稱公制管）,不同的系列關系到管道中法蘭選擇系列[1]，但無論選擇哪種系列的管子，在確定鋼管的外徑之前需要對鋼管的公稱直徑DN進行計算，而對于給定的流量，管徑的大小與管道系統的一次投資費(材料和安裝)、操作費(動力消耗和維修)和折舊費等項有密切的關系，應根據這些費用作出經濟比較，以選擇適當的管徑，此外還應考慮安全流速及其它條件的限制。以下將采用預定介質流速的方法來選擇管徑，可用于工程設計中的估算，計算公式如下：

式中：

d→管道的內徑（mm）；

W→管內介質的質量流量，kg/h；

V0→管內介質的體積流量，m3/h；

ρ→介質在工作條件下的密度，kg/m3；

u→介質在管內的平均流速，m/s。

上式中介質在管內的平均流速u是預定的，可參考HG/T 20570《工藝系統工程設計技術規定》中不同介質的常用流速表。

1.3 鋼管許用應力[σ]的確定

金屬材料在進行拉伸試驗時，應力變化和材料變形分為彈性階段、屈服階段、強化階段和局部變形階段。通常鋼材是以屈服作為破壞的準則，但是在制造和使用時會由于各種因素影響其實際使用，因此采用一個統一打折的方法規定材料的許用應力，零件或構建中的工作應力不準超過許用應力。鋼管在不同溫度下的許用應力可根據GB150《鋼制壓力容器》進行查詢。

1.4 管道厚度附加量C的確定

管壁附加厚度C值的選用如表2：

表2 管壁附加厚度C值選用表（mm）

通過以上對管道壁厚計算公式的解析可知，理論計算考慮的因素比較全面，因此計算結果則相對可靠些。

2 選擇管子的壁厚系列

管子和管件除了以公稱直徑分級外，還以管壁厚度分級，目前常用的分級方法主要有以下幾種：

2.1 以管子表號“Sch”表示的壁厚系列

管子表號“Sch”適用于焊接鋼管和無縫鋼管，管子表號是設計壓力與設計溫度下材料許用應力的比值乘以1000，并經圓整后的數值。公式如下：

式中：P→設計壓力Mpa，

[σ]t→設計溫度下的材料許用應力Mpa。

管子表號“Sch”并非壁厚值，但與壁厚有直接關系。同一直徑的管子，每種表號均有相對應的壁厚值。而相同表號不同直徑的管子，其壁厚各不相同。同一材料、同樣溫度、表號相同的管子所能適應的設計壓力是相同的。管子的表號系列[2][3][4][5]有：Sch5S、Sch10S、Sch10、Sch20、Sch30、Sch40S、Sch40、Sch60、Sch80S、Sch80、Sch100、Sch120、Sch140、Sch160（其中帶“S”者僅用于奧氏體不銹鋼管）。與理論計算公式相比，此處只考慮了壓力的因素，因此只能對管子的壁厚進行粗選。

2.2 以管子質量表示的壁厚系列

美國ASME標準規定的以質量表示的壁厚分為：

a、標準質量管，以STD表示；

b、加厚管，以XS表示；

c、特厚管，以XXS表示。

我國低壓流體輸送用焊接鋼管（GB/T 3091），管端用螺紋和溝槽連接的6-150mm的鋼管壁厚分為普通鋼管和加厚鋼管。

3 結語

管道壁厚選取的步驟和原則如下：

3.1 管道壁厚選取之前應首先計算管道的管子表號“Sch”，然后根據標準規定粗選管子壁厚，再通過理論計算與之比較，根據標準GB/T 17395-2008《無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》選擇鋼管的尺寸。

3.2 不應隨意擴大管子的壁厚，夠用即可，因為壁厚擴大了，管系產生的熱應力就會增大，反而會增加管系的不安全因素，除此之外管系對管道支吊架的作用力也增加了，增大了土建、結構的設計、施工難度，增大了施工費用，從經濟上來講也不合理。

3.3 對于高溫和特殊管網，應進行應力分析。管道壁厚的選取還應滿足降低管網局部應力的要求。

3.4 管道壁厚的選取要充分考慮項目所在地的實際情況，應便于管道的采購。

[1]HG/T 20592-20635-2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》.

[2]ASMEB36.10《焊接和無縫鍛軋鋼管》.

[3]ASMEB36.19《無縫鋼管》.

[4]HG 20553-2011《化工配管用無縫及焊接鋼管尺寸選用系列》.

[5]SH 3405-96《石油化工企業鋼管尺寸系列》.