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壓力管道的組成件一般都是標準件，因此壓力管道（dào）組成件的設（shè）計主要是其標準件的選用，管道壓力等級的確定也就是其標準件（jiàn）等級的確定。
管道的壓力等級包括兩部分:
以公稱壓力表示的標準管件的公稱（chēng）壓力等級；
以壁厚等級表示的的標準管件的壁厚等（děng）級。
管道的壓（yā）力等級：通常把管道中由標準管件的公稱壓力等（děng）級和壁厚等級共（gòng）同確定的能反映管道承壓特（tè）性的參數叫做管道的壓力等級。而習慣上為簡化描述，常把管道中管件的公稱壓力等（děng）級叫做管道的壓力等級（jí）。
壓力等（děng）級的確定是壓力管道設計的基礎（chǔ），也是設計的核心。它是壓力管道布置、壓力管道應力校核的設計前提條件，也是影響壓力管道基建投資（zī）和管道可靠性的重要因素。
5.1 設計條（tiáo）件
工程上，工藝操作參數（shù）不宜直接作為壓力管道的設計條件，要考慮工藝（yì）操作的（de）波動、相連設備的影響、環（huán）境的影響等因素，而在工藝操作參數的基礎上給出一定的安全裕量作為設（shè）計條（tiáo）件。這裏（lǐ）所說的設計條件主要是（shì）指設計壓力和設計溫度。
管道的設計壓力：應不低於正常操作時，由內壓(或外壓)與溫度構成的最苛刻條件下的壓力。
最（zuì）苛（kē）刻條件：是指導致管（guǎn）子及管道組（zǔ）成件最大壁厚或最高公稱壓（yā）力等級的條件。
設計壓力確定：考慮介質（zhì）的靜液柱壓力等因素的影響，設計壓力一般應略高於由(或)外壓與溫度構成的（de）最苛刻條件下的最高工作壓力。
a. 一（yī）般情況下管道元件的設計壓力確定
一般情況下，為了操作上的方便，在此不妨采用壓力容器的做法，即在相應工作壓力的基（jī）礎上增加一個裕度係數。
表5-1 一般情況下管道元件的設計壓力確定
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工作壓力Pw(MPa) |
設計壓力P(MPa) |
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Pw≤1.8 |
P= Pw+0.18 |
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1.8<Pw≤4.0 |
P= 1.1Pw |
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4.0<Pw≤8.0 |
P= Pw+0.4 |
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Pw>8.0 |
P=1.05 Pw |
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※ 當按該原（yuán）則確定的設計壓力（lì）會引（yǐn）起管道壓力等級變化時，應判斷該工作壓力是否就是由內壓(或外壓（yā）)與溫度構成的最苛刻條件下的最高工作壓力，如果是，在報（bào）請有關（guān）技術負責人批準的情況下，設（shè）計壓力可取此時的（de）最高（gāo）工作壓（yā）力，而不（bú）加係數。 |
b. 管道（dào）中有安全泄壓裝置時，
管道（dào）中有安全泄壓裝置時預示著該管道在運行過程中有出現（xiàn）超出其（qí）正常操作壓力的可能。設置安全泄壓（yā）裝置(如安全閥、爆破片等)的目（mù）的，就是（shì）在係統中出現超（chāo）出其正常操作壓力的情況時（shí），能將壓力自動釋（shì）放而（ér）使設備、管道等係統的硬件得到保護。此時管道的設計壓力應不（bú）低於安全泄壓裝置的設（shè）定壓力。
c. 管道中有（yǒu）高揚程的泵
對於高揚程的泵，尤其是往（wǎng）複泵，在開始啟動的短時間內，往往會在第一（yī）道切（qiē）斷閥之前的管道和泵內產生一個較（jiào）高的封閉壓力，有時這個（gè）封閉壓力會達到一個（gè）很大的值。此（cǐ）時泵（bèng）的出口管道，其設計壓力應取泵的最大封閉壓力值。
D. 真空係統
真空係（xì）統管道承（chéng）受的壓力就是其外部的大氣壓力，故其設計壓力應取0.1MPa外壓；
e. 與塔（tǎ）或容器等設備相連的管（guǎn）道
與塔或容器等（děng）設備相連的管道其設計壓力應不低（dī）於所（suǒ）連設備的設計壓力。當管道內有較高的液（yè）體液柱時，還（hái）應考慮該液體靜壓頭（tóu）的影響。事實上，對於管道來說（shuō），其受力要（yào）比設備複雜（zá），這是因為（wéi）它除受介質載荷之外，還往往遭受到由於管道的熱脹冷縮而產生的（de）管係力等。因此，管道的設計壓力一般應不低於設（shè）備的設（shè）計壓力。
5.1.2設計溫度
管道的設計溫度:應不低於正常操作時，由內壓（或外壓（yā））與溫度構成的最苛刻條件下的溫度。
最（zuì）苛刻條件: 指導致管子（zǐ）及管道組（zǔ）成件最大壁厚、最高公稱（chēng）壓力等級或最（zuì）高材料等級的條件。
設計溫度的確（què）定:考慮環境、隔熱、操（cāo）作（zuò）穩定性等因素的影（yǐng）響，設計溫度應略高於由（yóu）內壓(或外壓)與溫度構（gòu）成的最苛刻條（tiáo）件下（xià）的最高工作溫度。
a. 一般情況下管道元件的設計溫（wēn）度確定（dìng）
一般情況（kuàng）下為了操作上的（de）方便，在此不妨也采用壓力容器的做法，在相應（yīng）工作溫度的基礎（chǔ）上增加一（yī）個裕度係數（除法蘭和螺栓以外）。
表5－2 一般情況下管道元件的設計溫度確定
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工作（zuò）溫（wēn）度Tw(℃) |
設計溫度T(℃) |
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-20<Tw≤15 |
T= Tw-5(最低取－20) |
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15<Tw≤350 |
T= Tw+20 |
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Tw>350 |
T= Tw+(5～15) |
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※當按該原則（zé）確定的設計溫度會引起管道壓力等級或材料變化（huà）時，應判斷該工作溫度是否（fǒu）
就是（shì）由內（nèi）壓(或外壓)與溫度構成的最苛刻條件下的最高工作溫度，如果是，在報（bào）請有關技術負責人批準的情況下，設（shè）計溫度可取此時的最高（gāo）工作溫度，而不加係數。 |
法蘭、墊片的（de）設計溫度不低於最高工作溫度的90％；
螺栓、螺母的設計溫（wēn）度應不低於最高工作（zuò）溫度的80％。
b. 夾套或外伴熱管（guǎn）道
對於夾套或外伴熱的管道當工藝介質溫度高於伴熱介質溫度時，其設計溫（wēn）度按上表（biǎo）選取；當工藝（yì）介質溫度低於伴熱介質溫度時，對夾套伴熱取伴熱介質溫度為設計（jì）溫度，而對外伴熱則取伴熱（rè）介質溫（wēn）度減10℃與工藝（yì）介質溫度二者的較大值為設計溫度；
c. 安（ān）全泄壓管道
安全泄（xiè）壓管道取排放時可能出現的最高（gāo）或最低溫度為設計溫度；
d. 蒸（zhēng）汽吹掃的管道
采用蒸汽吹掃的（de）管道（dào）當介質溫度高於吹掃蒸汽的溫度時，則按介質溫度根據上表確定（dìng）其設計溫度。當介質溫度低於吹掃蒸汽溫度時，應視具體情況而定。例如，按介（jiè）質（zhì）溫度（dù）選取的管（guǎn）道及其元件不能（néng）承受吹（chuī）掃介質的條件時（shí），應適當提高等級以適應吹掃介質（zhì）條件。
e. 多種（zhǒng）工（gōng）況下工作的管（guǎn）道
同一根管（guǎn）道，如果（guǒ）在兩種或兩種以上工況條件下工作時，其設計溫度應取與內壓(或外壓)構成的（de）最苛刻條件下的最高工作溫度，並對其它工況進行校核。
f. 臨（lín）氫管道
臨氫操作的管道，在查Nelson曲線時，應取設計溫度再加30～50℃作為查曲線的溫度參（cān）數值。這是（shì）因為Nelson曲線為統計值（zhí），在鄰近曲線下方選材時而出現氫（qīng）損傷（shāng）的實（shí）例（lì）也曾發生過（guò）；
g. 帶襯裏的（de）管道
帶隔熱耐（nài）磨襯裏的管道，其（qí）金屬部分的管道設計溫（wēn）度應經計算或實測確定。一般情（qíng）況（kuàng）下，宜取250℃作為設（shè）計溫度（dù）；
h. 管係應力計算（suàn）時
在（zài）進行有彈簧支架的管係應力計算（suàn）時，宜取介質的正常工作溫度作為計算參數（shù）。
5.2影響管道壓力等級確定的因素
除了上述（shù）的設計溫度和設計壓力是管道壓力等級確定（dìng）的基本參數外，還（hái）有一些（xiē）其它因素也將（jiāng）影響到管道壓力等級的（de）確定。
5.2.1應用標準體係
不同的標準體係，其（qí）公稱壓力等級（jí）係列是不同的，對應的溫度-壓（yā）力表也不（bú）相同。或者說，相同的設（shè）計條件，而（ér）選（xuǎn）用不同的應用標準，其公稱壓力等級是不同的。因此，在（zài）確定管道（dào）公稱壓力等級（jí）之前，應首先確定其應（yīng）用標準體係。
5.2.2材料
不同的材料，其機械性能是不同的（de），那麽它們在標準中的（de）溫度-壓（yā）力（lì）表上的對（duì）應值（zhí）也是不相同的。因（yīn）此在確定（dìng）管道的公稱壓力之前應首先（xiān）確定管道及其元件的材料。材（cái）料的選用（yòng）是由設計溫度、設計壓力和操作介質確定的。
管道中各元件的材料標準往（wǎng）往是不同的，一般情況下（xià），管子用管材，法蘭
用鍛材，而閥門多用鑄材。無論用什麽材料標準，它們都應該（gāi）是同等級的（de）材料，即具有對（duì）操作（zuò）條件（jiàn）的同等適應性和等強（qiáng）度； 注意管（guǎn）材、板材、棒材、鑄材的配伍。
5.2.3操（cāo）作介質
一般情況下，管道的（de）公稱壓力在對應溫度下的（de）許用壓力不（bú）得超出其設計壓力。
對由於管子及其元件失效而將造成嚴（yán）重（chóng）危害或易於產（chǎn）生重大事故的介（jiè）質（zhì），在考慮其（qí）公稱壓力等級時，不應僅僅（jǐn）按（àn）溫度-壓力表來（lái）確定，應（yīng）適當提高其公（gōng）稱壓（yā）力（lì）等級，即提高其安全可靠係數。SH3059、SYJ1064標準對此都有詳細（xì）的規定，例如（rú）：
對輸送劇毒介質的管道（dào），當采用SH標準體係時，無論介質的操作壓力是多少，其公稱壓力等級應（yīng）不低於PN5.0MPa；當采用JB標準體係時，應不低於PN4.0；
對輸送氫氣（qì）、氨氣、液態烴等介質的管道，當采用SH標（biāo）準體係時，無論介質的操作壓力是多少，其最低公稱壓力等級應不低於PN2.OMPa，當采用JB標準體係時，應不低於PN2.5MPa；
對輸送一般可燃介質的管（guǎn）道，當（dāng）采用SH標準體係時（shí），其公稱壓力等（děng）級應不低於PN2.0MPa，當采用JB標準體係時，應不低於PN1.6MPa。
5.2.4介質溫度（dù）及管係附加力
許多法蘭標準都給出這樣一個注（zhù）釋:其溫度-壓力表的對應值是指法蘭不受衝擊載荷（hé）的（de）對應值。事實上，法蘭遭受外部管道給予的彎曲、振動（dòng）、溫度（dù）循環等附加載荷時，都將（jiāng）影響其密封性（xìng），甚至影響到強度的（de）可靠性，此（cǐ）時（shí）應將這些外部載荷折算成當量介質（zhì）壓力來確定（dìng）管道所需的公稱壓力。
給予（yǔ）法蘭的彎曲載荷主要是由管係的熱脹冷縮引起的。一般情況下，對於PN2.0等級的法蘭，當其工作（zuò）溫度大於200℃時，或PN5.0及（jí）以上等級的（de）法蘭在工作溫度大於（yú）400℃時，均應考慮管係對法（fǎ）蘭產生的附加載（zǎi）荷的影（yǐng）響，否（fǒu）則應提高管係的公稱壓力等級。
5.3影晌壁厚等級確定的因素（sù）
5.3.1材料的許用應力
材料的許（xǔ）用（yòng）應力是指材料的強度（dù）指標除以相應的安全係（xì）數而得到的值。材料的機械性能指標（biāo）有屈服極限、強度極限、蠕變極（jí）限、疲勞極限等，這些指標分別反映了不同狀態下失效的極限（xiàn）值。為了保證管道運行中的強度可靠，常將管道元件中的應力限製在各強度指標下某一值（zhí），該數值即為許用應力（lì）。當管道元件中的應力（lì）超過其許用應力值時，就認為其強度已不能得到保證。因此說，材料的許用應力是確定管道壁厚等級的基本參（cān）數。
不同的（de）設計標準，選取材料的許用應（yīng）力值是不同的。對壓力管道來說（shuō），國內的（de）設計標準是按GB150《鋼製壓力容器》確定（dìng）的許用應（yīng）力值，ASTM材料則是取按（àn）ANSI B31.3《Process Piping》標準確定的許用應力值。
5.3.2腐蝕餘量
腐蝕餘量是考（kǎo）慮因介（jiè）質對管道的腐蝕而造成（chéng）的管道壁厚減薄，從而增（zēng）加的管道（dào）壁厚值。它的大（dà）小直接影響到管道壁厚的（de）取值，或者說（shuō）直接影響到壁厚等級的確定。
目前我國尚沒有一套有關各種腐蝕介質在不同條件下對各種材料的腐蝕（shí）速率數據（jù），因此，工程上大多數情況下（xià）仍是憑經驗來確定（dìng）其腐蝕餘量（liàng）的。許多國（guó）內外的工程公司或設計院（yuàn）通常（cháng）都將腐蝕餘量分為如下四級（jí）:
a.無腐蝕餘（yú）量。對一般的（de）不鏽鋼管道多取該值；
b.1.6mm腐蝕餘量（liàng）。對於腐蝕不嚴重的碳素鋼和（hé）鉻鉬鋼多取該值；
c.3.2mm腐蝕餘量（liàng）。對（duì）於腐蝕比較嚴重的碳素鋼和鉻鉬鋼管道多取該（gāi）值；
d.加強（qiáng）級(大於3.2mn)腐蝕餘量。對於有固體顆粒衝刷等特殊情況下的管道，根據實際（jì）情況確定其具體值。.
5.3.3管子及其（qí）元件的製造（zào）壁厚偏差
管子及其元件在製造過程中，相對於其公稱壁厚(或者叫理論壁厚)都會有正、負偏差，因此在確定管子及（jí）其元件公稱壁厚時（shí）一定要考慮可能出現的負偏差值。各種鋼管標準中規定的負偏（piān）差值是不完全相（xiàng）同的，GB/T8163《流體輸送用無縫鋼管》、GB/T14976《流體輸送用不鏽鋼無縫鋼管》規（guī）定的壁厚偏差（chà）值如下：
表5－3 常用標準的壁厚偏差值
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材料（liào）標準（zhǔn） |
壁厚（mm） |
偏差值（％） |
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GB/T8163 |
≤20 |
+15，-10，+12，-5，-10 |
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GB/T14976 |
<15
≥15 |
+15，-12.5
+20，-15 |
5.3.4焊（hàn）縫係數
金屬的焊接過程，實質（zhì）上（shàng）是一個冶金過程，其組織帶有明顯的鑄造組織特征。一般情況（kuàng）下（xià），鑄造組織缺（quē）陷較多，材料性能也有所下（xià）降。對於有縱焊縫和螺旋焊（hàn）縫的焊接管子及其元（yuán）件，相對於無縫管（guǎn）子及（jí）其元件來說，工（gōng）程上常給它一個強（qiáng）度降低（dī）係數(即焊（hàn）縫係數)，以衡量（liàng）其（qí）機械性能下降的（de）程度。其焊縫係數的取值見表5-4
表5-4 焊接鋼管的焊縫係數
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序號 |
焊接方法 |
接頭形（xíng）式 |
焊（hàn）縫型式 |
檢驗（yàn）型式 |
焊縫（féng）係數 |
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1 |
鍛焊 |
對焊 |
直線 |
按標準要求 |
0.6 |
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2 |
電阻焊 |
對焊 |
直線或螺旋形 |
按標（biāo）準要求 |
0.85 |
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3 |
電弧焊 |
單麵對焊 |
直線或螺（luó）旋形 |
無RT
10%RT
100%RT |
0.8
0.9
1.0 |
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雙麵對焊 |
直線或螺旋形 |
無RT
10%RT
100%RT |
0.85
0.9
1.0 |
RT 射線探（tàn）傷
5.3.5設計（jì）壽命
a. 設計壽命與壓力管道的腐蝕餘量有關。
對於均勻腐蝕來說，當知道其年腐蝕速率（lǜ）後，根據預定的設計壽命，就很容易算出其應取的（de）腐蝕餘量（liàng）了（le）。
b. 設計壽命（mìng）還與交（jiāo）變應力作用的荷載變化（huà）次數、氫損傷的孕育時間、斷裂因子的擴展期等影響因素有關，
c. 與壓力管道的一次性投資、資金代（dài）嚐（cháng）期和技術更新周期有關。
d. 美國一雜誌上推（tuī）薦的設計使用壽（shòu）命為（wéi）:碳鋼為5年；鉻鉬鋼和不鏽鋼為10年。
SH3059標準規定的設計（jì）壽命為15年。
國（guó）外的一些工程公司對總承包項目規定一般為10年；非總包項目（mù）一般為（wéi）15年，以便從中獲取（qǔ）較大的利潤（rùn）。
5.4 常用壓力管道（dào）器材的設計標準
1) GB50316-2000《工業（yè）金屬管道設計規範》；
2) GB50251-94 《輸氣管道工程設計規範（fàn）》；
3) GB50253-94 《輸油管道工程設計規範（fàn）》；
4) GB50028-93 《城鎮燃氣設（shè）計規範》(1998年版)(2002年局部修訂條文)；
5) GB50030-91 《氧氣站設計規範（fàn）》；
6) SH3059-2001 《石油化工管道（dào）設計器材選用通則》；
7) SH3064-1994 《石油化工鋼製通用閥門選用、檢驗及驗收》；
8) HG/T20646 《化工裝置管道材料設計規定》。 |