在弄清楚影響管道壓力等級(jí)的設(shè)計(jì)條件和影響因素之后，就可以進(jìn)行壓力等級(jí)確定了。這里仍將壓力等級(jí)分成公稱壓力等級(jí)和壁厚等級(jí)兩部分分別介紹。
一、管道壓力等級(jí)確定的原則
管道壓力等級(jí)的確定應(yīng)遵守以下三個(gè)原則：
1、彈性準(zhǔn)則
在進(jìn)行金屬材料強(qiáng)度分析時(shí)，可用的分析方法是很多的，如彈性分析法、極限分析法、安定分析法、疲勞分析法、非彈性分析法、試驗(yàn)應(yīng)力分析法等。但目前應(yīng)用最多的仍是彈性分析方法，如我國(guó)的壓力容器規(guī)范GB150就是采用這種方法。安定分析法、非彈性分析法和試驗(yàn)應(yīng)力分析法等在現(xiàn)在的工程設(shè)計(jì)中也時(shí)有用到，只不過沒有普及而已，如JB4237《壓力容器分析設(shè)計(jì)方法》即是突破了彈性理論的范疇，使得設(shè)計(jì)更先進(jìn)、更科學(xué)，但它受材料制造、檢驗(yàn)、監(jiān)察、安全評(píng)定手段等因素的制約尚不能在大范圍內(nèi)應(yīng)用。極限分析法和疲勞分析法則常分別用于高溫蠕變和交變應(yīng)力情況下的材料強(qiáng)度分析。有關(guān)這方面的知識(shí)將在第六、第七章中介紹。
SH3059標(biāo)準(zhǔn)給出的管道壁厚計(jì)算公式是按彈性準(zhǔn)則導(dǎo)出的，即將材料限制在彈性范圍內(nèi)。這個(gè)準(zhǔn)則同樣也反映在法蘭和閥門的溫度－壓力對(duì)應(yīng)值的計(jì)算方法上。
2、等強(qiáng)度原則
管道中的組成件比較多，而且每個(gè)元件都有各自的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。等強(qiáng)度原則就是指同一管道中各個(gè)元件具有對(duì)介質(zhì)相同的適應(yīng)性、相同的強(qiáng)度和相同的壽命（可拆的易損件如閥門填料、墊片除外），它主要體現(xiàn)在材料的配伍和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的選用上。當(dāng)然，這些元件也應(yīng)按兩部分分開來說，就具有公稱壓力等級(jí)的管道元件來說，應(yīng)力求選用同一應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)或相近的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，它們的溫度－壓力表也應(yīng)該相同或相近。對(duì)于用壁厚等級(jí)表示的管道元件，應(yīng)選用同一體系的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于強(qiáng)度的定義就已經(jīng)說明了它們遵循等強(qiáng)度的原則，而且這個(gè)等強(qiáng)度原則是通過管道壁厚等級(jí)號(hào)（通常稱為管子表號(hào)）來表示的。以前，有一些設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，同一個(gè)管道中一些管件如彎頭、三通、異徑管等由于存在應(yīng)力集中的問題，其壁厚等級(jí)應(yīng)比管子高一級(jí)。這種看法是不對(duì)的。
3、靠系列原則
前面已經(jīng)講過，壓力管道的組成件都是標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的。這樣做有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
a、互換性好；
b、便于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；
c、備材、保管、施工管理費(fèi)用低。
事實(shí)上，在石油化工生產(chǎn)中，由于介質(zhì)種類很多，操作參數(shù)也在很寬的范圍內(nèi)變化，要實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)操作工況都取理想化的壓力等級(jí)是不現(xiàn)實(shí)的，也不一定是經(jīng)濟(jì)的。例如，在一個(gè)石化裝置中，如果完全按理論計(jì)算選取管道的壁厚值，對(duì)于DN100的管子來說其壁厚就可能有4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、8mm、8.5mm、9mm等十個(gè)系列之多，而且個(gè)別壁厚系列的數(shù)量可能很少。在這種情況下，管子制造商就不得不頻繁的調(diào)整其生產(chǎn)參數(shù)，大大增加了其生產(chǎn)成本。而管件制造商也不得不頻繁的調(diào)整其生產(chǎn)參數(shù)和模具，生產(chǎn)成本更高。同樣，由于管子、管件種類增加，采購(gòu)，施工等管理費(fèi)用也將增加。為此，各個(gè)國(guó)家、各個(gè)行業(yè)都推出了相應(yīng)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，將常用的管子、管件、法蘭等組成件進(jìn)行適當(dāng)?shù)臍w類，使其形成標(biāo)準(zhǔn)系列。壓力管道設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量選用標(biāo)準(zhǔn)的管道組成件。
二、公稱壓力等級(jí)的確定方法
在確定了管道的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系、材料、設(shè)計(jì)條件之后，同時(shí)考慮到相關(guān)的其它影響因素，確定管道的公稱壓力等級(jí)就是件很容易的事了，只要查相應(yīng)的溫度－壓力表即可。一條管道中，如果同時(shí)含有兩個(gè)或兩上以上具有不同溫度－壓力表的不同標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)逐一核對(duì)其溫度－壓力表，并使它們均得到滿足。
管道系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱管系）在熱態(tài)下工作時(shí)，各管道元件會(huì)因熱膨脹而發(fā)生變形和位移，當(dāng)這個(gè)變形和位移受到阻礙時(shí)，會(huì)產(chǎn)生附加位移載荷。由于這個(gè)附加載荷與管系的空間走向和支架的設(shè)計(jì)有關(guān)，因此又叫管系力。管系力屬于管道機(jī)械研究的范疇，因此將在第六章中詳細(xì)介紹。當(dāng)管道元件承受管系力后，應(yīng)將它折算成當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力來校核管道所需要的公稱壓力，因?yàn)橐话愕姆ㄌm標(biāo)準(zhǔn)給出的溫度－壓力等級(jí)對(duì)應(yīng)值都是僅考慮內(nèi)壓作用時(shí)的對(duì)應(yīng)值。
當(dāng)法蘭同時(shí)承受內(nèi)壓和管系力作用時(shí)，其當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力可按下式計(jì)算：
………………………………………………（4－1）
式中：Pd ……法蘭的當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力，MPa；
P……管道中的介質(zhì)壓力，MPa；
M……法蘭連接承受的管系附加外力矩，N-mm。由第六章第二節(jié)介紹的方法確定；
F……法蘭連接承受的管系附加軸向外力，N。計(jì)算時(shí)只考慮使管道受拉伸的軸向力，大小由第
六章第二節(jié)介紹的方法確定。當(dāng)軸向力使管道受壓縮時(shí)，取F=0；
DG——墊片壓緊力作用中心圓，mm。
墊片壓緊力作用中心園直徑DG按下列原則確定：
a、對(duì)于活套法蘭，DG應(yīng)為法蘭與翻邊接觸面的平均直徑；
b、對(duì)于其它型式的法蘭，當(dāng)墊片基本密封寬度bo≤6.4mm時(shí)，DG等于墊片與法蘭接觸密封面的平均直徑；當(dāng)墊片基本密封寬度bo>6.4mm時(shí)，DG等于墊片與法蘭接觸密封面的外徑減去墊片有效密封寬度b的2倍。
墊片的基本密封寬度一般情況下并不等于墊片與法蘭密封面的接觸寬度，這是因?yàn)槁菟┝κ狗ㄌm對(duì)墊片的壓緊力并不是均勻的，而且墊片外緣較緊，而內(nèi)緣較松，甚至介質(zhì)可能會(huì)滲透到墊片與法蘭接觸面某一寬度，使實(shí)際接觸面減少。
一般情況下，墊片的基本密封寬度bo按表4-8選用：
表4-8 墊片的基本密封寬度bo許用表
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序號(hào)
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法蘭與墊片壓緊面形狀簡(jiǎn)圖
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基本密封寬度bo，mm
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1
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N/2
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2
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（W+N）/4
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3
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N/4
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4
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W/8
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注：其它壓緊面形狀可查GB150規(guī)范。
墊片的有效密封寬度b可按下列原則確定：
a、當(dāng)bo≤6.4mm時(shí)，取b= bo；
b、當(dāng)bo >6.4mm時(shí)，取b=2.53
。
三、壁厚等級(jí)的確定方法
1、直管壁厚計(jì)算公式
第六章第一節(jié)給出了管子壁厚的計(jì)算公式。對(duì)壓力管道來說，大多數(shù)都屬于薄壁管子，故當(dāng)S<D/6時(shí)或P/st£0.385¶，受內(nèi)壓直管理論壁厚計(jì)算公式可按式4－2計(jì)算：
+C1 +C2 ……………………………………（4－2）
式中：P……設(shè)計(jì)壓力，MPa；
D……管子外徑，mm；
S……管子的理論計(jì)算壁厚、mm；
σt……設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；
Φ……焊縫系數(shù)。對(duì)無縫鋼管，F(xiàn)=1；
C1……腐蝕余量，mm；
C2……管子壁厚負(fù)偏差，mm。
上述各參數(shù)值的選取按本章第一節(jié)和第二節(jié)給出的原則進(jìn)行。
注¶：關(guān)于厚壁管的定義在GB150《鋼制壓力容器》的1998年版中已進(jìn)行了調(diào)整，因相應(yīng)的管道設(shè)計(jì)規(guī)范（如SH3059
）尚未調(diào)整，因此這里仍沿用舊的定義。調(diào)整后的定義參見GB150－1998。
當(dāng)S³D/6或P/st>0.385時(shí)，直管壁厚應(yīng)按第六章第一節(jié)中給出的厚壁管道計(jì)算公式確定。
對(duì)于外壓直管的壁厚，應(yīng)根據(jù)（GB150-1998）《鋼制壓力容器》規(guī)定的方法確定。
2、壁厚等級(jí)的確定
將上式的計(jì)算值先按四舍五入的原則進(jìn)行園整，然后查相應(yīng)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，與計(jì)算值最接近且稍高的對(duì)應(yīng)壁厚就是該管道的公稱壁厚。對(duì)應(yīng)有管子表號(hào)時(shí)，就用管子表號(hào)表示，無對(duì)應(yīng)管子表號(hào)時(shí)，就用壁厚值表示。管子表號(hào)或壁厚值所表示的參數(shù)就是該管道的公稱壁厚等級(jí)。
對(duì)于不宜靠用標(biāo)準(zhǔn)中公稱壁厚的管道，例如管道應(yīng)力不允許有太大壁厚的管道元件，大批量同規(guī)格的管道元件，由昂貴材料制造的管道元件等，其壁厚等級(jí)應(yīng)按計(jì)算值就近園整取值。
管道上其它組成件（如彎頭、三通、異徑管、封頭等），也以上述確定的數(shù)字或代號(hào)表示其公稱壁厚等級(jí)，并由此確定它們與管子是等強(qiáng)度的。
值得一提的是，鋼管壁厚等級(jí)的表示方法在不同的標(biāo)準(zhǔn)中各不相同，但目前國(guó)內(nèi)外常用的表示方法主要有三種：其一是以管子表號(hào)表示；其二是以管子重量表示；其三是直接以鋼管壁厚值表示。詳見第二章所述。
思考題：
1、管道壓力等級(jí)確定的原則是什么？
2、試述什么是管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)的彈性準(zhǔn)則？
3、受內(nèi)壓直管的厚壁計(jì)算公式是什么？其適用條件如何？
4、當(dāng)法蘭受管系力作用時(shí)，其公稱壓力等級(jí)應(yīng)如何確定？
