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管道材料 王非辽宁省石油化工规划设计院024 8389168 1 6 8059wangfei66882002 1 目录 一 前言二 配管材料分类三 管道组成件的连接形式四 钢管五 管法兰接头 2 目录 六 管件七 材料基础八 温度与介质对管道设计的影响九 管道焊接十 压力试验 3 前言 我国初步建立了由国家标准 行业标准 地方标准和企业标准构成的标准体系 我国尚未建成与国际接轨的 适应市场经济的标准体系 TSGDZ001 压力管道安全技术监察规程工业管道 和GB T20801 压力管道规范工业管道 是在压力管道领域内质检总局与国家标准化管理委员会进行标准化体制改革的成果 GB20801 实施指南 第1章 总体说明 4 前言 影响工业管道安全因素是复杂的 工业管道涉及的介质 工作条件 工艺流程 操作要求是压力管道中最为复杂的 体现在 设备布置 管道布置 厂房 总图 系统设计 管架设计和布置对管道安全的影响 介质对材料选用及其制作工艺的影响 介质对管道系统安全的影响 温度对材料显微组织和其他性能的影响 因密封或操作原因 致使流体泄漏 产生对人体 环境的危害和风险 5 前言 压力管道特点 压力管道的设计除了考虑常规因素 温度 压力 流体特性 腐蚀 以外 还要考虑管系的柔性 振动 支撑等特殊因素 管道的可能泄漏点多 现场安装工作量大 环境复杂 条件较差 要求投入更多的管理与检察 压力管道长期不被重视 在特种设备中 压力管道的专业化设计及管理工作滞后于压力容器 6 前言 国内外工程公司将管道设计工作细分为 设备布置 管道布置 材料控制 管道机械 四个专业部分 设专职人员 从内在联系看 管道材料是基础 管道机械是保障 管道 设备 布置是目的 管材和管机是压力管道设计的基础和保障 也是各设计单位的薄弱环节 从管理角度即从外在视角来看 管道 设备 布置是重点 管材与管机是难点 选用合适的材料是设计者的责任 7 前言 材料专业显得更为重要和急迫 因为不仅从全行业讲 管道材料设计技术水平相对较弱 而且材料直接关系到装置的安全 业主以及设计单位的经济效益 例如 在施工建设过程中的材料代用 以往可能因失控被掩盖而不为人们所注意和重视 但这一问题却是质量 安全 工期 造价的交汇点 随着技术监督部门管理力度的加大 是一个大问题 管道材料的 材料 含义是很广泛的 涉及配管元件的选用 质量控制 及各元件的组合过程 其知识领域与传统的工艺专业和设备专业都有区别 8 二 配管材料分类 管 管子 pipe 含弯管 bend 其重量约占压力管道的2 3 投资则约占近3 5 法兰接头 法兰 垫片 紧固件三个零件构成一个完整的力系 管件 Fitting标准管件 非标管件阀门 Valve特殊件 视镜sightglass 过滤器strainer 阻火器flametrap 安全阀safetyvalve 疏水阀steamtrap 取样冷却器samplecooler 小储罐 喷头等 9 三 管道组成件的连接形式 对焊 注意开坡口 削薄 内削 外削 内外都削薄 组对 内部平齐 外部平齐 详见 GB50316 2008年版 下同 附录H 2 对焊 GB20801 4 2006 下同 7 4 3 组对 a 承插焊 承插焊 SWsocketweld 与管件 详见GB50316附录H1 1 1 2 使用限制 GB50316 5 9 1 2 GB20801 3 5 2 2 3a e 10 三 管道组成件的连接形式 管螺纹 NPT R Rc Rp四种 GB20801 3 5 2 5 教材6 8 11 NPT AmericanStandardTaperPipeThread 美国标准锥管螺纹 60 牙型角的圆锥管螺纹 牙型角为 60 内外螺纹锥角都是1 16的圆锥螺纹2tg 1 16 R 55 牙型角 螺纹锥角为1 16的圆锥外螺纹 Rc 55 牙型角 螺纹锥角为1 16的圆锥内螺纹 Rp 55 牙型角的圆柱内螺纹 R Rc 面对面接触 R2 工程条件苛刻时采用 R Rp 面对线接触 R1 公用工程 民用 11 12 三 管道组成件的连接形式 化工设计中大多采用NPT管螺纹 比较可靠 注意 只有英制管才有 管螺纹 NPT 60 牙型角 与ISO R Rc Rp 55 牙型角 两种圆锥管螺纹之间是不可互配的 使用限制 GB50316 5 9 2 1 8 GB20801 3 5 2 5 法兰接头 后面还要详细讲 其它 卡箍 螺纹 卡套等 13 四 钢管 钢管分类管线 长输管道 管道 工艺管道 管路 仪表管道 管网 城市公用工程管道 管道 Pipe 管标号 管标系列号 schNo 表达 管子 Tube 外径 壁厚表达 管线 Tubing 外径 壁厚表达 14 四 钢管 材料分类碳钢 C S 低合金钢 AS 高合金钢 SS 高强钢 低温钢 镀锌管 GB3091 制管工艺 教材6 8 2 GB20801 2 3 2 3 4 无缝钢管 SML Seamless 热轧 热扩 挤压 热锻 离心铸造 冷拔 冷轧 冷扩等 焊接钢管 不填充的ERW ElectricalResistanceWeld 电阻焊 填充EFW Electricfusionweld 电熔焊 直缝 双缝 螺旋缝SSAW Spiralweldedsteelpipe 钢带 卷板 钢板 15 四 钢管 GB T9711 1 1997 石油天然气工业输送钢管交货技术条件 中列举10种钢管种类 钢管的质量等级 教材6 6 3 需要根据钢管的使用条件 温度 压力 介质 结构 规范要求 历史延续等因素综合考虑其质量要求 对钢管质量的影响因素有 原材料 质检方式 组批要求 即 抽检率 等 由于钢管的质量等级直接与造价和安全相联系 所以在不同条件下使用与之相适应质量等级的钢管是十分重要的 16 四 钢管 钢管的使用限制GB50316 5 2 1 7 5 2 3被删除 GB20801 2 6 3 1 6 3 2GB20801 3 5 1 2 1 5 1 2 2 17 四 钢管 钢管的外径系列有三种外径系列钢管 美国 ANSI ASMEB36 10 36 19欧洲 DIN ISO4200日本 JISG3454 G3459 英制管 俗称 大外径 又称国际通用系列配管 也是国内石油化工引进装置中广泛使用的配管系列 上述三种外径系列钢管都是英制管 公制管 俗称 小外径 几十年来国内化工部门及其他工业部门至今仍广泛使用的管外径尺寸系列 即 国内沿用系列 属欧洲系列 与大多数国家使用的无缝钢管外径尺寸不相吻合 苏联除外 18 四 钢管 钢管的壁厚等级 教材6 8 4 1 管标号 SchNo Pipeschedulenumber 工作压力与工作温度下管子材料许用应力的比值乘以一个系数 并经圆整后的数值 是表征管子壁厚系列的代号 2 重量规格 美国MSS 阀门和管件工业制造者标准化学会 和ANSI也规定了以管子重量表示壁厚的方法 将管子壁厚分为三种 19 四 钢管 标准重量管 STD又称 标准管 标准壁厚对于DN 250的管子 Sch40相当于STD 加厚管 XS ExtraStrong 又称 加强管 超强壁厚对于DN 200的管子 Sch80相当于XS 特厚管 XXS Doubleextrastrong 又称 特强管 加倍超强壁厚3 管子壁厚尺寸 外径 壁厚 中国 ISO和日本部分钢管标准采用这种方式 20 四 钢管 管标号是以外径为基准的管子系列 各管标号管壁厚度均对应于同一管子外径 采用压力与应力的比值 Sch 1000 P S 以经济合理的统一管壁厚度系列 管标号本身虽不直接反映管子的使用压力 但将选用材料的许用应力代入式中便可计算出该管标号管子的近视使用压力 例如 管标号40的管子 当选用20 碳钢管 设计温度为200 时许用应力S 123MPa 则 20 管子的近视使用压力 21 四 钢管 P Sch S 1000 40 123 1000 4 92MPa计算管壁厚度的巴劳 Barlow 公式为 t PD 2S 将管标号代入 得 t Sch D 2000t Sch D 1750 C ASMEB36 10M中的公式 注 2000 1750乘与系数的结果 C 附加量 取0 1 22 四 钢管 如 计算Sch80 6 管壁厚 t 80 6 625 1750 0 1 0 403 Sch80 公称直径6 的管子实际公称壁厚取0 432 钢管的焊缝系数GB50316 表3 2 5GB T20801 2 A 3 23 五 管法兰接头 法兰结构的整体性特征1 整体性特征 必须把管法兰与垫片 紧固件 管子等一起作为一个整体考虑 才能体现法兰结构的特性 2 管法兰接头的密封机理 法兰接头的泄漏途径有二个 渗透泄漏 与 界面泄漏 正常设计应当使界面泄漏大于渗透泄漏 但对于非金属垫片 往往通过垫片内部的泄漏率远大于界面的泄漏率 厚度愈大 泄漏率愈大 所以国外依次采用0 8mm 1 6mm 3 2mm的厚度 24 五 管法兰接头 法兰接头不可能做到绝对不漏 这就有一个泄漏率概念 通常气体 分子量较小 的泄漏率远大于液体的泄漏率 用带压氮气条件下的泄漏率来评价垫片密封性能 泄漏率与预紧比压呈反比例指数关系 垫片 法兰 紧固件是依次影响法兰接头密封性能的主要元件 25 五 管法兰接头 3 管法兰接头的密封性能及其重要性法兰主要功能是密封 法兰失效从来都不是强度问题 单从法兰本身来讲 它的失效是在螺栓载荷 垫片反力和压力作用力的合成弯矩作用下 由于刚度不足而产生变形 转角 从而导致了对垫片压紧的的不均匀 在垫片内侧压紧力太小 而在垫片外侧垫片变形过大而导致垫片被压溃 其后果就是法兰接头的泄漏 26 五 管法兰接头 管法兰的选用与标注公称压力连接尺寸连接尺寸主要是指 螺栓中心圆直径 螺栓个数 螺纹尺寸 螺孔直径 法兰外径也属连接尺寸 但不影响使用 仅与外观有关 与欧洲系列管法兰相近的各项标准中 上述连接尺寸对大多数常用管法兰可以互相匹配 为稳妥设计选用时核对一下为好 27 法兰类型 教材6 6 6 板式平焊法兰PL plate 优点是取材方便 使用广泛 缺点是刚性较差 PL与WN的刚度相差一个数量级 泄漏率将相差两个数量级 建议不得用于有毒 易燃易爆和较高真空度要求的化工工艺配管系统 美洲系列中没有板式平焊法兰 28 带径对焊法兰WN weldingneckflange 整体法兰IF Integerflange 带径平焊法兰SO slip onflange 又称 滑套 法兰承插焊法兰SW socketweldflange 29 对焊环松套法兰PJ SE lapjointflange stubend 平焊环松套法兰PJ RJ lapjointflange ringjoint 法兰盖BL blindflange 衬里法兰盖BL S blindflange 螺纹法兰Th screwedflangethreadfange 30 法兰密封面 教材6 6 6 全平面FF flatface 用于脆性材料法兰 环连接面RJ ringtypejointfaceorringjointfacing 凹凸面MFM maleandfemale 榫槽面TG tongueandgroove 垫片宽度减少约三分之一 提高密封等级 用于非金属软垫片时 可防止垫片吹出 尤其对四氟之类有冷流 低温蠕变 倾向的软垫片 31 突面RF raisedface 选择密封面时应综合考虑供应周期 配套以及价格因素 法兰的压力 温度表垫片 6 6 7 6 8 5 6 8 7 32 法兰形式 33 法兰密封面 34 五 管法兰接头 紧固件 6 6 8 6 8 22 商品级专用级法兰 垫片 紧固件的选配法兰标记不能只靠一个标准解决法兰的制造 加工 安装 35 五 管法兰接头 管法兰的两大体系 6 6 5 美洲系列管法兰 Class psi 与公制单位的换算问题JIS法兰标准120 时温度 压力等级近视值公称压力2K5K10K16K20K30K40K63K120 时的压力值 MPa0 30 71 42 22 85 06 810 5法兰类型与密封面型式压力管道设计文件中应注明钢管标准 6 8 3 36 五 管法兰接头 法兰使用限制GB50316 5 6 1 5 6 7 GB20801 3 5 1 8 1 5 1 8 9GB20801 3 5 2 3 1 5 2 3 3 37 六 管件 管件型式标准管件 弯头 三通 回弯头 180 弯头 管帽 丝堵 异径管等 其中异径管又可分为 同心异径管 偏心异径管 异径弯头 异径三通 非标管件 短管 支承台 快速接头 活接头 软管 临时过滤器 盲板 排污环 大R弯头 带直边弯头 夹套管件 雨帽漏斗等 企标 38 六 管件 管件强度和型式试验强度校核 大尺寸钢管 盲板 虾米腰 通过强度校核来选用 GB50316 第6章 金属管道组成件耐压强度计算 GB20801 3 6 管道组成件的压力设计 等强度原则 要求管件 尤其时对焊管件 与钢管等厚度 即 通过型式试验保证与与对焊钢管等强度 P T表 查各种法兰 管件P T表 管件连接时的几个问题 39 七 材料基础 40 七 材料基础 41 七 材料基础 对铁碳合金状态图重点要了解所谓 三线 二点 并在此基础上了解 四把火 教材6 2 6 3 退火正火淬火回火 42 七 材料基础 沸腾钢 镇静钢 6 7 1 钢材的焊接性能 6 4 2 正火的原因 6 3 3 不锈钢 6 7 2 6 3 2 6 5 9 6 7 14 压力管道中的非金属材料 6 10 6 16 43 七 材料基础 工程塑料聚四氟乙烯 PTFE F4 耐蚀性 摩擦系数 聚氯乙烯 PVC 硬聚氯乙烯 加稳定剂软聚氯乙烯 不加稳定剂聚乙烯 PE 高压 低密度聚乙烯 塑料薄膜中压 中密度聚乙烯低压 高密度聚乙烯 管道或其衬里聚丙烯 PP 苯乙烯 丁二烯 丙烯腈共聚体 ABS 44 七 材料基础 橡胶天然橡胶 经硫化处理才能使用 软橡胶 含1 3 硫磺半硬橡胶 含30 硫磺硬橡胶 含40 硫磺合成橡胶氯丁橡胶 CR 丁基橡胶 IIR 丁腈橡胶 NBR 氟橡胶 FPM 45 七 材料基础 其它非金属玻璃钢 以各种树脂 如环氧树脂 不饱和聚脂树脂等 为基体材料 以中碱玻璃纤维物为骨架材料 由特殊的工艺固化而成的非金属材料 DN 25 900 搪瓷衬里管 将化工用的玻璃状无机材料 通过高温熔结在碳钢管表面上而生成的一种非金属衬里管 DN 25 250 铅及铅衬里管 铅合金 加铜 锑 不透性 石墨 通过向石墨中加入一些粘结剂或浸渍剂 在高压下成型的非金属管子 耐蚀性强 韧性差 46 八 温度与介质对管道设计的影响 温度对机械性能的影响不同的温度对应不同的许用应力 高温问题GB50316 4 2 金属材料的使用温度 GB20801 2 7 高温条件下的材料使用限制 47 八 温度与介质对管道设计的影响 教材6 7 8 6 7 12 15 GB50316 表A0 1注3 表A0 2注3要求 使用温度上限不宜超过粗线的界限 425 粗线以上的数值仅用于特殊条件或短期使用 相对应的有10 20 20G管子 GB50316 4 4 1 2要求 奥氏体钢的使用温度高于525 1000F 时钢中含碳量应不小于0 04 教材6 7 14 48 八 温度与介质对管道设计的影响 低温问题GB50316 4 3 金属材料的低温韧性试验要求 GB20801 2 8 低温条件下的材料使用限制 教材6 7 6 7 教材6 7 9 11 低温低