设备与管道系统设计压力和设计温度的确定

PAGE15设备与管道系统设计压力和设计温度的确定

目录TOC\o"1-2"\h\z\u第1章绪论 PAGEREF_LarkToc00001\h31.1问题的提出与本文目的 PAGEREF_LarkToc00002\h31.2设计压力和设计温度在压力设计中的核心地位 PAGEREF_LarkToc00003\h31.3主要依据的标准与法规体系 PAGEREF_LarkToc00004\h31.4相关术语与概念 PAGEREF_LarkToc00005\h4第2章设计压力的确定 PAGEREF_LarkToc00006\h42.1设计压力确定的基本原则 PAGEREF_LarkToc00007\h42.2压力容器设计压力的确定 PAGEREF_LarkToc00008\h52.3管道系统设计压力的确定 PAGEREF_LarkToc00009\h62.4超压保护与设计压力的关系 PAGEREF_LarkToc00010\h72.5设计压力取值的工程惯例 PAGEREF_LarkToc00011\h7第3章设计温度的确定 PAGEREF_LarkToc00012\h73.1设计温度确定的基本原则 PAGEREF_LarkToc00013\h73.2压力容器设计温度的确定 PAGEREF_LarkToc00014\h83.3管道设计温度的确定 PAGEREF_LarkToc00015\h83.4最低设计金属温度与防脆断 PAGEREF_LarkToc00016\h93.5特殊温度工况 PAGEREF_LarkToc00017\h9第4章设计压力与设计温度的联合 PAGEREF_LarkToc00018\h94.1设计压力与设计温度组合的物理含义 PAGEREF_LarkToc00019\h94.2多种操作工况的组合与最苛刻工况选取 PAGEREF_LarkToc00020\h104.3正常操作、设计工况与试验工况的区别 PAGEREF_LarkToc00021\h10第5章特殊工况与相关载荷 PAGEREF_LarkToc00022\h105.1瞬态与冲击载荷 PAGEREF_LarkToc00023\h105.2地震、风载、雪载等自然载荷 PAGEREF_LarkToc00024\h105.3热膨胀与热应力 PAGEREF_LarkToc00025\h105.4管口受力和管道柔性 PAGEREF_LarkToc00026\h11第6章工程实践与常见问题 PAGEREF_LarkToc00027\h116.1设计压力取值偏大或偏小的后果 PAGEREF_LarkToc00028\h116.2常见错误与误区 PAGEREF_LarkToc00029\h116.3设计压力、设计温度与材料选用的关系 PAGEREF_LarkToc00030\h116.4与安全泄放整定压力的配合注意事项 PAGEREF_LarkToc00031\h11第7章设计条件与文件要求 PAGEREF_LarkToc00032\h127.1设计条件表 PAGEREF_LarkToc00033\h127.2设计文件应载明的内容 PAGEREF_LarkToc00034\h12第8章结语 PAGEREF_LarkToc00035\h12附录A主要术语汇总 PAGEREF_LarkToc00036\h13附录B常用标准与规范一览表 PAGEREF_LarkToc00037\h14附录C设计压力、设计温度确定流程概要 PAGEREF_LarkToc00038\h15

第1章绪论1.1问题的提出与本文目的设备和管道系统是现代工业装置的基础载体。压力容器与压力管道的强度设计，其核心输入之一便是设计压力与设计温度这两个基本设计参数。这两个参数直接决定了受压元件的计算厚度、材料选用、结构尺寸、安全泄放装置的设置，乃至整个系统的经济性与安全性。若设计压力和设计温度确定不当，既可能造成壁厚过大、投资浪费，也可能导致强度不足，引发泄漏甚至爆裂事故。因此，正确、规范、严谨地确定设计压力和设计温度，是设备与管道设计的首要环节，也是设计文件校审的重点。本文系统阐述设备和管道系统设计压力与设计温度的确定原则、方法、工程惯例与常见问题，结合我国现行标准规范体系，力求为工程设计人员提供一份系统、准确、可操作的技术参考。1.2设计压力和设计温度在压力设计中的核心地位压力容器与压力管道的强度计算，本质上是在一定的压力和温度组合条件下，校核受压元件的应力水平是否处于许用范围之内。设计压力是强度计算中压力的代表值，设计温度是确定材料许用应力和选用材料的温度代表值。二者一经确定，便固化了计算工况，进而决定壁厚、封头、法兰、开孔补强等各项设计结果。可以说，设计压力与设计温度是连接工艺操作条件与机械强度设计的桥梁。工艺专业提供的操作数据是依据，而设计压力与设计温度则是依据操作数据，并结合安全要求、超压保护方式和工程惯例综合确定的设计参数。1.3主要依据的标准与法规体系在我国，压力容器与压力管道的设计必须遵循国家特种设备法律法规、安全技术规范和相应的产品标准。在法律法规层面，主要依据《中华人民共和国特种设备安全法》和《特种设备安全监察条例》。在安全技术规范层面，固定式压力容器执行《固定式压力容器安全技术监察规程》（TSG21—2016）；工业管道执行《工业管道安全技术规程》（TSG31—2025），该规程已整合原《压力管道安全技术监察规程——工业管道》等相关规范。在产品与设计标准层面，压力容器执行《压力容器》（GB/T150.1～150.4—2024）系列标准，其中第1部分为通用要求、第2部分为材料、第3部分为设计、第4部分为制造检验验收；压力管道执行《压力管道规范工业管道》（GB/T20801—2025）系列标准，其中第1部分为工业管道、第3部分为设计和计算。此外，工程中亦常参考《工业金属管道设计规范》（GB50316），以及国际通行的美国机械工程师学会规范ASMEBPVC第Ⅷ卷和工艺管道标准ASMEB31.3等。上述标准体系为确定设计压力和设计温度提供了统一的规则框架。1.4相关术语与概念为便于下文论述，先厘清几个关键术语的含义。最高工作压力，指在正常操作情况下，容器顶部或管道系统可能达到的最高压力，一般以表压计。设计压力，指在相应设计温度下，用以确定受压元件计算厚度及其他尺寸的压力值，一般取不低于最高工作压力并留有一定裕量。最高允许工作压力（MAWP），指在相应设计温度下，容器或管道按实际最小厚度和相应规则计算得到的、允许承受的最高压力，它是确定安全泄放装置整定压力的重要基准。最高工作温度与最低工作温度，指在正常操作情况下，受压元件可能达到的最高或最低温度。设计温度，指在相应设计压力下，受压元件金属可能达到的最高温度或最低温度，取与设计压力相组合的温度值。最低设计金属温度（MDMT），指用于防止脆性断裂的低温设计基准温度，一般取最低操作温度与最低环境温度中的较低者。超压，指容器或管道内压力超过设计压力或最高允许工作压力的状态。上述术语是后续章节展开的基础，其精确定义以相应标准规范为准。第2章设计压力的确定2.1设计压力确定的基本原则设计压力确定的总体原则可概括为：设计压力应不低于受压系统在考虑各种正常操作和可能的异常工况后，系统可能出现的最高压力，并应结合是否设置安全泄放装置、泄放装置的整定方式等因素综合确定。具体而言，应遵循以下几点：一是设计压力应以最高工作压力为基础，并考虑一定的裕量；二是装有安全泄放装置的系统，设计压力应与安全泄放装置的整定压力相协调；三是应考虑液柱静压力、动压等附加压力的影响；四是应考虑开工、停工、吹扫、试验等各种非正常操作工况；五是真空或承受外压的系统，应按外压工况确定设计压力。2.2压力容器设计压力的确定2.2.1未装安全泄放装置的情形对于不设安全泄放装置的压力容器，其设计压力应不低于最高工作压力。换言之，设计压力一般取略高于正常操作时容器顶部可能达到的最高压力，以保证容器在整个操作范围内均具有足够的强度裕度。2.2.2装设安全泄放装置的情形当容器装设安全阀或爆破片等安全泄放装置时，设计压力应与泄放装置的动作压力相协调。一般而言，容器设计压力应不低于安全阀的整定压力，或爆破片的设计爆破压力，以确保在泄放装置动作之前，容器即具有足够的承压能力。同时，还应校核泄放过程中可能出现的最大泄放压力，保证容器在超压泄放工况下仍不失效。安全泄放装置的整定压力通常不应高于容器的最高允许工作压力，以兼顾安全与正常操作。2.2.3液化气体、饱和蒸汽等特殊介质对于盛装液化气体、饱和蒸汽等介质，其压力随温度变化显著。此类容器的设计压力一般按最高工作温度下介质的饱和蒸汽压来确定，同时考虑最高工作温度的可能波动，从而覆盖温度升高导致压力升高的风险。2.2.4真空容器与外压容器对于操作在真空状态或承受外压的容器，设计压力应按外压工况确定，即取可能承受的最大外部压力与内部压力的差值，一般不应低于0.1兆帕的外压设计值；若实际可能承受的外压更高，则应按实际值确定。外压容器需按外压失稳理论校核稳定性，设计压力的确定直接关系到稳定性计算的可靠性。2.2.5液柱静压力对设计压力的影响当容器内液柱高度较大时，容器底部所承受的压力高于顶部。按标准规定，当液柱静压力超过一定界限，工程上通常以超过最高工作压力或设计压力的5%为判据时，应将液柱静压力计入设计压力。此时，容器各部位可采用不同的设计压力，或统一按最不利部位确定。对于内压容器，一般以顶部压力作为基本设计压力，底部附加液柱静压力。2.2.6组合载荷与附加工况除内压或外压外，容器还可能承受风载、地震、重力、温差等载荷。在确定设计压力时，通常以压力作用下的强度计算为主；当附加载荷对强度有显著影响时，应按标准规定的组合载荷工况进行校核，必要时提高设计压力或采取加强措施。2.3管道系统设计压力的确定2.3.1基本规则管道设计压力应不小于正常操作过程中系统可能出现的最大压力，包括正常操作及各种可预见的运行工况。与容器类似，管道的设计压力一般取略高于正常操作时的最高工作压力，并综合考虑系统中各设备的操作条件、泵与压缩机的特性等因素。2.3.2装设安全泄放装置的管道当管道系统装设安全阀或爆破片时，管道设计压力应与泄放装置的整定压力相协调，一般不低于整定压力，并校核最大泄放压力。安全泄放装置的整定压力不应高于管道最高允许工作压力。2.3.3泵与压缩机进出口管道泵的出口管道应按泵在关闭扬程下可能产生的最高压力进行设计，因为泵启动、阀门误关闭等情况下，出口压力可显著升高。压缩机的出口管道同样应按其可能达到的最高排出压力确定设计压力。进口管道一般按正常操作压力并考虑一定的裕量，同时注意负压工况。2.3.4液柱静压力与动压对于存在较大高度差的垂直管道或立管，应计入液柱静压力对设计压力的影响。对于存在明显流速、可能产生水锤的管道，应考虑动压与瞬态压力升高对设计压力的影响。2.3.5各种操作工况的考虑管道设计压力应综合涵盖正常操作、开工、停工、停车、吹扫、置换、再生、水压试验等各种可能出现的工况，取其中可能导致最高压力的工况作为设计依据。不同工况下的设计压力可分别规定，工程上常按最苛刻工况统一确定，以简化设计。2.4超压保护与设计压力的关系设置安全泄放装置是控制超压的重要措施。设计压力、最高允许工作压力与安全泄放装置整定压力三者之间存在内在联系：安全泄放装置的整定压力一般不应高于最高允许工作压力；容器或管道的设计压力应不低于整定压力；泄放过程中允许的最大泄放压力应满足标准规定，保证在泄放工况下系统不失效。合理确定这三者的取值关系，是设计压力确定中需要综合权衡的关键环节，既要保证安全，又要避免过度保守造成浪费。2.5设计压力取值的工程惯例在实际工程设计中，设计压力的取值通常遵循如下惯例：无安全泄放装置时，设计压力一般取最高工作压力的1.05至1.1倍，或直接取最高工作压力并另加适当的裕量；装有安全阀时，设计压力一般取安全阀整定压力，或按整定压力再加少许裕量；设计压力的取值还应考虑仪表测量误差、控制精度等因素；工程设计压力取值应尽量统一、规整，避免因取值过于分散导致材料规格繁杂。上述惯例仅为通行做法，具体取值应结合工程实际情况，在满足标准的前提下合理确定。第3章设计温度的确定3.1设计温度确定的基本原则设计温度的总体原则是：设计温度应取受压元件金属在相应设计压力下可能达到的最高温度或最低温度，并与设计压力相组合。由于材料的许用应力随温度升高而降低，取最高温度进行强度校核是偏安全的；而低温则关系到材料韧性与防脆断。因此，最高设计温度和最低设计温度分别用于不同的设计目的。3.2压力容器设计温度的确定3.2.1最高设计温度压力容器的最高设计温度，一般取容器受压元件在正常操作过程中可能达到的最高金属温度。在介质温度与壁温接近、且容器有良好保温时，设计温度可近似取介质的最高工作温度，必要时加适当裕量。当介质温度与壁温相差较大，或受环境、伴热等因素影响时，应根据传热分析确定或取偏保守的值。3.2.2最低设计温度压力容器的最低设计温度，一般取受压元件可能达到的最低金属温度，通常与最低操作温度或最低环境温度相关。最低设计温度用于低温工况下的材料选择和防脆断校核，也用于确定材料的最低使用温度下限。3.2.3壁温与介质温度的差异处理当容器介质温度与金属壁温存在明显差异时，不能简单以介质温度代替设计温度。对于保温容器，壁温接近介质温度，可取介质温度并适当加裕量；对于不保温或保温不良的容器，壁温受环境温度影响，可能低于介质温度，应综合考虑。对于伴热或冷却的容器，壁温可能偏离介质温度，应按实际传热条件确定。3.2.4各受压元件的设计温度容器的筒体、封头、接管、法兰、人孔等各受压元件的金属温度可能不同。标准允许对不同受压元件分别确定设计温度，例如法兰连接处、薄壁元件与厚壁元件之间可能存在的温度差异。设计时应区分各元件的实际温度条件，分别确定设计温度，以做到既安全又经济。3.3管道设计温度的确定3.3.1最高设计温度管道设计温度一般取正常操作过程中，在相应设计压力下管道金属可能达到的最高温度。通常以介质温度为基准，考虑伴热、保温、散热及环境温度的影响。对于高温管道，设计温度取介质最高工作温度并考虑适当裕量；对于有伴热的管道，设计温度应按伴热介质的温度或管道金属可能达到的最高温度确定。3.3.2最低设计温度管道最低设计温度用于低温工况与防脆断校核，一般取介质最低工作温度与最低环境温度中的较低者。对于室外管道，环境低温是重要的考虑因素。3.3.3与操作工况的对应管道设计温度应与设计压力所对应的操作工况相组合，即取同一设计压力工况下的温度。工程上常按最苛刻的温度压力组合统一确定，以简化设计文件。不同管道区段因其介质、伴热、保温条件不同，设计温度可分别确定。3.4最低设计金属温度与防脆断最低设计金属温度（MDMT）是防止受压元件发生脆性断裂的重要设计基准。当设备或管道的工作温度低于材料的韧脆转变温度区域时，存在脆断风险。因此，设计时应根据最低设计金属温度选择具有足够低温韧性的材料；对低温工况，按标准要求进行冲击试验等韧性校核；必要时采取预热、限制加载速率等措施。MDMT的合理确定，直接关系到低温装置的安全性。3.5特殊温度工况除正常操作外，设计温度还应考虑下列特殊工况：开工、停工过程中的温度变化可能产生的热冲击；紧急冷却或紧急加热导致的温差应力；环境温度的极端变化，尤其是户外设备的低温；蒸汽吹扫、热态试验等工艺性温度工况。这些工况下的温度应纳入设计温度的考虑范围，以保证设备在全部服役周期内的安全。第4章设计压力与设计温度的联合4.1设计压力与设计温度组合的物理含义设计压力和设计温度并非两个孤立的参数，而是构成一个计算工况的组合。强度计算必须在确定的压力温度组合下进行，因为材料许用应力随温度变化，而压力决定应力水平。同一设备在不同压力温度组合下，其强度裕度不同，因此设计文件必须明确二者对应的组合关系。4.2多种操作工况的组合与最苛刻工况选取实际运行中，设备可能经历多种工况：正常操作、开工、停工、停车、试验、事故等。工程上确定设计压力和设计温度时，应逐一识别各操作工况下的压力与温度组合，选取对强度最不利，即压力与温度组合导致计算厚度最大的工况作为设计依据，并对安全泄放工况另行校核。最苛刻工况的选取是设计压力和设计温度联合确定的核心，也是设计校审的重点。4.3正常操作、设计工况与试验工况的区别正常操作工况是设备实际运行的工况，是确定最高工作压力和最高工作温度的依据。设计工况是设计文件采用的、用于强度计算的压力温度组合，一般取最苛刻工况并加裕量。试验工况如液压试验、气压试验，其试验压力高于设计压力，但试验温度一般为环境温度，应单独校核，保证设备在试验压力下安全。区分这三类工况，有助于正确理解设计压力和设计温度的确定依据。第5章特殊工况与相关载荷5.1瞬态与冲击载荷管道系统中的水锤、气锤、阀门快速启闭等会引起瞬态压力波动。当瞬态压力升高显著时，应将其纳入设计压力的考虑，或通过设置缓冲装置、延长阀门启闭时间等措施控制瞬态压力。5.2地震、风载、雪载等自然载荷对室外设备与管道，地震、风载、雪载等自然载荷可能对强度产生显著影响。此类载荷一般按组合载荷工况进行校核，必要时提高结构强度或采取支撑、加固措施。5.3热膨胀与热应力温度变化引起管道和设备的膨胀或收缩。当热变形受到约束时，将产生热应力。设计时应通过管道柔性设计，如设置膨胀节、改变走向等，来降低热应力，并对热应力进行校核。热应力虽不属于设计压力、设计温度的直接取值范畴，但其与温度密切相关，应在设计中统筹考虑。5.4管口受力和管道柔性设备管口承受管道传来的力和力矩。管道热膨胀、支承设置不当等都会对管口产生附加载荷。设计时应通过管道应力分析控制管口受力，确保设备管口及其连接的安全。这是设计压力、设计温度确定后，在系统设计层面必须同步处理的问题。第6章工程实践与常见问题6.1设计压力取值偏大或偏小的后果设计压力取值偏大，会使壁厚增加、材料与制造成本上升，造成不必要的浪费；取值偏小，则可能使强度不足，埋下安全隐患。因此，设计压力的确定应在安全与经济之间取得平衡，既要满足标准要求，又要贴合实际工况。6.2常见错误与误区工程实践中，确定设计压力和设计温度时常出现以下误区：一是将正常操作压力直接当作设计压力，未留足裕量；二是未考虑泵关闭扬程、水锤等异常工况；三是将介质温度直接当作壁温，忽视环境与传热影响；四是忽视液柱静压力的影响；五是未将设计压力与安全泄放装置整定压力协调一致；六是最低设计温度取值不当，导致低温脆断风险。设计人员应针对上述误区，结合标准逐项校核。6.3设计压力、设计温度与材料选用的关系设计温度和最低设计金属温度决定了材料的许用应力取值与低温韧性要求，进而影响材料牌号、供货状态和检验要求的选择。设计压力则直接影响材料用量。因此，合理确定设计压力和设计温度，是材料选用合理、经济的前提。6.4与安全泄放整定压力的配合注意事项确定设计压力时，应提前协调安全泄放装置的整定压力。整定压力过高，可能在超压时泄放不及时；整定压力过低，则可能频繁动作，影响正常操作。设计压力、最高允许工作压力与整定压力三者应统筹确定，保证安全泄放的有效性。第7章设计条件与文件要求7.1设计条件表设计压力和设计温度通常由工艺专业在设计条件表中提出，作为压力容器与管道设计的依据。设计条件表应载明：介质名称及其性质；最高工作压力、最高工作温度、最低工作温度；设计压力、设计温度；是否有安全泄放装置及其整定压力；液柱静压力、附加载荷等特殊要求；设计使用寿命、腐蚀裕量等。7.2设计文件应载明的内容设计文件，包括设计图纸、计算书、说明书，应清晰载明设计压力、设计温度及其确定依据，包括所依据的操作工况、安全泄放装置设置情况等，以便校审、制造、检验及运行管理追溯。设计参数的规范记录是设计文件质量的重要体现。第8章结语设备与管道系统的设计压力和设计温度，是压力设计的两大基础参数，其确定是否合理，直接关系到系统的安全性与经济性。本文以我国现行标准规范为主线，系统阐述了设计压力与设计温度的确定原则、方法与工程实践要点，涵盖了压力容器与管道系统的各类情形及特殊工况。工程实践中，设计人员应准确把握相关标准规范的要求，结合具体工况合理取值，并严格履行校审程序，确保设