管道壁厚的合理计算和选择

裴孝君 李莉（天津渤海化工集团规划设计院，天津 300450）

管道壁厚的计算及选择是管道设计中最基本和最常见的问题，其选择方法有两类，一类是通过理论计算，另一类是选择管子的壁厚系列。然而在实际设计过程中对于管子壁厚的选择却非常混乱，经常会出现凭经验估算、乱套管子壁厚系列表（SCH）表、不经过演算随意套用某些手册数据的现象，有的甚至认为管道壁厚越大越好，随意扩大管道壁厚，不仅给安全带来隐患，而且也造成建设成本的提高和材料的浪费，因此，正确的选择管道的的壁厚是设计过程中非常必要和重要的环节。

1 理论计算选择管道壁厚

根据GB50316-2000《工业金属管道设计规范》，管子壁厚的计算公式如下：

式中：

δ→选用管壁厚度（mm）；

δ0→设计管壁厚度（mm）

P→设计压力（MPa）；

D→管子外径（mm）；

[σ]→在设计温度下材料的许用应力（MPa）；

ϕ→焊接接头系数，对于无缝钢管ϕ=1，焊接钢管ϕ=0.8，螺旋焊接钢管ϕ=0.6；

C→厚度附加量之和（mm）；C=C1+C2+C3

C1→厚度减薄附加量，包括加工、开槽及材料厚度负偏差（mm）；

C2→腐蚀或磨蚀附加量（mm）；

C3→螺纹加工深度值（mm）；

1.1 设计压力P和温度T的计算和选定

根据标准GB 50316-2000《工业金属管道设计规范》，除了工艺有特殊的条件或要求外，一般管道设计压力和设计温度可按表1进行确定。

表1 设计压力和温度表

1.2 管子外径D的确定

管子的外径包括A、B两个系列，A系列为国际通用系列（俗称英制管），B系列为国内沿用系列（俗称公制管）,不同的系列关系到管道中法兰选择系列[1]，但无论选择哪种系列的管子，在确定钢管的外径之前需要对钢管的公称直径DN进行计算，而对于给定的流量，管径的大小与管道系统的一次投资费(材料和安装)、操作费(动力消耗和维修)和折旧费等项有密切的关系，应根据这些费用作出经济比较，以选择适当的管径，此外还应考虑安全流速及其它条件的限制。以下将采用预定介质流速的方法来选择管径，可用于工程设计中的估算，计算公式如下：

式中：

d→管道的内径（mm）；

W→管内介质的质量流量，kg/h；

V0→管内介质的体积流量，m3/h；

ρ→介质在工作条件下的密度，kg/m3；

u→介质在管内的平均流速，m/s。

上式中介质在管内的平均流速u是预定的，可参考HG/T 20570《工艺系统工程设计技术规定》中不同介质的常用流速表。

1.3 钢管许用应力[σ]的确定

金属材料在进行拉伸试验时，应力变化和材料变形分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段。通常钢材是以屈服作为破坏的准则，但是在制造和使用时会由于各种因素影响其实际使用，因此采用一个统一打折的方法规定材料的许用应力，零件或构建中的工作应力不准超过许用应力。钢管在不同温度下的许用应力可根据GB150《钢制压力容器》进行查询。

1.4 管道厚度附加量C的确定

管壁附加厚度C值的选用如表2：

表2 管壁附加厚度C值选用表（mm）

通过以上对管道壁厚计算公式的解析可知，理论计算考虑的因素比较全面，因此计算结果则相对可靠些。

2 选择管子的壁厚系列

管子和管件除了以公称直径分级外，还以管壁厚度分级，目前常用的分级方法主要有以下几种：

2.1 以管子表号“Sch”表示的壁厚系列

管子表号“Sch”适用于焊接钢管和无缝钢管，管子表号是设计压力与设计温度下材料许用应力的比值乘以1000，并经圆整后的数值。公式如下：

式中：P→设计压力Mpa，

[σ]t→设计温度下的材料许用应力Mpa。

管子表号“Sch”并非壁厚值，但与壁厚有直接关系。同一直径的管子，每种表号均有相对应的壁厚值。而相同表号不同直径的管子，其壁厚各不相同。同一材料、同样温度、表号相同的管子所能适应的设计压力是相同的。管子的表号系列[2][3][4][5]有：Sch5S、Sch10S、Sch10、Sch20、Sch30、Sch40S、Sch40、Sch60、Sch80S、Sch80、Sch100、Sch120、Sch140、Sch160（其中带“S”者仅用于奥氏体不锈钢管）。与理论计算公式相比，此处只考虑了压力的因素，因此只能对管子的壁厚进行粗选。

2.2 以管子质量表示的壁厚系列

美国ASME标准规定的以质量表示的壁厚分为：

a、标准质量管，以STD表示；

b、加厚管，以XS表示；

c、特厚管，以XXS表示。

我国低压流体输送用焊接钢管（GB/T 3091），管端用螺纹和沟槽连接的6-150mm的钢管壁厚分为普通钢管和加厚钢管。

3 结语

管道壁厚选取的步骤和原则如下：

3.1 管道壁厚选取之前应首先计算管道的管子表号“Sch”，然后根据标准规定粗选管子壁厚，再通过理论计算与之比较，根据标准GB/T 17395-2008《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》选择钢管的尺寸。

3.2 不应随意扩大管子的壁厚，够用即可，因为壁厚扩大了，管系产生的热应力就会增大，反而会增加管系的不安全因素，除此之外管系对管道支吊架的作用力也增加了，增大了土建、结构的设计、施工难度，增大了施工费用，从经济上来讲也不合理。

3.3 对于高温和特殊管网，应进行应力分析。管道壁厚的选取还应满足降低管网局部应力的要求。

3.4 管道壁厚的选取要充分考虑项目所在地的实际情况，应便于管道的采购。

[1]HG/T 20592-20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》.

[2]ASMEB36.10《焊接和无缝锻轧钢管》.

[3]ASMEB36.19《无缝钢管》.

[4]HG 20553-2011《化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列》.

[5]SH 3405-96《石油化工企业钢管尺寸系列》.