压力管道基础知识讲座(6)——管道器材选用
6管道器材选用
压力管道的管子及其元件的选用包括应用标准、材料标准、结构形式、连接形式等内容的选定。它是管道压力等级内容的延伸。压力管道的介质、操作条件种类繁多，在这里不可能对各种情况都给出选用的标准，只能给大家一个思路，在具体的设计工作中还要具体分析并注意总结经验。
6.1管子
管子是压力管道中应用最普遍、用量最大的元件，它的重量占整个压力管道的近2/3，而投资则占近3/5。因此，管子选的好与坏、是否经济合理，直接影响着石油化工生产装置的安全和基建投资费用。
在我国的钢管制造标准中，有结构用钢管和流体输送用钢管之分。
结构用钢管：主要用于一般金属结构如桥、梁、钢构架等，它只要求保证强度与刚度，而对钢管的严密性不作要求。
流体输送用钢管：主要用于带有压力的流体输送，它除了要保证有符合相应要求的强度与刚度外，还要求保证密闭性，即在出厂前要求逐根进行水压试验。对压力管道来说，它输送的介质常常是易燃、易爆、有毒、有温度、有压力的介质，故应选用流体输送用钢管。
在实际的工程设计、采购和施工中，经常发现有用结构用钢管代替流体输送用钢管的现象，这是不允许的。
6.1.1焊接钢管
常用的焊接钢管标准有：
GB/T3091《流体输送用焊接钢管》
GB/T9711.1－1997《石油天然气工业输送钢管交货技术条件》
SY/T5038《普通流体输送用螺旋缝高频焊钢管》
SY/T5037《普通流体输送用螺旋缝埋弧焊钢管》
GB12771《流体输送用不锈钢焊接钢管》
HG50237.1~4《奥氏体不锈钢焊接钢管》
目前，常用的焊接钢管根据其生产时采用的焊接工艺不同可以分为：
连续炉焊(锻焊)钢管、电阻焊钢管和电弧焊钢管三种。
a.连续炉焊(锻焊)钢管
连续炉焊(锻焊)钢管 是在加热炉内对钢带进行加热，然后对已成型的边缘采用机械加压方法使其焊接在一起而形成的具有一条直缝的钢管。
特 点： 生产效率高，生产成本低；但焊缝质量差，综合机械性能差。
材料牌号：Q195A、Q215A、Q235A三种
用 途：适于设计温度为0～100℃、设计压力不超过0.6MPa的水和压缩空气系统。
标 准：GB/T3091《流体输送用焊接钢管》
b.电阻焊钢管
电阻焊钢管 是通过电阻焊或电感应焊焊接方法生产的，带有一条直焊缝的钢管
特 点：生产效率高，自动化程度高，焊后的变形和残余应力较小。设备投资高，对焊接接头的质量要求也比较高。由于接头处难免有杂质存在，所以接头塑性和冲击韧性较低。
标 准：SY/T5038《普通流体输送用螺旋缝高频焊钢管》
材料牌号：Q195A、Q215A、Q235A三种
用 途：适用于设计温度≤200℃的水、煤气、空气、采暖蒸汽等
标 准：GB/T9711.1－1997《石油天然气工业输送钢管交货技术条件》
材料牌号：L 175、L210，L245，L290，L320，L360，L450等15种
用 途：石油天然气工业中可燃流体和非可燃流体（中、低压）
c.电孤焊钢管
电孤焊钢管 是通过电弧焊焊接方法生产的钢管。
特 点：接头达到完全的冶金结合，接头的机械性能能够完全达到或达到母材的机械性能。在经过适当的热处理和无损检查之后，电弧焊直缝钢管的使用条件可达到无缝钢管的使用条件而取代之。
螺旋缝钢管材料牌号： Q195、Q215、Q235三种
用 途：适用于设计温度≤200℃的水、煤气、空气、采暖蒸汽等
标 准：SY/T5037《普通流体输送用螺旋缝埋弧焊钢管》
直缝钢管材料牌号： 1Cr18Ni9、0Cr19Ni9、00Cr19Ni11、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14Mo2共12种
用 途：设计压力小于5.0MPa，焊缝系数小于1.0时，不宜用于极度或高度危害介质
标 准：GB12771《流体输送用不锈钢焊接钢管》
HG50237.1~4《奥氏体不锈钢焊接钢管》
6.1.2 无缝钢管
无缝钢管 是采用穿孔热轧等热加工方法制造的不带焊缝的钢管。必要时，热加工后的管子还可以进一步冷加工至所要求的形状、尺寸和性能。目前，无缝钢管（DN15－600）是石油化工生产装置中应用最多的管子。
a.碳素钢无缝钢管
材料牌号： 10、20、09MnV、16Mn共4种
标 准：GB8163《流体输送用无缝钢管》
GB/T9711.1－1997《石油天然气工业输送钢管交货技术条件》
GB6479《化肥设备用高压无缝钢管》
GB9948《石油裂化用无缝钢管》
GB3087《低中压锅炉用无缝钢管》
GB5310《高压锅炉用无缝钢管》
GB/T8163：
材料牌号：10、20、09MnV、16Mn
适用范围：设计温度小于350℃、压力低于10MPa的油品、油气和公用介质
GB6479：
材料牌号：10、20G、16Mn共3种
适用范围：设计温度－40～400℃、设计压力10.0～32.0MPa的油品、油气
GB9948：
材料牌号：10、20共2种
适用范围：不宜采用GB/T8163钢管的场合。
GB3087：
材料牌号：10、20共2种
适用范围：低中压锅炉的过热蒸汽、沸水等
GB5310：
材料牌号：20G 1种
适用范围：高压锅炉的过热蒸汽介质
检验：一般流体输送用钢管必须进行化学成分分析、拉力试验、压扁试验和水压试验。
GB5310、GB6479、GB9948三种标准的钢管，除了流体输送用钢管必须进行的试验外，还要求进行扩口试验和冲击试验；这三种钢管的制造检验要求是比较严格的。
GB6479标准还对材料的低温冲击韧性做出了特殊要求。
GB3087标准的钢管，除了流体输送用钢管的一般试验要求外，还要求进行冷弯试验。
GB/T8163标准的钢管，除了流体输送用钢管的一般试验要求外，据协议要求进行扩口试验和冷弯试验。这两种管子的制造要求不如前三种严格。
制造：
GB/T/8163和GB3087标准的钢管多采采用平炉或转炉冶炼，其杂质成分和内部缺陷相对较多。
GB9948多采用电炉冶炼。大多加入了炉外精炼工艺，成分和内部缺陷相对较少。
GB6479和GB5310标准本身规定了炉外精炼的要求，其杂质成分和内部缺陷最少，材料质量最高。
上述几个钢管标准的制造质量等级从低到高的顺序：
GB/T8163<GB3087<GB9948<GB5310<GB6479
选用：
一般情况下，GB/T8163标准的钢管适用于设计温度小于350℃、压力低于10.0MPa的油品、油气和公用介质条件下；
对于油品、油气介质，当其设计温度超过350℃或压力大于10.0MPa时，宜选用GB9948或GB6479标准的钢管；
对于临氢操作的管道，或者在有应力腐蚀倾向环境中工作的管道，也宜使用GB9948或GB6479标准。
凡是低温下(小于－20℃)使用碳素钢钢管应采用GB6479标准，只有它规定了对材料低温冲击韧性的要求。
GB3087和GB5310标准是专门为锅炉用钢管而设置的标准。《锅炉安全监察规程》强调指出，凡与锅炉相连的管子都属监察范围，其材料与标准的应用都应符合《锅炉安全监察规程》的规定，故锅炉、电站、供暖以及石化生产装置中用到的公用蒸汽管道(由系统供给)等都应采用GB3087或GB5310标准。
**值得注意的是，质量好的钢管标准，钢管的价格也比较高，如GB9948比GB8163材料的价格高近1/5，因此，在选用钢管材料标准时，应依据使用条件综合考虑，既要可靠又要经济。
b.铬钼钢和铬钼钒钢无缝钢管
石油化工生产装置中，常用的铬钼钢和铬钼钒钢无缝钢管标准有
GB9948《石油裂化用无缝钢管》
GB6479《化肥设备用高压无缝钢管》
GB5310《高压锅炉用无缝钢管》
GB9948包含的铬钼钢材料牌号：12CrMo、15CrMo、1Cr2Mo、1Cr5Mo共4种
GB6479包含的铬钼钢材料牌号：12CrMo、15CrMo、1Cr5Mo共3种
GB5310包含的铬钼钢和铬钼钒钢材料牌号：15MoG、20MoG、12CrMoG 、15CrMoG、12Cr2MoG、12Cr1MoVG共6种
c.不锈钢无缝钢管
常用的不锈钢无缝钢管标准有：GB/T14976、GB13296、GB9948、GB6479、GB5310共五个标准。其中，后三个标准中仅列出了两三个不锈钢材料牌号，而且是不常用的材料牌号。因此，当工程上选用不锈钢无缝钢管标准时，基本上都选用GB/T14976和GB13296标准。
GB/T14976《流体输送用不锈钢无缝钢管》：
材料牌号：0Cr18Ni9(304)、00Cr19Ni10(304L)、0Cr17Ni12Mo2 (316)、00Cr17Ni14Mo2(316L)、0Cr18Nil0Ti(321)、0Cr18Ni11Nb(347)、0Cr25Ni20(310)等 共19种适于一般流体的输送。
GB13296《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》：
材料牌号：0Cr18Ni9(304)、00Cr19Ni10(304L)、0Cr17Ni12Mo2 (316)、00Cr17Ni14Mo2(316L)、0Cr18Nil0Ti(321)、0Cr18Ni11Nb(347)、0Cr25Ni20(310)等 共25种
※ “304”代号为ASTM标准中的对应牌号
※ 其中超低碳不锈钢(00Cr17Ni14Mo2、00Cr19Ni10)具有优良的抗腐蚀性能，在一定条件下，可代替稳定型不锈钢(0018Ni10Ti、0Cr18Ni11Nb)用于抗介质的腐蚀；
※ 超低碳不锈钢高温机械性能较低，一般仅用于温度低于525℃的条件下；
※ 稳定型奥氏体不锈钢既具有较好的抗腐蚀性能，又有较高的高温机械性能，但0Cr18Ni10Ti中的Ti在焊接过程中易被氧化而失掉，从而降低了其抗腐蚀性能，其价格较高，这类材料一般用在较重要的场合。
※0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2具有一般的抗腐蚀性能，价格便宜，因此被广泛应用。
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6.2管件
常用的管件有：弯头、三通、异径管（大小头）、管帽、加强管嘴、加强管接头、异径短节、螺纹短节、活接头、丝堵、仪表管嘴、软管站快速接头、漏斗、水喷头、管箍等。
管道的拐弯以前由现场煨制，该方法劳动强度大、效率低，，材料的组织状态和性能也不好，而且往往因管壁厚减薄而导致拐弯处成为整个管道的薄弱环节；管道的分支一般是在管子上直接开孔连接，此处有时虽然进行补强，但.焊缝一般为角焊缝，受力状况不好，焊缝质量也不易控制，因此，该处往往也成为管道的薄弱环节。采用管件后，较好地解决了上述问题。因此，现在的压力管道已大量采用各种各样的管件，其投资约占整个管道投资的1/5。
6.2.1连接形式
管件之间、管件和管子之间常用的连接型式有对焊连接、承插焊连接、螺纹连接和法兰连接。
a.对焊连接
它是DN≥50的管道及其元件常用的一种连接型式。对于DN≤40的管子及其元件，因为它的壁厚一般较薄，采用对焊连接时错口影响较大，容易烧穿，焊接质量不易保证，故此时一般不采用对焊连接。但下列几种情况例外：
1) 对于DN≤40、壁厚大于等于SCH160的管道及其元件，其壁厚已比较厚，采用对焊连接时前面所述的问题已不存在，故也常用对焊连接；
2) 有缝隙腐蚀介质(如氢氟酸介质)存在的情况下，即使DN≤40、壁厚小于SCH160，也采用对焊连接，以避免缝隙腐蚀的发生，此时在焊接施工时常采用小焊丝直径、小焊接电流的氩弧焊而不用一般的电弧焊；
3）对润滑油管道，当采用承插焊连接时，其接头缝隙处易积存杂质而对机械设备产生不利影响，此时也应采用对焊连接；
b.承插焊连接
它多用于DN≤40、管壁较薄的管子和管件之间的连接。
承插焊连接必定为一个是插口，另一个则为承口管件。
一般异径短节、螺纹短节等为插口管件；
弯头、三通、管帽、加强管嘴、活接头、管箍等为承口管件。在应用中应考虑这些管件之间的搭配组合以及所需的结构空间。
c.螺纹连接
螺纹连接也多用于DN≤40的管子及其元件之间的连接。常用于不宜焊接或需要可拆卸的场合。
螺纹连接件有阳螺纹和阴螺纹之分。
常用的管件中，螺纹短节为阳螺纹，而弯头、三通、管帽、活接头等多为阴螺纹，使用时应注意它们之间的搭配和组合。螺纹连接与焊接相比，其接头强度低，密封性能差，因此其使用时，常受下列条件的限制:
1) 螺纹连接的管件应采用锥管螺纹；
2)螺纹连接不推荐用在大于200℃及低于－45℃的温度下；
3)螺纹连接不得用在剧毒介质管道上；
4)螺纹连接不推荐用在可能发生的腐蚀、缝隙腐蚀或振动、压力脉动及温度变化可能产生交变载荷的管道上；
5)用于可燃气体管道上时，宜采用密封焊进行密封。
常用的锥管螺纹可分为：
55°锥管螺纹 (多用于欧洲)
60°锥管螺纹 (多用于美国)
(ISO7/1)为55°锥管螺纹。日本标准同时包含550锥管螺纹和600锥管螺纹两种。
GB7306为55°锥管螺纹 等同采用(ISO7/1)
螺纹锥度为：1：16；
牙型角：55°
尺寸范围：1/16”~6”
螺纹标志代号：R(圆锥外螺纹)
Rc（圆锥内螺纹）
GB12716为60°锥管螺纹等同采用（ANSI/ASME B 1.20.1）
螺纹锥度为：1：16；
牙型角：60°
尺寸范围：1/16”~12”
标识：NPT
两种圆锥管螺纹不能互换。
6.2.2对焊管件
常用的对焊管件包括弯头、三通、异径管(大小头)和管帽，前三项大多采用无缝钢管或焊接钢管通过推制、拉拔、挤压而成，后者多采用钢板冲压而成。
它们通过公称壁厚等级（管子表号或壁厚值）来实现与管子等强度，至于其局部应力集中的补强，是制造厂应解决的事情。制造厂应对对焊管件的强度进行设计，并通过验证试验法进行验证。
a.弯头
长半径弯头（R＝1.5DN）：一般情况下，应优先采用；
短半径弯头（R＝1.0DN）：多用于尺寸受限制的场合。其最高工作压力不宜超过同规格长半径弯头的0.8倍。
弯管（R＝nDN）：用于缓和介质在拐弯处的冲刷和动能，可用到R=3DN、6DN、10DN、20DN
根据制造方法不同又分为推制弯头、挤压弯头和焊制斜接弯头
推制弯头和挤压弯头： 常用于介质条件比较苛刻的中小尺寸管道上
焊制斜接弯头： 常用于介质条件比较缓和的大尺寸管道上，同时要求其弯曲半径不宜小于其公称直径的1.5倍。当斜接弯头的斜接角度大于450时，不宜用于剧毒、可燃介质管道上，或承受机械振动、压力脉动及由于温度变化产生交变载荷的管道上。
b.三通
同径三通
异径三通
y型三通 常常代替一般三通，用于输送有固体颗粒或冲刷腐蚀较严重的管道上。
四通
c.异径管(大小头)…
通常有同心异径管
偏心异径管
d.管帽(封头)..
有平盖封头
标准椭圆封头
平封头制造较容易，价格也较低，但其承压能力不如标准椭圆封头，故它常用于DN≤100、介质压力低于1.0MPa的条件下。标准椭圆封头为一带折边的椭圆封头，椭圆的内径长短轴之比为2:1，它是应用最广的封头。
在很多情况下，如管廊上的管子端部，管帽都由法兰代替，以便于管子的吹扫和清洗。
6.2.3承插焊和螺纹连接管件
它一般是指DN≤40的管道元件，包括弯头、三通、加强管嘴、加强管接头、管帽、管箍、异径短节、活接头、丝堵、仪表管嘴、软管站快速接头、水喷头等。
6.2.4 常用管件标准
国家标准：
GB12459－90 钢制对焊无缝管件 DN=10－500mm A、B系列
GB/T13401－92钢板制对焊无缝管件 DN=350－1200mm A、B系列
GB/T14383－93锻钢制承插焊管件 DN=15－80mm A、B系列
GB/T14626－93 锻钢制螺纹管件 DN=8－100
GB/T17185－1997 钢制法兰管件 DN=25－600mm PN 2.0，5.0，11.0，15.0，26.0MPa
中石化标准：
SH 3408－1996 钢制对焊无缝管件 DN＝15－500mm
SH 3409－1996 钢板制对焊管件 DN＝200－1200mm
SH 3410－1996锻钢制承插焊管件 DN=10－80mm
化工部标准：
HG/T21634－1990锻钢制承插焊管件 1/2”－11/2”，3000及6000磅
HG/T21635－1990碳钢、低合金钢无缝对焊管件DN=50－600mm
PN 25，40，64，100kg/cm2
HG/T21631－1990钢制有缝对焊管件 DN=300－1000mm
石油部标准：
SY/T0510－1998钢制对焊管件 DN=15－600mm
各种管件标准，对焊无缝和钢板制对焊管件均等有效采用ANSI B16.9和ANSIB16.28。锻钢制承插焊和螺纹管件均等有效采用ANSI B16.11。但各标准同类管件的结构尺寸不尽相同。
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6.3法兰及紧固件
法兰、垫片及螺栓三者组成管道中可拆卸的连接结构，压力管道中应用很普遍也是一种很重要的连接形式。通常，法兰、螺栓与垫片三者共同构成一个密封副，三者共同作用，相辅相承，才能保证接头的良好密封。
盲板、8字盲板、限流孔板、混合孔板等与法兰、垫片及螺栓关系比较密切，常与它们配合使用，一起进行介绍。
6.3.1法兰
法兰是确定管道公称压力等级的基准件。由前面的介绍可知，法兰的种类很多，不同型式的法兰，其密封性能不同，适用场合也不同。在这里仅讨论不同型式的法兰应如何选用，仅供参考。
a. 法兰种类
◆ 结构型式 管道法兰按与管子的连接方式分为以下六种基本类型：平焊、对焊法、承插焊、松套、螺纹法兰和整体法兰，如图6－1。
图6－1 管道法兰与管子的连接方式
◆密封面型式 法兰密封面有全平面、凸台面、凹凸面、榫槽面、环槽面等五种。见图6－2。
图6－2 法兰密封面型式
◆ 法兰代号
不同的标准其法兰的密封面及型式的名称、代号略有区别。见表6－1、表6－2。
表6－1 密封面名称及代号对照表
|
序号 |
SH 3406－96 |
HG20592～20635－97 |
JB/T74～90－94 |
GB9112－2000 |
|
1 |
全平面（FF） |
全平面（FF） |
|
平面（FF） |
|
2 |
凸台面（RF） |
突面（RF） |
凸面 |
突面（RF） |
|
3 |
凹凸面（MF） |
凹凸面（MFM） |
凹凸面 |
凹凸面（MF） |
|
4 |
榫槽面（TG） |
榫槽面（TG） |
榫槽面 |
榫槽面（TG） |
|
5 |
榫槽面（TG） |
环连接面（RJ） |
环连接面 |
环连接面（RJ） |
|
序号 |
SH 3406－96 |
HG20592～20635－97 |
JB/T74～90－94 |
GB9112－2000 |
|
1 |
对焊（WN） |
对焊（WN） |
对焊（－） |
对焊（－） |
|
2 |
承插焊（SW） |
承插焊（SW） |
|
承插焊（－） |
|
3 |
平焊（SO） |
平焊（SO） |
平焊（－） |
平焊（－） |
|
4 |
螺纹（PT） |
螺纹（Th） |
|
螺纹（－） |
|
5 |
松套（LJ） |
松套（PJ/LF） |
松套（－） |
松套（－） |
|
6 |
法兰盖（－） |
法兰盖（BL） |
法兰盖（－） |
法兰盖（－） |
|
7 |
|
|