淺析公稱壓力與公稱直徑

呂 巖

(大慶油田建設工程有限公司,黑龍江大慶 163712)

0 引 言

工程項目中常用到公稱壓力和公稱直徑,有時會出現(xiàn)一些模糊、混亂。筆者在工程設計中經(jīng)常遇到一些儀表管閥件壓力、口徑、材料等描述不清,特別是國內(nèi)標準和國外標準相結(jié)合參考時?？ㄌ鬃鳛閮x表安裝材料應該在選擇公稱壓力和公稱直徑時明確應用條件。在《自控安裝圖冊》(HG/T 215812010)中,卡套連接方式為首選,隨后是焊接,螺紋,這樣就凸顯出公稱壓力和公稱直徑的準確定義及表述。根據(jù)該圖冊中一些應用于設計工作的切合實際的定義,筆者提出了自己的認識并應用于實際工作中。

1 公稱壓力

在ANSI B16.34中對公稱壓力的定義:某一材料的管道元件工作溫度和工作壓力的對應關系。該標準明確規(guī)定了壓力等級的取值系列和邊界條件,用戶可以據(jù)此判定所選儀表相關溫壓曲線是否滿足壓力等級的要求。

同一公稱壓力的元件應用的材料不同,其溫度-壓力特性可能不同。根據(jù)ANSI B16.34標準, 2 500磅級閥門1 000℉(538℃)時的最大允許工作壓力:材料為 316 SS時,為 2 915 psi(1 psi= 6.895 kPa);材料為321 SS時,為2 970 psi。因此,公稱壓力涉及的數(shù)字均不代表測量值,不應用于計算目的。

由公稱壓力、壓力等級得到最大允許工作壓力的流程:確定標準—確定公稱壓力—確定材料—查相應的溫壓曲線—得到最大允許工作壓力。下面對不同國家標準公稱壓力/壓力等級的表示方法進行說明。各標準體系的公稱壓力/壓力等級大致對照見表1所列。

表1 各標準體系的公稱壓力/壓力等級對照

a)美國標準。既有磅級體系又有PN體系,磅級是壓力和溫度等級的表示方法,例如:300 Class或Class 300。磅級/PN是壓力等級概念,包含相關標準及溫壓特性信息。

b)中國標準。GB/T 1048-2005(代替 GB/T 10481990)規(guī)定公稱壓力的表述方式為 PN+數(shù)值,GB/T 1048-2005主要有以下重要改變:

1)字母PN后跟的數(shù)字不代表測量值,不應用于計算目的,除非在有關標準中另有規(guī)定。

2)除與相關的管道元件標準有關聯(lián)外,術語PN不具有意義。

3)管道元件允許壓力取決于元件的 PN數(shù)值、材料和設計以及允許工作溫度等,允許壓力在相應標準的壓力-溫度等級表中給出。

4)具有同樣PN和DN數(shù)值的所有管道元件同與其相配的法蘭應具有相同的配合尺寸。

5)新版本明確將原版本中 PN4.0(MPa)改為PN40。

c)日本標準?！癒”級。例如:10K,20K,40K等。這種壓力級的概念與英制單位中的壓力級制相同,但計量單位采用米制。

d)歐盟或德國英國標準。PN+數(shù)值,例如:PN25。

e)ISO標準揉合了美國標準和歐盟(德國)標準兩個標準體系。

在某深冷項目中,通過再生加熱爐將天然氣加熱,天然氣的溫度由進口的 57.70℃升高至299.99℃,進出再生加熱爐的天然氣的壓力都是15.23 bar。在此工況下,有可能將入口、出口公稱壓力均可錯誤理解為PN20。然而,從圖1所示的溫壓曲線不難看出應該選用的公稱壓力并不是PN20。

在此工況下選用316奧氏體不銹鋼,入口、出口公稱壓力均可理解為PN20,對應Class 150。但實際設計中,在確定公稱壓力時應該把溫度考慮進去。

根據(jù)進出口溫度變化,并對照圖1中的曲線,實際選用的公稱壓力:入口應為PN25,出口應為PN63。所以設計工作中對于儀表相關的流量計、閥門乃至儀表管閥件,填寫規(guī)格項時應給出相應材料的磅級或設計壓力及溫度,這樣在采購過程中才不會產(chǎn)生歧義。

圖1 316奧氏體不銹鋼溫壓曲線

根據(jù)目前國內(nèi)儀表安裝材料生產(chǎn)現(xiàn)狀,為適應管道專業(yè)采用公稱壓力等級的一般作法,《自控安裝圖冊》確定在工作壓力不大于16.0 MPa的工況下,采用PN63,PN160兩檔公稱壓力;在工作壓力大于 16.0 MPa的工況下,采用 Class1500, Class2 500兩檔公稱壓力。

這樣結(jié)合上面的例子,在儀表安裝材料中公稱壓力可定為PN63。

2 公稱直徑

公稱直徑又稱平均外徑,有時也稱作公稱通徑,以DN表示,單位mm?！豆艿涝﨑N(公稱尺寸)的定義和選用》(G B/T 10472005)中對公稱直徑的范圍和定義如下。

2.1 范 圍

適用于使用DN標識的相關標準中規(guī)定的管道元件。也可以使用與本標準不同的其他標識尺寸方法,例如螺紋、壓配、承插焊或?qū)雍傅墓艿涝?可用NPS(公稱管子尺寸)、OD(外徑)、ID(內(nèi)徑)或 G(管螺紋尺寸標記)等標識的管道元件。

2.2 定 義

DN:用于管道系統(tǒng)元件的字母和數(shù)字組合的尺寸標識。它由字母DN和后跟無因次的整數(shù)數(shù)字組成。這個數(shù)字與端部連接件的孔徑或外徑(用mm表示)等特征尺寸直接相關。主要變化:除在相關標準中另有規(guī)定,字母DN后面的數(shù)字不代表測量值,也不能用于計算目的;采用DN標識系統(tǒng)的那些標準,應給出DN與管道元件的尺寸的關系,例如DN/OD或DN/ID。

工程中所用的無縫管,如輸送流體用無縫鋼管(GB 8163-87)、石油裂化用無縫鋼管(GB 9948-88)、化肥設備用高壓無縫鋼管(GB 6479-86)等,標記方法不用公稱直徑,而是以外徑乘以厚度表示。標準中稱此外徑與厚度為公稱外徑與公稱厚度。

在工程設計中,公稱直徑在流量計和閥門使用中不會出現(xiàn)歧義,但在小口徑,如 2in(1 in= 25.4 mm)以下的儀表,特別是儀表管閥件中會出現(xiàn)一些問題。NPS 1/2(ASME 16.34表述方式)與DN(ISO表述方式)的對應見表2所列。

表2 NPS與DN的對應關系

公稱直徑為無量綱的代號,其數(shù)字不代表實際尺寸,但公稱直徑和公稱壓力決定連接尺寸。

實際內(nèi)通徑為閥門密封面上的最小直徑。同一公稱直徑的閥門,壓力等級不同,實際內(nèi)通徑可能不同,見表3所列(ASME16.34 Table A 1)。

表3 實際內(nèi)通徑與壓力等級的關系

目前尚無儀表閥門公稱直徑的標準,ASME 16.34中有參數(shù)的最小公稱直徑為NPS 1/2,其實際內(nèi)通徑隨閥門的公稱壓力而變,故國外廠家的樣本中一般只有內(nèi)通徑的表述。為避免混亂或?qū)栴}復雜化,建議采用實際內(nèi)通徑和實際接口尺寸界定儀表閥門的尺寸。

如在項目中想選用內(nèi)通徑為6 mm的儀表管閥件,有時會出現(xiàn)DN6的規(guī)格,這樣就會產(chǎn)生歧義,有可能廠家會提供φ6 mm×1 mm的產(chǎn)品,此時的內(nèi)通徑是4 mm,所以筆者建議用φ8 mm× 1 mm,材質(zhì)為304不銹鋼,這樣表述就比較清楚。

3 Tube管和Pipe管壁厚的選擇

公制 T管的壁厚、外徑和工作壓力(在常溫下)對應關系見表4所列。

表4 公制T管的壁厚、外徑和工作壓力(在常溫下)對應關系 MPa

一般情況下,《自控安裝圖冊》推薦:設計壓力(即最大允許操作壓力)16 MPa以下時采用壁厚為1.5～2 mm的不銹鋼管(承插焊連接為3 mm);設計壓力在16～25 MPa之間時采用壁厚為2～2.5 mm的不銹鋼管(承插焊連接為3～4 mm);設計壓力在25～425 MPa之間時采用壁厚為3～4 mm的不銹鋼管(承插焊連接為4～5 mm)。

在選擇管壁厚度時還應考慮工藝介質(zhì)溫度對導壓管耐壓強度的影響。

Tube管最大工作壓力和溫度對應關系見表5所列。

ASME B16.11《鍛制管件—承插焊式和螺紋式》中有關于壓力等級的表述與上述表述不同,有2 000磅級,3 000磅級,6 000磅級,9 000磅級。它僅規(guī)定了滿足其要求的P管接頭的壓力等級(磅級),只給出了壓力等級的系列,沒有給出壓力等級(磅級)的邊界條件。它們和P管的壁厚的對應關系見表6所列。因此,此壓力等級(磅級)是一個和P管壁厚相關的壓力等級(磅級),它和ANSI B16.34中的壓力等級(磅級)沒有對應關系。

表5 Tube管壓力和溫度界限 bar

續(xù) 表 5

表6 P管壓力等級和壁厚的對應關系

表6中,10 mm(外徑)×1.5 mm(壁厚)不銹鋼管的最大工作壓力計算公式:

式中 tmin——最小標準壁厚;Domax——標準最大外徑;Sm——在設計溫度下由內(nèi)壓引起的最大允許材料受壓;公制管的公差應符合ISO 4200要求。

3/8 in(外徑)×0.065 in(壁厚)不銹鋼管的最大工作壓力是上表給出壓力的1.09倍。英制管的公差應符合ASTM A269要求。

壓力等級的優(yōu)點是可以包含溫壓特性、法蘭、管道(P管)、內(nèi)通徑的信息,采用壓力等級的概念可實現(xiàn)產(chǎn)品標準化和系列化,簡化設計及選型工作。目前使用這種壓力等級作為計量單位的管道元件只有工藝閥門和法蘭,其他管道元件(包括儀表閥門)只能以詳細描述材料、溫度-壓力曲線的方式來表述其特性。Tube管的使用壓力通常通過規(guī)定統(tǒng)一的管徑和壁厚,材料標準等,從而保證其設計壓力達到413 bar(38℃),安全系數(shù)為4∶1。Tube管及儀表管閥件采用 PN壓力等級無法約束其特性,制造廠無法根據(jù)PN值生產(chǎn) Tube管。試驗壓力是根據(jù)設計壓力確定的(1.5倍設計壓力),而不是PN值。如果確定了材料標準,制造工藝、試驗條件、外徑和壁厚等,Tube管及管閥件便具有了其特有的耐壓特性及其隨溫度變化的規(guī)律。

4 結(jié)束語

該文根據(jù)標準明確公稱壓力和公稱直徑的定義,并將學習新版安裝圖的心得與自己的工作經(jīng)驗加以總結(jié),提出了一些自己對儀表定義方面的見解,在使用壓力等級和內(nèi)通徑作為描述方法是否全面望與讀者共同交流探討。

[1] 全國化工自控設計技術中心站.HG/T 215812010自控安裝圖冊[S].2010.

[2] 全國管路附件標準化技術委員會.GB/T9124-2000鋼制管法蘭 技術條件[S].北京:中國標準出版社,2000.

[3] 中國機械工業(yè)聯(lián)合會.GB/T 10472005管道元件DN(公稱尺寸)的定義和選用[S].北京:中國標準出版社,2005.

[4] 中國機械工業(yè)聯(lián)合會.GB/T 1048管道元件PN(公稱壓力)的定義和選用[S].北京:中國標準出版社,2005.

[5] 中華人民共和國機械工業(yè)部.JB/T7494管路法蘭 技術條件[S].北京:機械科學研究院,1994.

[6] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.HG/T 20592～20635-2009鋼制管法蘭、墊片、緊固件[S].北京:世界知識印刷廠, 2009.

[7] 國家質(zhì)量技術監(jiān)督局.GB/T 9112～9124-2000鋼制管法蘭[S].北京:中國標準出版社,2001.