压力管道器材及其选择

本文节选自 《压力管道设计及工程实例(二版) 第4章》

    一、  公称压力（Nominal Pressure （PN））

    管道组成件的公称压力是指与其机械强度有关的设计给定压力，它一般表示管道组成件在规定温度下的最大许用压力。目前，国内外管道组成件的公称压力已经标准化，各国管道元件公称压力虽然不同，但基本上可分为两个系列，即美洲系列和欧洲系列。

　　二、  以ASME B16.5为代表的美洲系列

　　美国ASME B16.5《管法兰和法兰管件》是一套在世界上通用的、系统性较强、内容涉及垫片、螺栓及管子的完整的管法兰标准。其公称压力见表4.1.2，公称直径为NPS 1/2～24，其适用的钢管外径尺寸应符合ASME B36.10M。该标准从1927年经美国标准协会（ASA）批准为美国试行标准B16e以来，已经先后进行了十多次的修订。1981年增加了公制尺寸，称为ANSI B16.5，但在1988年版中取消了公制尺寸，称为ASME/ANSI B16.5，1996年开始称为ASME B16.5，一直沿用到现在的最新版本。

表4.1.1  ASME B16.5的发展历程

表4.1.2  ASME B16.5公称压力分级

　　这种压力等级系列在美国、日本等国家得到广泛应用。

　　三、  以DIN2401为代表的欧洲系列

　　德国标准《压力和温度说明、概念、公称压力等级》（DIN2401）规定的公称压力等级如下表所示：

　　1应优先选用表中不带括弧的压力等级；

　　2以前也用过64这个数，63与64可以互换。

　　在DIN2401压力等级系列标准中，规定公称压力为200℃时的最大许用工作压力，单位为Bar。

　　此压力等级系列标准在原苏联及东欧影响较大，我国JB、HG法兰标准的公称压力等级也与此压力等级标准相同。

　　四、  ISO公称压力等级标准

　　上述美洲系列和欧洲系列两个压力等级标准在世界不同区域均有很大的影响，目前还无法统一成一个标准。国际化标准组织考虑到这现状于年制定了相应的标准，此标准实际上是一个折中的标准。它将上述两个标准的主要压力等级分别列在两个系列中。

　　国际标准化组织的法兰标准（ISO7005-1）同时包括了“美洲系列”和“欧洲系列”两个系列，以期与这两个标准体系都能配伍，它代表了当前世界法兰标准的应用趋势。如表4.1.3所示。

　　表4.1.3  ISO7005-1法兰压力等级系列

　　注：系列1为基本等级，系列2的应用应加上限制，并应尽可能取消，PN40限制使用。

　　上述两个系列中的PN2.5、PN6、PN10、PN16、PN25、PN40共六个等级属“欧洲系列”。而PN20(相当于Class150)、PN50(相当于Class300)、PN110(相当于Class600)、PN150、PN260(相当于Class1500)、PN420共六个等级属于“美洲系列”，二者在结构尺寸和密封面尺寸上是不能互换的。

　　五、  日本的压力等级标准

　　日本的JIS B2201标准自成体系，既不属于“美式”，也不属于“欧式”。该标准包括的公称压力等级共八个，对应的温度－压力等级见表4.1.4。

表4.1.4  JIS法兰标准在120℃时的温度－压力等级近似值

　　JIS应用标准体系与ASME和DIN等都不能配套使用。为了弥补这个缺陷，日本石油学会编制了一套JPI标准，它基本上等效采用了ASME/API应用标准体系，故它能与ASME互换。

　　六、  英国、法国的压力等级标准

　　英国采用的压力等级标准为两类，相应的法兰标准也分为两类，其一是以BS1560为代表的法兰标准，它基本上等同采用了ASME标准，其结构型式和密封面型式同ASME B16.5；其二是以BS4504为代表的法兰标准，它基本上等同采用了DIN标准，其结构型式和密封面型式同DIN2500

　　相应的管子尺寸标准有两类，其一是以BS1600为代表的管子、管件标准，它基本上等同采用了ASME标准，其直径范围和壁厚分级同ASME B36.10/B36.19；其二是以BS3600为代表的管子、管件标准，它基本上等同采用了ISO标准，其直径范围和壁厚分级同ISO4200。

　　法国和英国采用的压力等级标准类似。

　　七、  中国的各种压力等级标准

　　目前，国内的压力管道及其元件的应用标准很多，又均不完整。常用的标准就有国家标准（GB）、机械行业标准（JB）、石化行业标准（SH）和化工行业标准（HG）等。这些标准各有各自的温度－压力表、密封面尺寸和接管尺寸，相互之间互换性差，有些甚至不能配套使用。

　　1、  GB/T1048《管道元件 PN（公称压力）的定义和选用》

　　我国的管道元件压力标准是在考虑我国工业发展的历史状况和当前国际标准的发展趋势的前提下编制而成。对PN(公称压力)的定义按ISO/CD 7268和BS EN 1333《管道元件 PN的定义和选用》进行了修改。

　　PN:与管道系统元件的力学性能和尺寸特性相关、用于参考的字母和数字组合的标识。它由字母PN和后跟无因次的数字组成。

　　注1:字母PN后跟的数字不代表测量值，不应用于计算目的，除非在有关标准中另有规定。

　　注2:除与相关的管道元件标准有关联外，术语PN不具有意义。

　　注3:管道元件允许压力取决于元件的PN数值、材料和设计以及允许工作温度等，允许压力在相应标准的压力温度等级表中给出。

　　注4:具有同样PN和DN数值的所有管道元件同与其相配的法兰应具有相同的配合尺寸。

　　GB/T1048-2005《管道元件公称压力》规定的公称压力系列如下表：

　　GB1048/T管道元件公称压力

　　注：ANSI标准已经不使用，变为ASME标准

　　2、  石化行业的压力等级标准

　　法兰标准（SH3406）石化行业应用标准体系的法兰标准（SH3406）等效采用了ASME B16.5和API605标准，属于“美式法兰”。SH3406在结构尺寸和密封面型式上与ASME B16.5/API605有着很好的互换性，因此它能与ASME、API、MSS等标准的管道元件配套使用。但因为SH3406采用了我国材料标准而不是美国材料标准（ASTM），故二者的温度－压力表有少许偏差，故在考虑二者互换时，应注意并核对它们的温度－压力对应允许值。

　　SH3406标准的公称压力等级共包括PN1.0、PN2.0（Class 150）、PN5.0（Class 300）、PN6.8（Class 400）、PN10.0（Class 600），PN15.0（Class 900）、PN25.0（Class 1500）、PN42.0（Class 2500）八个等级。

　　3、  化工行业的压力等级标准

　　法兰标准（HG20592～HG20605和HG20615～HG20626）

　　化工行业应用标准体系的管法兰标准参照了ISO7005－1标准的编写模式，即同时包含了“欧式法兰”和“美式法兰”两个体系。

　　其欧式法兰标准（HG20592～HG20605）的公称压力等级共包括PN0.25、PN0.6、PN1.0、PN1.6、PN2.5、PN4.0、PN6.3、PN10.0、PN16.0、PN25.0等10个压力等级，公称直径范围为（DN10～DN2000）mm，法兰型式有板式平焊、带颈平焊、带颈对焊、整体式、承插焊、螺纹、对焊环松套、平焊环松套、法兰盖、衬里法兰等10种，密封面型式有突面、凹凸面、榫槽面、环连接面、全平面等5种。它可以与我国的JB阀门配套使用。

　　其美式法兰标准（HG20615～HG20626）基本上等效采用了ASME标准。其中，对于DN≤600mm的法兰则等效采用了ASME B16.5标准，而对DN≥650mm的法兰则等效采用API605标准。法兰的公称压力等级共包括PN2.0、PN5.0、PN11.0、PN15.0、PN26.0和PN42.0等6个压力等级，公称直径范围为（DN15～DN1500）mm，法兰型式有带颈平焊、带颈对焊、整体法兰、承插焊、螺纹、松套等5种，密封面型式有突面、凹凸面、榫槽面、环连接面、全平面等5种型式。

　　化工行业压力管道应用标准体系也是一个相对比较完整的标准体系，而且经历了若干年的生产实践检验，具有成熟的使用经验。其使用面比较广，它既可以与国外的ASME、DIN、ISO等标准配合使用，又可以与国内的GB、SH、JB等标准配合使用。

　　4、  机械行业的压力等级标准

　　机械行业应用标准体系（JB）中的法兰标准JB/T74～JB/T90属于欧洲标准体系，其公称压力等级共包括PN0.25、PN0.6、PN1.0、PN1.6、PN2.5、PN4.0、PN6.3、PN10.0、PN16.0、PN20.0等10个压力等级。

　　5、  中国的压力等级标准

　　中国应用标准体系的法兰标准GB9112～GB9123等效采用了ISO7005-1标准，因此它同时包括了“欧式法兰”和“美式法兰”两个体系。公称压力有两个系列：其一是以PN0.25、PN0.6、PN1.0、PN1.6、PN2.5、PN4.0共6个等级组成的I系列，属于“欧式法兰”；其二是以PN2.0、PN5.0、PN10.0、PN15.0、PN25.0、PN42.0共6个等级组成的II系列，属于“美式法兰”。

　　公称压力标记示例：

　　PN  XX

           公称压力（MPa）

            公称压力代号

　　八、  影响公称压力等级确定的因素

　　1.   采用的标准体系

　　相同的设计条件，而选用不同的应用标准，其公称压力等级是不同的。因此，在确定管道公称压力等级之前，应首先确定其应用标准体系

　　有时在同一装置甚至同一管道中，可能会同时采用两种或多种应用标准体系的标准。当同一管道中采用了两种或多种公称压力相同但应用标准不同的管道元件时，应注意它们的温度－压力值的差别，并应根据设计条件逐个核对其温度－压力值，并使各标准的温度－压力值均能得到满足。工程实践中，发现这类问题时常出现在SH法兰与API阀门、GB法兰与JB法兰的配套使用中。

　　2.   压力管道材料

　　压力管道材料的选用是由设计温度、设计压力和操作介质确定的。但管道中各元件的材料标准往往是不同的，一般情况下，管子用管材，法兰用锻材，而阀门多用铸材。无论采用什么材料标准，它们都应该是同等级的材料，即具有对操作条件的同等适应性和等强度。

　　很多标准中如ASME B16.5、ASME B16.34都给出了管材、锻材、板材、棒材、铸材的配伍表，但SH3406和GB法兰没有相应的配伍表，因此使用时应注意法兰和阀门的材质配伍以及它们的温度－压力值的一致性。同时要注意，在一些标准中，如ASME B16.34标准，都给出了一些材料的应用限制，设计选用时应注意这些限制。

　　3.   操作介质

　　对于输送易造成严重危害或易于产生重大事故的介质的管道，在考虑其公称压力等级时，不应仅仅按温度－压力表来确定，应适当提高其公称压力等级，即提高其安全可靠系数。《工业金属管道设计规范》GB50316对不同操作介质的管道公称压力作出了也一些规定。

　　对于有毒、可燃介质管道的法兰连接最低公称压力，SH3059标准规定：SHA级管道的公称压力，不宜低于5.OMPa；SHB、SHC级管道的公称压力，不宜低于2.OMPa。当采用JB标准体系时，对输送剧毒介质的管道，应不低于PN4.0MPa；对输送氢气、氨气、液态烃等介质的管道，应不低于PN2.5MPa；

　　对输送一般可燃介质的管道， 当采用SH标准体系时，其公称压力等级最低应不低于PN2.0MPa，当采用JB标准体系时，应不低于PN1.6MPa。

　　4.   介质温度及管系附加力

　　很多法兰标准的温度－压力表的对应值是指法兰不受冲击荷载的对应值。管道给予法兰的弯曲载荷主要是由管系的热胀冷缩引起的。一般情况下，对于PN2.0等级的法兰，当其工作温度大于200℃时，或PN5.0及以上等级的法兰在工作温度大于400℃时，均应考虑或核算管系对法兰产生的附加载荷的影响，或者提高管系的公称压力等级。