CN109657308B - 一种管件设计压力的计算方法及确定管件壁厚的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管件设计压力的计算方法以及通过计算管件的设计压力值确定管件壁厚的方法，根据管件强度须与管道强度相同，管件的设计压力应按管道的规格及材料确定，根据管件订货清单中的管件代号，确定与管件相接的外部管道材料及管表号，根据ASME B16.9第2.1条进而确定外部管道的焊缝系数，应用公式

Description

一种管件设计压力的计算方法及确定管件壁厚的方法

技术领域

本发明属于石油天燃气行业，具体涉及一种管件设计压力的计算方法以及通过计算管件的设计压力值确定管件壁厚的方法。

背景技术

管道中存在大量的管件，包括弯头、三通和异径管等，管件在管路中是一个薄弱件：a.受管路变形影响，热应力较大。b.受输送介质影响，冲刷磨损较大。c.受自身结构影响，强度消弱。因此管件厚度一般都比管道大。

目前管件规范包含两个体系：

(1)、国标

GB/T12459-2005《钢制对焊无缝管件》

GB/T13401-2005《钢板制对焊管件》

HG/T21635-1987《碳钢、低合金钢对焊管件》

HG/T21631-1990《钢制有缝对焊管件》

SH/T3408-2012《石油化工钢制对焊管件》

SY/T0510-2010《钢制对焊管件规范》

(2)、美标

ASME B16.9《工厂制造的锻钢对焊管件》

以上国标体系基本都是源于美标ASME B16.9，只作了少量修改。

管件标准中规定了管件标志是由公称尺寸、壁厚系列号、材料、标准号组成，例如：异径三通，材料牌号为A403-WP304/304L-S，相连接主管和支管壁厚等级为Sch10SXSch40S,公称尺寸：NPS6”X4”。则标志为：异径三通ASTM A403-WP304/304L-S Sch10SXSch40S,ASMEB16.9。此表示方法最终写到向制造厂提出的订货清单中。

在ASME B16.9等管件标准中规定，管件强度可通过计算法和验证试验法获得。相对于计算法，试验法存在以下缺陷：

(1)试验因需准备试验设施、制作样品，要发生一定费用、特别是大口径管件费用较高。

(2)试验法用一个规格的管件试验代替许多规格的管件，即管径在0.5～2倍范围、厚度0.5～3倍范围内的管件均合格。这种判断具有片面性，并且受样品质量的随机性影响。

所以目前制造厂确定管件强度，主要采取的是计算法。

在有关国标和美标的标准中均有管件的强度计算公式，并且这些标准中的公式是相同的。例如在美标ASME B31.3中第304节——组件的压力设计中，详细说明了弯头、三通和异径管壁厚的计算方法和公式，在这些方法和公式中均需首先确定管件的设计压力，例如根据GB/T20801.3中公式3，弯头的壁厚的计算公式:

其中：t—弯头的壁厚；D—弯头的外径 S—材料的许用应力

P—弯头的设计压力；Φ—焊缝系数 Y—材料温度系数

C—壁厚负加量，C＝C1(钢管腐蚀裕量)+C2(钢管壁厚负偏差)

在弯头内弧面

在弯头外弧面

R—弯头的弯曲半径

在订货清单中，根据弯头的标志，参数D、R是已知的，C在订货文件中有规定，I可根据R计算，Φ、Y可查GB/T20801.3中表格取得，但“P—弯头的设计压力”并不知，弯头的壁厚无法求得。

由此可见，根据管件标志无法确定管件的设计压力，不能计算出管件壁厚。没有经过计算的管件壁厚，强度得不到保证。

发明内容

在有关标准规范中并没有给出根据管件标志求取管件设计压力的计算方法，本发明就是给出这一方法，通过这个设计压力再按规范中公式求取管件壁厚，此方法确定的管件壁厚能保证满足强度要求，同时经济合理，这对管件的制造成本及整个管路系统的安全性具有重大意义。

本发明采用的技术方案为：通过订货单上给出的管件代号，采用发明的计算公式，计算出对焊管件的设计压力，再根据这个设计压力，按ASME B16.9或GB/T20801.3等规范标准中的公式方法，计算出所需管件壁厚。具体内容如下：

根据ASME B16.9第2.1条，“管件的设计压力值按相同材料力学性能及化学成份、相同的管子规格、壁厚的无缝直管计算”。由此可知，规范的出发点是管件强度须与直管强度相同，管件的设计压力应按直管的规格及材料确定。根据GB/T20801.3中公式(1)：

直管壁厚t＝pD/(2(SΦ+pY))+C(适用于t≤D/6)

根据上面公式整理推导出内压直管的设计压力：

其中S—直管的常温许用应力，

Φ—直管的焊缝系数，取1

t—直管的名义厚度，

C—直管壁厚附加量，C＝C1+C2，C1——腐蚀裕量，C2——壁厚负偏差，

y—计算系数取0.4，

D—直管外径，

因Φ＝1上面公式变为：

以上参数均可根据管件的订货标志，直接或间接从规范中查表获取。

计算出直管的设计压力后，根据前述的等强度原则，我们可以认为此设计压力就是管件的设计压力，有了管件的设计压力，管件壁厚就可按GB/T20801.3中公式计算得出，例如：弯头壁厚计算公式：

因此，基于以上所述，本发明提供了一种管件设计压力的计算方法，所述管件与外部管道采用对焊连接，该方法包括：

(1)根据购买方提供或存在于管件订货清单中的管件代号(管件代号存在于管件订货清单中)，找到相接钢管(外部管道或外部直管)的材料及管表号；

(2)根据管表号确定相接钢管(外部管道或外部直管)的名义厚度；

(3)根据以下公式计算管件的设计压力值：

因外部直管按无缝直管考虑(其中Φ＝1)，使用以下公式计算管件的设计压力：

其中p为管件的设计压力值，

S-外部管道的常温许用应力，通过在GB/T20801.2中查表A.1获取，

Φ—外部管道焊缝系数，取Φ＝1，

t—外部管道的名义厚度(在订货单上给出的管件标志中获取)，

C—外部管道壁厚附加量，根据GB/T20801.3中4.1.4条确，C＝C1+C2，

外部管道的C1-腐蚀裕量按订货文件规定，外部管道的C2-壁厚负偏差按钢管标准，取值为5-12.5％或0.3mm，钢管标准按订货文件中规定，

y—计算系数，取0.4，

D—外部管道的外径。

本发明进一步提供了根据以上计算的设计压力值确定管件壁厚的方法，该方法包括：

(4)根据以上计算得到的设计压力值，按GB/T20801.3中的以下公式计算得出管件壁厚，

管件(例如弯头)壁厚：

其中：t—管件的壁厚；D—弯头的外径，S—弯头材料的许用应力，在GB/T20801.2中查表A.1获取，

P—管件的设计压力；Φ—管件焊缝系数，在GB/T20801.2中查表A.3获取；Y—材料温度系数，取0.4，

C—管件壁厚附加量，根据GB/T20801.3中4.1.4条确定，C＝C1(钢管腐蚀裕量)+C2(钢管壁厚负偏差)，

在弯头内弧面

在弯头外弧面

R—管件的弯曲半径。

进一步地，在步骤(1)之前进一步包括：

进一步地，所述管件为冲压焊接管件或冲压无缝管件。

进一步地，所述管件为弯头、三通或异径管中的一种。

进一步地，取相接钢管的焊缝系数Φ＝1。

使用管件的设计压力计算管件壁厚时，需计入管件壁厚附加量。

管件的设计压力计算公式适用于与管件连接的外部管道t≤D/6。

管件的C1-腐蚀裕量按订货文件规定，管件的C2-壁厚负偏差按管件标准，取值为12.5％，

外部管道的C1-腐蚀裕量按订货文件规定，外部管道的C2-壁厚负偏差按钢管标准，取值为5-12.5％或0.3mm，钢管标准按订货文件中规定。

管件材料许用应力不得低于外部管道许用应力，为保证接口的设计强度，当管件材料许用应力高于外部管道许用应力时，要求管件端部壁厚不得小于外部管道壁厚。

本发明的有益效果：

1、管件与外部管道具有相同的安全裕量，强度相等，保证管道系统的设计寿命和安全性，避免管件太厚浪费。

2、管件的设计压力通过订货单中管件标志计算取得，符合标准中对管件标志的要求。

3、可代替管件的型式试验，节省了大量费用。

4.避免了型试验的片面性，可准确地计算出各规格管件壁厚。

本发明的计算方法即降低工程造价，又保证管路系统的安全。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步说明本发明。

实施例

一种管件设计压力的计算方法，该方法包括：

(1)管件选用焊接弯头，与外部管道采用对焊连接，订货清单中的弯头代号为：90o弯头28”R＝1.5DN ASTM A403-WP304/304L-WX BW ASME B16.9(RT:100％)Sch10，由此可确定与管件相接的外部管道材料为WP304/304L及管表号为Sch10；

(2)根据管表号查ASME B36.10M，获得相接钢管的名义厚度：7.92mm

(3)应用管件的设计压力计算公式

其中S-管道的常温许用应力，在GB/T20801.2中查表A.1获取:S＝138MPa

Φ—焊缝系数，取Φ＝1。

t—钢管的名义厚度，7.92mm

C—钢管的壁厚附加量，C＝C1+C2，C1—腐蚀裕量，根据订货文件中规定C1＝0，C2—壁厚负偏差，根据订货文件中钢管标准ASTM A358，查该标准C2＝0.3mm。

y—计算系数取0.4，

D-钢管直径。711mm

管件的设计压力

(4)根据计算得到的设计压力值来计算弯头壁厚：

其中：t为弯头的壁厚；

P为弯头的设计压力；2.9835MPa

Φ—弯头焊缝系数，根据弯头标准ASTM A403-WP304/304L-WX，在GB/T20801.2中查表A.3获取，Φ＝1.

S-弯头的常温许用应力，在GB/T20801.2中查表A.1获取:S＝138MPa

Y—材料温度系数，取0.4，

C—弯头壁厚负加量

C＝C1(弯头腐蚀裕量)+C2(弯头壁厚负偏差)

C1—腐蚀裕量，根据订货文件中规定C1＝0

C2—壁厚负偏差，根据订货文件中弯头标准ASTM A403，查该标准C2＝-12.5％X弯头名义厚度mm

在弯头内弧面

在弯头外弧面

R—弯头的弯曲半径根据管件代号R＝1.5DN

弯头内弧面壁厚：

试差法确定：t＝11验证：t＝9.5+12.5％X11＝10.875故取弯头内弧面壁厚：t＝11mm

弯头内弧面壁厚：

试差法确定：t＝7.92验证：t＝6.67+12.5％X7.92＝7.66故取弯头内弧面壁厚：t＝7.92mm

根据以上计算，制造单位采用10mm厚的钢板冲压制作弯头，冲压后：内狐面增厚至11.3mm，外弧面减薄至8.5mm，满足了弯头强度要求。

通过以上计算保证了弯头与外部管道等强度，保证了管道系统的安全性。根据供货单位报价，该弯头价位：8200元，若用做试验验证，将造成很大的浪费。

Claims (8)

1.一种管件设计压力的计算方法，该方法包括根据以下公式计算管件的设计压力值：

(1)管件与外部管道采用对焊连接，根据购买方提供或管件订货清单中的管件代号，确定与管件相接的外部管道材料及管表号；

(2)根据管表号确定相接钢管即外部管道的名义厚度；

(3)管件的设计压力计算公式：

当Φ＝1的无缝管件时，管件的设计压力计算公式为

其中p为管件的设计压力，

S-外部管道的常温许用应力，

Φ—外部管道的焊缝系数，根据ASME B16.9第2.1条确定外部管道的焊缝系数Φ＝1；

t—外部管道的名义厚度，

C—外部管道的壁厚附加量，C＝C1+C2，C1—外部管道的腐蚀裕量，C2—外部管道的壁厚负偏差，

y—计算系数取0.4，

D-外部管道直径。

2.根据权利要求1所述的计算方法，其中，外部管道的C1-腐蚀裕量按订货文件规定，外部管道的C2-壁厚负偏差按钢管标准，取值为5-12.5％或0.3mm，钢管标准按订货文件中规定。

3.根据权利要求1所述的计算方法，其中，所述管件为冲压焊接管件或冲压无缝管件。

4.根据权利要求1所述的计算方法，其中，所述管件为弯头、三通或异径管中的一种。

5.根据权利要求1所述的计算方法，其中，管件的设计压力计算公式适用于与管件连接的外部管道t≤D/6。

6.根据权利要求1所述的计算方法，其中，管件材料许用应力不低于外部管道许用应力，或当管件材料许用应力高于外部管道许用应力时，管件端部壁厚不小于外部管道壁厚。

7.一种根据计算的设计压力值确定管件壁厚的方法，该方法包括：

根据权利要求1-6的任一项计算得到的设计压力值，按GB/T20801.3中的以下公式计算得出管件壁厚，

管件壁厚：

其中：t—管件的壁厚；D—弯头的外径，S—弯头材料的许用应力，在GB/T20801.2中查表A.1获取，

P—管件的设计压力；Φ—管件焊缝系数，在GB/T20801.2中查表A.3获取；Y—材料温度系数，取0.4，

C—管件壁厚附加量，根据GB/T20801.3中4.1.4条确定，C＝C1(钢管腐蚀裕量)+C2(钢管壁厚负偏差)，

在弯头内弧面

在弯头外弧面

R—管件的弯曲半径。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，管件的C1-腐蚀裕量按订货文件规定，管件的C2-壁厚负偏差按管件标准，取值为12.5％。