工业金属管道壁厚的选取

方剑华(上海纺织建筑设计研究院有限公司，上海 200060)

摘要：目前国内金属管道尺寸壁厚标准规范主要是GB/T 17395—2008，HG/T 20553—2011和SH/T3405—2017。论述三个钢管壁厚标准的不同，选取三者之一作为普通化工管道项目选材标准的原因。举例说明分别使用壁厚计算公式和管表号，求得同一设计条件下的蒸汽管道壁厚。比较两种不同方法得到的壁厚值，就此差异综述采纳管表号方法进行采购管材的合理性。关键词：管道壁厚计算；管表号；SH/T 3059—2012；SH/T 3405—2017；蒸汽管道

0 引言

管道壁厚是管道材料规格中重要的数据，业主根据具体的规格采购相应的管道及管件，壁厚值大小直接影响到建设工程的多个层面。壁厚值过高会直接增大采购成本，间接影响管架跨距和土建荷载等；壁厚过薄，可能无法满足管道的强度需求，也影响管架的设计布局。因此，选取合适的管道壁厚对工程建设非常重要。

随着近年来国内各类制造技术的精进，国家标准、行业规范也在同步更新变化，过往项目的管道规格可能已不符合时下的国标、行标。因而在了解和研究最新的各类钢管尺寸、壁厚标准的同时，初步计算所需壁厚及其管表号后，进行壁厚调整才事半功倍。

工作温度258℃的过热蒸汽管道选取壁厚，选择有代表的管径尺寸DN25、100和300作为参考。

2.1 计算壁厚

根据工艺参数及选材，使用下列管道壁厚计算公式[1]进行计算：

P×Do　 　　　　　　(1)

2×([σ]×φ×W+PY)

tδ=

Δ=δ+C1+C2+C3+C4 　 　 (2)

式中：δ为直管的计算壁厚，mm；P为设计压力(MPa)；Do为管道外径(mm)；[σ]t为设计温度下管道材料的许用应力(MPa)；

φ 为焊缝系数；W为焊缝接头强度降低系数；Y为温度对计算

直管壁厚公式的修正系数；Δ为名义厚度，规范上指标准规定的按材料标准规定(mm)；C2为厚度(mm)；C1为材料厚度负偏差，腐蚀、冲蚀裕量，mm；C3为机械加工深度(mm)；C4为厚度圆整值(mm)。

此管道设计压力P取0.88MPa，设计温度t选取270℃，管道制作标准采用GB/T 8163—2018的碳素钢无缝钢管(热轧型)20号钢。

[σ]250= (1)查常用钢管许用应力表[2]可知[σ]300=101MPa，110MPa，通过内插法计算得到[σ]270=106.2MPa。

1 国内钢管尺寸三大标准规范的区别

目前国内钢管尺寸系列标准主要是GB/T 17395—2008、SH/T 3405—2017和HG/T 20553—2011(以下分别简称为GB 17395、SH3405和HG20553)。在SH3405和HG20553中，都增加了以前没有的管表号Sch5、Sch30壁厚系列，并填补了小管径的Sch10系列的壁厚值。GB 17395中没有提出管表号，只罗列了各管径下可使用的壁厚，这是它与SH3405、HG2055两个标准最大的区别。GB 17395中的壁厚数据没有任何使用条件，这给壁厚的选取增加了难度。由对比可见，使用SH3405和HG20553作为壁厚选择的标准比较可靠。

针对SH3405和HG20553进一步比较发现，SH3405内所有壁厚数据皆精确到小数点后2位，这表明该标准的管道加工精度比HG20553要高。再者，SH3405标准附录中附上了不同材料选用的制作标准，其中很多材料的制作标准采用国外ASTM标准，而HG20553标准的管道制作标准采用的是国标。这些差异导致SH3405标准管道的采购成本会比HG20553标准的管道高。

由于存在成本差异，设计人员一定要事先与业主沟通，确定使用的标准规范。在考虑降低采购成本以及扩大供货商范围的前提下，若业主没有强制要求使用石化行业标准，可采用化工行业标准进行设计。

φ、W均为1。在设计温度低于400℃的情(2)使用无缝钢管，

况下，Y取0.4。

具体如(3)将上述参数代入公式2-1，可得 δ=0.0041×Do，下表1。

表1 直管计算壁厚结果

Dn25100300

Do33.7114.3323.9

δ0.140.471.34

单位mmmmmm

(4)名义厚度Δ计算

由公式2-2可以知，Δ就是将计算壁厚δ与管道制造过程中可能产生的偏差、管道长年运行时受到的腐蚀和机械加工需要的深度综合考虑的结果。

①材料厚度负偏差C1　整理热轧型钢管壁厚允许偏差[3]C1

如下表2。

2020年10月  | 1612 壁厚选取

本文使用壁厚计算公式和管表号方式，对工作压力8bar，

表2 壁厚允许偏差表

Do/mm33.7>102

Δ/Do—≤0.050.05～0.10>0.10

规范要求壁厚允许偏差12.5%Δ或±0.4，取其中较大者15%Δ或±0.4，取其中较大者12.5%Δ或±0.4，取其中较大者

10%Δ

C1/mm0.4或0.125Δ0.4或0.15Δ0.4或0.125Δ10%Δ

Sch.=

P

×1000[6] 　　　　　 　(3)t[σ]

由于介质为高温蒸汽，管道得的试验压力并非简单的1.5P，还需要乘上温度系数1.224，则公式2-3中的P为1.62MPa，代入公式可计得12.5。

管线采用对焊管件，管件应与管道管表号相同，即管件与因而计算得到的SCH往上取整管子等强度(而不是等壁厚)[5]，

作20。在SH/T 3405中可查得，DN25至DN150没有SCH20系列，如此DN25和DN100的壁厚等级往上一级选SCH30。

最终选择的管道壁厚如表5所示。

表5 管道壁厚

DN25100300

管表号Sch30Sch30Sch20

壁厚/mm2.904.786.35

在腐蚀裕量和加工深度尚未明确时，无法得知最终名义厚度，因此C1在最后阶段与C4一同考虑。

浓度、温度、②腐蚀裕量C2　材料的耐蚀性和环境(如成分、

管内介质含水会加速腐蚀，高温、高流速等)变化密切相关[4]。

流速的工况下的腐蚀速率一般是低温、低流速介质的数倍乃至指数倍。

针对介质为蒸汽，碳钢管在蒸汽系统受溶解氧的腐蚀，温本例管道正常操作时内部充满度在80～250℃间最为严重[5]。

过热蒸汽，认为管内几乎无水，此时溶解氧不多不易产生点蚀。

一般蒸汽系统的碳钢管腐蚀速度取0.1mm/年，假定装置使

[6]

用年限为15年，则该管线的理论腐蚀裕量C2=0.10×15=1.5mm。

3 结语

比较表4与表5的壁厚差异可知，根据标准选定的管道壁厚比理论上计算得到的管道壁厚值大，造成这一结果的因素主要有二个。其一，管表号计算结果是圆整过的，比实际计算得到的要高出60%，从而导致得到的壁厚比理论壁厚值大。其二，由于标准中部分管径缺失管表号SCH20，造成SCH向上一级选取，致使壁厚数值趋向更大。

③机械加工深度C3　蒸汽系统不宜采用螺纹连接，C3值为0mm。

④名义壁厚Δ最终结果　所有因素确定后，依据表2重新下表中Δ在最终时已进行圆整，故对C4不进行描述对C1取值，和计算。

表3 壁厚允许偏差C1表及最终名义壁厚Δ

Do33.7114.3323.9

C10.40.125Δ0.40.15Δ0.40.125Δ

公式计算Δ2.11.92.42.33.33.3

Δ/Do—

最终Δ/mm2.1

依据标准壁厚等级选取的壁厚值过高，对采购成本势必产生影响，该类管道在所有管道材料中占比愈高，采购成本愈大。若选用符合理论值的特定尺寸管道固然比标准管道总重轻，但是由于尺寸特殊，货源较标准管道及管件难寻，供货商稀缺，其收取的费用并不一定比采购标准管道低廉。以此为由，采购符合标准SH/T 3405壁厚尺寸的管道及其组成件较为合理。

符合 ≤0.052.4

符合 ≤0.053.3

2.2 管道壁厚的最终理论取值

根据规范规定，管道壁厚计算后需与其规定的最小壁厚以及Do/150的值比较，三者取其大为最终实际所需的管道壁厚[1]。

表4 三种管道壁厚结果对比及最终理论取值

外径Do33.7114.3323.9

名义壁厚Δ2.12.43.3

Do/1500.230.762.16

规定的最小壁厚2.42.44.0

理论取值/mm2.42.44.0

参考文献：

[1] 中国石油化工集团公司.石油化工管道设计器材选用规范：SH/T3059—2012[S].北京：中国石化出版社，2013.

[2] 中华人民共和国原化学工业部.工业金属管道设计规范：GB 50316—2000 (2008版)[S].北京：中国计划出版社，2008.

[3] 全国钢标准技术委员会(SAC/TC 183).输送流体用无缝钢管：GB/T 8163—2018[S].北京：中国标准出版社，2018.

[4] 左景伊.腐蚀数据手册[M].北京：化学工业出版社，1982.[5] 宋岢岢.压力管道设计及工程实例 第二版[M].北京：化学工业出版社，2013.

[6] 徐宝东，化工管路设计手册[M].北京：化学工业出版社，2011.

作者简介：方剑华(1985-)，女，汉族，江苏江阴人，工程师，本科，研究方向：纺织染化。

2.3 使用管表号确定管道壁厚

管材在化工建设项目中为大规模采购，工厂运行周期内也要一定量的维修与替代备用，因此在SH/T 3405中找到满足表4的标准壁厚尺寸就相对经济与便利。

(1)确定管表号，即管道壁厚等级

SH/T 3405中的壁厚由管表号SCH来表示，即：

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