钢管管道壁厚的选取与计算(工业金属管道壁厚的选取)
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。
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。
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GB17395、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。
2 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，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：
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厚度(mm)；C1为材料厚度负偏差，按材料标准规定(mm)；C2为腐蚀、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。
(1) 查常用钢管许用应力表[2] 可知[σ]300=101MPa，[σ]250=110MPa，通过内插法计算得到[σ]270=106.2MPa。
(2) 使用无缝钢管，φ 、W 均为1。在设计温度低于400℃的情况下，Y 取0.4。
(3) 将上述参数代入公式2-1，可得 δ=0.0041×Do，具体如下表1。
(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。
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。
②腐蚀裕量C2 材料的耐蚀性和环境(如成分、浓度、温度、流速等) 变化密切相关[4]。管内介质含水会加速腐蚀，高温、高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，温度在80～250℃间最为严重[5]。本例管道正常操作时内部充满过热蒸汽，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，假定装置使用年限为15年，则该管线的理论腐蚀裕量C2=0.10×15=1.5mm。[6]
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重新对C1取值，下表中Δ 在最终时已进行圆整，故对C4不进行描述和计算。
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]。
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：
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，即管件与管子等强度(而不是等壁厚)[5]，因而计算得到的SCH 往上取整作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。
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。
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。
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.
[7] 全文PDF文件下载：
工业金属管道壁厚的选取.pdf
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。
