Pipe和Tube的区别、为何DN65/125不常用、各种外径壁厚系列的由来、Sch的利弊，且看应道...

近期拜读了应道宴老师的几篇文章，收获颇多。今天我们选取一篇，介绍给大家。本文从根本上解释了国内压力管道/管件规范编制和发展的一些基本理念，值得深入领会。

公称直径

1.1　公称直径的定义

公称直径—DN是管道元件专用的一个最关键的参数。ISO6708和GB/T1048 管道元件DN的定义和选用中明确规定, 采用DN作为管道元件的尺寸标识。公称直径由字母DN和后跟无因次的整数数字(相当于mm)组成。该数字与管道元件端部的内径或外径有关, 但并不一定等于内径或外径的数值。

ISO6708和GB/T1048也允许采用NPS、外径等标识方法。NPS是公称直径采用以英寸单位计量时的标识代号。无论是采用DN或者NPS, 管道元件标准应给出DN(或NPS)与外径(如管子、管件), 或DN(或NPS)与内径或通径(如阀门)的关系。

美国的工程公司一般采用NPS表达, 日本标准采用DN和NPS并列的办法,我国和欧洲各国一般采用DN, 但与国外合作设计时也采用NPS。应当说明的是, 采用英寸单位仅限于公称直径(以及管螺纹), 而其他尺寸计量单位还是采用SI制。

1.2　Pipe和Tube

美国、日本的钢管材料标准明确地把钢管分为Pipe和Tube两类。

Pipe是指用于流体输送的圆截面中空管子, 其规格用公称直径和壁厚系列(或壁厚)表示, 同一公称直径的管子, 壁厚可以不同, 但外径是相同的。Pipe是工业管道的主要用管。Tube是中空管子的统称, 可以是圆截面也可以是其他形状截面。对圆形的Tube而言, 其规格由外径、内径和壁厚三者中的二者确定。Tube在管道系统中常用于仪表管道、伴热管、液压或气动管道等小口径管道。

在ASTM和JIS钢管标准体系中, Pipe和Tube在技术要求和尺寸公差方面也有明显的差异, 一般而言Tube的单价要高于Pipe。

我国的钢管标准体系在上世纪九十年代之前是不区分Pipe和Tube的, 近年来我国钢管标准正逐步向Pipe和Tube标准分离的方向发展。但是, 管道元件的直径表达也并非都采用公称直径, 管道用管也并非都采用Pipe。例如, 高温高压用管以及洁净管道也经常采用外径×壁厚的方式表达。这些管道的规格标准化问题将不在本文的范围。

1.3　公称直径系列

表1 所示为作者进行配管材料设计时, 经常采用或参考使用的各国钢管、管件、法兰、阀门标准的公称直径一览表, 国内相关标准仅列入一些覆盖面较广, 比较有代表性的标准。从表列数据可总结出一些规律:

(1)首先应根据工程项目的具体情况, 确定该项目(或管道材料等级)是采用美国体系还是欧洲体系的管道元件(管道组成件)标准;

(2)根据该项目(或管道材料等级)的最大公称直径确定公称直径范围;

(3)在公称直径范围内, 规定合用的公称直径,去除不采用的公称直径。通常, 根据下列各项惯例。

① 过程工业管道设计时, 一般不选用DN6、8、10。即使仪表或伴热需要, 一般选用Tube。因为这些管道的连接管件和连接型式与通用管道有很大的区别, 如卡套式、扩口式。标准的卡套式、扩口式管件, 无论是英制还是公制, 都应采用Tube管。Pipe的尺寸、公差、表面质量、性能都不能满足它的要求。

② 除非特殊要求, DN32, 65, 90, 125, 550 一般不选用。原因不外于下列几种:

a.由于ISO7 / 1 (GB7306)55°R/RpRc锥管螺纹适用于ISO4200系列的英制管外径, 而ASMEB1.20.1 (GB12716)60°NPT锥管螺纹适用于ASMEB36.10 系列的英制管外径。对于DN65,125, 两种系列的钢管外径却有较大差别, 见表2所示。为了避免交叉混用而带来的麻烦, 管道设计时往往采用回避措施, 以杜绝误用。ISO4200与ASME36.10中, DN150的外径均为168.3, 因此可适用于R与NPT两种管螺纹。

b.DN32, 90, 550由于公称直径级差太小;传统上使用较少;或法兰、阀门不配套等原因, 也列入了一般不选用的行列。

③ 大于DN600者, 属于大口径范围。美国的工程公司一般采用级差为150 mm (6 in)的进位方式, 而使用欧洲体系管道元件标准时, 一般习惯于100 mm或200 mm(大于DN1000)进位。因此, 大于DN600大口径管道的公称直径有下列二种选择:

a.采用美标法兰和阀门时, 公称直径级差为150mm(6 in);

b.采用欧标法兰和阀门时, 公称直径级差为100mm(DN600 ～ 1000 ), 200mm(大于DN1000)。

注:管子一列中, ASME— ASMEB36.10, 36.19钢管系列;HG(Ⅰ,Ⅱ)— HG20553钢管系列;CWP—本文中将列出的板焊管外径, 壁厚系列。管件一列中, ASME— BW ASMEB16.9, 16.28 MSSSP43, 75 对焊管件;GB— BW (Ⅰ , Ⅱ )— GB12459, 13401 对焊管件;AWWA—BW— AWWAC208 对焊管件;ASME—SW/Th— ASMEB16.11 承插, 螺纹管件;GB— SW/Th— GB13483, 14626 承插, 螺纹管件。法兰一列中, ASME/HGFl.— ASMEB16.5, 16.47 HG20615, 20623法兰;ASME铸铁Fl.— ASMEB16.1 铸铁法兰;AWWAFl.— AWWAC207给排水用大直径法兰;ASME/HG盲板— ASMEB16.48 HG21547 盲板;ASME孔板— ASMEB16.36 孔板;EN/HGFl.—EN1092 -1 HG20592 法兰;HG(B)Fl.—HG20592 B系列法兰;HG盲板— HG21547 盲板。阀门一列中, B16 /GB— Fl/BW— ASMEB16.10 GB12221— 2005 法兰及对焊連接阀门结构尺寸;B16/GB—对夾, 蝶, 刀— ASMEB16.10GB12221对夹连接阀门结构尺寸;API602— SW/Th— API602 小口径阀门;GB— Fl/BW— GB12221法兰及对焊连接阀门结构尺寸;GB— Th— GB12221螺纹连接阀门结构尺寸。本表未全文截取原文，有兴趣者可自行查阅。

1.4　建议

工程设计时, 选择常用公称直径, 刪除一部分公称直径是完全必要的。一般通过项目的配管材料设计规定或管道材料等级表予以明确。但作为标准, 无论是国标、行标、还是院标, 应当包括所有该标准使用范围内有可能使用的系列尺寸, 以方便各种类型的项目需要。不宜以常用或导向作为刪除的指导原则。

钢管外径

2.1　钢管外径系列

国际通用的工业管道钢管外径系列俗称为英制管系列, 石油、石油化工、重化工行业的新建项目, 基本上都采用英制管系列。但我国冶金、机械、轻化工行业还保留着国际上已淘汰的公制管外径系列。新建的工程项目应尽可能使用国际通用的钢管外径系列。两种钢管外径系列可详见表3所示。

2.2　英制管外径系列

目前, 发达国家使用的英制管外径系列大致有三种:

(1)以美国为代表的ASME-API-AWWA外径系列。由于ASMEB31.3过程工业管道规范在国际上获得广泛使用, ISO15649 石油、天然气和相关工业管道标准也采纳ASMEB31.3作为通用的国际化工业管道标准, 因此ASME英制管外径系列在国际上获得广泛使用。即使是欧盟各国的工程公司, 在采用美标— Class体系的管道元件标准进行工程设计时, 一般也采用ASME外径系列, 而不是欧盟各国常用的ISO4200系列。

(2)ISO4200外径系列

ISO4200外径系列是以DIN2448 /2458 无缝/焊接钢管等欧洲工业国家的钢管外径系列为基础, 制订的国际标准。国际上一般将其视为基础性标准,各国将根据各自具体情况, 转化为相应的实用标准。欧盟各国在采用欧标— PN体系的管道元件标准进行工程设计时采用ISO4200外径系列。从表3可见, HG20553Ⅰ系列是完全符合ISO4200外径系列的。SH3405 或GB17395— 1998 也符合ISO4200外径系列, 但都进行了一定的数字圆整。从表3 可见, 在大于等于DN150 时, ISO4200外径系列与ASME外径系列是完全一致的, 因此表3中列入的板焊管外径系列是符合ISO/ASME外径系列的。在大于等于DN350 时, 英制管外径等于NPS数值乘以25.4圆整后所得的值。但是表列数据也有例外, SH3405 大于DN1200的外径尺寸显然出现了英制管与公制管外径混合的现象。

(3)JIS外径系列

JIS外径系列也属于英制管系列, 但在小于等于DN300的范围内, 与ISO4200 或ASME系列都有较大差别。JIS和ISO4200外径都适用于ISO 7 / 1(GB7306)55°锥管螺纹。上世纪九十年代后, JIS标准在国内工业管道领域的使用较少。本文不作进一步评述。

2.3　公制管外径系列

公制管外径系列是上世纪五十年代以来, 从前苏联引进的德国第2系列钢管外径系列。在国际上已被淘汰。因其管件、法兰、阀门、管道附件的配套性差, 技术落后, 难以融入国内外日新月异的管道技术发展。公制管外径系列在小于等于DN150的范围内,外径小于英制管, 故又称为小外径管。但在DN200～ 300时, 英制管与公制管的外径相同。而大于等于DN350 ～ 1200时, 公制管外径却大于英制管。这是因为公制管外径在大口径时的取值规则与英制管不同。大于等于DN700时, 公制管外径等于DN数值加20。HG20553 Ⅱ 系列是国内保留相对完整的公制管外径系列。

2.4　小结

综上所述, 由于目前国内管道工程设计中多种外径系列并存, 各种管道元件标准引用的外径系别又缺乏协调。下列几点应引起注意:

(1)必须注意英制管与公制管的外径差别。

由于公制管属淘汰系列, 虽然部分管道元件标准,如HG20553 Ⅱ系列钢管、HG20592 B系列欧洲体系法兰, GB12459 /GB13401 Ⅱ 系列对焊管件, GB14383 B系列承插焊管件都列入了公制管外径系列的管子、管件、法兰, 但必须注意在有关设计和采购文件中, 包括在産品和交货文件中, 逐件、逐项标记B或Ⅱ的分辩代号(一般英制管可不标记)。此外, 公制管系列的管子、管件、法兰等, 国外采购将遇到很大困难。因为国际上已不再生产这一系列的产品, 属于特殊规格, 需要组织专门生产。

(2)采用公制管外径系列的管道设计, 无法配用管螺纹管件和阀门, 也不适用于美国体系PN20、50、110… …(Class150、300、600…… )法兰和阀门。在采用承插焊或对焊连接的阀门时, 应注意相应阀门标准是对应于英制管的, 用户必须特别提出附加要求, 以免造成安装时的麻烦。

(3)表3所列的几种英制管外径系列, 除了表2所述的管螺纹配用问题外, 在工程中一般可通用。但应注意下列几点差异:

① 小于等于DN50的各种英制管外径, 零点几毫米的差别对承插管件和阀门的承插口内径影响,见表4 所示。由表4 可见, 由于HG20553 和SH3405在DN15 ～ 32 范围内外径的增大, 加上GB8163外径偏差较大, 因此承插管件和阀门的承插口内径应予相应调整。

② 采用SH3405大口径钢管系列时, 应注意与其他英制管外径系列产品的配合。

壁厚系列

3.1　壁厚系列

(1)目前, 国际上通用的壁厚系列只有ASMEB36.10和B36.19中采用的管表号-Sch.系列(15个)和重量系列-Std.、XS、XXS(3个)两种系列, 详见表5所示。

(2)ISO4200也曾提出过A、B、C、D、E、F、G七个壁厚系列, 但未获各国认同, 即使是欧盟各国也未见采用。ISO4200也提出了一套壁厚级差数值, 见表6所列。经作者核算, 在1.4 ～ 55 mm范围内, 级差大约在12.5%左右。欧盟各国的管道用无缝钢管和机械化连续化生产的焊接钢管基本上都按表列壁厚选用, 未形成标准化的统一的壁厚等级或系列。但欧盟各国的工程公司往往以公司手册或管道材料等级的方式, 形成钢管和管件的壁厚系列。

(3)HG20553 Ⅰ 系列的壁厚系列取自ASMEB36.10和B36.19中采用的管表号-Sch.系列的一部分(≤DN600), 又参照JIS增加了Sch.20S。但壁厚的具体数字又将ASME系列采用的英寸制换算并圆整至表6所列的ISO4200壁厚级差数值。

(4)SH3405与HG20553的方法是一样的, 但又作了下列修正:

① 在ISO4200壁厚级差数值的基础上,根据国内习惯又圆整至整数或零点五;

② 增加了XXS壁厚系列。(5)HG20553 Ⅱ系列没有壁厚系列, 为了方便使用, 作者推荐可借用HG20553 Ⅰ 系列的壁厚系列。

3.2　管表号-Sch.的意义

根据早年ASMEB36.10 的说明, Sch.的意义源于下列设定:

t=(PD/1.75S)+2.54

式中　t—壁厚, mm;

P—内压, MPa;

D—外径, mm;

S—许用应力, MPa;

2.54—腐蚀余量和螺纹深度, mm(相当于0.1in);

1.75 — 2 ×0.875, 0.875为考虑壁厚负偏差12.5%后的净值。

设Sch.数值等于1000 ×P/S。

Sch.40的壁厚就近似于下列公式所得:

t=0.040 ×D/1.75 +2.54

作者曾核算了DN25 ～ 600的一些管子, 如表7所示。可见对应性还是较好的。

3.3　采用壁厚系列的作用

据作者体会, 采用壁厚系列的作用有下列几项:

(1)采用壁厚等级代替不同口径钢管的壁厚数值, 简化了钢管规格的表达方式, 便于形成数据文件(管道材料等级表, 管道材料数据库)。

(2)Sch.数值在一定程度上反映了钢管的承压能力。按上所述, Sch.数值等于1 000 ×P/S, Sch.40也就相当于材料许用应力等于100 MPa时, 钢管的承压能力为40 bar。一般低碳钢常温下许用应力在130 MPa左右, 因此钢管的承压能力约为40 ×1.3 =52 bar。当然, 上述估算是在腐蚀余量2.54mm, 壁厚负偏差12.5%的前提下得到的。

(3)采用壁厚等级的最大作用, 据作者体会在于可大幅度减少钢管壁厚规格, 有利于组织批量生产, 才有可能组织库存销售和采购。因为现代无缝钢管和中小口径焊管生产, 已进入批量生产以及库存销售和采购模式。国内传统的小规模以及按订单生产模式已不适应管道工程的发展需要。以DN50, 100, 300 三种最常用直径钢管为例,采用ASME壁厚等级与采用我国传统的用整数的方法, 可能出现的规格(壁厚)数量进行比较, 见表8所示

由表可见, 采用壁厚等级来表示钢管壁厚规格,可减少2 /3规格(壁厚)数量。表列的规格包括高压用厚壁管在内。若以最常用的壁厚Std.以下来比较, 规格(壁厚)减少就更为可观, 见表9所示。

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