关于压力管道公称压力选择的探讨

杨佩颖

摘要：近些年来许多工程师在选择压力管道的规格时采用的是水压试验的试验压力，而非系统的设计压力。笔者将从压力管道设计与仿真分析两方面探讨这种做法的合理性。

关键词：设计压力；公称压力；许用应力

建筑内的压力管道系统安装完成后，在验收时需要进行水压试验。笔者发现许多工程师普遍采用水压试验的试验压力作为选择管材规格的依据，理由是水压试验的试验压力高于系统的工作压力，为了防止管网在水压试验时出现损坏，公称压力应高于试验压力。以一个工作压力为0.8Mpa的空调水系统为例，根据规范要求[3]，试验压力应为1.5倍工作压力。按上述思路，试验压力为1.2Mpa，则应选择公称压力为1.6Mpa的钢管。这样的做法固然安全可靠，但是否经济，是否有必要呢？

公称压力的（PN）的定义为：与管道系统元件的力学性能和尺寸特征相关、用于参考的字母和数字组合的标识。如PN16是指管道在20℃时的额定工作压力为1.6Mpa。

从管道设计的流程来看，公称压力之所以作为管材的一个重要参数，是因为它决定了管道的壁厚系列。规范GB/T20801.3-2006规定了受内压的直管段的壁厚计算公式。按公式反推，可求出某一规格（外径和壁厚）的管材当内应力达到材料许用应力时所需施加的内压力。

笔者对GB/T3091附录A中的普通壁厚系列Q235的焊接钢管进行了计算，结果如下：

注：壁厚公差按10%壁厚计。焊接接头系数取0.8，许用应力按20℃取115Mpa。

在考虑材料壁厚负偏差，管道腐蚀和管道加工减厚的情况下，对于普通壁厚的Q235碳素钢直缝焊接管，只要实际受到的压力不超过表中所列的值，管道由于受内压所产生的应力不会大于管道材料的许用应力。市面上多数厂商对该系列的管道标定的公称压力是1.6Mpa。由上表可以看出的值最大的为DN150的管道，为3.7Mpa，远大于公称压力的1.5倍。这样的管道承受试压时的1.5倍工作压力（2.4MPa）是绰绰有余的。

为了验证上述结论，笔者对表中最小的168.3*4.5的管道受力情况进行了有限元分析计算。结果显示，长2m，外径168.3，厚度3.4mm（按计算厚度）的管道模型，在内压3.7Mpa的荷载下，产生的最大应力为100.6Mpa，小于许用应力115Mpa，即该管道可承受的压力大于计算的值。

事实上，不同的厂商生产的同一公称压力的产品壁厚往往不同，通常低于国标。针对管材的选用，直接约定壁厚系列才更清晰明确。公称压力这个概念对于阀门附件的意义更大。

系统工作压P是指管道系统在正常工作情况下作用在管内壁的最大持续运行压力，不包括水锤等瞬时的波动压力。系统工作压力一般由水力计算确定，本文用表示。

管道系统中每个管道组成件的设计压力P’，应不小于在操作中可能遇到的最苛刻的压力和温度组合工况的压力。

对于设计压力P’和工作压力P的关系，可分为两种情况来讨论：

1.系统中有安全泄放装置的。压力管道系统通常都设有安全阀，用于防止系统超压。一般设置安全阀的开启压力为（1.05~1.1）P，其目的也是对系统中的管道和附件的保护。因此尽管有波动，管道组成件所受到的内压力，大多数时候也不会超过1.1P。规范GB/T20801.6-2006规定“装有安全泄放装置的管道，其设计压力应不小于安全泄放装置的设定压力（或最大标定爆破压力）”。

2.系统中无安全泄放装置的。由于水锤，工况偏移，设备故障等情况时有发生，在实际运行中管道组成件所受到的内压力大于P。不考虑设备故障的极端情况，最常出现的超压情景就是水锤和工况偏移。水锤可以通过计算得出，必要的时候系统内可以安装水锤吸纳装置。而工况偏移，比较典型的是离心泵小流量运行的情况。我们采购泵的时候是按额定扬程采购，根据水泵的特性曲线，水泵扬程最高的时候是流量接近于零的时候。因此应计算零流量时的系统压力，与水锤压力比较，取其大着作为设计压力P’。

结束语：综上所述，笔者认为用试验压力（1.5P）作为选择管道和阀门附件公称压力的依据是没有依据的。管道组成件的公称压力应大于设计压力P’。注意此处暗含的一个条件是温度为常温。设计压力是温度和压力的一个工况组合，即如果实际使用温度不是常温，那么需要进行温度修正。