压力管道基础知识2

压力管道基础知识

第一节压力管道的定义及分类

一、定义：是指生产、生活中使用的可能引起燃爆或中毒等危险性较大的特

种设备，它具体指具有下列属性的管道：

1、输送GB5044《职业性接触毒物危害程度分级》中规定的毒性程度为极度

危害介质的管道；

*GB5044标准将介质的毒性程度分为四级：

极度危害（I级）：＜0.1mg/m3高度危害（II级）：＜0.1mg/m:,〜1mg/m3

中度危害（III级）：＜1.0mg/m3〜10.0mg/m3轻度危害（IV级）：＞10.0mg/m3

2、输送GB50160《石油化工企业设计防火规范》及GBJ16《建筑设计防火

规范》中规定的火灾危害性为甲乙类介质的管道：

GB50160标准对可燃气体的火灾危险性分为甲乙两类：

①甲类气体为可燃气体与空气的混合物的爆炸下限〈10%（体积）

②乙类气体为可燃气体与空气的混合物的爆炸下限210%（体积）

3、最高工作压力大于等于0.IMPa（表压），输送介质为汽体、液化气体的管

道。

4、最高工作压力大于等于0.IMPa（表压），输送介质为可燃、易爆、有毒、

有腐蚀性的或最高温度等于高于标准沸点的液体管道。

5、前四项规定的管道附属设施及其安全防护装置等。（附属设施是指压力管

道体系中所用的管件；如弯头、大小头、三通仪表管嘴等。连接件；如法兰、

垫片、螺栓/母、限流孔板等。管道设备；如各类阀门、过滤器、疏水器、视

镜等。支撑件和其他安装在压力管道上的设施）

二、分类

为了便于《监察规定》的执行，就像压力容器那样宜将压力管道按不同的操

作工况和不同的用途进行分类，并分别进行管理，为此，国家技术监督局锅

发【1999】272号文颁发了《压力管道设计单位资格认证与管理办法》，给出

的压力管道分类、分级方法如下：

1、长输管道

1.符合下列条件之一的长输管道为GA1级：

①输送有毒、可燃、易爆气体介质，设计压力P>L6MPa的管道；

②输送有毒、可燃、易爆液体介质，输送距离N200km且管道公称直径DN

300mm的管道；

③输送浆体介质，输送距离N50km（指产地、储存库、用户间的用于输送商

品介质管道的直接距离）且管道公称直径DNN130mm的管道；

2.符合下列条件之一的长输管道为GA2级

①输送有毒、可燃、易爆气体介质，设计压力PWL6MPa的管道；

②GA1②范围以外的长输管道；

③GA1③范围以外的长输管道；

2、公用管道

公用管道为GB类，级别划分为：

燃气管道为GB1管道；

热力管道为GB2管道。

3、工业管道

工业管道为GC类，级别划分如下：

1、符合下列条件之一的工业管道为GC1级：

①输送GB5044《职业性接触毒物危害程度分级》中规定的毒性程度为极度

危害介质的管道；

②输送GB50160《石油化工企业设计防火规范》及GBJ16《建筑设计防火

规范》中规定的火灾危害性为甲、乙类可燃气体或甲类可燃液体介质且设计

压力PN4.OMPa的管道：

③输送可燃流体介质、有毒流体介质，设计压力P^4.OMPa且设计温度N

400℃的管道；

④输送流体介质、且设计压力PN10.OMPa的管道。

2、符合下列条件之一的工业管道为GC2级：

①输送GB50160《石油化工企业设计防火规范》及GBJ16《建筑设计防火

规范》中规定的火灾危害性为甲、乙类可燃气体或甲类可燃液体介质且设计

压力P<4.OMPa的管道：

②输送可燃流体介质、有毒流体介质，设计压力P<4.OMPa且设计温度N

400℃的管道；

③输送非可燃流体介质、无毒流体介质，设计压力PV10.OMPa且设计温度

N400C的管道；

④输送流体介质，设计压力PVlO.OMPa且设计温度V400C的管道。

第二节、应用标准体系

一个管系（路）中各元件所用系列的集合称为应用标准体系，这些标准

应包括管子系列标准、管件系列标准、法兰及其连接件系列标准、阀门标准

等。世界各国应用标准体系虽多，但大体上可以分为两大类，就管子系列标

准而言，一类是以DN15-622、DN20-627、DN25-634、DN32-642、DN40-

648、DN50-。60、DN65-076(73)、DN80-689、DN100-6114、DN125-4)140.

DN150-@168、DN200-6219、DN250-6273、DN300-4)324>DN350-6356、

DN400-6406、DN450-tt>457>DN500-6508、DN600-6610等为对应外径尺寸

的所谓“大外径”系列；另一类则是以DN15-618、DN20-625、DN25-632、

DN32-638、DN40-645、DN50-657、DN65-673、DN80-689、DN100-4)108>

DN125-6133.DN150-6159>DN200-6219、DN250-6273>DN300-6325.DN350-

6377、DN400-6426、DN450-4)480>DN500-4)530>DN600-4)630等为对应

外径尺寸的所谓“小外径”系列。

就法兰系列标准而言：一类是以200C作为计算基准温度，而压力等级按

PN0.1、PN0.25、PN0.6、PN1.0、PN1.6、PN2.5、PN4.0、PN6.3、PN10.0、PN16.0、

PN025.0、PN40.0等分级的所谓的“欧式法兰”(这一系列标准为德国DIN标

准，并为前苏联等欧洲国家所用)，另一类是以430C作为计算基准温度，而

压力等级按PN2.0、PN5.0、PN6.8、PN10.0、PN15.0、PN025.0、PN42.0等分

级的所谓的“美式法兰”(这一系列标准为美国ANSI标准，并为世界各国石

油工业广泛采用，故称为美式法兰)。

显而易见，无论是管子还是法兰，上述的两个系列或两个体系是不能相

互混合使用的。

一、国内常用的标准体系

目前，国内的压力管道及其元件的应用标准很多，又均不完整。以管法

兰标准为例，常用的标准就有国家标准(GB)、机械行业标准(JB)、石化行

业标准(SH)和化工行业标准(HG)等。

(-)石化行业应用标准体系

1、管子尺寸系列标准(SH3405)

石化行业应用标准体系的管子尺寸系列标准(SH3405)等效采用了

IS04200标准，故当DN^1100mm时,它能与ANSIB36.10/36.19管子标准配

套使用，基本属于“大外径系列”。

2、法兰标准(SH3406)

石化行业应用标准体系的法兰标准(SH3406)等效采用了ANSIB16.5

和API605标准，属于“美式法兰”。SH3406在结构尺寸和密封面型式上与

ANSIB16.5/API605有着很好的互换性,因此它能与ANSI、API、MSS等标准

的管道元件配套使用。但因为SH3406采用了我国材料标准而不是美国材料

标准(ASTM),故二者的温度一压力表少有偏差。

SH3406标准的公称压力等级共包括PN1.0、PN2.0、PN5.0、PN6.8、

PN10.0、PN15.0、PN25.0、PN42.0八个等级，公称直径范围为(DN15〜DN1500)

法兰型式：当DNW600mm时，有对焊、平焊、承插焊、松套、螺纹等五

种；当DN2650mm时,仅有对焊型式一种。

密封面型式：当DNW600mm时,有凸台面、梯槽面、环槽面、凹凸面和

全平面等等五种；当DN2650mm时，仅有凸台面一种。

石化行业应用标准体系中共包含了十项基本标准，除管子尺寸系列和法

兰标准外，还包含对焊无缝管件、钢板制对焊管件、锻制承插焊管件、非金

属垫片、缠绕式垫片、金属环垫片、螺栓/母等标准，它们都相应等效采用了

ANSI标准。

3、石化行业应用标准体系中的常用标准

SH3401管法兰用石棉橡胶板垫片

SH3402管法兰用聚四氟乙烯包覆垫片

SH3403管法兰用金属环垫片

SH3404管法兰用紧固件

SH3405石油化工企业钢管尺寸系列

SH3406石油化工钢制管法兰

SH3407管法兰用缠绕式垫片

SH3408钢制对焊无缝管件

SH3409钢板制对焊管件

SH3410锻钢制承插焊管件

(二)化工行业应用标准体系

1、管子尺寸系列标准(HG20553)

化工行业应用标准体系的管子尺寸系列标准(HG20553)同时包含了A、

B两个系列,其中A系列基本上等同采用了ANSIB36.10/ANSI36.19标准,

属于“大外径系列”。B系列则为“小外径系列二

2、法兰标准(HG20592〜HG20605和HG20615〜20626)

化工行业应用标准体系的管法兰标准参照了IS07005—1B标准的编写模

式，即同时包含了“欧式法兰”和“美式法兰”两个体系。

其欧式法兰标准(HG20592〜HG20605)的公称压力等级共包含PN0.25、

PN0.6、PN1.0、PNL6、PN2.5、PN4.0、PN6.3、PN10.0、PN16.0、PN25.0、

等10个压力等级，公称直径范围为(DN10〜DN2000),法兰型式有板式平焊、

带颈平焊、带颈对焊、整体式、承插焊、螺纹、对焊环松套、平焊环、法兰

盖、衬里法兰等10种，密封面型式有突面、凹凸面、梯槽面、环连接面、全

平面等5种。它可以与我国的JB阀门配套使用。

其美式法兰标准（HG20615-HG20626）基本上等效采用了ANSI标准。

其中，对于DNW600mm的法兰则等效采用了ANSIB16.5标准，而对DN^650mm

的法兰则等效采用了API605标准.法兰的公称压力等级共包含PN2.0、

PN5.0、PN11.0>PN15.0、PN26.0、PN42.0等6个压力等级，公称直径范围

为（DN15〜DN1500）,法兰型式有带颈平焊、带颈对焊、整体式、承插焊、螺纹、

松套等6种，密封面型式有突面、凹凸面、桦槽面、环连接面、全平面等5

种。

3、化工行业应用标准体系中的常用标准

HG20537.1奥氏体不锈钢焊接钢管选用规定

HG20553化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列

HG/T21634锻钢制承插焊管件

HG/T21635碳钢、低合金钢无缝对焊管件

HG/T21631钢制有缝对焊管件

HG/T21632锻钢制承插焊、螺纹和焊接管台

HG/T21637化工管道过滤器

HG/T21577快速特种接头

HG20592~20605钢制管法兰（欧式体系）

HG20615~20626钢制管法兰（美洲体系）

HG20606〜20612钢制管法兰用垫片（欧洲体系）

HG20627-20633钢制管法兰用垫片（美洲体系）

HG20613钢制管法兰紧固件（欧洲体系）

HG20634钢制管法兰紧固件（美洲体系）

（三）机械行业应用标准体系

机械行业应用标准体系（JB）没有相应的管子尺寸系列标准，其接管

尺寸由管法兰的接管外径进行定义，属于典型的“小外径系列”。

机械行业应用标准体系中的法兰标准JB/74〜JB/T90属于欧洲标准体

系，其公称压力等级共包括PN括25、PNO.6、PN1.0、PN1.6、PN2.5、PN4.0、

PN6.3、PN10.0、PN16.0、PN20.0等10个压力等级，公称直径范围为（DN10-

DN1600）,法兰型式有整体、板式平焊、对焊、平焊环板式松套、对焊环板式

松套、翻边板式松套和法兰盖等7种，密封面型式有平面、凸面、凹凸面、

梯槽面、环连接面等5种型式。

常用压力管道应用标准体系配伍表

大外径系列小外径系列

SH标准体系GB标准体系ANSI标准体JB标准体系HG标准体系

系

一般管道SH3405GB17395ANSIB36.10②HG20553

长输管道GBrT9711.1GB/T9711.1API5L

管件SH3408GB/T124590ANSIBl6.9GB12459②HG/T21634

SH3409GB/T134010ANSIB16.ilGB/T13401HG/T21635

②

SH3410GB/T14383®ANSIB16.28HG/T21631

GB/T14626GB/T14626GB/T14383HG/T21632

②

法兰SH3406GB9112—ANSIBl6.5JB/74-86HG20592-

GB9131HG20605

垫片SH3401GB4622.1-2ANSIBl6.20JB/T87HG20606-

SH3402ANSIBl6.21JB/T88HG20612

SH3403JB/T89

SH3407JB/T90

紧固件SH3404GB5780—ANSIBl8.2.1GB5780—HG20613-

GB5782ANSIBl8.2.2GB5782HG20614

GB41GB41

GB6170GB6170

阀门API600GB12232〜API600JB系列©JB系列④

API602GB12247®API602

API603API603

API608API608

API609API609

API594API594

注：①GB标准体系的管件标准原来借助于SHJ405进行定义的，目前

SHJ405已被修订成SH3405,而且定义已作了修改，因此,GB系列管件标准

也应作相应修订才能使用；此处应为该标准的A系列。

②同①。此处应为该标准的B系列。

③GB12232〜GB12247目前尚存在较多问题，实际上并没有推广应

用，它可用相应的API标准取代。

④JB系列指原来的JB系列阀门标准，现在大多数阀门制造厂仍按该

系列阀门标准生产。

第三节金属焊接的基本知识

一、焊接技术

焊接时所选用的焊接参数（包括焊接电流、电压、焊接速度等）、焊缝坡

口型式、焊前的预热和焊后的热处理、焊接材料的选用等都影响到焊接接头

的组织和性能。因此，在焊接前应首先合理的确定这些技术参数和焊接工艺。

（一）焊接参数的选择

焊接参数有时有时也叫焊接规范，它主要包括焊条直径、焊接电流、焊接电

压、焊接速度等。正确地选择这些参数，即可提高焊接生产率，又可获得优

良的焊接接头质量。当然,对不同的焊接方法，焊接参数选择原则是不同的,

在这里仍以手工电弧焊为例进行介绍。

1、焊条直径的选择

焊条直径越大，焊接生产率越高。但焊条直径过大，会造成焊缝外观差/

焊漏或焊穿、未焊透等缺陷。焊条直径小，生产率低，若焊条直径过小，也

容易造成未焊透缺陷。因此焊条直径应适中。影响焊条直径选择的因素有构

件的壁厚、接头的坡口形式、焊接的位置等。一般情况下，构件的厚度越厚，

选择的焊条直径越大，否则将严重影响焊接生产率；对于角焊和搭接焊接接

头，一般不容易被焊穿或焊漏，反而容易产生未焊透缺陷，故常用大直径焊

条；平焊比立焊、横焊和仰焊可选择更大的焊条直径，或者说，立焊、仰焊、

横焊时焊条直径不能太大（一般不超过5mm）。否则，由于熔池金属较多而

下流，造成焊瘤、未焊满、夹渣等缺陷。

2、焊接电流的选择

焊接电流的大小对焊接接头的质量和焊接生产率也有较大的影响。焊接电

流过小，电弧不稳定，容易造成未焊透和夹渣等缺陷，而且生产率低；电流

过大，会增加金属的飞溅，焊缝容易产生咬边、焊瘤和烧穿等缺陷。一般情

况下，焊接电流I（安培）与焊条直径d（毫米）可以按1=（35〜55）关系

确定。立焊、横焊和仰焊时应取较小的焊接电流，一般应比平焊小5%〜10%。

3、电弧电压的选择

焊接过程中，电弧不宜过长，否则会引起电弧不稳定，增加金属的飞溅,

减小熔深以及产生咬边等缺陷，电弧过长还容易导致空气的侵入，从而使焊

缝产生气孔、夹渣等缺陷。因此，焊接中应尽量采用短电弧低电压焊接参数。

一般情况下，碱性焊条焊接时应控制其电弧电压在23V-26V,酸性焊条则

控制在24V〜29V。

4、焊接速度的选择

如果孤立地选择焊接速度，那么焊接速度越大，焊接生产率越高，焊缝的冷

却速度往往是与焊条直径、焊接电流等配合选用，只有它们搭配的比较好，

才能获得较好的外观焊接质量。

上述这些焊接参数的选定，不能孤立地只考虑某一个参数的作用，应将它们

放在一起综合考虑，合理搭配。参数的选择可以通过焊接工艺评定进行筛选

和确定。

（二）焊接材料的选择

1、常用焊接材料的分类及其特点

对手工电弧焊来说，焊接材料就是焊条，它通常由金属丝和包在金属丝外面

的药皮两部分组成。根据药皮的组成成分不同，可将焊条分为碱性焊条、酸

性焊条和中性焊条三类。

2、常用焊条的表示方法及其代号

焊条主要分为碳钢焊条、低合金焊条和不锈钢焊条等三种。

1）碳钢焊条

碳钢焊条型号根据熔敷金属的机械性能、药皮类型、焊接位置和焊接电流种

类划分。其代号表示如下：例如E4315——熔敷金属抗拉强度的最小值为

43N/mn?;适用于全位置焊接；焊条药皮为低氢钠型，可采用直流反接焊接。

E#####

]表示焊接电流种类及药皮类型

----------表示焊条使用位置。0及1表示焊条适用于全位置，2表示

焊条适用于平焊及平角焊，4表示焊条适用于向下立焊

I_______________两位数字，表示熔敷金属抗拉强度的最小值，N/mm2;

表示焊条

2）低合金焊条

低合金钢焊条型号根据熔敷金属的机械性能、化学成分、药皮类型、焊

接位置和焊接电流种类及熔敷金属的化学成分分类等划分。其代号表示如下:

O#__£出=A1--------后缀字母，为熔敷金属的化学成分代号，

并以短划“一”与前面数字隔开

।-------表示焊接电流种类及药皮类型

表示焊条使用位置。0及1表示焊条适用于

----------全位置，2表示焊条适用于平焊及平角焊，

4表示焊条适用于向下立焊

|两位数字，表示熔敷金属抗拉强度的

最小值，N/mm2;

।--------------------表示焊条

3）不锈钢焊条

不锈钢焊条型号根据熔敷金属的化学成分、机械性能、焊接药皮类型、

焊接电流种类、格和银元素的近似百分含量、其他重要合金元素及近似百分

含量等划分。其代号表示如下：

E########_##---------表示药皮类型及焊接电流种类

表示熔敷金属中其他重要合金元素及近似百

分含量

表示熔敷金属中银的近似百分含量

-------------------表示熔敷金属中辂元素的近似百分含量

为一位或两位数字，表示熔敷金属中的含碳量，“00”

表示含碳量W0。04%,“0”表示含碳量W0。10%,“1”

表示含碳量W0。15%,“2”表示含碳量＜0。20%。“3”

表示含碳量W0。45%；

------------------表示焊条

（三）常用材料的焊接

石油化工生产装置中，经常用到的有焊接要求的管道材料有低碳钢、合

金钢、不锈钢和异种钢。

1、材料的可焊性

金属材料的可焊性是指在一定的工艺条件下通过焊接形成优质接头的性

能。如果一种金属材料用普通简单的焊接工艺条件就可获得优质的焊接接头,

那么就认为该种金属材料具有良好的可焊性。反之，如果需要特殊复杂的焊

接工艺条件才能获得优质接头，则认为该种金属材料的可焊性差。这里所说

的焊接工艺条件是指方法焊接方法、焊接参数、焊前预热及焊后热处理、接

头型式、坡口型式及尺寸、环境温度、焊接位置、焊接材料等。优质接头是

指焊缝的机械性能和耐腐蚀性能好，热裂纹和冷裂纹的倾向小，各种非人为

的焊接缺陷少。

金属材料的可焊性说明其焊接的难易程度，它是一个相对概念，受人为

环境因素也较大，工程上没有一个具体的评定各种材料可焊性的指标。

2、低碳钢的焊接

由于低碳钢的含碳量较低，故其可焊性比较好，一般无须采取特殊的工

艺措施就可获得优质的焊接接头。一般情况下，低碳钢的焊接以手工电弧焊

为主，不需要采用气体保护焊焊接方法，只有当焊接根部要求洁净、或者构

件壁厚较薄容易焊漏时才考虑用气体保护焊打底。

焊接材料采用采用酸性和碱性焊条均可，均能获得较好的焊接接头。但

对于特殊场合，如临氢、受交变载荷作用、处于低温工况时或者工作在有应

力腐蚀倾向的环境时，宜选用碱性焊条。

一般情况下，无须焊前预热，只有当环境温度低于0℃时一，或者焊件壁

厚超过26mm时，才考虑预热。一般情况下也不需要焊后热处理，当构件受交

变应力或者工作在有应力腐蚀倾向的环境时，或者焊件壁厚超过30mm,或者

在低温下使用时，才考虑进行焊后热处理。热处理一般采用600〜650C的高

温回火。

3、合金钢焊接

石油化工压力管道中常用的合金钢有16Mn、09Mn2V.12CrMo>15CrMo>

12CrMoV、ICr5Mo等材料，这些材料均属于高强度易淬硬金属材料，故其可

焊性较差，焊接时容易产生热裂纹和冷裂纹，故焊接时应采用相应的措施来

保证焊接接头的性能。

1）、碳镒低合金（16Mn、09Mn2V）的焊接

从碳当量上来看，它的碳当量比低碳钢高，但由于它不含铝（Cr）、钥（Mo）

等合金元素，故其淬硬性和热裂纹倾向性比铭铝和铝铝钢钢小。

碳镒低合金钢的焊接材料应选择强度等于或略高于母材的材料，以免因

焊缝强度过高而使其塑性和韧性下降。最好选用碱性焊条和直流电焊机，如

果选用了交流两用的碱性焊条，也可以用交流电焊机。

碳镒钢、碳镒钢钢与低碳钢的可焊性差别不太大，仅淬硬性稍大些，故

预热温度与预热范围比低碳钢高些。一般情况下，当焊接构件厚度大于15mm

时一，就应考虑预热。对于低温、有交变应力腐蚀环境、受交变应力、临氢操

作时，应进行焊后热处理。对于厚度大于19mm的构件，焊后应进行热处理。

热处理一般采用高温回火。

2）、铭铜钢（12CrMo>15CrMo>lCr5Mo）和格铝钢钢（12CrMoV）的焊接

该类材料中含有较多的高熔点合金元素，故容易出现低熔点成分的偏析,

并且由于这类材料的强度高，塑性差，对焊接变形的适应性差，故很容易出

现热裂纹。由于这类材料存在铭、铝等增加材料淬硬性的元素，故其淬硬性

也比较强，焊缝及其热影响区很容易出现淬硬马氏体组织，加之氢在材料中

的扩散速度较慢，因此这类材料又很容易出现冷裂纹，工程实践也证明了这

一点。

为此，在选择焊接材料时，应选用低氢型焊条，并在施焊前严格烘干。

焊前应进行预热，焊后应进行热处理，以释放或降低焊接残余应力。焊接时

应采用短弧，多层焊接时一个保持层温，冷却时应缓慢冷却，以利于降低焊

接应力水平。应尽量减少焊接结构的刚度，尤其应避免强行组对，这样做对

防止热裂纹和冷裂纹有益。

4、不锈钢焊接

由于奥氏体不锈钢具有很好的塑性，又具有单一的奥氏体常温组织，没

有淬硬性（即不出现淬硬马氏体组织），故它有很好的可焊性，一般不出现冷

裂纹。但是，奥氏体不锈钢具有较大的热膨胀率，且结晶时的树枝状结晶方

向比较明显，的熔点的杂质或共晶物易聚集在晶界上，如果处理不好，易出

现热烈纹。