目前國內金屬管道尺寸壁厚標準規范主要是GB/T 17395—2008，HG/T 20553—2011和SH/T3405—2017。論述三個鋼管壁厚標準的不同，選取三者之一作為普通化工管道項目選材標準的原因。舉例說明分別使用壁厚計算公式和管表號，求得同一設計條件下的蒸汽管道壁厚。比較兩種不同方法得到的壁厚值，就此差異綜述采納管表號方法進行采購管材的合理性。
管道壁厚是管道材料規格中重要的數據，業主根據具體的規格采購相應的管道及管件，壁厚值大小直接影響到建設工程的多個層面。壁厚值過高會直接增大采購成本，間接影響管架跨距和土建荷載等；壁厚過薄，可能無法滿足管道的強度需求，也影響管架的設計布局。因此，選取合適的管道壁厚對工程建設非常重要。
隨著近年來國內各類制造技術的精進，國家標準、行業規范也在同步更新變化，過往項目的管道規格可能已不符合時下的國標、行標。因而在了解和研究最新的各類鋼管尺寸、壁厚標準的同時，初步計算所需壁厚及其管表號后，進行壁厚調整才事半功倍。
目前國內鋼管尺寸系列標準主要是GB/T 17395—2008、SH/T 3405—2017和HG/T 20553—2011(以下分別簡稱為GB17395、SH3405和HG20553)。在SH3405和HG20553中，都增加了以前沒有的管表號Sch5、Sch30壁厚系列，并填補了小管徑的Sch10系列的壁厚值。GB 17395中沒有提出管表號，只羅列了各管徑下可使用的壁厚，這是它與SH3405、HG2055兩個標準最大的區別。GB 17395中的壁厚數據沒有任何使用條件，這給壁厚的選取增加了難度。由對比可見，使用SH3405和HG20553作為壁厚選擇的標準比較可靠。
針對SH3405和HG20553進一步比較發現，SH3405內所有壁厚數據皆精確到小數點后2位，這表明該標準的管道加工精度比HG20553要高。再者，SH3405標準附錄中附上了不同材料選用的制作標準，其中很多材料的制作標準采用國外ASTM 標準，而HG20553標準的管道制作標準采用的是國標。這些差異導致SH3405標準管道的采購成本會比HG20553標準的管道高。
由于存在成本差異，設計人員一定要事先與業主溝通，確定使用的標準規范。在考慮降低采購成本以及擴大供貨商范圍的前提下，若業主沒有強制要求使用石化行業標準，可采用化工行業標準進行設計。
本文使用壁厚計算公式和管表號方式，對工作壓力8bar，工作溫度258℃的過熱蒸汽管道選取壁厚，選擇有代表的管徑尺寸DN25、100和300作為參考。
根據工藝參數及選材，使用下列管道壁厚計算公式[1] 進行計算：
式中：δ為直管的計算壁厚，mm；P為設計壓力(MPa)；Do為管道外徑(mm)；[σ]t為設計溫度下管道材料的許用應力(MPa)；φ 為焊縫系數；W為焊縫接頭強度降低系數；Y為溫度對計算直管壁厚公式的修正系數；Δ為名義厚度，規范上指標準規定的厚度(mm)；C1為材料厚度負偏差，按材料標準規定(mm)；C2為腐蝕、沖蝕裕量，mm；C3為機械加工深度(mm)；C4為厚度圓整值(mm)。
此管道設計壓力P 取0.88MPa，設計溫度t 選取270℃，管道制作標準采用GB/T 8163—2018的碳素鋼無縫鋼管(熱軋型)20號鋼。
(1) 查常用鋼管許用應力表[2] 可知[σ]300=101MPa，[σ]250=110MPa，通過內插法計算得到[σ]270=106.2MPa。
(2) 使用無縫鋼管，φ 、W 均為1。在設計溫度低于400℃的情況下，Y 取0.4。
(3) 將上述參數代入公式2-1，可得 δ=0.0041×Do，具體如下表1。
(4) 名義厚度Δ 計算
由公式2-2可以知，Δ 就是將計算壁厚δ 與管道制造過程中可能產生的偏差、管道長年運行時受到的腐蝕和機械加工需要的深度綜合考慮的結果。
①材料厚度負偏差C1 整理熱軋型鋼管壁厚允許偏差[3]C1如下表2。
在腐蝕裕量和加工深度尚未明確時，無法得知最終名義厚度，因此C1在最后階段與C4一同考慮。
②腐蝕裕量C2 材料的耐蝕性和環境(如成分、濃度、溫度、流速等) 變化密切相關[4]。管內介質含水會加速腐蝕，高溫、高流速的工況下的腐蝕速率一般是低溫、低流速介質的數倍乃至指數倍。
針對介質為蒸汽，碳鋼管在蒸汽系統受溶解氧的腐蝕，溫度在80～250℃間最為嚴重[5]。本例管道正常操作時內部充滿過熱蒸汽，認為管內幾乎無水，此時溶解氧不多不易產生點蝕。
一般蒸汽系統的碳鋼管腐蝕速度取0.1mm/ 年，假定裝置使用年限為15年，則該管線的理論腐蝕裕量C2=0.10×15=1.5mm。[6]
③機械加工深度C3 蒸汽系統不宜采用螺紋連接，C3值為0mm。
④名義壁厚Δ 最終結果 所有因素確定后，依據表2重新對C1取值，下表中Δ 在最終時已進行圓整，故對C4不進行描述和計算。
根據規范規定，管道壁厚計算后需與其規定的最小壁厚以及Do/150的值比較，三者取其大為最終實際所需的管道壁厚[1]。
管材在化工建設項目中為大規模采購，工廠運行周期內也要一定量的維修與替代備用，因此在SH/T 3405中找到滿足表4的標準壁厚尺寸就相對經濟與便利。
(1) 確定管表號，即管道壁厚等級
SH/T 3405中的壁厚由管表號SCH 來表示，即：
由于介質為高溫蒸汽，管道得的試驗壓力并非簡單的1.5P，還需要乘上溫度系數1.224，則公式2-3中的P 為1.62MPa，代入公式可計得12.5。
管線采用對焊管件，管件應與管道管表號相同，即管件與管子等強度(而不是等壁厚)[5]，因而計算得到的SCH 往上取整作20。在SH/T 3405中可查得，DN25至DN150沒有SCH20系列，如此DN25和DN100的壁厚等級往上一級選SCH30。
最終選擇的管道壁厚如表5所示。
比較表4與表5的壁厚差異可知，根據標準選定的管道壁厚比理論上計算得到的管道壁厚值大，造成這一結果的因素主要有二個。其一，管表號計算結果是圓整過的，比實際計算得到的要高出60%，從而導致得到的壁厚比理論壁厚值大。其二，由于標準中部分管徑缺失管表號SCH20，造成SCH 向上一級選取，致使壁厚數值趨向更大。
依據標準壁厚等級選取的壁厚值過高，對采購成本勢必產生影響，該類管道在所有管道材料中占比愈高，采購成本愈大。若選用符合理論值的特定尺寸管道固然比標準管道總重輕，但是由于尺寸特殊，貨源較標準管道及管件難尋，供貨商稀缺，其收取的費用并不一定比采購標準管道低廉。以此為由，采購符合標準SH/T 3405壁厚尺寸的管道及其組成件較為合理。
[1] 中國石油化工集團公司. 石油化工管道設計器材選用規范：SH/T3059—2012[S]. 北京：中國石化出版社，2013.
[2] 中華人民共和國原化學工業部. 工業金屬管道設計規范：GB 50316—2000 (2008版)[S]. 北京：中國計劃出版社，2008.
[3] 全國鋼標準技術委員會(SAC/TC 183). 輸送流體用無縫鋼管：GB/T 8163—2018[S]. 北京：中國標準出版社，2018.
[4] 左景伊. 腐蝕數據手冊[M]. 北京：化學工業出版社，1982.
[5] 宋岢岢. 壓力管道設計及工程實例 第二版[M]. 北京：化學工業出版社，2013.
[6] 徐寶東，化工管路設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2011.
[7] 全文PDF文件下載：
工業金屬管道壁厚的選取.pdf
作者簡介：方劍華(1985-)，女，漢族，江蘇江陰人，工程師，本科，研究方向：紡織染化。
