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無縫鋼管壓力與壁厚

責任編輯：鋼管廠發布時間：2025-09-08 點擊數：72

　　無縫鋼管的壓力承載能力與壁厚直接相關，核心邏輯是：在材質、口徑、溫度等條件固定時，壁厚越厚，管道能承受的內壓力(或外壓力)越高;反之，壁厚不足則可能因壓力過載導致管道破裂。但兩者的關系并非簡單線性，需結合材質許用應力、管道規格、使用環境通過標準公式量化計算，同時需符合行業規范(如GB/T 20801、ASME B31.3等)。

　　一、核心原理：壓力與壁厚的量化關系

　　無縫鋼管的承壓能力計算需基于“薄壁圓筒理論”，行業通用公式(以內壓力計算為例，適用于絕大多數輸送流體、承壓設備場景)如下：

　　1. 基本計算公式(GB/T 20801.3-2022《壓力管道規范工業管道》)

　　\[ S = \frac{P \times D_o}{2 \times [\sigma]_t \times \phi - P} + C \]

　　或簡化公式(當 $ P \ll 2 \times [\sigma]_t \times \phi $ 時，適用于中低壓場景)：

　　\[ S \approx \frac{P \times D_i}{2 \times [\sigma]_t \times \phi} + C \]

　　2. 公式參數解析(關鍵影響因素)

參數符號	參數名稱	含義與說明
$S$	計算壁厚（mm）	管道需要的最小壁厚，需≥標準規格中的 “名義壁厚”
$P$	設計壓力（MPa）	管道長期工作的最大壓力（需考慮安全系數，通常為工作壓力的 1.1~1.3 倍）
$$D_o$$	管道外徑（mm）	無縫鋼管的公稱外徑（如 Φ108mm 的管， $$D_o=108$$ ），需按標準取值（GB/T 8163）
$$D_i$$	管道內徑（mm）	$D_i = D_o - 2 \times S$ （內徑由外徑和壁厚決定）
$[\sigma]_t$	材質許用應力（MPa）	管道材質在工作溫度下的最大允許應力（核心參數，由材質和溫度決定）
$\phi$	焊接接頭系數	無縫鋼管無焊接接頭，故 $\phi=1.0$ （焊接管需按焊接質量取 0.6~0.9）
$C$	腐蝕余量（mm）	預留管道使用中的腐蝕損耗，通常取 0.5~3mm（介質腐蝕性越強， $C$ 越大）

　　二、關鍵影響因素：除了壁厚，這些因素也決定承壓

　　壁厚是承壓的“硬件基礎”，但需結合以下因素綜合判斷，否則即使壁厚足夠，仍可能無法滿足壓力要求：

　　1. 材質：許用應力決定“壁厚效率”

　　不同材質的$ [\sigma]_t $(許用應力)差異極大，直接影響所需壁厚。例如：

　　- 20碳鋼(普通流體管，GB/T 8163)：20℃時$ [\sigma]_t \approx 113 \, \text{MPa} $，400℃時降至$ 60 \, \text{MPa} $(高溫下強度下降);

　　- 15CrMoG合金管(高壓鍋爐管，GB/T 5310)：400℃時$ [\sigma]_t \approx 140 \, \text{MPa} $，比20鋼高約130%;

　　- 316L不銹鋼(耐腐蝕管，GB/T 14976)：20℃時$ [\sigma]_t \approx 137 \, \text{MPa} $，且高溫下強度衰減慢(400℃時仍有110MPa)。

　　案例對比：同樣是Φ108mm管道，設計壓力$ P=5 \, \text{MPa} $，腐蝕余量$ C=1 \, \text{mm} $，20℃環境下：

　　- 20鋼需壁厚：$ S \approx (5×108)/(2×113×1) +1 ≈ 2.4 +1 = 3.4 \, \text{mm} $(選公稱壁厚4.5mm即可);

　　- 若用材質較差的Q235B($ [\sigma]_t≈100 \, \text{MPa} $)：需$ S≈(5×108)/(2×100×1)+1≈2.7+1=3.7 \, \text{mm} $(需選公稱壁厚5mm)。

　　2. 溫度：高溫會“削弱”承壓能力

　　材質的許用應力$ [\sigma]_t $隨溫度升高而降低，導致相同壓力下需要更厚的壁厚：

　　- 例：20鋼Φ159mm管道，設計壓力$ P=10 \, \text{MPa} $，$ C=1.5 \, \text{mm} $：

　　- 20℃時：$ S≈(10×159)/(2×113×1)+1.5≈7.0+1.5=8.5 \, \text{mm} $(選壁厚9mm);

　　- 300℃時：$ [\sigma]_t≈78 \, \text{MPa} $，需$ S≈(10×159)/(2×78×1)+1.5≈10.2+1.5=11.7 \, \text{mm} $(需選壁厚12mm)。

　　3. 管道口徑：大口徑管需更厚壁

　　相同壓力下，管道外徑$ D_o $越大，所需壁厚$ S $也越大(公式中$ D_o $與$ S $正相關)：

　　- 例：20鋼，$ P=4 \, \text{MPa} $，20℃，$ C=1 \, \text{mm} $：

　　- Φ57mm管：$ S≈(4×57)/(2×113×1)+1≈1.0+1=2.0 \, \text{mm} $(選壁厚2.5mm);

　　- Φ325mm管：$ S≈(4×325)/(2×113×1)+1≈5.7+1=6.7 \, \text{mm} $(選壁厚7mm)。

　　三、常見規格承壓參考(20碳鋼無縫管，20℃，$ C=1 \, \text{mm} $)

　　為方便實際選型，下表整理了主流規格的最大允許工作壓力(按GB/T 8163-2018標準，忽略溫度影響，安全系數1.2)：

管道規格（外徑 × 壁厚）	內徑（mm）	許用應力 $[\sigma]_t$ （MPa）	最大允許工作壓力（MPa）	典型應用場景
Φ57×3.5	50	113	≈6.8	低壓水管、壓縮空氣管
Φ89×4.5	80	113	≈7.2	工業循環水管、普通油管
Φ108×6	96	113	≈9.5	中壓流體輸送（如蒸汽支管）
Φ159×8	143	113	≈8.3	中壓工藝管道（如化工進料管）
Φ219×10	199	113	≈7.9	高壓水管、油田輸油管
Φ325×12	301	113	≈6.2	大口徑中壓管道（如城市燃氣管）