Какво е номинално налягане на тръбата и защо е важно?

Номиналното налягане на тръбата, официално известно като Максимално допустимо работно налягане (MAWP), е максималното вътрешно налягане, което тръбата може безопасно да издържи при определена температура. Това е фундаментално различно от налягането на разкъсване, което е налягането, при което тръбата би се спукала. MAWP включва значителен коефициент на безопасност (обикновено 3,5 пъти спрямо якостта на опън при скъсване съгласно ASME B31.3), гарантирайки, че тръбата работи добре в рамките на своите структурни граници през целия си проектен живот. Изборът на тръба с недостатъчно номинално налягане е една от най-честите основни причини за откази на промишлени тръбопроводи, водещи до течове, катастрофални разкъсвания и инциденти, свързани с безопасността.

Последствията от неправилния избор на номинално налягане могат да бъдат тежки. Тръба, работеща над своето MAWP, може да претърпи провлачване (постоянна деформация), пълзене при повишени температури или внезапно крехко счупване. В нефтохимическите съоръжения отказите на тръби са причинявали пожари, експлозии и изпускане на токсични вещества. Серията от кодекси ASME B31 установява минимални изисквания за проектиране на тръби под налягане за различни приложения: B31.1 за енергийни тръбопроводи, B31.3 за технологични тръбопроводи, B31.4 за тръбопроводен транспорт и B31.8 за газопреносни тръбопроводи. Разбирането на тези кодексови изисквания е от съществено значение за безопасно и съответстващо проектиране на тръбопроводни системи.

Формула на Барлоу – Изчисляване на теоретичното налягане на разкъсване

Формулата на Барлоу е основното уравнение за изчисляване на теоретичното налягане на разкъсване на тръба: P = 2St/D, където P е вътрешното налягане (MPa), S е допустимото напрежение (MPa), t е номиналната дебелина на стената (mm), а D е външният диаметър (mm). За изчисляване на MAWP, допустимото напрежение S се взема от ASME Раздел II Част D при проектната температура, а дебелината на стената t е номиналната дебелина минус производствения толеранс минус корозионния прибавък. Формулата предполага тънкостенни условия (D/t > 10), което се отнася за по-голямата част от стандартните тръбни спецификации (schedules).

Пример за изчисление (Формула на Барлоу – теоретично MAWP): За тръба 4-инча SCH 40 от A106 Gr.B при околна температура:
OD = 114,3 mm, Стена = 6,02 mm, S = 137,9 MPa (A106 Gr.B при 38°C)
P = 2 x 137,9 x 6,02 / 114,3 = 14,5 MPa (~2100 psi)

Имайте предвид, че формулата на кодекса ASME B31.3 (t = PD / 2(SE + PY)) дава по-ниско MAWP от приблизително 10,9 MPa за същата тръба поради включването на коефициента на ефективност на съединението E и температурния коефициент Y. Таблицата по-долу използва формулата на ASME B31.3 и представлява съответстващото на кодекса работно налягане. За сравнение, налягането на разкъсване (използвайки минималната якост на опън S = 415 MPa за A106 Gr.B) би било приблизително 43,7 MPa, което дава коефициент на безопасност от приблизително 3,0 спрямо разкъсване. Това илюстрира консервативния характер на изчисленията на MAWP. Действителното работно налягане винаги трябва да бъде под MAWP, а повечето проектни кодекси изискват допълнителен резерв над нормалното работно налягане.

Допустими напрежения по материали

Допустимите напрежения са основата на изчисленията на номиналното налягане. Тези стойности са таблично представени в ASME Раздел II Част D за хиляди комбинации материал-клас-температура. Допустимото напрежение се извежда от минимума на: една трета от минималната якост на опън при стайна температура, две трети от минималната граница на провлачване при стайна температура, или средната якост на пълзене при скъсване за 100 000 часа, разделена на 1,5 при повишени температури.

Имайте предвид, че допустимото напрежение значително намалява при повишени температури. Този ефект на температурно обезценяване е най-силно изразен при въглеродната стомана, която претърпява 40% намаление между околната температура и 400°C. Легираните стомани като P91 запазват по-висок дял от якостта си при околна температура при повишени температури, което ги прави предпочитан избор за високотемпературна експлоатация. Неръждаемите стомани, въпреки че имат по-ниски допустими напрежения при околна температура, запазват якостта си по-добре при много високи температури над 600°C.

Таблица на номиналното налягане по спецификация (schedule)

Таблицата по-долу показва приблизителни работни налягания за тръби от въглеродна стомана A106 Gr.B при околна температура. Тези стойности се основават на номиналната дебелина на стената и не включват корозионен прибавък. Действителните работни налягания ще варират в зависимост от конкретните работни условия и приложимите кодексови изисквания.

Температурно обезценяване

Температурното обезценяване е намаляването на допустимото напрежение с увеличаване на работната температура. Това явление се дължи на това, че металите губят якост при повишени температури. За въглеродната стомана допустимото напрежение остава относително постоянно до около 200°C, след което започва да намалява линейно. При 400°C допустимото напрежение на A106 Gr.B е приблизително 60% от стойността при околна температура. При 500°C то спада до приблизително 40%.

Неръждаемата стомана има предимство при много високи температури поради превъзходната си устойчивост на окисление и якост на пълзене. Докато неръждаемата стомана 304 има по-ниско допустимо напрежение при околна температура от въглеродната стомана (117,2 MPa срещу 137,9 MPa), нейното допустимо напрежение при 600°C е приблизително 48 MPa в сравнение с нула за въглеродната стомана (която не е разрешена над 538°C съгласно кодекса ASME). За приложения с ултрависоки температури над 600°C се използват никелови сплави като Alloy 617 (UNS N06617), с допустими напрежения от 20-30 MPa при 900°C.

Изисквания за налягане по ASME B31

Всяка секция от кодекса ASME B31 има специфични изисквания за определяне на номиналното налягане. ASME B31.1 (Енергийни тръбопроводи) урежда тръбопроводите в електрическите централи и промишлените предприятия. Той изисква проектиране под налягане в съответствие с правилата на ASME Раздел I за външни тръбопроводи на котли и предоставя специфични уравнения за прави тръби, колена и разклонения. ASME B31.3 (Технологични тръбопроводи) е най-широко използваният кодекс за химически и нефтохимически заводи. Той използва подход, базиран на формулата на Барлоу, с проектна дебелина под налягане, определена по: t = (P x D) / (2(SE + PY)), където E е коефициентът на качество на надлъжното съединение, а Y е температурно зависим коефициент.

ASME B31.4 (Тръбопроводен транспорт) се прилага за тръбопроводни системи за течни въглеводороди и други течности. Той използва подход с проектен коефициент, при който пръстеновидното напрежение при проектно налягане не трябва да надвишава определен процент от специфицираната минимална граница на провлачване (SMYS) на материала. Например, типичен проектен коефициент от 0,72 означава, че пръстеновидното напрежение е ограничено до 72% от SMYS. ASME B31.8 (Газопренос) използва подобен подход с проектен коефициент, но с коефициенти, зависещи от местоположението, въз основа на гъстотата на населението около тръбопровода, вариращи от 0,72 (селски райони) до 0,40 (гъсто населени градски райони).

Проверка чрез изпитване под налягане

Хидростатичното изпитване е стандартният метод за проверка на целостта под налягане на произведени тръбопроводни системи. Изпитвателното налягане обикновено е 1,5 пъти проектното налягане при проектната температура, но не по-малко от 1,5 пъти MAWP при температурата на изпитване. Изпитвателното налягане трябва да се поддържа за минимална продължителност (обикновено 10 минути за малки системи, по-дълго за големи) докато всички съединения и връзки се инспектират за течове. Пневматичното изпитване се използва, когато хидростатичното е непрактично (напр. системи, които не могат да понасят вода, като кислородни или криогенни). Въпреки това, пневматичното изпитване носи по-големи рискове за безопасност поради съхранената енергия в компресирания газ и изисква допълнителни предпазни мерки. Вижте нашето Ръководство за хидростатично и пневматично изпитване(54) за подробни процедури.

Изисквания за налягане в индустрията

Химическата индустрия обикновено работи с класове налягане от 150# до 600#, като повечето общи технологични тръбопроводи са с 150# или 300#. Процеси с по-високо налягане като хидрокрекинг и синтез на амоняк работят при 900# до 2500#. Енергетиката използва най-високите номинални налягания, като ултрасвръхкритичните парни цикли работят при 2500# до 4000# и температури до 620°C. Тези екстремни условия изискват високолегирани материали като P92 и никелови суперсплави. Наляганията в нефтените и газовите тръбопроводи обикновено са в диапазона на клас ANSI 300 до 900, въпреки че главните преносни линии могат да работят при налягания над 2000 psi.

Как да поръчате по номинално налягане

Когато поръчвате тръби за конкретно приложение под налягане, предоставете следните параметри, за да осигурите правилен избор: проектно налягане и температура, работната среда (включително корозивност), приложимия кодекс (ASME B31.3, B31.1 и др.), необходимия корозионен прибавък и всякакви специални изисквания (киселинна среда, съответствие с NACE и др.). Инженерният екип на ManufacturerPipe може да помогне при избора на оптималния материал, спецификация (schedule) и производствен процес за вашите специфични изисквания за налягане. Ние също така предлагаме персонализиране на нестандартна дебелина на стената за приложения, където стандартните спецификации са или недостатъчни, или надвишават изискванията.

Нужда от помощ за номинално налягане на тръби?

Свържете се с нашия инженерен екип за експертни насоки и конкурентни цени за тръби за вашите специфични изисквания за налягане.

Продуктови категории

• Тръби от неръждаема стомана
• Тръби от въглеродна стомана
• Тръби от легирана стомана
• Поцинковани тръби