Толщина стенки трубы из нержавеющей стали должна выбираться в соответствии с расчетным давлением, расчетной температурой, маркой материала, производственными допусками и условиями эксплуатации. Маркировка трубы (schedule) определяет размерную серию; она не устанавливает универсальный номинальный проход.
Например, труба из нержавеющей стали Schedule 40S имеет разную толщину стенки при разных номинальных размерах. Ее допустимое давление также зависит от свойств материала при расчетной температуре, спецификации изготовления и применимого стандарта трубопроводов.
Для инженеров, производителей и отделов закупок практическая задача заключается в определении требуемой минимальной толщины стенки, учете надбавок и допусков, а затем в выборе доступной номинальной толщины, удовлетворяющей полным требованиям проекта.
Толщина стенки трубы — это расстояние между внешней и внутренней поверхностями трубы.
Для идеальной круглой трубы с равномерной толщиной стенки:
Внутренний диаметр = Внешний диаметр − 2 × Толщина стенки
Следует различать три термина, касающихся толщины:
| Термин | Значение | Практическое значение |
|---|---|---|
| Номинальная толщина стенки | Указанная толщина, связанная с маркировкой (schedule) или размером при покупке | Используется для описания и заказа трубы |
| Требуемая минимальная толщина стенки | Минимальная толщина, установленная соответствующими расчетными проверками, включая соответствующие надбавки | Используется для определения адекватности предложенной трубы |
| Фактическая толщина стенки | Толщина, измеренная на изготовленной или находящейся в эксплуатации трубе | Используется для приемки и оценки состояния |
Номинальная толщина стенки не обязательно является минимальной толщиной в каждом месте. Необходимо учитывать производственные допуски перед сравнением заказанной трубы с проектным требованием.
Для существующих трубопроводов коррозия, эрозия и предыдущая обработка также могут повлиять на остаточную толщину стенки.
Распространенные маркировки труб из нержавеющей стали включают 5S, 10S, 40S и 80S. Номер маркировки (schedule) всегда следует рассматривать вместе с номинальным размером трубы (NPS).
При заданном NPS внешний диаметр остается одинаковым для этих маркировок, в то время как увеличение толщины стенки уменьшает внутренний диаметр.
Следующая таблица размеров труб из нержавеющей стали содержит выбранные размерные ссылки.
| Номинальный размер трубы (NPS) | Внешний диаметр, мм | Толщина стенки Schedule 10S, мм | Толщина стенки Schedule 40S, мм | Толщина стенки Schedule 80S, мм |
|---|---|---|---|---|
| NPS 1/2 | 21.3 | 2.11 | 2.77 | 3.73 |
| NPS 1 | 33.4 | 2.77 | 3.38 | 4.55 |
| NPS 2 | 60.3 | 2.77 | 3.91 | 5.54 |
| NPS 3 | 88.9 | 3.05 | 5.49 | 7.62 |
| NPS 4 | 114.3 | 3.05 | 6.02 | 8.56 |
| NPS 6 | 168.3 | 3.40 | 7.11 | 10.97 |
Внешние диаметры округлены до одного десятичного знака. Толщины стенок являются номинальными размерами, а не номинальными проходами. Эти комбинации маркировок (schedules) документированы в таблицах размеров производителей.
NPS — это номинальное обозначение. Труба NPS 2 не имеет внешнего диаметра 2 дюйма.
Нет. Несколько размеров совпадают, особенно при меньших размерах, но маркировки (schedules) не следует считать универсально взаимозаменяемыми.
Обозначение «S» отличает размерную серию труб из нержавеющей стали, связанную с ASME B36.19. ASME определяет различия между некоторыми размерами стенок B36.19 и B36.10, включая NPS 12 Schedule 40S и NPS 10 и 12 Schedule 80S. Подтвердите применимый стандарт размеров и размер перед утверждением замены.
Внутреннее давление создает напряжения в стенке трубы. При неизменных других входных данных проекта более высокое давление, как правило, требует более толстой стенки. Больший диаметр также, как правило, требует большей толщины стенки для сопротивления тому же внутреннему давлению.
Однако выбор давления не может быть сведен к «Schedule 10S для низкого давления» и «Schedule 80S для высокого давления». Эти описания упускают из виду диаметр, температуру, свойства материала и основу расчета.
Для прямого участка трубы под внутренним давлением одно из часто используемых выражений ASME B31.3 в пределах указанных ограничений применимости выглядит так:
t = P × D ÷ [2 × (S × E × W + P × Y)]
| Символ | Значение |
|---|---|
| t | Расчетная толщина стенки по давлению, до добавления надбавок |
| P | Внутреннее расчетное давление |
| D | Внешний диаметр |
| S | Допустимое напряжение при расчетной температуре |
| E | Применимый коэффициент качества |
| W | Коэффициент снижения прочности сварного шва |
| Y | Коэффициент стандарта, зависящий от применимых условий |
Эта зависимость иллюстрирует, почему пропускная способность зависит не только от маркировки (schedule). Ее использование демонстрируется в инженерной документации производителей, применяющих B31.3. Выбирайте коэффициенты, значения напряжений материала и пределы применимости из принятой в проекте редакции стандарта.
Затем необходимо учесть надбавки на коррозию и механические нагрузки, производственные допуски и другие необходимые проверки. Это выражение для прямого участка трубы под внутренним давлением не завершает расчет изгибов, ответвлений или трубопроводов, подверженных внешнему давлению.
Температура влияет как на прочность материала, так и на поведение собранной системы трубопроводов.
Допустимое напряжение, используемое для расчета давления, должно соответствовать указанной марке материала, форме изделия и расчетной температуре.
По мере увеличения температуры допустимое напряжение может снижаться, уменьшая давление, которое может выдержать данная толщина стенки трубы. Поэтому номинальное давление при комнатной температуре не следует переносить на эксплуатацию при повышенных температурах без проверки его обоснования.
Опубликованные таблицы номинальных проходов производителей часто используют температурные корректировки для конкретных материалов. Такие факторы применяются к продуктам и предположениям, указанным в этих таблицах; их не следует автоматически переносить на несвязанные спецификации труб.
Отчет об испытании материала, показывающий прочность на растяжение при комнатной температуре, не заменяет допустимое напряжение, требуемое стандартом проектирования.
При достаточно высоких температурах и длительном воздействии ползучесть и разрушение под напряжением могут стать важными факторами.
Низкоуглеродистые марки, такие как 304L и 316L, не следует рассматривать как взаимозаменяемые с соответствующими марками H для этих условий. ASTM A312 специально указывает несколько марок H для применений, где важны свойства ползучести и разрушения под напряжением.
Аналогично, температура сопротивления окислению в паспорте материала не является автоматически допустимой рабочей температурой для трубопроводов под давлением.
Труба расширяется и сжимается при изменении температуры. Ограничители, опоры и подключенное оборудование могут создавать дополнительные силы и моменты, когда это движение ограничено.
Увеличение толщины стенки не решает каждую проблему теплового расширения. Необходимо также оценивать компоновку трубопроводов, опоры, гибкость и нагрузки на соединения оборудования.
Проектные условия должны учитывать соответствующие рабочие режимы, режимы запуска, остановки и аварийные случаи. Определяющим случаем может быть определенная комбинация давления и температуры, а не только максимальное давление.
Более низкая температура не должна автоматически интерпретироваться как разрешение на увеличение номинального давления.
Пригодность материала, требования к ударной вязкости, состояние сварки и применимые положения стандарта все еще должны быть проверены при минимальной расчетной температуре.
Толщина стенки и коррозионная стойкость отвечают на разные вопросы.
Толщина стенки способствует механической прочности и обеспечивает любую указанную надбавку на потерю материала. Выбор материала определяет, как труба реагирует на технологическую среду.
Нет. Сравнение нержавеющей стали 304 против 316 требует разделения коррозионных характеристик и свойств, связанных с расчетом давления.
Добавление молибдена в 316 улучшает стойкость к определенным агрессивным средам по сравнению с 304. Само по себе это не устанавливает более высокое допустимое давление для каждого размера трубы и температуры. Расчеты давления должны использовать допустимое напряжение, назначенное для точной указанной марки и состояния.
Дополнительная толщина может обеспечить надбавку для предсказуемой общей потери металла. Это не является надежной заменой стойкости к питтинговой коррозии, щелевой коррозии или коррозионному растрескиванию под напряжением.
Например, стандартные аустенитные марки, такие как 304L и 316L, могут быть подвержены хлоридному коррозионному растрескиванию под напряжением при повышенных температурах. Увеличение толщины стенки не устраняет основную комбинацию среды, подверженного материала и растягивающего напряжения.
Выбор материала должен учитывать состав жидкости, концентрацию, температуру, загрязнители, чистящие химикаты и условия эксплуатации.
Нулевая надбавка на коррозию может быть оправдана для подходящего материала в хорошо изученной среде. Это должно быть задокументированное проектное решение.
Тот факт, что труба изготовлена из нержавеющей стали, не оправдывает автоматически нулевую надбавку. И наоборот, добавление большой надбавки без оценки механизма коррозии может привести к ненужным затратам, оставляя основной риск отказа нерешенным.
После установления расчетной толщины стенки по давлению выбор должен учитывать применимые надбавки и производственные допуски.
Когда отрицательный производственный допуск выражается как доля номинальной толщины, упрощенное соотношение выбора выглядит так:
Требуемая номинальная толщина стенки ≥ (Расчетная толщина стенки по давлению + Применимые надбавки) ÷ (1 − Отрицательный допуск)
Это соотношение предполагает, что надбавки и допуски были определены в соответствии с руководящим стандартом. Дополнительные требования, такие как утонение при формовке, могут потребовать отдельного рассмотрения.
Предположим, расчет проекта уже установил:
Расчетная толщина стенки по давлению: 2.40 мм
Совокупная надбавка на коррозию и механические нагрузки: 0.50 мм
Допустимый отрицательный производственный допуск: 12.5%
Размер трубы: NPS 2
Это иллюстративные предположения, а не номинальный проход или рекомендуемая надбавка на коррозию.
Сначала рассчитайте требуемую минимальную толщину стенки с учетом надбавок:
2.40 + 0.50 = 2.90 мм
Затем учтите предполагаемый отрицательный допуск:
Требуемая номинальная толщина стенки = 2.90 ÷ 0.875 = 3.314 мм
Сравните доступные номинальные толщины стенки:
| Маркировка (Schedule) | Номинальная толщина стенки, мм | Толщина стенки после предполагаемого отрицательного допуска 12.5%, мм | Соответствует требованию 2.90 мм? |
|---|---|---|---|
| 10S | 2.77 | 2.424 | Нет |
| 40S | 3.91 | 3.421 | Да |
| 80S | 5.54 | 4.848 | Да |
При этих предположениях Schedule 40S является самым легким из трех перечисленных вариантов, удовлетворяющих этой проверке толщины стенки.
Этот результат не завершает проектирование системы. Внешнее давление, механические нагрузки, требования к изготовлению, соединения и другие применимые проверки могут быть определяющими.
Снижение на 12.5% является часто встречающимся значением в соответствующих спецификациях труб и таблицах производителей, но его не следует предполагать для каждого изделия из нержавеющей стали или условий закупки.
Более толстая стенка может улучшить некоторые аспекты механической прочности, но она также изменяет вес, размер внутреннего диаметра, сложность изготовления и стоимость.
Используя округленный внешний диаметр NPS 2 равный 60.3 мм:
Schedule 40S с толщиной стенки 3.91 мм имеет рассчитанный внутренний диаметр 52.48 мм.
Schedule 80S с толщиной стенки 5.54 мм имеет рассчитанный внутренний диаметр 49.22 мм.
Исходя из идеальной круглой геометрии, труба Schedule 80S имеет примерно на 12% меньшую площадь внутреннего потока.
При том же объемном расходе меньший внутренний диаметр увеличивает среднюю скорость потока. Результирующее падение давления требует отдельного гидравлического расчета.
Более толстая стенка также может увеличить время сварки, вес трубы и нагрузки на опоры. Выбор должен удовлетворять инженерным требованиям, учитывая при этом полную установленную систему.
Труба, подверженная вакууму, внешнему давлению жидкости или находящаяся в оболочке под давлением, требует оценки внешнего давления.
Труба, прошедшая проверку на внутреннее давление, все еще может быть уязвима к схлопыванию. Соотношение диаметра к толщине стенки, неподдерживаемая длина, овальность и свойства материала могут влиять на эту оценку.
При сравнении бесшовных и сварных труб из нержавеющей стали, подтвердите спецификацию изделия, производственный маршрут, требования к контролю и применимые коэффициенты стандарта.
«Бесшовная» не означает автоматически пригодность для любого давления, а «сварная» не означает автоматически непригодность. Полная спецификация и условия проекта определяют приемлемость.
Проверьте пригодность фитингов, фланцев, клапанов, прокладок и механических соединений по давлению и температуре.
Удовлетворительный расчет для прямого участка трубы не устанавливает номинальный проход всей сборки. Соединение или другой компонент может наложить более низкий предел.
Вибрация, циклические изменения давления, термические циклы, собственный вес и внешние силы могут потребовать дополнительной оценки.
ASME B31.3 охватывает более широкий спектр требований к проектированию, изготовлению, контролю и испытаниям, чем просто расчет толщины стенки.
Четкий запрос должен отличать спецификацию трубы от информации об эксплуатации, используемой для ее оценки.
| Пункт запроса | Информация для предоставления |
|---|---|
| Материал | Точная марка и стандарт изделия |
| Размеры | NPS или фактический внешний диаметр, стандарт размеров, маркировка (schedule) или числовая толщина стенки |
| Основа толщины стенки | Номинальная или минимальная требуемая толщина стенки с применимыми допусками |
| Производственный маршрут | Бесшовная, сварная или другая указанная конструкция |
| Условия эксплуатации | Случаи давления и температуры, когда требуется техническая поддержка при выборе |
| Рабочая среда | Состав жидкости и соответствующие условия коррозии |
| Детали поставки | Количество, длина, подготовка концов и состояние поверхности |
| Требования к качеству | Отчеты об испытаниях материалов, прослеживаемость, контроль и дополнительные испытания |
| Проектная документация | Утвержденная спецификация трубопроводов, чертежи и требуемые редакции стандартов |
План инспекции труб из нержавеющей стали должен определять, как будет проверяться соответствие размеров и идентичность материала.
Гидростатическое испытание — это приемочное испытание, проводимое в установленных условиях. Его испытательное давление не следует интерпретировать как допустимое непрерывное рабочее давление установленной системы.
Единой стандартной толщины стенки не существует. Номинальная толщина зависит от размера трубы и маркировки (schedule). Например, NPS 2 Schedule 40S имеет номинальную толщину стенки 3.91 мм, в то время как NPS 4 Schedule 40S имеет номинальную толщину стенки 6.02 мм.
Универсального номинального давления для Schedule 40S не существует. Расчет зависит от диаметра, марки материала, расчетной температуры, применимых коэффициентов стандарта, надбавок и производственных допусков.
Да, если это допускается полной спецификацией проекта и компонентов. Schedule 10S — это обозначение размера, а не ограничение для неответственных применений.
Возможно. Если допустимое напряжение снижается при расчетной температуре, для того же давления и диаметра может потребоваться более толстая стенка. Также необходимо рассмотреть пригодность материала, поведение при ползучести и тепловое расширение.
Более высокий номер марки или лучшая коррозионная стойкость не устанавливают большую пропускную способность. Используйте допустимое напряжение по стандарту для точного материала и расчетной температуры.
Только после проверки требований проекта. Более толстая стенка изменяет внутренний диаметр, вес, подготовку к сварке и потенциально гидравлические характеристики. Существующие соединения и интерфейсы оборудования должны оставаться совместимыми.
Выбирайте толщину стенки трубы из нержавеющей стали в определенной последовательности: установите условия проекта, выберите подходящий материал, определите требуемую толщину стенки, включите надбавки и допуски, а затем проверьте полную систему трубопроводов.
Для получения коммерческого предложения предоставьте марку, стандарт, размер, требуемую толщину стенки, количество и спецификацию проекта. Если требуется поддержка при выборе, укажите давление, температуру и рабочую среду.
Полная спецификация позволяет поставщикам предлагать цены на основе одних и тех же технических условий и дает инспекционной группе четкие требования к приемке.
