长输管道(陆上OnShore)壁厚计算

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一、壁厚计算Wall Thickness Design

As per ASME B31.4-2022 403.2 Criteria for Pipe Wall Thickness and Allowances：

——满足压力及各种裕量要求的公称壁厚,mm;

——设计内压，MPa(g);

——输送外径，mm;

——焊接接头系数，1.0；As Per Table403.2.1-1;

——管道规定的最低屈服强度，MPa;As Per API 5L;

——腐蚀余量+螺纹深度+额外保护厚度，1.5mm；

公式推导过程

直管段钢管的公称壁厚应等于或大于根据以下公式计算得出的：

——满足压力及各种裕量要求的公称壁厚

——内压算出来的设计壁厚

——腐蚀余量+螺纹深度+额外保护厚度

侵蚀余量（如果输送管道和部件已经按照VIII章中规定的要求和方法采取了防止措施，则不必考虑管壁的腐蚀余量）；

螺纹及开槽管深度裕量（如采用螺纹管 404.8.3）；

考虑保护措施时所增加的壁厚根据403.1所规定的情况；

内压引起的环向应力是管道中最关键的应力，根据ASME B31.4 402.3钢管内压设计壁厚为：

——根据内压计算的设计壁厚，mm;

——设计内压，MPa(g);

——输送外径，mm;

——管子许用应力,MPa;

——设计系数，≤0.72;

——焊接接头系数，As Per Table403.2.1-1;

——管道规定的最低屈服强度，MPa;

二、组合应力 Combining of Stresses

1 环向应力（内压） Stress From Internal Pressure

As per ASME B31.4-2022 402.3 Stress From Internal Pressure：无论是受约束的不受约束的管道，由内压引起的环向应力计算公式：

——由内压引起的环向应力，MPa;

——设计内压，MPa(g);

——输送外径，mm;

——管道壁厚，mm；

2 环向应力（外压） Stress From External Pressure

As per ASME B31.4-2022 402.4 Stress From External Pressure：对于受约束和不受约束的管道，外部压力产生的环向应力的计算方式与内部压力产生的环向应力相同，只需用代替即可。在该方程中，外部压力产生的压应力为负值。海上管道系统需要额外考虑一些因素。

3 热膨胀应力 Stress From Thermal Expansion

As per ASME B31.4-2022 402.5 Stress From Thermal Expansion：

约束管道热膨胀产生的应力

——热膨胀应力，MPa;

——钢材弹性模量，MPa;

——线性膨胀系数，mm/mm/℃;

——管道安装时的温度，℃;

——工作温度，℃;

无约束管道热膨胀产生的应力

——热膨胀应力，MPa;

——合成弯曲应力，MPa;

——扭转应力，MPa;

——根据第402.1段的面内应力增强系数。请注意，管道的为1。

——根据第402.1款的面外应力增强系数。请注意，管道的为1。。

——平面内弯矩，。

——平面外弯矩，。

——管道的截面模量或管件出口的截面模量（视情况而定），。

——扭转应力，MPa;

——扭矩，;

4 纵向应力 Longitudinal Stress

As per ASME B31.4-2022 402.6 Longitudinal Stress：

4.1 约束管道下的纵向应力

——纵向应力，MPa;

——热膨胀应力，MPa;

——由内压引起的环向应力，MPa;

——泊松比;

——弯矩，;

——管道的截面模量，;

——轴向力，例如立管上的重量，;

——公称管道横截面的金属面积，;

4.2 无约束管道下的纵向应力

——纵向应力，MPa;

——设计内压，MPa;

——管道外径，MPa;

——根据第402.1款，载荷平面内的组件应力增强系数受0.75i≥1的限制。对于直管，i=1.0。;

——由于重量或地震惯性载荷在公称管道横截面上产生的弯矩，;

——管道的截面模量，;

——轴向力，例如立管上的重量，;

——公称管道横截面的金属面积，;

不受约束管道中由压力产生的纵向应力应考虑弯曲应力或轴向应力，这些应力可能是由内压导致的管道伸长引起的，并会在弯头和连接处产生应力，同时给设备和支架带来额外载荷。

组合应力 Combining of Stresses

受约束管道中，轴向应力与环向应力依据最大切应力理论按如下方式组合：

——等效组合应力，;

——扭转应力，MPa;

——轴向应力，MPa;

当扭转应力可以忽略不计时，且需满足：当纵向应力 ,; ,组合应力计算可简化为：

表 403.3.1-1 管道系统应力的允许值

位置	内压和外压应力	允许的膨胀应力 \( S_e \)	附加纵向应力 \( S_L \)	持久和偶然荷载产生的纵向应力之和	组合当量应力 \( S_{eq} \)	铁路或公路交叉处未加筋管道的有效应力
受约束管道	\( 0.72S_y \)	\( 0.90S_y \)	\( 0.90S_y \)，[注(1)]	\( 0.80S_y \)	\( 0.90S_y \)	\( 0.90S_y \)，[注(2)]
不受约束管道	\( 0.72S_y \)，[注(3)]	\( S_e \)，[注(3)]	\( 0.75S_y \)，[注(1)]	\( 0.80S_y \)	不适用（n/a）	\( 0.90S_y \)，[注(2)]
可航行水域的立管和平台管道	\( 0.60S_y \)	\( 0.80S_y \)	\( 0.80S_y \)	\( 0.90S_y \)	不适用（n/a）	不适用（n/a）

通用说明

(a) \( \) 为管道材料的规定最小屈服强度，单位为磅/平方英寸（psi）或兆帕（MPa）。 (b) \( \) 为许用压力因子（参见表 403.2.1-1）。 (c) 确定许用深度时，已考虑并允许因规范规定的壁厚公差和设计因素导致的缺陷最大允许范围，且该范围已获规范批准。 (d) 表中受约束管道的 \( \) 是根据第 402.6.2 节计算的不受约束管道最大许用值；受约束管道的 \( \) 最大值不得超过按第 402.6.1 节计算的不受约束管道许用值。 (e) 关于旧管道的许用应力，参见第 403.10 节。

注释

(1) 对于受约束或不受约束管线中由支架支撑的管段，梁弯曲应力应纳入纵向应力计算。 (2) 有效应力是由温度变化引起的应力，与在铁路/公路下铺设的管道因内压和外荷载产生的周向、纵向及径向应力之和。 (3) 参见第 403.3.2 节。

Hoop Stress 环向应力

内压引起的环向应力是管道中最关键的应力，根据ASME B31.4 402.3钢管内压设计壁厚为：

观点2

直径/壁厚比（D/t）:是管道设计的核心参数之一，反映管道的 “刚性与抗变形能力”—— 比值越小（壁厚相对越厚、直径相对越小），管道抗压扁、抗屈曲能力越强；比值越大（壁厚薄、直径大），越易因外力（如施工挤压、土壤载荷）或内部压力波动产生变形。D/t 比大于 96 的管道，在施工期间可能需采取额外防护措施。对于高频直缝焊（HFW）管道，其 D/t 比限制为不超过 65，且最大壁厚为 25 毫米。

🤗Notes

ASME31.4要求计系数 F 的值不得大于 0.72。在确定设计系数时，已充分考虑本规范认可的技术规格书中规定的厚度负偏差及最大允许缺陷深度，并为其预留了余量。若根据使用工况或安装位置有要求，使用者可选择采用小于 0.72 的设计系数 F。根据OQ相关

该方程可能不适用于管道小于20的情况。

📎 附件

ASME31.4 Table 403.2.1-1

ASME31.4 Table 403.2.1-1

引用文章

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