曹传胜，唐畅

（湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 430040）

1 前言

目前，国家提出“碳达峰、碳中和”目标：力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，力争在2060年前实现碳中和。电力行业是中国最大的煤炭消耗和碳排放部门，控制电力行业煤炭消费总量对于中国实现双碳目标意义重大。我国存量煤电需要从碳达峰、碳中和大局出发，因地制宜推进供热改造、余热利用，提高能源利用效率。

设计院进行煤电站供热改造设计时，涉及到市政热网、工业管道等的设计，将首先面临不同行业规范的差异带来的设计差异。本文以管道壁厚选型及支吊架间距选择为例，探讨不同行业规范所带来的差异，以便设计人员合理分析使用。

在管道选型计算中，管道壁厚的计算尤为重要，壁厚的选取关系到管道系统运行的安全性。王品贤等针对长输原油管道，研究分析了中国、俄罗斯、美国和加拿大管道设计标准中管道壁厚计算方法的差异以供设计参考。刘晓红等针对石化行业对国内外管道壁厚设计差异进行了对比研究。已有文献中关于电力行业与其他行业管道壁厚计算差异的对比研究很少。本文以电力行业动力管道，石化工业管道，市政热力管道等国家、行业规范为依据，分析不同的规程规范所带来的管道壁厚选择差异。

在管道支吊架的布置设计中，应选取合适的支吊架间距，以保证管道的安全、稳定、经济运行。高晓频等对电力行业及石化行业管道支吊架间距计算标准进行了比较分析，发现因行业特点和相关数据取值不同，造成管道支吊架间距计算值差异较大，但论文中引用的多个规范现已作废。本文基于最新规范，对比了电力行业、市政行业、石化行业等关于支吊架间距的计算规定，以研究不同行业中支吊架间距选择之间的差异，达到设计经济性与安全性的目的。

2 管道壁厚选择研究

2.1 国家标准GB/T 20801-2020

本规范适用于公称压力小于或等于PN420的工业金属管道的设计。规范同时规定：本规范不适用于GA类长输管道、GB类公用管道、GCD类动力管道等。

规范条文6.1规定，直管的内压设计中，当t＜D/6 时，直管的计算壁厚t按式（1）计算，取用壁厚按式（2）计算：

式中定义了焊件的纵向焊接接头系数或铸件质量系数φ，以及焊缝接头强度降低系数W。C1是材料厚度负偏差，C2是腐蚀、冲蚀裕量，C3是机械加工深度，Δ是厚度圆整值。

关于计算壁厚，本规范计算方法与其他标准规范GB 50764-2012、DL/T 5054-2016、SH/T 3059-2012给出的计算方法基本相同。

关于取用壁厚，本规范中未考虑对口加工余量的影响，这与适用电力行业的规范GB 50764-2012、DL/T 5054-2016不同，因此，相对而言，本规范管道取用壁厚会小于电力行业管道取用壁厚。

2.2 国家标准GB 50764-2012与行业标准DL/T 5054-2016

GB 50764-2012标准适用于火力发电厂范围内输送蒸汽、水、气和易燃易爆、有毒及腐蚀性液体或气体等介质的管道设计。DL/T 5054-2016规范适用于火力发电厂范围内汽水金属管道设计，不适用于给排水管道、消防水管道和直接空冷机组大口径薄壁拍摄管道的设计。关于管道壁厚计算的规定，DL/T 5054-2016与GB 50764-2012一致。

管子的计算壁厚按下式计算：

式中，ω是焊缝接头强度降低系数，C是腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度，C1是直管壁厚负偏差附加值。管子的取用壁厚，应计入对口加工裕量，计入对口加工裕量的取用壁厚应符合下列规定：对于以外径乘以壁厚标识的管子，宜取用壁厚大于或等于计算壁厚加0.5倍外径正偏差值。管子的管径偏差应取用相应的管子产品技术条件规定值。

以上，可知电力行业规范规定了管道壁厚选择中应考虑焊缝接头强度降低系数以及对口加工裕量。

2.3 行业规范CJJ 34-2010

本规范适用于供热热水介质设计压力小于或等于2.5MPa，设计温度小于或等于200℃；供热蒸汽介质设计压力小于或等于1.6MPa，设计温度小于或等于350℃的下列城镇供热管网的设计：（1）以热电厂或锅炉房为热源，自然源至建筑物热力入口的供热管网；（2）供热管网新建、扩建或改建的管线、中继泵站和热力站等工艺系统。

规范条文9.0.3规定，地上敷设和管沟敷设供热管道的许用应力取值、管壁厚度计算、补偿值计算及应力验算应按现行行业标准《火力发电厂汽水管道应力计算技术规程》（DL/T 5366），而标准DL/T 5366-2014[12]中规定的管道壁厚计算方法与国家标准GB 50764-2012与行业标准DL/T 5054-2016一致。因此市政行业热力管道规范CJJ 34-2010中的壁厚计算与电力行业保持一致。

2.4 行业规范SH/T 3059-2012

本规范适用于石油化工装置中公称压力不大于PN420（CL2500）、设计温度不超过材料允许使用温度范围的管道组成件的选用。

本规范条文8.2.1 受内压直管的壁厚计算应符合下列规定：当直管的计算壁厚t小于管子外径D0的1/6时，直管的计算壁厚应按式（5）计算，管子的名义壁厚应按式（6）计算：

式中,定义了焊缝系数φ，以及焊缝接头强度降低系数W。C1是材料厚度负偏差，C2是腐蚀、冲蚀裕量，C3是机械加工深度，C4是厚度圆整值。该式考虑了焊缝强度降低系数，但是未考虑对口加工裕量，这与电力行业规范不同。

表1内容对比了标准规范GB/T 20801.3-2020、GB 50764-2012、DL/T 5054-2016、SH/T 3059-2012中关于管道壁厚的选择公式，如表1所示，其中对于焊缝接头强度降低系数而言，以上规范均已考虑；对于对口加工裕量，GB/T 20801.3-2020、SH/T 3059-2012未予考虑。整体而言，电力行业管道壁厚的选取相对大于其他工业管道。因此，在电力设计院扩展业务至其他行业管道设计时，应相应选取相应行业的设计规范，力求达到管道设计的安全性与经济性。

表1 各标准规范中壁厚计算公式差异对比

3 管道支吊架间距计算分析

3.1 国家标准GB/T 17116.1-2018

本标准适用于圆截面金属管道的支吊架装置。本标准为2018版本，被代替版本是GB/T 17116.1-1997。在两个版本的标准总则中，都明确指出：“除符合本标准的规定外，还应符合各类管道有关的国家现行规范的要求。”

条文6.14规定，近似水平布置的管道应控制一定的支吊架间距，以保证管道不产生过得的挠度、弯曲应力和剪切力。水平直管道的支吊架间距应满足下列要求：

（1）强度条件：应控制管道自重产生的弯曲应力，使管道的持续外载当量应力在允许的范围内；支吊点之间水平直管的最大自重弯曲应力αmax计算公式是：

单跨简支梁：

三等跨连续梁：

（2）刚度条件：应控制管道自重产生的弯曲挠度，使管道在安全范围内使用并能满足疏水和介质排放的要求。对于可能产生振动或有抗地震要求的管道，还应根据其振因控制管道的挠度，使管道的固有频率值在适当的范围内。支吊点之间水平直管的最大自重弯曲挠度和固有频率fn计算公式是：

单跨简支梁：

三等跨连续梁：

水平直管的支吊架间距应取按强度条件和刚度条件求得的支吊架间距的较小值。

以上即为GB/T 17116.1-2018给出的支吊架间距计算条文。在该规范的1997版中，曾说明“许用应力值不宜大于16MPa，弯曲挠度值不宜大于2.5mm”，但在2018年的版本中，已经删除上述取值规定。因此GB/T 17116.1-2018条文中并未给出许用应力的范围，也未给出弯曲挠度取值范围。

3.2 国家标准GB 50316-2008版本

本标准适用于公称压力小于或等于42MPa的工业金属管道及非金属衬里的工业金属管道的设计。规范同时规定：本规范不适用于电力行业的管道、长输管道、城镇公用管道等。

条文10.2.7规定，水平管道支吊架最大间距应满足强度和刚度条件。强度条件是控制管道自重弯曲应力不应超过设计温度下材料许用应力的一半。刚度条件是限制管道自重产生的弯曲挠度，一般管道设计挠度不应超过15mm。装置外管道的挠度允许适当放宽，但不应超过38mm。敷设无坡度的蒸汽管道，其挠度不宜超过10mm。其他有特殊要求的管道需采用更小的挠度值时，可按国家现行标准执行。

本标准并未具体给出强度条件和刚度条件的计算间距公式，仅给出了最大弯曲应力和最大弯曲挠度的取值，且这两个值的大小均远大于电力行业规范相关的取值规定，下面将详细分析。

3.3 国家标准GB 50764-2012

本标准适用于火力发电厂范围内输送蒸汽、水、气和易燃易爆、有毒及腐蚀性液体或气体等介质的管道设计。

条文10.2中规定，水平管道支吊架间距，应满足强度条件和刚度条件的要求。

（1）强度条件：

（2）刚度条件：

条文规定水平直管最大弯曲应力为16MPa，最大弯曲挠度为2.5mm，这两个值的取值远小于GB 50316-2008和SH/T 3073-2016中的取值。本标准并未考虑管道固有频率等因素。

3.4 行业规范DL/T 5054-2016[9]

本规范适用于火力发电厂范围内汽水金属管道设计，不适用于给排水管道、消防水管道和直接空冷机组大口径薄壁拍摄管道的设计。

条文8.2中规定，水平直管的支吊架允许间距应按管道强度条件及刚度条件来确定，取两个条件确定的支吊架间距的较小值。

（1）强度条件要求，单跨管道按简支梁计算，管道自重引起的最大弯曲应力不应大于16Mpa：

按照强度条件，只考虑管道自重均布荷载的水平直管道的允许支吊架间距应按下式计算：

（2）刚度条件应按单跨管道简支梁计算，其最大挠度值不应大于2.5mm：

按照刚度条件，只考虑管道自重均布荷载的水平直管道的允许支吊架间距应按下式计算：

从以上条文可知，DL/T 5054-2016与GB 50764-2012所采用的计算公式和取值均相同。

3.5 行业规范SH/T 3073-2016

本规范适用于石油化工钢制管道支吊架的设计。

条文6.1规定，水平管道支吊架的最大间距应满足强度和刚度条件。强度条件是控制管道自重弯曲应力不应大于设计温度下材料许用应力的一半；刚度条件是限制管道自重产生的弯曲挠度，装置内管道的挠度不应大于15mm；装置外管道的挠度不应大于38mm；敷设无坡度的蒸汽管道的挠度不宜大于10mm。该规定与GB 50316-2008一致，且最大弯曲应力和最大弯曲挠度取值远大于电力行业规定。

条文6.2规定，连续水平敷设的管道，其允许跨距应按三跨距连续梁承受均布荷载的刚度条件和强度条件计算，并取两者中的较小值。

（1）按刚度条件计算时，装置内的管道跨距应按公式（19）计算，装置外的管道跨距应按公式（20）计算：

（2）按强度条件计算时，不考虑内压的管道跨距应按公式（21）计算，考虑内压的管道跨距应按公式（22）计算：

条文6.3规定，对于不允许积液并带有坡度的管道，管道跨距除满足以上强度和刚度要求外，还应满足公式（23）的要求：

以上即为石油化工行业管道支吊架间距计算规定。石油行业管道间距刚度条件与强度条件计算按三跨连续梁计算，这与电力行业（DL/T 5054-2016）按单跨计算不同。抗弯断面系数、管子截面惯性矩是以管子扣除腐蚀裕量和负偏差后为基准的，这与其他标准不同。

3.6 美国标准ASME B31.1-2016

本标准适用于基于典型的发电站、工业和公共设施电厂、地热系统、集中及区域供热和冷却系统的管道。

本标准中表121.5给出了DN25至DN600的水、蒸汽、燃气、空气管道的建议最大支吊架间距。其要求管道的最高温度不超过700℉（400℃），弯曲应力不超过2300psi（15.86MPa），弯曲挠度不超过0.1in（2.5mm）。该规定中关于对最大弯曲应力和最大弯曲挠度的规定，与GB 50764-2012及DL/T 5054-2016基本一致。

3.7 支吊架间距实例计算

本文以相同参数下，不同规格的水管道和蒸汽管道为例，分别按照电力行业规范GB50764-2012和DL/T5054-2016，以及石化行业规范SH/T 3073-2016相关规定，计算得到强度和刚度条件下的支吊架间距，如表2所示。由表2可知，对蒸汽管道和水管道而言，石化行业规范所得间距与电力行业规范所得间距差距较大。强度条件下，前者是后者的1.95倍；刚度条件下，装置内管道前者是后者的1.86倍，装置内管道前者是后者的2.29倍。

表2 支吊架间距计算表格

因此，电力行业与其他行业的支吊架间距选取存在差异。电力行业设计院在扩展业务至其他行业时，应因地制宜，选取相应行业的标准规范，力求保证设计的安全性与经济性。

4 结语

本文以不同行业涉及的标准规范中管道壁厚及支吊架间距选择为例，探讨不同行业标准和规范所带来的差异，主要结论如下：

（1）在管道壁厚计算中，工业管道规范GB/T 20801.3-2020，石化行业规范SH/T 3059-2012、电力行业规范GB 50764-2012和DL/T 5054-2016、以及市政行业规范CJJ 34-2010均考虑了焊接强度减低系数的影响，其计算壁厚计算公式基本相同。

（2）选取管道取用壁厚时，工业管道规范GB/T 20801.3-2020、石化行业规范SH/T 3059-2012未予考虑对口加工裕量；而电力行业规范GB 50764-2012和DL/T 5054-2016考虑了对口加工裕量的影响。

（3）GB/T 17116.1-2018给出了支吊架间距的计算公式，但并未给出强度条件下的最大弯曲应力和刚度条件下的最大弯曲挠度取值。

（4）工业管道标准GB 50316-2008及石化行业规范SH/T 3073-2016给出的最大弯曲应力和最大弯曲挠度取值与电力行业标准存在差异。

（5）本文按照电力行业规范GB50764-2012和DL/T5054-2016，以及石化行业规范SH/T 3073-2016相关规定，计算得到强度和刚度条件下的支吊架间距，可知石化行业规范所得间距与电力行业规范所得间距差距较大。强度条件下，前者是后者的1.95倍；刚度条件下，装置内管道前者是后者的1.86倍，装置内管道前者是后者的2.29倍。

（6）“双碳”背景下电力设计院转型扩展到其他行业时，在选取管道壁厚及支吊架间距时，应合理分析使用相应设计规范，以求达到设计的安全性与经济性。