压力-温度额定值的解析与应用

阀门的压力-温度额定值，是在指定温度下，用表压表示的最大允许工作压力。当温度升高时，最大允许工作压力随之降低。压力-温度额定值数据是在不同工作温度和工作压力下，正确选用法兰、阀门及管件的主要依据，也是工程设计和生产制造中的基本参数。

各种材料的压力-温度额定值、数据见第4章。许多国家都制订了阀门、管件、法兰的压力-温度额定值标准。

1.美国标准

在美国标准中，钢制阀门的压力-温度额定值按ASME B16.34—2013的规定；铸铁阀门的压力-温度额定值按ASME B16.1—2015的规定；铸铜阀门的压力-温度额定值按ASME B16.24—2011的规定；球墨铸铁阀门的压力-温度额定值按ASME B16.42—2011的规定。

（1）美国ASME B16.34—2013 规定了米制和美国惯用单位制的压力-温度额定值。美国惯用单位制的压力-温度额定值没有在标准正文中给出，而在强制性的附录Ⅶ中给出。压力-温度额定值用Class表示，每个压力级Class又分为标准级、特殊级（SPL）、限定级（LTD）。在非强制性附录B中给出了确定压力-温度额定值的方法。

该标准中共给出了3组材料的压力-温度额定值。第1组材料为碳钢和低合金钢，共115种材料；第2组材料为奥氏体钢和铁素体-奥氏体双相钢，共146种材料；第3组材料为镍基合金，共131种材料；第4组螺栓材料共17种。

1）标准Class压力-温度额定值的确定方法如下：

①第1组材料的确定方法。对应于第1组材料的等于或大于Class300的标准Class阀门，其压力-温度额定值用式（1-4）确定。即：

式中，p_st为指定材料在温度T时额定工作压力（bar或psi）；p_ca为对于标准Class在最大额定值所指定的温度T时的最大压力（bar或psi）；p_r为Class数值。对于所有≥Class300，p_r等于Class数值（如Class300，p_r=300；对于Class150和在Class150～Class300之间需要插值法确定）；C₁为当S₁用MPa单位表示时为10，p_st的最终单位应为bar（当S₁用psi单位表示时，C₁=1，p_st的最终单位应为psi）；S₁为指定材料在温度T时的选用应力（MPa或psi）。

S₁值应按下述方法确定：

a.当温度低于蠕变温度范围时，S₁值应小于等于温度T时屈服强度的60%，但不应超过以下限值：

a）在38℃（100℉）时所规定的最小屈服强度的60%。

b）1.25倍的温度T时极限应力的25%。

b.当温度在蠕变范围内时，S₁值应是温度T时的许用应力值，如ASMEBPVC第Ⅱ卷D篇所列材料，对于第Ⅰ卷或第Ⅲ卷的材料，则不能超过温度T时所列屈服强度的60%。

c.选用的应力值决不应随温度的升高而增大。

d.对于第1组材料，温度超过370℃（700℉）视为蠕变范围温度。

e.当在引用的ASMEBPVC中的许用应力表示一个较高和较低的许用应力值，并对较高值给出注示说明这些应力值超过在该温度下屈服强度的2/3，则应使用较低值，如果没有较低许用应力值，并在许用应力表中注明许用应力值超过在该温度下屈服强度的2/3，则所用的许用应力应确定为在该温度下表列屈服强度的2/3。

f.拉伸强度极限和屈服强度应按ASMEBPVC第Ⅱ卷D篇所列。

g.按ASMEBPVC第Ⅱ卷部分表中所列的许用应力值，对于一种没有列在第Ⅰ卷或第Ⅲ卷第1册的材料，仅第Ⅲ卷2级或3级的材料可采用。

②第2组和第3组材料的确定方法。对应于第2组和第3组材料的等于或大于Class300的标准Class阀门的压力-温度额定值也采用①的方法确定。但①a中的60%应改为70%。第2组材料在温度超过510℃（950℉）时考虑为蠕变范围温度。除非材料性能表明应使用较低的温度。对于第3组材料，从①d开始蠕变范围温度限定应根据各个材料来确定。

③Class150所有材料的确定方法。为确定Class150标准Class阀门的压力-温度额定值用①和②相关材料给定的方法确定，但还要遵循下列附加要求：

a.在式（1-4）中，对于Class150，其p_r=115对于Class150～Class300，必须用Class150的p_r=115进行插补。

b.S₁的值为指定材料在温度T时的选用应力，MPa（psi）应按①或②所述的要求确定。

c.p_st为额定工作压力值（bar或psi），不应超过在温度T时由式（1-5）得出的值。即

p_st≤C₂-C₃T （1-5）

式中，T为材料温度（℃或℉）。当T的单位为℃时，C₂=21.41、C₃=0.03724，p_st的最终单位应为bar（当T的单位为℉时，C₂=320、C₃=0.3，p_st的最终单位应为psi）。

在式（1-5）中的T值不应超过538℃（1000℉），对低于38℃（100℉）的值，在式（1-5）中使用T=38℃（100℉）的值。

2）特殊Class压力-温度额定值的确定方法。所有材料的特殊Class阀门的压力-温度额定值用式（1-6）确定。即

式中，p_sp为指定材料在温度T时特殊Class的额定工作压力（bar或psi）；p_cb为对于特殊Class在最大额定值中所指定的温度T时的最大极限压力（bar或psi）；p_r为Class额定数值，对于所有≥Class300的，p_r等于Class数值（如对于Class300，p_r=300；对Class150，p_r=115；对于Class150～Class300的，需用Class150的p_r=115进行插补）；C₂为当S₂用MPa单位表示时，C₂=10，p_st的最终单位应为bar（当S₂用psi单位表示时，C₂=1，p_sp的最终单位应为psi）；S₂为指定材料在温度T时的选用应力（MPa或psi）。

S₂值应按下述方法确定：

a.当温度低于蠕变范围时，S₂应小于等于温度T时屈服强度的62.5%；但不应超过：

a）在38℃（100℉）时所规定屈服强度的62.5%。

b）温度T时拉伸强度极限的25%。

b.当温度在蠕变范围内，S₂值应是温度T时的许用应力值，如ASME BPVC第Ⅱ卷D篇所列材料，对列于第Ⅰ卷或第Ⅲ卷第1册的材料，不能超过温度T时屈服强度的62.5%。

c.选用的应力值决不应随温度升高而增大。

d.第1组材料温度超过370℃（700℉）、第2组材料温度超过510℃（950℉）为蠕变温度范围。除非材料性能表示使用较低温度。第3组材料，蠕变温度范围应根据各个材料来确定。

e.当列在ASME BPVC中的许用应力表示一个较高和较低的许用应力值，并对较高值给出注示说明这些应力值超过在该温度下屈服强度的2/3，则应使用较低值。如果没有出现较低许用应力值，并在ASME BPVC中第Ⅱ卷D篇许用应力表中注明许用应力值超过在该温度下屈服强度的2/3，则许用应力应确定为在该温度下表列屈服强度的2/3或所列许用应力的较低者。

f.拉伸强度极限和屈服强度应按ASME BPVC第Ⅱ卷D篇所列。

g.按ASME BPVC第Ⅱ卷D篇表中所列的许用应力值，对于1种没有列在第Ⅱ卷或第Ⅷ卷第1册的材料，仅第Ⅲ卷2级或3级的材料可采用。

3）最大额定值。确定标准Class和特殊Class压力-温度额定值的规则包括对最高压力p_ca或p_cb的考虑，这有效地规定了对选用应力的限制。最大压力-温度额定值规定了一个对高强度材料的上限和用来限制偏差。通过定义，最大压力-温度额定值也适用于所有中间额定值。最大压力-温度额定值列于ASME B16.34—2009中表B-3，除限定Class，在本标准中，超过这些最大压力-温度额定值是不允许的。

4）中间Class压力-温度额定值的确定方法如下：

①概述。焊接连接或螺纹连接阀门可以设计为中间Class。在此情况下，有必要使用表1_-14和表1-15中的数据进行多次线性插补，以便确定中间Class数值。中间压力-温度额定值和相关的最小壁厚。前面给出的是材料标记，中间工作压力和相关温度见表1-14和表1-15。

②术语。相关术语定义如下：

d₁为给定内径；p_c为Class数值；p_cL为在温度T时，确定的p₁计算的中间Class；p_r为Class数值；p_r1为在温度T₁时，p₁计算中间Class数值；p₁为在T₁时给定的中间工作压力；T₁为与p₁相关的给定温度；t₁为p_c1计算要求的最小壁厚。

表1-14 压力-温度对应关系

表1-15 Class-直径对应关系

③中间压力-温度额定值的插补。给定在T₁温度下的p₁及阀门材料，参考压力-温度额定值适用表格。对于给定的T₁，定位于T_a和T_b，温度低于和高于T₁。对于给定的p₁定位于p_aL和p_aH及p_bL和p_bH限定的压力低于和高于p₁。这些用Class额定值p_rL和p_rH表示（见表1-14）。

a.在中间温度T₁时插补求出中间压力p_1L和p_1H。即

b.插补求出中间Class额定数值p_r1。即

c.插补求出中间Class。即

注：在p_c1≥300时，p_c1=p_r1。

d.插补求出温度高于适用于p_r1相关工作温度范围的中间工作压力。当压力额定值为38℃（100℉）时，特别要求进行这种插补，因为这个压力额定值是确定静水试验压力并满足标志要求以及确定与最大限定温度相关需要的压力。例如，当T=T_a时，插补的工作压力额定值为

④中间额定值的壁厚。给出了阀门内径d和计算的插补Class数值p_c1。对于最小壁厚见ASME B16.34中表3；对于给出的内径d₁，定位于d_a和d_b，直径小于和大于d₁。对于给出的p_c1，定位于p_cL和p_cH，Class定位于低于和高于p_c1。范围最小壁厚正如在表1-15中所示位于十字交叉点t₁上。

a.插补求出中间直径d₁的中间最小壁厚t_1L和t_1H。即

b.插补求出中间最小壁厚t₁。即

（2）美国ASME B16.42—2011《球墨铸铁管法兰及法兰管件》标准规定了Class150和Class300（PN20和PN50）球墨铸铁法兰的压力-温度额定值。在该标准附录中，又规定了压力-温度额定值的制定方法。其基本原理、使用范围、限制条件及制定程序与ASME B16.34—2013基本一致。

（3）美国ASME B16.1—2015《灰铸铁管法兰及法兰管件》标准规定了Class25、Class125和Class250的灰铸铁法兰压力-温度额定值。与ASTM A126—2014《阀门、法兰和管件用灰铸铁件》的压力-温度额定值基本一致。(www.xing528.com)

2.欧洲标准

欧洲标准EN12516-1：2014（E）《工业阀门、壳体强度设计 第1部分：钢制阀门壳体强度的列表法》规定了PN2.5、PN6、PN10、PN16、PN20、PN25、PN40、PN63、PN100、PN160、PN250、PN320、PN400、Class300、Class600、Class900、Class1500、Class2500、Class4500的钢制阀门压力-温度额定值数据。该标准列出了法兰端、螺纹端的对焊端的标准级阀门及螺纹端和对焊端特殊级阀门的压力-温度额定值数据表。列出的阀门材料有280种，其划分为47组。该标准纳入了ASME B16.34—2013标准中Class300～Class4500的压力-温度额定值数据。该标准与EN 12516-2：2004《工业阀门 壳体强度设计 第2部分：钢制阀门壳体强度的计算方法》、EN 12516-3：2002（2007）《工业阀门 壳体强度设计 第3部分：试验方法》这3个标准是欧洲共同体成员国应共同执行的标准。

3.国际标准

国际标准ISO 7005-1：2011《金属法兰 第1部分：钢制法兰》是将美国机械工程师学会标准ASME B16.5—2009和欧洲标准EN1092-1：2007《法兰及其连接件 以PN标注的管道、阀门、管件和附件用圆形法兰 第1部分：钢法兰》合并在一起而成的，因此压力_-温度额定值标准，也分别采用了美国机械工程师学会和欧洲的法兰压力-温度额定值标准的制订方法及相应数据。

ISO 7005-1：2011中，表E1～表E4给出的是公称压力PN2.5、PN6、PN10、PN16、PN25、PN40。材料组为该标准附录D.1中的材料。法兰类型为EN1092-1：2007中的05、11、12、13和21的压力-温度额定值。

ISO 7005-1：2011中，表E5～表E21给出的是公称压力为PN20、PN50、PN110、PN150、PN260和PN420。材料组为该标准表D.2中的材料。法兰类型为ASME B16.5—2009中标准级的法兰端和对焊端的管件的压力-温度额定值。

ISO 7005-1：2011中表E22给出的是公称压力PN20、PN50、PN110和PN150。材料组为该标准附录表D.3中的材料。仅法兰类型为05和11的管线法兰，其公称尺寸大于和等于DN300的压力-温度额定值。

4.我国标准

（1）GB/T 12224—2015《钢制阀门 一般要求》。该标准与美国机械工程师学会标准ASME B16.34—2013在技术内容上基本一致，技术水平与之相当。该标准中的压力-温度额定值的确定方法基本上与美国标准ASME B16.34—2013相近。

1）标准压力级压力-温度额定值的确定方法如下：

①Class300～Class4500第1组材料的确定方法。该标准表1A中的第1组材料，Class300～Class4500的标准压力级阀门的压力-温度额定值由式（1-15）确定。即

式中，p_st为指定材料在温度T时的额定工作压力（MPa）；p_ca为对于标准压力级Class在按特殊压力级额定值在温度T时的最高允许压力（MPa）；p_r为公称压力等级数，对于Class300～Class4500，p_r=Class数，如Class300，p_r=300；对于Class150和Class150～Class300之间的需用插值法确定；S₁为指定材料在温度T时的选用应力，（MPa）。S₁值应按下述确定：a）当温度低于蠕变温度范围时，S₁值应小于等于温度T时屈服强度的60%，但不应超过38℃时最小屈服强度的60%或1.25倍的温度T时极限拉伸强度的25%中较小值；b）当温度在屈服范围内，S₁值应是温度T时的许用应力值，但不超过温度T时屈服强度的60%；c）选用的应力值决不能随温度升高而增大；d）对于碳钢和合金钢，超过370℃视为蠕变温度范围；e）材料未注明其许用应力可以超过该温度下屈服强度的2/3的，则所用许用应力确定为该温度下屈服强度的2/3；f）ASTM材料的相关要求和最小屈服强度或温度T时的极限拉伸应力和温度T时屈服强度按ASME BPVCⅡ的规定；g）对于标准表1A中的中国标准材料，相关要求和最小屈服强度或温度T时的极限拉伸应力和温度T时屈服强度按GB150.2的规定。

②该标准中第2组材料和第3组材料Class300～Class4500的确定方法。对应于标准表1A中的第2组和第3组材料，Class300～Class4500的标准压力级阀门压力-温度额定值采用①的方法确定，但①a）中的60%应改为70%。第2组材料在温度超过510℃时视为蠕变范围温度，材料性能表明应使用较低温度者除外。第3组材料开始蠕变范围温度应根据各个材料分别确定。

③Class150所有材料的确定方法。Class150的标准压力级阀门的压力-温度额定值采用①和②的确定方法，但要满足下列附加条件要求：

a）在式（1-15）中，对于Class150其p_r=115。对于Class150～Class300，应用Class150，p_r=115进行插补。

b）S₁的值为指定材料在温度T时的选用应力，单位为兆帕（MPa）。应按①或②的所述的要求确定。

c）p_st的值为指定材料在温度T时的额定工作压力，单位为兆帕（MPa）；对于Class150，不应超过在温度T时由式（1-16）得出的值。

p_st≤C₂-C₃T （1-16）

式中，C₂=2.141；C₃=0.003724；T为材料温度（℃）。T值不超过540℃，对低于38℃的值，式中用T=38℃。

2）特殊压力级额定值的确定方法。该标准表1A中所有材料特殊压力级阀门的压力-温度额定值由式（1-17）确定：

式中，p_sp为指定材料在温度T时特殊压力级的额定工作压力（MPa）；p_cb为特殊磅级在按表D.4规定的温度T时最高允许压力（MPa）；p_r为公称压力等级数，对于Class300～Class4500，p_r=Class数，如对于300，p_r=300；对于Class150和Class150～Class300之间的需用插值法确定时，按③的规定；S₂为指定材料在温度T时的选用应力，单位为兆帕（MPa）。S₂值应按下述方法确定：a）当温度低于蠕变范围时，S₂值应小于等于温度T时屈服强度的62.5%，但不应超过38℃时最小屈服强度的62.5%或温度T时极限拉伸应力的25%中的较小值；b）当温度在蠕变范围内，S₂值应是温度T时的许用应力值，但是不能超过温度T时屈服强度的62.5%；c）选用的应力值决不能随温度升高而增大；d）对于第1组材料温度超过370℃视为蠕变范围温度；对于第2组材料温度超过510℃视为蠕变范围温度；对于第3组材料，蠕变范围温度限度应根据各个材料分别确定；e）材料未注明其许用应力可以超过该温度下屈服强度的2/3的，则所用许用应力确定为该温度下屈服强度的2/3；f）ASTM材料的相关要求和其最小屈服强度或温度T时的极限位伸应力和温度T时屈服强度按ASME BPVCⅡ的规定；g）对于表1A中的中国标准材料，相关要求和其最小屈服强度或温度T时的极限拉伸应力和温度T时屈服强度按GB150.2—2011的规定。

（2）能源领域行业标准NB/T 47044—2014《电站阀门》 该标准参照ASME B16.34—2013《法兰 螺纹和焊接端阀门》、EN12516-1：2005《工业阀门 壳体设计强度》给出了壳体材料为25、ZG230-450、15CrMo、ZG20CrMo、12Cr5Mo、ZG1Cr5Mo、12Cr1MoV、ZG20CrMoV、15Cr1Mo1V、ZG15Cr1Mo1V的阀门，其公称压力分别为PN16、PN25、PN40、PN63、PN100、PN160、PN200、PN250、PN320、PN400、PN420、PN500、PN630、PN760、PN800的压力-温度额定值；同时分别给出了壳体材料为A105、WCB、WCC、F36、WB36、WC1、F11、WC6、F22、WC9、F5a、C5、F91、C12A、F92、F304、CF8、F304H、CF10、F316、CF8M、F316H、CF10M、F321H、F347H、F310H、CH20、CK20、NO6022、NO6625、NO8825的阀门，其公称压力级分别为Class150、Class300、Class600、Class900、Class1500、Class2500、Class4500的标准级和特殊级的压力-温度额定值。

1）Class系列阀门（标准压力级别）额定值的确定方法如下：

①对第1组、第2组和第3组材料，在Class150～Class4500之间的标准压力级阀门，其压力-温度额定值按式（1-18）确定。即

式中，C₁为当S₁是以MPa单位表示时，取C₁=10，p_st的计算结果值单位为bar；当S₁是以psi单位表示时，取C₁=1，p_st的计算结果值单位为psi。p_r为压力级别额定值指数。在Class300≤压力级别≤Class4500时，p_r等于压力级别额定值指数。例如：对于Class300的，p_r=300；对于Class150≤压力级别<Class300的，内插值应使用对Class150压力级别p_r=115插补得出。p_st为指定材料，在温度t时的额定工作压力（MPa）。p_ca为指定材料标准压力级别的阀门，在温度t时的最大极限压力（MPa或psi）；标准中的表E1规定了标准压力等级的压力-温度的p_ca最大许用压力。S₁为指定材料在温度t时的选定应力（MPa或psi）。

S₁的数值应按下述方法确定：

a.在低于蠕变范围温度时，按标准表13的第1组材料的S₁值应小于或等于在温度t时屈服强度^[1]R_eL的60%，即S₁≤0.6R_eL；第2组材料的S₁值应小于或等于在温度t时屈服强度的70%，即S₁≤0.7R_eL，但不能超过以下限值：

a）在38℃时或室温下第1组材料所规定的最小屈服强度R_eL的60%，第2组材料所规定的最小屈服强度R_eL的70%。

b）在温度t时最大抗拉强度值的25%的1.25倍，即S₁=1.25R_m/4。

b.当温度处在蠕变范围内时，第1组材料应是在温度t时的许用应力，但不应超过该温度t时的屈服强度R_eL的60%；第2组和第3组材料应是在温度t时的许用应力，但不应超过该温度t时的屈服强度R_eL的70%。

c.当第1组材料的温度超过370℃（700℉）时，应考虑为蠕变范围；第2组材料超过510℃（950℉）时，应考虑为蠕变范围；对于第3组材料，若用370℃（700℉）定为蠕变温度的起点，应根据具体材料来确定。

d.取许用应力S₁≥2/3[R^t_L]（该温度下屈服极限强度的2/3），应使用较低的许用应力。

e.选用的应力值不应随温度的升高而增大。

②对于第1组、第2组和第3组的材料，Class150额定值的确定方法如下：

a.对于第1组、第2组和第3组材料，标准压力级别Class150的压力温度额定值按①的计算方法来确定。等于Class150压力级别，按式（1-19）中的p_r=115，在压力级别Class150<压力级别<Class300，内插值应使用Class150的p_r=115插补得出。

b.对于Class150压力级别的额定工作压力p_st，在不超过材料温度t时，按式（1-19）确定。

当材料温度t单位为℃时，取C₂=21.41、C₃=0.03724，p_st的计算结果单位为bar。

当材料温度t单位为℉时，取C₂=320、C₃=0.3，p_st的计算结果单位为psi。

p_st≤C₂-C₃t （1-19）

式（1-21）中，当温度低于38℃（100℉）时，取t=38℃（100℉）；t的数值不应该超过540℃（1000℉）。

2）Class系列阀门（特殊压力级别）额定值的确定方法。第1组、第2组和第3组材料，在Class300～Class4500之间的特殊压力级别阀门，其压力-温度额定值按式（1-20）确定。即

式中，C₂为当S₂是以MPa单位表示时，取C₂=10，p_sp的计算结果值单位为bar；当S₂是以psi单位表示时，取C₂=1，p_sp的计算结果值单位为psi；p_r为压力级别额定指数，对于Class300以上的，p_r等于压力级别额定指数，如Class300的，p_r=300；对于Class150以及Class150≤压力级别<Class300的，内插值应取p_r=115插补得出；p_sp为指定材料在温度t时，特殊压力级别的额定工作压力（MPa）；p_cb为指定材料特殊压力级别的阀门，在温度t时的最大极限压力（MPa），标准中表E.2规定了特殊压力级别的压力-温度的p_cb最大许用压力；S₂为指定材料在温度t时选用应力，单位为MPa。

S₂数值应按下述方法确定：

a.在低于蠕变范围的温度，第1组材料的S₂值应小于或等于在温度t时屈服强度的62.5%，但不可超过以下限制：

a）在38℃（100℉）时所规定屈服强度的62.5%；

b）温度T时拉伸强度极限的25%。

b.当温度在蠕变范围内时，S₂应是在温度t时的许用应力，但不应超过该温度t时的屈服强度R_eL的62.5%。

c.第1组材料超过370℃（700℉）时，应考虑为蠕变范围。第2组材料超过510℃（950℉）时，应考虑为蠕变范围。对于第3组材料，其蠕变范围的温度极限，应根据具体材料来确定。

d.取许用应力S₂≥2/3[R^t_L]（该温度下屈服极限强度的2/3），应使用较低的许用应力。

e.选用的应力值不会随温度的升高而增大。

3）PN系列阀门压力级别额定值的确定方法。对第1组、第2组和第3组的材料，在PN16～PN800之间压力级别，其压力-温度额定值按式（1-21）确定。即

式中，p_sL为材料在温度t时，该压力级别的额定工作压力（MPa）；p_ca为指定材料PN压力级别的阀门，在温度T时的最大极限压力（MPa），标准中表E.3规定了PN系列阀门的压力-温度的p_ca最大许用压力；PN为PN压力级别，如PN200时，PN=200；S₃为指定材料在温度T时的选用应力，单位为MPa。

S₃的数值应按下述方法确定：

a.在低于蠕变范围温度时，材料S₃值应小于或等于在温度T时屈服强度的62.5%，但不可超过以下限值：

a）在38℃时或室温下，所规定最小屈服强度的62.5%。

b）在温度T时，最大抗拉强度值的25%。

b.当温度处在蠕变范围内时，S₃应是在温度T时的许用应力，但不应超过温度T时屈服强度R_eL的62.5%。

c.第1组材料超过370℃时，应考虑为蠕变范围；第2组材料超过510℃时，应考虑为蠕变范围；第3组材料，其蠕变范围的温度极限，应根据具体材料来确定。

d.取许用应力S₃≥2/3[R^t_L]（该温度下屈服强度的2/3），应取最低值。

e.选用的应力值不会随温度的升高而增大。