〔摘要〕不同体系管道标准之间的匹配和协调是管道工程设计中的难题。通过对非洲某铜钴尾矿回收项目涉及到的南非、美国、日本、德国等管道标准的研究、比较和分析，综合考虑管道选材、连接方式和尺寸匹配等因素，对不同体系的管道标准进行选择和协调。
〔关键词〕尾矿回收；管道标准；管道材料等级；管螺纹标准；法兰标准
非洲刚果（金）科卢韦齐附近某铜钴矿项目，主要处理两个尾矿库资源，资源总量112 Mt，铜品位1.49%，钴品位0.32%。项目一期年产阴极铜70 kt/a，可销售钴产品14 kt/a。由于项目最早的设计方为澳大利亚工程公司，后续又由南非设计公司承担续建设计，现为中国公司总承包。因此，本项目涉及到的标准繁多，有南非、美国、日本、德国等管道标准。多国标准同时采用，相互之间需要协调和匹配，给管道设计带来了较大的难度，因此研究分析各个管道标准，定制适用于本项目的一系列管道材料等级，是开展管道布置的基础和前提。
1 各国管道标准体系
本项目主要涉及南非、美国、日本、德国4种管道标准。
南非是非洲最大经济体和最具影响力的国家之一。南非国家标准（SANS）由南非国家标准局（SABS）发布，借鉴引进了欧洲标准并进行转化，适当降低或省略了一些技术指标，以适应本国工业的发展。尽管近年来南非越来越重视标准化工作，但相比欧美工业发达国家，南非国家标准仍不够完善，需要引入欧美等国的标准与之配套使用。
美国标准体系完整，配套成熟，是国际上比较流行和通用的先进标准，由美国材料与试验协会（ASTM）、美国机械工程师学会（ASME）、美国阀门及配件工业制造商标准化协会（MSS）和美国石油学会（API）等组织制定的技术标准组成。
日本工业标准（JIS）自成体系，相比南非标准更为完善，部分标准可与南非标准配套使用。
德国工业标准（DIN）历史悠久，在世界范围内具有一定影响力，常被欧洲标准委员会（CEN）和国际标准化组织（ISO）采用。
2 管道材料等级与管道标准的关系
管道材料等级是对不同介质、不同工况的管道系统根据管道元件的材质、规格和型式等要求进行划分、编号后形成的信息组合。管道材料等级通常和P&ID（即管道和仪表流程图）结合使用。当某段管线的编号中标明管道材料等级号时,这条管线上的每一个管道元件就都有了确定的适用于该管线中的介质和工况的具体材质、型式、规格、尺寸等信息,而这些信息应在管道材料等级相关设计文件中规定。对于一个项目,可以有不同国家、不同体系的管道标准。对于一个管道材料等级,某一类的管道元件应主要采用一种标准，不同类别的管道元件可以采用不同体系的标准，但相互之间的连接尺寸应匹配，材料成分如果有差异，其差异不影响接头的密封性，连接后的管道系统满足检验和测试的技术要求。
3 管道公称尺寸的标识
对于管道元件公称尺寸的标识方式，国际上主要有采用以毫米为单位的公制（DN，单位可以省略）和以英寸为单位的英制（NPS）。以英寸为单位的英制主要是美国标准在采用，但美国标准多数也支持公制的公称尺寸标识方式。因此，本项目可以采用公制的公称尺寸的标识方式。
DN600以上的公称尺寸，国际上常用的分档方式是100 mm为一档，即DN700、DN800、DN900、DN1 000等；DN1 000以上的分档方式为200 mm一档。由于历史原因，一些国外制造厂商或工程公司仍习惯将DN600以上的公称尺寸按每150 mm一档划分，因此有DN750、DN900、DN1050等公称尺寸，其中DN750、DN1050由于不是常用的公称尺寸，国际上主流标准均不推荐采用。但本项目需要用到DN750的阀门，因此在编制管道材料等级时应考虑这一公称尺寸。
表1是管道公称尺寸和不同标准体系下管道外径的对照关系。一般来说，管道公称尺寸和其外径不相等。对于钢管而言，外径系列和公称尺寸通常是确定的一一对应关系；但对于塑料管，由于其外径系列的划分更细，这就出现了多个外径对应于一个公称尺寸的情况，例如公称外径是110 mm和125 mm的管子，均可以和DN100的管道元件通过法兰等连接方式直连。本项目对塑料管的不同外径都可能有需求，因此，针对塑料管道有必要用公称外径代替公称尺寸来标识。
表1 管道公称尺寸和不同标准体系下管道外径的对照关系mm
4 管子系列标准的协调
由于南非钢管生产技术水平整体落后于欧美发达国家，按南非标准生产的钢管技术指标较低、承压能力有限,本项目南非钢管标准仅用于低温低压的碳钢管，设计压力＞2.5 MPa或设计温度＞100℃的碳钢管以及所有的不锈钢管均采用美国标准。南非钢管标准和美国钢管标准中钢管材料的化学成分和强度指标有一定差异，且部分钢管外径不相同（见表1，如DN65）。虽然可以通过焊条的选用和焊接工艺的提升来解决焊缝两端钢管母材材料成分差异的问题，通过错边修整来解决对焊两端钢管外径不同的问题，但这无疑都给管道施工带来较大难度，不利于施工质量的保证。而通过法兰和垫片、紧固件的配合可以实现密封连接，垫片将两端法兰隔开，紧固件也不要求两端法兰的材质一致，因此可以解决两端钢管材料成分和外径的差异问题。毕竟，不同标准钢管的连接通常发生在管道材料等级变化处，这样的接头并不多，使用法兰不会给项目增加很多的成本。
塑料管具有较低的材料成本和施工成本、良好的耐腐蚀和耐磨损性能等优势，但承压能力较差。本项目中,聚氯乙烯(PVC)管用于一些温度和压力都很低的，且具有腐蚀性的污水和电解液等介质，采用SANS 966[5]标准（该标准参考了ISO相应标准）；聚乙烯（PE）管由于具有良好的耐磨损性能，且通过添加剂可以使其具有一定的抗紫外线能力，可用于磨蚀较大的矿浆等浆体类介质，能适应室外露天敷设的场合，采用SANS 4427[6]标准（该标准与ISO 4427[7]一致性程度是等同的）。不同的塑料管之间或塑料管和钢管之间同样要使用法兰连接。
5 对焊管件标准的协调
管道与管件的连接有以下几种情况：1）除要求法兰连接外，小口径钢管与钢制管件采用承插焊或螺纹连接，大口径采用对焊连接；2）PVC管与管件采用胶粘承插连接；3）小口径PE管与管件采用电熔承插连接，大口径采用热熔对接。
对于PVC管和PE管，均有相关配套的管件尺寸能匹配连接。对于钢管，美国标准钢管配套的有美国标准的管件，但南非标准的钢管尚没有成熟的南非钢制管件标准与之配套。为了配置和南非标准钢管配套的管件，考虑引入JIS B 2311管件标准。但从表1可以看出，JIS B 2311标准中对焊管件的外径与南非标准的钢管外径并不完全一致，一些差异还比较大，如DN250，南非标准钢管外径是273 mm，而日本标准管件外径是267.4 mm，外径差值达5.6 mm，即使采取错边修整措施也无法对焊。JIS B 2311标准中管件的壁厚值与本项目南非标准钢管壁厚取值也不尽相同。此外，JIS B 2311标准指定的原材料是对应日本标准的无缝钢管或焊接钢管，同南非标准的钢管化学成分和强度指标等技术要求也不完全相同。因此严格按照JIS B 2311标准制造的管件，将不适合与南非标准钢管配套。通过和制造商沟通获悉，可以在JIS B 2311标准的基础上，按设计方提出的外径、壁厚和材料要求进行制造。
6 管螺纹标准的协调
螺纹连接属于可拆卸连接，比焊接和法兰连接施工安装都要方便，但可靠性较差，常用于小口径（DN50及以下）的管道。螺纹连接依靠内螺纹和外螺纹形成的螺纹副来密封。国际上常用的管螺纹分为以欧洲国家为代表的55°管螺纹和以美国为代表的60°管螺纹[8]。55°管螺纹的牙型角为55°，60°管螺纹的牙型角为60°，两种管螺纹无法配合，也不能互换。
南非标准的钢管按SANS 1109-1[9]标准加工螺纹，该标准等同采用ISO 7-1[10]，是典型的55°管螺纹，螺纹标记符号为Rp（圆柱内螺纹）、Rc（圆锥内螺纹）、R（圆锥外螺纹）。由于锥螺纹比柱螺纹更为可靠，密封效果更好，本项目采用Rc与R的螺纹副形式。对于螺纹连接的管件，在南非标准体系中，没有成熟的标准可以采用，而美国关于螺纹管件的标准ASME B16.11[11]技术成熟，应用普遍，因此，引入该标准与螺纹端的南非标准钢管配套。ASME B16.11适用的钢管外径为ASME B36.10M，从表1可以看出，对DN50及以下的钢管，南非标准的外径与美国标准的外径差异很小，其差值在允许偏差尺寸范围内，工程上可以接受。但ASME B16.11规定螺纹加工尺寸按美国标准锥管螺纹（NPT），即60°管螺纹，与按SANS 1109-1标准加工的螺纹无法匹配。为解决管螺纹标准不匹配的问题，向螺纹管件制造商进行了技术咨询。经过沟通和协商，螺纹管件制造商同意按Rc加工管件的内螺纹，满足SANS 1109-1的螺纹标准。其他和螺纹端管子连接的管道元件如阀门、软管接头等，即使是按美国标准生产的，经过向制造商咨询，也可接受按Rc加工内螺纹。
7 法兰标准的协调
7.1 法兰系列标准
对于法兰系列标准,按压力等级（公称压力）的划分,国际上主要有按PN标记的欧式法兰、按Class标记的美式法兰和按K标记的日本标准法兰[8]。PN标记的欧式法兰,压力等级从PN 2.5到PN 400共12档,适用压力范围宽。Class标记的美式法兰，压力等级从Class 150到Class 2500共7档,压力等级起点高,法兰尺寸规格较大（厚）。按K标记的日本标准法兰在国际上应用较少，一般仅用于和相应管道元件法兰端的配对。德国标准的法兰就是典型的欧式法兰，现已使用BS EN 1092-1[12]标准。
7.2 基准法兰标准的确定
本项目的法兰标准以南非标准SANS 1123[13]为主，其各个管道材料等级的压力等级的确定也以SANS 1123为依据。SANS 1123法兰和PN标记的欧式法兰接近，其压力等级有从250 kPa到4 000 kPa共6档，换算成PN标记的压力等级即PN 2.5到PN 40，但其适用温度为-10℃到200℃，适用温度范围较小。经过核对发现，与BS EN 1092-1法兰相比，在相同的公称尺寸和对应的压力等级下，虽然SANS 1123法兰一些较大公称尺寸的法兰厚度较薄，但法兰外径、螺栓孔中心圆直径、紧固件套数和螺纹规格等决定两个法兰能否通过紧固件固定的法兰连接尺寸基本一致，因此SANS 1123法兰基本满足本项目中各个管道材料等级的要求。
7.3 法兰接管端外径的协调
南非法兰标准尚不完善，压力等级较高的SANS 1123法兰，部分公称尺寸的接管端外径和相应公称尺寸的南非标准钢管外径不相同，给法兰与钢管的焊接带来难度。例如DN150，从表1可以看出南非标准钢管的外径是165.1 mm，而2 500 kPa和4 000 kPa的SANS 1123法兰接管端外径是168.3 mm。为了解决这一问题，需要针对SANS 1123法兰补充规定接管端的外径，使其和相连钢管外径一致。
美国标准的法兰采用ASME B16.5[14]制造，其适合的接管端外径和美国标准的钢管外径是一致的。从表1可以看出，大多数南非标准钢管外径和美国标准的钢管外径是相同或相近的（差值在允许偏差尺寸范围内），只有DN65和DN125两者的差值较大。对于带颈平焊法兰，法兰内径应和接管端外径匹配（法兰内径稍大于接管端外径）。因此，需要针对DN65和DN125的ASME B16.5带颈平焊法兰补充规定法兰内径，其值可以参照相应公称尺寸SANS 1123带颈平焊法兰的内径。
7.4 法兰端管道元件配对法兰标准的协调
法兰连接也属于可拆卸连接，通过和紧固件、垫片的配合形成一个密封副，以保证接头的良好密封[8]。许多管道元件如阀门、管件等都通过法兰连接，这些管道元件的端面自带法兰（法兰和该管道元件是一体的或是加焊到该管道元件上），另一端则和另外一片法兰配对连接。大多数阀门制造商都按PN标记的欧式法兰或按Class标记的美式法兰等主流标准设计制造阀门的法兰端。其中,按PN标记的欧式法兰设计制造法兰端的阀门,和相同公称尺寸、对应压力等级的SANS 1123法兰是可以连接的。这就保证了本项目的设计能较好地适应阀门等管道元件的供货市场。本项目中，有一定数量的阀门是按美国标准设计的（即Class标记）。按Class标记的美式法兰与按PN标记的欧式法兰属于不同的标准体系,其压力等级的划分基准完全不同，法兰连接尺寸也基本不同,彼此无法配对连接。因此,需要定制一些美国标准的法兰，用于和相应Class标记的阀门配对连接。一些技术要求较高的控制阀是按德国标准设计制造的法兰端。如前所述，德国标准法兰属于按PN标记的欧式法兰，SANS 1123法兰可以和它配对连接。本项目还有少部分的管道元件的法兰端是按K标记的日本标准法兰，SANS 1123法兰无法和它配对，由于数量较少，考虑到单独采购日本标准法兰的劣势，向制造商提出由其附带配对法兰。
8 结语
对于涉及多国管道标准的工程项目，应研究这些标准，综合分析不同体系标准之间的匹配情况，协调选用。通过和管道元件制造商的沟通协商，使其配合设计方，以满足一些标准规定之外的技术要求，将使得不同标准体系管道元件的协调匹配更加灵活。实践证明，两种以上的管道标准体系完全可以协调应用于工程项目。
