压力管道设计(工业管道公用管道)

4 压力管道设计〔工业管道、公用管道〕
工业管道、公用管道的设计
压力管道
中华人民共和国劳动部?压力管道平安管理与监察规定?
按压力管道管理
1.输送 GB5044?职业性接触毒物危害程度分级?中规定的毒性程度为极度危害介质的管道。

2.输送 GB50160 ?石油化工企业设计防火标准?及GBJ16 ?建筑设计防火标准?中规定的火灾危险性为甲、乙类介质的管道
3.最高工作压力大于等于0.1MPa〔表压，下同〕，输送介质为气〔汽〕体、液化气体的管道
4.最高工作压力大于等于0.1MPa输送介质为可燃、易爆、有毒、有腐蚀性的或最高工作温度高于等于标准沸点的液体的管道
5.前四项规定的管道的附属设施及平安保护装置等
不按压力管道管理
1.设备本体所属管道
2.军事装备、交通工具上和装置中的管道
3.入户〔居民楼、庭院〕前的最后一道阀门之后的生活用燃气管道及热力点〔不含热力点〕之后的热力管道
压力管道按用途分为四类
◆工业管道企业、事业单位所属的用于输送工艺介质的工艺管道、公用工程管道和其他辅助管道。

GC1，GC2，GC3
◆公用管道城镇范围内用于公用事业或民用的燃气管道和热力管道。

GB1，GB2。

◆长输管道产地、存储库、使用单位间的用于输送商品介质的管道。

GA1，GA2。

◆动力管道火力发电厂用于输送蒸汽、汽水两相介质的管道，GD1、GD2。

3.1 工业管道的设计
工业管道的定义：
1〕定义
GC类〔工业管道〕指企业、事业单位所属的用于输送工艺介质的工艺管道、公用工程管道及其他辅助管道。

包括延伸出
工厂边界线，但归属企业、事业单位所管辖的管道。

2〕分级详见?压力容器压力管道设计许可规那么?〔简称设计规那么〕〔 TSG R1001-2021附录B〕
划分为GC1级、GC2级、GC3级。

符合以下条件之一的工业管道为GC1级：
〔1〕输送国标GB5044-85 ?职业接触毒物危害程度分级?中规定的毒性程度为极度危害介质、高度危害气体介质和工作温度高于标准沸点的高度危害液体介质的管道；
〔2〕输送国标GB50160-1999 ?石油化工企业设计防火标准?及GB50016-20** ?建筑设计防火标准?中规定的火灾危险性为甲、乙类可燃气体或甲类可燃液体〔包括液化烃〕，并且设计压力大于或者等于4.0MPa的管道；
〔3〕输送流体介质并且设计压力大于或者等于10.0MPa，或者设计压力大于或者等于4.0MPa，并且设计温度大于或者等于400℃的管道。

符合以下条件的工业管道为GC2级：
除GC3级管道外，介质毒性危害程度、火灾危险性〔可燃性〕、设计压力和设计温度小于GC1级的管道。

符合以下条件的工业管道为GC3级：
输送无毒、非可燃流体介质，设计压力小于或等于1.0MPa，并且设计温度大于-20℃但是小于185℃的管道。

?压力管道平安技术监察规程?〔TSG D0001-2021〕〔简称管规〕第二条中强调了工业管道的三要素。

本规程适用于同时具备以下条件的工艺装置、辅助装置以及界区内公用工程所属的工业管道〔以下简称管道〕：1〕最高工作压力大于或者等于0.1MPa〔表压，下同〕的管道；
2〕公称直径〔即公称通径、公称尺寸，代号一般用DN表示〕大于25mm的管道；
3〕输送介质为气体、蒸汽、液化气体、最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性的液体的管道。

注意管规监管的范围不包括以下管道：
公称压力为42MPa以上的管道和非金属管道。

工业管道的特点：
1〕工业管道广泛应用于各工矿企业、事业单位等各行各业中，分布于城、乡各个地域。

2〕工业管道是压力管道中工艺流程种类最多、生产制作状态变化最为复杂、输送的介质品种较多、条件较为苛刻。

3〕工业管道输送压力高〔最高可达300MPa以上〕、温度高〔最高可达1000℃以上〕。

4〕工业管道也是4种压力管道中分类品种级别最多的一种。

5〕工业管道一般置于工厂与各种站、场等工业基地中，尽管操作条件复杂，环境条件苛刻，但管道比较集中易于控制管理。

压力管道设计根本要求
压力管道设计根本要求是平安性好和经济合理。

1〕平安性首先表现在其操作运行风险小、平安系数大、不至于因失效而产生重大事故。

2〕其次是运行平稳、尽量防止跑、冒、滴、漏现象，不至于因其故障造成整个装置的不正常停车。

3〕经济性好使压力管道的一次投资费用和操作维护费用的综合指数低。

4〕必须满足工艺要求。

5〕应进行标准化、系列化设计。

6〕布局美观、合理，便于操作。

7〕便以制造和施工。

工业管道主要标准标准
行政法规
国务院令第549号?特种设备平安监察条例?〔简称条例〕
压力管道的定义、法那么。

技术法规
1〕TSG R1001-2021?压力容器压力管道设计许可规那么?〔简称设计规那么〕
压力管道分级、质量管理。

2〕TSG D0001-2021?压力管道平安技术监察规程—工业管道?〔简称管规〕压力管道平安性能的根本要求、标准压力管道监管工作。

标准标准
1〕GB 5044-1985 ?职业性接触性毒物危害程度分级?
2〕GB/T 20801-20** ?压力管道标准工业管道?
3〕GB 50316-2000 ?工业金属管道设计标准?〔2021年版〕
4〕GB 50160-2021 石油化工企业设计防火标准
5〕GB 50016-20** 建筑设计防火标准
3.1 工业管道设计
3.1.1 管道设计的根本要求与一般程序
3.1.1.1 管道设计的根本要求
〔1〕一般要求
〔2〕防火平安设计
〔3〕防爆平安设计
〔4〕其它平安设计
〔5〕便于检修、运行操作
〔1〕一般要求
■满足生产
■足够的强度
■足够的刚度，适当的支撑
■柔性分析
■动力分析
■抵御风载和地震载荷的能力
1〕管道的总体布置
管道布置设计应做到平安可靠、经济合理，并满足施工、操作、维修等方面的要求。

对于需长期施工的工程，其管道的布置设计应统一规划，力求做到施工、生产、维修互不影响永久性的工艺、热力管道不得穿越工厂的开展用地在确定进出装置〔单元〕的管道方位与敷设方式时，应做到内外协调厂区内的全厂性管道的敷设，应与厂区内的装置〔单元〕、道路、建筑物等协调，防止管道包围装置〔单元〕，减少管道与铁路、道路的交叉2〕管道布置与敷设
管道应尽可能地上敷设，如确有需要，可埋地或敷设在管沟内；在有条件的地方，管道应集中成排布置地上的管道应敷设在管架或管墩上；在管架、管墩上布置管道时，宜使管架或管墩所受的垂直载荷、水平载荷均衡；全厂性管架或管墩上〔包括穿越涵洞〕应留有10～30%的空位，并考虑其荷重装置主管带管架应留有10%的空位，并考虑其荷重输送介质的工艺条件对距离、角度、高差等有特殊要求的管道以及大直径管道的布置，应在设备布置设计或总图布置设计时统筹规划管道布置不能阻碍设备、机泵和其它设施的安装、检修和消防车辆的通行管道布置设计应使管道系统具有必要的柔性，对设备、机泵的推力〔力矩〕不得大于允许值
管托：管道系统应有正确和可靠的支承，防止发生管道同它的支承件脱离、扭曲、下垂或立管不垂直的现象，有隔热层的管道，在管墩、管架处应设管托。

无隔热层的管道，如无要求，可不设管托
管道布置应力求防止出现袋形管或“盲肠〞
为防止管线中有积液，阀门应布置在横管上，管线不得布置成袋形
气液两相流的管道由一路分为两路或多路时，管道布置应考虑对称性
3〕管道连接与弯管
管道除与阀门、仪表、设备等需要用法兰或螺栓连接的以外，应尽可能采用焊接连接；
管道布置时对管道焊缝的设置，应使管道对接焊口的中心与弯管起弯点的距离不小于管子外径，且不小于100mm。

管道上两相邻对接焊口的中心间距：对于公称直径小于150mm的管道，不应小于外径，且不小于50mm；对于公称直径大于150mm的管道，不应小于150mm
管道穿过建筑物的楼板、房顶或墙面时，应加套管，套管内的空隙应密封。

套管的直径应大于管道隔热层的外径，并不得影响管道的热位移，管道上的焊缝不应在套管内，距离管端部应不小于150mm。

套管应高出楼板、房顶面50mm 4〕管道与建筑物
管道穿过建筑物的楼板、房顶或墙面时，应加套管，套管内的空隙应密封。

套管的直径应大于管道隔热层的外径，并不得影响管道的热位移，管道上的焊缝不应在套管内，距离管端部应不小于150mm。

套管应高出楼板、房顶面50mm
布置腐蚀性介质或有毒介质的管道时，应防止由于法兰、楼板和填料密封等泄漏而造成对人身和设备的危害；全厂性管道敷设应有坡度并尽量与地面坡度一致。

管道的最小坡度宜为2‰。

管道弯坡点宜设在转弯处或固定点处；对于跨越、穿越厂区内铁路和道路的管道，在其跨越段或穿越段上不得装设阀门、波形补偿器和法兰、螺纹接头等管件
固定支座
滑动支座
只限制一个自由度，也可称为托架
柔性分析
对工作温度较高的管道要作柔性分析、有激振力的管道要作动力分析，使管道既有足够的强度和吸收热膨胀位移的能力，又有良好的抗振性
抗振性分析
管系自身产生的
外力引发的
〔2〕防火平安设计
GB5001—91?石油化工企业设计标准?
裸露的钢结构耐火极限只有0.25h
发生火灾后的持续时间多数在1h左右
标准规定耐火层的耐火极限不应低于1.5h
〔3〕防爆平安设计
①存在可燃气体、易燃液体的蒸汽或薄雾
②上述物质与空气混合，其浓度在爆炸极限以内
③存在足以点燃爆炸性混合物的火花或高温
GB50058—92?爆炸和火灾危险环境电力装置设计标准?
〔4〕其它平安设计
输送易燃易爆介质的埋地管道需要穿越电缆沟时，管道温度高时必需采取隔热措施以使外外表温度低于60℃。

经过道路的管道必须有一定的架空高度
只有人员通行的净高度不小于2.2m
通行大型车辆的净高度要留4.5m
跨越铁路的净高度那么不小于5.5m
法兰的位置防止处于人行通道和机泵上方。

输送腐蚀性介质管道上的法兰要设平安防护罩。

〔5〕便于检修、运行操作
泵一般布置在管廊的下面，为便于泵安装、操作、检修，至少要有3.5m的净空高度
管廊在道路上空穿越时，净空高度应为：装置内检修通道不低于4.5m；管廊下的检修通道不低于3m。

3.1.2 管道设计的一般程序
初步设计——根据已批准的工程建议书和可行性研究报告进行
施工设计——初步设计经上级主管部门组织审查批准后
初步设计：物料和热量衡算及水力计算等
物料的流量及该物料允许的流速确定管径
不同介质的物理化学性质、压力等级、工作温度等因素确定管子的材料和阀门、法兰等管道附件
初估材料数量
绘制流程图〔系统图〕、布置图、绘制主要管道走向草图
并对主要管道进行应力计算
施工图设计
绘制详细的管道流程图和设备布置图
设计管道的平立面布置图，对温度较高的重要管道进行应力计算绘制单管图、管口方位图、蒸汽伴热管系图等
编制管道安装一览表、综合材料表和油漆一览表等
所有设计文件必须进行校对、审核，局部图纸还要进行审定，最后还要进行各有关专业参加的综合鉴定，确保
3.1.2 管道组成件的选用
3.1.2.1 管道材料选定的根本原那么
管道材料的使用是根据所输送介质的操作条件〔如温度、压力〕及其在该条件下的特性决定的在选择管子材料时，要求
设计人员首先要了解管子的种类、规格、性能、使用范围，根据管系的设计压力、设计温度和管内介质的性质对经济性和平安性或寿命等因素作考虑管道材料一般选用与之相联接的设备或机器的材料
3.1.2.2 管子、管件和附件
表3.1 管子分类表
按用途分类输送用、传热用、结构用、其它用
按材质分类金属管、非金属管
按形状分类套管〔双层管〕、翅片管、各种衬里管
其它特殊用
表3.2 不同用途分类表
输送用及传热用普通配管用、压力配管用、高压用、高温用、高温耐热用、低温用、耐腐蚀用
结构用普通结构用、高强度结构用、机械结构用
特殊用油井用、试锥用、高压瓦斯容器用无缝钢管
表3.3 不同材质分类表
大分类中分类小分类名称
铁管铸铁管高级铸铁管、延性铸铁管
碳素钢管普通钢管、高压钢管、高温钢管
金属管
钢管
低合金钢低温用钢管、高温用钢管
合金钢奥氏体钢管
有色金属管
铜及铜合金铜管、铝黄铜、铝砷高强度黄铜、铜、镍、蒙乃尔合金、耐蚀耐热镍基合金
铅管、铝管、钛管
非金属管橡胶管橡胶软管、橡胶衬里管
塑料管聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯石棉管石棉管
混凝土管混凝土管
玻璃陶瓷管玻璃管、玻璃衬里管
复合管钢塑复合管钢塑复合管、铝塑复合管
管件
在管系中改变走向、标高或管径以及由主管上引出支管等均需用管件
如三通、四通、异径管、弯头、活接头、丝堵、 8字形盲板、管帽等
管件可用钢板焊制、钢管挤压、铸造或锻制等方法制作
管件的连接方法不同，其连接处形状也不同。

一般有对焊连接型、螺纹连接型、承插焊连接型以及法兰连接型等四种。

管件的选用
当从主管引出支管时，假设管径相同，应尽量采用三通连接
当主管直径小于DN50而支管小于主管时，可用异径三通或三通加焊异径短接管
当主管直径大于或等于DN80而支管直径小于或等于DN50时，用高压管嘴或单头螺纹管接头引出支管
其它情况可以用焊接支管，但必须校核支管引出处是否需要补强
三通
流体分流处或并流处使用三通
当主管直径小于DN50而支管小于主管时，可用异径三通或三通加焊异径短接管弯头
异径管
异径管用于不同管径的管子连接的管件
8字形盲板
管帽
平封头即为管帽
管件连接方法的选用
一般DN50及以上的管道采用对接焊管件
DN50以下的管道采用承插焊管件或螺纹连接管件加密封焊
6.2.3 管法兰连接件
管法兰主要用于管子与管件、阀门、设备的连接管法兰与垫片和紧固件共同组成管道可拆连接接头选用时要对管法兰的结构型式、密封面形式、垫片的材料和结构形式，紧固件的材料和结构形式全面地进行考虑，正确选用法兰要根据标准来选用适用的法兰。

我国的现行管法兰标准HG20592～20635-97
管法兰形式
为使连接接头能平安运行并获得满意的密封效果，选用时要对管法兰的结构型式、密封面形式、垫片的材料和结构形式，紧固件的材料和结构形式全面地进行考虑，正确选用法兰要根据标准来选用适用的法兰。

我国的现行管法兰标准HG20592～20635-97
管法兰密封面形式
垫片系列
采用半塑性材料制成的垫片置于法兰之间，在紧固法兰时使垫片产生弹塑性变形以填补法兰密封面上微观的不平度从而阻止流体的泄漏
螺栓与螺母
3.1.2.4 阀门
阀门用于启闭、节流及保证管系和设备的平安运行等
选用阀门主要从装置无故障操作和经济二方面考虑阀门与管子的联接主要有法兰连接、螺纹连接、对焊连接和承插焊连接
阀门运动
阀门的分类闸阀
截止阀
节流阀
止回阀
球阀
柱塞阀
蝶阀
隔膜阀
减压阀
疏水阀
平安阀
闸阀
闸阀的密封性能较截止阀好，流体阻力小，具有一定的调节性能
闸阀可按阀杆上螺纹位置分为明杆式和暗杆式两类。

从闸板的结构特点又可分为楔式与平行式两类
截止阀
截止阀与闸阀相比，其调节性能好，密封性能差，结构简单，制造维修方便，流体阻力较大，价格廉价。

适用于蒸汽等介质，不宜用于粘度大、含有颗粒易沉淀的介质，也不宜作放空阀及低真空系统的阀门
节流阀
节流阀的外形尺寸小、质量轻、调节性能较盘形截止阀和针形阀好，但调节精度不高，由于流速较大，易冲蚀密封面。

适用于温度较低、压力较高的介质，以及需要调节流量和压力的部位，不适用于粘度大和含有固体颗粒的介质。

不宜作隔断阀
止回阀
止回阀按结构可分为升降式和旋启式两种
升降式止回阀较旋启式止回阀的密封性好，流体阻力大，卧式的宜装在水平管线上，立式的应装在垂直管线上
旋启式止回阀不宜制成小口径阀门。

它可装在水平、垂直或倾斜的管线上。

如装在垂直管线上，介质流向应由下向上升降式止回阀
旋启式止回阀
球阀
球阀的结构简单、开关迅速、操作方便、体积小、质量轻、零部件少、流体阻力小、结构比闸阀、截止阀简单，密封面比旋塞阀易加工且不易擦伤。

适用于低温、高压及粘度大的介质，不能作调节流量用
柱塞阀
柱塞与密封圈间采用过盈配合，通过调节阀盖上连接螺栓的压紧力，使密封圈上所产生的径向分力远大于流体的压力，从而保证了密封性，杜绝了外泄漏。

柱塞阀是国际上最近开展的新颖结构阀门，具有结构紧凑、启闭灵活、寿命长、维修方便等特点
蝶阀
蝶阀与相同公称压力等级的平行式闸阀比较，其尺寸小、质量轻、开闭迅速、具有一定的调节性能，适合制成大口径阀门，用于温度小于80℃、压力小于1.0MPa的原油、油品及水等介质
蝶阀的传动机构
隔膜阀
阀的启闭是一块橡胶隔膜，夹于阀体与阀盖之间。

隔膜中间突出局部固定在阀杆上，阀杆内衬有橡胶，由于介质不进入阀盖内腔，因此无需填料箱。

隔膜阀结构简单，密封性能好，便于维修，流体阻力小，适用于温度小于200℃、压力小于1.0MPa 的油品、水、酸性介质和含有悬浮物的介质，不适用于有机溶剂和强氧化剂的介质
减压阀
减压阀是通过启闭件的节流，将进口的高压介质降低到某个需要的出口压力，在进口压力及流量变动时，能自动保持出口压力根本不变的自动阀门
选用减压阀时，要根据工艺确定减压阀流量，阀前、阀后的压力及阀前流体温度等条件确定阀孔面积，并按此选择减压阀的尺寸及规格
疏水阀
疏水阀〔也称阻汽排水阀，疏水器〕的作用是自动排泄蒸汽管道和设备中不断产生的凝结水、空气及其他不可凝性气体，又同时阻止蒸汽的逸出。

它是保证各种加热工艺设备所需温度和热量并能正常工作的一种节能产品疏水阀必须根据进出口的最大压差和最大排水量进行选用。

应选择符合国家标准和CVA标准的优质疏水阀。

这种疏水阀在阀门代号S前都冠以“C〞字代号，其使用寿命≥8000h，漏汽率≤3%
疏水阀
平安阀
3.1.2.5 其他组成件
阻火器是一种防止火焰蔓延的平安装置，通常安装在易燃易爆气体管路上，当某一段管道发生事故时，不至于影响另一段管道和设备
过滤器
管道过滤器多用于泵、仪表〔如流量计〕、疏水阀前的液体管道上
一般根据介质的性质和温度、压力来选用适当的过滤器
过滤器承受的压力等级有：1.0MPa，1.6MPa，2.5MPa，4.0MPa，6.3MPa，10MPa。

一般比管子内介质的压力高一个档次
3.1.3 装置用管道设计
3.1.3.1 管廊〔管桥〕和管廊上管道的布置
1.管廊的布置
管廊的形状
管廊的形状不能事先确定或固定不变，要根据设备的平面布置而定
一端式和直通式是管廊的根本形状，其它如L型、T型、U型等及形状较复杂的管廊，可视为几个根本形状的组合
管廊的长度
管廊的长度由设备的平面布置决定。

沿管廊布置的设备数量和尺寸是决定管廊长度的主要因素
一般过程工业装置的设备〔换热设备、冷却器、塔、容器、露天压缩机、泵等〕每台可按平均占用3m长管廊估计。

布置得当，可压缩到2.1～2.4m
通常设备和车间应在管廊两侧布置，不能布置在一侧
扩建需预留的位置应放在管廊端部
管廊的高度
管廊横穿道路上空时净空高度，次要道路〔装置内道路一般为次要道路〕4.5m以上；主要道路〔主干道〕6m以上；铁路7m以上
管廊下检修通道的净高不小于3.1m
为有效利用空间，多在管廊下布置泵
管廊外的设备管道进入管廊所必需的高度:管廊的最下一层横梁底标高应低于设备管嘴500～700mm
装置之间的管廊的高度取决于管架经过地区的具体情况
管廊的宽度
管廊的宽度主要由管子根数和管径大小决定，并加一定的余量同时要考虑管廊下设备和通道以及管廊上空冷设备结构的影响
当热管道运行时，可能有少量的横向位移而与邻管相碰、位移受阻，故管间距不宜过小
管廊宽度一般为6～10m ，超过9m 采用局部或全部双层管廊
管架结构
管架的结构有单柱管架、双柱管架之分
管廊的柱距和管架的跨距
管廊的柱距与管架的跨距由敷设在其上的管道因垂直荷重〔包括管子自身质量、介质重、保温层重或其它集中荷载〕所产生的弯曲应力和挠度决定
2.管廊上的管道布置
管廊上敷设的管道种类
工艺管道：连接两设备之间的管道，其长度大于6m者和进出装置的原料、成品、中间产品物料管道
公用工程管道：如蒸汽、凝结水等管道
仪表管道和电缆：一般由桥架和槽盒敷设在管廊横梁或柱子侧面
管廊上管道的布置方法
考虑管径大小的因素
考虑设备位置的因素
考虑被输送物料的性质因素
考虑热应力的影响
考虑仪表管道、动力电缆的平安
3.管廊上管道布置设计时的本卷须知
管廊上的管道没有坡度
管道经道路和人行道上方时，不得敷设法兰和螺纹连接件
考虑补偿最好是利用管道走向的变化自然补偿，不能满足时才采用补偿器凡管廊上管道，直径改变时要用偏心异径管；底平，保持管底标高不变
3.1.3.2 设备配管
1.设备配管的一般原那么
〔1〕一般设备的管嘴都不考虑承受过大的载荷，所以在管嘴附近设备固定支架，以承受管重和管子的热胀反力〔2〕应首先在设备的操作侧设定梯子的位置，然后再进行管道布置
〔3〕管线一般布置在设备的管线侧，不能布置在操作侧而影响正常操作
〔4〕先布置直径较大的主管，然后由上向下依次布置管线，否那么易引起反复的修改和返工
〔5〕如果温度有变化，必须考虑热应力对管线的影响
〔6〕为防止管线中有积液，阀门应布置在横管上，管线不得布置成袋形
〔7〕如果设备有多台并联或多个进出口，应力求使管线分支的阻力相等，以使流量相等
管嘴不承受过大的载荷
1.一般设备的管嘴都不考虑承受过大的载荷，所以在管嘴附近设备固定支架，以承受管重和管子的热胀反力
应首先在设备的操作侧设定梯子的位置，然后再进行管道布置
管线一般布置在设备的管线侧，不能布置在操作侧而影响正常操作。