第五章 管道设计与布置

第二节 工艺管道的设计计算
一、管道、管件及阀门的选用
（一）基本概念
公称直径——将管子和管道用的零部件的直径加 以标准化以后的标准直径。
公称压力——管道、管件、阀门在一定温度范围
内的最大允许工作压力。
（二）管道
1、管道材料的选择 （1）选择依据 输送介质的温度、压力以及腐蚀情况、货源、价 格等。 （2）分类 金属类
第七章 管道设计与布置
教学内容： 第一节 概述 第二节 工艺管道的设计计算 第三节 管道布置设计 第四节 管道布置图
教学目的与要求：
了解不同设计阶段管道的要求，掌握管
道的种类、计算和标注。
重点与难点：管道的种类、计算和标注。
思考题
1、解释概念：公称直径、公称压力、管件、 管路死角 2、按照规定管道压力可分为几个等级？ 3、发酵工厂常用管材？ 4、无缝钢管的标注方法？ 5、管道局部阻力的计算方法有哪几种？ 6、管道热补偿的形式？ 7、发酵车间管道布置的特点？ 8、管道涂色？
先求出液体的流量，根据流体在管内的流量、 流速与管径之间的关系即可计算出管道的内径 d：1.88(Q/W)1/2。
Q d 18.8 (mm) w
Q——流体流量(m3/h) w——流体的流速(m/s)
(二)管子壁厚的计算
根据公称压力Pg和工程直径Dg，可以查表确定 管壁厚度。
如果工作压力和温度过高，则应进行验算， 其计算公式为：
Pd S C 2 P
S——钢管允许最小壁厚(mm)
d——管子内径(mm) [σ]——许用应力(kPa) φ——焊缝系数，无缝钢管1，直焊缝钢管0.8 P——试验压力(kPa)
P=KPg Pg——工作压力（表压，kPa） K——压力系数；Pg≤98kPa,K=2 Pg≥245kPa K=1.5 C——壁厚附加量，C=C1+ C2+ C3 C1——壁厚负偏差，壁厚的10~15%mm C2——腐蚀裕度 C3——加工减薄量，螺纹管为螺纹深度， 常见55圆锥状管螺纹=1.2~1.5mm
6、选阀门和管件
有分、有合、转弯、变速等。 弯头、三通、异径管、法兰等管件和各种阀门。 7、选管道的热补偿器 采用转弯、支管、固定等方式自然补偿；
选择合适的热补偿器。
8、绝热形式、绝热层厚度及保温材料的选择 9、管道布置 确定管道的敷设方式——明装或暗设。 在垂直面和水平面的排布。
10、计算管道的阻力损失
防潮、防水
利用保温材料的优良 绝热性能，增加热阻， 减少散热
3、绝热材料的性能和种类
（1）绝热层材料
（2）防潮层材料
a)石油沥青或改质沥青玻璃布；
b）石油沥青玛缔脂玻璃布； c）油毡玻璃布； d）聚乙烯薄膜； e）符合铝箔。
计算过程中， 根据经验计算流体阻力。 当量长度法为主。 例如，某一个输送系统的管路中，如直 管的长度为l(m)，则在计算该系统的流体总 阻力H时，取(l+∑le)为l的1.3至2倍，即：
H= (l+∑le)=(1.3~2)l 在选取这个倍数时，须考虑到管路的长短、 形状(直的或弯的)、管径的大小和管路中管 件及阀门等的数目多少。
三、管道压力降的计算
流体在管道中流动时，遇到各种不同的阻力， 造成压力损失，以致流体总压头减小。
直管阻力(沿程阻力)是流体流经 一定管径的直管时，由于摩擦产 生的阻力。它是伴随着流体流动 同时出现的 。 局部阻力是流体在流动中，由于 管道的某些局部障碍(如管道中的 管件、阀门、弯头、流量计及管 子出人口等)所引起的。
c.有色金属管
铜、铅、铝或铝合金管。 铜管与黄铜管 多用作低温管道（冷冻系统）、仪表的测压管线。
铝管 常用来输送浓硝酸、醋酸、甲酸等物料，但不能抗碱，在 温度大于160℃时不宜在压力下操作，极限工作温度为200℃。
铅管 常用作硫酸管道或酸性物料管道，但由于强度低，重量大， 抗热性差等缺点，已逐步被耐酸合金管，尤其为塑料管所代替。
d.非金属管
品种很多，如硬聚氯乙烯管、软聚氯乙烯管、聚四氟 乙烯管、搪玻璃管、耐酸酚醛塑料管、玻璃管、耐酸陶瓷 管、胶管等。
（三）管道的连接
（1）焊接
特点：施工方便，可靠不漏，成本低。
凡是不需要拆装的地方，都应尽量采用焊接。 所有压力管道都应尽量采用焊接。
电焊：管径大于32mm，厚 度在4mm以上的管道。
直管阻力H1
总阻力H
局部阻力H2
(一)直管阻力H1计算
l w2 l w2 P 或 H1 d 2g d 2g
△P——压力降 kPa H1——直管阻力 m流体柱 λ ——摩擦系数 l、d——管道总长度 、内径 m γ ——流体重度kg/m3 w——流体流速m/s
(二)局部阻力H2计算 常用两种方法：当量长度法； 阻力系数法。 1.当量长度法： 流体通过某一管件或阀门时，因局部 阻力而造成的压力损失，相当于流体通 过与其具有相同管径的若干米长度的直 管的压力损失，这个直管长度称为当量 长度，用符号le表示。
只适用于调节流量，不能用于切断管路。
(6)旋塞阀
特点： 开闭迅速，流体阻力小，重量轻。 主要用途： 适用于温度较低、粘度较大的介质和要求开关迅速 的部位。一般不适用于蒸汽和温度较高的介质。
(7)针形阀
特点： 能精确地控制流体流量。 主要用途： 主要用于取样管道上。
(8)隔膜阀
特点： 结构简单，密封性能好。 主要用途：
①管堵
用于需要经常检修和具特殊 用途的管道堵塞。
②异径管（大小头）
用于改变管道的直径。
③内牙管
外牙管
（2）导流管件—弯头
用于改变流体方向之用。 90°弯头 45°弯头
180°弯头
（3）分合流管件
用于将流体分成几条流向或 合并流体为同一流向。
等径三通
异径三通
小结：
金属类： 铸铁管、钢管、有色金属管
适用于温度小于200℃，压力小于1.0MPa的油品、水、 酸性介质，不适用于有机溶剂和强氧化剂的介质。
(9)安全阀
特点：在工作压力超过规 定值时自动开启使流体外泄， 压力回复后自动关闭，以保 护设备和管道，使生产安全 运行。 主要用途：
应用于锅炉、管道和各种压力容器中。
(10)减压阀
流体通过阀瓣时 产生阻力，造成压 力损耗，达到减低 压力的目的。
主要用途：
在蒸汽管道中应用较广。
(11)疏水阀
特点：自动排除设备或管 道中的冷凝水，又同时阻止 蒸汽的逸出。
主要用途：
凡是需要蒸汽加热的设备、蒸汽管道等都应装疏水 阀。
3、阀门型号
（五）常用管件
在管道上，常用的管件有如下几种：
（1）连接管件
（2）导流管件
（3）分合流管件
（1）连接管件
用于切断介质，不能作调节流量。
适于低温、高压及粘度大的介质。
(4)止回阀
特点：
靠流体自身 力量开闭，限制 介质流动方向， 介质不能倒流。 主要用途：
主要用于防止介质倒流。
适用于清净介质，不适宜带颗粒和粘度较大介质。
注意安装方向。
(5)蝶阀
特点：
开闭迅速，结构简 单，外形尺寸小，密 封性差。 主要用途：
p=σF=Eα△t.F
式中 E——材料的弹性模数，2.1×1011Pa F——管子截面积(m2)
(二)管道热补偿设计
1.自然补偿
自然补偿利用管道敷设时自然形成的转弯 吸收热伸长量 。这个弯管段就称自然补偿器。
(1)L形补偿 当管道有90°转弯时，称L形补偿 (2)Z形补偿 L型与Z型补偿可查 有关算图设计
b.钢管
无缝钢管
品质均匀且强度大，可用来输送有压力的物料、水 蒸汽、高压水、过热水以及可燃性和有爆炸危险的及有毒 性的物料。
水煤气钢管 常用作给水、煤气、暖气、 压缩空气、真空、低压蒸汽和冷 凝液以及无腐蚀性物料的管道。
不锈钢 输送有腐蚀性介质、氨水、酸、碱等，且有温压的 或食品卫生要求高的管道，可耐800-950℃高温。
五、管道的绝热设计
1、绝热的功能
（1）减少设备、管道及其附件的热（冷）量损失； （2）保证操作工人的安全；
（3）冬季，用保温来延缓或防止设备、管道内液体 的冻结； （4）用耐火材料绝热可提高设备的防火等级。
2、绝热结构
保护保温层免受外力和 雨水侵袭，并使保温结 构外形整洁美观。
保护层 防潮层 绝热层
校核检查选泵、选设备、选管道等前述各步骤 是否正确合理。 11、选择管架及固定方式 、确定管架跨度 、选定 管道固定用具
12、绘制管道图 平、剖面配管图、透视图、管架图和工艺 管道支吊点预埋件布置图等。 13、编制管材、管件、阀门、管架及绝热材料综 合汇总表 14、选择管道的防腐蚀措施 表面处理方法和涂料及涂层顺序，编制材 料及工程量表。
——耐温高、耐压高，易加工、安装。
非金属类 ——耐腐蚀性能好，品种多，但耐热、
耐压不高。
（3）生物工厂常用的管材 a.铸铁管 b.钢管 c.有色金属管
d.非金属管
a.铸铁管
常用作埋于地下的给水总管及污水管；
化工厂用来输送碱液及浓硫酸； 铸铁管不能用来输送蒸汽及在压力下输送爆炸性与有毒 的气体。
四、管道的热补偿计算
为了防止管道热膨胀而产生的破坏作用，在管
道设计中需要考虑自然补偿或设置各种形式的补偿
器，以吸收管道的热膨胀或端点位移。
(一)管道的热变形与热应力计算
一根自由放置的长度为 l 的管子，因温度变 化△t 而引起的伸长为:
△L=lα△t
α—管材的线膨胀系数，钢为12×10-6。
若管道两端固定，管道受到拉伸或压缩时， 由温度变化而引起热应力，热应力产生的轴向 推力P为：
主要用途：
用以启闭管路或设备中的介质，具有一定的调节流 量性能，从阀杆的升降高低可以看出阀的开度大小。