管道设计

管道设计

1．管道含义及特征

管道定义：

由管道组成件装配而成，用于输送、分配、混合、分离、排放、计量或控制流体流动。

管道组成件：

管道标准件、管道特殊件、管道支撑件管道。

特点：

管道属于长细比大的设备，易失稳、受力情况复杂；

管内介质种类复杂；

管内流体状态复杂，运行条件变化多；

管道组成件种类繁杂、各有特点;

管道布置、安装及检验要求复杂。

2．压力管道的概念

压力管道是指“特种设备安全监察条例”所定义的属于监察范围内的管道；

压力管道属于特种设备的范畴；

压力管道设计属于特种设备生产范畴和源头；

压力管道监察管理体制；

3．压力管道的定义

压力管道是在生产、生活中使用的可能引起燃爆或中毒等危险性较大的特种设备。

根据中华人民共和国国务院令（第373号）通过并公布的《特种设备安全监察条例》，对压力管道进行了定义：压力管道，是指利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高压力大于或者等于0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm 管道。

4．管道设计

管道设计主要涉及三方面内容：管径选择、管道器材、安装设计。

与管道设计相关的计算也包括三个方面：管线压力降计算、管道壁厚计算、管线应力分析。管线压力降计算可用流程模拟软件计算（例如：Aspen Plus、Pro Ⅱ、KBC Petro-SIM），也可Excel表格或自定义函数（宏）计算；管道壁厚计算用Excel表格计算；管线应力分析用专用软件计算，例如Caesar Ⅱ软件，主要分析：管线应力（一次应力、二次应力）、推力及位移。

管道壁厚计算公式见：《工业金属管道设计规范》GB 50316-2000 。

一、管径和管线压力降计算

1. 管径初选

（1）查表法

管道管径根据输送介质的相态、物性（主要是粘度）、流量初选。

炼油装置内一般液体油品管线，可参照上述表中各种管径册常用流速、流率及允许压力降等估算管内径。不同管径的常用流速和流率与油品粘度有关，液化气、汽油、煤油和柴油在不低于常温的条件下输送时，粘度均小于5厘沲，可参考表2-2估算管径。

（2）计算法

根据流体的性质和允许压力降选定流速，然后按公式计算所需的管线内径。

u

V d 8

.18 式中：d：管内径，毫米；

V ：流体在操作条件下的体积流率，米3

／时；

u ：流速，米／秒。

对于允许压力降较高的管线，可取表中上限流速和流率；对于输送液化气及泡点状态液体的泵入口管，流速则不能太高，以防泵抽空；对于长距离管线、合金钢管线和对于管线压力降有特殊要求的地方，应按压力降的具体要求进行详细核算，以决定适宜的管径。

工艺管线的设计流速应根据不同要求控制如下： 防静电起火的控制流速：

对于一般油品，应小于或等于4米/秒；

对于输送中经过精密过滤器的油品，应小于或等于3米/秒。

防止水击破坏的控制流速，可按相应公式计算确定。

抑制噪声的控制流速：

对于液体，应小于或等于9米/秒；

对于气体，应小于或等于52米/秒。

输送催化油浆等含有固体杂质的液体时，不宜小于0.9米/秒。

2. 管线压力降计算（单相流体管线压力降）（1）公式计算法

7

如用标准单位，则直管阻力计算公式：

22

1

u d

L

P

ρλ

=

∆

管件局部阻力，也可用局部阻力系数法计算，公式如下：

2

2

2u P ρς

=∆

管路中常见管件的局部阻力系数ζ见下表：

摩擦系数计算公式： 当Re<2000时，

e

R 64=

λ

当Re=2000～4000的过渡区内，管内流型因环境而异，摩擦系数波动。为安全计，作湍流处理。

当Re>4000时，

)7

.182lg(

274.11

λ

ελe R d +

-= 当Re 足够大时，λ不再随Re 而变，

)2lg(

274.11

d

ελ

-= 式中：ε：管道的当量绝对粗糙度； d ：管道内径。

以上流体压力降计算公式适用于不可压缩的单相流体（液体）。由于气体有较大的压缩性，气体流速随压力降低而增加，输送气体管道的压力降计算公式变得相对复杂。

当气体压力降不大于出口压力的10%时，将气体作为不可压缩流体计算不致引起大的误差。通常情况下，高压气体的输送较易满足上述条件，可作为不可压缩流体处理；而真空下的气体流动，上述条件一般较难满足，往往必须考虑其压缩性。

当气体压力降大于出口压力的10%时，可分段计算，使每段管线的压力降不大于各自出口压力的10%，仍可作为不可压缩流体处理。

为了减轻计算工作量，避免重复计算，可用Excel 公式计算管线压力降，也可用Excel VBA 编程计算。当然，用流程模拟软件计算管路阻力更方便。

（2）查图法

如下图所示。当管道公称直径相同，壁厚不同时，可查图得出压力降，再用公式校正。体积流量不变，管径变化不大时，管线压降与管径的关系如下： 层流时：

142

4

12P d d P ∆⋅=∆

湍流时：

152

5

12P d d P ∆⋅=∆

式中：1P ∆：管内径d 1对应压力降；

2P ∆：管内径d 2对应压力降。

查图法初步判断管线压力降，比较方便；如要获得精确值，仍需校正计算。

如需完整的油管线压力降算图，可参考《炼油装置工艺管线安装设计手册》（上册）。