压力管道设计审批人员培训教材

压力管道设计审批人员培训教材 (管道布置部分) 中国有色金属建设协会设计分会 压力管道研究会 主 要 内 容 管道特征及输送介质特性 管道类别划分及人员条件 管道布置基本要求及原则 管道敷设方式及设计要点 管道布置设计中常见问题 管道特征 及输送介质特性 管道运输是与铁路、公路、水路、航空并列的五大运输行业之一。 2003 年 6 月 1 日开始实施的特种设备安全监察条例 ，把涉及生命安全、危险性 较大的锅炉、压力容器（含气瓶） 、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型 游乐设施共七类设备，定为特种设备并实行安全监察。 管道的定义及其特点 管道的定义： 工业金属管道设计规范 （GB50316-2000 ）定义：由管道组成件、管道 支吊架等组成，用以输送、分配、混合、分离、排放、计量或控制流体流 动的设备 压力管道的定义： 特种设备安全监察条例定义：是利用一定的压力，用于输送气体或者 液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于等于 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 的管道 管道的特点： 管道相互联系、牵扯和影响，长细比大，易于失稳，受力情况更复杂 压力管道设计除了要考虑常规因素外，还需考虑柔性、振动、支撑等特殊因素 管内流体流动状态复杂，缓冲余地小，工作条件变化频率大 管道组成件种类繁多，各有各的特点和技术要求，选材和总成困难 管道上的可能泄漏点多于压力容器 管道在布置、安装和检验方面与压力容器存在很大的差别 压力管道输送介质的特性 介质的可燃易爆性 石油化工企业设计防火规范GB50160 和建筑设计防火规范 GBJ16 对可燃气体、 可燃液体的火灾危险性分类： 按爆炸下限将可燃气体分为甲类-爆炸下限10 乙类-爆炸下限10 按闪点将可燃液体分为甲 A 类-液化烃（15时蒸汽压力0.1MPa) 甲 B 类- 甲 A 类以外，闪点28 乙 A 类-28闪点45 乙 B 类-45 闪点60 丙 A 类-60闪点120 丙 B 类- 闪点120 介质的毒性 职业性接触毒物危害程度分级GB5044 按急性毒性、急性中毒发病状况、慢性中毒患 病状况、慢性中毒后果、致癌性、最高容许浓度六项指标的多数归属和实际接触情况，经 综合分析确定分为极度危害、高度危害、中度危害、轻度危害四级 介质的腐蚀性 工艺介质常常具有一定的腐蚀性，尤其是各种浓度的酸碱盐介质对金属材料有较强的腐 蚀性 高温高压特性 压力管道输送的介质往往具有一定的的压力和温度。输送介质压力的大小直接影响到管 道的安全，压力越高，泄漏和爆裂损坏的可能性越大；输送介质的温度对材料的强度产生 影响，过高的介质温度使材料的强度下降，材料的选用常常受到温度的限制 压力管道类别划分 及各级设计人员条件 压力管道设计类别、级别的划分 压力管道划分范围 公共条件：最高工作压力大于 0.1MPa，DN25mm 介质特性条件：气体、液化气体、蒸汽介质 可燃、易爆、有毒、有腐蚀性的液体 最高工作温度大于等于标准沸点的液体 分类分级 按使用性质、介质特性及危险程度分为三大类 6 个级别 长输管道 GA 类：GA1 级、GA2 级 公用管道 GB 类：GB1 级 市政燃气 GB2 级 市政热力 工业管道 GC 类：GC1 级、GC2 级 GA1 级： 输送有毒、可燃、易爆气体介质，设计压力 P1.6Mpa 的管道 输送有毒、可燃、易爆液体介质，输送距离（指产地、储存库、用户间的用于输送 商品介质管道的直接距离）200Km 且管道公称直径 DN300mm 的管道 输送浆体介质，输送距离50Km 且管道公称直径 DN150mm 的管道 GA2 级： 输送有毒、可燃、易爆气体介质，设计压力 P1.6Mpa 的管道 GA1 第 2 条范围以外的管道 GA1 第 3 条范围以外的管道 GC1 级： 输送 GB5044职业性接触毒物危害程度分级 中，毒性程度为极度危害介质的管 道 输送 GB50160石油化工企业设计防火规范 及 GBJ16建筑设计防火规范中 规定的火灾危险性为甲、乙类可燃气体或甲类可燃液体介质且设计压力 P4.0Mpa 的管道 输送可燃流体介质、有毒流体介质，设计压 P4.0Mpa 且设计温度大于等于 400 的管道 输送流体介质且设计压力 P10.0Mpa 的管道 GC2 级： 输送 GB50160石油化工企业设计防火规范 及 GBJ16建筑设计防火规范中 规定的火灾危险性为甲、乙类可燃气体或甲类可燃液体介质且设计压力 P4.0Mpa 的管道 输送可燃流体介质、有毒流体介质，设计压力 P4.0Mpa 且设计温度大于等于 400的管道 输送非可燃流体介质、无毒流体介质，设计压力 P10Mpa 且设计温度大于等于 400的管道 输送流体介质，设计压力 P10.0Mpa 且设计温度400的管道 A1 类流体 指剧毒流体，在输送过程中如有极少量的流体泄漏到环境中，被人吸入或与人体接触时， 能造成严重中毒，脱离接触后，不能治愈。相当于现行国家标准职业性接触毒物危害程 度分级GB5044 中级（极度危害）的毒物。 流体举例：汞及化合物、砷、氯乙烯、铬酸盐和重铬酸盐、黄磷、氰化物等 对应规则中的 GC1（1）级压力管道的介质。 A2 类流体 指有毒流体，接触此类流体后，会有不同程度的中毒，脱离接触后可治愈。相当于职 业性接触毒物危害程度分级GB5044 中级及以下 （高度、中度、轻度危害）的毒物。 流体举例： 级：硫化氢、甲醛、氯、铅的冶炼、一氧化碳、苯胺 级：苯乙烯、甲醇、硝酸、硫酸、盐酸 级：四氯乙烯、氨、氢氧化钠 对应于规则中的 GC1（3）P4.0Mpa，t400 GC2（2）P4.0Mpa，t400 B 类流体 在本规范内系指这些流体在环境或操作条件下是一种气体或可闪蒸产生气体的液体，这 些流体能点燃并在空气中连续燃烧。 包括可燃气体和可燃液体。 对应于规则中 GC1（2） 、GC1（3） GC2（1） 、GC2（2） 流体举例： GB50160石油化工企业设计防火规范 GBJ16建筑设计防火规范 GC1(2) GC2(1)： 甲、乙类可燃气体 甲类：乙炔、氢气、硫化氢、乙烯、丙烯、甲烷、乙烷、氯乙烯 乙类：一氧化碳、氨 甲类液体（闪点28）液化天燃气、液化甲烷、液化石油气、液 化氯乙烯、汽油、原油、甲苯、甲醇、乙醇 GC1(3) GC2(2)： 乙类液体：煤油、35 号轻柴油 丙类液体：轻柴油、重柴油、20 号重油、变压器油、甘油等 其它可燃气体 D 类流体 指不可燃、无毒、设计压力小于或等于 1.0Mpa 和设计温度高于-20186之间的流体 流体举例：P1.0Mpa，t186蒸汽和热水 C 类流体 指不包括 D 类流体的不可燃、无毒的流体 流体举例：P=3.82MPa，t=450过热蒸汽 各级设计人员条件 压力管道设计技术负责人 从事本专业工作，且具有较全面的压力容器或压力管道专业知识 熟知并能正确运用有关规程、标准等技术规范，能组织、指导各级设计人员正确贯 彻执行 熟知压力容器或压力管道设计工作和国内外有关技术发展情况，具有综合分析和判 断能力，在关键技术问题上能作出正确决断 具有三年以上压力容器或压力管道设计审核经历 具有高级技术职称 具有设计审批员资格证书 审核人员 熟悉并能指导设计、校核人员正确执行有关规程、标准等技术规范，能解决设计、 制造、安装和生产中的技术问题 能认真贯彻执行国家的有关技术方针、政策，工作责任心强，具有较全面的压力容 器或压力管道设计专业技术知识，能保证设计质量 具有审查计算机设计的能力 具有三年以上压力容器或压力管道设计的校核经历 具有中级以上（含中级）技术职称 具有设计审批员资格证书 审核人员 熟悉并能指导设计、校核人员正确执行有关规程、标准等技术规范，能解决设计、 制造、安装和生产中的技术问题 能认真贯彻执行国家的有关技术方针、政策，工作责任心强，具有较全面的压力容 器或压力管道设计专业技术知识，能保证设计质量 具有审查计算机设计的能力 具有三年以上压力容器或压力管道设计的校核经历 具有中级以上（含中级）技术职称 具有设计审批员资格证书 校核人员 熟悉并能运用有关规程、标准等技术规范，能指导设计人员的设计工作 具有压力容器或压力管道设计专业知识，有相应的压力容器或压力管道设计成果并 已投入制造、使用 熟悉应用计算机进行设计 具有三年以上压力容器或压力管道设计经历 具有初级以上（含初级）技术职称 设计人员 具有压力容器或压力管道设计专业知识 能较好地贯彻执行有关规程、标准等技术规范 能在审批人员指导下独立完成设计工作，并会使用计算机进行设计 具有初级以上（含初级）技术职称 管道敷设方式及设计要点 地面以上敷设 地面以上敷设通称架空敷，是管道敷设的主要方式,具有便于施工、操作、检查、 维修及经济等优点 下列条件下应优先考虑架空敷设： 车间内管道 厂区地形复杂（遇河流、丘陵、高山、峡谷等） 地下水位高或年降雨量较大的地区 厂区地下管道纵横交错、无地下管位 对一些小口径管道，当有管架可利用时（经济） 架空敷设按支架高度可分为： 低支架敷设：在山区建厂时采用，管道保温层外表面至地表面的净距一般不宜小于 0.5m 中支架敷设：人行交通频繁地段宜采用，管道保温层外表面至地表面的净距一般不 小于 2.5m 高支架敷设：经过交通要道和跨铁路、公路时采用管道保温层外表面至地表面的净 距一般在 5.0m(5.5m)以上 地下敷设：地沟敷设和埋地敷设 管(地) 沟敷设：充分利用地下空间，方便检查维修，但费用高，需设排水点，易积 聚可燃气体，增加不安全因素，污物清理困难等，地沟敷设：通行地沟、半通行地 沟、不通行地沟。 通行地沟敷设： 优缺点：维护和管理方便，操作人员可经常进入地沟内进行检修，但基建投资大，占 地面积大 使用场合： 管道通过不允许挖开的路段 管道数量多或管径较大， 无安全措施，不得在通行地沟内布置窒息性及 B 类流体介质的管道 设计要点： 单侧布置和双侧布置两种方法。 保温层表面至沟壁 120150mm；至沟顶 300350mm；至沟底 150200mm，净 宽应不小于 0.7m；通行地沟的净高不低于 1.8m 地沟转弯处、分支处、尽头处和直段每隔 200m 距离( 对蒸汽管道不宜大于 100m)设 一个人孔或安装孔 通行地沟应根据需要设置照明，照明电压不超过 36V 通行地沟内温度不应超过 45C 地沟盖板须作 0.030.05 的横向坡度，以排走融化雪水或雨水。地沟底板应设 0.0020.005 的纵向坡度，以便及时将管道漏水和维修放水排至安装孔内的集水坑 内 半通行地沟 优缺点：维护和管理较方便，可进入地沟内进行检修，但基建投资相对较大，占地面 积大 适应场合： 当管道通过不允许挖开的路段 管道数量较多，采用通行地沟难于实现或经济不合理时 设计要点： 半通行地沟的高度一般为 1.21.4m.通道净宽单侧布置为 0.50.6m, 双侧布置不小 于 0.7m 保温外表面离沟壁 100150mm,离沟底 100200mm，离沟顶 200300mm 不通行地沟敷设 优缺点：外形尺寸较小，占地面积小，与直埋方式相比，利于管道变形，地沟耗费材料 少。但难于发现管道缺陷和事故，维护和检修也不方便 适应场合： 土壤干燥、地下水位低 管道根数不多且管径小，维修量不大 对直埋管道，如有热位移，在转弯处或补偿器处宜设不通行地沟 设计要点： 在不通行地沟内管道布置方法及布置尺寸可参见国家动力设施标准图集（87SR416- 1）或其它有关设计手册 不通行地沟应设纵向坡度，坡度与坡向应与敷设的管道一致。地沟盖板上应有覆土 层，并应采取措施防止地面水渗入 管道或管道保温外表面离沟壁净距 100150mm,离沟底 100200mm ，离沟顶 50100mm 避免管沟平行布置在主通道的下面 B 类流体不宜设密闭的管沟内，不可避免时，应在沟内填满细砂，并定期检查 埋地敷设：其优点是利用地下的空间，使地面以上空间较为简洁，并不需支承措施； 其缺点是管道易被腐蚀，检查和维修困难，在车行道处有时需特别处理以承受大的 载荷，低点排液不便及易凝油品凝固在管内时处理困难，带隔热层的管道很难保持 良好的隔热功能等，故只有在不宜采用其他敷设方式时，才予以考虑 “管中管”预制保温管：结构由钢管、导线、保温层和保护层组成。 钢管：一般为无缝钢管，大口径采用螺旋焊接管 导线：又称报警线，用于检测管道泄漏 保温层：采用硬质聚氨脂泡沫塑料 主要技术性能： 密度：80100Kg/m3 导热系数：0.35W/ （m.K） 抗压强度：0.50.6MPa 抗拉强度：0.20.3MPa 粘结强度：200KPa 耐温性 120C（通用型） 、150C（高温型） 保护层 “管中管”预制保温管的保护层是高密度聚乙烯管，其性能如下： 密度：8g/cm3 断裂伸长率：350 脆化温度：-60C 抗拉强度：20MPa 维卡软化点：120C 直埋管道敷设方式 目前，直埋管道敷设方式主要有无补偿和有补偿两种 无补偿方式：国内外是建立在两种不同的理论基础，一是安定性分析理论，另一是 弹性分析理论 安定性分析理论 本世纪 60 年代由美国机械工程师协会提出的按应力分类法和塑性力学中安定性分析概念 为基础的新的强度设计规范（简称 ASME 规范） ，该规范所采用的应力分为一次应力、二 次应力及峰值应力。由热力管道内压及外载产生的一次应力不是自限性的。由温差产生的 二次此应力是自限性的。对不同的应力规定不同的应力强度限制值，设计计算中，以一次 应力和二次应力的组合形式来进行校核。实践证明，对于 DN500 以下的热力管道的敷设， 采用这种理进行设计是可行的，也是最简单的，并证明温度为 150C 以下的直埋管道的 直线段，完全可以不装补偿装置 弹性分析理论 是北欧各国设计直埋管道的依据，要求供热管网在工作之前必须进行预热，预热温度 是在管道的运行温度和限制的最低温度之间。要求预热温度与工作温度及最低温度的温差 所产生的热应力，不得超过管材的许用应力。预热方式有两种：敞开式和覆盖式。敞开式 方式不需补偿，不必设固定点，工程造价最低，但管沟敞开时间长。覆盖式方式，由于土 壤摩擦力的影响，管道预热的热应力，不能完全被管道的转角所补偿，需设补偿器。并且 补偿器必须在预热后焊死以形成一体，补偿器之间的距离不得大于最大安装长度的两倍， 并需在直管段两端设固定点，以防止管道弯头破坏 有补偿方式: 管道温度过高或难以找到热源预热