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压力管道设计基础(压力管道考核培训班专题讲座)XXXXX 过程装备研究所 XXXXX1 概 述1.1 设计资格压力管道的安全涉及设计、制造、安装、检验、使用、修理等多个环节，其中设计是“优生”的基础，是能否确保压力管道安全运行的最重要一环。为此必须把好设计关，对设计单位进行资格认证，是确保压力管道设计质量的重要措施。2002年8月14日国家质量监督检验检疫局总局颁布实施压力容器压力管道设计单位资格许可与管理规则，对压力管道按危险程度分成3类6个级别。类 别级 别备 注长输管道（GA）GA1国家质检检总局批准、发证GA2公用管道（GB）GB1省质量技术监督局批准、发证GB2工业管道 （GC）GC1国家局批准、发证GC2 省局批准、发证1.2 设计程序和主要内容在我国，工程设计一般分两步进行，首先根据已批准的项目建议书和可行性研究报告（设计前期工作）进行初步设计。初步设计经上级主管部门组织审查、批准后再进行施工图设计。设计主要内容如下：1工艺计算 包括物料衡算、热量衡算和水力计算等；按照物料的流量及该物料允许的流速确定管径、管长。2管道材料选择按照不同介质的物理化学性质、压力等级、工作温度等因数确定管子的材料和阀门、法兰等管道附件，初估材料数量。3管线的结构设计 包括管线器材的选用（阀门、法兰、管件、补偿器、支吊架） 及隔热、伴热设计。4管道的强度计算 包括静载计算（压力、重力）、动载计算（风载、地震）、振动计算、热应力计算。5安全装置设计 包括安全阀、爆破片、阻火器。6绘制草图和施工图绘制流程图（系统图）、平面布置图、立面布置图、管段图（空视图）、管件图、管架图等。7 编制设计说明书编制管道安装一览表、综合材料表、油漆保温一览表等。所有设计文件必须进行校对、审核，部分图纸还要进行审定，最后还要进行各有关专业参加的综合会签，确保设计的质量。1.3 标准规范压力管道的初步设计和施工图设计，都必须按先行标准和规范设计。原劳动部压力管道安全管理与监察规定（1996）国家质检总局压力容器压力管道设计单位资格许可与管理规则GB50316-2000工业金属管道设计规范GB50028-2002城镇燃气设计规范GB5001-1991石油化工企业设计规范GB50251-1994输气管道工程设计规范GB50253-1994输油管道工程设计规范HGJ8-87-1994化工管道设计规范SH3054-1993石油化工企业管道综合设计规范GB50160-1992石油化工企业设计防火规范GBJ16-1994建筑设计防火规范GB50058-1992爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范GB50264-1997工业设备及管道绝热工程设计规范HG/T20549-1998化工装置管道布置设计规定SHJ40-1991石油化工企业蒸气伴热管及夹套管设计规范HG/T20670-2000化工、石油化工管架、管墩设计规定GB50235-1997工业金属管道工程施工及验收规范GB50236-1998现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范HG20225-1995化工金属管道工程施工及验收规范SH3501-2002石油化工剧毒、可燃介质管道工程施工及验收规范JB4730-1994压力容器无损检测GB3323-1987钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级GB11345-1987钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级GB/T8163-1999输送流体用无缝钢管GB9948-1988石油裂化用无缝钢管GB/T12771-1991输送流体用不锈钢焊接钢管GB/T14976-1994输送流体用不锈钢无缝钢管GB9112-9123-1988钢制管法兰JB/T7490-1994管路法兰及垫片HG20592-20635-1997钢制管法兰、垫片、紧固件GB/T17116-1997管道支吊架GB/T12777-1997金属波纹管膨胀节在进行某个特殊介质的压力管道设计时，除了按一般通用的标准、规范进行设计外，还要参照该产品的设计规范。如在进行氧气管道设计时，必须符合氧气站设计规范要求；进行乙炔气管道设计时，必须符合乙炔站设计规范要求。各种管道组件都有标准，设计中尽量执行各种现行标准。总之，压力管道的设计，必须确保安全，必须由有设计资格的单位按有关标准规范进行设计。以免造成重大的经济损失和人员伤亡。2 压力管道总体布置（设计）及安全规程2.1 压力管道总体设计的基本原则压力管道的设计可分为干线压力管道设计和装置内压力管道设计；设计中应考虑到以下几个方面：(1) 满足工艺要求、材料、结构形式、柔性、抗振能力、各种组件、附件等适当组合，全面达到生产要求；(2)管道设计要为安装施工、操作管理、维护检修提供方便，保证足够的空间；(3)满足防火、防爆等安全规范的要求，创造安全运行环境； (4)管道走向合理，避免不必要的往返和转折，使总体设计经济合理； (5)管道排列规范、美观，框架、管廊立柱对齐、纵横成行，管道横平竖直，不在特殊需要的情况下不用歪斜管道布置方式。2.2 管道总体设计及安全规程1) 一般要求管道设计要与装置全部设计统一考虑，必须符合管道仪表流程图，要有适当的支撑，保证足够的强度，对工作温度较高的管道要作柔性分析、有激振源的管道要作动力分析，使管道既有足够的强度，又能吸收热膨胀位移又有良好的抗振性。在经常出现飓风或地震分区级别高的地区还要考虑抵御风载和地震载荷的能力。管道的敷设主要有架空和埋地两种类型，在选择何种敷设时可根据具体情况确定，化工和石油化工企业的工业管道大都采用架空敷设，便于施工、操作、检查、维修，也较为经济，大中型装置的架空管道都用管廊、管架和管墩成排敷设。对于分散的管道可用支吊架。长输管道一般采用埋地敷设，它利用了地下空间。缺点是有腐蚀，检查和维修困难，尤其是需排液的管道，困难更大。工业管道地下敷设的较少，就是地下敷设也大都用管沟，而不是直接敷设在地下。2) 防火安全设计当管道敷设在管廊上时，为充分利用空间，一般机泵就置于管廊下，管廊的上面放置引风机，管廊的两侧是主体设备。管廊与它们要保持一定的距离，这个距离要满足有关防火的规范标准。涉及的问题是：装置中的物质火灾危险性如何？防火要求如何？与其设备的防火间距应多大？材料的耐火等级与耐火保护如何？这些问题在GB5001-91石油化工企业设计规范中都有详细而明确的规定。据统计石油化工企业装置内，发生火灾后的持续时间多数在1h左右，所以必须加耐火保护层。标准规定耐火层的耐火极限不应低于1.5h。3) 防爆安全设计一般产生爆炸必须具备三个条件：存在可燃气体、易燃液体的蒸汽或薄雾；上述物质与空气混合，其浓度达到爆炸极限；存在足以点燃爆炸性混合物的火花或高温。只要设法使这三个条件不同时出现，就基本可以防止出现爆炸。可通过设法防止设备和管道泄漏、用惰性气体将易燃物质与空气隔离、联锁保护等措施来达到。在总体设计中还要设法限制和缩小危险区的范围。将不同等级的爆炸危险区与非爆炸危险区隔开；采用露天布置和加强室内通风使爆炸危险物质浓度低于爆炸极限，用测量报警装置监测爆炸危险物浓度。4) 其他安全设计(1) 输送易燃易爆介质的埋地管道需要穿越电缆沟，且管道温度又较高时，必需采取隔热措施，以使外表面温度低于60。(2) 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不小于2.2m；通行大型车辆的净高要留4.5m；跨越铁路的净高则不小于5.5m；以免在车辆通行时撞到管道。万一出现意外事故有利于车辆出入。(3) 法兰的位置避免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安全防护罩。5) 便于检修、运行操作管廊的下面一般布置泵，这样可以有效利用空间，而且泵与管廊的距离缩短节省管材。为便于泵安装、操作、检修，至少要有3.5m的净空高度，在管廊下布置设备的还要增加管廊下的净空高度。管廊在道路上空穿越时，净空高度应为：装置内检修道不低于4.5m；主干道和铁路不低于5.5m；管廊下的检修通道不低于3m。3.压力管道常用管子材料选用原则在进行压力管道设计时，管径经计算确定以后，就要选择管子的材料。压力管道常用管子材料的使用是根据所输送介质的操作条件（如压力、温度）及其在该条件下的介质特性决定的。材料的正确选用是管道安全运行并经济合理的前提，管道材料的选用应考虑如下因素：3.1考虑优先选用的管材在选用管子材料时，一般先考虑采用金属材料，金属材料不适用时，再考虑非金属材料。金属材料优先选择钢制管材，后考虑选用有色金属材料。钢制管材中，先考虑采用碳钢，不适用时再选用不锈钢。在考虑碳钢材料时，先考虑焊接钢管，不适用时再选用无缝钢管。3.2 考虑介质压力的影响输送介质的压力越高，管子的壁厚就越厚，对管子材料的要求一般也越高。(1). 介质压力在1.6MPa以上时，可选用无缝钢管或有色金属管子。 (2). 压力很高时，如在合成氨、尿素和甲醇生产中，有的管子介质压力高达32MPa，一般选用材料为20钢或15MnV的高压无缝钢管。(3). 真空设备上的管子及压力大于10MPa时的氧气管子，一般采用铜和黄铜管。(4). 介质压力在1.6MPa以下时，可考虑采用焊接钢管、铸铁管或非金属管子。但铸铁管子承受介质的压力不得大于1.0MPa。非金属管子所能承受的介质压力，与非金属材料品种有关，如硬聚氯乙烯管子，使用压力小于或等于1.6MPa；增强聚丙烯管子，使用压力小于或等于1.0MPa；ABS管子，使用压力小于或等于0.6MPa。(5). 对水管，当水的压力在1.0MPa以下时，通常采用材料为Q235A的焊接钢管；当水的压力大于2.5MPa时，一般采用材料为20钢的无缝钢管。3.3 考虑介质温度的影响不同材料的管子，适用于不同的温度范围。表5.2表5.2 不同材料的管子，使用温度范围材料牌号 使用温度范围 材料牌号 使用温度范围Q235A 0250 纯钛 350Q235A 0350铝 -26815020R -20475 铜、黄铜 -19620020g -20475纯铝 12016MnR -14475硬铝 14016Mn -40475 灰铸铁 2500.5Mo 520 球墨铸铁 350Cr18Ni9 -1967003.4 考虑介质化学性质的影响介质化学性质的影响主要体现在腐蚀上，应予以高度重视。(1).介质呈中性，一般对材料要求不高，可选用普通碳钢管；(2).介质呈酸性或碱性，就要选择耐酸或耐碱的管材。(3).输送水及水蒸汽，采用碳钢材料的管子。3.5 考虑管子本身功能的影响有些管子除需具备输送介质的功能外，还要具有吸震的功能、吸收热胀冷缩的功能，在工作状况下，能经常移动的功能。3.6 考虑压力降的影响管子的材料初步选定以后，还要进行管道压力降的计算，确定管子内径。通过压力降的计算，看选用的材料是否符合要求。特别在初步选用塑料管子时，更要重视压力降的复核。压力管道的计算，在工程设计中，一般要根据生产规模进行物料衡算、能量衡算和设备计算，初步确定物料流量。并参照有关资料，假定一个物料流速，计算出管子内径，查手册或标准，选用标准管子，通常选用的标准管子内径应等于或略大于计算出的管子内径。再计算管道的压力降。利用下式可以对各种情况进行计算：Q= Du (51)式中：D内径(m)； Q容积流量(m)； 流速(m)几种情况如下：(1) 已知容积流量，设定某一流速，计算出管子内径D；(2) 已知管子内径，并根据输送介质设定的管道流速，可计算容积流量Q；(3) 已知容积流量和管子内径，计算流体在管子中的流速u。 根据容积流量和管子内径，计算出的物料流速应在允许的流速范围之内。通常情况下，各种物料的流速范围可参照表5.3。表5.3 物料一般流速范围流体名称流速范围(m/s)饱和蒸汽主管 支管低压蒸汽（绝压）中压蒸汽.（绝压）高压蒸汽.（绝压）过热蒸汽（主管） （支管）一般气体（常压）高压乏气 蒸汽（加热蛇管）（入口管） 氧气 （表压）.（表压） .车间换气通风 （主管） .（支管）风管距风机 最远处 最近处真空管 真空蒸发器汽出口 (低真空) (高真空) 废气 低压高压自来水 主管，(表压)支管，(表压) 蛇管冷却水 石棉水泥输水管 50 下限 上限 0 下限 上限 泥浆 油封式真空泵 吸入口 013易燃易爆液体 流体在管道中流动，由于管道内径不是绝对光滑，不一定是等径，管道走向也可能有弯曲、升降，加之管道中有阀门、法兰等管件，从而使流体在管道中流动必然会产生压力降。 (1) 管内摩擦压力降 （2）式中：管内摩擦压力降(kPa)； f摩擦系数； L管路总长度(包括管子及附件)(m)；W气(液)体的重量流量(kg/h)； 气(液)体的密度(kg/m)。（） 局部压力降 / （3）式中：局部压力降(kPa)； 重力加速度； K局部阻力系数。在工程上还常用当量长度计算法，将各种局部压力降折合为相当于直管长度的压力降来计算。（） 上升管静压压力降（） （4）式中：上升管静压压力降(KPa)、管段始端和终端的标高(m) (4) 加速度压力降 /（5）式中：加速度压力降(KPa)(5) 流体粘度引起的压力降对于油类、因粘滞性产生的压力降用下式计算 （6）式中：流体粘度引起的压力降(kPa)； 动力粘度(KPaS)。 (6) 总压力降：.（）（7）式中：总压力降(kPa)；考虑15%的裕量。 (7) 总压力降确定以后，尚须注意以下两个问题：其一是系统的总压力降，不能超过所选管道的额定压力；其二是泵或压缩机的出口压力必须超过系统的总压力降，但不能超过所选管子及其附件的压力等级。3.7 常用管道的类型一般用途及选用材料情况参见下表5.4。表5.4常用管道的类型、选材、一般用途一览表管道类型 选用材料 一般用途 无缝钢管 中低压用 普通碳素钢、优质碳素钢， 输送对碳钢无腐蚀或腐蚀速度低合金钢、合金结构钢 很小的各种流体高压用 0、MnV等 合成氨、尿素、甲醇生产中大量使用不锈钢 CrNi9Ti等 液碱、丁醛、丁醇、液氮、硝酸、硝铵溶液的输送 焊接钢管 水煤气输送钢管Q-A适用于输送水、压缩空气、煤气、 螺旋缝电焊钢管Q、Mn等乏汽，冷凝水和采暖系统的管路 不锈钢焊接钢管CrNi9Ti等 金属软管 钎焊不锈钢软管 CrNi9Ti 一般适用于输送带有腐蚀性气体型耐压软管 低碳镀锌钢带 一般输送中性的液体、气体及混合物 型吸尘管 低碳镀锌钢带 一般用于通风、吸尘的管道 M型耐压管 低碳镀锌钢带 一般用于输送中性液体 有色金属铜管和黄铜管 T.T.T.TU 用于一般工业部门，机器和真空设备TU、TU、H、H上的管路及压力小于0Ma氧气管路铅及其合金管 纯铅，b、b、b，铅锑合金（硬铅），bSb、bb、bSb 适用于化学、染料、制药及其它工业部门作耐酸材料的管道，如输送%的硫酸、干或湿的二氧化硫、0%的氢氟酸、浓度小于0%的醋酸、铅管的最高使用温度为00，但温度高于0时，不宜在压力下使用。铝及其合金 L、L、工业纯铝铝管用于输送脂肪酸、硫化氢及二氧化碳，铝管最高使用温度00，温度高于0时，不宜在压力下使用，铝管还可以用于输送浓硝酸、醋酸、蚁酸、硫的化合物及硫酸盐。不能用于盐酸、碱液，特别是含氯离子的化合物。铝管不可用对铝有腐蚀的碳酸镁、含碱玻璃棉保温。 纤维缠绕玻璃钢管承插胶粘直管、对接直管和O型环承插连接直管 玻璃钢 一般用在公称压力0.Ma、公称直径大于0mm的管道上 玻璃钢管玻璃钢低压接触成型直管使用压力小于等于0.Ma，长丝缠绕直管，使用压力小于等于.Ma 增强聚丙烯管 聚丙烯 具有轻质高强、耐腐蚀性好、致密性好，价格低等特点。使用温度为0，使用压力为小于等于.0Ma7玻璃管增强聚氯乙烯复合管 玻璃、聚氯乙烯 一般用于公称直径-00mm，PN小于等于.Ma的管道上 4压力管道常用阀门的选用4.1 常用阀门的选用原则 1）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。明杆式尚可根据阀杆升降高低调节启闭程度，缺点是结构较截止阀复杂，密封面易磨损，不宜修理。闸阀适于制成大口径的阀门，除适用于蒸汽、油品等介质外，还适用于含有粒状固体及粘度较大的介质，并适用于作放空阀和低真空系统阀门。2）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，价格便宜。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。3）节流阀节流阀的外形尺寸小、重量轻、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。4）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，介质流向应由下至上。止回阀一般适用于清净介质，不宜用于含固体颗粒和粘度较大的介质。5）球阀球阀的结构简单，开关迅速，操作方便，体积小、重量轻、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