《工学管道设计》PPT课件.ppt

1、1,第五章 压力管道设计,2,5.4 管径的确定及压力降计算,3,一般要求 ： 管径应根据流体的流量、性质、流速以及管道允许的压力损失等确定。 对于大直径、厚壁、合金钢等管道，应进行建设费用和运行费用方面的经济比较，取最佳值。 操作情况不同的流体，应按其性质、状态、和操作要求的不同，选用不同的流速。 黏度较高的液体，摩擦阻力较大，应选较低流速，允许压力降较小的管道。 为了防止因介质流速过高而引起管道冲蚀、磨损、振动和噪音等现象: 液体流速一般不宜超过4m/s 气体流速一般不超过其临界流速的85% 真空下气体流速最大不超过100m/s； 含有固体物质的流体，其流速不应过低，以免流体沉积。 也不宜

2、太高，以免加速管道磨损和冲蚀。,5.4.1 管径的确定,4,同一介质在不同管径情况下，虽然流速和管长相同，但是管道的压力降却可能相差较大。 在设计管道时，如允许压力降相同，小流率介质 应选用较小流速，大流率介质可选用较高流速。 确定管径后，应选用符合管材的标准规格。 对工艺用管道，不推荐选用DN32/DN125的管道。除另有规定或采用有效措施外，容易堵塞的流体不宜采用公称直径小于25mm的管道。,5,确定管径方法： （1）首先设定平均流速,按下式初算内径： 式中 Di管子内径（m）； W0质量流量（kg/h）； 平均流速（m/s）； 流体密度（kg/m3）。 （2）根据工程设计规定的管子系列调

3、整为实际内径。 （3）复核实际平均流速。 （4）以实际的管子内径Di与平均流速v核算管道压力损失，确认选用管径。 如果压力损失不满足要求时，应重新计算。,6,例：如果有现成的经济数据，进行优化计算得到经济流速：,输送流体的年生产费用C=固定费用Cinv+操作费用Cop.。 固定费用等于管道的投资费用乘以折旧率 操作费用为运转泵(压缩机)的费用。,7,8,5.4.2 单相流压力损失计算,适用于输送牛顿性流体的管道压力损失的计算，包括直管的摩擦压力损失和局部（阀门和管件）的摩擦压力损失计算。不包括加速度损失及静压差等的计算。 a管道摩擦损失的计算,式中 Pf直管的摩擦压力损失（MPa）； L管道长

4、度（m）； g重力加速度（m/s2）； Di管子内径（mm）； 平均流速（m/s）； 流体密度（kg/m3）； 流体摩擦系数。,9,b局部摩擦压力损失: 可按当量长度法或阻力系数法进行计算： 当量长度法：,Pk局部摩擦压力损失（MPa）； Le阀门及管件的当量长度（m）。 阻力系数法：,k阻力系数,10,5.5 管路热膨胀与热补偿,11,实际的管系中，管道的转弯处均采用煨制弯管或焊接弯头，而不采用直角弯。这些弯管或弯头与直管相比较，其刚度降低，柔度增高。从而管系的热应力由于柔度的增高而降低。 而弯管或焊接弯头在弯矩的作用下，其局部应力却有所增加。,5.5.1 管道热膨胀与柔性,12,管系的几何

5、形状： 直线管道、平面管系和立体管系。 平面管系和立体管系，即便两端固定，当温度变化时，整个管系还是可以发生变形的。这时管系两端支座处将受到支座反力和力矩的作用，但管系中的热应力将比相似条件下直线管道中的热应力小得多。 平面管系和立体管系由于几何形状的原因比直线管系有更大的柔性。立体管系有更大的柔性，比相似条件下的平面管系中的热应力更小。 因此在管道工程中，均避免采用直线管路，而采用有多处转角的立体管系或平面管系。,13,管道所受载荷,风载荷和地震载荷,热载荷,安装残余应力,管道相对移位造成的位移载荷,集中载荷,均布载荷,管道振动载荷或液击产生的冲击载荷,一、管道应力分析,14,载荷分类,静载

6、荷,动载荷,随时间不变或变化缓慢,随时间迅速变化,振动载荷,液击产生的冲击载荷,地震载荷,自限性载荷,非自限性载荷,由于结构变形受约束而产生的载荷。塑性良好时，初次施加自限性载荷不会直接导致破坏。,即外力载荷，超过一定的限度会直接导致破坏。,介质内压 管道自重,支吊架反力,热载荷,位移载荷,15,管道应力分类,管道在压力、持续外载及热载荷等作用下，在整个管路或局部区域产生不同性质的应力。 根据破坏作用不同，管道应力可分为：,一次应力,二次应力,峰值应力,16,一次总体薄膜应力,一次弯曲应力,一次局部薄膜应力,一次应力,外载荷作用在管道内部产生的应力,满足力与力矩平衡。 基本特征: 非自限性 随

7、载荷增加而增加，超过屈服极限将发生过度变形而破坏。,17,一次总体薄膜应力,遍布于整个管道的基本应力。 在管道截面上是均匀分布的 这种应力达到屈服极限时，将引起管道截面整体屈服，不出现载荷的再分配。 例如： 由于内压引起的管道环向应力和轴向应力 管道受拉伸(压缩)所产生的应力,18,一次弯曲应力,也分布在管道的很大区域内 在管道截面上沿厚度变化，呈线性分布。 这种应力达到屈服极限时，只局部屈服，如果继续增加载荷，应力在管道截面的分布将重新调整。 因此一次弯曲应力允许比总体薄膜应力具有较高的许用应力。 一般是由机械载荷或压力载荷引起的。,19,一次局部薄膜应力,在局部范围内，由于压力或机械载荷引

8、起的薄膜应力。 这种应力达到屈服极限时，也只引起局部屈服，塑性应变仍然受到周围弹性材料的约束，所以部分屈服是允许的。 例如 在管道支架处或管道接管连接处由于外载产生的薄膜应力。,20,由于热胀冷缩和其他位移受约束而产生的应力 由于温度不均匀的轴向温度梯度或内外壁径向温度梯度所产生的温差应力 大小头，不同直径/不同壁厚管子连接处由于结构不连续而产生的应力,二次应力,由于变形受约束而产生。不直接与外力平衡。 特点:自限性，当局部范围材料屈服或小变形时，相邻部分的约束便得到缓和，变形趋向协调,不再继续发展，应力自动地限制在一定的范围内。 例如：,管道二次应力验算，主要考虑由于热胀冷缩及其他位移受约束

9、而产生的应力，常称为热胀二次应力。,21,峰值应力,如，小的弯曲半径处，焊缝咬边处等的应力,由于载荷或结构局部突变而引起的局部应力集中的最高应力值 特征是结构不产生显著变形，它是疲劳破坏和脆性断裂的根源。,22,管道应力安全性判据-理论,1、一次应力根据极限载荷准则规定许用应力值。,极限载荷法认为：在某结构截面上一旦发生屈服，该结构便达到极限状态，不能再承受任何附加载荷，结构在极限状态下承受的外载荷称之为极限载荷。这是一个防止结构过度变形的准则。 一次弯曲应力和一次局部薄膜应力可以比一次总体薄膜应力有较高的许用应力值。,设计温度下基本许用应力,一次应力安全性判据是：,23,安定性- 结构在载荷

10、(包括热载荷)反复变化的过程中，不发生塑性变形的连续循环。 对管道二次应力的限定，是控制冷、热态的应变在一定的应力范围和控制一定交变次数，以保证管道安全运行而不产生疲劳破坏。,二次应力采用安定性准则来限定其许用范围。,安定性判据,（冷态）,（热态）,仅二次应力,一次应力+二次应力,24,f -交变次数N对许用应力范围的修正系数,循环当量数,25,管道常见应力计算1-承受内压p,管道承受内压p产生的应力，是一次薄膜应力。图中单元体各面外法线方向是主应力方向（无剪切力 ）。,按强度理论转化成有效应力：,第一强度理论：,第二强度理论：,第三强度理论：,第四强度理论：,26,强度理论,第一强度理论（最

11、大拉应力理论）： 认为最大拉应力是引起破裂的主要原因,第二强度理论（最大伸长线应变理论）： 认为最大伸长线应变是引起破裂的主要原因,第三强度理论（最大剪应力理论）： 认为最大剪应力是引起屈服的主要原因,第四强度理论（形状改变比能理论）： 认为形状改变比能是引起屈服的主要原因,27,管道常见应力计算2-弯曲,抗弯截面模量,28,管道常见应力计算3-弯曲+轴向拉压+内压,29,管道系统强度除考虑内压引起的薄膜应力外，还必须考虑持续外载荷及热载荷所应起的应力，以便对管系进行应力验算。,若管道能自由伸缩，伸长量为： L=（t1-t0）L=tL 直管两端固定。可理解为管子先自由伸长，然后在其一端加上压力

12、P将管子压缩到原来长度，即压缩了L。 由胡克定律： P=(L/L)EA=tEA 管壁内的热应力为 =P/A=Et,二次应力,管道常见应力计算-管系的热应力概念,30,温差应力的静不定问题,温差应力在直线管系中表现为拉应力或压应力。 在平面管系中表现为弯曲应力 在立体管系中表现为弯曲应力和扭曲切应力。,直线管系,立体管系,31,变形能,E 弹性模量 G 剪变模量,变形能,静不定问题 回顾1,32,卡氏定理,若管道变形能U是载荷P1P2.Pi的函数，则变形能对任一载荷Pi的偏导数等于Pi作用点沿Pi作用方向的位移,如对弯曲：,静不定问题 回顾2,33,力法求静不定,正则方程，变形协调方程：,1P+

13、X111=0,n次静不定：,第i个力设为1(Xi=1)时产生的弯矩,无支反力只有载荷时产生的弯矩,静不定问题 回顾3,34,例题:如图的平面管系,管道正常工作温度比安装温度高 ,计算管道应力分布情况.E,I , 均已知.,35,此处的外力即为热载荷，它产生的位移直接可得到,代入变形协调方程：,线性方程组,易得解, 根据支反力可以分别讨论各段管内温差弯曲正应力分布情况。,得:,36,管道二次应力验算,实际管路系统中，内压弯曲正应力扭曲切应力温差正应力温差切应力同时存在，进行二次应力校核时常把一次应力和二次应力统一起来用安定性准则进行评定。,37,38,若仅验算二次热胀弯曲应力和切应力时：,安定性

14、判据,39,如果管端的约束力较弱，并允许产生一定的伸缩，则热应力就会减小。由此可见，除温度变化外，热胀变形可能性的大小对热应力影响也相当大。 温度变化时管道系统的热胀可能性称为管系的柔性（或弹性）。 在同样温度变化下，管系柔性越大，热应力越小。 管系的柔性与管系的几何形状、管系的展开长度、管径和壁厚、管材的弹性模量等有关。,二、管道的柔性,40,1) GB 50316-2000工业金属管道设计规范2) SH/T 3041-2002石油化工管道柔性设计规范3) SH 3039-2003石油化工非埋地管道抗震设计通则4) SH 3059-2001石油化工管道设计器材选用通则5) SH 3073-9

15、5石油化工企业管道支吊架设计规范6) JB/T 8130.1-1999恒力弹簧支吊架7) JB/T 8130.2-1999可变弹簧支吊架8) GB/T 12777-1999金属波纹管膨胀节通用技术条件9) HG/T 20645-1998化工装置管道机械设计规定10) GB 150-1998钢制压力容器,压力管道柔性设计常用标准和规范,41,压力管道柔性计算的范围和方法,如果管道设计温度-50 ，及100 ，应进行柔性计算。 符合下列条件之一的管道，也应进行柔性计算： （1）受室外环境温度影响的长距离无隔热层管道； （2）管端附加位移大，不能用经验判断其柔性的管道； （3）小支管与大管连接，且大

16、管有位移并会影响柔性的判断时，小管应与大管同时计算。 作柔性分析： （1）该管道与某一运行情况良好的管道完全相同； （2）该管道与已经过柔性分析合格的管道相比较，几乎没有变化。,42,管道温度越高，管径越大，弯头数目越少，越应引起重视。求出管道端点上的力和力矩，以校核管端设备，尤其是透平、压缩机、泵等重要设备接管上的载荷。 化工管道布置采用多分支管系或环状管系等复杂结构。常采用超静定结构的静力分析矩阵方法，并借助于计算机来完成复杂的计算工作。 工程中应用最广泛的大型综合性有限元程序,43,三管道柔性计算的基本要求,1柔性系数和应力增大系数的概念 在管系中，管道在转角处均采用具有一定半径的弯管或

17、焊接弯管（俗称虾米腰），而不是直角相接。从而使管系柔性相对增大，刚度降低。 柔性系数，是指弯管相对于直管在承受弯矩时柔性增大的程度。 在弯管或弯头处，在弯矩作用下局部应力有所增加。 应力增大系数弯管在弯矩作用下产生的最大弯曲应力和直管承受同样弯矩所产生的最大弯曲应力的比值。,查表,44,2管道柔性计算规定：,1管道与设备连接时，应计入管道端点处的附加位移，包括线位移和角位移； 2分析管件时，应计入柔性系数和应力增大系数； 3应计入管系中支吊架的作用； 4应按照管道运行中可能出现的各种工况时的相应条件分别计算； 5注意计算中的假设与简化，不能对计算结果的作用力、应力等产生不利影响； 6当支吊架与

18、有可能发生位移的设备相连接或固定时，计算应计入可能发生的热位移。,45,应力集中系数和柔性系数,计算时把柔性系数加到变形系数计算式上即可：,其余力法方程不变，求得支反力和弯扭矩后算出关系的应力值，然后再乘以应力集中系数，有焊缝的还要除以焊缝系数，然后进行判据即可。 基本过程同刚性管系的分析。,46,5.5.2 管道（位移）应力的经验计算,由于弯管或弯头，或三通等管件上的应力状态比较复杂，且与它们的柔性系数相关，采用理论公式进行准确计算应力增大系数十分困难。工程上采用试验研究得出的经验公式来计算。,47,对于弯头、三通等管件所产生的局部应力的计算，常采用： 先计算该作用点的当量合成力矩 再根据管

19、件计算点的截面系数，计算出该点的位移应力。,48,一计算点当量合成力矩的计算,1计算点在弯管和各类弯头上时 ME 热胀当量合成力矩（Nmm）； Mi 平面内热胀弯曲力矩（Nmm）； MO 平面外热胀弯曲力矩（Nmm）； Mt 热胀扭转力矩（Nmm）； ii 平面内应力增大系数； io 平面外应力增大系数。 当平面内和平面外应力增大系数取相同值时，应取两者中的较大值。,49,2计算点在三通的交叉点处时,其当量合成力矩计算： 若平面内和平面外应力增大系数取相同值，应取增大系数两者中的较大值。,50,3计算点在直管上时,当量合成力矩中的应力增大系数应取1，并按照式（5-24）计算。,51,1、直管、

20、弯管、弯头、等径三通的主、支管及异径三通的主管的截面系数： （5-25） D0 管子外径 （mm）； Di 管子内经 （mm）； W 截面系数 （mm3）。,二管件截面系数的计算,52,2、异径三通支管的有效截面系数 （5-26） 式中 WB异径三通支管的有效截面系数（mm3）； rm支管平均半径 （mm）； teb三通支管的有效厚度，取Ttn和iittn二者中的较小值 （mm）； ii 平面内应力增大系数； Ttn主管名义厚度 （mm）； ttn支管名义厚度 （mm）。 注：Ttn和 ttn 应取相配主管和支管的名义厚度。,53,三管道位移应力计算,平面内、平面外弯曲采用不同应力增大系数时:

21、 异径三通支管连接点处的位移应力：,其余管件相应部位处的位移应力：,54,当平面内、平面外弯曲采用相同的应力增大系数时： 异径三通支管连接点处的位移应力： 其余管件相应部位处的位移应力： i应力增大系数，由附录D查取。,55,为控制计算的管道最大位移应力，管道位移应力评定的标准为满足下式： A为许用位移应力，MPa。,56,四管道许用位移应力,由介质压力、重力、其它持续载荷产生的纵向应力之和L不超过材料预计最高温度下许用应力h。 Lh 持续外载/热胀冷缩/支吊架位移，使弯管、弯头，三通等管件连接点处产生位移应力。不超过： A=f (1.25c+0.25h) c 金属材料在冷态（预计最低温度）下

22、的许用应力（MPa) h 金属材料在热态（预计最高温度）下的许用应力（MPa) f 管道许用位移应力减小系数。,57,若最高温度下纵向许用应力h大于纵向计算合应力L，则许用位移应力应满足下式： A=f 1.25( c+ h) -L L管道中由于介质压力、重力和其它持续载荷所产生的纵向应力之和，（MPa）,58,5.5.3 管路热补偿,管道热应力与柔性有关，温度较高的管系中常设置一些弯管或可伸缩装置来增加管道柔性，减小热应力。这些弯管和伸缩装置称为补偿器。 在管道设计中，应尽量利用管道自身弯曲或扭转产生的变位来实现热胀冷缩时的自补偿。 当其柔性不满足要求时，可采用相应措施以改善管道的柔性。工程中

23、常用调整支吊架形式与位置，或改变管道走向。 当受到条件限制，不能采用上述方法改善管道柔性时，就要根据管道设计参数和类别选用补偿装置。,59,常用补偿器可分成两类：,一：自然补偿器 管道布置时自然形成的弯曲管段。 L型补偿器 Z型补偿器 二：人工补偿器 专门设置用于吸收管道热膨胀的弯曲管段或伸缩装置 。 型补偿器 波纹式补偿器 填料函式补偿器,60,型补偿器,61,62,用2-4mm厚的金属板制成，利用金属的弹性伸缩来吸收管线的热膨胀，每个波纹可吸收515mm的膨胀量。 优点是体积小、结构紧密。 为防止补偿器本身产生纵向弯曲，补偿器不能做得太长，波纹总数一般不超过6个,故补偿能力受到限制 仅用在

24、P0.7MPa的管道上。,波纹管式补偿器,GB/T1277-99C以及GB/T14525-93国家标准,63,64,能吸收一个轴向位移 不能承受波纹管压力推力,（1）单式轴向,65,通过波纹管的柔性变形来吸收管线轴向位移; 运输固定螺栓保证在运输过程中波纹管的刚性支承,66,单实轴向波纹管补偿器用于煤气管线上,67,能吸收一个平面内的角位移 能承受波纹管压力推力,（2）单式铰链,68,能吸收任意平面内的角位移 能承受波纹管压力/推力,（3）单式万向铰链,69,有一个万向环，在万向环的周向有二对相互垂直的绞链构，因此它能吸收任意平面的角位移 吸收位移时需二个或三个组合使用.,70,西汉司马相如的

25、美人赋,西安沙坡村出土的唐代银质被中香炉 球体外径50毫米，制作精细、镂刻雅致,71,能吸收一个轴向与横向组合位移 不能承受波纹管压力推力,（4）复式自由,72,复式波纹管补偿器,73,74,能吸收任意平面内的横向位移 且能承受波纹管压力推力,（5）复式拉杆,75,由接管、波纹管、大拉杆构成. 能吸收管系任意平面内的横向位移 位移时拉杆上球面螺母绕球面垫圈转动 拉杆具有承受内压推力能力,76,大拉杆横向补偿器用于储罐管线上,77,能吸收一个平面内的横向位移 能承受波纹管压力推力,（6）复式铰链,78,能吸收任意平面内的横向位移 能承受波纹管压力推力,（7）复式万向铰链,79,能吸收轴向与横向组

26、合位移 能平衡波纹管压力推力,（8）弯管压力平衡,80,吸收轴向位移 平衡波纹管压力推力,（9）直管压力平衡,于补偿管系的轴向位移，内压推力自身平衡，适用于不易设置主固定支架的高位直管线或大直径管线中。,81,能吸收一个轴向位移 不能承受波纹管压力推力,（10）外压单式轴向,82,外压单式轴向补偿器,83,84,蒸气管线上的外压轴向波纹管补偿器,85,波纹管与受压筒节的连接型式,86,由芯管、外套筒和前后挡环组成,里面充满成型盘根填料和石墨柔性填料。 铸铁制成的用于P1MPa ，钢制：P1.6MPa 优点是体积小，补偿能力大。 主要用于因受地形限制不宜采用型补偿器的管道上。 使用时在两端管道的

27、适当位置设立导向支架，以保障补偿器的自由伸缩通道，防止管线发生偏弯时使填料函套筒卡住不起作用。,填料函式补偿器,87,由经石墨处理过的黑四氟线与芳纶交织，芳纶可扩大高压工况下的应用。 芳纶角线黑四氟盘根具有更优的润滑及热传导。 应用：同时兼备芳纶的强度，黑四氟的低磨擦、易导热的优点。 广泛应用于石化、造纸、制糖及电厂上的往复泵、混合机、反应副釜及阀门等。,芳纶纤维盘根,芳纶纤维是一种高强度的有机纤维，编织成的盘根再经浸渍聚四氟乙烯乳液和润滑剂。特别适用于含有固体颗粒介质的动密封部位。,88,由低硫膨胀石墨线编织而成，内衬棉纱线增强。 有极低的磨擦系数，良好的热传导性，耐化学性及高回弹性。根据要

28、求也可提供以下增强材料：玻璃纤维-高强度. 缓蚀型膨胀石墨盘根作为牺牲阳极加入的缓蚀剂可保护阀杆及填料。 应用：广泛应用于高温、高压恶劣工况下的加氢装置、造纸行业、电站、炼油厂及其它需要有效密封的阀门、泵类、膨胀节、混合机、搅拌器等。,石墨盘根,89,以纯聚四氟乙烯分散树脂为原料，先制成生料薄膜，再经过捻线，编织成盘根。无其他添加物，可广泛用于食品、制药、造纸化纤等有较高清洁度要求，和有强腐蚀性介质的阀门、泵上。,四氟盘根,纯四氟盘根(无油)：由原始生料经捻线编织而成，无外加润滑剂。 含油纯四氟盘根：四氟线经特殊润滑处理，适合动、静密封。 膨胀四氟盘根：由100的纯膨胀四氟线编织成。极柔软，低

29、冷流，高回弹，性能优于纯四氟盘根(无油) 应用：适用于压力不高的阀门及转速低的应用，但对介质纯度及抗蚀性要求较高的地方，如：食品行业、医药、造纸、化纤等。,90,碳纤维盘根,由预氧聚丙烯腈丝碳化丝编织成，并浸含有石墨颗粒的四氟乳液。适用于较高线速度的场合。碳丝有较高强度，良好热传导，四氟和石墨又起润滑，不会磨轴，能长期使用。 不锈钢丝增强碳丝纤维盘根：不锈钢丝增强了机械强度，常用于静密封。 应用：适合于弱酸、弱碱以及带有少量固体颗粒的介质，适用动、静密封，主要用于离心泵、柱塞泵、混合机、撑拌器及阀门。,91,管道补偿能力判别,如果满足该式，则认为安全，不需补偿。,92,热力管线配管中，为提高管

30、线热补偿能力，减小热应力，降低管道对管端设备的推力和力矩，常采用： 先将管道切去一段预定长度，安装时拉紧就位，冷紧值的大小根据管系的应力分析要求确定。 冷紧技术常与补偿器一起使用。,冷紧技术,93,5.6 管道布置设计,94,管道布置设计是管道设计中相当重要的环节： 正确的设计管道和敷设管道，对节省工程投资、保证正常生产作用极大。 化工管道的正确安装，不单是车间布置得整齐、美观的问题。对操作的方便，检修的难易，生产的安全性等都起着极大作用。,95,类型： 1）管道成排、集中敷设在管廊、管架或管墩上。 管廊 敷 设 规模大，联系设备数量多。管廊宽度可达10米以上，下方可布置泵和其他设备，上方可布

31、置空气冷却器 。 管 墩 敷 设 是一种位置较低的管架敷设。 常采用枕式混凝土墩、混凝土构架或混凝土和型钢的混合构架。,5.6.1 管道敷设种类,1架空敷设,96,管廊 敷 设,97,2）管道敷设在支吊架上。 支吊架通常生根于建筑物、构筑物、设备外璧或设备平台上。 3）管道敷设在以型钢组合成的槽架上。 如有色金属、玻璃、搪瓷、塑料等管道，其有的强度较低，有的脆性较高，利用管架起到保护作用。,98,2地下敷设,1）埋地敷设 易腐蚀 检查和维修困难，车行道下需特殊处理 低点排液不方便以及处理易凝物料较困难等。 只有在不可能架空敷设时才予以采用。 2）管沟敷设 分地下式和半地下式两种。 前者整个沟体

32、包括沟盖都在地面以下 后者的沟壁和沟盖有一部分漏出地面以上。管沟内通常设有支架和排水地漏。,99,5.6.2 管廊和管廊上管道的布置,（1）管廊形状及位置 设备数量较少的小型装置， 常用一端式或直通式管廊。 管廊在装置中的位置以能联系尽量多的设备、管廊长度尽量短为宜。,一管廊形式及主要尺寸,100,（2）管廊的柱距,管廊柱距由敷设管道的垂直荷重（管子自重、介质重、保温层重或其他集中载荷）引起的管壁弯曲应力和挠度决定的。 弯曲应力不超过管材的许用应力 装置内管道挠度一般不超过16mm 装置外管道挠度不超过38mm 一般管廊的柱距为68m，DN40以下管道用34m较合适,101,管架结构有单柱管架

33、、双柱管架之分 还有单层、双层之分。,（3）管架,102,二管廊上管道的布置,1敷设在管廊上管道种类 工艺管道 输送工艺物料的管道。 公用工程管道 仪表管道和电缆 2管廊上管道的布置 应考虑管径、设备位置、被输物料性质及热应力等因素。 对大口径管道，应尽量靠近柱子，以减少管架横梁弯矩。 管廊上的管道要与相连接的设备相适应，接往管廊左侧设备的管道应布置在管架的左侧，接往管架右侧设备的管道应布置在管架的右侧。 公用工程管道布置在管架的中间或双层管架的上层，易于向两侧引出。,103,输送低温或不能受热物料的管道，尽量远离蒸汽管道或不保温的管道，也不布置在热管道的上面。 输送腐蚀性介质的管道，应敷设在

34、管廊下层。 对高温管道必须考虑管道的热胀冷缩。 要考虑到管系在开停车时吹扫介质的温度产生的管道变位。,104,管道经人行道和道路上方时，不得安装法兰、阀门、螺纹接头及带填料的补偿器等可能泄露的组成件； 从管廊总管上引出的支管阀门要成行排列，设平台来启闭阀门； 小直径管道敷设在柱距较大的管廊上时，可由大直径邻管支承； 高温保温管道应设管托； 关于热补偿 尽量利用管道走向变化的自然补偿。 补偿器的弯头附近不要设置法兰或其他接管，避免应力过大造成损坏或渗漏。 为了减少和均衡冷热态时对固定点的推力，可对补偿器进行预拉伸,105,管廊上的管道一般以90弯管引向两侧。如管径较大，可采用45度弯管，以减少两

35、层的间距。 直径改变时用偏心异径管，底平，保持管底标高不变。 垂直相交的L型管廊上管道的标高，如果管道排列顺序不变，拐弯时则不须改变管廊的高度；如果管道排列顺序改变，拐弯时则必须改变管廊标高。其高度差因管径而异。,106,5.6.3 管道布置设计的一般要求,应按照阀门结构、工作原理、流向及制造厂的要求布置 所有安全、减压阀、控制阀，应便于调整及维修，并留有抽出阀芯的空间。 当阀位置过高时应设平台。手动阀门应布置在便于操作的范围内。 阀门宜布置在热位移小的位置。 换热器等设备的可拆端盖上，设有管口并需接阀门时，应有可拆管段，切断阀布置在拆卸区的外侧。 除PI图要求外，对于紧急处理及防火需要开或关

36、的阀门，应位于安全和便于操作的地方。 安全阀的管道布置应考虑开启时反力及其方向，其位置应便于出口管的支架设计。,一阀门布置,107,二.高点排气及低点排液,管系高点应备有排气口，低点处应备有排液口，并要位于容易接近的地方。 如果相同高度处有其它接口可以利用，可不另设排气口或排液口。 除管廊上管道外，对于公称直径小于或等于25mm的管道可省去排气口 对于蒸汽伴热管迂回时出现的低点处，可以不设排液口。 高点排气管的公称直径最小应为15mm； 低点排液管的公称直径最小应为20mm。当主管直径为15mm时，可采用等径的排液口。 设计时，所有排液口的最低点与地面或平台的距离不宜小于150mm。,108,

37、三.管沟内管道布置,方便检修及更换管道组成件。 沟内应设置排水设施。 管沟与铁路、道路、建筑物的距离，应根据建筑物基础的结构、路基、管道敷设深度、管径、流体压力及管道井的结构等条件来决定。 对于可通行管沟，在无可靠的通风条件及无安全措施时，不得布置窒息性及易燃性流体的管道。沟内过道净宽度不宜小于0.7m，净高度不宜小于1.8m。对于长管沟，应设安全出入口。 对于不可通行的管沟，当沟内布置经常操作的阀门时，阀门应布置在不影响通行的地方。 易燃流体的管道不宜设在密闭的沟内；在明沟中不宜敷设密度比空气大的易燃气体管道，以免遇明火引起爆炸。当不可避免时，应在沟内填满细砂，并定期检查管道使用情况，避免介

38、质泄漏。,109,四、管道支架、吊架选用,承重支吊架-承受管道载荷 限位支吊架-限制管道位移 振动控制装置-控制管道振动,支架-下部支承管重，承重部件受压缩载荷； 吊架-上方悬吊，承重部件受拉伸载荷。,110,1、承重支吊架,按管道垂直位移时支吊架载荷的变化情况,对管道任意方向位移都不产生约束 管道发生位移时支承力几乎不变。 适用于管道垂直位移量大的地方。 常用： 恒力弹簧吊架 (JB/T 8130.1-1999 )(GB10181-88) 重锤式恒力支(吊)架，一般用于荷载不大的场合(300kg以下)。,恒力支吊架 变力支吊架 刚性支吊架,恒力支吊架,111,H型恒力弹簧支吊架（简称恒吊）是

39、按力矩平衡原理设计的一种机械装置。当管道或设备产生位移时，只要在预定位移内，不管位移有多大，可始终获得恒定支撑力。,(JB/T 8130.1-1999),112,载荷,位移指示牌,调整螺栓,回转框架,生根螺栓,固定框架,拉板,滚轮,拉杆螺栓,弹簧,113,荷重随管道垂直位移变化而变化。 管道位移时，会受到支吊架附加力，垂直位移越大，支承力也越大。 弹簧支吊架适用于管道垂直位移不太大的地方。 常用的变力支吊架的标准荷重35-14000kg，行程0120mm 标准荷重-行程的中间值 选用：荷重变化率一般不超过标准荷重的20，位移量不超过行程范围的40,变力支吊架 （弹簧支吊架）,JB/T 8130

40、.2-1999)可变弹簧支吊架,HG/T 20644-1998 变力弹簧支吊架,114,支撑搁置型,115,上螺纹悬吊型,116,对管道垂直方向位移呈刚性约束，但允许管道在水平面内有位移。 适用于管道无垂直位移或垂直位移允许约束的地方。 刚性支吊架价格便宜，在可用场合应尽量采用。,刚性支吊架,117,2、限位支吊架,按特性分 限位装置 导向支架(导向装置) 固定支架,限位装置 用于管系中需限制某一方向位移的地方。 如采用拉杆 限制管道轴向位移； 采用夹持方式 限制管道横向位移。,导向支架 用于引导管道位移方向 用于限制横向位移和角位移， 允许轴向位移的场合。 水平管道的导向支架，一般都同时承受

41、管道的荷重 导向支架与限位装置无明确的分界。,固定支架 不允许有任何方向的线位移和角位移。,118,3、振动控制装置,支吊装置除恒力吊架外，都有不同程度的减振作用。 专门的振动控制装置常不承受管系质量。分减振装置和阻尼装置两类。,减振装置 弹簧式减振器： 通过提高管系固有频率达到减振效果 适用于控制持续性流体脉动引起的管道振动。 但在一定程度上限制了管道正常热胀位移。,阻尼装置 油压式阻尼铝： 利用油缸内的油高速通过阻力发生机构(如节流孔等)产生的阻力来达到减振目的 适用于控制冲击性的激振，如液击、地震等产生的振动和冲击。 阻尼装置对管道热胀冷缩位移没有限制。,119,弹簧减振器,120,7.

42、尾部关节轴承,6.行程指示刻度,5.阻尼控制阀,4.贮油缸,3.液压缸,2.活塞杆,1.头部关节轴承,液压阻尼器,121,4、管道支吊架选用,支吊架选用及设置是否合理，对管系应力水平和端部作用力大小有很大影响，必须慎重对待。 在决定管架位置时，即要决定管架间距(管道跨距)。 跨距须满足一定强度和刚度条件： 强度条件：管道轴向弯曲应力许用值 管道支架，介于简支和固支之间。管道中的最大弯距可按这两种情况的中间值来取.,刚度条件：管道在一定跨度下的挠度允许值。 一般工业管道规定:管曲所产生的转角不得大于管道的坡度,122,横梁的挠曲方程,简支梁均载下弯矩和转角,弯 矩,转 角,挠曲方程,转 角,12

43、3,q,固支梁布荷下的弯矩和转角,124,最大弯距 取中间值：,强度条件:,125,最大转角取最小值：,刚度条件:,坡度,跨距取强度和刚度条件确定的较小值,126,管道支吊架布置,应尽量保持管系有足够的柔性，尽量不影响管系的自然补偿 不宜在过于靠近弯头和支管连接部位设置导向支架 弹簧支吊架应设置在热胀等位移量小的地方。,对管系的管架位置，往往可以提出多种方案,评定各种方案的优劣，必须分析管系应力分布情况作，从而确定最佳方案。最佳方案应是安全可靠、使用管道支吊架数目少、组合得当，价格便宜、施工方便、便于安装和检修。,应尽量在靠近阀门等较重管件处设置支吊架,在垂直管道上设置管架时最好使管架位于管道

44、重心上方,应尽量 使机器/设备接口不承重,127,5.6.4 设备配管,设备配管一般原则,设备管嘴不承受过大载荷，所以管嘴附近应设固定支架，承受管重和热胀反力；,设备管道、阀门和仪表可能影响梯子设置，首先在设备操作侧设梯子，然后再进行管道布置；,管线一般布置在设备的管线侧，不应布置在操作侧,先布置直径较大的主管，由上向下布置，不会引起反复的修改返工,防止管线积液，阀门应在横管上，不得布置成袋形；,多台设备并联或多个进出口，应力求使管线分支的阻力相等，流量相等。,128,塔的配管1,129,塔的配管2,130,塔的配管3,131,换热器的配管,换热器管道布置，注意换热设备操作、检修和热应力等机械

45、因素。,132,换热器的配管2,成排集中布置的管壳换热器，除管箱端进出口管嘴取齐外，凡与管嘴相连接的管道标高应一致，以保持美观整齐；,对换热设备在阀门关闭后可能由于热膨胀或液体蒸发造成压力升高而易引发出事故的地方要设安全阀，出口管接往地面或操作面。,如果换热器带吊柱，配管时管道要避开吊柱工作区。,若阀门手轮中心线高度超出操作面21m，要用链轮操作阀门启动。,沿管壳式换热设备纵向中心线正上方，除设有固定吊粱外，不得布置管道，其余平行敷设的管道标高应一致。,133,空冷器的配管,同一类型的多台空冷器并联时应注意流体的均匀分配。,去空冷器的管子是两相流时，必须满足两相流对管道的要求，以保证液体和气体

46、均匀地分布到每个管束。一般需要对称布置管道。,当管嘴多于六个时，每六个管口一个联箱，以保证流量分配均匀。而且各支管伸入集合管内50mm，以利液体均匀分配。,当一个联箱的管嘴少于或等于六个时，从联箱中间进料，每侧只供三个管嘴。出口管也同样设计。,134,机器配管一般原则,机器管道如产生大的热应力，应保证管嘴上的力和位移有一定的限制，应在管嘴附近设管道支、吊架；,必须考虑机器间歇吸入、排出流体产生的脉动，可在出口安装缓冲罐，尽量靠近机器；,机器本体不平衡会引起管道振动，要缩短支架间距以提高管道刚性，适当采用固定支架、限位支架和导向支架；,在施工过程中，不可避免地在管内残留焊渣等杂物，试运转时，机器

47、吸入口要装临时过滤器；,输送含固体颗粒流体的机器，为减小管道压降和沉积物堵塞管道，可在进口管道上设置过滤器；,管道走向不能影响设备的操作和检修。,135,泵的配管1,管道的热应力 由于泵是回转机械，较小的管系推力作用在管嘴上会使回转轴定位偏移，引发振动和单侧磨损，要规定泵嘴允许承受的力和力矩。 在进行热应力计算时必须记住备用泵一侧的管道温度较低，要考虑相对伸长量最大的不利因素。在管道施工时，必须使管法兰与泵嘴法兰中心线一致，且法兰面平行，当确认其间隙仅是垫片的余量后把紧螺栓，以减少施工的残余应力。,吸入管道必须确保经常处于正常工作状态，防止产生汽蚀象，应使有效汽蚀余量最少是泵所要求汽蚀余量的1

48、.3倍以上。,吸入管系统气体积聚也会发生汽蚀，因此在吸入管上不得有气袋。,输送含有固体颗粒液体时，如果吸入速度低于其沉降速度，固体颗粒会沉降，要用偏心大小头底平，用排气阀排除大小头处积聚的气体。当泵吸入管系统中有U型部分时，应在其高点设排气口，一般情况不得有袋形。,当最低液面与泵入口高度差确定后，为提高有效汽蚀余量，应减少人口管系统的阻力。对于输送高温液体的泵，为增加管道挠性而增加弯管时，应对有效汽蚀余量进行核算。,136,泵的配管,若泵从池内抽液，吸入管底部要设底阀和过滤网,吸人管最低处要设放净阀。,小间隙泵(如凸轮泵、螺旋泵、齿轮泵、活塞泵、比例泵等)吸人口要设永久过滤器， 一般每个泵设置

49、一个过滤器，放在泵吸入口与吸入口切断阀之间。,当液体进入泵时，偏流、涡流会使扬程改变，出现气阻、液体与叶片不接触等现象，造成振动噪声，性能劣化。 为防止这种现象的发生，侧面吸人的离心泵，人口处要有一段长度L3d的直管段。不能设直管段时，应在泵嘴附近装整流管或加导流板以防止偏流和涡流。,137,泵出口管道设计,泵出口管对性能影响较小，主要考虑管系压降和热应力。一般出口管比吸人管小1-2级、流速增大，不易产生气阻。为防止流体倒流,在泵出口与切断阀之间设止回阀.,常把孔板、调节阀和其他限流设施装在出口管上。,电动往复泵,出口和切断阀之间要装安全阀；安全阀出口接至泵吸入口和切断阀之间。 汽动往复泵,视

50、具体情况决定是否需安全阀。 其他形式的泵，只有在阀关闭时，系统压力可能高到损坏管道或其他设备时才设安全阀。,输送含固体颗粒液体:为减少压降和沉积，泵入、出口管道均采用45度斜接， 阀门尽量靠近分支处。,出口压力表应设在泵出口与切断阀之间。,138,压缩机的配管1,a往复式压缩机的管道设计,往复式压缩机的间歇吸入和排出将产生气体的压力脉动，引起振动，可能造成管道破裂或影响仪表工作。,为减少气体压力脉动，应在压缩机的入口和出口安装缓冲罐，位置要靠近压缩机管嘴。,尽量减少管道弯头的个数和采用曲率半径较大的弯头。,压缩机本体及其基础的设计要牢固。,加大管道支架的刚性，增多支架数量并且管道支架要做独立基

51、础，不与压缩机及厂房合用，所以支架基础也成为决定厂房大小的一个因素。,其他管道不可与压缩机管道合用一个支架，以免传递振动,为增加刚性，管道支架用钢筋混凝土制作，并要降低高度，管道由螺栓固定在支架上。 缓冲罐的固定螺栓要用双螺母或其他方法固定防松。,吸人和排出管道上靠近管口的放空、放净阀的接管和压力表的导压管的壁厚要增加，并用筋板加固，以免受振后破裂。,要避免产生共振，压缩机的工作频率要避开管道的固有频率。,139,压缩机的配管1,a往复式压缩机的管道设计,要防止凝液进入压缩机气缸，必须在各段吸人口前设凝液分离罐。当吸入饱和状态气体时，可用加热夹套以防冷凝，也可在吸入口装过滤器，在管道设计时要设

52、置备用过滤器或旁路并考虑清洗的方便。,压缩机停机时不允许有凝液回流。当压缩机出口气体接近饱和状态时，出口管上要设置排凝罐，同时安装一个止回阀。压缩机出口气体不是饱和状态的，由于排出气体中多带有润滑油，出口处要设置分离罐分离润滑油。,压缩机入口管径较大，过长会浪费钢材，并且吸人管过长会增加动力消耗，所以入口管应短而直。凝液分离罐要尽量靠近压缩机人口。,140,压缩机管道仪表流程图,冷凝器所用冷却水由厂区冷却水系统来，切断阀前有一DN25旁通阀，切断阀后有放净阀；,压缩机入口有切断阀、过滤器,缓冲罐,旁通阀,放净阀,切断阀,141,压缩机的配管2,离心式压缩机,连续排气，可不考虑振动，但转子转速高

53、，故轴找正要求非常高，对管道作用力有较严格的限制，当外壳上有多个管嘴时，所有管嘴上的力都作用在外壳上，要核算壳体所受的偏心力。,如不能在管嘴上方设支架，应在机体附近设支承点以承受管系重力。,若管系自身重力完全由支架支承，仅核算由热胀产生的作用力。如作用力超过允许值时，可改变弯管形状及管系的支承设计，充分利用限位支架及导向支架。一般用几组限位支架来控制管道位移方向并承受管系热胀产生的推力和力矩。,限位支架的节点最好可调。对回转部件造成的高频振动，要注意螺栓防松。,管道的设计温度要考虑管道的工作温度，还要考虑冷却水系统故障时可能达到的最高温度和压缩机内温度的影响。,142,压缩机的配管3,汽轮机（

54、膨胀机）,汽轮机以蒸汽作为动力，电源故障时驱动备用泵和压缩机等，如消防泵等。,为避免杂物和水进入汽轮机，要求在入口管上设置过滤器、凝液包或分水器。,为了增加蒸汽通过汽轮机的压降，多做功，往往在汽轮机的出口加冷凝器以冷凝汽轮机排出的蒸汽，这种汽轮机叫凝汽式汽轮机，把汽轮机排出的蒸汽部分进入冷凝器冷凝，部分抽出供低压蒸汽系统的汽轮机叫抽汽式汽轮机。,疏水汽轮机外壳的底部要接连续排水的疏水器，排出在汽轮机内形成的冷凝水。,汽轮机启动时加热太快会造成振动，所以蒸汽入口管要有一带限流孔板的旁通，以保证任何时候都有少量的蒸汽进入汽轮机暖机，以便随时可以启动汽轮机。,蒸汽压力过高时会造成汽轮机转速过高或外壳

55、超压损坏，所以在蒸汽入口管上要设安全阀和调节阀，以保持恒定的汽轮机转速。,143,5.7 管道设计图的绘制,144,管道设计文件的组成： 装置配管设计图、设计说明书及表格。 配管设计图由下列几项组成： （1）装置设备平面、立面布置图； （2）管道平面、立面布置图，局部详图； （3）管道空视图； （4）管道支吊架平面布置图（必要时绘制）； （5）管道支吊架图（包括标准支吊架的汇总图表和非标准支吊架施工图）； （6）拌热管立体图； （7）管道非标准配件制造图； （8）单管管段图。此项一般由施工单位自行绘制。,5.7.1概述,145,设计说明书； 管道材料选用等级表； 管道材料规格表（材料清单）；

56、工艺管道规格表； 弹簧支吊架规格表； 其他必要的说明资料； 资料目录。,配管设计文件中的文字资料和表格有：,146,5.7.2 管道布置图的绘制,图幅A0，比较简单的也可采用A1或A2。 常用比例1:25、1:50，也可用1:100。 标高、坐标均以米为单位，其他尺寸以毫米为单位，只注数字，不标单位。管道公称直径以毫米表示。 在平面布置图的右上角要绘出方向标，该方向标应与设备布置图上的方向标相一致。 管道平面布置图应按不同的标高分层绘制管廊以不同层的管排分层。框架按不同标高的平台分层。 管道立面图的主要目的在于补充平面图难以表达的管道竖面布置情况，可以刨视的方法分层表示。 每张管道布置图均应独

57、立编号，一套图纸用同一个编号，图纸总张数为分母，顺序号为分子。,一一般要求,147,二管道平、立面图的内容及表示方法,根据装置平面、立面布置图，绘出本区范围内的建、构筑物的大小和位置。 所有设备（包括设备基础、平台、梯子）、机泵予以定位，对于大型机泵画出大致轮廓。 绘出G版PID上表示的管道走向及其所有组成件阀门管件等。大型复杂的特殊阀门以画出其大致轮廓外形。对流程图上没有表示的低点放净和高点防空管也应画出。 标注出表示管道特征的标志，如管径、介质类别、管道编号、隔热、伴热、介质流向、坡度、坡向等。某些有方向的管道组成件，如截止阀、止回阀、调节阀、孔板流量计等，宜在该组成件附近标注介质流向。,

58、148,标注出表示管件的技术规格数据。 如异径管的公称直径、阀门型号、过滤器型号、仪表管嘴规格等。阀门和过滤器的型号在平、立面图上仅标注一次。 标注管道的定位尺寸、标高和某些管道组成件，如阀门、孔板、仪表管嘴的定位尺寸和标高。 管道拐弯时，尺寸界线应定在管道轴线的交点上 ：,149,在设备接管口处应注出垫片的厚度。管道组成件的中心作为尺寸（立面图上为标高）的定位点。,150,管道定位尺寸应与建筑物、构筑物的轴线，设备机泵的中心线，装置边界线或分区界线相关联。建筑物、构筑物的轴线，设备机泵的中心线应单独标注。,151,立式圆筒形设备周围的管道常常分层绘制。沿器壁敷设的管道常常穿过多层平面，在标注

59、时，此类管道应在其上端与设备接口管连接处以及下端拐向管廊或其他设备处，注出全部尺寸和角度。中间各层如果管道没有改变其平面位置，尺寸和角度可以省略。 配管尺寸完全相同的多组管道（如加热炉火嘴，多台同型号的压缩机等），可以选择其中一组标注细部尺寸，其他各组可适当省略。但应在图纸中说明。对称布置的管道不可以省略。,152,为便于定位及核对，与相邻接续的管道连接点的位置的尺寸标注应与邻区某一座标（如中心线、轴线等）相关联。,153,对弯管应标注其弯曲半径，并画出直线与弧线的切点。管段尺寸则注至直管轴线的交点 。,管道预拉伸尺寸的标注方法见图,154,立面图上表示管道及其组成件安装高度时，通常只注相对标高，必要时也可注尺寸。,平、立面图上均应绘出设备及管道的保温符号。,155,