压力管道设计基础

1压力管道设计基础(压力管道检验员资格考核培训班专题讲座)南京工业大学过程装备研究所董金善5.1概述5.1.1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。2008年4月30日国家质量监督检验检疫局总局颁布实施TSGR1001-2008《压力容器压力管道设计许可规则》，对压力管道按危险程度分成4类9个级别。类别级别备注长输管道（GA类）GA1国家质检检总局批准、发证GA2公用管道（GB类）GB1省质量技术监督局批准、国家发证GB2工业管道（GC类）GC1国家局批准、发证GC2省局批准、国家发证GC3省局批准、国家发证动力管道（GD类）GD1国家局批准、发证GD2省局批准、国家发证5.1.2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2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．编制设计说明书所有设计文件必须进行校对、审核，部分图纸还要进行审定，5.1.3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》GB/T20801.1-2006《压力管道规范工业管道》第1部分：总则GB/T20801.2-2006《压力管道规范工业管道》第2部分：材料GB/T20801.3-2006《压力管道规范工业管道》第3部分：设计和计算GB/T20801.4-2006《压力管道规范工业管道》第4部分：制作与安装GB/T20801.5-2006《压力管道规范工业管道》第5部分：检验与试验3GB/T20801.6-2006《压力管道规范工业管道》第6部分：安全防护GB50028-2002《城镇燃气设计规范》GB5001-1991《石油化工企业设计规范》GB50251-2003《输气管道工程设计规范》GB50253-2003《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/T74—90-1994《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》GB50369-2006《油气长输管道工程施工及验收规范》4HG/T20644-1998《变力弹簧支吊架》SH/T3041-2002《石油化工管道柔性设计规范》SH/T3073-2004《石油化工管道支吊架设计规范》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5.2压力管道总体布置（设计）及安全规程5.2.1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(1)满足工艺要求、材料、结构形式、柔性、抗振能力、各种组件、附(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(3)(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5.2.2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5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)一般产生爆炸必须具备三个条件：①存在可燃气体、易燃液体的蒸汽或薄雾；②上述物质与空气混合，其浓度达到爆炸极限；③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6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3m5.3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5.3.1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5.3.2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(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7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(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。5.3.3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材料牌号使用温度范围℃材料牌号使用温度范围℃Q235AＦ0～250纯钛≤350Q235A0～350铝-268～15020R-20～475铜、黄铜-196～20020g-20～475纯铝≤12016MnR-14～475硬铝≤14016Mn-40～475灰铸铁≤2500.5Mo≤520球墨铸铁≤350Cr18Ni9-196～7005.3.4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).5.3.5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8冷缩的功能，在5.3.6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种情况进行计算Q=4D２·u(5—1)D——内径(m)Q——容积流量(m３／ｓ)ｕ——流速(m／ｓ)(1)D(2)Q(3)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［３］表5.3物料一般流速范围流体名称(m/s)饱和蒸汽主管３０～４０支管２０～３０低压蒸汽＜１．０ＭＰａ（绝压）１５～２０中压蒸汽１.０～４.０ＭＰａ（绝压）２０～４０高压蒸汽４.０～１２.０ＭＰａ（绝压）４０～６０过热蒸汽（主管）４０～６０（支管）３５～４０9一般气体（常压）１０～２０高压乏气８０～１００蒸汽（加热蛇管）（入口管）３０～４０氧气０～０．０５ＭＰａ（表压）５.０～１０２．０～３．０ＭＰａ（表压）３.０～４.０车间换气通风（主管）４.０～１５（支管）２．