第五章 管道设计与布置

第七章管道设计与布置教学内容：第一节概述第二节工艺管道的设计计算第三节管道布置设计第四节管道布置图教学目的与要求：了解不同设计阶段管道的要求，掌握管道的种类、计算和标注。重点与难点：管道的种类、计算和标注。思考题1、解释概念：公称直径、公称压力、管件、管路死角2、按照规定管道压力可分为几个等级？3、发酵工厂常用管材？4、无缝钢管的标注方法？5、管道局部阻力的计算方法有哪几种？6、管道热补偿的形式？7、发酵车间管道布置的特点？8、管道涂色？第一节概述管道设计布置工作量约占工厂工艺设计工作总量的40%；管道安装工作量约占工程安装工作总量的35%；管道的费用约占工程总投资的20%。一、管道设计与布置的意义二、管道设计与布置的内容管道设计计算管道布置设计管径计算、管壁厚计算、管道压降计算、管道保温绝热工程、管道应力分析、热补偿计算、管件选择、管道支吊架计算等。设计绘制表示管道在空间位置连接，阀件、管件及控制仪表安装情况的图样。具体内容如下：1、选择管道材料输送介质的化学性质、流动状态、温度、压力等因素。2、选择介质的流速介质的性质、输送的状态，及相接的设备、流量等。3、确定管径流量和流速。4、确定管壁厚度介质的压力及所选择的管道材料5、确定管道连接方式管道---管道，管道--设备，管道---阀门，设备---阀门。6、选阀门和管件有分、有合、转弯、变速等。弯头、三通、异径管、法兰等管件和各种阀门。7、选管道的热补偿器采用转弯、支管、固定等方式自然补偿；选择合适的热补偿器。8、绝热形式、绝热层厚度及保温材料的选择9、管道布置确定管道的敷设方式——明装或暗设。在垂直面和水平面的排布。10、计算管道的阻力损失校核检查选泵、选设备、选管道等前述各步骤是否正确合理。11、选择管架及固定方式、确定管架跨度、选定管道固定用具12、绘制管道图平、剖面配管图、透视图、管架图和工艺管道支吊点预埋件布置图等。13、编制管材、管件、阀门、管架及绝热材料综合汇总表14、选择管道的防腐蚀措施表面处理方法和涂料及涂层顺序，编制材料及工程量表。第二节工艺管道的设计计算一、管道、管件及阀门的选用（一）基本概念公称直径——将管子和管道用的零部件的直径加以标准化以后的标准直径。公称压力——管道、管件、阀门在一定温度范围内的最大允许工作压力。（二）管道1、管道材料的选择（1）选择依据输送介质的温度、压力以及腐蚀情况、货源、价格等。金属类非金属类——耐温高、耐压高，易加工、安装。——耐腐蚀性能好，品种多，但耐热、耐压不高。（2）分类（3）生物工厂常用的管材常用作埋于地下的给水总管及污水管；化工厂用来输送碱液及浓硫酸；铸铁管不能用来输送蒸汽及在压力下输送爆炸性与有毒的气体。a.铸铁管a.铸铁管b.钢管c.有色金属管d.非金属管b.钢管无缝钢管品质均匀且强度大，可用来输送有压力的物料、水蒸汽、高压水、过热水以及可燃性和有爆炸危险的及有毒性的物料。水煤气钢管常用作给水、煤气、暖气、压缩空气、真空、低压蒸汽和冷凝液以及无腐蚀性物料的管道。不锈钢输送有腐蚀性介质、氨水、酸、碱等，且有温压的或食品卫生要求高的管道，可耐800-950℃高温。c.有色金属管铜管与黄铜管多用作低温管道（冷冻系统）、仪表的测压管线。铜、铅、铝或铝合金管。铝管常用来输送浓硝酸、醋酸、甲酸等物料，但不能抗碱，在温度大于160℃时不宜在压力下操作，极限工作温度为200℃。铅管常用作硫酸管道或酸性物料管道，但由于强度低，重量大，抗热性差等缺点，已逐步被耐酸合金管，尤其为塑料管所代替。品种很多，如硬聚氯乙烯管、软聚氯乙烯管、聚四氟乙烯管、搪玻璃管、耐酸酚醛塑料管、玻璃管、耐酸陶瓷管、胶管等。d.非金属管（三）管道的连接（1）焊接特点：施工方便，可靠不漏，成本低。凡是不需要拆装的地方，都应尽量采用焊接。所有压力管道都应尽量采用焊接。电焊：管径大于32mm，厚度在4mm以上的管道。气焊：管径在32mm以下，厚度在3.5以下的管道。（2）螺纹连接特点：连接简单，拆装方便，成本低。缺点：连接的可靠性低，容易在螺纹处发生渗漏。一般只用于输送上、下水，压缩空气等介质的管道。不宜用于易燃、易爆和有毒介质的管道。（3）法兰连接特点：结合强度高，密封可靠，拆装方便，应用极为广泛。缺点：费用较高。一般用于大管径，密封性要求高的管道连接。（4）卡箍连接特点：拆装灵活。适用于临时装置或要求经常拆洗的洁净管。用凸缘式管口，管与管之见用O形密封圈，凸缘外用金属扎紧。（四）常用阀门1、阀门选择依据①阀门的功能②阀门尺寸③阻力损失④阀门材质2、常用阀门的特性和选用条件(1)闸阀特点：流体阻力小，具有一定的调节性能。主要用途：用以启闭管路或设备中的介质，具有一定的调节流量性能，从阀杆的升降高低可以看出阀的开度大小。(2)截止阀特点：流体阻力大，密封性能差。主要用途：主要用以启闭管路或设备中的介质，可调节流量，不适宜带颗粒和粘度大的介质。注意安装方向。(3)球阀特点：流体阻力小，快速启闭，结构简单，体积小。主要用途：用于切断介质，不能作调节流量。适于低温、高压及粘度大的介质。(4)止回阀特点：靠流体自身力量开闭，限制介质流动方向，介质不能倒流。主要用途：主要用于防止介质倒流。适用于清净介质，不适宜带颗粒和粘度较大介质。注意安装方向。(5)蝶阀特点：开闭迅速，结构简单，外形尺寸小，密封性差。主要用途：只适用于调节流量，不能用于切断管路。(6)旋塞阀特点：开闭迅速，流体阻力小，重量轻。主要用途：适用于温度较低、粘度较大的介质和要求开关迅速的部位。一般不适用于蒸汽和温度较高的介质。(7)针形阀特点：能精确地控制流体流量。主要用途：主要用于取样管道上。(8)隔膜阀特点：结构简单，密封性能好。主要用途：适用于温度小于200℃，压力小于1.0MPa的油品、水、酸性介质，不适用于有机溶剂和强氧化剂的介质。(9)安全阀特点：在工作压力超过规定值时自动开启使流体外泄，压力回复后自动关闭，以保护设备和管道，使生产安全运行。主要用途：应用于锅炉、管道和各种压力容器中。(10)减压阀流体通过阀瓣时产生阻力，造成压力损耗，达到减低压力的目的。主要用途：在蒸汽管道中应用较广。(11)疏水阀特点：自动排除设备或管道中的冷凝水，又同时阻止蒸汽的逸出。主要用途：凡是需要蒸汽加热的设备、蒸汽管道等都应装疏水阀。3、阀门型号（五）常用管件在管道上，常用的管件有如下几种：（1）连接管件（2）导流管件（3）分合流管件①管堵用于需要经常检修和具特殊用途的管道堵塞。（1）连接管件②异径管（大小头）用于改变管道的直径。③内牙管外牙管（2）导流管件—弯头用于改变流体方向之用。90°弯头45°弯头180°弯头（3）分合流管件等径三通用于将流体分成几条流向或合并流体为同一流向。异径三通1、管道材料金属类：非金属类铸铁管、钢管、有色金属管2、管道的连接：焊接、螺纹连接、法兰连接、卡箍连接3、常用阀门：闸阀、截止阀、球阀、止回阀、蝶阀、旋塞阀、针形阀、隔膜阀、安全阀、减压阀、疏水阀等4、常用管件连接管件：管堵、异径管、内牙管、外牙管导流管件：弯头分合流管件：三通、四通等小结：二、管径、壁厚的计算先求出液体的流量，根据流体在管内的流量、流速与管径之间的关系即可计算出管道的内径d：1.88(Q/W)1/2。(一)管径的计算与选择18.8()QdmmwQ——流体流量(m3/h)w——流体的流速(m/s)(二)管子壁厚的计算根据公称压力Pg和工程直径Dg，可以查表确定管壁厚度。如果工作压力和温度过高，则应进行验算，其计算公式为：2PdSCPS——钢管允许最小壁厚(mm)d——管子内径(mm)[σ]——许用应力(kPa)φ——焊缝系数，无缝钢管1，直焊缝钢管0.8P——试验压力(kPa)P=KPgPg——工作压力（表压，kPa）K——压力系数；Pg≤98kPa,K=2Pg≥245kPaK=1.5C——壁厚附加量，C=C1+C2+C3C1——壁厚负偏差，壁厚的10~15%mmC2——腐蚀裕度C3——加工减薄量，螺纹管为螺纹深度，常见55圆锥状管螺纹=1.2~1.5mm三、管道压力降的计算流体在管道中流动时，遇到各种不同的阻力，造成压力损失，以致流体总压头减小。总阻力H直管阻力H1局部阻力H2直管阻力(沿程阻力)是流体流经一定管径的直管时，由于摩擦产生的阻力。它是伴随着流体流动同时出现的。局部阻力是流体在流动中，由于管道的某些局部障碍(如管道中的管件、阀门、弯头、流量计及管子出人口等)所引起的。△P——压力降kPaH1——直管阻力m流体柱λ——摩擦系数l、d——管道总长度、内径mγ——流体重度kg/m3w——流体流速m/s221或22lwlwPHdgdg(一)直管阻力H1计算(二)局部阻力H2计算常用两种方法：当量长度法；阻力系数法。1.当量长度法：流体通过某一管件或阀门时，因局部阻力而造成的压力损失，相当于流体通过与其具有相同管径的若干米长度的直管的压力损失，这个直管长度称为当量长度，用符号le表示。2．阻力系数法流体通过某一管件或阀门的压头损失用流体在管路中的速度头(动压头)倍数来表示这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法。21(流体柱)2whmg22(流体柱)2wHmgh1——局部阻力损失的压头m流体柱w——管路中流体速度m/sξ——阻力系数，实验测定计算过程中，根据经验计算流体阻力。当量长度法为主。例如，某一个输送系统的管路中，如直管的长度为l(m)，则在计算该系统的流体总阻力H时，取(l+∑le)为l的1.3至2倍，即：H=(l+∑le)=(1.3~2)l在选取这个倍数时，须考虑到管路的长短、形状(直的或弯的)、管径的大小和管路中管件及阀门等的数目多少。四、管道的热补偿计算为了防止管道热膨胀而产生的破坏作用，在管道设计中需要考虑自然补偿或设置各种形式的补偿器，以吸收管道的热膨胀或端点位移。(一)管道的热变形与热应力计算一根自由放置的长度为l的管子，因温度变化△t而引起的伸长为:△L=lα△tα—管材的线膨胀系数，钢为12×10-6。若管道两端固定，管道受到拉伸或压缩时，由温度变化而引起热应力，热应力产生的轴向推力P为：p=σF=Eα△t.F式中E——材料的弹性模数，2.1×1011PaF——管子截面积(m2)(二)管道热补偿设计1.自然补偿自然补偿利用管道敷设时自然形成的转弯吸收热伸长量。这个弯管段就称自然补偿器。(1)L形补偿当管道有90°转弯时，称L形补偿(2)Z形补偿L型与Z型补偿可查有关算图设计五、管道的绝热设计（1）减少设备、管道及其附件的热（冷）量损失；（2）保证操作工人的安全；（3）冬季，用保温来延缓或防止设备、管道内液体的冻结；（4）用耐火材料绝热可提高设备的防火等级。1、绝热的功能2、绝热结构绝热层防潮层保护层利用保温材料的优良绝热性能，增加热阻，减少散热防潮、防水保护保温层免受外力和雨水侵袭，并使保温结构外形整洁美观。3、绝热材料的性能和种类（1）绝热层材料（2）防潮层材料a)石油沥青或改质沥青玻璃布；b）石油沥青玛缔脂玻璃布；c）油毡玻璃布；d）聚乙烯薄膜；e）符合铝箔。（3）保护层材料a)镀锌或不镀锌薄钢板；b）铝或合金铝板；c）带铝箔玻璃钢板。六、管道的防腐与标志1、管道防腐管道外多以涂层防腐。2、管道标志第三节管道布置设计一、管道布置设计的任务：用管道把车间布置固定下来的设备连接起来，使之成为一条完整连贯的生产工艺流程。二、管道布置设计的主要依据①带控制点的工艺流程图；②设备布置图；③设备装配图、管口方位图、设备安装详图；④厂房建筑平、立面图；⑤有关配管规范、要求。三、管道布置设计的主要原则1、物料因素（1）输送有毒或有腐蚀性介质的管道不得在人行道上空设置阀体、法兰等；若与其他管道并列时，应在外侧或下方安装。（2）输送易燃、易爆介质的管道不应敷设在生活间、楼梯和走廊等处；一般应设置安全阀、防爆膜、阻火器等防火防爆安全装置。（3）输送