第九章管道设计与布置

1、第三部分第三部分 发酵工厂工艺设计发酵工厂工艺设计 第十七章第十七章 管道设计与布置管道设计与布置 17.1 概概 述述 17.2 工艺管道的设计计算工艺管道的设计计算 17.3 管道布置设计管道布置设计 17.1 概概 述述 一、管道布置设计的意义 物料输送、设备连接 工厂设计的一个组成部分和重要内容 关系到建设指标、生产操作等问题； 在施工图阶段，工作量最大、花时间最多； 二、管道设计与布置的内容和步骤 （一）内容 管道的设计计算 管道的布置 （二）步骤 1、管道材料的选择； 2、介质流速的选择； 3、管径的选择； 4、管壁厚度的确定； 5、确定管道的连接方式； 等径连接，不等径连接； 6

2、、选阀门和管件； 合适的弯头、三通、异径管、法兰， 各种阀门 7、选管道的热补偿器； 热膨胀长度小：转弯、支路、固定等自然补偿方式； 热膨胀长度大：波形、方形、弧形、套筒形等热补偿方 式； 8、绝热形式、绝热厚度及保温材料的选择； 9、管道的布置； 敷设方式：明装或暗设； 10、计算管道的阻力损失：计算几段典型管道； 11、选择管架及固定方式； 12、确定管架跨度； 13、选择管道固定用具； 14、绘制管道图； 15、编制综合汇总表； 16、选择管道防腐措施； 17.2 17.2 工艺管道的设计计算工艺管道的设计计算 一、管子、管件和阀门的选择 （一）公称直径、公称压力 管子、法兰和阀门标准化

3、的基本参数； 1、公称直径 定义 为了使管子、法兰和阀门等连接尺寸统一，将管子和 管道用的零部件的直径加以标准化后的标准直径，称 为公称直径，以Dg表示。其后附公称直径的尺寸； 管子的公称直径 与管子的外径接近但小于外径的数值； 如：管子Dg150，外径159mm； 法兰和阀门的公称直径 指与它们相配的管子的公称直径； 管路的各种附件和阀门的公称直径 一般等于附件和阀门的实际直径； 2、公称压力 定义 把管子、法兰和阀门等所承受的工作压力分成若干 规定的压力等级，称为公称压力，一般大于或等于 实际工作压力，以Pg表示； 如公称压力为25105Pa，表示为Pg25； 根据Dg和Pg 选择标准管道

4、、法兰和阀门，以及密封结构和材料 公称压力分类 低压：2.5、6、10、16（ 105Pa）； 中压：25、40、64、100（ 105Pa）； 高压：160、200、250、300（ 105Pa）； （二）管材的选择 根据输送介质的温度、压力以及腐蚀情况进行选择 常用管材 普通碳钢、合金钢、不锈钢、铸铁、铜、铝以及非 金属材料等； 1、钢管 （1）无缝钢管 碳钢； 输送带压力的物料、蒸汽、压缩空气； 热扎：外径32600mm，壁厚2550mm； 冷拉：外径4150mm，壁厚112mm； （2）电焊钢管 螺旋电焊钢管 碳钢板条；用于大口径（200）的低温低压管道； 钢板卷管 碳钢板；用于大口径

5、（600）的低温低压管道； （3）水煤气钢管 碳钢； 镀锌与否（白铁管和黑铁管）； 用于低温低压水道； （4）不锈钢管 用于输送有腐蚀性介质、氨水、酸、碱等； 2、铸铁管 用于室外给水或室内排水，输送碱液、浓硫酸； 3、有色金属管 铜管、黄铜管；铝管； 4、非金属管 （1）硅酸盐材料管 陶瓷管、玻璃管 耐腐蚀性好，耐压低，性脆易碎； 钢筋混凝土管、石棉水泥管 用于室外排水； （2）塑料管 （硬）聚氯乙烯（卷）管 用于输送温度在60以下的腐蚀性介质； 软聚氯乙烯管、酚醛塑料、聚四氟乙烯管等 （3）橡胶管 耐酸碱，抗腐蚀性好，可任意弯曲；作临时管道； （三）管件与阀门 管件（管路附件） 短管、弯头

6、、三通、异径管、法兰、盲板、阀门等 1、弯头 改变管路的方向，有90、45、180弯头； 2、三通 用于两条管道连通、或需旁路分流时， 3、短接管和异径管（大小头） 4、法兰、活络管接头、盲板 用于可拆连接； 手孔、人空或有的管端用盲板； 5、阀门 用来调节流量，切断或切换管道，对管道起安全、 控制作用； 旋塞阀 用于温度和压力较低或介质含颗粒或悬浮物的流体 管道中，介质黏度较低； 截止阀 常用于水、蒸汽、压缩空气、真空、油品介质； 闸阀 一般用于大管道中做启闭阀； 隔膜阀 适应于输送酸性介质和带悬浮物的流体管道； 在发酵工业中常用；橡皮隔膜应耐高温； 球阀 常用于发酵罐的配管中； 针形阀 控

7、制流量，发酵中常用于取样管道； 止回阀 阻止流体倒流；单向阀， 安全阀 控制压力不超过允许值； 减压阀 把压力降低到所需压力； 疏水阀：排除蒸汽冷凝水； 蝶阀：用于调节流量； 二、管径计算 （一）管径计算与选择 根据流体的流量、流速与管径的关系，求出管的内 径： d=18.8(Q/w)0.5 d：管内径，mm； Q：流体的流量，m3/h； w：流体流速，m/s； 根据计算的管径，选用合适的管径值（稍大些）； 复核； （二）管道介质流速的选择 根据输送介质的种类、性质和输送条件选择合适的 流速； 原则 液体流速：一般不超过3m/s； 气体流速：一般不超过100m/s； 与允许的压力降也有关； 三

8、、管子壁厚的计算 根据公称压力Pg和公称直径Dg，查表确定管壁厚度； 在较高工作压力和温度下，需进行验算； S=Pd/(2P)+C (mm) S：钢管所允许的最小壁厚，mm； P： 试验压力，KPa； P=K Pg 其中 Pg：工作压力（表压力， KPa）； K：压力系数，Pg98KPa，取2；Pg245KPa ，取1.5： d：管内径，mm； ：许应压力，KPa； ：焊缝系数，无缝钢管取1，直缝焊钢管取0.8，螺 旋缝焊接钢管取0.6 ； C：壁厚附加量（mm） C=C1+C2+C3 其中 C1：壁厚负偏差，通常为壁厚的1015%； C2：腐蚀裕量，当介质对管子的腐蚀速度0.05mm/a 时

9、，单面腐蚀取11.5mm，双面腐蚀取22.5mm； C3：加工减薄量，螺纹管子为螺纹的深度，无螺纹 C3=0，常见的55圆锥管螺纹C3=1.21.5mm； 四、管道压力降的计算 总阻力H 直管阻力H1 指流体流过一定直径的直管时，由于摩擦作用而产 生的阻力，又称沿程阻力； 局部阻力H2 指由于管道中的某些局部障碍，如管件、阀门、弯 头、流量计等所引起的阻力； 造成压力降，流体的总压头减少； （一）直管阻力H1的计算 计算公式： H1=P=(l/d)w2/(2g) H1：直管阻力，m流体柱； P：直管压力降，KPa ； ：摩擦系数，为雷诺数Re与管壁粗糙度的函数，查有 关手册； l：管道总长度，

10、m； d：管内径，m； ：流体重度，kg/m3； w：流体流速，m/s； g：重力加速度，9.81m/s2； （二）局部阻力H2的计算 方法 当量长度法； 阻力系数法； 1、当量长度法 指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，相当于流体通过相同管径而造成的相 同压力损失相应的直管的长度，这个直管长度称为 当量长度，以le表示。 局部阻力H2 设各种局部阻力之和为le，则H2： H2=(le/d)w2/(2g) 总阻力H H=H1+H2=(l+le）/dw2/(2g) 式中各项意义同上； le由实验确定，以管径的倍数表示 2、阻力系数法 指流体通过某一管件或阀门时的压头损失，用

11、流体 在管路中的速度头（动压头）倍数表示，这种方法 称为阻力系数法； 压头损失h1 h1=w2/(2g) h1：因局部阻力而损失压头， m流体柱； ：比例系数，称为阻力系数，由实验确定； 压头（能量）损失之和h2 h2=w2/(2g) （m流体柱） ：局部阻力系数之和； 与le的关系 =（le/d） 经验计算法 采用当量长度法，计算流体总阻力H，取(l+le）为 直管长度l的1.32.0倍； (l+le）= （1.32.0）l 计算管道阻力或压力降时，需考虑15%的富裕量； 五、管道热补偿的计算 （一）管道的热变形与热应力计算 热变形 因温度的变化t引起管子长度的变化L ， L=lt l：自由

12、放置管子长度； ：管材的线膨胀系数，钢为12106； 热应力 管道两端固定，由温度变化产生热应力，由此产生 的轴向推力p为： p=F=E tF E：材料的弹性模数，钢为2.11011Pa； F：管子截面积，m2； 直径大，直管段长，管壁厚的管道，需进行热应力 计算； 如发酵工厂中的锅炉蒸汽管道； （二）管道热补偿的设计 1、自然补偿 利用管道敷设时自然形成的转弯吸收热伸长量的方 法称为自然补偿； （1）L形补偿 90转弯称为L形补偿； L1=1.1 (L2Dw/300)0.5 L1：短壁长度，m； L2：长壁L2的膨胀长度，m； Dw：管子的外径，mm； （2）Z形补偿 管道呈Z形； 弯曲许应

13、压力： =(6LE Dw)/L2(1+12K) ：管子弯曲许应压力，一般700105Pa； L：热膨胀长度， L= L1+L2 ； E：材料的弹性模数，钢为2.11011Pa； Dw：管子的外径，cm； L：垂直壁长度， cm； K：短壁与垂直壁之比， K=L1/L； 垂直壁长L根据实际情况确定，由此可计算K值： K= (LE Dw)/(2L2)1/12 计算过程 假设L1+L2 计算膨胀量L 计算K值 计算短 壁长度L1 得到长壁长度L2 2、补偿器补偿 类型 方形补偿器：最常用，制造方便，补偿能力大； 波形补偿器：补偿能力小，； 填料函形补偿器：结构简单，补偿量大； 方形补偿器 有管子煨制

14、制而成，或有冲压弯头组对而成； 4种形式：壁长A与边长B的关系 B=2A B=A B=0.5A B=0 先计算管道的热膨胀长度L，确定补偿方式； 制作时，应使弯曲半径R等于4倍管子公称直径或外 径； 安装时，应予拉伸补偿长度的一半， L/2； 17.3 管道布置设计管道布置设计 一、车间管道布置设计的任务和原则 1、车间管道布置设计的任务 是用管道把车间的设备连接起来，形成一条完整连 贯的生产工艺流程； 车间管道布置合理、正确，才能使管道和设备运转 顺利通畅，使整个工厂的生产操作顺利、有效； 主要依据 带控制点的工艺流程图、设备布置图（施）、土建 图和有关的配管规范； 2、车间管道布置设计的原则 （1）满足生产需要和工艺设备的要求，便于安装、检 修和操作管理，使工厂车间整齐美观； （2）尽可能使管线最短、阀门最少； （3）车间管道一般采用明线敷设； （4）普遍采用沿墙、楼板底或柱子的成排安装法； （5）管架标高不影响车辆和行人，距地面高度要大 于4.5m； （6）分层布置时，大管径、热介质、气体、无腐蚀 性介质和保温管道在上；其他管道在下。引支管时， 气体管从上引出，液体管从下引出； （7）大管径、常温、支管少、不常检修和无腐蚀性 介质管道靠墙；其余管道靠外； （8