第七章 化工管路设计

第七章管道布置设计第一节概述化工装置是由各种单元设备以系统的、合理的方式组合起来的整体。而各单元设备间则是由管道连接起来的。故管道布置设计是化工设计的一项重要内容，它是以带控制点工艺流程图，最终确认的设备布置图，以及土建、自控、电气、采暖通风、给排水、外管等有关专业所提出的设计条件图和有关资料作为依据对管路做出综合性的布置设计。本章简述了化工装置中管道布置设计的有关内容，使之对化工管路设计有个概括的了解。7.1管道设计基础一、管道设计条件1.设计压力2.设计温度3.其他与设计有关的因素二、管道的分类及选用1.压力管道2.管子的分类3.管子的通径和壁厚的确定4.管道材料的选用5.管道等级三、管道组成元件1.阀门的形式及选用2.法兰的形式及选用3.垫片的形式及选用4.管件7.2绝热工程保温工程即为绝热工程：具体内容：1.需要设置保温工程的工况；2.防烫保护情况；3.保冷范围；4.绝热结构设计；5.管道保温层厚度计算。7.3化工管路设计内容及要求一、设计原则（p253）1.管道布置设计必须符合管道仪表流程图（PID）的设计要求，应做到安全可靠、经济合理，并满足施工、操作、维修等方面的要求；2.管道布置必须遵守安全及环保的法规，对防火、防爆、安全防护、环保要求等条件进行检查，以便管道布置能满足安全生产的要求；3.管道布置应满足热胀冷缩所需的柔性；4.对于动设备的管道，应注意控制管道固有的频率，避免产生共振；5.管道布置应严格按照管道等级表和特殊件表选用管道组成件；6.在确定进、出装置的管道方位与敷设方式时，应做到内外协调；7.厂区内的全厂性管道的敷设应与厂区整体协调；8.管道布置应符合“化工装置设备布置设计工程规定”中的有关要求。二、化工车间管道布置设计的任务⑴确定车间中各个设备的管口方位和与之相连接的管段的接口位置。⑵确定管道的安装连接和铺设、支承方式。⑶确定各管段（包括管道、管件、阀门及控制仪表）在空间的位置。⑷画出管道布置图，表示出车间中所有管道在平面、立面的空间位置，作为管道安装的依据。⑸编制管道综合材料表，包括管道、管件、阀门、型钢等的材质、规格和数量。三、设计内容

1.管子、管件、和阀门的选择。2.管路的布置设计。3.管道支吊架的配制。4.管路的绝热设计。5.管路的涂漆和防腐设计。6.管路的柔性计算与应力分析。7.综合材料表的编制。8.配管工程说明。四、管道布置的基本要求(一)管道布置的一般要求

1.管道布置的净空高度应符合有关的设计规定。2.应按国家现行标准中许用最大支架间距的规定进行管道布置设计。3.管道尽可能架空敷设，如必要时，也可埋地或管沟敷设。4.管道布置应考虑操作、安装及维护方便，不影响起重机的运行。在建筑物安装孔的区域不应布置管道。

5.管道布置设计应考虑做支吊架的设计，使管道尽量靠近已有建筑物或构筑物，但应避免使柔性大的构件承受较大的荷载。6.有条件的地方，管道应集中成排布置。裸管的管底与管托底面取齐，以便设计支架。7.无绝热层的管道不用管托或支座。大口径薄壁裸管及有绝热层的管道应采用管托或支座支承。8.在跨越通道或转动设备上方的输送腐蚀性介质的管道上，不应设置法兰或螺纹连接等可能产生泄露的接点。9.管道穿过为隔离或易爆介质的建筑物隔离墙时应加套管，套管内的空隙应采用非金属柔性材料填充。管道上的焊缝不应在套管内。10.消防水和冷却水总管以及下水管一般为埋地敷设，管外表面应按有关规定采取防腐措施。11.埋地管道应考虑车辆荷载的影响，管顶与路面的距离不小于0.6mm,并应在冻土深度以下。(二)设计的工艺要求⑴符合工艺流程要求，能满足生产要求；⑵便于操作管理，能保证安全生产；⑶便于管道的安装和维护；⑷要求整齐美观，尽量节约材料和投资。需考虑的因素：①物料因素，②施工操作及维修，③安全生产，④其它因素（三）管架和管道的安装布置用来支承、固定和约束管道的设施，分室外、室内两类。按《管架通用系列》选用。管道支架分：固定支架、滑动支架、导向支架、弹簧吊架等。1.管道排列的基本原则垂直面排列：⑴热介质管道在上，冷介质管道在下；⑵无腐蚀性介质的管道在上，有腐蚀性介质的管道在下；⑶小管道应尽量支承在大管道上方或吊在大管道下方；⑷气体管道在上，液体管道在下；⑸不经常检修的管道在上，检修频繁的管道在下；⑹高压介质管道在上，低压介质管道在下；⑺保温管道在上，不保温管道在下；⑻金属管道在上，非金属管道在下；⑼公用工程管道在上，工艺管道在下水平面排列（尤其对于必须在室内布置、沿墙敷设的管道）：⑴大管道靠墙、柱，小管道在外；⑵常温管道靠墙，热管道在外；⑶不经常检修的管道靠墙，经常检修的管道在外；⑷高压管道靠墙，低压管道在外。（四）管道敷设的方式管道敷设的方式有：地面以上敷设和地面以下敷设两大类。（1）地面以上敷设通称架空敷设，是化工装置敷设的主要方式，它具有便于施工、操作、检修及经济等特点。架空敷设主要表现在管道成排地集中敷设在管廊、管架或管墩上。有些特殊的管道，如某些有色金属管和大多数非金属管道由于其强度低或脆性大，因此在支撑上要给予特别的考虑。（2）地下式敷设分为埋地敷设和管沟敷设a）埋地敷设：其优点是利用地下空间，使地面以上空间较为简洁，不需要支撑措施；其缺点是管道腐蚀强，检查和维修困难，在车行道处有时需要特别处理以承受大的载荷，低点排液不便及易凝油品凝固在管内时处理困难，带隔热层的管道很难保持其良好的隔热功能等，故只有架空敷设不可能时，才予以采用。b）管沟敷设：其优点是利用地下空间，并提供较为方便的检查维修条件，还可敷设设有隔热层的高温、易凝介质或腐蚀介质的管道；其缺点是费用高，占地面积大，需设排水点，易积聚或串入油气，增加不安全因素，污物清理困难。（五）管道布置在设计中应注意的问题1.管道应力⑴应力分析的内容及其目的管道设计为了避免管道及管道对相邻设备施加超出能承受的压力。在设计过程中必需对这些管道进行应力分析。以解决它们的强度、钢度、振动等问题，为管道的设计提供科学根据。管道应力分析分为静力分析和动力分析。静力分析包括：a、压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算：防止塑性变形破坏；b、管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算：防止疲劳破坏；c、管道对设备作用力的计算：防止作用力太大，保证设备正常运行；动力分析包括a、管道自振频率分析：防止管道系统共振；b、管道强迫振动响应分析：控制管道振动及应力；c、往复式压缩机（泵）气（液）柱频率分析：防止气柱共振；d、往复式压缩机（泵）压力脉动分析：控制压力脉动值。

影响应力的因素：主要考虑以下几点：a、温度荷载：应考虑热胀（或冷缩）受约束而产生的位移应力对管系的影响；b、压力荷载：主要对管道和管件的强度校核以及内压或外压所产生的一次应力对管系的影响；

c、质量荷载：包括管道及附加结构的质量荷载，流体的质量荷载（包括水压试验部分）、绝热层的质量荷载，以及可能有冰或雪的质量荷载所产生的一次应力对管系的影响；d、动力荷载：包括冲击荷载、风荷载、地震荷载、振动荷载以及流体排放的反作用力等。

管道的热补偿固然引起管道应力的原因较多，但由管道和设备的热膨胀引起的问题是最主要的，也是最复杂的，为了防止管道热膨胀而产生的破坏作用，在管道设计中需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。除了少量管道采用波形补偿器等专业补偿器外，大多数管道的热补偿是靠自然补偿来实现的。a、自然补偿：改变管道的局部走向，以增加管道的柔性；选用弹簧支吊架，利用弹簧支吊架放松约束；在条件许可的情况下，改变设备及固定管架的位置，以增加管系自然补偿能力。b、选用补偿器常用的补偿器有4种：Π形补偿器（膨胀弯管）、波形补偿器和套管式补偿器及球形补偿器Π形补偿器结构简单、运行可靠、投资少，在石油化工管道设计中广泛采用；波形补偿器补偿能力大、占地小，但制造较为复杂，价格高，适用于低压大直径管道；套管式和球形补偿器因填料容易松驰，发生泄漏，在剧毒及易爆介质管道中严禁采用。

2.管道支架对于长管道，为了防止管道的挠度过大，需要设置管道支架。其作用为：承受管道的重量荷载、阻止管道发生非预期方向的位移、控制管道的摆动和冲击。各种管架的分类及其作用如下表：管架分类表序号大分类

小分类用途

1承重管架1）刚性支吊架用于无垂直位移的场合2）可调刚性支吊架用于无垂直位移，但安装误差要求严格的场合3）可变弹簧支吊架用于少量垂直位移的场合4）恒力弹簧架

用于垂直位移较大或要求支吊点的荷载变化率不能太大的场合

2限制性管架5）固定架用于固定处，不允许有线位移和角位移的场合6）限位架用于限制任一方向线位移的场合7）轴向限位架用于限制管道轴向线位移的场合8）导向架用于允许有管道轴向位移，但不允许有管道横向位移的场合3减振支架

9）减振器用于限制或缓和管道振动10）阻尼器用于限制或缓和管道振动管道间距图示3.管道坡度对于停止生产时要求靠重力排净积存介质的管道，敷设时应有坡度，按介质排放时的流动方向倾斜，倾斜度可取1/1000-3/1000，对于粘性物料，坡度应更大一些。4.管道间距管道间距考虑管道保温和拧紧法兰螺栓所需要的距离。5.管道留孔当管道穿越楼板、屋顶或其它混凝土构件，在土建施工时应预留管孔，留孔的直径以比管道最大部位直径大10mm左右为宜。7.4管道布置图又称管道安装图或配管图，是管道施工安装的依据。一、概述(一)管道布置应保证安全、正常生产及操作检修方便的前提下，力求整齐美观，创造良好的生产环境。(二)管道布置应根椐具体生产物点，结合设备布置、建筑物和构筑物情况进行综合考虑。(三)绘制管道安装图时，首先应考虑看图人的方便，同时也考虑制图简便。(四)绘图人应根据管道仪表流程图及设备布置图、设备图等资料，进行详细分析考虑，然后适用恰当的表达，以最小的图形将各部分管道配置清晰、完整而又主次分明地表达出来。(五)图形布置要适当、均匀、不要太挤，且比例符合要求。二、一般规定(一)图幅管道布置图图幅应尽量采用A0，比较简单的也可采用A1或A2。同区的图应采用同一种图幅。图幅不宜加长或加宽。(二)比例常用比例为1：30，也可采用1：25或1：50，但同区的或各分层的平面图，应采用同一比例。(三)尺寸单位管道布置图中标注的标高、坐标以米为单位，其余的尺寸一律以毫米为单位，只注数字，不注单位。(四)图名标题栏中的图名一般分成两行书写，上行写“管道布置图”，下行写“EL×××.×××平面”，或“A—A、B—B…剖视等”。三、图纸宽度及字体规定(一)图线1.所有图线都要清晰光洁、均匀、宽度应符合要求。平行线间距至少要大于1.5mm，以保证复制件上的图线不会分不清或重叠。2.图线宽度分三种：a、粗线0.9-1.2mm、b、中粗线0.5-0.7mmc、细线0.15-0.3mm。3、图线用法的一般规定表7-16图线用法的一般规定(二)字体1.图纸和表格中所有文字（包括数字）书写必须字体端正、笔划清楚、排列整齐、间距均匀、粗细一致,应符合国家现行标准及有关要求。2.汉字要尽可能写成长仿宋体或者（至少）写成正楷体（签名除外），并以国家正式公布的简化字为标准。3.字号、字体高度应符合表7-17的规定。4.外文字母的大小应符合表7-17的规定，外文字母必须全部大写，不得书写草体。

表7-17字体高度四、管道布置图的内容1.管道布置图一般只绘平面图。当平面图中局部表示不够清楚时，可绘制剖视图或轴测图，此剖视图或轴测图可画在管道平面布置图边界线以外的空白处或绘制在单独的图纸上。有的局部管道比较复杂，因受比例限制不能表示清楚时，应画出局部放大图。2.对于多层建筑物、构筑物的管道平面布置图应按层次绘制，如在同一张图纸上绘制几张平面图时，应从最底层起，图纸上由上而下或由左至右依此排列，并于各平面图下注明“EL100.000平面”或“EL×××.×××平面”。3.在绘有平面图的图纸右上角、管口表的左边，应画一个与设备布置图的设计北向一致的方向标。4.厂房、建筑物外形，标注建构筑物标高及厂房方位。5.用细实线按比例以设备布置图所确定的位置画出所有设备的外形和基础。标注设备位号、设备名称以及设备的定位尺寸。6.同一位号两套以上的设备，如接管方式完全相同，可以只画其中一套的全部接管。其余几套可画出与总管连接的支管接头和位置。7.表示所有管道、管件及仪表的位置、尺寸和管道的标高、管价位置及管架编号等。8.操作平台的位置及标高。9.标高均以±0.000为基准，单位为mm。例见附图7-1车间管道布置图五、管道布置图图例管道转折、交叉及重叠的俯视图式法，如图7-2至7-4所示。管道布置图中管道及阀门图例见附录表3-2至图3-4所示。图7-2管道转折的表示方法六、管道布置图的绘制P129附CAD7-1七、管道布置图的阅读P129

图7-4重叠管道的表示方法7.5典型设备的管道布置一、容器的管道布置（一）立式容器的配管设计1,排出管道沿墙敷设距离可以小些，以节省占地面积，设备间距要求大些，两设备出口管道对称排出，出口阀门在两设备见操作，以便操作人员能进入切换阀门（见图7-8）。

2.排出管在设备前引出。设备间距及设备离墙距均可以小些，排出管道经阀门后一般引至地面或地沟或平台下或楼板下（见图7-8）。图7-10进入管道对称安装图7-11进入管敷设在设备前部3.排出管在设备底部中心引出，适用于设备底部离地面较高，有足够距离安装与操作阀门。这样敷设管道短，占地面积小，布置紧凑，但限于设备直径不宜过大，否则开启阀门不方便，如图7-9所示。4.进入管道为对称安装（见图7-10），适用于需在操作台上安置启闭阀门的设备。图7-12站在地面操作的较高设备的进入管道5.进入管敷设在设备前部，适用于能站在地（楼）面上操作阀门（见图7-11）。6.站在地面上操作的较高进（出）料管道的阀门敷设方法见图7-12。最低处必须设置排净阀。卧式槽的进出料口位置应分别在两端，一般进料在顶部，出料在底部。（二）卧式容器的配管P262

图7-97-10图7-11，7-12二、换热器的管道布置1．冷换设备管道的布置方法应方便操作和不妨碍设备的检修不应影响设备抽出管束和内管。2．管道和阀门的布置，不应妨碍设备法兰和阀门自身法兰的拆卸和安装。图7-15组成冷换设备的管道布置3.冷