管道设计课后作业

1.查阅《压力容器压力管道设计单位资格许可与管理规则》和《GB

/T20801.1-2006压力管道规范工业管道第1部分：总则》等

标准规范，并简述压力管道的设计类别、级别的划分方法。

答：压力管道设计类别、级别的划分（一）长输管道为GA类，级别划分为：

1.符合下列条件之一的长输管道为GA1级：

（1）输送有毒、可燃、易爆气体介质，设计压力P>1.6Mpa的管道；（2）输送有毒、可燃、

易爆液体介质输送距离:指产地、储存库、用户间的用于输送商品介质管道的直接距离）>200km

且管道公称直径DN2300mm的管道；（3）输送桨体介质，输送距离250km且管道公称直

径DN”50mm的管道；

2.符合下列条件之一的长输管道为GA2级：

（1）输送有毒、可燃、易爆气体介质，设计压力P<l.6Mpa的管道；（2）GA1（2）范围

以外的管道；（3）GA1（3）范围以外的管道。

（二）公用管道为GB类，级别划分为：

1.GB1:燃气管道；2.GB2:热力管道。

（三）工业管道为GC类，级别划分为：

1.符合下列条件之一的工业管道为GC1级：

（1）输送GB5044《职业性接触毒物危害程度分级》中，毒性程度为极度危害介质的管道；

(2)输送GB50160《石油化工企业设计防火规范》及GBJ16《建筑设计防火规范》中规定的

火灾危险性为甲、乙类可燃气体或甲类可燃液体介质且设计压力P24.0MPa的管道；

(3)输送可燃流体介质、有毒流体介质,设计压力P>4.0MPa且设计温度大于等于400。<2的

管道；

(4)输送流体介质且设计压力P>10.0Mpa的管道。

2.符合下列条件之一的工业管道为GC2级：

(1)输送GB50160《石油化工企业设计防火规范》及GBJ16《建筑设计防火规范》中规定的

火灾危险性为甲、乙类可燃气体或甲类可燃液体介质且设计压力P<4.0Mpa的管道；

(2)输送可燃流体介质、有毒流体介质，设计压力P<4.0Mpa且设计温度大于等于400°(:的

管道；

(3)输送非可燃流体介质，无毒液体介质，设计压力P<lOMpa且设计温度大于等于40CTC

的管道；

(4)输送液体介质，设计压力P<lO.OMpa且设计温度<400℃的管道。

2.简述：何谓应用标准体系？管子系列标准如何分类？法兰系列标

准如何分类？

管子分两种A系列B系列

A系列通常说是美标口径2”就是60

B系列通常说是国标口径2”就是57

法兰分类方式很多

按国内行业分有化工HG机械JB石化SH等等。

按国家分ANSI美标GB国标JIS日标DIN德标等

按法兰类型分有平焊PL活套SO对焊WN盲板BL松套LJ等

按材质分碳钢不锈钢合金钢铸钢等

3简述:管道压力等级的概念？管道设计时设计压力和设计温度如

何确定？什么条件是最苛刻条件？

GA1,GA2,GB1,GB2,GC1,GC2低压管道公称压力不超过2.5MPa中压

管道公称压力4-6.4MPa高压管道公称压力lOTOOMPa超高压管道公

称压力超过lOOMPa压力管道级别的划分6.1长输管道为GA类，级别划

分为：6.1.1符合下列条件之一的长输管道为GA1级：a）输送有毒、

可燃、易爆气体介质，设计压力P>L6MPa的管道；b）输送有毒、可燃、

易爆液体介质，输送距离（注1）2200Kni且管道公称直径DN2300mni的

管道；c）输送浆体介质，输送距离250Km且管道公称直径DN2150mm的

管道。6.1.2符合下列条件之一的长输管道为GA2级：a）输送有毒、

可燃、易爆气体介质，设计压力PWL6Mpa的管道；b）GAIb）范围以外

的长输管道；c）GAIc）范围以外的长输管道。6.2公用管道为GB类，

级别划分为：GB1、燃气管道；GB2、热力管道。6.3工业管道为GC类；

级别划分为：6.3.1符合下列条件之一的工业管道为GC1级：a）输

送GB5044《职业性接触毒物危害程度分级》中，毒性程度为极度危害介质

的管道；b）输送GB50160《石油化工企业设计防火规范》及GBJ16《建筑

设计防火规范》中规定的火灾危险性为甲、乙类可燃气体或甲类可燃液体

介质且设计压力P24.0MPa的管道；c）输送可燃流体介质、有毒流体

介质，设计压力P24.0MPa且设计温度大于等于400C的管道；d）输

送流体介质且设计压力P210.OMPa的管道。6.3.2符合下列条件之一的

工业管道为GC2级：a）输送GB50160《石油化工企业设计防火规范》及

GBJ16《建筑设计防火规范》中规定的火灾危险性为甲、乙类可燃气体或甲

类可燃液体介质且设计压力P<4.OMPa的管道；b）输送可燃流体介质、

有毒流体介质，设计压力P<4.OMPa且设计温度2400℃的管道；c）输

送非可燃流体介质、无毒流体介质，设计压力P<10.OMPa且设计温度2400C

的管道；d）输送流体介质，设计压力PVO.OMpa且设计温度<400℃的管

道；注1：输送距离指产地、储存库、用户间的用于输送商品介质管道的

直接距离

第二问=======2管道设计温度系指管道在正常工作过程中，在相应设计压

力下可能达到的管道材料温度。工艺系统专业人员根据化工工艺专业提供的

正常工作过程中各种工况的工作温度，按“最苛刻条件下的压力温度组合”

来选取管道设计温度。由工艺系统专业提出的管道设计温度（本节中即是管

道中介质的最高工作温度）可由以下方法确定：2.6.1以传热计算或实

测得出的正常工作过程中介质的最高工作温度下的管道壁温，作为设计温

度。2.6.2在不便于传热计算或实测管壁温度的情况下，以正常工作过程

中介质的最高（或最低）工作温度作为管道设计温度。2.6.2.1金属管

道a）不保温管道1）介质温度V38C管道管道设计温度=介质最

高温度2）介质温度》38℃管道管道设计温度=95%介质最高温

度b）外部保温管道管道设计温度=介质最高温度c）内保温管道

（用绝热材料衬里）管道设计温度=传热计算管壁温度或试验实测的管壁

温度d）介质温度W0℃时设计温度=介质最低温度2.6.2.2非金属

管道及非金属衬里的金属管道a）无环境温度影响的管道管道设计温

度=介质最高温度b）安装在环境温度高于介质最高温度的环境中的管道

（除已采取防护措施者以外）

管道设计温度=环境温度

2.6.3以化工工艺专业提出的正常工作过程中介质的正常工作温度加（或

减）一定裕量作为设计温度，按下式确定：介质正常工作温度为0〜300C,

设计温度2介质正常工作温度+30℃介质正常工作温度大于300℃,设计

温度2介质正常工作温度+15C2.6.4当流体介质温度接近所选材料允许

使用温度界限时，应结合具体情况慎重选取设计温度，以免增加投资或降低

安全性。如：按2.6.3计算结果会引起更换高一档的材料时，从经济上考虑，

允许按工程设计要求，将15℃附加量减小，但工艺必须有措施，使运行中不

至于超温。2.7其它说明当工作压力和对应工作温度有各种不同工况

或周期性的变动时，工艺系统设计者应将化工工艺专业提出的各种工况数据

列出，并向管道材料专业加以说明。设计的基础就是：一定要管道的，是

什么材质的需要选择，重要的是细节的东西：上面的一些配件三通，四通，

弯头，阀门，温度计，伸缩节，过滤器，压力表，温度计，流量计，阻火圈等

等等等安全阀，通气阀，减压阀，疏水器等等等等等安装专业，设备动

力专业用的就是：管道和介质外加设备，以及介质的源泉（量的东西）要做

就是选择配件和型号例如电就是利用电缆，空气开关，开关，熔断器，漏

电保护

4管道应力分析主要包括哪些内容，各种分析的目的是什么？

1.进行应力分析的目的是1）使管道应力在规范的许用

范围内；2）使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的标

准；3）计算出作用在管道支吊架上的荷载；4）解决管

道动力学问题；5）帮助配管优化设计。2.管道应力

分析主要包括哪些内容？各种分析的目的是什么？答：管道应

力分析分为静力分析和动力分析。1）静力分析包括：（1）

压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算一一防止塑性变形破

坏；（2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二

次应力计算一一防止疲劳破坏；（3）管道对设备作用力的计

算一一防止作用力太大，保证设备正常运行；（4）管道支吊架的

受力计算一一为支吊架设计提供依据；（5）管道上法兰的受力计

算一一防止法兰泄漏；（6）管系位移计算一一防止管道碰撞和

支吊点位移过大。2）动力分析包括：（1）管道自振频率分

析一一防止管道系统共振；（2）管道强迫振动响应分析一一控制

管道振动及应力；（3）往复压缩机气柱频率分析一一防止气柱共

振；力分析的目的是1）使管道应力在规范的许用范围

内；2）使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的标

准；3）计算出作用在管道支吊架上的荷载；4）解决管

道动力学问题；5）帮助配管优化设计。2.管道应力

分析主要包括哪些内容？各种分析的目的是什么？答：管道应

力分析分为静力分析和动力分析。1）静力分析包括：（1）

压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算一一防止塑性变形破

坏；（2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二

次应力计算一一防止疲劳破坏；（3）管道对设备作用力的计

算一一防止作用力太大，保证设备正常运行；（4）管道支吊架的

受力计算一一为支吊架设计提供依据；（5）管道上法兰的受力计

算一一防止法兰泄漏；（6）管系位移计算一一防止管道碰撞和

支吊点位移过大。2）动力分析包括：（1）管道自振频率分

析一一防止管道系统共振；（2）管道强迫振动响应分析一一控制

管道振动及应力；（3）往复压缩机气柱频率分析一一防止气柱共

振；

5常见的管道连接方法有哪些？各自的适宜使用条件如何

1、管道丝扣连接（镀锌钢管、衬塑镀锌钢管）

2、管道法兰连接（需要拆卸、与设备阀门等连接）

3、管道焊接，（工作压力在0.IMPa以上的蒸汽管道、一般管径

在32mm以上的采暖管道以及高层建筑消防管道可采用电、

气焊连接。）

4、管道承插口链接（一般用于室内、外铸铁排水管道的承插口

连接）

5、管道粘接连接（管道粘接不宜在湿度很大的环境中进行，操

作场所应远离火源，防止撞击），

6、管道卡套式链接（铝塑复合管）

7、管道热熔链接（目前，多用于室内生活给水PP—R管、PB

管的安装）

8、铜管连接（在建筑供水系统中使用铜管，其连接方式主要有

卡套式和焊接两种）

9、沟槽式链接（用钢管切割机将钢管按所需长度切割，切口应

平整，切口毛刺应用砂轮机磨平，使其端面平整光滑）

10、柔性排水铸铁管链接（A型承插橡胶圈法兰压盖连接W型不

锈钢卡箍内衬橡胶圈连接）

11、薄壁钢管链接

12、HDPE埋地排水管道热收缩带链接

6.简答压力管道工程材料选用的一般原则？

压力管道金属材料的选用原则

①满足操作条件的要求首先应根据使用条件判断该管道是否承受压力，属于哪一类压力

管道。不同类别的压力管道因其重要性各异，发生事故带来的危害程度不同，对材料的要求

也不同。同时应考虑管道的使用环境和输送的介质以及介质对管体的腐蚀程度。例如插入海

底的钢管桩，管体在浪溅区腐蚀速度为海底土中的6倍：潮差区腐蚀速度为海底土中的4

倍。在选材及防腐蚀措施上应特别关注。

②可加工性要求材料应具有良好的加工性和焊接性。

③耐用又经济的要求压力管道，首先应安全耐用和经济。一台设备、一批管道工程，在

投资选材前，必要时进行可行性研究，即经济技术分析，拟选用的材料可制定数个方案，进

行经济技术分析，有些材料初始投资略高，但是使用可靠，平时维修费用省；有的材料初始

投资似乎省，但在运行中可靠性差，平时维修费用高，全寿命周期费用高。

7简述常用阀门类型并回答应从哪些方面评定阀门质量？

“阀’'的定义是在流体系统中，用来控制流体的方向、压力、流量的装置。阀门是使配管和设备内的介

质(液体、气体、粉末)流动或停止并能控制其流量的装置。

阀门是管路流体输送系统中控制部件，它是用来改变通路断面和介质流动方向，具有导流、截止、调

节、节流、止回、分流或溢流卸压等功能。用于流体控制的阀门，从最简单的截止阀到极为复杂的自控系

统中所用的各种阀门，其品种和规格繁多，阀门的公称通径从极微小的仪表阀大至通径达10m的工业管路

用阀。阀门可用于控制水、蒸汽、油品、气体、泥浆、各种腐蚀性介质、液态金属和放射性流体等各种类

型流体的流动，阀门的工作压力可从0.0013MPa到lOOOMPa的超高压，工作温度从-269℃的超低温到1430匕

的高温。阀门的控制可采用多种传动方式，如手动、电动、液动、气动、蜗轮、电磁动、电磁液动、电液

动、气液动、正齿轮、伞齿轮驱动等；可以在压力、温度或其它形式传感信号的作用下，按预定的要求动

作，或者不依赖传感信号而进行简单的开启或关闭，阀门依靠驱动或自动机构使启闭件作升降、滑移、旋

摆或回转运动，从而改变其流道面积的大小以实现其控制功能。

阀门的分类

1.按作用和用途分类

(1)截断阀：截断阀又称闭路阀，其作用是接通或截断管路中的介质。截断阀类包括闸阀、截止阀、

旋塞阀、球阀、蝶阀和隔膜阀等。

(2)止回阀：止回阀乂称单向阀或逆止阀，其作用是防止管路中的介质倒流。水泵吸水关的底阀也

属于止回阀类。

(3)安全阀：安全阀类的作用是防止管路或装置中的介质压力超过规定数值，从而达到安全保护的

目的。

(4)调节阀：调节阀类包括调节阀、节流阀和减压阀，其作用是调节介质的压力、流量等参数。

(5)分流阀：分流阀类包括各种分配阀和疏水阀等，其作用是分配、分离或混合管路中的介质。

(6)排气阀:排气阀是管道系统中必不可少的辅助元件，广泛应用于锅炉、空调、石油天然气、给排

水管道中。往往安装在制高点或弯头等处，排除管道中多余气体、提高管道路使用效率及降低能耗。

2.按公称压力分类

(1)真空阀：指工作压力低于标准大气压的阀门。

(2)低压阀：指公称压力PNW1.6Mpa的阀门。

(3)中压阀：指公称压力PN为2.5、4.0、6.4Mpa的阀门。

(4)高压阀：指工称压力PN为10〜80Mpa的阀门。

(5)超高压阀：指公称压力PNNlOOMpa的阀门。

3.按工作温度分类

(1)超低温阀：用于介质工作温度t<-io(rc的阀门。

(2)低温阀：用于介质工作温度一100eW5—40℃的阀门。

(3)常温阀：用于介质工作温度-4(rc0wi2(rc的阀门。

(4)中温阀：用于介质工作温度120℃

(5)高温阀：用于介质工作温度t>45(TC的阀门。

4.按驱动方式分类

(1)自动阀是指不需要外力驱动，而是依靠介质自身的能量来使阀门动作的阀门。如安全阀、减压阀、

疏水阀、止回阀、自动调节阀等。

(2)动力驱动阀：动力驱动阀可以利用各种动力源进行驱动。

电动阀：借助电力驱动的阀门。

气动阀：借助压缩空气驱动的阀门.

液动阀：借助油等液体压力驱动的阀门。

此外还有以上几种驱动方式的组合，如气-电动阀等。

(3)手动阀：手动阀借助手轮、手柄、杠杆、链轮，由人力来操纵阀门动作。当阀门启闭力矩较大时,

可在手轮和阀杆之间设置此轮或蜗轮减速器。必要时，也可以利用万向接头及传动轴进行远距离操作。

5.按公称通径分类

(1)小通径阀门：公称通径DNWWmm的阀门。

(2)中通径阀门：公称通径DN为50~300mm的阀门。

(3)大通径阀门:公称阀门DN为350〜1200mm的阀门。

(4)特大通径阀门：公称通径DN多400mm的阀门。

6.按结构特征分类

(1)截门阀：关闭件沿着阀座中心移动；

(2)旋塞阀：关闭件是柱塞或球，围绕本身的中心线旋转;

(3)闸门形：关闭件沿着垂直阀座中心移动；

(4)旋后阀：关闭件围绕阀座外的轴旋转；

(5)蝶阀：关闭件的圆盘，围绕阀座内的轴旋转；

(6)滑阀：关闭件在垂直于通道的方向滑动。

7.按连接方法分类

(1)螺纹连接阀门：阀体带有内螺纹或外螺纹，与管道螺纹连接。

(2)法兰连接阀门阀体带有法兰，与管道法兰连接。

(3)焊接连接阀门阀体带有焊接坡口，与管道焊接连接。

(4)卡箍连接阀门阀体带有夹口，与管道夹箍连接。

(5)卡套连接阀门与管道采用卡套连接。

(6)对夹连接阀门：用螺栓直接将阀门及两头管道穿夹在一起的连接形式。

8.按阀体材料分类

(1)金属材料阀门：其阀体等零件由金属材料制成。如铸铁阀、碳钢阀、合金钢阀、铜合金阀、铝合

金阀、铅合金阀、钛合金阿、蒙乃尔合金阀等。

(2)非金属材料阀门：其阀体等零件由非金属材料制成。如塑料阀、陶阀、搪阀、玻璃钢阀等。

(3)金属阀体衬里阀门：阀体外形为金属，内部凡与介质接触的主要表面均为衬里，如衬胶阀、衬塑

料阀、衬陶阀等。

8阅读《压力管道应力分析》第一章第三节内容，并抄作判断式

1.3.1的应用实例

3)转系的固定点间的直找距肉为：

u=yzs5♦(3.75+1.93)2(2.5-I.ii)7=6.弘m

4)计算AX-A%.AZ,：

AXt=0-0±0

Ar,=0-10.8=-10.8mm

AZ(="5.6-0=-5.6mm

5)计算h端放松后由于管道热膨胀引起的b端位移值M?、AY,、AZ1：

根据标准.管系安装温度•般取2(H：n山附求A查得磁钢从20t变为3。0七的平均线

6

影胀系数为12.9x10-rnm/(tnm«T)0

4rt=12.9x10*x2500x<300-20)=9.03mm

ar,=12.9XiO*x{-(3750+1950)]x(300-20)=-20.59mm

«12.9x104x(-1280+2500)x(300-20)=441mm

6)计第管系在X、y、z三个方向的变形ax,AY、AZ；

AX=AX2-AA,-9.03-0-9.03mm

AY-AY,»-20.59-(-10.8)=-9.79mm

AZ=AZ:-AZ,=4.41-(-5.6)=10.01mtn

7)计算由要由管系吸收的总变形合成值Y.

Y=♦A胪+3=AOS3♦(-9.79):+10.of=16.66mm

8)计算右端项

由式(5.1.6)计算5、：

5„=|x(1.25x130*0.25x101)=l87.75MPa

2.08x10'xS/£.=2.08xIO5x187.75/(1.92x1(y)=203.4

9)利用式(1.3.I)进行核算：

o,xr273x16.66

=143<203.4

（t.-U）1(Tl.98-6.34p

因此不必ift行正式的柔性分析“

r=vaA+ai+az

判断式（1.3.1）的应用实例：

如图1.3.1所东，DA250的管道外在为273mm,操作温度为300七，管道材质为20号

钢，材料在20t和300t时的许用应力分别为106mm

130MPa和101MPa,位移应力范围减小系数/等

于1.材料在20七时的弹性模量为

1.92x1O3MPa,判断该管系是否需要进行正式

的柔性分析。

解答：

1）选定的坐标及a,h端如图13.1所示；

2）管系两固定点间的展开长度为：

图I.3.1判断式应用实例

L=1.28+3.75+2.5+】,95+25=11.98m

9.阅读《压力管道应力分析》第三章第二节内容，并回答公式3.2.5

的适用条件

y-温度影响系数，其数值见表3.2.1,对于中间温度，y值可用插值方法求得。

式(3.2.5)的适用条件是5。＜0/6。式(3.2.5)就是GB50316和GB/T20801中内压作

用下直管计算壁厚的确定公式，它与ASMEB31.3中的计算公式完全相同。GH50316、

GB/T20801和ASMEB31.3都指出，当S。三。。/6或〃(［。］‘骂)＞0.385时，需按断裂理

论、疲力和热应力的因素予以特别考虑，但并未具体说明应如何考虑。实际匕ASME

B31.3在高压配管部分已经给出/厚壁情况下的跑厚计算公式，只是该公式是按期性极限分

析得出的，并未考虑断裂理论、疲劳和热应力因素，在这一点上ASMEB31.3前后不够一

致。高压管道壁厚的确定方法将在第七章第五节进行讨论。

式(3.2.5)的适用条件5。＜。./6与条件K=。,/。，＜1.5是等价的。对于内压圆筒，如

果采用薄壁假设，共计算结果是偏J危险的。当K=l.2时的订算误差约为20%,即此时

。/%)=12;o■加为厚壁筒采用最大剪应力理论时的最大当置应力(发生在内壁处)，为

薄壁筒采用最大蓟应力理论时的当量应力。当K=1.5时，计算结果的误差可达45%,即此

时。#/。此=1,45。一般情况下，屈服极限明的许用应力安全系数为1.5左右，即［＜r］=

＜T./1.50所以对于K=L5的情况，当薄型模型的当量应力。如等于时，厚壁模型的最大

当量应力为crdh=l.45ali,=1.45。,/1.5=0.97a.,此时厚壁模型的当量应力仍未达到屈服，

因此仍然是安全的。但-•般认为K=L5为最大允许范围，超过此范围则不能再采用由薄壁

圆筒模型推导出的壁厚计算公式，而应采用根据厚壁筒极限分析得出的壁厚计算公式“

式(3.2.5)是一个半经验性的公式，这主要是由于式中引入了温度影响系数匕当K等

于0.5时，式(3.2.5)就是式(3.2.4)。丫等于0.4时.式(3.2.5)的计算结果接近于采用厚

壁Lamd公式的计算结果，这主嬖是为了弥补薄壁理论计算公式因未考虑应力沿壁厚的变

化，而导致计算壁厚数值偏小的缺陷。

由表3.21可以看到，总体来讲当温度较|高时，y值也逐渐增大。当y值大于o.5时，

式(3.2.5)的计算值比式(3.2.4)的计算值要小。这主要是考虑到，当温度较高发生蠕变时，

环向应力外和纵向应力＜7.沿壁厚的分布将发生变化，在此过程中,0。的数值将由弹性时

的内壁最大外壁最小，逐渐趋尸沿壁厚均匀分布，最终达到内壁最小外壁最大；外的数值

将由弹性时沿壁厚均匀分布，最终转变为内壁小于零，而外壁大于零且比弹性数值有所增

大。式(3.2.5)按照丫等于0.7计算得到的数值，与考虑姑变后的最终结果相当接近。

10.GB50316《工业金属管道设计》对允许跨距的确定原则如何规定？

1连续敷设的水平直管段按图3.1.1确定。

2水平弯管的允许最大外伸尺寸按图3.1.2确定。

3水平II形管段的最大悬伸尺寸按图3.1.3确定。

4带垂直段的Z形管段其最大允许外伸及垂直段尺寸按图