管道布置設(shè)計必須具備的條件

應(yīng)遵守的國家和行業(yè)法律法規(guī)、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)程規(guī)范

工程設(shè)計統(tǒng)一規(guī)定

工藝流程（系統(tǒng)）圖

設(shè)備布置圖

設(shè)備表、設(shè)備圖

相關(guān)專業(yè)的設(shè)計條件（總平面地形圖、廠房建筑圖、電氣電纜、給排水專業(yè)管道布置圖等）

管道布置設(shè)計常用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程和規(guī)范

《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》(GB50316-2000）

《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范》(GB50264-2013）

《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》（GB50160-2008）2018修訂版

《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB50016-2014）

《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級》（GBZ230-2010）

《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》（GB50028-2006）

《城市熱力網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》（CJJ34-2002）

《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程設(shè)計規(guī)范》（CJJ/T81-98）

《小型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》（GB50049-2011）

《火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL5000-2000）

《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（DL/T5054-96）

《火力發(fā)電廠保溫油漆設(shè)計規(guī)程》（DL/T5072-2007）

《火力發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL/T5068-2006）

《燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠設(shè)計規(guī)定》（DL/T5174-2003）

《鍋爐房設(shè)計規(guī)范》（GB50041-2008）

《發(fā)生爐煤氣站設(shè)計規(guī)范》（GB50195-2013）

《壓縮空氣站設(shè)計規(guī)范》（GBJ29-2014）

《氧氣站設(shè)計規(guī)范》（GBJ50030-2013）

《氫氧站設(shè)計規(guī)范》（GB50177-2005）

《乙炔站設(shè)計規(guī)范》（GB50031-91）2007版

《石油化工金屬管道布置設(shè)計規(guī)范》（SH3012-2011）

《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》（GB50251-2003）

《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》（GB50253-2014）

《化工企業(yè)靜電接地設(shè)計規(guī)程》（HGJ28-90）

室內(nèi)管道布置原則

1.盡量避免管道對室內(nèi)采光的影響，不應(yīng)妨礙窗戶的啟閉；

2.不應(yīng)影響設(shè)備的操作和維護（如抽管檢修和設(shè)備起吊）；

3.在水平管道交叉較多的地區(qū)，一般按管道的走向，劃定縱橫走向的標(biāo)高范圍，將管道分層布置；

4.熱力管道一般布置在油管道的上方，當(dāng)需布置在油管道下面時，在油管道的閥門、法蘭或可能漏油部位下方的熱力管道，應(yīng)采取可靠的隔離措施；

5.地溝內(nèi)管道應(yīng)盡量采用單層布置，當(dāng)采用多層布置時，一般將小管或壓力高的，閥門多的管道布置在上面；

6.腐蝕性介質(zhì)管道不應(yīng)布置在人行通道和轉(zhuǎn)動設(shè)備上方；

7.B類流體介質(zhì)的管道，不得安裝在通風(fēng)不良的廠房內(nèi)、室內(nèi)的吊頂內(nèi)或夾層內(nèi)；

8.B類流體介質(zhì)的管道，不應(yīng)布置在高溫管道旁或上方；

室外管道管網(wǎng)布置原則

1.廠區(qū)內(nèi)管道的敷設(shè)，應(yīng)與廠區(qū)內(nèi)的道路、建筑物、構(gòu)筑物等協(xié)調(diào)，減少管道與鐵路、道路的交叉；

2.大直徑管道應(yīng)靠近管架柱子布置；

3.需設(shè)置“π”型補償器的高溫管道，應(yīng)布置在靠近柱子處；

4.熱力管道，儀表和電氣電纜槽架等宜布置在管架上層，工藝管道，腐蝕性介質(zhì)管宜布置在下層；

5.管架上的管道設(shè)計，應(yīng)預(yù)留10～20％余量；

6.B類流體介質(zhì)管道與電纜和氧氣管道并行或交叉敷設(shè)時，其凈距應(yīng)符合規(guī)范要求；

7.B類流體介質(zhì)不得穿過與其無關(guān)的建筑物；

8.密度比環(huán)境空氣大的B類氣體管道，當(dāng)有法蘭、螺紋連接或填料結(jié)構(gòu)時，不應(yīng)緊靠建筑物門窗敷設(shè)；

9.道路、鐵路上方的管道上不應(yīng)有閥門、法蘭、螺紋接頭及帶填料的補償器等可能泄露的組件；

10.管廊層間距及管道凈距應(yīng)滿足安裝及運行要求；

11.蒸汽管道或可凝氣體管道，支管宜從主管的上方接出，蒸汽冷凝液管宜接至回收總管上方。

管道的熱補償

某些壓力管道輸送的介質(zhì)常常具有高溫高壓特征或由于工作環(huán)境溫度的變化，造成金屬材料的熱脹冷縮，管道布置設(shè)計應(yīng)充分考慮吸收熱位移。一旦布置不當(dāng)，將造成管道某些部位產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力而破壞或?qū)χЪ墚a(chǎn)生過大的推力而影響管道支架的安全，從而影響管道系統(tǒng)的正常運行。

例題：圖示為某廠一條聯(lián)接兩臺換熱器間的管道，工作壓力P=4.0MPa、工作溫度t=316，管道外徑φ219，換熱器中心距2.1m，中間聯(lián)接管道水平管中心距2m，A處設(shè)有一異徑管DN200/DN150，管道設(shè)計安裝尺寸見圖。

運行狀況：異徑管與法蘭連接處焊縫多次出現(xiàn)裂紋。

原因分析：由于設(shè)備布置太近，中間接管短、管徑大，柔性差，吸收熱膨脹變形的能力較小，經(jīng)對管系進行柔性分析，A處受到很大的橫向推力和推力矩

措施：由于場地所限，不可能改變管子長度，只好改變管子直徑，并將異徑管接頭由A處移到B處，管子AB的外徑由219mm降到159mm，使管道柔性得到改善，同時異徑管與管子連接處由于形狀突變引起的應(yīng)力集中的位置也由較高應(yīng)力區(qū)域移到了較低應(yīng)力區(qū)域。這樣，管道的最大應(yīng)力值下降了，經(jīng)幾年的生產(chǎn)考驗，獲得了滿意的結(jié)果。

管道振動：

危害：管道振動是一種常見現(xiàn)象，嚴(yán)重的振動會加速裂紋擴展，威脅系統(tǒng)的安全。與設(shè)備連接的管道，尤其與往復(fù)機械相聯(lián)的管道，振動是不可避免的，但必須控制在一定的范圍內(nèi)。

產(chǎn)生原因：設(shè)備的往復(fù)運動及振動，導(dǎo)致與設(shè)備連接的管道振動（如壓縮機、汽輪機、泵、風(fēng)機等）；伴隨介質(zhì)脈動或壓力波動易產(chǎn)生共振（如活塞式壓縮機、介質(zhì)流向改變或工況發(fā)生變化情況等）；不穩(wěn)定的兩相流（如蒸汽管疏水不暢）、液擊（閥門急開急關(guān)）、地震、風(fēng)等都會加劇管道的振動。

防止措施：

防止設(shè)備振動的傳遞，如聯(lián)接處設(shè)軟接頭

增加緩沖罐，確保介質(zhì)穩(wěn)定；如：與壓縮機連接的管道減少管道彎頭，適當(dāng)增設(shè)管道支架，增加穩(wěn)定性；

確保安裝坡度，增加疏水，避免兩相流，防止水沖擊。

管道支架、組件布置安全

支架（座）安全

支架（座）主要是起支撐重量、穩(wěn)定管系、限制管道位移（自由度）和防震減震作用。因此，管道布置設(shè)計應(yīng)根據(jù)所輸送介質(zhì)的種類、特性及安全要求合理布置和正確選擇結(jié)構(gòu)合適的支吊架，以改善管道的應(yīng)力分布，確保管道安全運行。支吊架設(shè)計可按管道設(shè)計、結(jié)構(gòu)強度設(shè)計軟件計算確定或按有關(guān)設(shè)計手冊選取。

管道組件質(zhì)量及布置安全

管道組件包括管子、三通、彎頭、異徑管、閥門、法蘭、墊片、過濾器、補償器等，其選擇和設(shè)計要求由管道材料章節(jié)介紹。這里只介紹從管件的布置方面應(yīng)作哪些考慮。

管道組件布置原則：應(yīng)盡可能布置在變形位移小，應(yīng)力較低的部位。

閥門布置：左圖布置較右圖布置好。

補償器布置

對Π 型補償器，一般要求布置在兩固定點之間管段的中央，并在適當(dāng)位置設(shè)導(dǎo)向支架，以利于熱位移的吸收；對通用型波紋補償器，要求布置在固定支架旁，并按生產(chǎn)廠家要求設(shè)置一定的導(dǎo)向支架，確保補償器的穩(wěn)定性。支架設(shè)置要求見下圖：

對連接設(shè)備的影響：

管道對所聯(lián)設(shè)備的作用力和力矩應(yīng)符合設(shè)備廠家允許的規(guī)定，如超過規(guī)定，將影響設(shè)備的安全和造成聯(lián)接法蘭處的泄漏。

措施：

設(shè)備連接處設(shè)支吊架，以承擔(dān)管道重量及管端推力，如下圖。

提高連接處管道的柔性，如設(shè)柔性接頭或柔性彎管。若設(shè)通用型波紋補償器（或軟接頭），一定要注意盲板力的影響。如圖：

管道安全距離與敷設(shè)方式

熱力、電力、易燃易爆流體介質(zhì)等各種管道交叉關(guān)系及安全距離應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)程規(guī)范的要求布置，實在無法滿足時，應(yīng)采取有效措施。管道的敷設(shè)方式得當(dāng)與否也將影響管道的安全，如B類流體介質(zhì)管道在無安全措施時不應(yīng)布置在地溝內(nèi)（尤其象比空氣重的液化氣管道）。

燃氣管道設(shè)計中補償器的選擇

補償器又稱為伸縮器、伸縮節(jié)或膨脹節(jié)，主要用于補償管道受溫度變化而產(chǎn)生的變形。如果溫度變化時管道不能完全自由地膨脹或收縮，管道中將產(chǎn)生溫度應(yīng)力。在管道設(shè)計中必須考慮這種應(yīng)力，否則它可能導(dǎo)致管道的破裂，影響生產(chǎn)的正常運行。燃氣管道中有各種形式的補償器，設(shè)計人員有必要了解各種補償器的特點，并能夠正確選擇合適的補償器。

定義與公式

為了更好的理解后面內(nèi)容，首先介紹三個定義和兩個計算公式

（1）定義

a、滑動支架：

管道軸向、橫向均不受限制，即允許管道前后、左右有位移；

b、導(dǎo)向支架：

是滑動支架的一種，一般只允許管道有軸向位移，而不允許有橫向位移。

對直管式導(dǎo)向支架進行定位，一般推薦：使補償器靠近一個固定支架，使第一個導(dǎo)向支架與補償器端面的間距不超過管徑的4倍（L1≤4DN）。這種布設(shè)方式既可以使位移得到正確的導(dǎo)向，又可以使補償器的兩端得到適當(dāng)?shù)闹С?。第二個導(dǎo)向支架與第一個導(dǎo)向支架的間距不得超過管徑的14倍（L2≤14DN）。其它導(dǎo)向支架的最大間距可按公式計算，也可按燃規(guī)上的規(guī)定執(zhí)行。如下圖所示：

c、固定支架：

管道軸向、橫向均受限制，不允許管道有位移。

固定支架分主固定支架和次固定支架，主固定支架一般設(shè)置在管道的盲端、彎頭、閥門及側(cè)支管線連接處等位置， 次固定支架一般設(shè)在直管段上兩個軸向型補償器之間。

（2）管道伸長量的計算

由于溫差引起的管道長度變化，由下式計算：

△L＝ αL△t

式中：△L—管道的伸長量（m）；

α—管道的線膨脹系數(shù)（m/m℃），其數(shù)值見表1

L—管道長度（m）；

△t－溫差（℃ ），架空管道在太陽直曬的情況下計算溫差可取80℃；

表1各種管材的線膨脹系數(shù)（m/m℃ ）

管道材料	α	管道材料	α
普通鋼 碳素鋼 鎳鋼 鎳鉻鋼 不銹鋼	12.0×10-6 11.7×10-6 13.1×10-6 11.7×10-6 10.3×10-6	黃銅 紫銅 鑄鐵 聚氯乙烯	13.4×10-6 16.4×10-6 10.4×10-6 70.0×10-6

（2）溫度應(yīng)力

當(dāng)管道兩端固定時，溫度應(yīng)力為：

σ=Eδ

式中：σ－溫度應(yīng)力（MPa）；

E－彈性模數(shù)（MPa），鋼材取2.1×105MPa；

δ－管道的相對變形，δ＝△L/L

自然補償器

自然補償器是利用管道自身進行補償，常用的有兩種形式，L型和Z型，如下圖：

自然補償器短臂的計算方法如下：

（1） L型補償器短臂長度計算：

式中l(wèi)－L型補償器的短臂長度(m）；

△L－L型補償器長臂的熱伸縮量（mm）；

D－管道外徑（mm）

（2）Z型補償器的短臂長度計算：

式中：l－Z型補償器的短臂長度(m）；

△t－計算溫差（ ℃ ）；

E－彈性模數(shù)（MPa）；

D－管道外徑（mm）；

σ－允許彎曲應(yīng)力（MPa）；

k= L1/ L2。

小結(jié)：自然補償?shù)墓艿赖拈L臂臂長一般不超過25m，彎曲應(yīng)力不應(yīng)超過80MPa。

L形與Z形補償器可以利用管道中的彎頭構(gòu)成，且便于安裝。在管道設(shè)計中，應(yīng)充分利用這兩種補償器做補償，然后再考慮采用其它種類的補償器。自然補償?shù)膬?yōu)點是可以節(jié)省補償器，缺點是管道變形時產(chǎn)生橫向位移。架空管道中自然補償不能滿足要求時才考慮裝設(shè)其它類型的補償器。

方型補償器

方型補償器又稱∪型補償器，它一般用優(yōu)質(zhì)無縫鋼管煨彎而成，當(dāng)管徑較大時常用焊接彎管制成。曲率半徑通常為3DN-4DN。方型補償器分為4種型號，補償能力為30mm一250mm。

表2 補償能力為50mm、100mm的方型補償器相關(guān)參數(shù)

補償能力為30mm、75mm、150mm、200mm、250mm的方型補償器均有相關(guān)的參數(shù)列表。

小結(jié)：方形補償器的優(yōu)點是制造方便，軸向推力較小，補償量大，運行可靠，嚴(yán)密性好，不需要經(jīng)常維修。其缺點是介質(zhì)流動阻力大、單面外伸臂較長，占空間較大，當(dāng)管徑較大時不宜采用。

波紋補償器

波紋補償器是采用先進的、對波紋管無損傷的利用薄不銹鋼板整體一次液壓成型制作的。波紋補償器在管線上可作軸向、橫向和角向三個方向的補償。

波紋補償器的種類很多，包括軸向型波紋補償器 、自由復(fù)式型波紋補償器 、拉桿型波紋補償器等。后兩種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且在燃氣管道中用的較少，主要介紹軸向型波紋補償器。

軸向型波紋補償器由一個波紋管和兩個接管構(gòu)成。它通過波紋管的柔性變形來吸收管線軸向位移（也有少量橫向、角向位移），一般通過法蘭與管道連接。補償器上的小拉桿主要是運輸過程中的剛性支承或作為產(chǎn)品預(yù)變形調(diào)整用，它不是承力件。如下圖所示：

軸向型波紋補償器為了減少介質(zhì)的流動阻力，在內(nèi)部設(shè)有內(nèi)套管，在很大程度上限制了橫向補償能力，故一般僅用以吸收或補償管道的軸向位移；

波紋補償器補償能力為：

△L= △s×N

式中△L－補償器的補償能力（mm）；

N－波節(jié)數(shù)；

△s－單節(jié)波紋的補償能力（mm）；一般為15-20mm，產(chǎn)品說明書中有相關(guān)參數(shù)。

波紋補償器允許的補償能力一般按最大補償能力的1／2－2／3計算。

單節(jié)波紋的補償能力△s 可按下式計算：

式中：E－補償器鋼材的彈性模量（MPa）；

σs－補償器鋼材屈服極限（MPa）；

d－管道內(nèi)徑（cm）；

δ－補償器壁厚（cm）；

k－安全系數(shù)。當(dāng)P≤0.25MPa時，k=1.2；當(dāng)0.25MPa≤ P≤0.6MPa時，k=1.3；

α－波形補償器計算系數(shù)，據(jù)β＝d/D值查表3

D－波形補償器的外徑（cm）。

表3 波形補償器計算系數(shù)

β＝d/D	α	β＝d/D	α
0.40 0.46 0.50 0.54 0.58 0.60 0.64	14.36 8.510 6.033 4.280 3.016 2.524 1.762	0.68 0.70 0.72 0.76 0.80 0.84 0.90	1.203 0.987 0.8065 0.512 0.311 0.1725 0.0476

為了使補償器處于一個良好的工作位置和改善管道的受力狀態(tài)，在安裝前對補償器進行“預(yù)變形”

軸向型補償器的軸向預(yù)變形量△X由下式確定：

△X=X{1/2-（T0-Tmin）/（Tmax-Tmin）}

式中：X—軸向補償量  Tmax—最高使用溫度

T0—安裝溫度℃   Tmin—最低使用溫度

小結(jié)：波紋補償器具有工作可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、位移補償量大、變形應(yīng)力小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于燃氣管道的補償中，但由于其管壁較薄、強度低，不能承受扭力、振動，安全性差，施工時應(yīng)注意保護。

金屬軟管

金屬軟管由不銹鋼波紋管、不銹鋼網(wǎng)套、金屬軟管接頭組成。如右圖所示：

不銹鋼波紋管是由極薄壁的無縫不銹鋼管經(jīng)過高精度塑性加工而成。有兩種形式:一種是環(huán)形金屬軟管、一種是螺旋型金屬軟管。如下圖：

不銹鋼網(wǎng)套是金屬軟管安裝在壓力管路中的主要承壓件，同時對金屬軟管起保護作用，根據(jù)管道中的壓力大小及應(yīng)用場所，可選擇一層或多層的不銹鋼絲或鋼帶按一定的參數(shù)進行編織。壓力范圍一般為 PN0.6—32.0Mpa，最高達42.0MPa。

金屬軟管接頭主要包括螺紋連接、法蘭連接、快速接頭連接。

金屬軟管的主要外形尺寸：

金屬軟管的主要技術(shù)特性：

公稱直徑mm	內(nèi)徑mm	外徑mm	最小彎曲半徑mm
40	39.80	53.9	400
50	49.80	63.9	500
65	74.80	100.0	650
80	79.80	108	800
100	99.80	130	1000
125	124.80	171	1250
150	149.80	196	1500

小結(jié)：金屬軟管具備良好的柔軟性、抗疲勞性、耐高壓、耐高低溫、耐蝕性等諸多特性，可廣泛應(yīng)用于燃氣管道中進行橫向位移的補償，也可用于燃氣管道與用氣設(shè)備的連接，吸收設(shè)備的振動，降低振動對燃氣管道的影響。

總結(jié)

架空管道中補償器的選擇應(yīng)首先應(yīng)考慮自然補償，當(dāng)自然補償不能滿足要求時才考慮裝設(shè)方型補償器、波紋補償器或金屬軟管。

在進行燃氣管道設(shè)計時應(yīng)充分地考慮到管道的走向和支撐體系的設(shè)計，綜合考慮補償器的選型和配置，以求達到安全、合理、適用、經(jīng)濟的最佳組合。