管道的水力計(jì)算及強(qiáng)度計(jì)算

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第三章 管道的水力計(jì)算及強(qiáng)度計(jì)算第一節(jié) 管道的流速和流量流體最基本的特征就是它受外力或重力的作用便產(chǎn)生流動(dòng)。如圖31所示裝置，如把管道中的閥門打開，水箱內(nèi)的水受重力作用，以一定的流速通過管道流出。如果水箱內(nèi)的水位始終保持不變，那么管道中的流速也自始至終保持不變。管道中的水流速度有多大?每小時(shí)通過管道的流量是多少?這些都是實(shí)際工作中經(jīng)常遇到的問題。圖31水在管道內(nèi)的流動(dòng)為了研究流體在管道內(nèi)流動(dòng)的速度和流量，這里先引出過流斷面的概念。圖32為水通過管道流動(dòng)的兩個(gè)斷面11及22，過流斷面指的是垂直于流體流動(dòng)方向上流體所通過的管道斷面，其斷面面積用符號(hào)A來表示，它的單位為m2

2、或cm2。圖32管流的過流斷面a)滿流b)不滿流流量是指單位時(shí)間內(nèi)，通過過流斷面的流體體積。以符號(hào)qv表示，其單位為m3h，cm3h或m3s，cm3s。流速是指單位時(shí)間內(nèi)，流體流動(dòng)所通過的距離。以符號(hào)。表示，其單位為ms或cms。圖33管流中流速、流量、過流斷面關(guān)系示意圖流量、流速與過流斷面之間的關(guān)系如下：以水在管道中流動(dòng)為例，如圖33所示，在管段上取過流斷面11，如果在單位時(shí)間內(nèi)水從斷面11流到斷面22，那么斷面11和斷面22所包圍的管段的體積即為單位時(shí)間內(nèi)通過過流斷面11時(shí)水的流量qv，而斷面11和斷面22之間的距離就是單位時(shí)間內(nèi)水流所通過的路程，即流速。由上可知，流量、流速和過流斷面之間

3、的關(guān)系式為qv=vA (31)式(31)叫做流量公式，它說明流體在管道中流動(dòng)時(shí)，流速、流量和過流斷面三者之間的相互關(guān)系，即流量等于流速與過流斷面面積的乘積。如果在一段輸水管道中，各過流斷面的面積及所輸送的水量一定，即在管道中途沒有支管與其連接，既沒有水流出，也沒有水流入，那么管道內(nèi)各過流斷面的水流速度也不會(huì)變化；若管段的管徑是變化的(即過流斷面的面積A是變化的)，那么管段中各過流斷面處的流速也隨著管徑的變化而變化。當(dāng)管徑減小時(shí)，流速增大；而當(dāng)管徑增大時(shí)，流速即減小。然而，當(dāng)流速一定時(shí)，流量的變化隨管徑成幾何倍數(shù)變化，而不是按算術(shù)倍數(shù)變化。因?yàn)樵诠芰髦?，管道的過流斷面面積與管徑的平方成正比。也就

4、是說，管徑擴(kuò)大到原來的2倍、3倍、4倍時(shí)，面積增加到原來的4倍、9倍、16倍。如DN50mm的管子過流斷面面積是DN25mm的管子的4倍，那么在流速相等的條件下，DN50mm管子中所通過的流量即是DN25mm管子的4倍；同理，DNlOOmm的管道內(nèi)所通過的流量應(yīng)是DN25mm管子的16倍。在日常施工中，常有人認(rèn)為在流速一定時(shí)，管徑之比就是所輸送的流量之比，這無疑是錯(cuò)誤的。以上提到的以m3h和cm3s等為單位的流量又稱為體積流量。如果指的是在單位時(shí)間內(nèi)通過過流斷面的流體質(zhì)量時(shí)，該流量則稱為質(zhì)量流量，以符號(hào)qm表示，常采用的單位為kgh或kgs。質(zhì)量流量與體積流量之間的關(guān)系為qm=qv而由式(31

5、)知 qv=vA則 qm=vA (32)式中qm質(zhì)量流量(kg/s)；流體的密度，即單位體積流體的質(zhì)量(ksm3)；V流體通過過流斷面的平均流速(ms)；A過流斷面面積(m2)。例 管徑為DNlOOmm的管子，輸送介質(zhì)的流速為lms時(shí)，其小時(shí)流量為多少?解DNlOOmm管子的過流斷面面積為A=D3/4=3.14×0.12/4=0.00785m2則qv=1×0.00785×3600=28.3m3h答：該管道的小時(shí)流量為28.3m3/h。第二節(jié) 管道的阻力損失流體在管渠中流動(dòng)時(shí)，過流斷面上各點(diǎn)的流速并不是相同的。例如在河溝中，靠近岸邊的水，流動(dòng)較慢；而河溝中心的水，流

6、速就較大。管道內(nèi)流動(dòng)的流體也是如此，靠近管內(nèi)壁面的流體流速較小，處在管中心的流體流速最大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于，流體流動(dòng)時(shí)與管內(nèi)壁面發(fā)生摩擦產(chǎn)生阻力，同時(shí)管內(nèi)流體各流層之間由于流速的變化而引起相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦阻力，也阻撓流體的運(yùn)動(dòng)。流體在流動(dòng)中，為了克服阻力就要消耗自身所具有的機(jī)械能，我們稱這部分被消耗掉的能量為阻力損失。流體的性質(zhì)不同，流動(dòng)狀態(tài)相同，流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的阻力損失大小也不同。流動(dòng)是產(chǎn)生阻力損失的外部條件，流速越高，流體與管壁及流體自身之間的摩擦就越劇烈，阻力也就越大。相反，流速越小，摩擦減弱，阻力也就越小，不流動(dòng)的靜止流體也就不會(huì)產(chǎn)生阻力損失。由此可見，阻力損失與流體的性質(zhì)、

7、流動(dòng)狀態(tài)以及流體流動(dòng)時(shí)的邊界條件有著密切的關(guān)系。管道的阻力損失有兩種形式，如圖3-4所示。在有壓管路中的A、B、C處各開一個(gè)小孔，并用一根開口玻璃管與小孔連接立裝，如圖3-4a所示，當(dāng)管路中閥門k關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)：流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)A、B處兩根玻璃管內(nèi)的水位高度相等，并與水箱水位在同一個(gè)水平面上。當(dāng)閥門Q開啟后，管路中流體處于流動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)A、B、C三點(diǎn)處玻璃管中的水位不在一個(gè)水平面上，而且逐漸下降，我們把玻璃管A與B內(nèi)的水位高差值定為hf，而B管與C管中的水位高差值定為hj。圖34管道的阻力損失管道中的流體處于流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，為什么玻璃管內(nèi)的水位會(huì)沿途下降呢?B管比A管水位低的原因是由于流體沿

8、管道從A流到B的這個(gè)過程中始終存在著摩擦阻力，水位差hf就是為了克服從A到B這段管路中的摩擦阻力而引起的阻力損失，這種阻力損失叫做沿程阻力損失。C管內(nèi)水位比B管內(nèi)水位低的原因，在于流體從B流到C的這個(gè)過程中經(jīng)過閥門k，水流局部邊界條件急劇改變，對(duì)流體運(yùn)動(dòng)造成阻力，這種阻力損失稱為局部阻力損失。流體在流經(jīng)管道上的三通、彎頭、閥門、變徑管等地方時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生局部阻力損失。玻璃管A、B、C通常稱為測壓管。管路中的總阻力損失則為各管段的沿程阻力損失與各管件所產(chǎn)生的局部阻力損失之和。其表達(dá)式為hw=hf+hj (3-3)式中hw管道總阻力損失(Pa)；hf管路中各管段的沿程阻力損失之和(Pa)；hj管路中

9、各處局部阻力損失之和(Pa)。計(jì)算管段的沿程阻力損失hf，可按以下公式進(jìn)行：hf=RL (3-4)式中R每米管長的沿程阻力損失(Pam)；L管段長度(m)。進(jìn)行計(jì)算時(shí)，在已知流量和經(jīng)濟(jì)流速的選擇范圍后，單位管長的沿程阻力損失及值可由事先編制好的各種介質(zhì)水力計(jì)算表中直接查得，從而就可以計(jì)算出管段內(nèi)的沿程阻力損失之值。計(jì)算管件的局部阻力損失hj，可按以下公式進(jìn)行： (3-5)式中管件的局部阻力系數(shù)；輸送介質(zhì)的密度(kgm3)。各種不同規(guī)格的管道配件及附件的局部阻力系數(shù)可查表得出。在一般情況下，室內(nèi)外管網(wǎng)的局部阻力可按表31進(jìn)行估算。表3-1 各類管道的局部阻力占沿程阻力的百分比管 道 類 別局部阻

10、力占沿程阻力的百分比() 室 內(nèi) 管 道給水、熱水2030自然循環(huán)熱水供暖系統(tǒng)100機(jī)械循環(huán)熱水供暖系統(tǒng)100壓縮空氣1530氧氣1520 室 外 管 道熱水采暖管網(wǎng)1530給水、熱水1020壓縮空氣1025氧氣1015以上是管道阻力損失的計(jì)算方法，然而在日常工作中，我們遇到的總是管段兩點(diǎn)間的壓力差，而不是阻力損失，那么壓力差與阻力損失有何區(qū)別?壓力差與流速又有何關(guān)系呢?般地說，管段兩點(diǎn)間的壓力差的數(shù)值與該管段的阻力損失是相等的，兩者指的是一回事；但管道阻力損失指的是事情的本質(zhì)，而壓力差指的是阻力損失所產(chǎn)生的現(xiàn)象。由于管道阻力只能通過壓力差才能測出來，所以說，壓力差與流速的關(guān)系，實(shí)際上就是阻力

11、與流速的關(guān)系。也就是說，只要知道一段管道兩端的壓力差和該管段長度，就能算出每米管長的阻力和這段管道內(nèi)介質(zhì)的平均流速。第三節(jié) 管道的水力計(jì)算一、水力計(jì)算的任務(wù)管道水力計(jì)算的主要任務(wù)是：1)按已知的流量和允許壓力降，計(jì)算管道管徑。2)按已知管徑和流量，計(jì)算管道的壓力降及管道中各點(diǎn)的壓力。3)按確定的管徑及允許壓力降，計(jì)算或校核管道的輸送能力。4)根據(jù)管道水力計(jì)算的結(jié)果，確定管道系統(tǒng)選用設(shè)備的規(guī)格型號(hào)。二、水力計(jì)算表為了簡化計(jì)算的工作量，通常管徑和摩擦阻力損失的計(jì)算均借助于現(xiàn)成的各類水力計(jì)算表進(jìn)行。對(duì)于計(jì)算精度要求不高時(shí)，可以直接查表進(jìn)行計(jì)算，能滿足一般管道工程計(jì)算的要求。當(dāng)對(duì)計(jì)算精度要求較高時(shí)，應(yīng)

12、根據(jù)各專業(yè)管道水力計(jì)算資料及編制使用要求進(jìn)行計(jì)算修正。現(xiàn)將常用的各種介質(zhì)輸送管道水力計(jì)算表予以節(jié)選，見表3-2、表3-3、表3-4、表3-5，供使用時(shí)參考。 流量管徑/mM2/h10.814.418.723.428.836.045.055.868.481.090.0L/s345.26.581012.515.51922.52575vi0.701640.932781.214511.517061.8610682.331676-100vi-0.52660.681060.841591.042351.303581.625592.01862-125vi-0.43350.54520.66760.831181.

13、031731.282611.573921.865502.07678150vi-0.46310.57460.72700.891031.091501.292081.43256200vi-0.40170.50250.61350.72480.8059250vi-0.39120.46160.5119三、流速及管壁粗糙度在進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)，介質(zhì)流速是計(jì)算的關(guān)鍵因素，不同性質(zhì)的介質(zhì)，其允許流速選取范圍也不相同，管道水力計(jì)算時(shí)的流速取值應(yīng)當(dāng)在允許的經(jīng)濟(jì)流速范圍以內(nèi)。常用介質(zhì)的允許流速見表3-6。管壁的粗糙度是影響管道水力計(jì)算的重要因素，管壁越粗糙，阻力就越大。管道的粗糙度用k表示，常用管材的粗糙度見表3-7。給

14、水管道水力計(jì)算表中，已考慮到管壁銹蝕結(jié)垢后，管壁粗糙度的增加。因此，計(jì)算表內(nèi)未注明左的取值，在一般情況下均可使用。表3-6常用介質(zhì)允許流速的選擇1.按管徑定介 質(zhì) 名 稱管徑DNnun允許流速v（m/s）飽和蒸汽1532405080100200>20010202025253030353540過熱蒸汽1532405010010020039020252530303535454560壓縮空氣5070815煤氣(發(fā)生爐煤氣及城市煤氣)25507010010020025050046814 給水、熱水及加壓凝結(jié)水 2532 4050 7080 100 0507 10 16 2025 15020(利用

15、)80(排放) 廢 汽 20030(利用)80(排放) 2.按壓力定二氧化碳< 2944812氫氣< 9826氮?dú)?lt; 98612表3-7 管材粗糙度k值 管 材 類 別 粗糙度k 無縫鋼管 焊接鋼管及輕微腐蝕的無縫鋼管 鋼板卷管 鑄鐵管 腐蝕較嚴(yán)重的鋼管 嚴(yán)重腐蝕的鋼管 無縫銅管 02 0203 033 050.85 0506 13 01各種動(dòng)力管道水力計(jì)算表中，均注有k值。在使用時(shí)應(yīng)注意所用管材的粗糙度與計(jì)算表中標(biāo)注的丸值的一致性，若兩者不一致時(shí)，需將水力計(jì)算表中查出的單位阻力損失值乘以換算系數(shù)m。換算系數(shù)m值見表3-8，也可按下式進(jìn)行計(jì)算得出。表3-8粗糙度換算系數(shù)m值k

16、k/0.10.20.30.40.50.550.60.7O.750.80.850.91.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.55 0.6 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 1.01.O0.840.700.710.670.650。以0.610.600.590.590.580.561.191.000.900.840.800.780.760.730.720.710.700.690.671.321.111.000.930.880.860.840.810.800.780.770.760.741.411.191.071.000.950.920.900.870.850.840.830.8

17、20.801.501.211.141.061.000.980.960.920.900.890.880.860.841.531.291.161.081.021.000.980.940.930.910.900.880.861.511.321.191.111.051.021.000.960.950.930.920.900.881.631.391.241.151.091.061.041.000.980.9，0.950.940.911.651.391.241.171.111.081.06l.021.000.980.970.96D.931.681.411.281.191.121.101.071.031.0

18、21.000.980.970.951.711.441.321.211.141.111.091.051.031.021.000.990.961.731.461.321.221.161.131.ll1.061.051.030.011.000.971.781.501.351.261.191.161.141.091.071.061.041.031.00式中k實(shí)際采用管材的粗糙度；k/計(jì)算表中采用的粗糙度。四、管徑、流量及阻力損失的計(jì)算根據(jù)已知流量和允許流速選取范圍來確定管徑，是管道工程中最常見的計(jì)算。其計(jì)算式為或 式中D管道內(nèi)徑(mm)；qm質(zhì)量流量(th)；qv體積流量(m3h)；v介質(zhì)流速(可參考

19、表3-6選取，ms)；介質(zhì)密度(kgm3)。例 某段埋地給水管道全長200m，已知輸送流量為79.2m3/s幾，管內(nèi)介質(zhì)流速取1.26ms，試選用一合適管徑。解 根據(jù)式，將已知數(shù)值代人得D=149mm由計(jì)算結(jié)果可知，該管段可選用管徑為DNl50mm的管子。上述例題如還需估算出該管段總的阻力損失時(shí)，可按以下方法計(jì)算：由已知和計(jì)算所得數(shù)據(jù)，qm=79.2m3h，v=1.26ms， DN=150mm，查表3-3可知單位管長的沿程阻力損失R=198Pam。再由式(3-4)hf=RL得hf=2000×198。再由表31取局部阻力hj占沿程阻力的10，即hj=10hf，那么總阻力損失為hw=hf

20、+hj+10hf=(1+10)hf=(1+10)×2000×198=435.512kPa例2某一管徑為DN32mm的室內(nèi)蒸汽輸送管，管長50m，蒸汽壓力為0.3MPa(表壓)，管段內(nèi)允許壓力降為0.0125MPa，求該管道的輸送能力。解 查表3-1可知，該管段局部阻力約占沿程阻力的25，從而估算R的取值范圍R=P/L（1+25）=200Pa然后查蒸汽管道計(jì)算表34可知，當(dāng)管徑為DN32mm、R取值在200Pa左右時(shí)，其輸送介質(zhì)能力為115kgh，此時(shí)及值為202Pa，略大于200Pa，滿足允許壓力降的要求。第四節(jié) 管道的強(qiáng)度計(jì)算在利用管道輸送介質(zhì)時(shí)，由于管內(nèi)介質(zhì)具有一定的壓

21、力，因此要求管壁必須具有足夠的厚度，用以保證管道系統(tǒng)安全地運(yùn)行。材質(zhì)一定的管道，其強(qiáng)度大小則取決于管壁的厚度。管道內(nèi)輸送介質(zhì)的壓力越大，要求管壁越厚。從事管道安裝施工的人員必須了解管道強(qiáng)度與管壁厚度之間的關(guān)系，并能進(jìn)行簡單的強(qiáng)度計(jì)算，才能正確選用管材，處理施工中遇到的有關(guān)問題。承受內(nèi)壓力的鋼管管壁理論計(jì)算厚度按下式算出：一、按管子外徑確定管壁厚二、按管子內(nèi)徑確定管壁厚上兩式中SO管子理論計(jì)算壁厚(mm)；P管內(nèi)介質(zhì)的工作壓力(MPa)；DW管子外徑(mm)；D管子內(nèi)徑(mm)；管材在計(jì)算溫度下的基本許用應(yīng)力，見表3-9(MPa)；f/基本許用應(yīng)力修正系數(shù)，對(duì)于無縫鋼管，f/=1.0；對(duì)于縱縫焊

22、接鋼管，按有關(guān)制造技術(shù)條件檢驗(yàn)合格者，f/值按表3-10取用；對(duì)于單面焊接的螺旋縫焊接鋼管，按有關(guān)制造技術(shù)條件檢驗(yàn)合格者，f/=0.6。表3-9國產(chǎn)碳素鋼管的基本許用應(yīng)力)(MPa) 計(jì)算溫度°C鋼 號(hào)1020g，2022g20100150200222240250260280300320340350129.45123.56120.62117.68111.8106.89104.93102.9798.07舛.1487.2881.478.45143.18138.27135.33133.37132.39131.41130.43127.49122.58117.68111.8105.91103.

23、95168.67160.83155.93151.伲147.1143.18141.22139.25134.35131.41127.49表3-10縱縫焊接鋼管基本許用應(yīng)力修正系數(shù) 焊接方法 焊 縫 型 式 聲，手工焊或氣焊雙面焊接有坡口對(duì)接焊縫有氬弧焊打底的單面焊接，有坡口對(duì)接焊縫無氬弧焊打底的單面焊接，有坡口對(duì)接焊縫1.000.900.75焊劑層下的自動(dòng)焊雙面焊接對(duì)接焊縫單面焊接，有坡口對(duì)接焊縫單面焊接，無坡口對(duì)接焊縫1.000.850.80三、管子的計(jì)算壁厚管子的計(jì)算壁厚按下式計(jì)算：S=So+C (3-10)式中S0管子計(jì)算壁厚(mm)；C管子壁厚的附加值(mm)。管子壁厚的附加值與鋼管制造偏

24、差，腐蝕情況及加工端螺紋深度等因素有關(guān)。在任何情況下，計(jì)算采用的管子壁厚附加值不得小于0.5mm。在實(shí)際工作中，管子的壁厚往往超過上述計(jì)算壁厚很多，這是因?yàn)楣艿涝谥圃彀惭b和使用過程中，存在著的誤差、腐蝕以及不可預(yù)見的外力等因素的影響。為了保證管道安全可靠地運(yùn)行，必須適當(dāng)?shù)卦黾庸鼙诤穸?，使管道具有足夠的?qiáng)度和剛度。四、無縫鋼管的管壁厚度簡易計(jì)算無縫鋼管的壁厚可用下式計(jì)算：式中S/管子的實(shí)際壁厚(mm)；鋼材的基本許用應(yīng)力(MPa)；P管子的工作壓力(MPa)；DN管子公稱直徑(mm)；C/管子的附加厚度(mm)。在計(jì)算中，管子的附加厚度取值至少應(yīng)為23mm，這是由經(jīng)驗(yàn)確定的。在特殊情況下，也可以

25、略為降低些。上述無縫鋼管的管壁厚度計(jì)算公式，同樣適用于大鋼管和加工的鋼筒。例 某公稱直徑為DN50mm的無縫鋼管，其輸送介質(zhì)壓力為1.274Mh，試求管壁厚度，選用管子規(guī)格。解 根據(jù)式(311)，取附加厚度C/=3mm，鋼管的基本許用應(yīng)力取129.45MPa。那么S/= 3.37mm由計(jì)算結(jié)果可知，管壁厚度為3.371mm，從材料規(guī)格表中可查得，與DN50mm的鋼管相應(yīng)的無縫鋼管管壁厚度為3.5mm。因此應(yīng)選用規(guī)格為聲57mm×3.5mm的無縫鋼管。對(duì)于碳鋼無縫鋼管、不銹鋼管、鋁管等壁厚規(guī)格范圍較大的管材，一般情況下，其壁厚可根據(jù)不同工作壓力分別從表311、312、313所列規(guī)格中選用。如果使用壓力超出表中所列范圍或腐蝕情況比較嚴(yán)重，其管壁厚度可按公式(311)及有關(guān)參考數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。有磨損情況時(shí)，按規(guī)定再酌加磨損裕量。表3-11碳鋼無縫鋼管壁厚選用表公稱直徑DN mm外 徑 mm不同壓力(MPa)下的壁厚mmP=0.588MPaP=0.98MPaP=1.569MPaP=2.45MPa 15 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 2