管道布置設(shè)計(jì)原則、基本要求與補(bǔ)償器的選擇

2/2管道布置設(shè)計(jì)原則、基本要求與補(bǔ)償器的選擇管道布置設(shè)計(jì)必須具備的條件應(yīng)遵守的國(guó)家和行業(yè)法律法規(guī)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)程規(guī)范工程設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)常用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程和規(guī)范《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50316-2000）《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50264-2013）《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50160-2008）《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016.jpg"outline:0px;max-width:100%;line-height:22.5px;visibility:visible;box-sizing:border-box!important;word-wrap:break-word!important;">《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)》（GBZ230-2010）《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50028-2006）《城市熱力網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ34-2002）《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ/T81-98）《小型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50049-2011）《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL5000-2000）《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T5054-96）《火力發(fā)電廠保溫油漆設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T5072-2007）《火力發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T5068-2006）《燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電廠設(shè)計(jì)規(guī)定》（DL/T5174-2003）《鍋爐房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50041-2008）《發(fā)生爐煤氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50195-2013）《壓縮空氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ29-2014）《氧氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ50030-2013）《氫氧站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50177-2005）《乙炔站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50031-91）2007版《石油化工金屬管道布置設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH3012-2011）《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50251-2003）《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50253-2014）《化工企業(yè)靜電接地設(shè)計(jì)規(guī)程》（HGJ28-90）室內(nèi)管道布置原則1.盡量避免管道對(duì)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(hù)（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(shí)，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(shí)，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(dòng)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?jī)?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(bǔ)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(jì)，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(shí)，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(shí)，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(bǔ)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(yùn)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(bǔ)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(jì)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(yùn)行。例題：圖示為某廠一條聯(lián)接兩臺(tái)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(jì)安裝尺寸見圖。運(yùn)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(duì)管系進(jìn)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(chǎng)地所限，不可能改變管子長(zhǎng)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(shí)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(yàn)，獲得了滿意的結(jié)果。管道振動(dòng)：危害：管道振動(dòng)是一種常見現(xiàn)象，嚴(yán)重的振動(dòng)會(huì)加速裂紋擴(kuò)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(jī)械相聯(lián)的管道，振動(dòng)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(yùn)動(dòng)及振動(dòng)，導(dǎo)致與設(shè)備連接的管道振動(dòng)（如壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)等）；伴隨介質(zhì)脈動(dòng)或壓力波動(dòng)易產(chǎn)生共振（如活塞式壓縮機(jī)、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(huì)加劇管道的振動(dòng)。防止措施：防止設(shè)備振動(dòng)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(jī)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(jì)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(yùn)行。支吊架設(shè)計(jì)可按管道設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)軟件計(jì)算確定或按有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)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(bǔ)償器等，其選擇和設(shè)計(jì)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(bǔ)償器布置對(duì)Π型補(bǔ)償器，一般要求布置在兩固定點(diǎn)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(duì)通用型波紋補(bǔ)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(bǔ)償器的穩(wěn)定性。支架設(shè)置要求見下圖：對(duì)連接設(shè)備的影響：管道對(duì)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(bǔ)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(shí)在無法滿足時(shí)，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(shí)不應(yīng)布置在地溝內(nèi)（尤其象比空氣重的液化氣管道）。燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)中補(bǔ)償器的選擇補(bǔ)償器又稱為伸縮器、伸縮節(jié)或膨脹節(jié)，主要用于補(bǔ)償管道受溫度變化而產(chǎn)生的變形。如果溫度變化時(shí)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(jì)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(yùn)行。燃?xì)夤艿乐杏懈鞣N形式的補(bǔ)償器，設(shè)計(jì)人員有必要了解各種補(bǔ)償器的特點(diǎn)，并能夠正確選擇合適的補(bǔ)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(gè)定義和兩個(gè)計(jì)算公式（1）定義a、滑動(dòng)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(dòng)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(duì)直管式導(dǎo)向支架進(jìn)行定位，一般推薦：使補(bǔ)償器靠近一個(gè)固定支架，使第一個(gè)導(dǎo)向支架與補(bǔ)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(bǔ)償器的兩端得到適當(dāng)?shù)闹С?。第二個(gè)導(dǎo)向支架與第一個(gè)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(jì)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(gè)軸向型補(bǔ)償器之間。（2）管道伸長(zhǎng)量的計(jì)算由于溫差引起的管道長(zhǎng)度變化，由下式計(jì)算：△L＝αL△t式中：△L—管道的伸長(zhǎng)量（m）；α—管道的線膨脹系數(shù)（m/m℃），其數(shù)值見表1L—管道長(zhǎng)度（m）；△t－溫差（℃），架空管道在太陽直曬的情況下計(jì)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12.0×10-611.7×10-613.1×10-611.7×10-610.3×10-6黃銅紫銅鑄鐵聚氯乙烯13.4×10-616.4×10-610.4×10-670.0×10-6（2）溫度應(yīng)力當(dāng)管道兩端固定時(shí)，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(duì)變形，δ＝△L/L自然補(bǔ)償器自然補(bǔ)償器是利用管道自身進(jìn)行補(bǔ)償，常用的有兩種形式，L型和Z型，如下圖：

自然補(bǔ)償器短臂的計(jì)算方法如下：（1）

L型補(bǔ)償器短臂長(zhǎng)度計(jì)算：

式中l(wèi)－L型補(bǔ)償器的短臂長(zhǎng)度(m）；△L－L型補(bǔ)償器長(zhǎng)臂的熱伸縮量（mm）；D－管道外徑（mm）（2）Z型補(bǔ)償器的短臂長(zhǎng)度計(jì)算：

式中：l－Z型補(bǔ)償器的短臂長(zhǎng)度(m）；△t－計(jì)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(bǔ)償?shù)墓艿赖拈L(zhǎng)臂臂長(zhǎng)一般不超過25m，彎曲應(yīng)力不應(yīng)超過80MPa。L形與Z形補(bǔ)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(jì)中，應(yīng)充分利用這兩種補(bǔ)償器做補(bǔ)償，然后再考慮采用其它種類的補(bǔ)償器。自然補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省補(bǔ)償器，缺點(diǎn)是管道變形時(shí)產(chǎn)生橫向位移。架空管道中自然補(bǔ)償不能滿足要求時(shí)才考慮裝設(shè)其它類型的補(bǔ)償器。方型補(bǔ)償器方型補(bǔ)償器又稱∪型補(bǔ)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(shí)常用焊接彎管制成。曲率半徑通常為3DN-4DN。方型補(bǔ)償器分為4種型號(hào)，補(bǔ)償能力為30mm一250mm。

表2補(bǔ)償能力為50mm、100mm的方型補(bǔ)償器相關(guān)參數(shù)補(bǔ)償能力為30mm、75mm、150mm、200mm、250mm的方型補(bǔ)償器均有相關(guān)的參數(shù)列表。小結(jié)：方形補(bǔ)償器的優(yōu)點(diǎn)是制造方便，軸向推力較小，補(bǔ)償量大，運(yùn)行可靠，嚴(yán)密性好，不需要經(jīng)常維修。其缺點(diǎn)是介質(zhì)流動(dòng)阻力大、單面外伸臂較長(zhǎng)，占空間較大，當(dāng)管徑較大時(shí)不宜采用。波紋補(bǔ)償器波紋補(bǔ)償器是采用先進(jìn)的、對(duì)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(bǔ)償器在管線上可作軸向、橫向和角向三個(gè)方向的補(bǔ)償。波紋補(bǔ)償器的種類很多，包括軸向型波紋補(bǔ)償器、自由復(fù)式型波紋補(bǔ)償器、拉桿型波紋補(bǔ)償器等。后兩種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且在燃?xì)夤艿乐杏玫妮^少，主要介紹軸向型波紋補(bǔ)償器。軸向型波紋補(bǔ)償器由一個(gè)波紋管和兩個(gè)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(bǔ)償器上的小拉桿主要是運(yùn)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(bǔ)償器為了減少介質(zhì)的流動(dòng)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(bǔ)償能力，故一般僅用以吸收或補(bǔ)償管道的軸向位移；波紋補(bǔ)償器補(bǔ)償能力為：△L=△s×N式中△L－補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力（mm）；N－波節(jié)數(shù)；△s－單節(jié)波紋的補(bǔ)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(bǔ)償器允許的補(bǔ)償能力一般按最大補(bǔ)償能力的1／2－2／3計(jì)算。單節(jié)波紋的補(bǔ)償能力△s可按下式計(jì)算：

式中：E－補(bǔ)償器鋼材的彈性模量（MPa）；σs－補(bǔ)償器鋼材屈服極限（MPa）；d－管道內(nèi)徑（cm）；δ－補(bǔ)償器壁厚（cm）；k－安全系數(shù)。當(dāng)P≤0.25MPa時(shí)，k=1.2；當(dāng)0.25MPa≤P≤0.6MPa時(shí)，k=1.3；α－波形補(bǔ)償器計(jì)算系數(shù)，據(jù)β＝d/D值查表3D－波形補(bǔ)償器的外徑（cm）。表3波形補(bǔ)償器計(jì)算系數(shù)β＝d/Dαβ＝d/Dα0.400.460.500.540.580.600.6414.368.5106.0334.2803.0162.5241.7620.680.700.720.760.800.840.901.2030.9870.80650.5120.3110.17250.0476為了使補(bǔ)償器處于一個(gè)良好的工作位置和改善管道的受力狀態(tài)，在安裝前對(duì)補(bǔ)償器進(jìn)行“預(yù)變形”軸向型補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償器具有工作可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、位移補(bǔ)償量大、變形應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于燃?xì)夤艿赖难a(bǔ)償中，但由于其管壁較薄、強(qiáng)度低，不能承受扭力、振動(dòng)，安全性差