管径选择与管道压力降计算(一)1~60

管径选择与管道压力降计算PS304-03—1—管径选择与管道压力降计算第一部分管径选择1．应用范围和说明1.0.1本规定适用于化工生产装置中的工艺和公用物料管道，不包括储运系统的长距离输送管道、非牛顿型流体及固体粒子气流输送管道。1.0.2对于给定的流量，管径的大小与管道系统的一次投资费(材料和安装)、操作费(动力消耗和维修)和折旧费等项有密切的关系，应根据这些费用作出经济比较，以选择适当的管径，此外还应考虑安全流速及其它条件的限制。本规定介绍推荐的方法和数据是以经验值，即采用预定流速或预定管道压力降值(设定压力降控制值)来选择管径，可用于工程设计中的估算。1.0.3当按预定介质流速来确定管径时，采用下式以初选管径：d=18.81W0.5u-0.5ρ-0.5(1.0.3—1)或d=18.81V00.5u-0.5(1.0.3—2)式中d——管道的内径，mm；W——管内介质的质量流量，kg／h；V0——管内介质的体积流量，m3／h；ρ——介质在工作条件下的密度，kg／m3；u——介质在管内的平均流速，m／s。预定介质流速的推荐值见表2.0.1。1.0.4当按每100m计算管长的压力降控制值(⊿Pf100)来选择管径时，采用下式以初定管径：d＝18.16W0.38ρ-0.207µ0.033⊿Pf100–0.207(1.0.4—1)或d＝18.16V00.38ρ0.173µ0.033⊿Pf100–0.207(1.0.4—2)式中µ——介质的动力粘度，Pa·s；⊿Pf100——100m计算管长的压力降控制值，kPa。推荐的⊿Pf100值见表2.0.2。1.0.5本规定除注明外，压力均为绝对压力。管径选择与管道压力降计算PS304-03—2—2．管道内流体常用流速范围和一般工程设计中的压力降控制值2.0.1管道内各种介质常用流速范围见表2.0.1。表中管道的材质除注明外，一律为钢。该表中流速为推荐值。2.0.2管道压力降控制值见表2.0.2－1和表2.0.2－2，该表中压力降值为推荐值。管径选择与管道压力降计算PS304-03—3—管径选择与管道压力降计算PS304-03—4—管径选择与管道压力降计算PS304-03—5—管径选择与管道压力降计算PS304-03—6—管径选择与管道压力降计算PS304-03—7—3．核定3.0.1初选管径后，应在已确定的工作条件及物料性质的基础上，按不同流动情况的有关公式，准确地作出管道的水力计算，再进一步核定下述各项：3.0.2所计算出的管径应符合工程设计规定；3.0.3满足介质在管道输送时，对流速的安全规定；3.0.4满足噪声控制的要求。管径选择与管道压力降计算PS304-03—8—第二部分管道压力降计算1单相流(不可压缩流体)1.1简述1.1.1本规定适用于牛顿型单相流体在管道中流动压力降的计算。在化工工艺专业已基本确定各有关主要设备的工作压力的情况下，进行系统的水力计算。根据化工工艺要求计算各主要设备之间的管道(包括管段、阀门、控制阀、流量计及管件等)的压力降，使系统总压力降控制在给定的工作压力范围内，在此基础上确定管道尺寸、设备接管口尺寸、控制阀和流量计的允许压力降，以及安全阀和爆破片的泄放压力等。1.1.2牛顿型流体是流体剪应力与速度梯度成正比而粘度为其比例系数。凡是气体都是牛顿型流体，除由高分子等物质组成的液体和泥浆外，多数液体亦属牛顿型流体。1.2计算方法1.2.1注意事项1.2.1.1安全系数计算方法中未考虑安全系数，计算时应根据实际情况选用合理的数值。通常，对平均需要使用5～10年的钢管，在摩擦系数中加20％～30％的安全系数，就可以适应其粗糙度条件的变化；超过5～10年，条件往往会保持稳定，但也可能进一步恶化。此系数中未考虑由于流量增加而增加的压力降，因此须再增加10％～20％。的安全系数。规定中对摩擦压力降计算结果按1.15倍系数来确定系统的摩擦压力降，但对静压力降和其它压力降不乘系数。1.2.1.2计算准确度在工程计算中，计算结果取小数后两位有效数字为宜。对用当量长度计算压力降的各项计算中，最后结果所取的有效数字仍不超过小数后两位。1.2.2管径1.2.2.1确定管径的一般原则(1)应根据设计条件来确定管道直径，需要时，可以有设计条件下压力降15％～25％的富裕量，但以下情况除外：a.有燃料油循环管路系统的排出管尺寸，应考虑一定的循环量；b.泵、压缩机和鼓风机的管道，应按工艺最大流量(在设备设计允许的流速管径选择与管道压力降计算PS304-03—9—下)来确定尺寸，而不能按机器的最大能力来确定管道尺寸；c.间断使用的管道(如开工旁路管道)尺寸，应按可能得到的压差来确定。(2)在允许压力降范围内，应采用经济管径，某些管道中流体允许压力降范围见表1.2.2—1。(3)某些对管壁有腐蚀及磨蚀的流体，由流速决定管径，其流速见表1.2.2－2。1.2.2.2管径计算计算公式如下：5.05.0u8.18u8.18WVdf(1.2.2－1)式中d——管道内直径，mm；Vf——流体体积流量，m3/h；u——流体平均流速，m/s；W——流体质量流量，kg/h；ρ——流体密度，kg/m3。通常可由图1.2.2—1或图1.2.2—2查得管径。管径选择与管道压力降计算PS304-03—10—管径选择与管道压力降计算PS304-03—11—管径选择与管道压力降计算PS304-03—12—某些管道中流体允许压力降范围表1.2.2—1序号管道种类及条件压力降范围kPa(100m管长)l蒸汽P＝6.4～IOMPa(表)46～230总管P3.5MPa(表)12～35P≥3.5MPa(表)23～46支管P3.5MPa(表)23～46P≥3.5MPa(表)23～69排气管4.6～122大型压缩机735kW进口1.8～9出口4.6～6.9小型压缩机进出口2.3～23压缩机循环管道及压缩机出口管0.23～123安全阀进口管(接管点至阀)最大取整定压力的3%出口管最大取整定压力的10%出口汇总管最大取整定压力的7.5%4一般低压下工艺气体2.3～235一般高压工艺气体2.3～696塔顶出气管127水总管238水支管189泵进口管最大取8出口管34m3／h35～13834～110m3／h23～92110m3／h12～46管径选择与管道压力降计算PS304-03—13—某些对管壁有腐蚀及磨蚀流体的流速表1.2.2－2序号介质条件管道材料最大允许流速m／Sl烧碱液(浓度5％)碳钢1.222浓硫酸(浓度80％)碳钢1.223酚水(含酚1％)碳钢0.9l4含酚蒸汽碳钢18.005盐水碳钢1.83管径≥900衬水泥或沥青钢管4.60管径900衬水泥或沥青钢管6.00注：当管道为含镍不锈钢时，流速有时可提高到表中流速的10倍以上。1.2.3管路1.2.3.1简单管路凡是没有分支的管路称为简单管路。(1)管径不变的简单管路，流体通过整个管路的流量不变。(2)由不同管径的管段组成的简单管路，称为串联管路。a.通过各管段的流量不变，对于不可压缩流体则有Vf＝Vf1=Vf2=Vf3……(1.2.3—1)b.整个管路的压力降等于各管段压力降之和，即⊿P＝⊿Pl+⊿P2+⊿P3＋……(1.2.3—2)1.2.3.2复杂管路凡是有分支的管路，称为复杂管路。复杂管路可视为由若干简单管路组成。(1)并联管路在主管某处分支，然后又汇合成为一根主管。a.各支管压力降相等，即⊿P＝⊿Pl＝⊿P2＝⊿P3……(1.2.3—3)在计算压力降时，只计算其中一根管子即可。b.各支管流量之和等于主管流量，即Vf＝Vf1＋Vf2＋Vf3十……(1.2.3—4)(2)枝状管路从主管某处分出支管或支管上再分出支管而不汇合成为一根主管。管径选择与管道压力降计算PS304-03—14—a.主管流量等于各支管流量之和；b.支管所需能量按耗能最大的支管计算；c.对较复杂的枝状管路，可在分支点处将其划分为若干简单管路，按一般的简单管路分别计算。1.2.4管道压力降计算1.2.4.1概述(1)管道压力降为管道摩擦压力降、静压力降以及速度压力降之和。管道摩擦压力降包括直管、管件和阀门等的压力降，同时亦包括孔板、突然扩大、突然缩小以及接管口等产生的局部压力降；静压力降是由于管道始端和终端标高差而产生的；速度压力降是指管道始端和终端流体流速不等而产生的压力降。(2)对复杂管路分段计算的原则，通常是在支管和总管(或管径变化处)连接处拆开，管件(如异径三通)应划分在总管上，按总管直径选取当量长度。总管长度按最远一台设备计算。(3)对因结垢而实际管径减小的管道，应按实际管径进行计算。雷诺数按下式计算：dVdWduf354354Re（1.2.4－1）式中Re——雷诺数，无因次；u——流体平均流速，m／s；d——管道内直径，mm；µ——流体粘度，mPa·s；W——流体的质量流量，kg／h；Vf——流体的体积流量，m3／h；ρ——流体密度，kg／m3。(4)管壁粗糙度管壁粗糙度通常是指绝对粗糙度(ε)和相对粗糙度(ε／d)。绝对粗糙度表示管子内壁凸出部分的平均高度。在选用时，应考虑到流体对管壁的腐蚀、磨蚀、结垢以及使用情况等因素。如无缝钢管，当流体是石油气、管径选择与管道压力降计算PS304-03—15—饱和蒸汽以及干压缩空气等腐蚀性小的流体时，可选取绝对粗糙度ε＝o.2mm；输送水时，若为冷凝液(有空气)则取ε＝0.5mm；纯水取ε＝0.2mm；未处理水取ε＝0.3～0.5mm；对酸、碱等腐蚀性较大的流体，则可取＝lmm或更大些。对相同绝对粗糙度的管道，直径愈小，对摩擦系数影响程度愈大，因此用ε和d的比值ε／d来表示管壁粗糙度，称为相对粗糙度。在湍流时，管壁粗糙度对流体流动的摩擦系数影响甚大。摩擦系数(λ)与雷诺数(Re)及管壁相对粗糙度(ε／d)的关系见图1.2.4—1所示；在完全湍流情况下，清洁新管的管径(d)占绝对粗糙度(ε)的关系见图1.2.4—2所示。某些工业管道的绝对粗糙度见表1.2.4—1；相对粗糙度由图1.2.4—2查得。某些工业管道的绝对粗糙度表1.2.4—1序号管道类别绝对粗糙度(c)mm1234567金属管无缝黄铜管、铜管及铅管新的无缝钢管或镀锌铁管新的铸铁管具有轻度腐蚀的无缝钢管具有显著腐蚀的无缝钢管旧的铸铁管钢板制管0.01～0.050.1～0.20.25～0.420.2～0.30.5以上0.85以上0.338910111213非金属管干净玻璃管橡皮软管木管道陶土排水管接头平整的水泥管石棉水泥管0.0015～0.010.01～0.030.25—1.250.45～6.00.330.03～0.8(5)流动型态流体在管道中流动的型态分为层流和湍流两种流型，层流与湍流间有一段不稳定的临界区。湍流区又可分为过渡区和完全湍流区。工业生产中流体流型大多属于过渡区，见图1.2.4—1所示。确定管道内流体流动型态的准则是雷诺数(Re)。管径选择与管道压力降计算PS304-03—16—管径选择与管道压力降计算PS304-03—17—a.层流雷诺数Re2000，其摩擦损失与剪应力成正比，摩擦压力降与流体流速的一次方成正比。b.湍流雷诺数Re≥4000，其摩擦压力降几乎与流速的平方成正比。(a)过渡区摩擦系数(λ)是雷诺数(Re)和管壁相对粗糙度(ε／d)的函数，在工业生产中，除粘度较大的某些液体(如稠厚的油类等)外，为提高流量或传热、传质速率，要求Re104。因此，工程设计中管内的流体流型多处于湍流过渡区范管径选择与管道压力降计算PS304-03—18—围内。(b)完全湍流区在图1.2.4—1中，M-N线上部范围内，摩擦系数与雷诺数无关而仅随管壁粗糙度变化。c.临界区2000Re4000，在计算中，当Re3000时，可按湍流来考虑，其摩擦系数和雷诺数及管壁粗糙度均有关，当粗糙度一定时，摩擦系数随雷诺数而变化。(6)摩擦系数a.层流层流时摩擦系数用式(1.2.4—2)计算或查图1.2.4－l。λ＝64／Re