管道布置設計必須具備的條件

應遵守的國家和行業(yè)法律法規、設計標準以及規程規范

工程設計統一規定

工藝流程（系統）圖

設備布置圖

設備表、設備圖

相關(guān)專(zhuān)業(yè)的設計條件（總平面地形圖、廠(chǎng)房建筑圖、電氣電纜、給排水專(zhuān)業(yè)管道布置圖等）

管道布置設計常用標準、規程和規范

《工業(yè)金屬管道設計規范》(GB50316-2000）

《工業(yè)設備及管道絕熱工程設計規范》(GB50264-2013）

《石油化工企業(yè)設計防火規范》（GB50160-2008）2018修訂版

《建筑設計防火規范》（GB50016-2014）

《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級》（GBZ230-2010）

《城鎮燃氣設計規范》（GB50028-2006）

《城市熱力網(wǎng)設計規范》（CJJ34-2002）

《城鎮直埋供熱管道工程設計規范》（CJJ/T81-98）

《小型火力發(fā)電廠(chǎng)設計規范》（GB50049-2011）

《火力發(fā)電廠(chǎng)設計技術(shù)規程》（DL5000-2000）

《火力發(fā)電廠(chǎng)汽水管道設計技術(shù)規定》（DL/T5054-96）

《火力發(fā)電廠(chǎng)保溫油漆設計規程》（DL/T5072-2007）

《火力發(fā)電廠(chǎng)化學(xué)設計技術(shù)規程》（DL/T5068-2006）

《燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)設計規定》（DL/T5174-2003）

《鍋爐房設計規范》（GB50041-2008）

《發(fā)生爐煤氣站設計規范》（GB50195-2013）

《壓縮空氣站設計規范》（GBJ29-2014）

《氧氣站設計規范》（GBJ50030-2013）

《氫氧站設計規范》（GB50177-2005）

《乙炔站設計規范》（GB50031-91）2007版

《石油化工金屬管道布置設計規范》（SH3012-2011）

《輸氣管道工程設計規范》（GB50251-2003）

《輸油管道工程設計規范》（GB50253-2014）

《化工企業(yè)靜電接地設計規程》（HGJ28-90）

室內管道布置原則

1.盡量避免管道對室內采光的影響，不應妨礙窗戶(hù)的啟閉；

2.不應影響設備的操作和維護（如抽管檢修和設備起吊）；

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

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

5.地溝內管道應盡量采用單層布置，當采用多層布置時(shí)，一般將小管或壓力高的，閥門(mén)多的管道布置在上面；

6.腐蝕性介質(zhì)管道不應布置在人行通道和轉動(dòng)設備上方；

7.B類(lèi)流體介質(zhì)的管道，不得安裝在通風(fēng)不良的廠(chǎng)房?jì)?、室內的吊頂內或夾層內；

8.B類(lèi)流體介質(zhì)的管道，不應布置在高溫管道旁或上方；

室外管道管網(wǎng)布置原則

1.廠(chǎng)區內管道的敷設，應與廠(chǎng)區內的道路、建筑物、構筑物等協(xié)調，減少管道與鐵路、道路的交叉；

2.大直徑管道應靠近管架柱子布置；

3.需設置“π”型補償器的高溫管道，應布置在靠近柱子處；

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.管架上的管道設計，應預留10～20％余量；

6.B類(lèi)流體介質(zhì)管道與電纜和氧氣管道并行或交叉敷設時(shí)，其凈距應符合規范要求；

7.B類(lèi)流體介質(zhì)不得穿過(guò)與其無(wú)關(guān)的建筑物；

8.密度比環(huán)境空氣大的B類(lèi)氣體管道，當有法蘭、螺紋連接或填料結構時(shí)，不應緊靠建筑物門(mén)窗敷設；

9.道路、鐵路上方的管道上不應有閥門(mén)、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滿(mǎn)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，管道布置設計應充分考慮吸收熱位移。一旦布置不當，將造成管道某些部位產(chǎn)生過(guò)大的熱應力而破壞或對支架產(chǎn)生過(guò)大的推力而影響管道支架的安全，從而影響管道系統的正常運行。

例題：圖示為某廠(chǎng)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處設有一異徑管DN200/DN150，管道設計安裝尺寸見(jiàn)圖。

運行狀況：異徑管與法蘭連接處焊縫多次出現裂紋。

原因分析：由于設備布置太近，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(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(cháng)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力集中的位置也由較高應力區域移到了較低應力區域。這樣，管道的最大應力值下降了，經(jīng)幾年的生產(chǎn)考驗，獲得了滿(mǎn)意的結果。

管道振動(dòng)：

危害：管道振動(dòng)是一種常見(jiàn)現象，嚴重的振動(dòng)會(huì )加速裂紋擴展，威脅系統的安全。與設備連接的管道，尤其與往復機械相聯(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。

產(chǎn)生原因：設備的往復運動(dòng)及振動(dòng)，導致與設備連接的管道振動(dòng)（如壓縮機、汽輪機、泵、風(fēng)機等）；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、介質(zhì)流向改變或工況發(fā)生變化情況等）；不穩定的兩相流（如蒸汽管疏水不暢）、液擊（閥門(mén)急開(kāi)急關(guān)）、地震、風(fēng)等都會(huì )加劇管道的振動(dòng)。

防止措施：

防止設備振動(dòng)的傳遞，如聯(lián)接處設軟接頭

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

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，管道布置設計應根據所輸送介質(zhì)的種類(lèi)、特性及安全要求合理布置和正確選擇結構合適的支吊架，以改善管道的應力分布，確保管道安全運行。支吊架設計可按管道設計、結構強度設計軟件計算確定或按有關(guān)設計手冊選取。

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(mén)、法蘭、墊片、過(guò)濾器、補償器等，其選擇和設計要求由管道材料章節介紹。這里只介紹從管件的布置方面應作哪些考慮。

管道組件布置原則：應盡可能布置在變形位移小，應力較低的部位。

閥門(mén)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(diǎn)之間管段的中央，并在適當位置設導向支架，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(chǎng)家要求設置一定的導向支架，確保補償器的穩定性。支架設置要求見(jiàn)下圖：

對連接設備的影響：

管道對所聯(lián)設備的作用力和力矩應符合設備廠(chǎng)家允許的規定，如超過(guò)規定，將影響設備的安全和造成聯(lián)接法蘭處的泄漏。

措施：

設備連接處設支吊架，以承擔管道重量及管端推力，如下圖。

提高連接處管道的柔性，如設柔性接頭或柔性彎管。若設通用型波紋補償器（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)系及安全距離應嚴格按規程規范的要求布置，實(shí)在無(wú)法滿(mǎn)足時(shí)，應采取有效措施。管道的敷設方式得當與否也將影響管道的安全，如B類(lèi)流體介質(zhì)管道在無(wú)安全措施時(shí)不應布置在地溝內（尤其象比空氣重的液化氣管道）。

燃氣管道設計中補償器的選擇

補償器又稱(chēng)為伸縮器、伸縮節或膨脹節，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(shí)管道不能完全自由地膨脹或收縮，管道中將產(chǎn)生溫度應力。在管道設計中必須考慮這種應力，否則它可能導致管道的破裂，影響生產(chǎn)的正常運行。燃氣管道中有各種形式的補償器，設計人員有必要了解各種補償器的特點(diǎn)，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容，首先介紹三個(gè)定義和兩個(gè)計算公式

（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。

對直管式導向支架進(jìn)行定位，一般推薦：使補償器靠近一個(gè)固定支架，使第一個(gè)導向支架與補償器端面的間距不超過(guò)管徑的4倍（L1≤4DN）。這種布設方式既可以使位移得到正確的導向，又可以使補償器的兩端得到適當的支承。第二個(gè)導向支架與第一個(gè)導向支架的間距不得超過(guò)管徑的14倍（L2≤14DN）。其它導向支架的最大間距可按公式計算，也可按燃規上的規定執行。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，主固定支架一般設置在管道的盲端、彎頭、閥門(mén)及側支管線(xiàn)連接處等位置， 次固定支架一般設在直管段上兩個(gè)軸向型補償器之間。

（2）管道伸長(cháng)量的計算

由于溫差引起的管道長(cháng)度變化，由下式計算：

△L＝ αL△t

式中：△L—管道的伸長(cháng)量（m）；

α—管道的線(xiàn)膨脹系數（m/m℃），其數值見(jiàn)表1

L—管道長(cháng)度（m）；

△t－溫差（℃ ），架空管道在太陽(yáng)直曬的情況下計算溫差可取80℃；

表1各種管材的線(xiàn)膨脹系數（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）溫度應力

當管道兩端固定時(shí)，溫度應力為：

σ=Eδ

式中：σ－溫度應力（MPa）；

E－彈性模數（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(jìn)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(cháng)度計算：

式中l－L型補償器的短臂長(cháng)度(m）；

△L－L型補償器長(cháng)臂的熱伸縮量（mm）；

D－管道外徑（mm）

（2）Z型補償器的短臂長(cháng)度計算：

式中：l－Z型補償器的短臂長(cháng)度(m）；

△t－計算溫差（ ℃ ）；

E－彈性模數（MPa）；

D－管道外徑（mm）；

σ－允許彎曲應力（MPa）；

k= L1/ L2。

小結：自然補償的管道的長(cháng)臂臂長(cháng)一般不超過(guò)25m，彎曲應力不應超過(guò)80MPa。

L形與Z形補償器可以利用管道中的彎頭構成，且便于安裝。在管道設計中，應充分利用這兩種補償器做補償，然后再考慮采用其它種類(lèi)的補償器。自然補償的優(yōu)點(diǎn)是可以節省補償器，缺點(diǎn)是管道變形時(shí)產(chǎn)生橫向位移。架空管道中自然補償不能滿(mǎn)足要求時(shí)才考慮裝設其它類(lèi)型的補償器。

方型補償器

方型補償器又稱(chēng)∪型補償器，它一般用優(yōu)質(zhì)無(wú)縫鋼管煨彎而成，當管徑較大時(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

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

小結：方形補償器的優(yōu)點(diǎn)是制造方便，軸向推力較小，補償量大，運行可靠，嚴密性好，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(cháng)，占空間較大，當管徑較大時(shí)不宜采用。

波紋補償器

波紋補償器是采用先進(jìn)的、對波紋管無(wú)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(xiàn)上可作軸向、橫向和角向三個(gè)方向的補償。

波紋補償器的種類(lèi)很多，包括軸向型波紋補償器 、自由復式型波紋補償器 、拉桿型波紋補償器等。后兩種結構較為復雜，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(gè)波紋管和兩個(gè)接管構成。它通過(guò)波紋管的柔性變形來(lái)吸收管線(xiàn)軸向位移（也有少量橫向、角向位移），一般通過(guò)法蘭與管道連接。補償器上的小拉桿主要是運輸過(guò)程中的剛性支承或作為產(chǎn)品預變形調整用，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(dòng)阻力，在內部設有內套管，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－波節數；

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

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－管道內徑（cm）；

δ－補償器壁厚（cm）；

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

α－波形補償器計算系數，據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

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(gè)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(jìn)行“預變形”

軸向型補償器的軸向預變形量△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：波紋補償器具有工作可靠、結構緊湊、重量輕、位移補償量大、變形應力小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應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(dòng)，安全性差，施工時(shí)應注意保護。

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(wú)縫不銹鋼管經(jīng)過(guò)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(shí)對金屬軟管起保護作用，根據管道中的壓力大小及應用場(chǎng)所，可選擇一層或多層的不銹鋼絲或鋼帶按一定的參數進(jìn)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(chēng)直徑mm	內徑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：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，可廣泛應用于燃氣管道中進(jìn)行橫向位移的補償，也可用于燃氣管道與用氣設備的連接，吸收設備的振動(dòng)，降低振動(dòng)對燃氣管道的影響。

總結

架空管道中補償器的選擇應首先應考慮自然補償，當自然補償不能滿(mǎn)足要求時(shí)才考慮裝設方型補償器、波紋補償器或金屬軟管。

在進(jìn)行燃氣管道設計時(shí)應充分地考慮到管道的走向和支撐體系的設計，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。