管道設(shè)計(jì)涉及非常多的考慮因素，這些因素對(duì)管道在實(shí)際中的使用造成很大的影響，下面，我們一起來(lái)看下管道設(shè)計(jì)需要注意哪些內(nèi)容。



管道設(shè)計(jì)

管道是用于輸送氣體、液體或帶固體顆粒的流體的裝置，主要由管子、管件、法蘭、墊片、螺栓和螺柱、閥門以及管道特殊件等設(shè)施組成。管道用途廣泛，適用于工廠、電力、石油天然氣、核能埋地管線、海上 FPSO （浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油）平臺(tái)和海下管道等行業(yè)領(lǐng)域。

管道設(shè)計(jì)主要包含管徑、敷設(shè)路徑、支吊架、保溫和加熱等內(nèi)容。

1.管徑的確定

當(dāng)流體的流量已知時(shí)，管徑的大小取決于允許的流速或允許的摩擦阻力（壓力降）。流速大時(shí)管徑小，但壓力降值增大。因此，流速大時(shí)可以節(jié)省管道基建投資，但泵和壓縮機(jī)等動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)行能耗費(fèi)用增大。此外，如果流速過(guò)大，還有可能帶來(lái)一些其他不利的因素。因此管徑應(yīng)根據(jù)建設(shè)投資、運(yùn)行費(fèi)用和其他技術(shù)因素綜合考慮決定。

2.管道的連接

管子、管子連接件、閥門和設(shè)備上的進(jìn)出接管間的連接方法，由流體的性質(zhì)、壓力和溫度以及管子的材質(zhì)、尺寸和安裝場(chǎng)所等因素決定，主要有螺紋連接、法蘭連接、承插連接和焊接等4種方法：

1）螺紋連接：主要適用于小直徑管道

2）法蘭連接：適用的直徑范圍較大

3）承插連接：用于鑄鐵管、混凝土管、陶土管及其聯(lián)接件之間的聯(lián)接，只適用于在低壓常溫條件下工作的給水、排水和煤氣管道

4）焊接：這種連接的強(qiáng)度和密封性最好，適用于各種管道，省工省料，但拆卸時(shí)必須切斷管子和管子連接件

3.管道的敷設(shè)

城市里的給水、排水、供熱、供煤氣的管道的干線和長(zhǎng)距離的輸油輸氣管道大多敷設(shè)在地下，而工廠里的工藝管道為便于操作和維修多敷設(shè)在地上。

4.通行問(wèn)題

地面上的管道應(yīng)盡量避免與道路、鐵路和航道交叉。在不能避免交叉時(shí)，交叉處跨越的高度也應(yīng)能使行人和車船安全通過(guò)。地下的管道一般沿道路敷設(shè)，各種管道之間保持適當(dāng)?shù)木嚯x，以便安裝和維修；供熱管道的表面有保溫層，敷設(shè)在地溝或保護(hù)管內(nèi)，應(yīng)避免被土壓壞和使管子能膨脹移動(dòng)。

5.支承問(wèn)題

管道可能承受許多種外力的作用，包括本身的重量（管子、閥門、管子連接件、保溫層和管內(nèi)流體的重量）、流體的壓力作用在管端的推力、風(fēng)雪載荷、土壤壓力、熱脹冷縮引起的熱應(yīng)力、振動(dòng)載荷和地震災(zāi)害等。

為了保證管道的強(qiáng)度和剛度，必須設(shè)置各種支（吊）架，如活動(dòng)支架、固定支架、導(dǎo)向支架和彈簧支架等。支架的設(shè)置根據(jù)管道的直徑、材質(zhì)、管子壁厚和載荷等條件決定。固定支架用來(lái)分段控制管道的熱伸長(zhǎng)，使膨脹節(jié)均勻工作。導(dǎo)向支架使管子僅作軸向移動(dòng)。

6.坡度和排液排氣

為了排除凝結(jié)水，蒸汽和其他含水的氣體管道應(yīng)有一定的坡度，一般不小于千分之二。對(duì)于利用重力流動(dòng)的地下排水管道，坡度不小于千分之五。蒸汽或其他含水的氣體管道在最低點(diǎn)設(shè)置排水管或疏水閥，某些氣體管道還設(shè)有氣水分離器，以便及時(shí)排去水液，防止管內(nèi)產(chǎn)生水擊和阻礙氣體流動(dòng)。給水或其他液體管道在最高點(diǎn)設(shè)有排氣裝置，排除積存在管道內(nèi)的空氣或其他氣體，以防止氣阻造成運(yùn)行失常。

7.補(bǔ)償問(wèn)題

管道如不能自由地伸縮，就會(huì)產(chǎn)生巨大的附加應(yīng)力。因此，在溫度變化較大的管道和需要有自由位移的常溫管道上，需要設(shè)置膨脹節(jié)，使管道的伸縮得到補(bǔ)償而消除附加應(yīng)力的影響。

8.保溫和加熱

對(duì)于蒸汽管道、高溫管道、低溫管道以及有防燙、防凍要求的管道，需要用保溫材料包覆在管道外面，防止管內(nèi)熱（冷）量的損失或產(chǎn)生凍結(jié)。對(duì)于某些高凝固點(diǎn)的液體管道，為防止液體太粘或凝固而影響輸送，還需要加熱和保溫。常用的保溫材料有水泥珍珠巖、玻璃棉、巖棉和石棉硅藻土等。

管道分析

管道設(shè)計(jì)時(shí)，為了判定其布置安全、合理，保證管道系統(tǒng)的整體安全，需要對(duì)管道進(jìn)行受力情況分析，即管道應(yīng)力分析。

管道應(yīng)力分析是指，對(duì)管道在內(nèi)壓、自重和其他外載作用下所產(chǎn)生的一次應(yīng)力和在熱膨脹、冷縮、位移受約束時(shí)所產(chǎn)生的二次應(yīng)力，以及管道對(duì)設(shè)備的推力和力矩進(jìn)行的驗(yàn)算。



管道應(yīng)力分析應(yīng)保證管道在設(shè)計(jì)條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、管道支承或端點(diǎn)附加位移造成應(yīng)力問(wèn)題。

（管道柔性是反映管道變形難易程度的一個(gè)物理概念，表示管道通過(guò)自身變形吸收熱脹、冷縮和其它位移變形的能力。）

接下來(lái)，我們一起來(lái)看看管道受力情況（可能承受的載荷）和應(yīng)力分析的內(nèi)容。

1.管道承受的載荷

下述是管道在運(yùn)行中可能會(huì)承受的載荷：

1）重力載荷：包括管道自重、保溫重、介質(zhì)重和積雪重等；

2）壓力載荷：壓力載荷包括內(nèi)壓力和外壓力；

3）位移載荷：位移載荷包括管道熱脹冷縮位移、端點(diǎn)附加位移、支承沉降等；

4）風(fēng)載荷；

5）地震載荷；

6）瞬變流沖擊載荷：如安全閥啟跳或閥門的快速啟閉時(shí)的壓力沖擊；

7）兩相流脈動(dòng)載荷；

8）壓力脈動(dòng)載荷：如往復(fù)壓縮機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)；

9）機(jī)械振動(dòng)載荷：如回轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)。

2.管道應(yīng)力分析內(nèi)容

管道應(yīng)力分析主要包括靜力分析和動(dòng)力分析。

其中，靜力分析（含疲勞分析、風(fēng)載荷及地震載荷分析）包括：

1）壓力荷載和持續(xù)荷載作用下的一次應(yīng)力計(jì)算，防止塑性變形破壞；

2）管道熱脹冷縮以及端點(diǎn)附加位移等位移荷載作用下的二次應(yīng)力計(jì)算，防止疲勞破壞；

3）管道對(duì)設(shè)備作用力的計(jì)算，防止作用力太大，保證設(shè)備正常運(yùn)行；

4）管道支吊架的受力計(jì)算，為支吊架設(shè)計(jì)提供依據(jù)；

5）管道上法蘭的受力計(jì)算，防止法蘭泄漏；

6）管系位移計(jì)算，防止管道碰撞和支吊點(diǎn)位移過(guò)大。



而管道動(dòng)力分析則包括：

1）管道自振頻率分析，防止管道系統(tǒng)共振；

2）管道強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析，控制管道振動(dòng)及應(yīng)力；

3）往復(fù)壓縮機(jī)氣柱頻率分析，防止氣柱共振；

4）往復(fù)壓縮機(jī)壓力脈動(dòng)分析，控制壓力脈動(dòng)值。

管道設(shè)計(jì)和分析方式

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接下來(lái)我們用一分鐘來(lái)了解管道設(shè)計(jì)和分析軟件AutoPIPE。



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· 風(fēng)載荷與地震載荷

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