如何提高管道设计质量和效率？（赠送管道设计和分析课程）

管道设计涉及非常多的考虑因素，这些因素对管道在实际中的使用造成很大的影响，下面，我们一起来看下管道设计需要注意哪些内容。



管道设计

管道是用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置，主要由管子、管件、法兰、垫片、螺栓和螺柱、阀门以及管道特殊件等设施组成。管道用途广泛，适用于工厂、电力、石油天然气、核能埋地管线、海上 FPSO （浮式生产储油卸油）平台和海下管道等行业领域。

管道设计主要包含管径、敷设路径、支吊架、保温和加热等内容。

1.管径的确定

当流体的流量已知时，管径的大小取决于允许的流速或允许的摩擦阻力（压力降）。流速大时管径小，但压力降值增大。因此，流速大时可以节省管道基建投资，但泵和压缩机等动力设备的运行能耗费用增大。此外，如果流速过大，还有可能带来一些其他不利的因素。因此管径应根据建设投资、运行费用和其他技术因素综合考虑决定。

2.管道的连接

管子、管子连接件、阀门和设备上的进出接管间的连接方法，由流体的性质、压力和温度以及管子的材质、尺寸和安装场所等因素决定，主要有螺纹连接、法兰连接、承插连接和焊接等4种方法：

1）螺纹连接：主要适用于小直径管道

2）法兰连接：适用的直径范围较大

3）承插连接：用于铸铁管、混凝土管、陶土管及其联接件之间的联接，只适用于在低压常温条件下工作的给水、排水和煤气管道

4）焊接：这种连接的强度和密封性最好，适用于各种管道，省工省料，但拆卸时必须切断管子和管子连接件

3.管道的敷设

城市里的给水、排水、供热、供煤气的管道的干线和长距离的输油输气管道大多敷设在地下，而工厂里的工艺管道为便于操作和维修多敷设在地上。

4.通行问题

地面上的管道应尽量避免与道路、铁路和航道交叉。在不能避免交叉时，交叉处跨越的高度也应能使行人和车船安全通过。地下的管道一般沿道路敷设，各种管道之间保持适当的距离，以便安装和维修；供热管道的表面有保温层，敷设在地沟或保护管内，应避免被土压坏和使管子能膨胀移动。

5.支承问题

管道可能承受许多种外力的作用，包括本身的重量（管子、阀门、管子连接件、保温层和管内流体的重量）、流体的压力作用在管端的推力、风雪载荷、土壤压力、热胀冷缩引起的热应力、振动载荷和地震灾害等。

为了保证管道的强度和刚度，必须设置各种支（吊）架，如活动支架、固定支架、导向支架和弹簧支架等。支架的设置根据管道的直径、材质、管子壁厚和载荷等条件决定。固定支架用来分段控制管道的热伸长，使膨胀节均匀工作。导向支架使管子仅作轴向移动。

6.坡度和排液排气

为了排除凝结水，蒸汽和其他含水的气体管道应有一定的坡度，一般不小于千分之二。对于利用重力流动的地下排水管道，坡度不小于千分之五。蒸汽或其他含水的气体管道在最低点设置排水管或疏水阀，某些气体管道还设有气水分离器，以便及时排去水液，防止管内产生水击和阻碍气体流动。给水或其他液体管道在最高点设有排气装置，排除积存在管道内的空气或其他气体，以防止气阻造成运行失常。

7.补偿问题

管道如不能自由地伸缩，就会产生巨大的附加应力。因此，在温度变化较大的管道和需要有自由位移的常温管道上，需要设置膨胀节，使管道的伸缩得到补偿而消除附加应力的影响。

8.保温和加热

对于蒸汽管道、高温管道、低温管道以及有防烫、防冻要求的管道，需要用保温材料包覆在管道外面，防止管内热（冷）量的损失或产生冻结。对于某些高凝固点的液体管道，为防止液体太粘或凝固而影响输送，还需要加热和保温。常用的保温材料有水泥珍珠岩、玻璃棉、岩棉和石棉硅藻土等。

管道分析

管道设计时，为了判定其布置安全、合理，保证管道系统的整体安全，需要对管道进行受力情况分析，即管道应力分析。

管道应力分析是指，对管道在内压、自重和其他外载作用下所产生的一次应力和在热膨胀、冷缩、位移受约束时所产生的二次应力，以及管道对设备的推力和力矩进行的验算。



管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。

（管道柔性是反映管道变形难易程度的一个物理概念，表示管道通过自身变形吸收热胀、冷缩和其它位移变形的能力。）

接下来，我们一起来看看管道受力情况（可能承受的载荷）和应力分析的内容。

1.管道承受的载荷

下述是管道在运行中可能会承受的载荷：

1）重力载荷：包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等；

2）压力载荷：压力载荷包括内压力和外压力；

3）位移载荷：位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等；

4）风载荷；

5）地震载荷；

6）瞬变流冲击载荷：如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击；

7）两相流脉动载荷；

8）压力脉动载荷：如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动；

9）机械振动载荷：如回转设备的振动。

2.管道应力分析内容

管道应力分析主要包括静力分析和动力分析。

其中，静力分析（含疲劳分析、风载荷及地震载荷分析）包括：

1）压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算，防止塑性变形破坏；

2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算，防止疲劳破坏；

3）管道对设备作用力的计算，防止作用力太大，保证设备正常运行；

4）管道支吊架的受力计算，为支吊架设计提供依据；

5）管道上法兰的受力计算，防止法兰泄漏；

6）管系位移计算，防止管道碰撞和支吊点位移过大。



而管道动力分析则包括：

1）管道自振频率分析，防止管道系统共振；

2）管道强迫振动响应分析，控制管道振动及应力；

3）往复压缩机气柱频率分析，防止气柱共振；

4）往复压缩机压力脉动分析，控制压力脉动值。

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接下来我们用一分钟来了解管道设计和分析软件AutoPIPE。



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