1、管徑選擇與管道壓力降計算第一部分 管徑選擇1 應用范圍和說明1.0.1 本規定適用于化工生產裝置中的工藝和公用物料管道，不包括儲運系統的長距離輸送管道、非牛頓型流體及固體粒子氣流輸送管道。1.0.2 對于給定的流量，管徑的大小與管道系統的一次投資費(材料和安裝)、操作費(動力消耗和維修)和折舊費等項有密切的關系，應根據這些費用作出經濟比較，以選擇適當的管徑，此外還應考慮安全流速及其它條件的限制。本規定介紹推薦的方法和數據是以經驗值，即采用預定流速或預定管道壓力降值(設定壓力降控制值)來選擇管徑，可用于工程設計中的估算。1.0.3 當按預定介質流速來確定管徑時，采用下式以初選管徑： d=18.8

2、1W0.5 u-0.5 -0.51) 或 d=18.81V00.5 u-0.52) 式中 d管道的內徑，mm； W管內介質的質量流量，kgh； V0管內介質的體積流量，m3h； 介質在工作條件下的密度，kgm3； u介質在管內的平均流速，ms。預定介質流速的推薦值見表2.0.1。1.0.4 當按每100m計算管長的壓力降控制值(Pf100)來選擇管徑時，采用下式以初定管徑： d18.16W0.38 -0.207 0.033 Pf100 0.2071) 或 d18.16V00.38 0.173 0.033 Pf100 0.2072) 式中 介質的動力粘度，Pas；Pf100100m計算管長的壓力

3、降控制值，kPa。 推薦的Pf100值見表2.0.2。1.0.5 本規定除注明外，壓力均為絕對壓力。2 管道內流體常用流速范圍和一般工程設計中的壓力降控制值2.0.1 管道內各種介質常用流速范圍見表2.0.1。表中管道的材質除注明外，一律為鋼。該表中流速為推薦值。2.0.2 管道壓力降控制值見表2.0.21和表2.0.22，該表中壓力降值為推薦值。3 核定3.0.1 初選管徑后，應在已確定的工作條件及物料性質的基礎上，按不同流動情況的有關公式，準確地作出管道的水力計算，再進一步核定下述各項：3.0.2 所計算出的管徑應符合工程設計規定；3.0.3 滿足介質在管道輸送時，對流速的安全規定；3.0

4、.4 滿足噪聲控制的要求。第二部分 管道壓力降計算1 單相流(不可壓縮流體)1.1 簡述 本規定適用于牛頓型單相流體在管道中流動壓力降的計算。在化工工藝專業已基本確定各有關主要設備的工作壓力的情況下，進行系統的水力計算。根據化工工藝要求計算各主要設備之間的管道(包括管段、閥門、控制閥、流量計及管件等)的壓力降，使系統總壓力降控制在給定的工作壓力范圍內，在此基礎上確定管道尺寸、設備接管口尺寸、控制閥和流量計的允許壓力降，以及安全閥和爆破片的泄放壓力等。 牛頓型流體是流體剪應力與速度梯度成正比而粘度為其比例系數。凡是氣體都是牛頓型流體，除由高分子等物質組成的液體和泥漿外，多數液體亦屬牛頓型流體。1

5、.2 計算方法 注意事項 安全系數 計算方法中未考慮安全系數，計算時應根據實際情況選用合理的數值。通常，對平均需要使用510年的鋼管，在摩擦系數中加2030的安全系數，就可以適應其粗糙度條件的變化；超過510年，條件往往會保持穩定，但也可能進一步惡化。此系數中未考慮由于流量增加而增加的壓力降，因此須再增加1020。的安全系數。規定中對摩擦壓力降計算結果按1.15倍系數來確定系統的摩擦壓力降，但對靜壓力降和其它壓力降不乘系數。 計算準確度 在工程計算中，計算結果取小數后兩位有效數字為宜。對用當量長度計算壓力降的各項計算中，最后結果所取的有效數字仍不超過小數后兩位。 管 徑 確定管徑的一般原則 (

6、1) 應根據設計條件來確定管道直徑，需要時，可以有設計條件下壓力降1525的富裕量，但以下情況除外： a. 有燃料油循環管路系統的排出管尺寸，應考慮一定的循環量； b. 泵、壓縮機和鼓風機的管道，應按工藝最大流量(在設備設計允許的流速下)來確定尺寸，而不能按機器的最大能力來確定管道尺寸； c. 間斷使用的管道(如開工旁路管道)尺寸，應按可能得到的壓差來確定。 1。 (3) 某些對管壁有腐蝕及磨蝕的流體，由流速決定管徑，其流速見表1.2.22。 管徑計算 計算公式如下： (1. 2. 21)式中 d管道內直徑，mm； Vf流體體積流量，m3/h； u流體平均流速，m/s； W流體質量流量，kg/

7、h； 流體密度，kg/m3。2查得管徑。某些管道中流體允許壓力降范圍 表1.2.21序號管道種類及條件壓力降范圍kPa(100m管長)l蒸汽 P6.4IOMPa(表)46230總管 P 3.5MPa(表)1235P 3.5MPa(表)2346支管 P735kW進口1.89出口4.66.9小型壓縮機進出口2.323壓縮機循環管道及壓縮機出口管0.23123安全閥進口管(接管點至閥)最大取整定壓力的3%出口管最大取整定壓力的10%出口匯總管最大取整定壓力的7.5%4一般低壓下工藝氣體2.3235一般高壓工藝氣體2.3696塔頂出氣管127水總管238水支管189泵進口管最大取8出口管110 m3h

8、1246某些對管壁有腐蝕及磨蝕流體的流速 表1. 2. 22序 號介質條件管道材料最大允許流速 mSl燒堿液(濃度5)碳鋼1.222濃硫酸(濃度80)碳鋼1.223酚水(含酚1)碳鋼0.9l4含酚蒸汽碳鋼18.005鹽水碳鋼1.83管徑900襯水泥或瀝青鋼管4.60管徑900襯水泥或瀝青鋼管6.00 注：當管道為含鎳不銹鋼時，流速有時可提高到表中流速的10倍以上。 管路 簡單管路 凡是沒有分支的管路稱為簡單管路。 (1) 管徑不變的簡單管路，流體通過整個管路的流量不變。 (2) 由不同管徑的管段組成的簡單管路，稱為串聯管路。 a. 通過各管段的流量不變，對于不可壓縮流體則有 VfVf1=Vf2

9、=Vf3 (1.2.31) b. 整個管路的壓力降等于各管段壓力降之和，即 PPl+P2+P32) 復雜管路 凡是有分支的管路，稱為復雜管路。復雜管路可視為由若干簡單管路組成。 (1) 并聯管路 在主管某處分支，然后又匯合成為一根主管。 a. 各支管壓力降相等，即 PPlP2P3 (1.2.33) 在計算壓力降時，只計算其中一根管子即可。 b. 各支管流量之和等于主管流量，即 VfVf1Vf2Vf3十4) (2) 枝狀管路 從主管某處分出支管或支管上再分出支管而不匯合成為一根主管。 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計算； c. 對較復雜的枝狀管路，可在分支

10、點處將其劃分為若干簡單管路，按一般的簡單管路分別計算。 管道壓力降計算1. 概述(1) 管道壓力降為管道摩擦壓力降、靜壓力降以及速度壓力降之和。管道摩擦壓力降包括直管、管件和閥門等的壓力降，同時亦包括孔板、突然擴大、突然縮小以及接管口等產生的局部壓力降；靜壓力降是由于管道始端和終端標高差而產生的；速度壓力降是指管道始端和終端流體流速不等而產生的壓力降。(2) 對復雜管路分段計算的原則，通常是在支管和總管(或管徑變化處)連接處拆開，管件(如異徑三通)應劃分在總管上，按總管直徑選取當量長度。總管長度按最遠一臺設備計算。(3) 對因結垢而實際管徑減小的管道，應按實際管徑進行計算。 雷諾數按下式計算：

11、 （1.2.41）式中Re雷諾數，無因次；u流體平均流速，ms；d管道內直徑，mm；流體粘度，mPas；W流體的質量流量，kgh；Vf流體的體積流量，m3h；流體密度，kgm3。(4) 管壁粗糙度管壁粗糙度通常是指絕對粗糙度()和相對粗糙度(d)。絕對粗糙度表示管子內壁凸出部分的平均高度。在選用時，應考慮到流體對管壁的腐蝕、磨蝕、結垢以及使用情況等因素。如無縫鋼管，當流體是石油氣、飽和蒸汽以及干壓縮空氣等腐蝕性小的流體時，可選取絕對粗糙度o.2mm；輸送水時，若為冷凝液(有空氣)則取0.5mm；純水取0.2mm；未處理水取0.30.5mm；對酸、堿等腐蝕性較大的流體，則可取l mm或更大些。對

12、相同絕對粗糙度的管道，直徑愈小，對摩擦系數影響程度愈大，因此用和d的比值d來表示管壁粗糙度，稱為相對粗糙度。在湍流時，管壁粗糙度對流體流動的摩擦系數影響甚大。摩擦系數()與雷諾數(Re)及管壁相對粗糙度(1所示；在完全湍流情況下，清潔新管的管徑(d)占絕對粗糙度(2所示。2查得。某些工業管道的絕對粗糙度 表1. 2.41序 號管 道 類 別絕對粗糙度(c) mm1234567金屬管無縫黃銅管、銅管及鉛管新的無縫鋼管或鍍鋅鐵管新的鑄鐵管具有輕度腐蝕的無縫鋼管具有顯著腐蝕的無縫鋼管舊的鑄鐵管鋼板制管0.010.050.10.20.250.420.20.30.5以上0.85以上0.338910111

13、213非金屬管干凈玻璃管橡皮軟管木管道陶土排水管接頭平整的水泥管石棉水泥管0.00150.010.010.030.251.250.456.00.330.030.8(5) 流動型態1所示。 確定管道內流體流動型態的準則是雷諾數(Re)。a. 層流 雷諾數Re104。因此，工程設計中管內的流體流型多處于湍流過渡區范圍內。1中，M-N線上部范圍內，摩擦系數與雷諾數無關而僅隨管壁粗糙度變化。c. 臨界區 2000Re3000時，可按湍流來考慮，其摩擦系數和雷諾數及管壁粗糙度均有關，當粗糙度一定時，摩擦系數隨雷諾數而變化。(6) 摩擦系數 2)計算或查圖1.2.4l。 2)式中 摩擦系數，無因次。1所示

14、。在較長的鋼管中，若輸送的是為水所飽和的濕氣體，如氫、二氧化碳、氮、氧及類似的流體，應考慮到腐蝕而將查圖所得摩擦系數乘以1.2。(7) 壓力降在管道系統中，計算流體壓力降的理論基礎是能量平衡方程。假設流體是在絕熱、不對外作功和等焓條件下流動，對不可壓縮流體密度是常數，則得： (1. 2. 43) (1. 2. 44)因此(1. 2. 45)或PPS+PN+Pf (1. 2. 46)式中P管道系統總壓力降，kPa；PS靜壓力降，kPa；PN速度壓力降，kPa；Pf摩擦壓力降，kPa；Z1、Z2分別為管道系統始端、終端的標高，m；u1、u2分別為管道系統始端、終端的流體流速，ms；u流體平均流速，

15、ms； P流體密度，kgm3； hf管內摩擦損失的能量，Jkg； L、Le分別為管道的長度和閥門、管件等的當量長度，m； D管道內直徑，m。1.2.4.2 壓力降計算 (1) 圓形截面管 a. 摩擦壓力降 由于流體和管道管件等內壁摩擦產生的壓力降稱為摩擦力壓降。摩擦壓力降都是正值.正值表示壓力下降。可由當量長度法表示，如式(1.2，45)的最末項。亦可以阻力系數法表示，即 7)此式稱為范寧(Fanning)方程式，為圓截面管道摩擦壓力降計算的通式，對層流和湍流兩種流動型態均適用。式中Pf管道總摩擦壓力降，kPa；摩擦系數，無因次；L管道長度，m；D管道內直徑，m；K管件、閥門等阻力系數之和，無

16、因次；u流體平均流速，ms；流體密度，kgm3。通常，將直管摩擦壓力降和管件、閥門等的局部壓力降分開計算，對直管段用以下公式計算。層流 (1.2.48)（b）湍流（1. 2. 49）式中 d管道內直徑，mm； W流體質量流量，kgh； Vf流體體積流量，m3h； 流體粘度，mPas。 其余符號意義同前。 b. 靜壓力降 由于管道出口端和進口端標高不同而產生的壓力降稱為靜壓力降。靜壓力降可以是正值或負值，正值表示出口端標高大于進口端標高，負值則相反。其計算式為： （1. 2. 410）式中PS靜壓力降，kPa；Z2、Z1管道出口端、進口端的標高，m；流體密度，kgm3； g重力加速度，9.81m

17、s2 c. 速度壓力降 由于管道或系統的進、出口端截面不等使流體流速變化所產生的壓差稱速度壓力降。速度壓力降可以是正值，亦可以是負值。其計算式為： （1. 2. 411）PN速度壓力降，kPa；u2、u1出口端、進口端流體流速，ms；流體密度，kgm3。 d. 閥門、管件等的局部壓力降 流體經管件、閥門等產生的局部壓力降，通常采用當量長度法和阻力系數法計算，分述如下： (a) 當量長度法3。3的使用說明為： 表中所列常用閥門和管件的當量長度計算式，是以新的清潔鋼管絕對粗糙度0.046mm，流體流型為完全湍流條件下求得的，計算中選用時應根據管道具體條件予以調整。 按1查得摩擦系數(T4中數據。L

18、e=d /T3圖中： d內直徑或表示內直徑長度； r曲率半徑；角度。新的清潔鋼管在完全湍流下的摩擦系數(由圖1. 2.44公稱直徑(DN)mm1520253240506580100125150200250300400450600摩擦系數(T)0.0270.0250.0230.0220.02l0.0190.0180.0170.0160.0150.0140.0130.012 (b) 阻力系數法 3所示。 12) 式中 PK流體經管件或閥門的壓力降，kPa； K阻力系數，無因次。其余符號意義同前。逐漸縮小的異徑管當45時 13) 當45180時14)逐漸擴大的異徑管當45時15) 當4560m時，按

19、等溫流動公式計算；L60m)在計算Pf時，應分段計算密度，然后分別求得各段的Pf，最后得到Pf的總和才較正確。 (2) 可壓縮流體壓力降計算的理論基礎是能量平衡方程及理想氣體狀態方程，理想氣體狀態方程為：2) 或 P3)3)應變化為： Pk4) 上述各式中 P管道系統總壓力降，kPa； Pf、PS、PN分別為管道的摩擦壓力降，靜壓力降和速度壓力降，kPa； P氣體壓力，kPa； V氣體體積，m3； W氣體質量，kg； M氣體分子量； R氣體常數，8.314kJ(kmolK)； 氣體密度，kgm3； C常數； k氣體絕熱指數 k=CpCV5) Cp、CV分別為氣體的定壓比熱和定容比熱，kJ(kg

20、K)。 (3) 絕熱指數(k) 絕熱指數(k)值由氣體的分子結構而定，部分物料的絕熱指數見行業標準安全閥的設置和選用(HGT 20570.295)表16.0.2所列。 一般單原子氣體(He、Ar、Hg等)k1.66，雙原子氣體(O2、H2、N2、CO和空氣等)k=1.40。(4) 臨界流動 當氣體流速達到聲速時，稱為臨界流動。 a. 聲速 聲速即臨界流速，是可壓縮流體在管道出口處可能達到的最大速度。通常，當系統的出口壓力等于或小于入口絕對壓力的一半時，將達到聲速。達到 聲速后系統壓力降不再增加，即使將流體排入較達到聲速之處壓力更低的設備中(如大氣)，流速仍不會改變。對于系統條件是由中壓到高壓范

21、圍排入大氣(或真空)時，應判斷氣體狀態是否達到聲速，否則計算出的壓力降可能有誤。 氣體的聲速按以下公式計算： 絕熱流動 6)等溫流動 7)式中 uc氣體的聲速，ms； k氣體的絕熱指數； R氣體常數，8.314kJ(kmolK)； T氣體的絕對溫度，K； M氣體的分子量。 b. 臨界流動判別。通常可用下式判別氣體是否處于臨界流動狀態，下式成立時，即達到臨界流動。 8) c. 臨界質量流速 9)式中 P1、P2分別為管道上、下游氣體的壓力，kPa； G1、G2分別為氣體的質量流速和臨界質量流速，kg(m2s)； T1、T2分別為管道上、下游氣體溫度，K； Gcni14)，kg(m2s)； G氣體

22、的質量流速，kg(m2s)。 其余符號意義同前。(5) 管道中氣體的流速應控制在低于聲速的范圍內。 管道壓力降計算 (1) 摩擦壓力降 a. 等溫流動 當氣體與外界有熱交換，能使氣體溫度很快地按近于周圍介質的溫度來流動，如煤氣、天然氣等長管道就屬于等溫流動。 等溫流動計算式如下： 10)式中 Pf管道摩擦壓力降，kPa； g重力加速度，9.81ms2； 摩擦系數，無因次； L管道長度，m； WG氣體質量流量，kgh； d管道內直徑，mm； m氣體平均密度，kgm：11) 1、2-分別為管道上、下游氣體密度，kgm3。 b. 絕熱流動 (a) 假設條件 對絕熱流動，當管道較長時(L60m)，仍可

23、按等溫流動計算，誤差一般不超過5，在工程計算中是允許的。對短管可用以下方法進行計算，但應符合下列假設條件： 在計算范圍內氣體的絕熱指數是常數； 在勻截面水平管中的流動； 質量流速在整個管內橫截面上是均勻分布的； 摩擦系數是常數。(6) 計算步驟可壓縮流體絕熱流動的管道壓力降計算輔助圖見圖2.2.2所示。 計算上游的質量流速G1WGA(G1G，G112) 計算質量流量13) 計算參數(Gcni)14) 假設N值，然后進行核算 15) 計算下游壓力(P2)，根據N和G1Gcni值，由圖2.2.2查得P2P1值，即可求得下游壓力(P2)。式中 G氣體的質量流速，kg(m2s)； G1上游條件下氣體的

24、質量流速，kg(m2s)； WG氣體的質量流量，kgs； W氣體的質量，kg； A管道截面積，m2； P1氣體上游壓力，kPa； d管道內直徑，mm； M氣體分子量； T1氣體上游溫度，K； Gcni無實際意義，是為使用圖2.2.2方便而引入的一個參數，kg(m2s)； N速度頭數； 摩擦系數； L管道長度，m； D管道內直徑，m。 c. 高壓下的流動 當壓力降大于進口壓力的40時，用等溫流動和絕熱流動計算式均可能有較大誤差，在這種情況下，可采用以下的經驗公式進行計算：(a) 巴布科克式 (巴布科克式即Babcock式)16) 式中 Pf摩擦壓力降，kPa； WG氣體的質量流量，kgh； L管

25、道長度，m； m氣體平均密度，kgm3； d管道內直徑，mm。 本式用于蒸汽管的計算，在壓力等于或小于3450kPa情況下結果較好，但當管徑小于100mm時，計算結果可能偏高。 (b) 韋默思式 (韋默思式即Weymouth式)17)式中 VG氣體體積流量，m3(標)s，(標)標準狀態； d管道內直徑，mm； P1、P2分別為管道上、下游壓力，kPa； 氣體相對密度。氣體密度與相同溫度、壓力下的空氣密度之比； L管道長度，km； T氣體絕對溫度，K。 本式用于在3104240kPa壓力、管道直徑大于150mm的穩定流動情況下，計算天然氣管道壓力降的結果較好。對相對密度接近0.6，常溫，流速為4

26、.59.0ms，直徑為500mm600mm的氣體管道也適用。 (c) 潘漢德式 (潘漢德式即Panhandle式)18) 式中 E流動效率系數； L管道長度，km。 對于沒有管道附件、閥門的水平新管，取E1. 00；工作條件較好，取E0.95；工作條件一般，取E0.92； 工作條件較差，取E0.85。其余符號意義同前。 本式用于管道直徑在150mm600mm，Re51061.417)稍好。 (d) 海瑞思式(海瑞思式即Harris式) 19)式中Pm氣體平均壓力，kPa 20)其余符號意義同前。 本式通常用于壓縮空氣管道的計算。 (2) 局部壓力降 局部壓力降和“單相流(不可壓縮流體)”一樣，

27、采用當量長度或阻力系數法計算，在粗略計算中可按直管長度的1.051.10倍作為總的計算長度。 (3) 速度壓力降 速度壓力降采用“單相流(不可壓縮流體)”的管道一樣的計算方法。 在工程計算中對較長管道此項壓力降可略去不計。 (4) 靜壓力降 靜壓力降計算與“單相流(不可壓縮流體)”壓力降中的方法相同，僅在管道內氣體壓力較高時才需計算，壓力較低時密度小，可略去不計。 計算步驟及例題 計算步驟 (1) 一般計算步驟 a. “不可壓縮流體”管道的一般計算步驟，雷諾數、摩擦系數和管壁粗糙度等的求取方法及有關圖表、規定等均適用。 b. 假設流體流速以估算管徑。計算雷諾數(Re)、相對粗糙度(d)，然后查

28、第1章“單相流(不可壓縮流體)”1，求摩擦系數()值。 d. 確定直管長度及管件和閥門等的當量長度。 e. 確定或假設孔板和控制閥等的壓力降。 f. 計算單位管道長度壓力降或直接計算系統壓力降。 g. 如管道總壓力降超過系統允許壓力降，則應核算管道摩擦壓力降或系統中其它部分引起的壓力降，并進行調整，使總壓力降低于允許壓力降。如管道摩擦壓力降過大，可增大管徑以減少壓力降。 h. 如管道較短，則按絕熱流動進行計算。 (2) 臨界流動的計算步驟 a. 已知流量、壓力降求管徑 (a) 假設管徑，用已知流量計算氣體流速。 (b) 計算流體的聲速。 (c) 當流體的聲速大于流體流速，則用有關計算式計算，可

29、得到比較滿意的結果。如兩種流速相等，即流體達到臨界流動狀況，計算出的壓力降不正確。因此，重新假設管徑使流速小于聲速，方可繼續進行計算，直到流速低于聲速時的管徑，才是所求得的管徑。8)進行判別，如氣體處于臨界流動狀態，則應重新假設管徑計算。 b. 已知管徑和壓力降求流量，計算步驟同上，但要先假設流量，將求出的壓力降與已知壓力降相比較，略低于已知壓力降即可。 c. 已知管徑和流量，確定管道系統入口處的壓力(P1) (a) 確定管道出口處條件下的聲速，并用已知流量下的流速去核對，若聲速小于實際流速，則必須以聲速作為極限流速，流量也要以與聲速相適應的值為極限。 (b) 采用較聲速低的流速以及與之相適應

30、的流量為計算條件，然后用有關計算式計算壓力降。 (c) 對較長管道，可由管道出口端開始，利用系統中在某些點上的物理性質將管道分為若干段，從出口端至進口端逐段計算各段的摩擦壓力降，其和即為該管道的總壓力降。 (d) 出口壓力與壓力降之和為管道系統入口處的壓力(P1)。 例題 例1：將25的天然氣(成份大部分為甲烷)，用管道由甲地輸送到相距45km的乙地，兩地高差不大，每小時送氣量為5000kg，管道直徑為307mm(內徑)的鋼管(0.2mm)，已知管道終端壓力為147kPa，求管道始端氣體的壓力。解： (1) 天然氣在長管中流動，可視為等溫流動，用等溫流動公式計算 天然氣可視為純甲烷，則分子量M16 設：管道始端壓力P1440kPa10)計算，即雷諾數 Re354WGd 25時甲烷粘度為0.01lmPas 則 Re35450003070.011=5.24l05相對粗糙度 d0.23076.5110-4由第1章“單相流(不可壓縮流體)”1，查得且0.0176因此， P1147+286.4433.4kPa(2) 用韋默思式計算標準狀態下氣體密度 氣體比重 16290.552 d2.667(307)2.667 4297.32103 標準狀態下氣體體積流量 VGWG50000.71437000m3(標)h P1365.08365.1kPa P218.08kPa，此值較等溫流動式計算