如何提高管道設計質量和效率？（贈送管道設計和分析課程）

管道設計涉及非常多的考慮因素，這些因素對管道在實際中的使用造成很大的影響，下面，我們一起來看下管道設計需要注意哪些內容。



管道設計

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 （浮式生產儲油卸油）平臺和海下管道等行業領域。

管道設計主要包含管徑、敷設路徑、支吊架、保溫和加熱等內容。

1.管徑的確定

當流體的流量已知時，管徑的大小取決于允許的流速或允許的摩擦阻力（壓力降）。流速大時管徑小，但壓力降值增大。因此，流速大時可以節省管道基建投資，但泵和壓縮機等動力設備的運行能耗費用增大。此外，如果流速過大，還有可能帶來一些其他不利的因素。因此管徑應根據建設投資、運行費用和其他技術因素綜合考慮決定。

2.管道的連接

管子、管子連接件、閥門和設備上的進出接管間的連接方法，由流體的性質、壓力和溫度以及管子的材質、尺寸和安裝場所等因素決定，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、陶土管及其聯接件之間的聯接，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：這種連接的強度和密封性最好，適用于各種管道，省工省料，但拆卸時必須切斷管子和管子連接件

3.管道的敷設

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

4.通行問題

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

5.支承問題

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、保溫層和管內流體的重量）、流體的壓力作用在管端的推力、風雪載荷、土壤壓力、熱脹冷縮引起的熱應力、振動載荷和地震災害等。

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

6.坡度和排液排氣

為了排除凝結水，蒸汽和其他含水的氣體管道應有一定的坡度，一般不小于千分之二。對于利用重力流動的地下排水管道，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設置排水管或疏水閥，某些氣體管道還設有氣水分離器，以便及時排去水液，防止管內產生水擊和阻礙氣體流動。給水或其他液體管道在最高點設有排氣裝置，排除積存在管道內的空氣或其他氣體，以防止氣阻造成運行失常。

7.補償問題

管道如不能自由地伸縮，就會產生巨大的附加應力。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，需要設置膨脹節，使管道的伸縮得到補償而消除附加應力的影響。

8.保溫和加熱

對于蒸汽管道、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，防止管內熱（冷）量的損失或產生凍結。對于某些高凝固點的液體管道，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

管道設計時，為了判定其布置安全、合理，保證管道系統的整體安全，需要對管道進行受力情況分析，即管道應力分析。

管道應力分析是指，對管道在內壓、自重和其他外載作用下所產生的一次應力和在熱膨脹、冷縮、位移受約束時所產生的二次應力，以及管道對設備的推力和力矩進行的驗算。



管道應力分析應保證管道在設計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、管道支承或端點附加位移造成應力問題。

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

接下來，我們一起來看看管道受力情況（可能承受的載荷）和應力分析的內容。

1.管道承受的載荷

下述是管道在運行中可能會承受的載荷：

1）重力載荷：包括管道自重、保溫重、介質重和積雪重等；

2）壓力載荷：壓力載荷包括內壓力和外壓力；

3）位移載荷：位移載荷包括管道熱脹冷縮位移、端點附加位移、支承沉降等；

4）風載荷；

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的壓力沖擊；

7）兩相流脈動載荷；

8）壓力脈動載荷：如往復壓縮機往復運動所產生的壓力脈動；

9）機械振動載荷：如回轉設備的振動。

2.管道應力分析內容

管道應力分析主要包括靜力分析和動力分析。

其中，靜力分析（含疲勞分析、風載荷及地震載荷分析）包括：

1）壓力荷載和持續荷載作用下的一次應力計算，防止塑性變形破壞；

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

3）管道對設備作用力的計算，防止作用力太大，保證設備正常運行；

4）管道支吊架的受力計算，為支吊架設計提供依據；

5）管道上法蘭的受力計算，防止法蘭泄漏；

6）管系位移計算，防止管道碰撞和支吊點位移過大。



而管道動力分析則包括：

1）管道自振頻率分析，防止管道系統共振；

2）管道強迫振動響應分析，控制管道振動及應力；

3）往復壓縮機氣柱頻率分析，防止氣柱共振；

4）往復壓縮機壓力脈動分析，控制壓力脈動值。

管道設計和分析方式

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接下來我們用一分鐘來了解管道設計和分析軟件AutoPIPE。



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