管径选择与管道压力降计算.docx

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管径选择与管道压力降计算

管径选择与管道压力降计算

第一部分管径选择

1．应用范围和说明

1.0.1本规定适用于化工生产装置中的工艺和公用物料管道，不包括储运系统的长距离输送管道、非牛顿型流体及固体粒子气流输送管道。

1.0.2对于给定的流量，管径的大小与管道系统的一次投资费（材料和安装）、操作费（动力消耗和维修）和折旧费等项有密切的关系，应根据这些费用作出经济比较，以选择适当的管径，此外还应考虑安全流速及其它条件的限制。

本规定介绍推荐的方法和数据是以经验值，即采用预定流速或预定管道压力降值（设定压力降控制值）来选择管径，可用于工程设计中的估算。

1.0.3当按预定介质流速来确定管径时，采用下式以初选管径：

d=18.81W0.5u-0.5ρ-0.5（1.0.3—1）

或d=18.81V00.5u-0.5（1.0.3—2）

式中

d——管道的内径，mm；

W——管内介质的质量流量，kg／h；

V0——管内介质的体积流量，m3／h；

ρ——介质在工作条件下的密度，kg／m3；

u——介质在管内的平均流速，m／s。

1.0.4当按每100m计算管长的压力降控制值（⊿Pf100）来选择管径时，采用下式以初定管径：

d＝18.16W0.38ρ-0.207μ0.033⊿Pf100–0.207（1.0.4—1）

或d＝18.16V00.38ρ0.173μ0.033⊿Pf100–0.207（1.0.4—2）

式中

μ——介质的动力粘度，Pa·s；

⊿Pf100——100m计算管长的压力降控制值，kPa。

推荐的⊿Pf100

1.0.5本规定除注明外，压力均为绝对压力。

2．管道内流体常用流速范围和一般工程设计中的压力降控制值

3．核定

3.0.1初选管径后，应在已确定的工作条件及物料性质的基础上，按不同流动情况的有关公式，准确地作出管道的水力计算，再进一步核定下述各项：

3.0.2所计算出的管径应符合工程设计规定；

3.0.3满足介质在管道输送时，对流速的安全规定；

3.0.4满足噪声控制的要求。

第二部分管道压力降计算

1单相流（不可压缩流体）

1.1简述

1.1.1本规定适用于牛顿型单相流体在管道中流动压力降的计算。

在化工工艺专业已基本确定各有关主要设备的工作压力的情况下，进行系统的水力计算。

根据化工工艺要求计算各主要设备之间的管道（包括管段、阀门、控制阀、流量计及管件等）的压力降，使系统总压力降控制在给定的工作压力范围内，在此基础上确定管道尺寸、设备接管口尺寸、控制阀和流量计的允许压力降，以及安全阀和爆破片的泄放压力等。

1.1.2牛顿型流体是流体剪应力与速度梯度成正比而粘度为其比例系数。

凡是气体都是牛顿型流体，除由高分子等物质组成的液体和泥浆外，多数液体亦属牛顿型流体。

1.2计算方法

1.2.1注意事项

安全系数

计算方法中未考虑安全系数，计算时应根据实际情况选用合理的数值。

通常，对平均需要使用5～10年的钢管，在摩擦系数中加20％～30％的安全系数，就可以适应其粗糙度条件的变化；超过5～10年，条件往往会保持稳定，但也可能进一步恶化。

此系数中未考虑由于流量增加而增加的压力降，因此须再增加10％～20％。

的安全系数。

规定中对摩擦压力降计算结果按1.15倍系数来确定系统的摩擦压力降，但对静压力降和其它压力降不乘系数。

计算准确度

在工程计算中，计算结果取小数后两位有效数字为宜。

对用当量长度计算压力降的各项计算中，最后结果所取的有效数字仍不超过小数后两位。

1.2.2管径

确定管径的一般原则

（1）应根据设计条件来确定管道直径，需要时，可以有设计条件下压力降15％～25％的富裕量，但以下情况除外：

a.有燃料油循环管路系统的排出管尺寸，应考虑一定的循环量；

b.泵、压缩机和鼓风机的管道，应按工艺最大流量（在设备设计允许的流速下）来确定尺寸，而不能按机器的最大能力来确定管道尺寸；

c.间断使用的管道（如开工旁路管道）尺寸，应按可能得到的压差来确定。

（2）在允许压力降范围内，应采用经济管径，某些管道中流体允许压力降范围见表1.2.2—1。

管径计算

计算公式如下：

（1.2.2－1）

式中

d——管道内直径，mm；

Vf——流体体积流量，m3/h；

u——流体平均流速，m/s；

W——流体质量流量，kg/h；

ρ——流体密度，kg/m3。

通常可由图1.2.2—1或图1.2.2—2查得管径。

某些管道中流体允许压力降范围表1.2.2—1

序号

管道种类及条件

压力降范围kPa（100m管长）

l

蒸汽P＝6.4～IOMPa（表）

46～230

总管P<3.5MPa（表）

12～35

P≥3.5MPa（表）

23～46

支管P<3.5MPa（表）

23～46

P≥3.5MPa（表）

23～69

排气管

4.6～12

2

大型压缩机>735kW

进口

1.8～9

出口

4.6～6.9

小型压缩机进出口

2.3～23

压缩机循环管道及压缩机出口管

0.23～12

3

安全阀

进口管（接管点至阀）

最大取整定压力的3%

出口管

最大取整定压力的10%

出口汇总管

最大取整定压力的7.5%

4

一般低压下工艺气体

2.3～23

5

一般高压工艺气体

2.3～69

6

塔顶出气管

12

7

水总管

23

8

水支管

18

9

泵

进口管

最大取8

出口管<34m3／h

35～138

34～110m3／h

23～92

>110m3／h

12～46

某些对管壁有腐蚀及磨蚀流体的流速表1.2.2－2

序号

介质条件

管道材料

最大允许流速m／S

l

烧碱液（浓度>5％）

碳钢

1.22

2

浓硫酸（浓度>80％）

碳钢

1.22

3

酚水（含酚>1％）

碳钢

0.9l

4

含酚蒸汽

碳钢

18.00

5

盐水

碳钢

1.83

管径≥900

衬水泥或沥青钢管

4.60

管径<900

衬水泥或沥青钢管

6.00

注：

当管道为含镍不锈钢时，流速有时可提高到表中流速的10倍以上。

1.2.3管路

简单管路

凡是没有分支的管路称为简单管路。

（1）管径不变的简单管路，流体通过整个管路的流量不变。

（2）由不同管径的管段组成的简单管路，称为串联管路。

a.通过各管段的流量不变，对于不可压缩流体则有

Vf＝Vf1=Vf2=Vf3……（1.2.3—1）

b.整个管路的压力降等于各管段压力降之和，即

⊿P＝⊿Pl+⊿P2+⊿P3＋……（1.2.3—2）

复杂管路

凡是有分支的管路，称为复杂管路。

复杂管路可视为由若干简单管路组成。

（1）并联管路在主管某处分支，然后又汇合成为一根主管。

a.各支管压力降相等，即

⊿P＝⊿Pl＝⊿P2＝⊿P3……（1.2.3—3）

在计算压力降时，只计算其中一根管子即可。

b.各支管流量之和等于主管流量，即

Vf＝Vf1＋Vf2＋Vf3十……（1.2.3—4）

（2）枝状管路从主管某处分出支管或支管上再分出支管而不汇合成为一根主管。

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计算；

c.对较复杂的枝状管路，可在分支点处将其划分为若干简单管路，按一般的简单管路分别计算。

1.2.4管道压力降计算

1.2.4.1概述

（1）管道压力降为管道摩擦压力降、静压力降以及速度压力降之和。

管道摩擦压力降包括直管、管件和阀门等的压力降，同时亦包括孔板、突然扩大、突然缩小以及接管口等产生的局部压力降；静压力降是由于管道始端和终端标高差而产生的；速度压力降是指管道始端和终端流体流速不等而产生的压力降。

（2）对复杂管路分段计算的原则，通常是在支管和总管（或管径变化处）连接处拆开，管件（如异径三通）应划分在总管上，按总管直径选取当量长度。

总管长度按最远一台设备计算。

（3）对因结垢而实际管径减小的管道，应按实际管径进行计算。

雷诺数按下式计算：

（1.2.4－1）

式中

Re——雷诺数，无因次；

u——流体平均流速，m／s；

d——管道内直径，mm；

μ——流体粘度，mPa·s；

W——流体的质量流量，kg／h；

Vf——流体的体积流量，m3／h；

ρ——流体密度，kg／m3。

（4）管壁粗糙度

管壁粗糙度通常是指绝对粗糙度（ε）和相对粗糙度（ε／d）。

绝对粗糙度表示管子内壁凸出部分的平均高度。

在选用时，应考虑到流体对管壁的腐蚀、磨蚀、结垢以及使用情况等因素。

如无缝钢管，当流体是石油气、饱和蒸汽以及干压缩空气等腐蚀性小的流体时，可选取绝对粗糙度ε＝o.2mm；输送水时，若为冷凝液（有空气）则取ε＝0.5mm；纯水取ε＝0.2mm；未处理水取ε＝0.3～0.5mm；对酸、碱等腐蚀性较大的流体，则可取＝lmm或更大些。

对相同绝对粗糙度的管道，直径愈小，对摩擦系数影响程度愈大，因此用ε和d的比值ε／d来表示管壁粗糙度，称为相对粗糙度。

在湍流时，管壁粗糙度对流体流动的摩擦系数影响甚大。

摩擦系数（λ）与雷诺数（Re）及管壁相对粗糙度（ε／d）的关系见图1.2.4—1所示；在完全湍流情况下，清洁新管的管径（d）占绝对粗糙度（ε）的关系见图1.2.4—2所示。

某些工业管道的绝对粗糙度见表1.2.4—1；相对粗糙度由图1.2.4—2查得。

某些工业管道的绝对粗糙度表1.2.4—1

序号

管道类别

绝对粗糙度（c）mm

1

2

3

4

5

6

7

金属管

无缝黄铜管、铜管及铅管

新的无缝钢管或镀锌铁管

新的铸铁管

具有轻度腐蚀的无缝钢管

具有显着腐蚀的无缝钢管

旧的铸铁管

钢板制管

0.01～0.05

0.1～0.2

0.25～0.42

0.2～0.3

0.5以上

0.85以上

0.33

8

9

10

11

12

13

非金属管

干净玻璃管

橡皮软管

木管道

陶土排水管

接头平整的水泥管

石棉水泥管

0.0015～0.01

0.01～0.03

0.25—1.25

0.45～6.0

0.33

0.03～0.8

（5）流动型态

流体在管道中流动的型态分为层流和湍流两种流型，层流与湍流间有一段不稳定的临界区。

湍流区又可分为过渡区和完全湍流区。

工业生产中流体流型大多属于过渡区，见图1.2.4—1所示。

确定管道内流体流动型态的准则是雷诺数（Re）。

a.层流雷诺数Re<2000，其摩擦损失与剪应力成正比，摩擦压力降与流体流速的一次方成正比。

b.湍流雷诺数Re≥4000，其摩擦压力降几乎与流速的平方成正比。

（a）过渡区摩擦系数（λ）是雷诺数（Re）和管壁相对粗糙度（ε／d）的函数，在工业生产中，除粘度较大的某些液体（如稠厚的油类等）外，为提高流量或传热、传质速率，要求Re>104。

因此，工程设计中管内的流体流型多处于湍流过渡区范围内。

（b）完全湍流区在图1.2.4—1中，M-N线上部范围内，摩擦系数与雷诺数无关而仅随管壁粗糙度变化。

c.临界区20003000时，可按湍流来考虑，其摩擦系数和雷诺数及管壁粗糙度均有关，当粗糙度一定时，摩擦系数随雷诺数而变化。

（6）摩擦系数

a.层流层流时摩擦系数用式（1.2.4—

λ＝64／Re（1.2.4—2）

式中

λ——摩擦系数，无因次。

b.过渡流和完全湍流，见图1.2.4—1所示。

在较长的钢管中，若输送的是为水所饱和的湿气体，如氢、二氧化碳、氮、氧及类似的流体，应考虑到腐蚀而将查图所得摩擦系数乘以1.2。

（7）压力降

在管道系统中，计算流体压力降的理论基础是能量平衡方程。

假设流体是在绝热、不对外作功和等焓条件下流动，对不可压缩流体密度是常数，则得：

（1.2.4－3）

（1.2.4－4）

因此

（1.2.4－5）

或

⊿P＝⊿PS+⊿PN+⊿Pf（1.2.4－6）

式中

⊿P—管道系统总压力降，kPa；

⊿PS—静压力降，kPa；

⊿PN—速度压力降，kPa；

⊿Pf—摩擦压力降，kPa；

Z1、Z2—分别为管道系统始端、终端的标高，m；

u1、u2—分别为管道系统始端、终端的流体流速，m／s；

u—流体平均流速，m／s；

P——流体密度，kg／m3；

hf——管内摩擦损失的能量，J／kg；

L、Le——分别为管道的长度和阀门、管件等的当量长度，m；

D——管道内直径，m。

（1）圆形截面管

a.摩擦压力降

由于流体和管道管件等内壁摩擦产生的压力降称为摩擦力压降。

摩擦压力降都是正值.正值表示压力下降。

可由当量长度法表示，如式（1.2，4—5）的最末项。

亦可以阻力系数法表示，即

（1.2.4—7）

此式称为范宁（Fanning）方程式，为圆截面管道摩擦压力降计算的通式，对层流和湍流两种流动型态均适用。

式中

⊿Pf—管道总摩擦压力降，kPa；

λ—摩擦系数，无因次；

L—管道长度，m；

D—管道内直径，m；

∑K—管件、阀门等阻力系数之和，无因次；

u—流体平均流速，m／s；

ρ—流体密度，kg／m3。

通常，将直管摩擦压力降和管件、阀门等的局部压力降分开计算，对直管段用以下公式计算。

层流

（b）湍流

（1.2.4－9）

式中

d——管道内直径，mm；

W——流体质量流量，kg／h；

Vf——流体体积流量，m3／h；

μ——流体粘度，mPa·s。

其余符号意义同前。

b.静压力降

由于管道出口端和进口端标高不同而产生的压力降称为静压力降。

静压力降可以是正值或负值，正值表示出口端标高大于进口端标高，负值则相反。

其计算式为：

（1.2.4－10）

式中

⊿PS—静压力降，kPa；

Z2、Z1—管道出口端、进口端的标高，m；

ρ—流体密度，kg／m3；

g——重力加速度，9.81m／s2

c.速度压力降

由于管道或系统的进、出口端截面不等使流体流速变化所产生的压差称速度压力降。

速度压力降可以是正值，亦可以是负值。

其计算式为：

（1.2.4－11）

⊿PN—速度压力降，kPa；

u2、u1—出口端、进口端流体流速，m／s；

ρ—流体密度，kg／m3。

d.阀门、管件等的局部压力降

流体经管件、阀门等产生的局部压力降，通常采用当量长度法和阻力系数法计算，分述如下：

（a）当量长度法

将管件和阀门等折算为相当的直管长度，此直管长度称为管件和阀门的当量长度。

计算管道压力降时，将当量长度加到直管长度中一并计算，所得压力降即该管道的总摩擦压力降。

常用管件和阀门的当量长度见表1.2.4—2和表1.2.4—3。

表1.2.4—2和表1.2.4—3的使用说明为：

①表中所列常用阀门和管件的当量长度计算式，是以新的清洁钢管绝对粗糙度ε＝0.046mm，流体流型为完全湍流条件下求得的，计算中选用时应根据管道具体条件予以调整。

②按①条件计算，可由图1.2.4—1查得摩擦系数（λT）（完全湍流摩擦系数），亦可采用1.2.4—4中数据。

Le=ζd/λT

续表1.2.4—3

图中：

d——内直径或表示内直径长度；

r——曲率半径；

α——角度。

新的清洁钢管在完全湍流下的摩擦系数

（由图1.2.4—1查得）表1.2.4—4

公称直径

（DN）mm

15

20

25

32

40

50

65～80

100

125

150

200～250

300～400

450～600

摩擦系数

（λT）

0.027

0.025

0.023

0.022

0.02l

0.019

0.018

0.017

0.016

0.015

0.014

0.013

0.012

（b）阻力系数法

①管件或阀门的局部压力降按下式计算，式中有关符号见图1.2.4—3所示。

（1.2.4——12）

式中

⊿PK——流体经管件或阀门的压力降，kPa；

K——阻力系数，无因次。

其余符号意义同前。

逐渐缩小的异径管

当θ≤45°时

（1.2.4—13）

当45°<θ≤180°时

（1.2.4—14）

逐渐扩大的异径管

当θ≤45°时

（1.2.4—15）

当45°<θ≤180°时

（1.2.4—16）

式中各符号意义同前，并见图1.2.4—3说明。

图中符号说明：

a1、a2——异径管的小管段、大管段截面积；

d1、d2——异径管的小管段、大管段内径；

θ——异径管的变径角度。

图1.2.4—3逐渐缩小及逐渐扩大的异径管[应用式（1.2.4—13～16）]

②通常，流体经孔板、突然扩大或缩小以及接管口等处，将产生局部压力降。

突然缩小和从容器到管口（容器出口）按下式计算：

（1.2.4—17）

突然扩大和从管口到容器（容器进口）按下式计算：

（1.2.4—18）

式中

⊿PK——局部压力降，kPa；

K——阻力系数，无因次，见表1.2.4—5。

通常取：

K＝0.5；

KV——管件速度变化阻力系数，无因次。

其余符号意义同前。

管件速度变化阻力系数KV＝1－（

）4。

对容器接管口，（

）4值甚小，可略去不计，故KV＝l。

因此，通常K+KV＝1.5，K－KV＝－0.5；将此关系式分别代入式（1.2.4—17）和式（1.2.4—18）得：

容器出口

（1.2.4—19）

容器进口

（1.2.4—20）

当⊿PK为负值，表示压力回升，计算中作为富裕量，略去不计。

完全湍流时容器接管口阻力系数，在要求比较精确的计算中，可查表1.2.4—5，层流时阀门和管件的阻力系数见表1.2.4—6。

容器接管口的阻力系数（K）（湍流）表1.2.4—5

1

容器的出口管（接管插入容器）1.0

2

容器或其它设备进口（锐边接口）1.0

3

容器进口管（小圆角接口）1.0

4

容器的进口管（接管插入容器）0.78

5

容器或其它设备出口（锐边接口）0.5

6

容器的出口管（小圆角接口）0.28

7

容器的出口管（大圆角接口）0.04

管件、阀门局部阻力系数（层流）表1.2.4—6

序号

管件及阀门名称

局部阻力系数

（K）

Re＝1000

Re＝500

Re＝100

Re＝50

l

90°弯头（短曲率半径）

0.9

1.0

7.5

16

2

三通（直通）

0.4

0.5

2.5

（分枝）

1.5

1.8

4.9

9.3

3

闸阀

1.2

1.7

9.9

24

4

截止阀

11

12

20

30

5

旋塞

12

14

19

27

6

角阀

8

8.5

11

19

7

旋启式止回阀

4

4.5

17

55

1.2.5计算步骤及例题

计算步骤

（1）已知管径、流量求压力降

a.计算雷诺数以确定流型；

b.选择管壁绝对粗糙度，计算相对粗糙度，查图1.2.4—1得摩擦系数；

c.求单位管道长度的压力降；

d.确定直管长度和管件及阀门等的当量长度；

e.分别求出⊿Pf、⊿PN和⊿PS得到管道的总压力降。

（2）已知允许压力降、流量求管径

a.选定合理流速估算管径；

b.计算雷诺数确定流型；

c.选择管壁粗糙度查摩擦系数；

d.求单位管道长度的压力降；

e.确定直管长度和管件及阀门等的当量长度；

f.分别求出⊿Pf、⊿PN和⊿PS，其和则为总压力降；

g.得到总压力降后，按额定负荷进行压力降平衡计算和核算管径。

如计算的管径与最初估算的管径值不符，则按上述步骤重新计算，直至两者基本符合，最后以105%负荷进行校核。

以上仅为管道计算的一般步骤，计算时应按实际情况确定计算步骤后再进行计算。

例题

例1：

某液体反应器系统，由反应器经一个控制阀和一个流量计孔板，将液体排入一个储槽中，反应器中的压力为540kPa，温度为35℃，反应器中液体的密度为930kg／m3，粘度为9.1×10-4Pa·s，流经控制阀时基本上没有闪蒸，质量流量为4900kg／h，管道为钢管，求控制阀的允许压力降。

解：

选流体流速为1.8m／s，则管径为

选用内直径为33mm管（Ф38×2.5），则实际流速为

雷诺数

（湍流）

摩擦系数

取管壁绝对粗糙度ε＝0.2，则相对粗糙度ε／d＝0.2／33＝0.0061，查图

1.2.4—1，得摩擦系数λ＝0.0336≈0.034

单位管道长度的摩擦压力降

当量长度（管件及阀门均为法兰连接）

直管176m

90°弯头（曲率半径为2倍，管内径15个）0.4×15＝6m

三通（6个直通，两个支流）0.66×6+1.98×2＝7.92m

闸阀（4个全开）0.264×4＝1.06m

总长度（以上合计）190.98＝191m

因此，摩擦压力降为：

反应器出口（锐边）

查表1.2.4—5得K＝0.5，又KV＝1，则

储槽进口（锐边）：

查表1.2.4—5得K＝1，又KV＝1，故⊿PN＝0

取孔板允许压力降为35kPa

以上摩擦压力降之和为267.4+92.04+35＝304.44kPa

反应器和储槽的压差为

控制阀的允许压力降（⊿PV）为以上压差与以上各项摩擦压力降之和的差值，即

计算

通常此值为25%~60%，故计算结果可以使用。

例2：

一并联输油管路，总体积流量10800m3／h，各支管的尺寸分别为L1＝1200m，L2＝1500m，L3＝800m；管道内直径d1＝600mm，d2＝500mm，d3＝800mm；油的粘度为5.1mPa·s，密度为890kg／m3，管道材质为钢，求并联管路的压力降及各支管的流量。

解：

并联管路各支管压力降相等，即

⊿Pl＝⊿P2＝⊿P3，即

则

又因

设管壁绝对粗糙度ε1＝ε2＝ε3，取钢管ε＝0.2mm

εl／dl＝0.2／600＝3.33×10-4

ε2／d2＝0.2／500＝4×10-4

ε3／d3＝0.2／800＝2.5×10-4

设流体在全湍流条件下流动，则又与Re无关，查图1.2.4—1得：

λ1＝0.0153，λ2＝0.016，λ3＝0.0144

由

＝

＝2057983：

1141088.7：

5333333.3

＝1：

0.554：

2.592

校核λ值：

查图1.2.4—1得λ1＝0.0173，λ2＝0.0185，λ3＝0.0159，与原假设不符，应重新计算。

第二次假设

λ1＝0.0173，λ2