管道的水力计算及强度计算Word文档格式.docx

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流体在流动中，为了克服阻力就要消耗自身所具有的机械能，我们称这部分被消耗掉的能量为阻力损失。

流体的性质不同，流动状态相同，流动时所产生的阻力损失大小也不同。

流动是产生阻力损失的外部条件，流速越高，流体与管壁及流体自身之间的摩擦就越剧烈，阻力也就越大。

相反，流速越小，摩擦减弱，阻力也就越小，不流动的静止流体也就不会产生阻力损失。

由此可见，阻力损失与流体的性质、流动状态以及流体流动时的边界条件有着密切的关系。

管道的阻力损失有两种形式，如图3-4所示。

在有压管路中的A、B、C处各开一个小孔，并用一根开口玻璃管与小孔连接立装，如图3-4a所示，当管路中阀门k关闭时，系统内：

流体处于静止状态，这时A、B处两根玻璃管内的水位高度相等，并与水箱水位在同一个水平面上。

当阀门Q开启后，管路中流体处于流动状态，这时A、B、C三点处玻璃管中的水位不在一个水平面上，而且逐渐下降，我们把玻璃管A与B内的水位高差值定为hf，而B管与C管中的水位高差值定为hj。

图34管道的阻力损失

管道中的流体处于流动状态时，为什么玻璃管内的水位会沿途下降呢?

B管比A管水位低的原因是由于流体沿管道从A流到B的这个过程中始终存在着摩擦阻力，水位差hf就是为了克服从A到B这段管路中的摩擦阻力而引起的阻力损失，这种阻力损失叫做沿程阻力损失。

C管内水位比B管内水位低的原因，在于流体从B流到C的这个过程中经过阀门k，水流局部边界条件急剧改变，对流体运动造成阻力，这种阻力损失称为局部阻力损失。

流体在流经管道上的三通、弯头、阀门、变径管等地方时，都会产生局部阻力损失。

玻璃管A、B、C通常称为测压管。

管路中的总阻力损失则为各管段的沿程阻力损失与各管件所产生的局部阻力损失之和。

其表达式为

hw=∑hf+∑hj（3-3）

式中hw——管道总阻力损失（Pa）；

∑hf——管路中各管段的沿程阻力损失之和（Pa）；

∑hj——管路中各处局部阻力损失之和（Pa）。

计算管段的沿程阻力损失hf，可按以下公式进行：

hf=RL（3-4）

式中R——每米管长的沿程阻力损失（Pa／m）；

L——管段长度（m）。

进行计算时，在已知流量和经济流速的选择范围后，单位管长的沿程阻力损失及值可由事先编制好的各种介质水力计算表中直接查得，从而就可以计算出管段内的沿程阻力损失之值。

计算管件的局部阻力损失hj，可按以下公式进行：

（3-5）

式中ξ——管件的局部阻力系数；

ρ——输送介质的密度（kg／m3）。

各种不同规格的管道配件及附件的局部阻力系数可查表得出。

在一般情况下，室内外管网的局部阻力可按表3—1进行估算。

表3-1各类管道的局部阻力占沿程阻力的百分比

管道类别

局部阻力占沿程阻力的百分比（％）

室

内

管

道

给水、热水

20~30

自然循环热水供暖系统

100

机械循环热水供暖系统

压缩空气

15~30

氧气

15~20

外

热水采暖管网

10~20

10~25

10~15

以上是管道阻力损失的计算方法，然而在日常工作中，我们遇到的总是管段两点间的压力差，而不是阻力损失，那么压力差与阻力损失有何区别?

压力差与流速又有何关系呢?

——般地说，管段两点间的压力差的数值与该管段的阻力损失是相等的，两者指的是一回事；

但管道阻力损失指的是事情的本质，而压力差指的是阻力损失所产生的现象。

由于管道阻力只能通过压力差才能测出来，所以说，压力差与流速的关系，实际上就是阻力与流速的关系。

也就是说，只要知道一段管道两端的压力差和该管段长度，就能算出每米管长的阻力和这段管道内介质的平均流速。

第三节管道的水力计算

一、水力计算的任务

管道水力计算的主要任务是：

1）按已知的流量和允许压力降，计算管道管径。

2）按已知管径和流量，计算管道的压力降及管道中各点的压力。

3）按确定的管径及允许压力降，计算或校核管道的输送能力。

4）根据管道水力计算的结果，确定管道系统选用设备的规格型号。

二、水力计算表

为了简化计算的工作量，通常管径和摩擦阻力损失的计算均借助于现成的各类水力计算表进行。

对于计算精度要求不高时，可以直接查表进行计算，能满足一般管道工程计算的要求。

当对计算精度要求较高时，应根据各专业管道水力计算资料及编制使用要求进行计算修正。

现将常用的各种介质输送管道水力计算表予以节选，见表3-2、表3-3、表3-4、表3-5，供使用时参考。

流量

管

径/m

M2/h

10.8

14.4

18.7

23.4

28.8

36.0

45.0

55.8

68.4

81.0

90.0

L/s

3

4

5.2

6.5

8

10

12.5

15.5

19

22.5

25

75

v

i

0.70

164

0.93

278

1.21

451

1.51

706

1.86

1068

2.33

1676

-

0.52

66

0.68

106

0.84

159

1.04

235

1.30

358

1.62

559

2.01

862

125

0.43

35

0.54

52

0.66

76

0.83

118

1.03

173

1.28

261

1.57

392

550

2.07

678

150

0.46

31

0.57

46

0.72

70

0.89

103

1.09

1.29

208

1.43

256

200

0.40

17

0.50

0.61

48

0.80

59

250

0.39

12

16

0.51

三、流速及管壁粗糙度

在进行水力计算时，介质流速是计算的关键因素，不同性质的介质，其允许流速选取范围也不相同，管道水力计算时的流速取值应当在允许的经济流速范围以内。

常用介质的允许流速见表3-6。

管壁的粗糙度是影响管道水力计算的重要因素，管壁越粗糙，阻力就越大。

管道的粗糙度用k表示，常用管材的粗糙度见表3-7。

给水管道水力计算表中，已考虑到管壁锈蚀结垢后，管壁粗糙度的增加。

因此，计算表内未注明左的取值，在一般情况下均可使用。

表3-6常用介质允许流速的选择

1.按管径定

介质名称

管径DN／nun

允许流速v（m/s）

饱和蒸汽

15～32

40

50～80

100～200

>

10～20

20～25

25～30

30～35

35～40

过热蒸汽

50～100

≥390

35～45

45～60

50

≥70

≤8

≤15

煤气（发生炉煤气及城市煤气）

2550

70～100

250～500

≤4

≤6

≤14

给水、热水及加压凝结水

25～32

40～50

70～80

≥100

0．5～0．7

≤1．0

≤1．6

≤2．0～2．5

≤150

20（利用）

80（排放）

废汽

≥200

30（利用）

2.按压力定

二氧化碳

<

2944

8～12

氢气

98

2～6

氮气

6～12

表3-7管材粗糙度k值

管材类别

粗糙度k

无缝钢管

焊接钢管及轻微腐蚀的无缝钢管

钢板卷管

铸铁管

腐蚀较严重的钢管

严重腐蚀的钢管

无缝铜管

0．2

0．2～0．3

0．33

0．5～0.85

0．5～0．6

1～3

0．1

各种动力管道水力计算表中，均注有k值。

在使用时应注意所用管材的粗糙度与计算表中标注的丸值的一致性，若两者不一致时，需将水力计算表中查出的单位阻力损失值乘以换算系数m。

换算系数m值见表3-8，也可按下式进行计算得出。

表3-8粗糙度换算系数m值

k

k/

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.55

0.6

0.7

O.75

0.8

0.85

0.9

1.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.55

0.6

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

1.0

1.O

0.700.71

0.67

0.65

0。

以

0.60

0.59

0.58

0.56

1.19

1.00

0.90

0.78

0.76

0.73

0.71

0.69

1.32

1.11

0.88

0.86

0.81

0.77

0.74

1.41

1.07

0.95

0.92

0.87

0.82

1.50

1.211.14

1.06

0.98

0.96

1.53

1.16

1.08

1.02

0.94

0.91

1.05

1.63

1.39

1.24

1.15

0.9，

1.65

1.17

l.02

0.97

D.93

1.68

1.12

1.10

1.71

1.44

1.14

0.99

1.73

1.46

1.22

1.13

1.ll

0.01

1.78

1.35

1.26

式中k——实际采用管材的粗糙度；

k/——计算表中采用的粗糙度。

四、管径、流量及阻力损失的计算

根据已知流量和允许流速选取范围来确定管径，是管道工程中最常见的计算。

其计算式为

或

式中D——管道内径（mm）；

qm——质量流量（t／h）；

qv——体积流量（m3／h）；

v——介质流速（可参考表3-6选取，m／s）；

ρ——介质密度（kg／m3）。

例某段埋地给水管道全长200m，已知输送流量为79.2m3/s几，管内介质流速取1.26m／s，试选用一合适管径。

解根据式，将已知数值代人

得D=149mm

由计算结果可知，该管段可选用管径为DNl50mm的管子。

上述例题如还需估算出该管段总的阻力损失时，可按以下方法计算：

由已知和计算所得数据，qm=79.2m3／h，v=1.26m／s，DN=150mm，查表3-3可知单位管长的沿程阻力损失R=198Pa／m。

再由式（3-4）hf=RL得hf=2000×

198。

再由表3—1取局部阻力hj占沿程阻力的10％，即hj=10％hf，那么总阻力损失为

hw=hf+hj+10％hf=（1+10％）hf

=（1+10％）×

2000×

198=435.512kPa

例2某一管径为DN32mm的室内蒸汽输送管，管长50m，蒸汽压力为0.3MPa（表压），管段内允许压力降为0.0125MPa，求该管道的输送能力。

解查表3-1可知，该管段局部阻力约占沿程阻力的25％，从而估算R的取值范围

R=△P/L（1+25％）=200Pa

然后查蒸汽管道计算表34可知，当管径为DN32mm、R取值在200Pa左右时，其输送介质能力为115kg／h，此时及值为202Pa，略大于200Pa，满足允许压力降的要求。

第四节管道的强度计算

在利用管道输送介质时，由于管内介质具有一定的压力，因此要求管壁必须具有足够的厚度，用以保证管道系统安全地运行。

材质一定的管道，其强度大小则取决于管壁的厚度。

管道内输送介质的压力越大，要求管壁越厚。

从事管道安装施工的人员必须了解管道强度与管壁厚度之间的关系，并能进行简单的强度计算，才能正确选用管材，处理施工中遇到的有关问题。

承受内压力的钢管管壁理论计算厚度按下式算出：

一、按管子外径确定管壁厚

二、按管子内径确定管壁厚

上两式中SO——管子理论计算壁厚（mm）；

P——管内介质的工作压力（MPa）；

DW——管子外径（mm）；

D——管子内径（mm）；

[σ]——管材在计算温度下的基本许用应力，见表3-9（MPa）；

/——基本许用应力修正系数，对于无缝钢管，/=1.0；

对于纵缝焊接钢管，按有关制造技术条件检验合格者，/值按表3-10取用；

对于单面焊接的螺旋缝焊接钢管，按有关制造技术条件检验合格者，/=0.6。

表3-9国产碳素钢管的基本许用应力[σ）（MPa）

计算温度／°

C

钢号

20g，20

22g

20

222

240

260

280

300

320

340

350

129.45

123.56

120.62

117.68

111.8

106.89

104.93

102.97

98.07

舛.14

87.28

81.4

78.45

143.18

138.27

135.33

133.37

132.39

131.41

130.43

127.49

122.58

105.91

103.95

168.67

160.83

155.93

151.伲

147.1

141.22

139.25

134.35

表3-10纵缝焊接钢管基本许用应力修正系数

焊接方法

焊缝型式

声，

手工焊或气焊

双面焊接有坡口对接焊缝

有氩弧焊打底的单面焊接，有坡口对接焊缝

无氩弧焊打底的单面焊接，有坡口对接焊缝

0.75

焊剂层下的自动焊

双面焊接对接焊缝

单面焊接，有坡口对接焊缝

单面焊接，无坡口对接焊缝

三、管子的计算壁厚

管子的计算壁厚按下式计算：

S=So+C（3-10）

式中S0——管子计算壁厚（mm）；

C——管子壁厚的附加值（mm）。

管子壁厚的附加值与钢管制造偏差，腐蚀情况及加工端螺纹深度等因素有关。

在任何情况下，计算采用的管子壁厚附加值不得小于0.5mm。

在实际工作中，管子的壁厚往往超过上述计算壁厚很多，这是因为管道在制造安装和使用过程中，存在着的误差、腐蚀以及不可预见的外力等因素的影响。

为了保证管道安全可靠地运行，必须适当地增加管壁厚度，使管道具有足够的强度和刚度。

四、无缝钢管的管壁厚度简易计算

无缝钢管的壁厚可用下式计算：

式中S/——管子的实际壁厚（mm）；

[σ]——钢材的基本许用应力（MPa）；

P——管子的工作压力（MPa）；

DN——管子公称直径（mm）；

C/——管子的附加厚度（mm）。

在计算中，管子的附加厚度取值至少应为2～3mm，这是由经验确定的。

在特殊情况下，也可以略为降低些。

上述无缝钢管的管壁厚度计算公式，同样适用于大钢管和加工的钢筒。

例某公称直径为DN50mm的无缝钢管，其输送介质压力为1.274Mh，试求管壁厚度，选用管子规格。

解根据式（3—11），取附加厚度C/=3mm，钢管的基本许用应力[σ]取129.45MPa。

那么S/=3.37mm

由计算结果可知，管壁厚度为3.371mm，从材料规格表中可查得，与DN50mm的钢管相应的无缝钢管管壁厚度为3.5mm。

因此应选用规格为声57mm×

3.5mm的无缝钢管。

对于碳钢无缝钢管、不锈钢管、铝管等壁厚规格范围较大的管材，一般情况下，其壁厚可根据不同工作压力分别从表3—11、312、3—13所列规格中选用。

如果使用压力超出表中所列范围或腐蚀情况比较严重，其管壁厚度可按公式（3—11）及有关参考数据进行计算。

有磨损情况时，按规定再酌加磨损裕量。

表3-11碳钢无缝钢管壁厚选用表

公称直径DN

／mm

外径

不同压力（MPa）下的壁厚／mm

P=0.588MPa

P=0.98MPa

P=1.569MPa

P=2.45MPa

15

20

25

32

40

50

65

80

100

125

150

200

250

300

350

18

38

45

57

73（76）

89

108

133

159

219

273

325

377

2.5

3

3.5

4

4.5

6

7

8

9

表3-12不锈钢管（工作压力P≤O.588MPa）壁厚选用表（mm）

壁厚

15

32

65

80

18

38

45

57

89

108

133

219

2.5