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1、管径和管路压力降的计算吴洪 太(河北省石油 化工 规划 设计院)摘化工厂设计中.管子用量大 且品种繁多.要管路 费用占投资的一定比例。本文介绍如何计算和选择管径。并介绍初步设计阶段管路压力降的估算及施工图阶段管路压力降的核算 方法。文中附有计算实例。.JJ. 一、月Jl合在化工厂设计中,合理的选择管径具有一定的经济意义。当输送液体的 能 力 一 定时,管径的大小就应有一个基本确定的值,管径太小,物料流速大,管路压降大,从而增加输送设备(泵或压缩机等)的 动 力 消耗,操作 费用增 加,反之,管径选取过大,虽动 力费减少,但管子壁厚和重量增加,进而,阀门、管件及绝热材料等睁规格都相应增大,管路建
2、设费就明显提高,尤其是不锈钢等昂贵材质增加的建设费用就更多。例如:一条长10 0米的 碳钢管输水管路,水的流量为1 3.5m3/h合理管径为Dgs心功m,管路上有阀门2个、法 兰4个,若管径上下浮动 一个规格其建设费和操作费的变化如表l所示。图1管径与费用的 关系从表1和图1中可以看出:无论管径选取的大还是 小,其总 费用均高于 合理管径的总费用。这说明只有选 取最佳管径才能取得最佳的 经 济效益。表1管径的变化对建设费和 操作费的影响管子公称管子规格阀f.法兰管路压降管足各建设泵功率 亮 里竺一-竺塑一-坐竺竺一-竺竺 竺些匕里竺一!竺竺竺巡一一丝三 旦一, i 圣 i一型一卜一生竺一翌竺.
3、 里竺生口生一Do60巾万 7X3.5Do6 0Dn500.04T724.84.0 二一一一一一一卜-一一一Dt,4 0 由45X3Da40!Do4D10.065511.84.2_,一_二_!-一一一一二-一二操作费总费用兀486459745120584553了6-一- - h a二、管径 的针羊和选职1.管径的计算一般是 根据流体介质的 特性(粘宜、压力、密度等)和操作过程可能出现 的最大流量及最大压降来求取最经济的芒径。对于单相流体介质可 按下式计算:视,管壁太厚浪 费材料,使建设费用增加,耸璧太薄则由于流体介质的摩损和腐蚀及大 气的佩化 腐蚀会使管子很快产生砂眼等,从而形成跑、冒、滴、漏
4、,不仅会影响使用寿命,压力较高的管路和有毒介质还会发生事故。因此管子壁厚的选取在设计过程中也应引起足够 的重视,一 定要根据需要参照有关资料“进行计算。d二18。8(1)三、管路压力降的计算或d=13或d二5948了召5了杀(2)(8)式中:d一管子内径,功功U一介质的平均流速,m/。p一介质的密 度,kg/m3F一介质的质量流量,kg/hQ一介质的容量(或体积)流 量m“/h管路压力降的计算在初步设计阶段,根据工艺流程图和设备布置图估算出管路长度和 阀门数量(,在初步设计中为了估算材料这项工作是必不可少的),再利 用有关公式和图表求得管路压力降,我们称之为估算法,在施工图阶段,根据管路布置图
5、得出管子的长度、阀门和管件数量,利用有关公式和 图表求出管路庄降,我们称之为核算法。一管路伍力释的估算方法 G一介质的 质觉 流童,t/h2.介质流速 的选取从式(1), (名),(3)可 以看出:当流 体介质的流量和状态一定时,管径的 大小主要取决于介质的流速,管径与介质的流速的平方 根成反比,对管径的计算影响很 大,因此流速的选取非常重 要,一定要合适。介质流速的选取除根据介质的特性(粘度、密 度、压 力等)外,还要考虑到 生产中操作的 实际情况,防止由于流速过高而弓l起的管路摩损、腐蚀、振动等现象。一般将介质的流速控制在一定范围之内,可参照有关资料,根据实 际需要选取。对于含有固体颗粒时
6、介质,流速不 宜太低,以免固体颗粒沉积堵塞管道。3.甘子壁厚的选取管子 壁厚的 选取在设计过 程中 不. 应忽在化工广初步设计中,需要确定泵的扬程及空压机等的压力,以便选择相应的设备(当然选择设备的条件很多,这只是其中之一)。我们希望把管路压力降估算得准确一些,但在初步设计中不可能得到管路的准确长度及管件的实际数量,怎样来确定管路 压力降呢? 往往根据设计经验估算一个数值。如果管路压力降较大时(如流体的粘度较大导致压力降较大),对设备选择有一定的影响,从而导致漆设费和操作费的变化。HO O-p盯幻根据他多年来四十六个项 目的设计经验,总结 出一种较为准确地 佑算各种规格管路单位管长所 应有的
7、阀门和管件的型式和 数量的方法,B:洲n3进 一步根据加权 平均当量长度推导出 了管路总当量长度计 算公式,就此求出管路压力降。Bo rwn通过四年的实际应用证明此法切实可行。(1)管件和阀 门数量的确定一定长度的管路,其建设费和操作费与管路系统的复杂性(即管路中所具有的阀门和管件等的数量多少)有关,系统复杂性对建设费及由管路压降引起的操作费变化的影响可分别进行计算绪。然而,管路压降引起的操作费随管径而变化,阀门和管件也可表示为管径的肠数,每百米管长所具有的阀门和管件数量可用下式估算:裹2扮路的盆杂性系教阀门V:。=75叨e/D(t) 管 件F:。 。=57 8Fe/D令(。)式中D为管子公称
8、直径(),F。为管路复杂性系数,其值因管路的复杂程度的不同而异,见表2;v:。 。为百米管长所具有的 阀门数,各种阀门所占百分率见表3;F:。为百米管长所具有的管件数,各种管件所占百分率见表4。需要说明的是在设计过程中如何确定复一一巨一一一一二一一i一二阵止-阵些止管路复杂程度)非常复杂复杂!一般简单1/4非常简单表3百 米,长闷门总数t 分配情况一二二1.- 二一一一一卫竺卜一一竺一. 竺l-甲%J” 0”“D蝶阀!止回阀-一一 308二上2表4百 米管长I件总教 l分配情况 三三 二三三二二二一口二-一一燮一甲。多4525、 6 u2“25杂性系数FC,也就是说怎样判断管路 的复杂程度。这
9、种判断能力随设计经验的增加而不断增长。当然,可以利用式(4)、(5)分析并计算已有的或设计过的管路求 出F。,判断管路的复杂程度,再选择另 一条管路首先假设F,然 后通过计算检验 以前的假设是否正确,这样反复几次即可对管路的复杂 程度有所认识,也可以根据初步 设计流程图中阀门的个数用式(4)求得F。例:设F。=1,估算公称直径D=10 0m m,长L=30 0m管路系统中阀门和管 件的数量。解:从式(4)得v,。=750xl八00“7。5. 。Vs00“3x7。5出 23根据表3中的分配系数求 出各种阀门的个数:Vi“甲vV(6)计算结果列于表5中。从义5)式得:F:。 。=57 5火1八00
10、一丁=57.8: F:。o=3x57.8=173根据表4中的分配系数求出各种管件的个数:F;=甲:F(7)计算结果列 于表6中。(2)管路压力降的计算管路压力降的计算公式可表示为:么p=5x10一f(Le/d)puZ(8)式中:Pe e管路摩擦总压降Ma PL、一管路总当量长度md一管子内径p一流体密度mmg k/m3衰5Dg=001L=300FC“1管路的阀门数t截止阀一六“止回阀球阀数量(个)表6Dg二010L二3 00Fc二1管路的管件数t通异径管数量(个)18卜兰望土品堕竺4j盛一26一一一 一头弯 一站一一法一u一流体流速m/sf一摩擦阻力系数从(8)式可以看出:只要确定 了流体的状
11、态、流量 及管路材质,除当量长度外其它均可确定。Bo rwn提出 了管路当量长度昨衰7,件的加权当 t长度计算公式,他把管路当量长度表示成管径及复杂性系数时函数。根据表8、式(5)和表4、式(6)及管件和阀门的特性当量长度可以分别得到管件和阀门的加权平均当量长度。管管件名称称甲。拓拓特性当量长度Le /O O O加权当量长度Le /O O O法法兰兰46 6 60 0 00 0 09 9 90弯头头2 5 5 50.1分2 2 20.048 8 8三三通通15 5 50.48 8 80.0了2 2 2异异径 管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管管1 1 1 1 10 0 00.18
12、8 80.013 3 34 4 46,弯头头2.5 5 50.192 2 20.005 5 5盲盲板板2.5 5 50 0 00 0 0裹8阁门的加权当I 长度甲甲v男男特性当量长度Le /O O O一一般阀 门门90 0 00.24 4 40.126 6 6卜回阀阀8 8 8D,6D D D0.048 8 82 2 2 2 24.0 8 8 80.08 2 2 2注:阀门不包括节流和自动调节阀.针算总压降时应另行计入。单位长度管长的总当量长度为12(L./D)=L12/D+0.1峨3、(5.7sF。zD士)+0.346、(7.so F。/功(9)式中L为直管段长度(m),D为管子公称直径(m
13、m),L。为总当量长度( m),F。为复杂性系数,式中第一项表示直管段,第二项表示管件,第三项表示阀门。(9)式可简化为:L。二L1+(0。70D了+O。216)F。(10)利用(1)0式即可求出管路的总当量长度,进而计算出管路的压力降。例:某厂有一条公称 直径 为10 0帅 1 08x4)长30 0m的输水管路,水 的流速为Zm/s,密度为i0 00k盯m“,粘度为1.75义103PaS,管子的绝对粗糙度为。.0 45。”n,设管路复杂性系数为F。=1,求管路的摩 擦压力降。解:由(10)式得 J洲 L。=30 01+(o。0 7x1002+0。216)Xl“575mp流体密度kg/m3f摩
14、擦阻力系数k阀门和管件的阻力系数物性数据 和阻力 系数可参阅有关资料,妞,。对子单相流的管路其压降可用上述公式进行计算,多相流的管路要进行校正。四、结束语雷诺数R一票二100 0x2x100,10一31。78火10一,=1。126x105管子相对粗糙度为厚。/d=0.045/10 0=4。5x10一4查参考文献5图1一1 3得 摩擦系数:f=0。0 2 2:. P=5义10一义(0.02 2x5 75/100)x1000xZ么=0.25MPa2.管路压 力降的核算方法有关管路压力降的核算方法的资料报导很 多 ,“。它是在施工图设计完成后根据管路布置图 上的管长、阀门、管件的,实际数量按照有关公
15、式进行计算:_。LXL. 八P=5K10一4f(-竺犷二竺一)U多P(11) 一“一、d一、一管径和管路压 力降的计算在设计过程中具有重要的意义。管径的选取是管路设计的重要环节,而管路压力降的计算是选择泵或压缩机的基础条件之一。管路压力降的估算和核算应用在不同的设计阶段。管路压力降的估算是初步设计中为了确定流体输送设备的压力,选择合理的流体输送设备,而管路压力降的核算是检验初步设计中所选择的流体输送设备是否 合理,若发现不合理(输出压力太大或太小)应重新选 择。尽管管路压降与系统总压降相 比有时显得很小,甚至可以忽略,然而在绝大多数情况下,初步设计时应进行估算,为合理选取流体输送设备提供充分的
16、 依据,提 高设计质量,既能保证正常生产又不浪费 能源和材料,以便取得更好的 经济效益。_华。,_二。_,LEK、,2 T_ 联。r二。 x工”一L工万, - t1而万夕UIJ(12)式中P管路摩擦压力降MPaL直管段长度mL。阀门和管件的当量长度md管子内径 u流体流速m/S参考文献1化工管路手册下册、化学工业 出版社、1牙792Ho ope r,W.日、,Pr ed、ct下 、t t岌ngsfo rP、Ping:ys至eam:,C hem.Eog.,Mayl了,12了120(1082)3Br o wn,S.G.,Ho wtoPredietpres,ur edo rp一beforode sign、ngtheplplng.Chem.Eng.,Mar.16(1匀8了).
