管道设计与计算手册(宣讲稿)

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1、燃气专业管道设计与计算手册编写内容简介一 编写概况二 手册适用范围：手册编写内容，主要侧重于煤气管道和氧气管道。其它介质管道，如燃油管道、LPG管道等不在本手册编写范围之内。三 有关手册编写的内容，重点是介绍煤气管道部分。1. 计算数据的规定：对于常用的无缝钢管、铜管、钢板及铜板等材料的许用应力、焊缝系数以及低压煤气管道许用弯曲应力的规定说明。 关于Q235-A.F、Q235-A钢号及其许用应力问题：经国家标准化委员会于2002年4月16日批准，自2002年7月1日起实施的GB150-1998钢制压力容器第1号修改单“表4-1 钢板许用应力”中，取消了Q235-A.F、Q235-A钢号及其相应

2、的许用应力。由国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察局主编的全国压力管道设计审批人员培训教材第六章第七节“压力管道常用金属材料的应用限制”第6.7.4条中也提及“因Q235-A.F和Q235-A钢板型号存在问题，已不推荐使用”。武汉院蔡令放来中冶华天作压力管道培训讲课时，也告诫Q235-A.F和Q235-A钢号在武汉院的工程设计中也已淘汰，“起步”钢号就是Q235-B。其它设计单位的作法不详。中冶华天：从以上相关文件的要求，可以看出：凡属压力容器和压力管道的工程设计，无疑均应执行上述规定要求，对于其它情况是否可不受限制或是自由选择？需要讨论。 纯铜和黄铜管的材料性能及许用应力如何确定。原O2

3、天书在当时条件下，其许用应力规定为：T2 半硬 抗拉强度b=25 kgf/mm2 许用应力=6.2 kgf/mm2 n=4.032软 抗拉强度b=21 kgf/mm2 许用应力=5.2 kgf/mm2 n=4.038H62半硬 抗拉强度b=34 kgf/mm2 许用应力=8.5 kgf/mm2 n=4.0软 抗拉强度b=30 kgf/mm2 许用应力=7.8 kgf/mm2 n=4.0本手册在编写过程中，在现行规范中或相关手册中均未查到对纯铜和黄铜管的许用应力的规定。仅在GB/T1527-1997铜及铜合金拉制铜管标准4.5.1“管材的液压试验”条文中，提及了纯铜（T2 、T3、 TP1 和T

4、P2）的许用应力为41.2MPa（4.2 kgf/mm2）。本手册即按此相应的安全系数取值（n=4.975），给出了常用铜管抗拉强度及其许用应力参考值，详见手册表1-2。此考虑是否合理，请提出意见。近年来，引进的工艺设备以及承接的国外工程设计项目逐渐增多，各国钢材牌号各不相同。手册中拟增添“主要国家常用钢材钢号对照表”，是否加入本手册，请提出意见。2.管径计算：煤气流速及流量速查表，扩大了管径范围，（由DN3400至DN4600）。3.管道壁厚计算及说明关于管道壁厚计算，这本手册并未涉及。原因是在2005年编写的燃气专业常用材料及法兰手册中，已对各种材质的管道壁厚给出了推荐值，如：常用公称压力

5、下碳素钢无缝钢管的管壁厚度；常用公称压力下不锈钢无缝钢管的管壁厚度；常用公称压力下黄铜管的管壁厚度；低压煤气管道（钢板卷管）的管壁厚度；以上分别见2005年编写的燃气专业常用材料及法兰手册表1-1、表1-2、表1-3及表1-4。关于管道壁厚计算，现简介如下：a低压煤气管道计算公式见原M天书p274。其中附加裕量BFG为2mm，COG为3mm；计算压力按爆炸压力计算。BFG及MG的爆炸压力均按6 kgf/cm2 计；COG的爆炸压力按7 kgf/cm2 计；例如：核算2220mm COG管道，计算壁厚：=72220/2.7613300.95 + 3 = 4.456 + 3 = 7.456mm 取

6、8mm。核算2220mm BFG管道，计算壁厚：=62220/2.7613300.95 + 2 = 3.82 + 2 = 5.82mm 取6mm。核算2220mm MG管道，计算壁厚：=62220/2.7613300.95 + 3 = 3.82 + 3 = 6.82mm 取7mm。按现行规范GB50316-2000内压直管壁厚计算公式, 计算2220mm COG管道，计算壁厚：=0.72220/2（1130.85+0.70.4）+ 3 = 8.066 + 3 =11.066mm ，需取壁厚为12mm。再算3020mm COG管道，计算壁厚：=0.73020/2（1130.85+0.70.4）+

7、 3 = 10.973 + 3 =13.97mm ，需取壁厚为14mm。讨论：按现行规范GB50316-2000内压直管壁厚计算公式计算的煤气管道壁厚，如果仍按煤气的爆炸压力取值，显然计算壁厚过大，似有不合理之处。b氧气管道壁厚计算公式为=pD/230 + C ，见原O2天书p209。原O2天书中，按当时的条件给出了各主要材料的抗拉强度值及值，以及附加裕量的规定。例如：用于输送压力为1.6MPa的氧气管道（常温），采用219mm 无缝钢管，材质为10钢，计算壁厚=16219/23011.41.0 + 2 = 1.336 + 2 = 3.336mm选用壁厚为6mm。采用219mm 螺旋焊管，材质

8、为A3钢，计算壁厚 =16219/230130.6 + 2 = 1.953 + 2 = 2.953mm,仍选用壁厚为6mm。按现行规范GB50316-2000内压直管壁厚计算公式，以上述相同条件（输送压力1.6MPa、219mm 无缝钢管、10钢及常温）进行核算。=110MPa，C1+C2仍取2mm，Y=0.4，取0.9，则: =1.6219/2（1100.9+1.60.4） + 2 = 1.758 + 2 = 3.785mm,仍取壁厚为6mm。当输送压力分别为2.5MPa和4.0MPa时, 设计壁厚计算值分别为4.74mm和6.35mm,故选用壁厚分别为6mm和7mm。以219mm不锈钢无缝

9、钢管为例,设计压力按4.0MPa进行核算。此时=137MPa, 其它条件同上。则计算壁厚=4.0219/2（1370.9+4.00.4） + 2 = 3.507 + 2= 5.507mm, 壁厚取6mm。以220mm黄铜管（H62）为例, 设计压力按4.0MPa进行核算。其许用应力按335/5=67.3MPa计, C1+C2取1.5mm，=4.0220/2（67.30.9+4.00.4） + 1.5=7.077+ 1.5=8.577 mm, 应取壁厚为9mm。2005年所编燃气专业常用材料及法兰手册中，黄铜管（H62）的许用应力是按8.375kgf/cm2计算取值的（安全系数n=4），则=40

10、220/2308.3751.0 + 1.5=4.568+ 1.5=6.068 mm,可取壁厚为7mm。此处需要说明，在计算铜和铜基合金管的许用应力时，由于取用安全系数有所不同，计算壁厚就会有差异。对于铜材的强度性能，安全系数取多大为合理尚需待定。4.跨距计算：1）基本荷载的说明：荷载规定未作修改，仍按原M天书确定的数值执行。煤气管道除管道自身金属重量外，其余荷载主要有管道积水和预留荷载2项。其中预留荷载在原M天书附表3-7和附表3-8中用n=1.2、n=1.3n=2表示其预留荷载的百分数。举例如下：当设计的煤气管道直径为10206,预留荷载确定为n=1.2时，其: 计算荷载为（金属重150 +

11、 事故水重390）1.2=648kg/m;操作荷载为（金属重1501.2 + 事故水重3900.2）+ 操作水重41=299 kg/m。补充说明：土建专业在设计管道支架时，工艺专业应提供管架上的荷载，有：管道本体重、介质重（包括管内的操作水、事故水、试压水等）、管道预留荷载以及操作平台上的活荷载等；对固定管架，还要提供管道的水平推力及其作用方向。上述各种荷载（不包括管道在活动管架上的摩擦推力以及风、雪和地震等荷载），土建专业在设计管架时要进行管架内力和内力组合计算及管架基础计算，均需要按管道不同的工作状态（操作及事故）进行各种荷载的组合，取其安全、可靠的计算结果。2）低压煤气管道临界弯曲应力e

12、j及许用弯曲应力w低压煤气管道在达到临界弯曲应力时，管壁即发生翘曲。对直径较大的架空煤气管道，其丧失稳定性主要是压应力。其临界弯曲应力及许用弯曲应力的计算按M天书第四章推荐的公式（4-3）、（4-4）、（4-5）、（4-6）、（4-7）和（4-8）进行。当临界弯曲应力超过屈服点时，许用弯曲应力w只按公式（4-5）第1式计算即可。当临界弯曲应力小于屈服点时，其许用弯曲应力w则按公式（4-5）两式计算,取较小值。现以计算实例说明如下：原M天书按A3钢、S=2400 kgf/cm2 及=1330 kgf/cm2（n=1.8）作为计算基础数据。核算10204R=51cmE=2.1106 kgf/cm2

13、S=2400 kgf/cm2 计算临界弯曲应力，得ej=2628 kgf/cm2（原M天书表4-4 ej=2660 kgf/cm2），此值大于屈服点S=2400 kgf/cm2；计算内压折算应力,得zS = 55.43 kgf/cm2 (其中Pj=0.5 kgf/cm2, D=102cm , j=0.4cm)；按公式（4-5）第1式计算w=1819.85 kgf/cm2（原M天书表4-4 w =1820 kgf/cm2）；其竖向许用弯曲应力w1=0.9 w1 =1819.85（0.9）2=1474 kgf/cm2 （1470 kgf/cm2）=0.85 w1 =1819.85（0.85）2=1

14、313.8 kgf/cm2 （1320 kgf/cm2）=0.8 w1 =1819.85（0.8）2=1164.7 kgf/cm2 （1170 kgf/cm2）其横向许用弯曲应力w2=0.9 w2 =1819.85（1-0.9）41/2=1067.2 kgf/cm2 （1070 kgf/cm2）=0.85 w2 =1819.85（1-0.85）41/2=1258.3 kgf/cm2 （1260 kgf/cm2）=0.8 w2 =1819.85（1-0.8）41/2=1398.4kgf/cm2 （1400 kgf/cm2）其许用切应力= 0.5w= 0.51819.85=910 kgf/cm2核

15、算12204计算临界弯曲应力，得ej=2194.7 kgf/cm2（原M天书表4-4 ej=2210 kgf/cm2），此值小于屈服点S=2400 kgf/cm2；计算内压折算应力,得zS = 66.3 kgf/cm2；按公式（4-5）第1式及第2式分别计算w，取小者：第1式w=1990.8 kgf/cm2（原编M天书表4-4 w =1820 kgf/cm2）；第2式w=1662.6 kgf/cm2取第2式计算结果w=1662.6 kgf/cm2 （原M天书表4-4 w =1670 kgf/cm2）；其余w1、w2及 计算从略。现编手册按Q235-A、S=235 MPa及=113 MPa（n=

16、2.08）作为计算基础数据。计算结果列于手册表1-7中。其中管径10205、11205、12205及13205的ej计算值，均大于屈服点S=235 MPa 。管径13205时，ej计算值均小于屈服点S=235 MPa。对于管径DN250DN2200，许用弯曲应力w计算值，均取为155 MPa。DN2400及其以上管道，许用弯曲应力w值，各有不同。3）管道跨距与坡度设计：原M天书确定管道跨距的步骤是先按强度条件计算管道的跨距，然后再确定管道的最小坡度。其初衷是为了考虑冷凝水的方便排出，防止“反坡”积水。按强度条件计算的管道跨距，原M天书附表3-7和附表3-8分别列出了高炉煤气管道和焦炉煤气管道跨

17、距数据表。原M天书对于DN400的管道，特别是考虑到车间内部由于对管道坡度有较大的限制，因此原M天书附表3-10还列出了按刚度条件计算的净煤气管道跨距数据表。煤气管道坡度的设置，已废止的GB6222-86版的条文中也曾有明确的规定。本次所编手册，基于新版GB6222-2005对煤气管道坡度设置的灵活性，即“架空煤气管道根据实际情况确定倾斜度（第6.2.1.2条）”，编制了有（无）坡度敷设的净煤气管道跨距表。a 有坡度敷设净煤气管道跨距计算仍按原M天书公式（4-15）和公式（4-16），仅部分参数有所调整：许用弯曲应力值，改用本次所编手册表1-7中所列各值；弹性模量，原A3钢为2106 kgf/

18、cm2，现改用Q235-A为192103 MPa；焊缝系数，原规定单面手工焊缝=0.9，双面手工焊缝=0.95，现分别改用为=0.8和=0.85现举例如下：22208 按n=1.0计L=（101550268500.85/1001521）1/2=57m以i=0.003核算L值，L3=0.003481922980000/498.4，L=55m 按n=1.2计L=（101550268500.85/1001304）1/2=52m以i=0.004核算L值，L3=0.004481922980000/715.7，L=53.5m 6306 按n=1.0计L=（10155015220.80/100352.3）1

19、/2=23m以i=0.004核算L值，L3=0.004 4819247940/124.3，L=24.2m 按n=1.2计L=（10155015220.80/100423）1/2=21m以i=0.004核算L值，L3=0.004 4819247940/194.8，L=20.8m按强度条件计算的有坡度敷设净煤气管道跨距，见手册附表-5。b无坡度敷设净煤气管道跨距计算过去所作车间内部煤气管道及其它介质管道，大多数为无坡度架空敷设。设计及施工都较方便、快捷。车间外部煤气管道以及厂区煤气管道，则基本上是按有坡度设计的，低点设排水器。80年代初，宝钢开创了无坡度架空敷设煤气管道的先河，时至今日生产运行正常

20、。无坡度敷设净煤气管道如何设计？除了考虑设置一定数量的冷凝水排水器外，无坡度敷设煤气管道的跨距是否仍可沿用有坡度敷设煤气管道跨距计算？不论是原M天书还是原O2天书，不论是按强度条件计算还是按刚度条件计算，这些公式基本上都基于有坡度设计、且不允许出现“反坡”（即i）；无坡度敷设可以不考虑坡度，但必须考虑挠度。GB50316-2000工业金属管道设计规范（第10.2.7条）规定，要“限制管道自重产生的弯曲挠度，一般管道设计挠度不应超过15mm”。煤气管道是一等截面的直杆梁，要支撑这根梁就要在两端设支座，一般就称之为简支梁。均布载荷下的简支梁最大挠度计算公式，在材料力学中可以查到，即fmax=5/3

21、84qcL4/EJ，经单位变换并引入相关参数后，无坡度敷设净煤气管道跨距计算公式为：L=1.2195（J/qc）0.25 （m）按上式计算和编制的无坡度敷设净煤气管道跨距，见手册附表-7。上式中qc单位为kg/cm， 而手册附表-7中qc的单位为kg/m，使用上式时应折算为现用单位，请注意。计算举例从略。c关于氧气管道及其它介质管道跨距的计算对有坡度敷设的氧氮氩等介质管道：原O2天书按强度条件及刚度条件分别给出了计算公式（3-15）、（3-20）及（3-22）。计算参数按A3钢 ，=13 kgf/mm2 ，最大介质压力p=33 kgf/cm2，计算壁厚取-1，弹性模量按2106 kgf/cm2

22、，焊缝系数=0.7，设计坡度i=0.003。举例如下，以4266为例：对于气体管按强度条件计算: 原O2天书公式（3-15）内压折算应力y=33（426-5）/2305=12.08 kgf/mm2许用综合应力系数=1.2-（12.08/13）2 0.5=0.58许用外载综合应力w=0.5813=7.54 kgf/mm2则L=（157.540.7687.95/74.58）0.5=27.02m按刚度条件计算（允许有一定的反坡）: 原O2天书公式（3-20）L=2（2421061465340/100.7458）0.25=2787.3cm或27.87m对于充水管,仍以4266为例：按强度条件计算: 原

23、O2天书公式（3-15）L=（157.540.7687.95/209.18）0.5=16.136m按刚度条件计算（无反坡）: 原O2天书公式（3-22）L=5（2106146530.003/20918）1/3=1738cm或17.38m本次所编手册,材料选用10号碳素钢无缝钢管，=112 MPa，弹性模量按1.92106 kgf/cm2，焊缝系数=0.85，最大介质压力仍按33 kgf/cm2计算，其它不变。按强度及按刚度条件分别计算的管道最大允许跨距列于附表-12。以4266为例，查表结果为：对于气体管按强度条件计算: L=15.87m按刚度条件计算（有反坡）：L=27.59m对于充水管按强

24、度条件计算: L=9.47m按刚度条件计算（无反坡）：L=17.15m对无坡度敷设的氧氮氩等介质管道：其最大允许跨距，由于只受允许挠度控制，故仅按刚度条件计算（跨中最大设计挠度f=15mm），计算公式同无坡度敷设净煤气管道跨距计算公式L=1.2195（J/qc）0.25 （m）计算结果列于手册附表-13。仍以4266为例，查表结果为：对于气体管，L=14.44m对于充水管，L=11.16md关于管道跨距设计的几个有关问题通过比较，相同条件下，无坡度敷设的管道跨距小于有坡度敷设的管道跨距。当管道采用无坡度设计时，由于跨距有所缩小，故在确定管道跨距时就要注意，特别是对管径较小者。上述介绍的管道跨距

25、计算，均指管道中间跨的情况。而用于端跨和平面转弯的管道跨距则应分别缩小约10%和20%（即0.894 L和0.806 L）。在压力管道补充培训教材中，罗列了国内不少相关行业有关管道跨距的计算公式。这些公式各有各自的考虑和表达形式，难于统一，仅供参考。钢铁行业所属煤气管道跨距计算仍应以原天书为兰本。管道在跨中除因自重产生挠度外，大直径管道还会因自重以及外加荷载而产生较大变形，因此需要设置加固圈。这次，在手册中增加了15010、15012及18012几个等级规格的加固圈。以适应直径DN3600DN4400的管道。（目前正在使用的燃气专业通用图手册燃1062-9“煤气管道用加固筋”将会作相应补充和更

26、新）。为简化设计，本手册所编“有（无）坡度敷设净煤气管道跨距表”不再有净高炉煤气管道、焦炉煤气或混合煤气管道以及天然气管道之区分，统称为“净煤气管道”，其跨距统编为一个标准。对于DN200mm的低压煤气管道，由于设计中大多采用无缝钢管，因此可以套用本手册的“有（无）坡度敷设的氧氮氩等介质管道跨距表”。5.固定支架推力计算：1）自然补偿管段管架受力计算：三本天书（M、O2及Oil）均各不相同。煤气管道：是基于对于固定管架间凡布置有铰接或半铰接支架的，多采用悬臂梁法（也有称导向悬臂法）计算。本手册收录了原M天书编写的几种形式的自然补偿计算公式，供使用。氧气管道：采用的是美国国家标准ANSI B31

27、.1及B31.3介绍的判断式（DN/L-LS22.083 见O2天书公式（3-26）进行判断，满足该判断式的规定则说明管系具有足够的柔性，管道热膨胀和端点位移所产生的应力在许可范围之内，可不再进行详细计算。但应用ANSI这一判断式的管系必须满足如下假定： 管系两端为固定点； 管系内的管径壁厚材质均一致； 管系无支管和支吊架； 管系使用寿命期间的冷热循环次数少于7000次。采用这种判断的结果是偏于安全的。油管道：采用的是弹性中心法计算，也有称Mitchell弹性系数法。该法可在一定程度上判断无端点位移、等径、等厚度管道的柔性、大致的应力分布、弹性中心、最大应力点和零力矩线的位置。Oil天书列出了

28、一些典型管段的计算公式及算图供参考。本次手册未编入油管道部分，如需要了解这部分的内容，可参见Oil天书258页至299页。以上三种计算方法，即所谓“简化方法”都是相对于基于严格数学力学的“详细分析方法”而言。可以看出，这三种“简化方法”中都忽略了管道自重等因素。而且这三种“简化方法”所能应用的管系几何形状也有所限制，一般只适用于无分支的管系。还有以下情况不宜采用： 与要求苛刻的设备相连的管道，如高转速的动设备； 在高温下输送危险介质的管道； 大口径管道和厚壁管道； 停工频繁的管道； 价格昂贵的合金钢管道。应注意的是，“简化方法”一般不给出端点反力。举例从略。2）采用波纹补偿器管段的管架受力计算

29、：M天书中，当管道采用波纹补偿器进行温度补偿时，对固定管架有三种力要算（明确中间活动管架当采用半铰接支架时）： 弹性力，用FS标记。 内压推力，也称“波壁力”，用FP标记。 管道盲板力，用FN标记。如果，中间活动管架采用刚性支架时，对于固定管架还要计入摩擦推力。此力由土建专业计算，燃气专业只提管道荷载。原M天书表4-28列出了几种典型的单管推力计算公式。其中对中间固定管架，考虑到管线升温操作时两端受力的不均衡性，应按受力较大的一端来计算。不均衡系数取0.7，即：M天书表4-28中的计算公式为：两侧轴向水平推力中较大者减去较小者的0.7倍。举例从略。与M天书所述概念不同，是大多数波纹补偿器生产厂

30、家在其产品样本中，对主固定管架的推力只计入了上述第项“弹性力”和第项“内压推力”（也有称为“盲板力”的）。而相对于M天书中的“管道盲板力”（FN），一则可以理解为“管道盲板力”不必再单独考虑，二则也可认为第项“内压推力”计算公式中已经考虑了“管道盲板力”（FN）。根据核算，以DN2000管道为例（设计压力按0.02MPa计），前者第两项合计推力比后者第项仅高10。故本手册单管推力计算公式中不再计入管道盲板力，取消了（FN）项。再者，由于填料式补偿器已很少使用，故本手册单管推力计算公式中（见表1-12）也予以省略。3）管道对法兰、运转机组和设备作用力的限制：管道受热胀或冷缩的影响，对其所连接的设

31、备和机组可能形成较大的作用力和力矩。合理的管道设计就是要控制这些力和力矩在一定的允许范围之内。否则将引起连接法兰处的泄漏、某些部位局部应力的增大或造成设备壳体的变形，等等。最近发生的一些事例足以说明与设备和机组相连接的管道设计不容忽视，应予精心设计。因此在管道设计中，不仅仅要考虑管道自身的应力是否符合规定，还要满足与其连接设备允许荷载的各种苛刻要求。控制管道对机组和设备的作用力，一要靠管道的正确设计使管道具有较大的柔性，并设置有合理的支吊架；二要靠正确的施工与安装。GB50316-2000金属管道设计规范第9章对管道的柔性设计专门作了详细规定，特别是“对于与敏感机器、设备相连接的或高温、高压或循环当量大于7000等重要的以及工程设计有严格要求的管道”，强调“应采用计算机程序进行柔性计算”。这也说明，某些场合下采用所谓“简化方法”或者图表法等其它方法来求解管道静力分析，甚至是动力分析，已有很大难度或者说是不可能。4）改善管道柔性的措施：调整支架的型式（如选用弹簧支吊架）与位置；改变管道的走向；当受条件限制，不能采用两项办法改善管道的柔性时，可根据管道设计参数和类别选用补偿装置。