压力管道考核培训班专题讲座-压力管道设计基础

压力管道设计基础

(压力管道考核培训班专题讲座)

XXXXX 过程装备研究所 XXXXX

1 概述

1.1 设计资格

压力管道的安全涉及设计、制造、安装、检验、使用、修理等多个环节，其中设计是“优生”的基础，是能否确保压力管道安全运行的最重要一环。为此必须把好设计关，对设计单位进行资格认证，是确保压力管道设计质量的重要措施。2002年8月14日国家质量监督检验检疫局总局颁布实施《压力容器压力管道设计单位资格许可与管理规则》，对压力管道按危险程度分成3类6个级别。

类别级别备注

长输管道（GA）GA1国家质检检总局

批准、发证GA2

公用管道（GB）GB1省质量技术监督局

批准、发证GB2

工业管道（GC）GC1国家局批准、发证GC2省局批准、发证

1.2 设计程序和主要内容

在我国，工程设计一般分两步进行，首先根据已批准的项目建议书和可行性研究报告（设计前期工作）进行初步设计。初步设计经上级主管部门组织审查、批准后再进行施工图设计。设计主要内容如下：1．工艺计算

包括物料衡算、热量衡算和水力计算等；按照物料的流量及该物料允许的流速确定管径、管长。

2．管道材料选择

按照不同介质的物理化学性质、压力等级、工作温度等因数确

定管子的材料和阀门、法兰等管道附件，初估材料数量。

3．管线的结构设计

包括管线器材的选用（阀门、法兰、管件、补偿器、支吊架）及隔热、伴热设计。

4．管道的强度计算

包括静载计算（压力、重力）、动载计算（风载、地震）、振动计算、热应力计算。

5．安全装置设计

包括安全阀、爆破片、阻火器。

6．绘制草图和施工图

绘制流程图（系统图）、平面布置图、立面布置图、管段图（空视图）、管件图、管架图等。

7．编制设计说明书

编制管道安装一览表、综合材料表、油漆保温一览表等。

所有设计文件必须进行校对、审核，部分图纸还要进行审定，最后还要进行各有关专业参加的综合会签，确保设计的质量。

1.3 标准规范

压力管道的初步设计和施工图设计，都必须按先行标准和规范设计。

原劳动部《压力管道安全管理与监察规定》（1996）

国家质检总局《压力容器压力管道设计单位资格许可与管理规则》

GB50316-2000《工业金属管道设计规范》

GB50028-2002《城镇燃气设计规范》

GB5001-1991《石油化工企业设计规范》

GB50251-1994《输气管道工程设计规范》

GB50253-1994《输油管道工程设计规范》

HGJ8-87-1994《化工管道设计规范》

SH3054-1993《石油化工企业管道综合设计规范》

GB50160-1992《石油化工企业设计防火规范》

GBJ16-1994《建筑设计防火规范》

GB50058-1992《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》

GB50264-1997《工业设备及管道绝热工程设计规范》

HG/T20549-1998《化工装置管道布置设计规定》

SHJ40-1991《石油化工企业蒸气伴热管及夹套管设计规范》

HG/T20670-2000《化工、石油化工管架、管墩设计规定》

GB50235-1997《工业金属管道工程施工及验收规范》

GB50236-1998《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》

HG20225-1995《化工金属管道工程施工及验收规范》

SH3501-2002《石油化工剧毒、可燃介质管道工程施工及验收规范》JB4730-1994《压力容器无损检测》

GB3323-1987《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》

GB11345-1987《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》

GB/T8163-1999《输送流体用无缝钢管》

GB9948-1988《石油裂化用无缝钢管》

GB/T12771-1991《输送流体用不锈钢焊接钢管》

GB/T14976-1994《输送流体用不锈钢无缝钢管》

GB9112-9123-1988《钢制管法兰》

JB/T74—90-1994《管路法兰及垫片》

HG20592-20635-1997《钢制管法兰、垫片、紧固件》

GB/T17116-1997《管道支吊架》

GB/T12777-1997《金属波纹管膨胀节》

在进行某个特殊介质的压力管道设计时，除了按一般通用的标准、规范进行设计外，还要参照该产品的设计规范。如在进行氧气管道设计时，必须符合《氧气站设计规范》要求；进行乙炔气管道设计时，必须符合《乙炔站设计规范》要求。

各种管道组件都有标准，设计中尽量执行各种现行标准。

总之，压力管道的设计，必须确保安全，必须由有设计资格的单位按有关标准规范进行设计。以免造成重大的经济损失和人员伤亡。

2 压力管道总体布置（设计）及安全规程

2.1 压力管道总体设计的基本原则

压力管道的设计可分为干线压力管道设计和装置内压力管道设计；设计中应考虑到以下几个方面：

(1) 满足工艺要求、材料、结构形式、柔性、抗振能力、各种组件、附件等适当组合，全面达到生产要求；

(2)管道设计要为安装施工、操作管理、维护检修提供方便，保证足够的空间；

(3)满足防火、防爆等安全规范的要求，创造安全运行环境；

(4)管道走向合理，避免不必要的往返和转折，使总体设计经济合理；

(5)管道排列规范、美观，框架、管廊立柱对齐、纵横成行，管道横平竖直，不在特殊需要的情况下不用歪斜管道布置方式。

2.2 管道总体设计及安全规程

1)一般要求

管道设计要与装置全部设计统一考虑，必须符合管道仪表流程图，要有适当的支撑，保证足够的强度，对工作温度较高的管道要作柔性分析、有激振源的管道要作动力分析，使管道既有足够的强度，又能吸收热膨胀位移又有良好的抗振性。在经常出现飓风或地震分区级别高的地区还要考虑抵御风载和地震载荷的能力。

管道的敷设主要有架空和埋地两种类型，在选择何种敷设时可根据具体情况确定，化工和石油化工企业的工业管道大都采用架空敷设，便于施工、操作、检查、维修，也较为经济，大中型装置的架空管道都用管廊、管架和管墩成排敷设。对于分散的管道可用支吊架。长输管道一般采用埋地敷设，它利用了地下空间。缺点是有腐蚀，检查和维修困难，尤其是需排液的管道，困难更大。工业管道地下敷设的较少，就是地下敷设也大都用管沟，而不是直接敷设在地下。

2)防火安全设计

当管道敷设在管廊上时，为充分利用空间，一般机泵就置于管廊下，管廊的上面放置引风机，管廊的两侧是主体设备。管廊与它们要保持一定的距离，这个距离要满足有关防火的规范标准。涉及的问题是：装置中的

物质火灾危险性如何？防火要求如何？与其设备的防火间距应多大？材料的耐火等级与耐火保护如何？这些问题在GB5001-91《石油化工企业设计规范》中都有详细而明确的规定。

据统计石油化工企业装置内，发生火灾后的持续时间多数在1h左右，所以必须加耐火保护层。标准规定耐火层的耐火极限不应低于1.5h。

3) 防爆安全设计

一般产生爆炸必须具备三个条件：①存在可燃气体、易燃液体的蒸汽或薄雾；②上述物质与空气混合，其浓度达到爆炸极限；③存在足以点燃爆炸性混合物的火花或高温。

只要设法使这三个条件不同时出现，就基本可以防止出现爆炸。可通过设法防止设备和管道泄漏、用惰性气体将易燃物质与空气隔离、联锁保护等措施来达到。

在总体设计中还要设法限制和缩小危险区的范围。将不同等级的爆炸危险区与非爆炸危险区隔开；采用露天布置和加强室内通风使爆炸危险物质浓度低于爆炸极限，用测量报警装置监测爆炸危险物浓度。

4) 其他安全设计

(1) 输送易燃易爆介质的埋地管道需要穿越电缆沟，且管道温度又较高时，必需采取隔热措施，以使外表面温度低于60℃。

(2) 经过道路的管道必须有一定的架空高度，只有人员通行的净高不小于2.2m；通行大型车辆的净高要留4.5m；跨越铁路的净高则不小于5.5m；以免在车辆通行时撞到管道。万一出现意外事故有利于车辆出入。

(3) 法兰的位置避免处于人行通道和机泵上方。输送腐蚀性介质管道上的法兰要设安全防护罩。

5) 便于检修、运行操作

管廊的下面一般布置泵，这样可以有效利用空间，而且泵与管廊的距离缩短节省管材。为便于泵安装、操作、检修，至少要有3.5m的净空高度，在管廊下布置设备的还要增加管廊下的净空高度。

管廊在道路上空穿越时，净空高度应为：装置内检修道不低于 4.5m；主干道和铁路不低于5.5m；管廊下的检修通道不低于3m。

3.压力管道常用管子材料选用原则

在进行压力管道设计时，管径经计算确定以后，就要选择管子的材料。压力管道常用管子材料的使用是根据所输送介质的操作条件（如压力、温度）及其在该条件下的介质特性决定的。

材料的正确选用是管道安全运行并经济合理的前提，管道材料的选用应考虑如下因素：

3.1考虑优先选用的管材

在选用管子材料时，一般先考虑采用金属材料，金属材料不适用时，再考虑非金属材料。金属材料优先选择钢制管材，后考虑选用有色金属材料。钢制管材中，先考虑采用碳钢，不适用时再选用不锈钢。在考虑碳钢材料时，先考虑焊接钢管，不适用时再选用无缝钢管。

3.2 考虑介质压力的影响

输送介质的压力越高，管子的壁厚就越厚，对管子材料的要求一般也越高。

(1). 介质压力在1.6MPa以上时，可选用无缝钢管或有色金属管子。

(2). 压力很高时，如在合成氨、尿素和甲醇生产中，有的管子介质压力高达32MPa，一般选用材料为20钢或15MnV的高压无缝钢管。

(3). 真空设备上的管子及压力大于10MPa时的氧气管子，一般采用铜和黄铜管。

(4). 介质压力在1.6MPa以下时，可考虑采用焊接钢管、铸铁管或非金属管子。但铸铁管子承受介质的压力不得大于1.0MPa。非金属管子所能承受的介质压力，与非金属材料品种有关，如硬聚氯乙烯管子，使用压力小于或等于1.6MPa；增强聚丙烯管子，使用压力小于或等于1.0MPa；ABS管子，使用压力小于或等于0.6MPa。

(5). 对水管，当水的压力在1.0MPa以下时，通常采用材料为Q235A的焊接钢管；当水的压力大于2.5MPa时，一般采用材料为20钢的无缝钢管。

3.3 考虑介质温度的影响

不同材料的管子，适用于不同的温度范围。表5.2