管道阻力降的计算

下尽可能地选用较小管径，特别是在确定合金管管径时 更需慎重对待，以节省投资。但是，管径太小则介质流 速增高，摩擦阻力增大，增加了机泵的投资和功率消 耗，从而增加了操作费用。因此，在确定管径时，应综 合权衡投资和操作费用两种因素，取其最佳值。
2.3 流速的选择 为了防止因介质流速过高而引起管
道冲蚀、磨损、振 动和噪声等现象，液体流速一般不宜超过4 m/s；气体流
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摩擦系数参考表 （无缝钢管在湍流在的参考摩擦系数）
管道规格 摩擦系数 f 管道规格 摩擦系数 f
3/4"
0.025
4"
0.017
1"
0.023
6"
0.015
1 1/2"
0.021
8-10"
0.014
2"
0.019
12-16"
0.013
3"
0.018
18-24"
0.012
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管径的选择，必须符合管道材料标准，各项目采用 的管道标准可能会略有差别。本文以ASME标准为例。
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百米压降与介质流速是水力学计算中最重要的两项 参数，管径的选取是否合适通常都由这两个参数来判 断。
在进行初估管道管径时，管内流速及最大摩擦压力 降可参考以下推荐值（一般初始值可采用推荐范围的 中值）。
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2.管径选择的一般要求 管道尺寸的确定，应在充
分分析实际情况的基础上
进行，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 ）和折旧费等有密切的关系。应根据这些费用作出经 济比较，并使管道系统的总压力降控制在给定的工作 压力范围内，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。在选定管道系统管径时，应 考虑以下几个原则。
各局部阻力降元件的参考当量长度见下表。
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局部阻力降元件的参考当量长度表
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管道当量长度估算： 1）当没有管道布置图时，可 按以下方法估算管道当 量长度Le ➢ 工艺装置 Le＝3.0 Ls ➢ 一般区域 Le＝（1.3-1.5）Ls
Ls管道直线长度
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工艺气体管道
△P100 (kgf/cm2/100m) 流速 (m/s)
0.01-0.07
10－30
0.07-0.20
10－30
0.2-0.7
7－20
0.7% 操作压力
7－20
0.02-0.05
12
0-0.5
经济流速
0.3-1.7
0.11-0.75
0.16-1.10
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公用工程管道
2.1 流量的考虑 管道系统的设计应满足工艺对管
道系统的要求，其
流通能力应按正常生产条件下介质的最大流量考虑。
其最大摩擦压力降应不超过工艺允许值，其流速应位 于根据介质的特性所确定的安全流速的范围内。
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2.2 综合权衡建设费用和运行费用 在设计管道系统
时，一般应在允许摩擦压力降的前提
4.2.3 声速（临界速度）
Vsonic
gkRT M
Vsonic: 声速 m/ s
g: 9.81 kg.m/kgf.s2
k : 绝热指数 Cp/Cv
R: 847.9 kgf.m /
M:
kmol.k 分子量
T: 温度 k
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4.3 气液两相流阻力降计算 4.3.1 气液两相流 气液混合物中气相体积比在
➢ 水平管道 水平管道流型判断通常采用伯克流 型图(Baker)
➢ 垂直管道
垂直管道流型判断通常采用格里菲思流型图 (Griffith-Wallis)
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1)水平管道流型判断，伯克流型图(Baker)
式中： By、Bx：
Baker参数；
Wg ：气相质量流量，kg/h； Wl：液相质量流量，kg/h；
速一般不超过其临界速度的85 ％，真空下最大不超过 100 m/s；含有固体物质的流体，其流速不应过低，以免 固体沉积在管内而堵塞管道，但也不宜太高，以免加速 管道的磨损或冲蚀。
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2.4 高速流体管道 当流体突然改变方向（例如在弯
头或三通中），垂直 于流向的表面局部压力会急剧增加，它是流速、密度和 初始压力的函数。而流速反比于管道直径的平方，所以 高速流体管道尺寸的确定需要慎重。
2）泵入口管线在没有布置图时 Le ≥ 50 m
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4.1.3 阻力降计算方法 1) 范宁（Fanning）公式
P
s2 f
Le 1 V 2
D2
△P：阻力降 kg/cm2
S2 ：1.02x10-5
f ：摩擦系数 Le ：当量长度
mD
:
管道内径 m
V : 介质在管内的平均流速 m／s
0.05
0.03 0.05
流速 (m/s)
0.5～1.5 1.0～2.0 经济流速（一般 不超过4m/s)
1 1 0.3～1.2 0.5～1.0
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常压/真空 ≤1.0MPaG ≤10.0MPaG >10.0MPaG 再沸器返回口 往复压缩机 离心压缩机 气相转油线 液相转油线 气液相转油线
4.1.1 不可压缩流体
➢ 液体
➢ 管道进出口压差小于进口压力10%的气体管道
4.1.2 管道阻力降 流体在管道中的压力降可分为直
管阻力降与局部压 力降，局部阻力降指的是管件、阀门、流量元件等产生 的局部阻力。局部阻力降通常上采用当量长度法,局部 阻力元件产生的阻力降与相同管径的直管段产生的阻力 降相同，则此直管长度为此局部阻力元件的当量长度， 当量长度通过实验测定。
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4)管壁绝对粗糙程度（ε） 管壁绝对粗糙程度可参考 下表－壁绝对粗糙程度表。
管子类别 无缝黄铜、铜、铅、玻璃管
无缝钢管 衬塑管
镀锌钢管 涂沥青铸铁管
铸铁管
绝对粗糙度ε mm 0.00152
0.0457 0.0457 0.152 0.122 0.259
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ρg ：气相密度，kg/m3； ρ l ：液相密度，kg/m3；
μ l ：液相粘度，Pa·s；；s σ l ：液相表面张力，N/m。
A ：管道截面积，：管道截 面积，m2m2；
通常，先计算By，当By≥ 80，000时，对于一般粘度的液态 烃类，其流型多在环状流或气泡流区域，无需计算Bx，当By＜ 80，000时，需要计算Bx。
下面分别按三种常用计算管道，提供工程计算中推 荐的百米压降与介质流速控制范围：
➢ 工艺液体管道
➢ 工艺气体管道
➢ 公用工程管道
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工艺液体管道
泵吸入口 泵吸入口 泵排出口
饱和液 过冷液
△P100百米压降 (kgf/cm2/100 m)
0.05
0.08
0.15-1.5
塔抽出口 重力流 再沸器入口 有闪蒸调节阀入口
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4.2 可压缩流体阻力降计算
4.2.1 可压缩流体 管道进出口压差大等于进口压
力10%的气体管道。
4.2.2 可压缩流体阻力降计算简要介绍 可压缩流
体具有压缩性和膨胀性，沿管道流动的显 著特点是沿程摩擦损失使压力下降，从而使气体密度 减小，管内气体流速增加。可压缩流体压力降计算的 理论基础是能量平衡方程及理想气体状态方程。首先 要分析气体是否处于临界流动，对气体压力较低，压 力降较小的气体管道考虑等温流动。
根据计算的Bx、By值，由图中查出其流型。
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水平管内气－液两相流流型图
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重要内容。而管道阻力降计算则是管道系统设计的一项
最基本的工作。
一般的管道可根据物料平衡表中的物料流量、推荐流
速或允许压力降来选用管径（所选管径应符合材料标
准）。但对某些水力计算有特殊要求的管道，则应进行
详细的水力学计算。
如下部位的管道协调通常就需要进行详细水力学计算：
➢ 塔及反应器的入口管道； 泵的吸入管
➢ 道； 往高位输送或长距离输送的液体
➢ 管道；
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➢ 要求流量均匀分配的管道； 液封管道(须校核 ➢ 液封足否会被冲掉或吸入)； 提升管道； ➢ 两相流管道； 压缩机吸 ➢ 入或排出管道； 塔的回 ➢ 流管道；
➢
➢ 安全阀的入口和出口管道(控制安全阀人口管道的压 降不超过其定压的3％，出口管道须校核安全阀的背压对 安全阀定压的影响)； ➢ 热虹吸再沸器工艺物料的进出口管道； 有调节 ➢ 阀的管道（确定合适的调节阀压降）等。
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3.如何确定管径 管道阻力降计算是确定管道直径
的重要依据；是系
统水力学计算的一个重要组成部分。
在石油化工工艺设计中，管径的选择是一个重要的
课题，如果管线直径过大，虽然管线阻力降减小了，
但随着管径增大会导致管线壁厚增加、重量增加、管
件阀门尺寸增加，相应管支架、框架结构加大，从而
>1.0MPaG 0.2-0.7 <75
疏水器调节阀前凝液 0.05
疏水器调节阀后凝液
0.2-0.7 两相流计算
循20环11年水12月18日
0.3
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4.管道阻力降计算 常 见的管道阻力降类型
➢ 不可压缩流体
➢ 可压缩流体
➢ 气液两相流 （非闪蒸型）
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4.1 不可压缩流体阻力降计算
增加了管道投资成本；但如果管线直径过小，管线阻
力降较大，需要选用扬程更高的增压设备（如泵、压
缩机等），这样不但会增加转动设备投资成本，同时
导致整个装置的能耗增加，长期的运行成本升高。因
此，管径的合理、经济选择对于一个石油化工工艺装
置的系统设计相当重要，但是，想要经济、合理的选
择管径，管道阻力降的计算就是重要的依据了。
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➢ 两相混合物的质量流速应小于管道出口端的极限质量 流速；
➢ 管道的阻力降应小于管道条件确定的进出口压差；
➢ 当管路计算为柱状流，应在压降允许的情况下尽量缩 小管径，增大流速，使其成为环状流或分散流。
4.3.3流型判断 两相流流型通常分为七种：层 流、气泡流、雾状 流、 、波状流、环状流、 柱状流和活塞流.
△P100(kgf 流速(m/s) /cm2/100m)
常压/真空
0.05 经济流速
仪表风
≤0.35MPaG
0.07 经济流速
工业风
≤0.7MPaG
0.11 经济流速
≤1.0MPaG
0.13 经济流速
饱和蒸汽
≤0.7MPaG
0.2 40-60
>0.7MPaG
0.45 30-50
过热蒸汽
≤1.0MPaG 0.07-0.2 <75
管道阻力降 计算
王勇
主要内容
一 概述 二 管径选择的一般要求 三 如何确定管径 四 管道阻力降计算 五 常见管道压降元件典型压降
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1.概述 石油化工装置主要是由设备、管道、仪表构
成的一个
系统。管道系统的主要作用是流体输送，控制着设备的
输入与输及操作条件，管道系统设计是工艺设计的一项
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3)摩擦系数（f） 层流（Re≤ 2000）
f 64 Re
湍流（Re≥ 4000）
Colebrook公式
1 f
2.0 log3.7065 D
2.5226 Re f
D: 管道内径 m
ε : 管壁绝对粗糙程度 m以上公
式计算摩擦系数采用试差法
Re < 3000可按层流考虑， Re≥3000可按湍流考虑。
计算方法为将管道分为多段，每一段按不可压缩流 体计算，下一管段压力采用上一管段出口压力，气体 的密度由理想气体状态方程确定。
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安全阀、放空阀后的管道及其它高流速及压力降大 的管道系统不适宜用等温流动计算。
声速是可压缩流体在管中所能达到的最大速度,一旦 管内某点达到了声速，则系统的压力降就不再增加。
ρ : 介质在工作条件下的密度 kg／m3
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2)雷诺数（Re）
摩擦系数与流体的流动状态有关，流动状态可用雷 诺数（Re）来表示：
Re
s1
DV
s1
GD
S1：1000
D: 管道内径 m
V: 介质在管内的平均流速 m／s
ρ :介质在工作条件下的密度 kg／m3
μ : 介质在工作条件下的粘度 mPa . S (cp)
6%-98%范围内的流体
4.3.2 管径选择要求
➢ 气液两相管径的计算，应采用和流型相结合的方法。 一般要求两相流的流型为分散流或环状流，避免柱状 流或活塞流，以防管路与设备的振动。
➢ 流量为正常负荷值的50%时，在垂直向上管道上不应 发生柱状流；
➢ 流量为正常时，水平管道上不宜发生柱状流； ➢ 两相流的均相流速小于严重侵蚀的流速；