第八章 管道设计与布置

第八章管道支撑管道的支撑设计是管道设计的一个重要组成部分，它与管道力学分析一样直接影响到管系强度的安全可靠性。

第六和第七章介绍的管道力学分析都与管道的支撑有着密切的关系。

换句话说，管道的力学分析是在管道布臵和管道支撑设计的基础上进行的，而管道力学分析的结果反过来又影响着管道布臵和管道支撑设计。

另一方面，由于管道的支撑设计本身又涉及到许多力学计算，因此，本书将管道的支撑设计归入管道力学研究的范畴。

一般来说，管道的支撑设计是伴随着管道布臵进行的，它是由富有经验的配管工程师根据管道的走向和生根条件，初步确定管道的支撑点和支撑型式，待管系的力学分析完成之后再对其进行调整，或根据力学分析的结果进行某些支撑件的强度设计。

由此也可以说，管道的支撑设计是管道布臵专业和管道机械专业的交叉点。

通过多年来的设计应用，目前管道的支撑件已形成系列化，并称之为管道支吊架系列，因此本章在对管道支撑的概念和支撑位臵的选用进行介绍之后，重点介绍一下管道支吊架的型式选用。

至于管道支吊架本身的强度设计，在某些专著或手册中已有详细的介绍，在此仅介绍一般的原则而不再展开讨论。

第一节概述就管道支吊架的作用而言，可以概括为以下三个方面：其一，承受管道的重量荷载(包括自重、介质重和隔热材料重等)；其二，限制管道的位移，阻止管道发生非预期方向的位移；第三，用来控制管道的振动、摆动或冲击。

因此，管道支撑的位臵确定、支撑型式的确定以及管道支吊架本身的强度设计也主要是围绕着上述支吊架的三个功能展开的。

一、管道支吊架的分类根据管道支吊架的用途来分，可以分为如表8－1所示的三大类：（一）承重支吊架以支撑管道自重及其它持续载荷为目的的支吊架统称为承重支吊架，它主要用于防止管道因自重及其它持续载荷（如介质重、隔热材料重、雪载荷等）而导致的管道强度或刚度超出标准要求。

根据管道相对于支撑结构的空间位臵不同，承重支吊架可分为支架和吊架两大类。

支撑件将管道支撑在它的上方时，这类支撑件叫做支架。

第八管道设计与布置第一节概述一、管道布置设计的意义管道是生产过程中不可缺少的部分，它的重要性：-各种物料、蒸汽、水、冷、气体都要用管道输送；-设备间的相互连接要靠管道；-与操作有直接的关系；-影响厂房车间设计的美观、通风和采光。

因此，在发酵工厂的工艺设计中，管道的布置设计是施工图阶段中工作量最大、费时最长的一项工作。

二、管道设计与布置的内容和步骤（一）内容管道的设计计算管道的布置（二）步骤1．选材（根据介质的化学性质、流动状态、温度和压力，进行经济合理地选择）2．流速（根据介质的性质、输送状态、粘度、成分和流量，参照有关表格数据选择合理经济的介质流速）3．确定管径（根据介质的流量和流速，通过计算、查图或查表）4．确定壁厚（满足压力的要求，按公称压力计算的壁厚可以满足强度的要求）5．连接方式（等径连接，不等径连接；可根据管材、管径、介质的压力、性质、用途、设备或管道的使用状态，确定连接方式）6．选阀门7．热补偿器8．绝热形式9．布置10．阻力损失11．管架和固定方式12．确定管架跨度13．管道固定用具14．绘制管道图15．编制管材、管件、阀门、管架、绝热材料综合汇总表16．选择管道防腐措施第二节工艺管道的设计计算一、管子、管件和阀门的选择（一）公称直径、公称压力1．公称直径为了使管子、法兰和阀门等部件连接尺寸统一，将管子和管道用的零部件的直径加以标准化后的标准直径，称公称直径。

用DN表示。

例如DN100。

公称直径是管子的名义直径，既不是内径，也不是外径。

它是一个相近于外径又小于外径的一个数值。

只要管子的公称直径一定，管子的外径就确定了。

管子的内径则因壁厚不同而不同。

例：DN150 外径=159 常用壁厚4.5和6.0，则内径分别为150和147。

2．公称压力公称压力就是通称压力，一般应大于或等于实际工作的最大压力。

管道、法兰和阀门等零部件所承受的压力，分成若干个规定的压力等级，这种规定的标准压力等级就是公称压力。

⽔电站压⼒管道第⼋章⽔电站压⼒管道第⼀节压⼒管道的功⽤、类型⼀、功⽤和特点压⼒管道是从⽔库、压⼒前池或调压室向⽔轮机输送⽔量的⽔管，⼀般为有压状态。

其特点是集中了⽔电站⼤部分或全部的⽔头，另外坡度较陡，内⽔压⼒⼤，还承受动⽔压⼒的冲击(⽔锤压⼒)，且靠近⼚房，⼀旦破坏会严重威胁⼚房的安全。

所以压⼒管道具有特殊的重要性，对其材料、设计⽅法和加⼯⼯艺等都有特殊要求。

压⼒管道的主要荷载为内⽔压⼒，管道的内直径D(m)和其承受的⽔头H(m)及其乘积HD值是标志压⼒管道规模及技术难度的重要参数值。

⽬前最⼤直径的钢管是巴基斯坦的塔贝拉⽔电站第三期扩建⼯程的隧洞内明钢管，直径为13.26m。

HD值最⾼的常见于抽⽔蓄能电站，已超过5 000m2。

⼆、分类压⼒管道可按照布置型式和所⽤的材料分类，见表8-1。

其中，明管适⽤于引⽔式地⾯⼚房，地下埋管多为引⽔式地⾯或地下⼚房采⽤，混凝⼟坝⾝管道则只能在混凝⼟坝式⼚房中使⽤。

由于钢材强度⾼，防渗性能好，故钢管或钢衬混凝⼟衬砌管道主要⽤于中、⾼⽔头电站；⽽钢筋混凝⼟管适⽤于中⼩型电站。

(⼀) 钢管钢管按其⾃⾝的结构⼜可分为：(1) ⽆缝钢管。

其直径较⼩，适⽤于⾼⽔头⼩流量的情况。

(2) 焊接钢管。

适⽤于较⼤直径的情况。

焊接钢管由弯成圆弧形的钢板焊接⽽成，焊图8-1 焊缝布置图缝结构如图8-1所⽰，⼀般相邻两节管道的纵缝应错开⼀定⾓度，以避免焊缝薄弱点在同⼀直线上。

(3) 箍管。

当HD>1 000m2时，钢板厚度⼀般会超过40mm，其加⼯⽐较困难，因⽽在这种情况下常采⽤箍管。

箍管是在焊接管或⽆缝钢管外套以⽆缝的钢环(钢箍，称为加劲环)，从⽽使管壁和钢箍共同承受内⽔压⼒，以减⼩管壁钢板的厚度。

钢管所使⽤的钢材应根据钢管结构型式、钢管规模、使⽤温度、钢材性能、制作安装⼯艺要求以及经济合理等因素参照设计规范选定。

(⼆) 钢筋混凝⼟管钢筋混凝⼟管具有造价低、刚度较⼤、经久耐⽤等优点，通常⽤于内压不⾼的中⼩型⽔电站。

第⼋章污⽔管道系统的设计计算第⼋章污⽔管道系统的设计计算（⼀）教学要求熟练掌握污⽔管道的设计计算过程（⼆）教学内容1、污⽔设计流量2、污⽔管道的设计参数3、污⽔管道的⽔⼒计算（三）重点污⽔管道的⽔⼒计算第⼀节污⽔设计流量的计算污⽔管道系统的设计流量是污⽔管道及其附属构筑物能保证通过的最⼤流量。

通常以最⼤⽇最⼤时流量作为污⽔管道系统的设计流量，其单位为L/s 。

它包括⽣活污⽔设计流量和⼯业废⽔设计流量两⼤部分。

就⽣活污⽔⽽⾔⼜可分为居民⽣活污⽔、公共设施排⽔和⼯业企业内⽣活污⽔和淋浴污⽔三部分。

⼀、⽣活污⽔设计流量 1.居民⽣活污⽔设计流量居民⽣活污⽔主要来⾃居住区，它通常按下式计算：1Q =360024zK N n (8-1)式中： Q 1—— 居民⽣活污⽔设计流量，L ／s ；n ——居民⽣活污⽔量定额，L ／(cap ·d)； N ——设计⼈⼝数，cap ；K Z ——⽣活污⽔量总变化系数。

（1）居民⽣活污⽔量定额居民⽣活污⽔量定额，是指在污⽔管道系统设计时所采⽤的每⼈每天所排出的平均污⽔量。

在确定居民⽣活污⽔量定额时，应调查收集当地居住区实际排⽔量的资料，然后根据该地区给⽔设计所采⽤的⽤⽔量定额，确定居民⽣活污⽔量定额。

在没有实测的居住区排⽔量资料时，可按相似地区的排⽔量资料确定。

若这些资料都不易取得，则根据《室外排⽔设计规范》(GBJl4-87)的规定，按居民⽣活⽤⽔定额确定污⽔定额。

对给⽔排⽔系统完善的地区可按⽤⽔定额的90%计，⼀般地区可按⽤⽔定额的80%计。

（2）设计⼈⼝数设计⼈⼝数是指污⽔排⽔系统设计期限终期的规划⼈⼝数，是计算污⽔设计流量的基本数据。

它是根据城市总体规划确定的，在数值上等于⼈⼝密度与居住区⾯积的乘积。

即：F N ?=ρ (8-2) 式中：N ——设计⼈⼝数，cap ；ρ——⼈⼝密度，cap/hm 2；F ——居住区⾯积，hm 2； cap ——“⼈”的计量单位。

第八章水电站压力管道第一节压力管道的功用、类型一、功用和特点压力管道是从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量的水管，一般为有压状态。

其特点是集中了水电站大部分或全部的水头，另外坡度较陡，内水压力大，还承受动水压力的冲击(水锤压力)，且靠近厂房，一旦破坏会严重威胁厂房的安全。

所以压力管道具有特殊的重要性，对其材料、设计方法和加工工艺等都有特殊要求。

压力管道的主要荷载为内水压力，管道的内直径D(m)和其承受的水头H(m)及其乘积HD值是标志压力管道规模及技术难度的重要参数值。

目前最大直径的钢管是巴基斯坦的塔贝拉水电站第三期扩建工程的隧洞内明钢管，直径为13.26m。

HD值最高的常见于抽水蓄能电站，已超过5 000m2。

二、分类压力管道可按照布置型式和所用的材料分类，见表8-1。

其中，明管适用于引水式地面厂房，地下埋管多为引水式地面或地下厂房采用，混凝土坝身管道则只能在混凝土坝式厂房中使用。

由于钢材强度高，防渗性能好，故钢管或钢衬混凝土衬砌管道主要用于中、高水头电站；而钢筋混凝土管适用于中小型电站。

(一) 钢管钢管按其自身的结构又可分为：(1) 无缝钢管。

其直径较小，适用于高水头小流量的情况。

(2) 焊接钢管。

适用于较大直径的情况。

焊接钢管由弯成圆弧形的钢板焊接而成，焊缝结构如图8-1所示，一般相邻两节管道的纵缝应错开一定角度，以避免焊缝薄弱点在同一直线上。

(3) 箍管。

当HD>1 000m2时，钢板厚度一般会超过40mm，其加工比较困难，因而在这种情况下常采用箍管。

箍管是在焊接管或无缝钢管外套以无缝的钢环(钢箍，称为加劲环)，从而使管壁和钢箍共同承受内水压力，以减小管壁钢板的厚度。

钢管所使用的钢材应根据钢管结构型式、钢管规模、使用温度、钢材性能、制作安装工艺要求以及经济合理等因素参照设计规范选定。

(二) 钢筋混凝土管钢筋混凝土管具有造价低、刚度较大、经久耐用等优点，通常用于内压不高的中小型水电站。

《生物工厂设计》练习思考题绪论第一章基本建设程序1、生物工厂有哪些主要特点？2、什么是总体设计和局部设计？3、为什么工艺设计是总体设计的主导设计？4、工厂设计工作基本原则是什么？5、新建项目的建设程序有哪三个阶段？6、什么是新建项目、扩建项目、改建项目？7、项目申请报告应按照什么格式文本？8、生物工厂可行性研究报告应按照什么规定编写？9、简述项目申请报告、可行性研究报告书和设计任务书的用途和相互关系。

10、什么是两阶段设计？11、简述初步设计阶段的车间初步设计说明书的内容。

12、简述初步设计阶段的深度。

13、简述施工图设计阶段的深度。

14、生物工厂初步设计的内容和深度应按照什么标准进行？15、生物工厂施工图设计内容深度应按照什么标准进行？第二章厂址选择与工厂总平面设计1、解释概念：厂址选择、地形图、坡度、地基承载力（地耐力）、建筑物、构筑物、设备基础、风玫瑰图、主风向、地理测量坐标网、建筑施工坐标网、工厂组成、厂区划分、洁净厂房。

2、厂址选择应考虑哪些条件?3、简述生物工厂地点选择的一般要求。

4、如何用方案比较法进行厂址选择？5、试绘制主风向为西南方向的风玫瑰图的示意图。

6、工厂总平面设计有哪些内容？7、论述工厂总平面设计的基本原则和要求。

8、试用厂区划分图说明生物工程工厂各类建筑物的布置位置特点。

9、总平面布置有哪些布置形式？各类布置形式有哪些特点？10、建筑物之间为什么要求最小间距？第三章工艺流程设计1、名词解释：带控制点的工艺流程图、PFD、P&ID2、简述生产方法的选择原则和工艺流程的设计原则。

3、简述工艺流程的五个重要部分。

4、工艺流程图的有哪三个设计阶段？5、工艺流程示意图、工艺流程草图、工艺流程图各有哪些部分组成？如何绘制？三者有什么区别?6、什么是工艺设备位号？如何制定？如何表示？7、绘制工艺流程图的线条应遵循哪些原则？8、比较教材P48图3-4和图3-5的带控制点的工艺流程图异同点。

第四节 压力管道设计一、压力管道总体设计的基本原则压力管道都与设备、机器相连接，是整个装置的重要组成部分。

除长输管道是工程的主体外，各种压力管道必须与设备、机器一起综合考虑。

压力管道部分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，除特殊需要外，不用歪斜管道布置方式。

二、管道总体设计及规范2.1 一般要求管道设计要与装置整体设计统一考虑，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、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。

2.2 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《石油化工企业设计规范》中都有详细而明确的规定。

管道布置的内容一、管道系统规划在管道布置之前，首先需要规划管道系统，包括确定管道系统的组成、各管道的用途和连接方式、管道的起点和终点位置、管道的走向和转折点等。

二、管道材料选择根据管道系统的要求，选择合适的管道材料，包括钢管、铸铁管、塑料管、复合管等。

不同的管道材料具有不同的特性，需要根据实际需求进行选择。

三、管道尺寸确定根据流体介质、流量、压力等参数，确定管道的直径和壁厚。

根据不同的流体介质，选择合适的管道直径和壁厚，以保证管道能够承受所需的流量和压力。

四、管道路径设计根据场地条件、工艺要求和管道材料等因素，设计管道的路径和走向。

在保证管道安全的前提下，考虑如何节省空间、降低成本、方便维护等因素。

五、管道支架安装根据管道的走向和支撑要求，设计并安装合适的支架。

支架的类型和位置需要根据实际情况进行选择和设计，以确保管道在运行过程中不会出现移位、变形等情况。

六、管道系统安全在管道布置过程中，需要考虑安全问题，包括防止泄漏、防止机械损伤、防火防爆等方面。

针对可能存在的风险，采取相应的安全措施，以保证管道系统的安全稳定运行。

七、管道系统调试在管道系统安装完成后，需要进行调试，以确保管道系统的正常运行。

调试包括检查管道系统的密封性、流量和压力等参数是否符合要求，并对异常情况进行调整和处理。

八、管道系统维护为了保证管道系统的长期稳定运行，需要对管道系统进行定期维护和保养。

维护内容包括检查管道腐蚀情况、清理管道内外部的污垢和杂质、检查支架的牢固性等。

对于出现问题的管道，及时进行维修或更换。

同时，还需要建立完善的维护管理制度，规范维护流程和责任人，以确保管道系统的正常运行。

第八章管道布置设计及配管图化工厂中，设备之间的连接，物料、蒸汽、水气体的输送都要用到各种管径材质不同的管道，管在道纵横、交叉重叠排列，长途管路几公里以上，管道费用占总投资的15%~20%。

因此化工管路安装设计是化工设计中重要组成部分，是管道安装文件。

是根据流程图和设备布置图进行设计的。

8.1 管路设计包含的内容:(1)管子管间和阀门的选择(2)管路布置设计(3)管路保温设计(4)管路支架配置（热管路要计算）(5)管路的热补偿设计(6)编制管道安装材料表(7)图纸文件（施工图阶段）a.管道布置平立面图，单向视图b.管段图：也叫三维图视图或单线图，它是一段管道的立体图样。

c.管架和非标管件图。

d.管段表：按管子序号列出管子的规格、材质、长度、管件、阀门的名称型号、规格和数量，管道的试压、涂色和保温防腐要求。

e.管架安装示意图。

f.综合材料表（包括工艺的所有材料）。

g.设备管口方位图。

8.1.1 管道、管件及管架8.1.1.1管道确定（1）压力等级：比操作压大1~2个压力等级。

（2）材质：介质的腐蚀性、毒性、温度、压力等。

B-碳钢 E-不锈钢、D-合金、 F-有色金属 A-铸铁、 G-非金属（3） 法兰的密封面平面：一般性质 FF---全平面 RF —突面凹凸面：易燃易爆 M FM榫槽面：剧毒 T G(4) 管道壁厚：p pd t d +=σ20t---壁厚 mmp---管内压力 Mpad---管外径 mmd σ----操作温度下的设计压力 Mpa 1）铸铁管:给水总管、埋地水管、煤气管、污水管道2）硅铁管：0.25Mpa 腐蚀介质3）水煤气管：镀锌钢管：水、煤气、PA 、真空、LS 等低压无腐蚀物料。

（镀锌的称为白铁管，不镀锌的称为黑铁管。

）1/8 ″, 1/4 ″, 3/8 ″ ,1/4 ″, 3/4 ″, 1″, 2″, 3″等4）无缝钢管：应用广泛，输送易燃易爆、有压力的物料，强度好、质地均匀。

《生物工程设备及工厂设计》课程教学大纲课程英文名称：Design of Biological Engineering Equipment and Factory课程编号:课程计划学时：48学分：3课程简介：《生物工程设备及工厂设计》是生物工程专业一门专业选修课程，学位课。

该课程是生物工程技术和化学工程与设备交叉的结合体，是一门实践性很强的学科。

课程主要介绍生物工程产业界常见的工业生产设备及生物工程研究领域的主要设备的基本原理、结构、特点、设计选用计算方法及发酵车间工艺设计。

本课程既有一定基础理论，又有较强的工程实际应用，使本专业学生成为能在生物技术与工程领域从事产业化设计、生产、管理和新技术研究、新产品开发的工程技术人才。

课程内容为：发酵设备计算及选型；无菌空气设备；分离设备；过滤、离心、萃取、吸附、离子交换、层析、蒸发、结晶、干燥等设备；发酵车间工艺设计。

通过本课程的学习，了解和掌握不同类型的生物工程设备工作原理，懂得如何应用这些基本理论去分析和解决生产过程中的具体问题，改造原有生产过程使其更符合客观规律，实现生产过程的优化，提高生产过程的经济和社会效益。

一、课程教学内容及教学基本要求第一章设计概述本章重点是生产工艺设计，生物工厂设计的原则和特点，难点是生物工厂设计的特点。

第一节生物工程工厂设计的目的和要求本节要求了解生物工程工厂设计的目的和要求，工厂设计在国民经济中的地位和意义(考核概率1%)。

第二节设计工作的任务和内容本节要求了解设计工作的基本任务和内容(考核概率1%)，理解总体设计和局部设计(考核概率2%)。

第三节生产工艺设计本节要求了解生产工艺设计在总体设计中的地位，计算机在工艺设计中的应用(考核概率1%)，理解生产工艺设计的依据与内容(考核概率2%)。

第四节工厂设计工作原则本节要求理解解生物工厂设计的基本原则和特点(考核概率2%)。

第二章项目建议书与建厂报告本章重点是可行性研究报告内容及编制方法，难点是可行性研究报告编制方法。

第六章外部工艺及供热管道第一节说明书一、概述1．设计任务及分工范围说明外部工艺及供热管道设计所包括的设计范围、设计分工、输送的介质及各部位的设计界限等。

2．生产规模及远景规划说明工厂主要产品的近期和远期的生产规模以及管道、管架的设计能力和发展远景规划、预留措施等（利用老厂原有外管管道和管架扩建时要进行核算）。

二、管道的敷设1．敷设原则及敷设方式阐明管道的敷设原则、敷设方式、敷设路级以及各段管架、管沟的结构形式、外形尺寸、材料和主要控制标高等。

2．技术方案的选定对全厂性的技术方案，应阐述其选择依据及其技术先进性、经济性、合理性，必要时应进行多方案比较。

当管道穿越特殊地区，如沼地、河流、峡谷、陡坡等，应有特殊技术方案。

方案中应包括管道敷设方法、管架结构形式、管架材料、管道的热补偿、保温以及其他特殊措施等。

必要时应进行多方案比较，并阐述其技术经济的合理性、可靠性。

三、管道设计1．管道系统的叙述按介质分类说明各主要管道系统的介质名称、运行参数、负荷、输送特性以及管道的互换使用、切换等情况。

2．计量仪表及主要阀件的选择按系统说明管道上设置的仪表、主要的控制阀件等的型号、规格、测量参数、控制参数、操作特点和其他要求等。

3．管道材质的选择按管道系统或介质特性，说明各管道、阀门、管件等对选用材质及特殊材质（不锈钢、衬里、非金属材料等）的要求。

4．管道的特殊要求按系统分别叙述管道的酸洗、脱脂、吹扫、放空、导淋、疏水、取样、伴热、套管、减压、防雷、防静电、热补偿等特殊要求及措施。

5．管道保温（冷）及防腐分别说明工程中需保温（冷）、防腐的管道类别、特性参数、材质要求、结构特点及特殊要求等。

四、管道的维修及人员编说明外部工艺供热管道的维修项目、内容和所需要的维修设备等。

管道维修的定员可根据情况在水汽车间或机修车间定员合并考虑。

五、存在的问题及解决意见说明设计中待解决的问题，协调尚存在的问题及解决途径等。

六、全厂外部管道一览表将全厂外部管道按介质分类，全部填入表6－1中。