不可压缩流体管径选择及压力降计算
管道系统在化工装置中起着重要作用，因此管道系统的设计也是一项十分重要的内容，其中管径选择及管道压力降的计算则是最基本的工作。本文重点论述了不可压缩流体的管径选择及压力降的计算方法。...
不可压缩流体管径选择及压力降计算
王少梅
山东豪迈化工技术
引言
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，管道系统设计是工艺设计的一项重要内容。而管道压力降则是管道系统设计的一项最基本的工作。图1所示即为化工装置管道图片。
图1 化工装置管道图片
1.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，对给定的流量，管径的大小与管道系统的一次投资（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。因此，应根据这些费用做出经济比较，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。
1.1流量的考虑
管道的设计应满足工艺对管道的要求，其流通能力应按照正常操作条件下的最大流量考虑，其最大压力降应不超过工艺允许值，其流速应保证在根据介质性质所确定的安全流速的范围内。
1.2综合权衡建设费用和运行费用
随着管径的增大，不仅增加了管壁厚度和管子重量，而且会增大管道上的阀门与管件的尺寸，增加隔热层厚度以及材料用量。因此，在管道设计时一般在允许压力降的前提下尽可能地选用较小管径。但是管径太小则介质流速增高，摩擦系数增大，这样会增加机泵的投资和功率消耗，从而增加操作费用。因此，应综合考虑投资与操作费用两种因素，取其最佳值。
1.3流速的选择
不同流体按其性质、状态和操作要求的不同，应选用不同的流速。黏度较高的液体，摩擦阻力较大，应选较低流速。允许压力降较小的管道，应选用较低流速。例如常压自流管道和输送泡点状态液体的泵入口管道。允许压力降较大或者介质黏度较小的管道，应选用较高流速。
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4m/s；气体流速一般不超过其临界速度的85%，真空下最大流速不超过100m/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。
1.4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.管径的初步确定
管道压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。
在化工工艺设计中，管径的选择是一个重要课题，如果管线直径过大，虽然管线压力降减小了，但随着管径增大会导致管道投资成本的增加；但如果管线直径过小，管线压力降较大，需要高扬程的增压设备，这样不仅增加设备投资同时导致整个装置的能耗增加，长期运行成本升高。因此，管径的合理、经济选择对于一个化工装置设计相当重要。但如果想要经济、合理的选择管径，管道压力降的计算就是重要的依据。下面介绍一下如何初步确定管道管径。
根据流体的性质，按照工艺过程要求，按照实际经验数据或者资料推荐值选定流速或允许压力降值，同时，估计管道长度（包括管件当量长度），再按下述方法初选管径。
1）当选定流速时，管径计算方法为：
qv—操作条件下流体的体积流率，m3/h；
u —流体流速，m/s。
2）当选定每100m管长的压力降时，管径的计算方法为：
μ—流体运动黏度，mm2/s（与厘沲（cSt）同值）；
ΔP100—每百米管长允许压力降，kPa。
3）根据允许压力降和流量，从资料表中选择管径。
当管道的走向、长度、阀门和管件的设置情况确定后，应计算管道的阻力，据此确定管径。
3.不可压缩流体的管道压力降[1-2]
在一般的压力下，压力对液体密度的影响很小，即使在高达35MPa的压力下，密度的减小值仍然很小。因此，液体可视为不可压缩流体。当气体管道进出口端的压差小于进口端压力的20%时，气体可以近似地按不可压缩流体计算管径，其误差在工程允许范围之内，此时，气体密度可按以下不同情况取值：当管道进出口端的压力差小于进口压力10%时，可取进口或出口端的密度；当管道进出口端的压差为10%~20%时，应取进出口平均压力下的密度。
计算不可压缩流体的管道压力降的方法如下：
3.1确定流体的流动状态
1）流体的流动状态用雷诺数Re表示，雷诺数可用下式计算：
di＇—管道内径，mm；
ρ—流体密度，kg/m3；
μa—流体动力黏度，mPa·s（与厘泊（cP）同值）；
u —流体流速，m/s。
2）当雷诺数≤2000时，流体的流动处在滞流状态，管道的阻力只与雷诺数有关。这是因为管壁上凹凸不平的地方都被平稳滑动着的流体层所掩盖，流体在此层上流过如同在光滑管上流过一样。
3）当雷诺数为2000~4000时，流体的流动处在临界区，或者是滞流或湍流，管道的阻力不能做出确切关联。
4）当雷诺数如下式时，流动状态为湍流（过渡区），但管道的阻力是雷诺数和相对粗糙度的函数。
ε/ di＇—管壁的绝对粗糙度。
5)当雷诺数符合下列判断式时：
流体在管道中流动时的压力降可分为直管压力降和局部障碍所产生的压力降。局部障碍系指管道中的管件、阀门、流量计等。如图2所示。
图2化工装置管道的管件
△Pf—直管压力降，kPa；
△Pt—局部压力降，kPa。
考虑到估计的直管长度和管件数量的不准确性，计算出的 △Pp应乘以1.15安全系数作为设计值。
1）直管压力降的计算
di＇—直管内径，mm；
λ—摩擦系数。
2）摩擦系数λ应根据流动状态按下列公式计算：
滞流状态：λ=64Re-1
过渡区：
粗糙管的湍流区：
a.当量长度法：各种管件、阀门和流量计等的当量长度值可查阅相关资料中的数据代入直管压力降计算公式中进行计算。
b.局部阻力系数法：
4）流体由管道进入容器（出管嘴）或由容器进入管道（入管嘴）处的压力降可按下式计算：
出管嘴：
管径应根据设计的管长和阀门管件数量以及初选的管径经压力降计算并与管道允许的压力降比较后确定。当计算的管道压力降小于管道允许的压力降时，初选的管径可以采用，否则应向较大规格调整管径并进行阻力复核。
参考文献
[1]张德姜,王怀义,刘绍叶.石油化工装置工艺管道安装设计手册·第一篇 设计与计算（第四版）[M].中国石化出版社出版发行,2009,9(4):17-30.
[2]HG/T20570-95工艺系统工程设计技术规定[S].1996年.
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