管道与管道选型

管道选型是蒸汽系统设计的关键方面。本教程提供了关于各种饱和和过热蒸汽工况的标准、壁厚等级、材料和选型的详细建议。

国际管道标准有哪些？

世界各地存在许多管道标准，但可以说最全球化的是美国石油学会（API）制定的标准，其中管道按壁厚等级编号分类。 这些壁厚等级编号与管道的压力等级相关。有十一种壁厚等级，从最低的5开始，依次为10、20、30、40、60、80、100、120、140到第160号。对于公称尺寸150 mm及以下的管道，40号（有时称为”标准重量”）是蒸汽应用中指定的最轻等级。 无论壁厚等级编号如何，特定尺寸的管道都具有相同的外径（不考虑制造公差）。随着壁厚等级编号的增加，壁厚增加，实际内径减小。例如：

• 100 mm 40号管道的外径为114.30 mm，壁厚为6.02 mm，内径为102.26 mm。
• 100 mm 80号管道的外径为114.30 mm，壁厚为8.56 mm，内径为97.18 mm。 只有40号和80号覆盖从15 mm到600 mm公称尺寸的完整范围，是蒸汽管道安装中最常用的壁厚等级。 本模块考虑BS 1600中涵盖的40号管路。

壁厚等级编号表可从BS 1600获得，用作公称管道尺寸和壁厚（毫米）的参考。表10.2.1比较了不同壁厚等级的不同尺寸管道的实际内径。

在欧洲大陆，管道按DIN标准制造，DIN 2448管道包含在表10.2.1中。

表10.2.1 管道标准和实际内径比较

在英国，符合EN 10255标准的管道（适用于符合BS 21螺纹的钢管和管状件）也用于管道采用螺纹而非法兰连接的应用。它们通常被称为”蓝带”和”红带”，这是由于其色带标识标记。不同颜色指代特定等级的管道：

• 红带为重型等级，通常用于蒸汽管道应用。
• 蓝带为中型等级，通常用于空气分配系统，但有时也用于低压蒸汽系统。 色带宽50 mm，其在管道上的位置表示其长度。长度小于4米的管道仅在一端有彩色色带，而4至7米长的管道在两端都有彩色色带。

蒸汽系统的典型管道材料是什么？

蒸汽系统的管道通常由符合ASME B 16.9 A106的碳钢制造。相同的材料可用于冷凝水管线，尽管某些行业更喜欢使用铜管。 对于高温过热蒸汽干管，添加铬和钼等额外合金元素，以提高高温下的抗拉强度和抗蠕变性。 通常，管道以6米长度供货。

管路选型

管路选型的重要性

任何流体分配系统的目标是以正确的压力将流体供应到使用点。因此，分配系统中的压降是一个重要特征。

液体管路选型

伯努利定理（Daniel Bernoulli 1700-1782）在第4章——流量测量中讨论。D’Arcy（D’Arcy Thompson 1860-1948）补充说，流体流动的发生，必须在点1比点2有更多的能量（见图10.2.3）。能量差用于克服管道与流动流体之间的摩擦阻力。

伯努利将流动流体总能量的变化与能量耗散联系起来，以水头损失hf（m）或比能损失g hf（J/kg）表示。这本身如果没有能力预测特定情况下发生的压力损失，则没有太大用处。

这里引入了流动流体中最重要的能量耗散机制之一，即在均匀管道中输送稳定流体时，由于管壁摩擦导致的总机械能损失。 流体通过圆形管道流动的总能量损失必须取决于： L = 管道长度（m） D = 管道直径（m） u = 流体平均流速（m/s） μ = 流体动力粘度（kg/m s = Pa s） italic-p - body text.jpg= 流体密度（kg/m³） kS = 管壁粗糙度*（m）

• 由于能量耗散与管壁处的剪切应力有关，壁面的性质将具有影响，因为光滑表面与流体的相互作用方式不同于粗糙表面。 所有这些变量汇集在D’Arcy-Weisbach方程（通常称为D’Arcy方程）中，如公式10.2.1所示。该方程还引入了一个称为摩擦系数的无量纲项，将绝对管道粗糙度与流体的密度、速度、粘度和管道直径联系起来。 将流体密度、速度和粘度与管道直径联系起来的项称为雷诺数，以Osborne Reynolds（1842-1912，英国曼彻斯特Owens学院）命名，他大约在1883年开创了流体能量损失的技术方法。 D’Arcy方程（公式10.2.1）： 世界各地的某些读者可能以略微不同的形式识别D’Arcy方程，如公式10.2.2所示。公式10.2.2与公式10.2.1相似，但不包含常数4。

差异的原因是使用的摩擦系数类型不同。必须使用正确版本的D’Arcy方程与所选摩擦系数匹配。将错误的方程与错误的摩擦系数匹配将导致400%的误差，因此使用正确的方程和摩擦系数组合至关重要。许多教科书根本没有指明定义了哪些摩擦系数，有时必须根据引用的数值大小来判断。

公式10.2.2倾向于被传统使用英制单位的人使用，并且即使在引用公制管道尺寸时，美国和太平洋沿岸地区的从业者仍倾向于使用。公式10.2.1倾向于被传统使用SI单位的人使用，欧洲从业者更倾向于使用。对于相同的雷诺数和相对粗糙度，“英制摩擦系数”将恰好是”SI摩擦系数”的四倍。 摩擦系数可以从Moody图确定，或者对于湍流，可以从公式10.2.3计算，这是Colebrook-White公式的推导形式。

然而，公式10.2.3难以使用，因为摩擦系数出现在方程的两边，这就是为什么手工计算可能通过Moody图来完成的原因。

在SI型Moody图上，摩擦系数刻度通常从0.002到0.02，而在英制型Moody图上，该刻度可能从0.008到0.08。 一般规则是，对于雷诺数在4 000到100 000之间的湍流，“SI型”摩擦系数将如公式10.2.4所建议的量级，而”英制型”摩擦系数将如公式10.2.5所建议的量级。

使用的摩擦系数将决定使用D’Arcy公式10.2.1还是10.2.2。

对于”SI型”摩擦系数，使用公式10.2.1；对于”英制型”摩擦系数，使用公式10.2.2。 示例10.2.1 水管道 确定在150 mm等径水平管路中，当水流量在15°C时为45 m³/h时，1 km距离两个点之间的速度、摩擦系数和压差。

本质上，摩擦系数取决于流动液体的雷诺数（Re）和管道内部的相对粗糙度（kS/d）；前者从公式10.2.6计算，后者从公式10.2.7计算。 雷诺数（Re）

管道粗糙度或”kS”值（在某些文献中通常引用为’curly-e - body text.jpg’）取自标准表，对于”商业钢管”通常取0.000 045米。

由此确定相对粗糙度（因为这是Moody图所需要的）。

现在可以从Moody图确定摩擦系数，并从相关的D’Arcy方程计算摩擦水头损失。

从欧洲Moody图（图10.2.4）， 其中：kS/D = 0.000 3 Re = 93 585：摩擦系数（f）= 0.005 从美国/澳大利亚Moody图（图10.2.5）， 其中：kS/D = 0.000 3 Re = 93 585 摩擦系数（f）= 0.02

使用不同的摩擦系数和相关的D’Arcy方程可获得相同的摩擦水头损失。

在实践中，无论是水管还是蒸汽管，都需要在管道尺寸和压力损失之间取得平衡。

蒸汽管路选型

管道尺寸过大的意味着：

• 管道、阀门、附件等的成本将高于必要。
• 将产生更高的安装成本，包括支撑工作、保温等。
• 对于蒸汽管道，由于更大的热损失，将产生更多的冷凝水。这反过来意味着要么：
• 需要更多的蒸汽疏水阀，要么
• 湿蒸汽被输送到使用点。 在一个特定例子中：
• 发现安装80 mm蒸汽管路的成本比50 mm管路高44%，而50 mm管路本来就有足够的容量。
• 保温管路的热损失，80 mm管线比50 mm管路大约高21%。由于额外的传热面积，80 mm管道任何未保温部分的热损失将比50 mm管道多50%。 管道尺寸过小的意味着：
• 使用点可能获得较低的压力，可能妨碍设备性能。
• 由于过度压降，存在蒸汽供应不足的风险。
• 由于固有的蒸汽速度增加，存在更大的侵蚀、水锤和噪声风险。 如前所述，摩擦系数（f）可能难以确定，计算本身也耗时，特别是对于湍流蒸汽流动。因此，有许多图表、表格和计算尺可用于将蒸汽管道尺寸与流量和压降相关联。 一种经受住时间考验的压降选型方法是”压力系数”法。压力系数值表用于公式10.2.8，以确定特定安装的压降系数。

示例10.2.2

考虑图10.2.6所示的系统，确定从锅炉到暖风机支管所需的管道尺寸。暖风机蒸汽负荷 = 270 kg/h。 虽然暖风机只需要270 kg/h，但由于管道的热损失，锅炉必须供应更多。 管道附件的余量 从锅炉到暖风机的流动距离是已知的，但必须包含附件额外摩擦阻力的余量。这通常以”等效管长”表示。如果知道管道尺寸，可以计算附件的阻力。由于本示例中管道尺寸尚未确定，可以使用基于经验的等效长度增加量。 • 如果管道长度小于50米，增加10%到20%的附件余量。 • 如果管道长度超过100米且是相当直的管线、附件较少，附件余量为5%到10%。 • 类似的管道长度，但附件更多，余量将增加到20%左右。 在此情况下，修正长度 = 150 m + 10% = 165 m 从表10.2.2（完整压力系数表10.2.5的摘录，可在本模块末尾的附录中找到），可以通过查找压力系数F1和F2并将其代入公式10.2.8来确定”PDF”。

表10.2.2 压力系数表摘录（表10.2.5）

从压力系数表（见表10.2.2）：

P1 = 7.0 bar g, F1 = 56.38 P2 = 6.6 bar g, F2 = 51.05 将这些压力系数（P1和P2）代入公式10.2.8将确定PDF值：

沿管路容量和压降系数表的左列向下查找（表10.2.6——摘录见表10.2.3）；需求值0.032附近最近的两个读数为0.030和0.040。始终选择下一个较低的系数；在此情况下为0.030。

表10.2.3 管路容量和压力系数表摘录（表10.2.6）

虽然可以进行插值，但该表并不完全符合直线图，因此插值不可能完全正确。此外，将任何管道尺寸选到其容量极限是不好的做法，重要的是留有一些余量以应对不可避免的未来设计变更。

从系数0.030开始，沿数字向右将看到： • 40 mm管道将通过229.9 kg/h。 • 50 mm管道将通过501.1 kg/h。 由于应用需要270 kg/h，将选择50 mm管道。 使用压降方法完成管道选型后，如需要可以检查速度。

单独来看，与最大允许速度相比，这个速度可能显得较低。然而，这条蒸汽干管的选型是为了限制压降，更小一号的管道尺寸将导致最终压力低于6.6 bar g的要求，这是不可接受的。

如所示，这个过程相当复杂，可以通过使用图10.2.9所示的列线图来简化（在本模块的附录中）。使用方法在示例10.2.3中说明。 示例10.2.3 使用示例10.2.2中的数据，使用图10.2.7所示的列线图确定管道尺寸。

方法：

• 在7 bar g的饱和蒸汽线上选择点，标记A点。
• 从A点，画水平线到270 kg/h的蒸汽流量，标记B点。
• 从B点，画垂直线向列线图顶部（C点）。
• 从压降刻度上的0.24 bar/100 m画水平线（DE线）。
• DE线和BC线的交点将指示所需的管道尺寸。在此情况下，40 mm管道太小，将使用50 mm管道。 值得注意的是，如果管路特别长且在暴露条件下，值得检查模块2.12中涵盖的管道运行负荷——“管道和空气加热器的蒸汽消耗量”。然后应将运行负荷加到蒸汽消耗量上以获得总蒸汽负荷，并检查所选管道确保其选型仍然正确。

为什么速度在管道选型中很重要？

从本模块开头获得的知识，特别是关于D’Arcy方程（公式10.2.1）的说明，可知速度是管道选型中的重要因素。因此，如果可以为通过管道的特定流体使用合理的速度，那么速度可以用作实际的选型因素。一般规则是，当介质为饱和蒸汽时，使用25至40 m/s的速度。 40 m/s应被视为实际限制，超过此值将产生噪声和侵蚀，特别是当蒸汽为湿蒸汽时。一些国家标准引用饱和蒸汽速度高达76 m/s。这只有在蒸汽干燥、管道保温非常好、相对较短、笔直、水平且能在使用点供应所需压力的情况下才可行。 即使这些速度在对压降的影响方面也可能过高。在较长的供汽管线上，通常需要将速度限制在15 m/s以避免高压降。建议超过50 m长的管线无论速度如何都应检查压降。 通过使用表10.2.4作为指南，可以从已知数据（蒸汽压力、速度和流量）选择管道尺寸。

表10.2.4 不同速度下饱和蒸汽管路容量 kg/h（40号管）

另外，管道尺寸也可以通过算术方法计算。需要以下信息，计算程序如下所述。

计算所需管道尺寸所需的信息：

示例10.2.4

一个工艺需要7 bar g下5 000 kg/h的干饱和蒸汽。为使流速不超过25 m/s，确定管道尺寸。

由于蒸汽速度不得超过25 m/s，管道尺寸必须至少为130 mm；选择最近的商用尺寸150 mm。

同样，创建了列线图来简化此过程，见图10.2.8。 示例10.2.5 使用示例10.2.4中的信息，使用图10.2.8确定最小可接受管道尺寸 入口压力 = 7 bar g 蒸汽流量 = 5 000 kg/h 最大速度 = 25 m/s 方法：

• 从压力刻度上7 bar g的饱和温度线画水平线到5 000 kg/h的蒸汽质量流量（A点到B点）。
• 从B点，画垂直线到25 m/s的蒸汽速度（C点）。从C点，画水平线到管道直径刻度（D点）。
• 需要内径130 mm的管道；选择最近的商用尺寸150 mm。

过热蒸汽工况的管道选型

过热蒸汽可视为干气体，因此不携带水分。因此，不存在因悬浮水滴导致管道侵蚀的风险，如果压降允许，蒸汽速度可高达50至70 m/s。图10.2.9和10.2.10中的列线图也可用于过热蒸汽应用。 示例10.2.6 利用工艺余热，锅炉/过热器产生30 t/h、50 bar g、450°C的过热蒸汽供出口到邻近的发电站。如果速度不超过50 m/s，确定：

1. 基于速度的管道尺寸（使用图10.2.10）。
2. 如果管道长度（包括余量）为200 m的压降（使用图10.2.9）。 第1部分

• 使用图10.2.8，从温度轴上的450°C画垂直线直到与50 bar线相交（A点）。
• 从A点，向左画水平线直到与30 000 kg/h（30 t/h）的蒸汽”质量流量”刻度相交（B点）。
• 从B点，向上画垂直线直到与”蒸汽速度”刻度上的50 m/s相交（C点）。
• 从C点，向右画水平线直到与”管道内径”刻度相交。 “管道内径”刻度建议管道内径约为120 mm。从表10.2.1，假设管道为80号管，最近的尺寸为150 mm，内径为146.4 mm。 第2部分
• 使用图10.2.7，从温度轴上的450°C画垂直线直到与50 bar线相交（A点）。
• 从A点，向右画水平线直到与30 000 kg/h（30 t/h）的”蒸汽质量流量”刻度相交（B点）。
• 从B点，向上画垂直线直到与”管道内径”刻度上的（约）146 mm相交（C点）。
• 从C点，向左画水平线直到与”压力损失 bar/100 m”刻度相交（D点）。 “压力损失 bar/100 m”刻度读数约为0.9 bar/100 m。示例中的管道长度为200 m，因此压降为：

此压降在工艺设备中必须是可以接受的。

使用公式根据压降确定蒸汽流量 存在经验公式供喜欢使用的人使用。公式10.2.9和10.2.10如下所示。这些公式经过多年验证，结果与压力系数法接近。使用这些公式的优势是可以编程到科学计算器或电子表格中，因此无需查阅表格和图表即可使用。公式10.2.10需要知道蒸汽的比容，这意味着需要从蒸汽表中查找此值。此外，公式10.2.10应限制最大管道长度为200米。 公式10.2.9 压降公式1 公式10.2.10 压降公式2（最大管道长度：200米）

总结

• 管道材料和特定安装所需壁厚的选择由EN 45510和ASME 31.1等标准规定。
• 为特定应用选择适当的管道尺寸（公称内径）基于准确识别压力和流量。管道尺寸可基于以下选择：
• 速度（通常用于长度小于50 m的管道）。
• 压降（一般规则是压降通常不应超过0.1 bar/50 m）。

附录

表10.2.5 压降系数（F）表

表10.2.6 管路容量压降系数表