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管道阻力降

计算

主要内容

•概述

•管径选择的_般要求

•如何确定管径

管道阻力降计算

•常见管道压降元件典型压降

■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岛工作。

一般的管道可才艮据物料平衡表中的物料流量、推荐流速或允许压力库来摄用管径（侨■速管径应符合材列•标准）。

屆对棗些水力*4鼻肴蒋殊要亲的管道，则应址行詳细的水另学计鼻。

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；

2011年12月18日

＞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。

■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。

■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。

2011年12月18日

■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4m/s;气体流

速一般不超过其临界速度的85%,真空下最大不超过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，以免加速管輦的磨扌员或才蚀。

■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。

■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。

管径的选择，必须符合管道材料标准，各项目釆用

的管道标准可能会略有差别。

本文以ASME标准为例。

管道规格表〈壁厚系列及重量美国ASTMORAPI标准〉

Noittiitalpg»esizeinch/nutt

ODmin

STD

40

Nominalp卯esizeutck-itun

OD

mm

STO

40

Nomhtalpipesizeutckitutt

ODirun

STD

40

1%

13.70

224

隔

2J4

0为3

冷

14130

6£5

21.77

655

21.77

28

^^700

711J0

9£3

164^5

%

17.10

231

0JS4

231

084

16830

7.11

2826

7.11

2826

30^750

762U0

953

176^4

%

21-30

2.77

127

2.77

127

219.10

8.18

4235

8.18

4255

32

.'800

812^0

953

18852

!

%

26.70

2&7

1j69

257

\j69

273.10

9J7

60^1

927

60J1

>>

/850

8631S0

953

200JI

3340

338

250

338

250

323恥

953

73月8

1031

79.73

36

”顶。

91440

9S3

21256

%

4220

356

339

356

339

355^0

953

8133

11.13

9455

38

^950

96520

953

22454

%

48^0

36&

4AS

3j68

4ns

406.40

933

93J7

12.70

123J0

40,-1000

1016DO

953

236^3

60JO

3少1

5.44

391

544

.X

45720

9百3

105.16

14^7

155^0

/1050

1066^0

953

24852

%

73JJ0

5.16

8^3

5.16

8j63

20//

^100

508DO

953

117.15

1509

183.42

44

.xiioo

111化80

953

26050

%

88^0

549

1129

5.49

1129

22

558£0

933

129.13

46

/1150

116840

953

27225

101450

5.74

1357

5.74

1357

>>

609^0

953

141.12

17.48

255-41

48

/颈。

1219JO

9£3

28424

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）。

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

工艺液体管道

AP100百米压降（kgf/cm2/100m）

流速（m/s）

泵吸入口饱和液

0.05

0.5-1.5

泵吸入口过冷液

0.08

1.0-2.0

泵排出口

0.15-1.5

经济流速（一般不超过4m/s）

塔抽出口

0.05

1

重力流

1

再沸器入口

0.03

0.3-1.2

有闪蒸调节阀入口

0.05

0.5-1.0

工艺气体管道

AP100（kgf/cm2/100m）

流速（m/s）

常压/真空

0.01-0.07

10-30

<1.OMPaG

0.07-0.20

10-30

<10.OMPaG

0.2-0.7

7-20

>10.OMPaG

0.7%操作压力

7-20

再沸器返回口

0.02-0.05

往复压缩机

12

离心压缩机

0-0.5

经济流速

气相转油线

0.3-1.7

液相转油线

0.11-0.75

气液相转油线

0.16-1.10

公用工程管道

AP100（kgf/cm2/100m）

流速（m/s）

仪表风

常压/真空

0.05

经济流速

<0.35MPaG

0.07

经济流速

工业风

<0.7MPaG

0.11

经济流速

<1.OMPaG

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.OMPaG

0.07-0.2

<75

>1.OMPaG

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

循环级《2月78日

0.3

1-4第13页

■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）

■4.1不可压缩流体阻力降计算

■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

流体玉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。

各局部阻力降元件的参考当量长度见下表。

局部阻力降元件的参考当量长度表

名称

Le/D

菅件

45弯头

短半径

16

长半径®=1产功

g

90弯头

短半径

22

长半径®=1产功

14

90弯头

R=4D

14

R=5D

16

三通

.—Lt1—旁出—1

60

-1直流

20

阀门

截止阀

375

角阀

185

族塞阀

130

闸阀

全幵

10

球阀

全开

10

60

碟阀

35

止回阀

雄启式

一

100

升降式

一

375

对•夹式

2"

■400

3"

300

4'1-5"

200

10"-24'*

100

26"上

50

Le=3.0Ls

Le=（1.3-1.5）Ls

Ls管道直线长度

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

>一般区域

2）泵入口管线在没有布置图时Le》50m

4.1.3阻力降计算方法

1）范宁（Fanning）公式

AP；阻力降kg/cm2

S2f

Le

D

V

P

1.02x1O'5

摩擦系数

当量长度m

管道内径m

介质在管内的平均流速m/s介质在工作条件下的密度kg/m3

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=S1.2IP=S1.OD

S1：

1000

D:

管道内径m

V:

介质在管内的平均流速m/s

P:

介质在工作条件下的密度kg/m3

卩：

介质在工作条件下的粘度mPa.S（cp）

3）摩擦系数（f）■层流（Re<2000）

64

Re

■湍流（Re>4000）

Colebrook公式

命一2.0・log

'£2.5226、

<3.7065-DRe-Vf?

D:

管道内径m

s:

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。

2011年12月18日第20页

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

11/2"

0.021

□

：

-10"

0.014

2"

0.019

12-16"

0.013

3"

0.018

8-24"

0.012

4）管壁绝对粗糙程度（£）

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

绝对粗糙度8mm

无缝黄铜、铜、铅、玻璃管

0.00152

无缝钢管

0.0457

衬塑管

0.0457

镀锌钢管

0.152

涂沥青铸铁管

0.122

铸铁管

0.259

■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。

音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。

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。

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。

■4.2.3声速（临界速度）

Vonic=

gkRT

Vsonic:

声速m/s

g:

9.81kg.m/kgf.s2

k:

绝热指数Cp/Cv

R:

847.9kgf.m/kmol.k

M:

分子量

■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。

—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；

A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；

■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.

＞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）

1）水平管道流型判断，伯克流型图（Baker）

2.眄（PsPi）

0.33

0.67

Pl6

式中：

Bx:

Baker参数；

:

气相质量流量，

:

气相密度，kg/m3;

:

液相粘度Pa.-sj

:

液相表面张力，N/mo

通常，先计算By,当By》80,000时，对于一般粘度的液态桂类，其流型多在环状流或气泡流区域，无需计算Bx，当旳＜80,000时，需要计算Bx。

根据计算的Bx、By值，由图中查出其流型。

水平管内气-液两相流流型图

水平管中的气-液两相流型

气泡流［气泡沿管上部移动•其速度接近液体速度

活塞流"液体和气体沿管上部交替呈活塞状流动

层流'液体沿管底部流动，气体在液面上流动■形成平滑的气-液界面

波状流，类似于层流■但气体在较高流速下流动，其界面受波动形响而被搅乱

柱状流’由于气体以较快速度流动而周期性崛起波伏•形

.成泡沫栓•并以比平均流速大得多的速度流动

环状流'液体呈膜状沿管内壁流动，气体则沿管中心高速流动

分散流「大部分或儿乎全部液体被气体雾化而带走

^=[（Vg+Vj/A]2><1000

式

Fr:

Froude数；Fv:

气相体积分率；

Vg:

气相体积流量，m3/h;VL:

液相体积流量，m3/h;di:

管道内径，mm;A：

管道截面积，m2;

g:

重力加速度，9.81m/s2;

Wg:

气相质量流量，kg/h;W1:

液相质量流量，kg/h;

Pg:

气相密度，kg/m3;p1:

液相密度，kg/m3。

才艮据计算的Fr、Fv值，由图5.3.2中查出其流型。

垂直管内气-液两相流流型图

垂直签中的r一液两相流型表3・1.5—2

1

气泡流：

p体呈代泡分散在向上流动的液体中•当气.体流

速増加日寸.气泡的尺寸•迷度及数目也増力口

rs*

r・j•

△

）

柱抉流’披体和r体玄替呈柱状向上移动，液体柱中含有一些分散的气泡，毎一气体柱周隔是一层薄液膜.向柱底流动・当就体流速增加时，p体柱的长度和連度都墳如

1

迤

;口;

i

泡沫流品液腹淞失.气泡和液体混合柱一趨■形成沛动

亲乱的流裂

i

a

环状流：

液体以小于气体的速度沿悟壁向上移动，气体在伶中心向一匕移动，部分液体皇液液夹猎在气体中。

当吒体流速壇加时■夹擀也增如

[

i

雾状流，当气体诡速壇加时•全部液体离开管壁呈微细的

液滴•被p体带走

■5.常见管道压降元件典型压降＞仪表元件

＞管道过滤器

＞设备

＞调节阀压力降

■5.1管路仪表典型压力降

仪表元件

压力降（kgf/cm2）

孔板流量计

0.2

文丘里管

0.02

转子流量计

0.2

涡轮流量计（包括过滤器）

0.5

■5.2管道过滤器近似当量长度

45075-108（20目一100目）

■5・3泮射谅裾

221哉12W18B^s

■5.4调节阀

最小压力降:

液体0.7kg/cm2气体0.2kg/cm2;调节阀压压降通常在管路系统压降的13-30%;

泵出口调节阀压降可按下表选取初值，在泵的扬程

确定后应根据水力学计算调节阀压降。

管路系统压降△Pf（kg/cm2）

调节阀压降APcv

△Pf<5.0

0.5*APf

5.0

2・5kg/cm2

6.25

0.4*APf

10.0

4.0kg/cm2

13.4

0.3*APf