管道布置设计、基本要求与补偿器的应用
管道布置设计必须具备的条件
应遵守的国家和行业法律法规、设计标准以及规程规范
工程设计统一规定
工艺流程（系统）图
设备布置图
设备表、设备图
相关专业的设计条件（总平面地形图、厂房建筑图、电气电缆、给排水专业管道布置图等）
管道布置设计常用标准、规程和规范
《工业金属管道设计规范》(GB50316-2000）
《工业设备及管道绝热工程设计规范》(GB50264-2013）
《石油化工企业设计防火规范》（GB50160-2008）2018修订版
《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）
《职业性接触毒物危害程度分级》（GBZ230-2010）
《城镇燃气设计规范》（GB50028-2006）
《城市热力网设计规范》（CJJ34-2002）
《城镇直埋供热管道工程设计规范》（CJJ/T81-98）
《小型火力发电厂设计规范》（GB50049-2011）
《火力发电厂设计技术规程》（DL5000-2000）
《火力发电厂汽水管道设计技术规定》（DL/T5054-96）
《火力发电厂保温油漆设计规程》（DL/T5072-2007）
《火力发电厂化学设计技术规程》（DL/T5068-2006）
《燃气—蒸汽联合循环电厂设计规定》（DL/T5174-2003）
《锅炉房设计规范》（GB50041-2008）
《发生炉煤气站设计规范》（GB50195-2013）
《压缩空气站设计规范》（GBJ29-2014）
《氧气站设计规范》（GBJ50030-2013）
《氢氧站设计规范》（GB50177-2005）
《乙炔站设计规范》（GB50031-91）2007版
《石油化工金属管道布置设计规范》（SH3012-2011）
《输气管道工程设计规范》（GB50251-2003）
《输油管道工程设计规范》（GB50253-2014）
《化工企业静电接地设计规程》（HGJ28-90）
室内管道布置原则
1.尽量避免管道对室内采光的影响，不应妨碍窗户的启闭；
2.不应影响设备的操作和维护（如抽管检修和设备起吊）；
3.在水平管道交叉较多的地区，一般按管道的走向，划定纵横走向的标高范围，将管道分层布置；
4.热力管道一般布置在油管道的上方，当需布置在油管道下面时，在油管道的阀门、法兰或可能漏油部位下方的热力管道，应采取可靠的隔离措施；
5.地沟内管道应尽量采用单层布置，当采用多层布置时，一般将小管或压力高的，阀门多的管道布置在上面；
6.腐蚀性介质管道不应布置在人行通道和转动设备上方；
7.B类流体介质的管道，不得安装在通风不良的厂房内、室内的吊顶内或夹层内；
8.B类流体介质的管道，不应布置在高温管道旁或上方；
室外管道管网布置原则
1.厂区内管道的敷设，应与厂区内的道路、建筑物、构筑物等协调，减少管道与铁路、道路的交叉；
2.大直径管道应靠近管架柱子布置；
3.需设置“π”型补偿器的高温管道，应布置在靠近柱子处；
4.热力管道，仪表和电气电缆槽架等宜布置在管架上层，工艺管道，腐蚀性介质管宜布置在下层；
5.管架上的管道设计，应预留10～20％余量；
6.B类流体介质管道与电缆和氧气管道并行或交叉敷设时，其净距应符合规范要求；
7.B类流体介质不得穿过与其无关的建筑物；
8.密度比环境空气大的B类气体管道，当有法兰、螺纹连接或填料结构时，不应紧靠建筑物门窗敷设；
9.道路、铁路上方的管道上不应有阀门、法兰、螺纹接头及带填料的补偿器等可能泄露的组件；
10.管廊层间距及管道净距应满足安装及运行要求；
11.蒸汽管道或可凝气体管道，支管宜从主管的上方接出，蒸汽冷凝液管宜接至回收总管上方。
管道的热补偿
某些压力管道输送的介质常常具有高温高压特征或由于工作环境温度的变化，造成金属材料的热胀冷缩，管道布置设计应充分考虑吸收热位移。一旦布置不当，将造成管道某些部位产生过大的热应力而破坏或对支架产生过大的推力而影响管道支架的安全，从而影响管道系统的正常运行。
例题：图示为某厂一条联接两台换热器间的管道，工作压力P=4.0MPa、工作温度t=316，管道外径φ219，换热器中心距2.1m，中间联接管道水平管中心距2m，A处设有一异径管DN200/DN150，管道设计安装尺寸见图。
运行状况：异径管与法兰连接处焊缝多次出现裂纹。
原因分析：由于设备布置太近，中间接管短、管径大，柔性差，吸收热膨胀变形的能力较小，经对管系进行柔性分析，A处受到很大的横向推力和推力矩
措施：由于场地所限，不可能改变管子长度，只好改变管子直径，并将异径管接头由A处移到B处，管子AB的外径由219mm降到159mm，使管道柔性得到改善，同时异径管与管子连接处由于形状突变引起的应力集中的位置也由较高应力区域移到了较低应力区域。这样，管道的最大应力值下降了，经几年的生产考验，获得了满意的结果。
管道振动：
危害：管道振动是一种常见现象，严重的振动会加速裂纹扩展，威胁系统的安全。与设备连接的管道，尤其与往复机械相联的管道，振动是不可避免的，但必须控制在一定的范围内。
产生原因：设备的往复运动及振动，导致与设备连接的管道振动（如压缩机、汽轮机、泵、风机等）；伴随介质脉动或压力波动易产生共振（如活塞式压缩机、介质流向改变或工况发生变化情况等）；不稳定的两相流（如蒸汽管疏水不畅）、液击（阀门急开急关）、地震、风等都会加剧管道的振动。
防止措施：
防止设备振动的传递，如联接处设软接头
增加缓冲罐，确保介质稳定；如：与压缩机连接的管道减少管道弯头，适当增设管道支架，增加稳定性；
确保安装坡度，增加疏水，避免两相流，防止水冲击。
管道支架、组件布置安全
支架（座）安全
支架（座）主要是起支撑重量、稳定管系、限制管道位移（自由度）和防震减震作用。因此，管道布置设计应根据所输送介质的种类、特性及安全要求合理布置和正确选择结构合适的支吊架，以改善管道的应力分布，确保管道安全运行。支吊架设计可按管道设计、结构强度设计软件计算确定或按有关设计手册选取。
管道组件质量及布置安全
管道组件包括管子、三通、弯头、异径管、阀门、法兰、垫片、过滤器、补偿器等，其选择和设计要求由管道材料章节介绍。这里只介绍从管件的布置方面应作哪些考虑。
管道组件布置原则：应尽可能布置在变形位移小，应力较低的部位。
阀门布置：左图布置较右图布置好。
补偿器布置
对Π 型补偿器，一般要求布置在两固定点之间管段的中央，并在适当位置设导向支架，以利于热位移的吸收；对通用型波纹补偿器，要求布置在固定支架旁，并按生产厂家要求设置一定的导向支架，确保补偿器的稳定性。支架设置要求见下图：
对连接设备的影响：
管道对所联设备的作用力和力矩应符合设备厂家允许的规定，如超过规定，将影响设备的安全和造成联接法兰处的泄漏。
措施：
设备连接处设支吊架，以承担管道重量及管端推力，如下图。
提高连接处管道的柔性，如设柔性接头或柔性弯管。若设通用型波纹补偿器（或软接头），一定要注意盲板力的影响。如图：
管道安全距离与敷设方式
热力、电力、易燃易爆流体介质等各种管道交叉关系及安全距离应严格按规程规范的要求布置，实在无法满足时，应采取有效措施。管道的敷设方式得当与否也将影响管道的安全，如B类流体介质管道在无安全措施时不应布置在地沟内（尤其象比空气重的液化气管道）。
燃气管道设计中补偿器的选择
补偿器又称为伸缩器、伸缩节或膨胀节，主要用于补偿管道受温度变化而产生的变形。如果温度变化时管道不能完全自由地膨胀或收缩，管道中将产生温度应力。在管道设计中必须考虑这种应力，否则它可能导致管道的破裂，影响生产的正常运行。燃气管道中有各种形式的补偿器，设计人员有必要了解各种补偿器的特点，并能够正确选择合适的补偿器。
定义与公式
为了更好的理解后面内容，首先介绍三个定义和两个计算公式
（1）定义
a、滑动支架：
管道轴向、横向均不受限制，即允许管道前后、左右有位移；
b、导向支架：
是滑动支架的一种，一般只允许管道有轴向位移，而不允许有横向位移。
对直管式导向支架进行定位，一般推荐：使补偿器靠近一个固定支架，使第一个导向支架与补偿器端面的间距不超过管径的4倍（L1≤4DN）。这种布设方式既可以使位移得到正确的导向，又可以使补偿器的两端得到适当的支承。第二个导向支架与第一个导向支架的间距不得超过管径的14倍（L2≤14DN）。其它导向支架的最大间距可按公式计算，也可按燃规上的规定执行。如下图所示：
c、固定支架：管道轴向、横向均受限制，不允许管道有位移。
固定支架分主固定支架和次固定支架，主固定支架一般设置在管道的盲端、弯头、阀门及侧支管线连接处等位置， 次固定支架一般设在直管段上两个轴向型补偿器之间。
（2）管道伸长量的计算
由于温差引起的管道长度变化，由下式计算：
△L＝ αL△t
式中：△L—管道的伸长量（m）；
α—管道的线膨胀系数（m/m℃），其数值见表1
L—管道长度（m）；
△t－温差（℃ ），架空管道在太阳直晒的情况下计算温差可取80℃；
表1各种管材的线膨胀系数（m/m℃ ）
管道材料
α
管道材料
α
普通钢
碳素钢
镍钢
镍铬钢
不锈钢
12.0×10-6
11.7×10-6
13.1×10-6
11.7×10-6
10.3×10-6
黄铜
紫铜
铸铁
聚氯乙烯
13.4×10-6
16.4×10-6
10.4×10-6
70.0×10-6
（2）温度应力
当管道两端固定时，温度应力为：
σ=Eδ
式中：σ－温度应力（MPa）；
E－弹性模数（MPa），钢材取2.1×105MPa；
δ－管道的相对变形，δ＝△L/L
自然补偿器
自然补偿器是利用管道自身进行补偿，常用的有两种形式，L型和Z型，如下图：
自然补偿器短臂的计算方法如下：（1） L型补偿器短臂长度计算：
式中l－L型补偿器的短臂长度(m）；△L－L型补偿器长臂的热伸缩量（mm）；
D－管道外径（mm）
（2）Z型补偿器的短臂长度计算：
式中：l－Z型补偿器的短臂长度(m）；△t－计算温差（ ℃ ）；
E－弹性模数（MPa）；
D－管道外径（mm）；
σ－允许弯曲应力（MPa）；
k= L1/ L2。
小结：自然补偿的管道的长臂臂长一般不超过25m，弯曲应力不应超过80MPa。
L形与Z形补偿器可以利用管道中的弯头构成，且便于安装。在管道设计中，应充分利用这两种补偿器做补偿，然后再考虑采用其它种类的补偿器。自然补偿的优点是可以节省补偿器，缺点是管道变形时产生横向位移。架空管道中自然补偿不能满足要求时才考虑装设其它类型的补偿器。
方型补偿器
方型补偿器又称∪型补偿器，它一般用优质无缝钢管煨弯而成，当管径较大时常用焊接弯管制成。曲率半径通常为3DN-4DN。方型补偿器分为4种型号，补偿能力为30mm一250mm。
表2 补偿能力为50mm、100mm的方型补偿器相关参数
补偿能力为30mm、75mm、150mm、200mm、250mm的方型补偿器均有相关的参数列表。
小结：方形补偿器的优点是制造方便，轴向推力较小，补偿量大，运行可靠，严密性好，不需要经常维修。其缺点是介质流动阻力大、单面外伸臂较长，占空间较大，当管径较大时不宜采用。
波纹补偿器
波纹补偿器是采用先进的、对波纹管无损伤的利用薄不锈钢板整体一次液压成型制作的。波纹补偿器在管线上可作轴向、横向和角向三个方向的补偿。
波纹补偿器的种类很多，包括轴向型波纹补偿器 、自由复式型波纹补偿器 、拉杆型波纹补偿器等。后两种结构较为复杂，且在燃气管道中用的较少，主要介绍轴向型波纹补偿器。
轴向型波纹补偿器由一个波纹管和两个接管构成。它通过波纹管的柔性变形来吸收管线轴向位移（也有少量横向、角向位移），一般通过法兰与管道连接。补偿器上的小拉杆主要是运输过程中的刚性支承或作为产品预变形调整用，它不是承力件。如下图所示：
轴向型波纹补偿器为了减少介质的流动阻力，在内部设有内套管，在很大程度上限制了横向补偿能力，故一般仅用以吸收或补偿管道的轴向位移；波纹补偿器补偿能力为：
△L= △s×N
式中△L－补偿器的补偿能力（mm）；
N－波节数；
△s－单节波纹的补偿能力（mm）；一般为15-20mm，产品说明书中有相关参数。
波纹补偿器允许的补偿能力一般按最大补偿能力的1／2－2／3计算。
单节波纹的补偿能力△s 可按下式计算：
式中：E－补偿器钢材的弹性模量（MPa）；σs－补偿器钢材屈服极限（MPa）；
d－管道内径（cm）；
δ－补偿器壁厚（cm）；
k－安全系数。当P≤0.25MPa时，k=1.2；当0.25MPa≤ P≤0.6MPa时，k=1.3；
α－波形补偿器计算系数，据β＝d/D值查表3
D－波形补偿器的外径（cm）。
表3 波形补偿器计算系数
β＝d/D
α
β＝d/D
α
0.40
0.46
0.50
0.54
0.58
0.60
0.64
14.36
8.510
6.033
4.280
3.016
2.524
1.762
0.68
0.70
0.72
0.76
0.80
0.84
0.90
1.203
0.987
0.8065
0.512
0.311
0.1725
0.0476
为了使补偿器处于一个良好的工作位置和改善管道的受力状态，在安装前对补偿器进行“预变形”
轴向型补偿器的轴向预变形量△X由下式确定：
△X=X{1/2-（T0-Tmin）/（Tmax-Tmin）}
式中：X—轴向补偿量 Tmax—最高使用温度
T0—安装温度℃ Tmin—最低使用温度
小结：波纹补偿器具有工作可靠、结构紧凑、重量轻、位移补偿量大、变形应力小等优点，广泛应用于燃气管道的补偿中，但由于其管壁较薄、强度低，不能承受扭力、振动，安全性差，施工时应注意保护。
金属软管
金属软管由不锈钢波纹管、不锈钢网套、金属软管接头组成。如右图所示：
不锈钢波纹管是由极薄壁的无缝不锈钢管经过高精度塑性加工而成。有两种形式:一种是环形金属软管、一种是螺旋型金属软管。如下图：
不锈钢网套是金属软管安装在压力管路中的主要承压件，同时对金属软管起保护作用，根据管道中的压力大小及应用场所，可选择一层或多层的不锈钢丝或钢带按一定的参数进行编织。压力范围一般为 PN0.6—32.0Mpa，最高达42.0MPa。金属软管接头主要包括螺纹连接、法兰连接、快速接头连接。
金属软管的主要外形尺寸：
金属软管的主要技术特性：
公称直径mm
内径mm
外径mm
最小弯曲半径mm
40
39.80
53.9
400
50
49.80
63.9
500
65
74.80
100.0
650
80
79.80
108
800
100
99.80
130
1000
125
124.80
171
1250
150
149.80
196
1500
小结：金属软管具备良好的柔软性、抗疲劳性、耐高压、耐高低温、耐蚀性等诸多特性，可广泛应用于燃气管道中进行横向位移的补偿，也可用于燃气管道与用气设备的连接，吸收设备的振动，降低振动对燃气管道的影响。
总结
架空管道中补偿器的选择应首先应考虑自然补偿，当自然补偿不能满足要求时才考虑装设方型补偿器、波纹补偿器或金属软管。
在进行燃气管道设计时应充分地考虑到管道的走向和支撑体系的设计，综合考虑补偿器的选型和配置，以求达到安全、合理、适用、经济的最佳组合。