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              一文搞懂異徑管(變徑管)設計安裝要點


              撰文:蔣良君  成都華標企管 首席顧問

               
                  最近在“中國設備管理群”Q群內,有幾位群友發了關于異徑管的圖片問群友是否存在設計、安裝問題,他提的問題
              也可能是很多朋友的困惑。是否存在設計或安裝問題,可根據現有的國標、行標進行,以及管道介質等具體判斷。以下資料,可供您參考:
               


              1.泵與異徑管的國標、行標

              1.1 SH 3012-2011《石油化工金屬管道布置設計規范》:
              5.8.3 對于水平吸入的離心泵,當進口管有變徑時,偏心異徑管與泵的進口間宜設置一段直管段。當管道
              從下向上進泵時,應采用頂平安裝;當管道從上向下進泵時,宜采用頂平安裝,并在低點設置放凈;但輸送含有固體介質或漿液時,水平管段上偏心異徑管應底平安裝。
               


              1.2 根據GB50316-2008 《工業金屬管道設計規范》:
              8.1.14.3 離心泵入口處水平的偏心管徑管一般采用頂平布置,但在異徑管與向上彎的彎頭直接連接的情況下,可采用底平布置。異徑管應靠近泵入口。

              1.3 《化工管路設計手冊》2.4.3 泵的設計配管,如下圖:

               


              1.4 異徑管設計標準
              GB 50316-2008 《工業金屬管道設計規范》 “6.5 非標準異徑管”
              GB/T 12459-2017 《鋼制對焊管件類型與參數》“表12 異徑管尺寸”
              SH/T 3408-2012 《石油化工鋼制對焊管件》“表4.1.1異徑管尺寸”

              1.5可參考標準
              HG/T 2129.24-1991 耐酸酚醛塑料制化工設備零部件 凸緣式異徑管
              HG/T 2129.26-1991 耐酸酚醛塑料制化工設備零部件 異徑管
              HG/T 2138-2015  搪玻璃同心異徑管    
              HG/T 2139-2015  搪玻璃偏心異徑管    
              JB/T 1308.17-2011  PN2500超高壓閥門和管件 第17部分:異徑管
              TB/T 811-1993     異徑管接頭

              2.化工設計院有關異徑管設計規定:

              2.1離心泵的配管。泵的吸入管道: 泵吸入管道在滿足熱應力的前提下盡量短且少拐彎, 在任何情況下入口管道不允許有袋形。雙吸入泵的吸入口要設一段至少有 3 倍管徑長的直管段, 對大型泵則直管段長應為 5~7 倍管徑。當雙吸入泵的配管為上吸入時, 不必考慮本條第二款所要求的直管段。垂直管道可以通過彎頭和異徑管與吸入管口直接相連, 要求盡量短。


              2.2當泵入口管系統有變徑管時,管徑≥DN65者要采用偏心大小頭以防變徑處氣體積聚。變徑管的安裝方法,如圖所示,即入口法蘭前彎頭向下時,變徑管頂平;彎頭向上時,變徑管底平。
               

               



               


              2.3 但是,輸送含有固體顆粒的液體時,且泵的吸入速度又低于其沉降速度,則固體顆粒會沉降到底部,此時要求偏心大小頭底平,用排氣閥排除大小頭處積聚的氣體。≤DN50者可用同心大小頭(變徑管);當泵入口管系統中有U形部分時,應在其高點設排氣口,一般情況不得有袋形。
              2.4當泵的吸入口和排出口在同一垂直面上時, 為便于安裝閥門, 進出口可用偏心異徑管或兩個45° 彎頭增大進出口管間距,如圖:

               


              2.5在泵入口和切斷閥之間的最底點設放凈閥, 排出物經漏斗排至地下污水管道,如需回收排出物至低位槽時, 則應另設地下管道。
              2.6 泵出口管道一般應配異徑管, 當排出口在上部時, 應配同心異徑管, 當排出口在側面時, 一般取偏心異徑管, 斜邊在上面(底平)。

               

               



               

              從上可看出,異徑管設計與安裝要求,對離心泵進口而言,平進或下進頂平(主要考慮不出現氣囊現象) ,上進底平(主要考慮不出現液袋現象)頂平時可以保證沒有積氣,避免泵的汽蝕。對于頂平產生的積液一般都通過泵入口設置排凈解決。
              有時,
              也需根據物料性質和現場環境做決定頂平或底平,例如:進口管道輸送介質是清潔的液態,采用頂平,防止汽縛;輸送介質為含固漿料,采用底平,防止集料。

              3.異徑管的管徑、壓力、流量之間的關系

              3.1管徑、壓力、流速的關系:可用流體力學的
              伯努利方程計算得出,如果管道管徑突然變大,流量不變的情況下,管道壓力變小。管徑變大,壓力變小,流速變小。管徑變小,壓力增大,流速增大。


               

              3.2根據文獻《變徑管道流場分析》總結的:
              1)突然變徑的不但造成極大的壓力損失,并且由于壓力的突變或形成的渦流會對系統管路及元器件造成損害,如氣蝕、振動等;
              2)合理的變徑措施(指按國標行標設計),如采用變徑接頭等能消除在變徑處的壓力劇烈波動,減小壓力損失,更重要的是降低渦流的形成幾率,減少氣蝕、震動等影響系統工作穩定性的不利因素;
              3)即使采用變徑接頭,管徑的變化也不宜過大,應符合GB/T 12459-2017 《鋼制對焊管件類型與參數》“表12異徑管尺寸”等標準的要求,否則仍將造成少量的空氣存留和紊流。特別是伺服系統中對系統工作穩定性、快速性及準確性要求高的場合,更要慎之。


               以下變徑流場分析圖,可供參考:

              從圖1、圖2 可以看出,在半徑突變處,大徑周圍形成了渦流,同時半徑變小處有強烈的渦流,形成的渦流,使周圍的壓力急劇降低,進而形成真空,在此作用下,充斥在管道中的空氣爆破,多次反復作用,終將造成振動、氣蝕等破壞。流動方向的驟然變化也引起流體對管壁的劇烈沖擊。兩圖對比可以看出,當管徑差大時,流體的變化速率加快,在變徑處形成的渦流也比變徑小時大。穩定的層流狀態經過突變后,流體的特征也變成紊流,壓力流體的力在各個方向上作用于通道,形成對管壁處形成集中、強烈的沖擊。

              從圖3、圖4 的分析結果不難判斷出,管道中的流體在經過緩慢的角度變化后,輸入層流有較小改變,但在經過變徑后迅速恢復為層流,因此管道內的流體狀態穩定,沒有強烈的動量變化形成沖擊,這滿足理想的流體狀態,有利于液壓元器件的安全使用。
               

              圖5、圖6 分別表示不同輸入管徑,在相同壓力、相同流速下的變徑接頭處流場變化情況。從上兩圖可以看出,二者在變徑處都形成了渦流,但通徑變化大的形成的渦流范圍比變化小的大。通突然縮小通徑相比,突然擴大管的流體基本上未產生管道徑向方向上的力。這種管道連接方式最大的缺陷就是管徑擴大處存有大量的空氣,需要經過長時間、多次的排氣才能將內部空氣排除。
               

              根據圖7、圖8 可知,通徑變化過大仍將在變徑處形成一定的不穩定流動。


              3.3閥門前后變徑:調節閥前后變徑是為了提高調節性能,在閥前變徑是為了提高閥前壓力使調節更加靈敏,更好地實現自動調節,在閥后變徑為了降低出口管的壓力,這樣才能確保調節閥的可調性好,調節精度高。
              3.4根據中國特種設備檢測研究院《基于流場分析的管道內腐蝕預測》:
              中國特檢院曾對中石油某油田采氣廠的典型管件進行了流場分析及內腐蝕 /沖蝕模擬,以大小頭為例,數值模擬結果表明大小頭內部的流速從靠近小頭部位開始增大, 最大流速出現在距離大小頭約 2 倍大小頭直徑的距離,而速度梯度最大的位置出現在大小頭靠近連接焊縫的位置。 通過對含水兩相流條件下大小頭局部區域的含水率分析表明,含水天然氣在大小頭靠近小頭區域的含水率最高,具體如圖  所示。

               



              這一分析結論大小頭實際生產中的腐蝕穿孔形式相吻合,確實符合“管徑變小,壓力增大,流速增大”這一規則。在需要定期測壁厚時,宜測沿介質流向的小徑端,如圖:
               


               


              4.設計在管道設計時選擇變徑常見原因

              4.1根據國標或行標,結合實際需要,對泵的配管設計為異徑管;
              4.2泵入口、出口的變徑大部分都是由于泵廠家的流速選擇標準與管道不同,通常在在泵入口要縮徑,泵出口要擴徑。
              4.3一般管道上的調節閥也大部分要進行縮徑,為了使得調節閥獲得良好的調節曲線。
              4.4雙相流的管道在垂直段時一般要選擇縮徑,為了使得氣液兩相能夠獲得混合流,不產生柱塞流。因此對變徑要根據不同的部分進行分析。
              4.5如果設計已經確定工藝管線,那么管道直徑和變徑就基本確定,如果在設備選型時忽略管道直徑問題,極易出現設備管徑與工藝管道直徑不匹配,設備已經付款、到貨,工期又緊張,一般最簡單通用的做法就是增加變徑來彌補。一般情況不會對生產造成大的影響,管道直徑變化會造成管道內介質流速變化(壓力變化),縮徑流速加快、壓力增大,擴徑流速減慢、壓力變小。因為設計時,泵的選型都有一定余量,對于泵的輸送運行一般影響不會太大,肯定會增大流體的摩擦阻力。

              5.值得參考的專業文章
              《變徑管道流場分析》李永峰 《太原科技大學學報》-2011
              《管道彎管段沖刷腐蝕機理與流體動力學特征》曾莉《華中科技大學》 - 2017
              《變徑管段沖刷腐蝕與流體動力學相關性研究》 尚坦 等; 《第十屆全國腐蝕大會摘要集》-2019年期
               

               以上資料,僅供參考,您若有更好的建議或資料分享,歡迎到群討論。
               


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