管道和管道选型(1).pdf

10.2.1管道和管道选型章节10.2第10章 蒸汽分配蒸汽和冷凝水系统手册10.2 管道和管道选型703管道和管道选型10.2.2章节10.2第10章 蒸汽分配蒸汽和冷凝水系统手册图10.2.1 红色标记带，重级，小于4m的管道图10.2.2 蓝色标记带，中级，长度4~7m之间的管道不管管标号大小，一旦管道口径确定，它们的外径都相同（不含制造公差）随着管标号的增加，管道壁厚也随之增大，而实际的内径减小例如：管标号40公称口径100mm管道的外径为114.30mm，管道壁厚是6.02mm，因此内径102.26mm管标号80公称口径100mm管道的外径为114.30mm，管道壁厚是8.56mm，因此内径97.18mm只有40和80管标号覆盖了从15mm（1/2in）到600mm的所有公称口径，也是蒸汽系统中最常用的管道管标号在欧洲大陆，管道是按照DIN标准制造的，DIN 2448标准见表10.2.1管道公称通径 (mm) 15 20 25 32 40 50 65 80 100 150管标号 40 15.8 21.0 26.6 35.1 40.9 52.5 62.7 77.9 102.3 154.1内径 (mm)管标号 80 13.8 18.9 24.3 32.5 38.1 49.2 59.0 73.7 97.2 146.4目前世界上有很多的管道标准，但全球接受的标准来源于美国石油研究所(API)，管道按表示管壁厚度系列的号码来分类。

这些表示管壁厚度系列的号码与管道的压力等级有关这些管标号根据管道的压力等级分为11个系列，从最低的5至10、20、30、40、60、80、100、120、140和160对公称口径小于150mm(6in)的管道，管标号40(有时也称为”标准重量”)是管道重量最轻的管标号，常用于蒸汽系统表10.2.1 管道标准和实际内径的比较准的管材）通常以“蓝色带”和“红色带”作为参考，这也是管道等级确认标志不同的颜色代表了特定的管道等级红色带，表示重级，常用于蒸汽管道蓝色带，表示中级，通常用于空气分配管道，有时也用于低压蒸气系统标准和管道壁厚管道和管道选型管道材质道，尽管在有些行业也会使用铜管对于高温的过热蒸汽主管，为了增强管道在高温下的应力和柔性强度，会包含某些合金成分，如铬和钼本章节考虑的是BS 1600标准中管标号为40的管道BS 1600标准给出了表示管壁厚度系列的管标号表，其中公称口径和壁厚的单位是毫米表10.2.1比较了不同管标号下不同公称口径管道的实际内径在英国，如果不是法兰连接而是螺纹连接的管道按照BS 1387标准（钢管和其它用于BS21管螺纹标颜色标记带大约50mm宽，在管道上的位置也可表明管道的长度。

短于4m的管道只有一个在管道末端的颜色带标记，4~7m长的管道在两端附近都有—颜色标记蒸汽系统的管道通常采用符合ANSI B 16.9 A106标准的碳钢管冷凝水管道也可使用相同材质的管一般，每段管道的长度为6m70410.2.3管道和管道选型章节10.2第10章 蒸汽分配蒸汽和冷凝水系统手册图10.2.3 管道的摩擦阻力h1长度(L)h2流速 (u)点 1点 2hf管道直径 (D)此处我们引进了流体机械能损失中最重要的一点，即总的机械能损失是由于稳定流体在均匀管道内流动时管壁上摩擦造成的管道内流动流体的总能量损失取决于：L = 管道长度 (m)；D = 管道口径 (m)；u = 流体的平均流速 (m/s)；μ = 流体的动力黏性系数 (kg/(m·s)=Pa s)；ρ = 流体密度 (kg/m3)；ks = 管壁的粗糙度* (m)将这些变量代入D Arcy-Weisbach公式（通常指D Arcy公式），得到公式10.2.1公式中还有一个无量纲参数，为摩擦系数，它和管道绝对粗糙度、流体的密度、速度和粘度以及管道口径有关他在1883年首先给出了计算流体中能量损失的科学方法D Arcy公式 (公式10.2.1):管道选型任何流体输送系统的目的都是在正确的压力下把流体输送至使用点。

因此随之而来的一个重要的因素就是经过输送系统的压力降液体第4章流量计中讨论了伯努利定理（Daniel Bernoulli 1700-1782）在此基础上，D Arcy（D Arcy Thompson 1860-1948）指出流体要产生流动，在点1的能量必须比点2的能量多（见图10.2.3）能量之差用来克服管道和流动流体之间的摩擦阻力公式10.2.14 f L uh2 g Df²=式中：hf = 由于摩擦阻力引起的压头损失（m）；f = 摩擦系数（无量纲）；L = 长度（m）；u = 流速（m/s）；伯努利定理阐述了流体中总能量的变化与能量消耗的关系，用压头损失hf（m）或比能损失hf（J/kg）来表示但这无法预测在特定情况下压力的损失，因此用处不是很大描述与流体密度、速度和黏度以及管道口径有关的参数叫做雷诺数，以雷诺（1842－1912）命名，*因为能量损失与管壁侧的剪切应力有关，管壁的特性具有很大的影响相对较光滑的管壁与粗糙的管壁对流体的相互作用是完全不同的705管道和管道选型10.2.4章节10.2第10章 蒸汽分配蒸汽和冷凝水系统手册公式10.2.2公式10.2.3式中：f = 摩擦系数（与国际制单位Moody表有关）；ks = 管道绝对粗糙度(m)；D = 管道口径 (m)；Re = 雷诺数（无量纲）。

但公式10.2.3很难使用，这是因为摩擦系数同时出现在等式的两边基于此通常查Moody表进行手工计算得出摩擦系数在国际单位制形式的Moody表上，摩擦系数的范围通常在0.002至0.02，而在英制形式的Moody表上，量程范围在0.008至0.08公式10.2.4公式10.2.5“国际单位制”摩擦系数“英制”摩擦系数组合许多参考文献并没有说明定义了何种摩擦系数，有时必须根据数量级进行判断同样的雷诺数和相对粗糙度，“英制摩擦系数”是“国际单位制摩擦系数”的四倍摩擦系数可从Moody表查出，湍流的摩擦系数也可根据从Colebrook - White公式发展而来的公式10.2.3计算出所使用的摩擦系数将决定是采用D Arcy公式10.2.1还是10.2.2对于“国际单位制”摩擦系数，应采用公式10.2.1，而对于“英制”摩擦系数，应采用公式10.2.2例10.2.1 - 水系统的管道f L uh2 g Df²=12 k9.33.48 1.74 In + Df fes=_ R( ( g = 重力常数 (9.81 m/s2)；D = 管道口径 (m)有趣点可能有的读者会在不同的地方发现D Arcy公式稍有不同，如公式10.2.2。

其实公式10.2.2与公式10.2.1相近，只是没有了常数4错误的公式与错误的摩擦系数相匹配，将会导致400%的误差，因此一定要采用正确公式和摩擦系数的造成不同的原因是摩擦系数的类型必须确保在适当的D Arcy公式中选择了合适的摩擦系数如果公式10.2.2主要被那些使用英制单位的人员采用，尽管有时也会采用公制单位，现在仍然用于美国和太平洋周边国家公式10.2.1主要被使用国际单位制的人员所采用，更多普及在欧洲的一些国家对于水流量45m3/h，温度15℃，150mm口径的管道，两点间长1km，确定管道内水的流速、摩擦系数和两点间的压降作为通则，湍流的雷诺数一般在4000和100000之间，“国际单位制”摩擦系数见公式10.2.4，“英制”摩擦系数见公式10.2.570610.2.5管道和管道选型章节10.2第10章 蒸汽分配蒸汽和冷凝水系统手册公式10.2.6式中：Re = 雷诺数；ρ = 水的密度 = 1000 kg/m3；u = 水的流速 = 0.71 m/s；D = 管道口径 = 0.15 m；μ = 水的动力黏度 (15℃) = 1.138 x 10-3 kg/m s (见蒸汽表)。

根据公式10.2.6:本质上，摩擦系数取决于流体的雷诺数(Re)和管道内壁的相对粗糙度(ks/d)，前者可从公式10.2.6得出，后者从公式10.2.7得出雷诺数(Re)u DRemsVolume flowrate Velocity m s =Cross sectional area m45 mh x 4Velocity ==3 600 s h x x 0.15³²³ ²Velocity = 0.71 m s( )( ) ( )πρ µ1 000 x 0.71 x 0.15R-1.138 x 10e3eR ==93 585u DRemsVolume flowrate Velocity m s =Cross sectional area m45 mh x 4Velocity ==3 600 s h x x 0.15³²³ ²Velocity = 0.71 m s( )( ) ( )πρ µ公式10.2.7按公式10.2.7可得出：现在摩擦系数可从Moody表查出，然后根据D Arcy公式计算出压头损失根据欧洲Moody表（见图10.2.4）其中: kS/D = 0.0003 Re = 93585: 摩擦系数 (f) = 0.005流速 (m/s) 流速流速管道粗糙度或“Ks”值（在某些文献中引用为“ε”）可从标准图表中查到，对于“商业钢管”，通常取0.000045m。

根据这可确定相对粗糙度（这也是Moody表要求的）相对管道粗糙度 = 管道粗糙度/管径k Ds( )相对粗糙度 = k Ds( )体积流量 (m3/s)流通截面积(m2)u DRemsVolume flowrate Velocity m s =Cross sectional area m45 mh x 4Velocity ==3 600 s h x x 0.15³²³ ²Velocity = 0.71 m s( )( ) ( )πρ µ0.000045 m0.15m 相对粗糙度 = 0.0003707管道和管道选型10.2.6章节10.2第10章 蒸汽分配蒸汽和冷凝水系统手册����������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������� ������������������ ������������������������� �������������������������图10.2.4 “国际单位制”Moody表（删节）摩擦系数 f雷诺数 Re根据欧洲D Arcy公式（见图10.2.4）：kRelative pipe roughness = Pipe roughness / Pipe boreDsk0.000 045 mrelative roughness =D0.15 msRelative roughness= 0.00034 f L uh 2 g D4 x 0.005 x 1000 x 0.71h 2 x 9.81 x 0.1522fffh3.43 metres head loss( )( )===m压损kRelative pipe roughness = Pipe roughness / Pipe boreDsk0.000 045 mrelative roughness =D0.15 msRelative roughness= 0.00034 f L uh 2 g D4 x 0.005 x 1000 x 0.71h 2 x 9.81 x 0.1522fffh3.43 metre。