流体输送管路的重要作用和应用场景

在化工生产中流体输送管路就如同人的血管一样重要，把各种机械设备、储罐进行连接，通过化工生产工艺过程把原料转化为产品。

一、化工管路的构成

化工管路是由管子、管件和阀件等按一定方式联接而成的供液体流动或输送的设施，也包括一些附属于管路的管架、管卡、管撑等辅件。

（一）管子

化工生产中使用的管子按管材不同可分为金属管、非金属管和复合管，其中以金属管占绝大部分。金属管主要有钢管（含合金钢管）、铸铁管、和有色金属管等；非金属管主要有陶瓷管、水泥管、玻璃管、塑料管、橡胶管等；复合管指的是金属与非金属两种材料复合得到的管子。在一些管子的内层衬以适当材料，如金属、橡胶、塑料、搪瓷等而形成衬里管，以满足节约成本、强度和防腐的需要。

管子的规格通常是用“Ф外径 ×壁厚”来表示。Ф35×2.5mm表示此管子的外径是35mm，壁厚是2.5mm。但也有些管子是用内径来表示其规格的，使用时要注意。管子的长度主要有3m，4m和6m。有些可达9m，12m，但以6m最为普遍。

1.钢管

钢管主要有有缝钢管和无缝钢管。

（1）无缝钢管是没有接缝的，制造材料主要有普通碳钢、优质碳钢、低合金钢、不锈钢和耐热铬钢等。无缝钢管的主要特点是质地均匀、强度高、管壁一般比较薄，但锅炉及石油工业专用的一些管子的壁就比较厚。能用于在各种温度和压力下输送流体，广泛用于输送高压、有毒、易燃易爆和强腐蚀性流体等，可以制作换热器、蒸发器、裂解炉等化工设备。

无缝钢管的规格以Ф45 ×2.5 ×4/20的形式表示，其中45表示外径为45mm，2.5表示壁厚为2.5mm，4表示管长4m，20表示材料是20钢。

（2）有缝钢管又称为焊接管，分为水、煤气管和钢板电焊钢管。水、煤气管的主要特点是易于加工制造，价格低廉，但因为有焊缝而不适宜0.8MPa（表压）以上的压力条件下使用。目前主要用于输送水、蒸汽、煤气、腐蚀性低的液体、压缩空气及真空管路。

2.铸铁管

铸铁管主要有普通铸铁管和硅铸铁管，在每一种公称直径下只有一种壁厚。因此，铸铁管的规格常用Ф内径表示，如Ф1000mm表示铸铁管的内径为1000mm，铸铁管除75mm和100mm两种长度是3m以外，其余都是4m长。

3.有色金属管

有色金属管是用有色金属制造的管子系统，主要有铜管、黄铜管和铝管。

（1）铜管质量较轻，易于弯曲成型，导热性好，耐低温、耐腐蚀的特性，常用作换热器的换热管，低温、有压液体管路（如润滑系统、油压系统等），现代住宅商品房的自来水管道、供热、制冷管道安装等。

（2）铝管是用铝制造的管子，质量轻，弯曲性能好，有较好的耐酸性，但耐碱性差。工业生产中广泛用于输送浓硫酸、浓硝酸、甲酸和醋酸，也用于制作换热器。但当温度超过160℃时，不宜在较高的压力下使用。

4.非金属管

非金属管主要有陶瓷管、水泥管、玻璃管、塑料管、橡胶管等。陶瓷管对除氢氟酸以外的所有酸碱物料均是耐腐蚀的，主要用于输送压力小于0.2MPa、温度低于150℃的腐蚀性流体。玻璃管主要是由硼玻璃和石英玻璃制成的，具有透明、耐腐蚀、易清洗的特性，但是性脆易产生静电积累。塑料管是以树脂为原料经加工制成的管子，抗腐蚀性强、质量轻、易于加工，热塑性塑料管还能任意弯曲和加工成各种形状。但塑料管强度低、不耐压，而且耐热性差无法导出积累静电。橡胶管能耐酸碱，但不耐硝酸、有机酸和石油产品，主要用作临时性管路连接，由于聚氯乙烯软管的使用，橡胶管正逐步为聚氯乙烯软管所替代。

（二）管件

管件在管路中起着改变走向、改变标高或改变直径、封闭管端以及由主管上引出支管的作用。由于管路形状各异、复杂程度不同，因此，管件的种类较多。常用的管件有弯头、三通、异径管、管接头、管帽等，如图2-22所示。

（1）改变流体走向作用：包括弯头、弯管等。常用弯头的弯曲角度为90°、45°和 180°，180°弯头也称为U形弯管。

（2）管子之间连接作用：包括法兰、活接、管箍、卡套、喉箍等，管箍是用来连接两根管子的一段短管，也称外接头。活接由可锻铸铁制成，也称油任，外形为立体多边形设计，内层刻有立体螺纹，连接形式是一个固定接头和一个活母接头配套使用，两端与相应管螺纹相接，中间用PVC垫或橡胶垫密封。

（3）改变管径作用：异径管（大小头）、异径短节、异径管箍、内外丝等。内外丝，通常也叫内外螺纹。

（4）增加管路分支作用：三通、四通、承插焊管接头、螺纹管接头、加强管嘴、高压管嘴等。

（5）封闭管端作用：管帽、堵头（堵丝）、封头、法兰盖、垫片、生料带、线麻，法兰盲板，管堵，盲板、封头、焊接堵头等。(www.xing528.com)

（6）管路固定作用：卡环、拖钩、吊环、支架、托架、管卡等。

图2-22 常用的管件

二、管路的连接方式

管路的连接方法主要有焊接、法兰连接、螺纹连接、承插连接等方法。

（1）焊接是管路连接的主要形式，在施工现场焊接碳钢管路，常采用气焊或手工电弧焊。电焊的焊缝强度比气焊的焊缝强度高，并且比气焊经济，因此，应优先采用电焊连接。只有公称直径小于80mm，壁厚小于4mm的管子才用气焊连接。

（2）法兰连接在石油、化工管路中应用极为广泛，它的优点是强度高、密封性能好、适用范围广、拆卸、安装方便。

（3）螺纹连接也称丝扣连接，只有在连接螺纹的阀件和设备时，才能采用螺纹连接。螺纹连接时，在螺纹之间常加麻丝、石棉线、铅油等填料。现一般采用聚四氟乙烯作填料，密封效果较好。

（4）承插连接是化工管道中用作输水的铸铁管连接的主要方法。承插连接适用于铸铁管、陶瓷管、塑料管等。它主要应用在压力不大的上、下水管路。

三、流体流动的类型

1.流体流动的类型

在流体充满管道做稳定流动的情况下，流体的流动形态可分为层流和湍流两种类型，如图2-23。

（1）层流。流速较小时，流体内各个质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点之间互不混合，流体就如一层层薄薄的同心圆筒在平行地流动，层与层间互不干扰，不发生旋涡或扰动，这种流动形态称为层流或滞流。

图2-23 流体流动的类型

（2）湍流。流速较大时，流体内各个质点不再保持平行流动，而是彼此碰撞，相互混合，作不规则的流动，流体总的流向虽然不变，但各质点的流速大小和方向都随时间发生变化，存在着旋涡或扰动，这种流动形态称为湍流或紊流。即便在管道内的流体主要处于湍流时，在紧靠管壁处还总存在着层流的薄层，这薄层称为层流内层。

2.流体流动的类型判断

实验证明，影响流体流动类型的因素主要与流体的密度ρ、黏度μ、流速u和管内径d等因素有关，并可以用这些物理量组成一个数群，称为雷诺准数（Re），用来判定流动型态，如图2-23所示。

雷诺准数，无单位。Re大小反映了流体的湍动程度，Re越大，流体流动湍动性越强。计算时只要采用同一单位制下的单位，计算结果都相同。黏度是表征流体黏性大小的物理量，是流体的重要物理性质之一，流体的黏性越大，μ值越大。其值由实验测定。黏度的法定计量单位是Pa·s；但在工程手册中黏度的单位常用物理单位制，泊（P）或厘泊（cP）表示。它们之间的关系是：1Pa·s =10P=1000cP。

当Re≤2000时，流体的流动类型是稳定的层流。当Re≥4000时，流动类型是湍流。当Re数值在2000～4000时，流动类型不固定，可能是层流，也可能是湍流，通常称为过渡流。

流体处于湍流状态时，由于流体的质点相互混合，对提高传热和传质速率有利，且可增大流体的输送量。因此生产中一般要求流体处于湍流状态。在生产条件下，由于管径、流体的密度和黏度均已确定，影响流动类型的主要因素是流速，因而，减少流体的流速，流体的流动类型将为层流；增大流体的流速，流动类型将为湍流。

【例2-4】在20℃条件下，油的密度为830kg/m³，黏度为3cP，在圆形直管内流动，其流量为10m³/h，管子规格为ϕ89 ×3.5mm，试判断其流动型态。

解：已知ρ=830kg/m³，μ=3cP=3 ×10^-3（Pa·s）

d=89-2 ×3.5 =82mm=0.082（m）

则

因为Re＞4000，所以该流动型态为湍流。