一文搞懂異徑管（變徑管）設(shè)計安裝要點
撰文：蔣良君 成都華標(biāo)企管 首席顧問
最近在“中國設(shè)備管理群”Q群內(nèi)，有幾位群友發(fā)了關(guān)于異徑管的圖片問群友是否存在設(shè)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(shè)計或安裝問題，可根據(jù)現(xiàn)有的國標(biāo)、行標(biāo)進(jìn)行，以及管道介質(zhì)等具體判斷。以下資料，可供您參考：
1.泵與異徑管的國標(biāo)、行標(biāo)
1.1 SH 3012-2011《石油化工金屬管道布置設(shè)計規(guī)范》：
5.8.3 對于水平吸入的離心泵，當(dāng)進(jìn)口管有變徑時，偏心異徑管與泵的進(jìn)口間宜設(shè)置一段直管段。當(dāng)管道從下向上進(jìn)泵時，應(yīng)采用頂平安裝；當(dāng)管道從上向下進(jìn)泵時，宜采用頂平安裝，并在低點設(shè)置放凈；但輸送含有固體介質(zhì)或漿液時，水平管段上偏心異徑管應(yīng)底平安裝。
1.2 根據(jù)GB50316-2008 《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)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(yīng)靠近泵入口。
1.3 《化工管路設(shè)計手冊》2.4.3 泵的設(shè)計配管，如下圖：
1.4 異徑管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
GB 50316-2008 《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》 “6.5 非標(biāo)準(zhǔn)異徑管”
GB/T 12459-2017 《鋼制對焊管件類型與參數(shù)》“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(biāo)準(zhǔn)
HG/T 2129.24-1991 耐酸酚醛塑料制化工設(shè)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(shè)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(shè)計院有關(guān)異徑管設(shè)計規(guī)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(yīng)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(shè)一段至少有 3 倍管徑長的直管段， 對大型泵則直管段長應(yīng)為 5～7 倍管徑。當(dāng)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(dāng)泵入口管系統(tǒng)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(dāng)泵入口管系統(tǒng)中有U形部分時，應(yīng)在其高點設(shè)排氣口，一般情況不得有袋形。
2.4當(dāng)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(jìn)出口可用偏心異徑管或兩個45° 彎頭增大進(jìn)出口管間距，如圖：
2.5在泵入口和切斷閥之間的最底點設(shè)放凈閥， 排出物經(jīng)漏斗排至地下污水管道，如需回收排出物至低位槽時， 則應(yīng)另設(shè)地下管道。
2.6 泵出口管道一般應(yīng)配異徑管， 當(dāng)排出口在上部時， 應(yīng)配同心異徑管， 當(dāng)排出口在側(cè)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(shè)計與安裝要求，對離心泵進(jìn)口而言，平進(jìn)或下進(jìn)頂平（主要考慮不出現(xiàn)氣囊現(xiàn)象） ，上進(jìn)底平（主要考慮不出現(xiàn)液袋現(xiàn)象）頂平時可以保證沒有積氣，避免泵的汽蝕。對于頂平產(chǎn)生的積液一般都通過泵入口設(shè)置排凈解決。
有時，也需根據(jù)物料性質(zhì)和現(xiàn)場環(huán)境做決定頂平或底平，例如：進(jìn)口管道輸送介質(zhì)是清潔的液態(tài)，采用頂平，防止汽縛；輸送介質(zhì)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(guān)系
3.1管徑、壓力、流速的關(guān)系：可用流體力學(xué)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(jù)文獻(xiàn)《變徑管道流場分析》總結(jié)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(tǒng)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(biāo)行標(biāo)設(shè)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(tǒng)工作穩(wěn)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(yīng)符合GB/T 12459-2017 《鋼制對焊管件類型與參數(shù)》“表12異徑管尺寸”等標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)中對系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、快速性及準(zhǔn)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(qiáng)烈的渦流，形成的渦流，使周圍的壓力急劇降低，進(jìn)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(fù)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(dāng)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(wěn)定的層流狀態(tài)經(jīng)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(qiáng)烈的沖擊。
從圖3、圖4 的分析結(jié)果不難判斷出，管道中的流體在經(jīng)過緩慢的角度變化后，輸入層流有較小改變，但在經(jīng)過變徑后迅速恢復(fù)為層流，因此管道內(nèi)的流體狀態(tài)穩(wěn)定，沒有強(qiáng)烈的動量變化形成沖擊，這滿足理想的流體狀態(tài)，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(kuò)大管的流體基本上未產(chǎn)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(kuò)大處存有大量的空氣，需要經(jīng)過長時間、多次的排氣才能將內(nèi)部空氣排除。
根據(jù)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(wěn)定流動。
3.3閥門前后變徑：調(diào)節(jié)閥前后變徑是為了提高調(diào)節(jié)性能，在閥前變徑是為了提高閥前壓力使調(diào)節(jié)更加靈敏，更好地實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，在閥后變徑為了降低出口管的壓力，這樣才能確保調(diào)節(jié)閥的可調(diào)性好，調(diào)節(jié)精度高。
3.4根據(jù)中國特種設(shè)備檢測研究院《基于流場分析的管道內(nèi)腐蝕預(yù)測》：
中國特檢院曾對中石油某油田采氣廠的典型管件進(jìn)行了流場分析及內(nèi)腐蝕 /沖蝕模擬，以大小頭為例，數(shù)值模擬結(jié)果表明大小頭內(nèi)部的流速從靠近小頭部位開始增大， 最大流速出現(xiàn)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(xiàn)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(qū)域的含水率分析表明，含水天然氣在大小頭靠近小頭區(qū)域的含水率最高，具體如圖 所示。
這一分析結(jié)論大小頭實際生產(chǎn)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(guī)則。在需要定期測壁厚時，宜測沿介質(zhì)流向的小徑端，如圖：
4.設(shè)計在管道設(shè)計時選擇變徑常見原因
4.1根據(jù)國標(biāo)或行標(biāo)，結(jié)合實際需要，對泵的配管設(shè)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(biāo)準(zhǔn)與管道不同，通常在在泵入口要縮徑，泵出口要擴(kuò)徑。
4.3一般管道上的調(diào)節(jié)閥也大部分要進(jìn)行縮徑，為了使得調(diào)節(jié)閥獲得良好的調(diào)節(jié)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(chǎn)生柱塞流。因此對變徑要根據(jù)不同的部分進(jìn)行分析。
4.5如果設(shè)計已經(jīng)確定工藝管線，那么管道直徑和變徑就基本確定，如果在設(shè)備選型時忽略管道直徑問題，極易出現(xiàn)設(shè)備管徑與工藝管道直徑不匹配，設(shè)備已經(jīng)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(bǔ)。一般情況不會對生產(chǎn)造成大的影響，管道直徑變化會造成管道內(nèi)介質(zhì)流速變化（壓力變化），縮徑流速加快、壓力增大，擴(kuò)徑流速減慢、壓力變小。因為設(shè)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(yè)文章
《變徑管道流場分析》李永峰 《太原科技大學(xué)學(xué)報》-2011
《管道彎管段沖刷腐蝕機(jī)理與流體動力學(xué)特征》曾莉《華中科技大學(xué)》 - 2017
《變徑管段沖刷腐蝕與流體動力學(xué)相關(guān)性研究》 尚坦 等; 《第十屆全國腐蝕大會摘要集》-2019年期
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