非金属管道设计的基本原则

本文介绍目前国内常用非金属管道情况，并提出在设计非金属管道时应遵循的一些基本原则，着重介绍设计时考虑的各种因素。

关键词非金属管道设计选用因素

非金属管道具有耐腐蚀、耐磨性、重量轻、良好的柔性、电绝缘性、加工成型方便等独特性能，因而，广泛应用于工程中。特别是在金属材料无法耐腐蚀或选用高级合金材料投资太高的情况下，更非它莫属。目前非金属管道发展迅速，品种众多，如何正确合理选用各种非金属管道，是设计者面临的一大难题。为了适应工程上的需要，本文根据国内有关规定及标准，参考美国ASMEB31.3标准，提出一些有关的设计原则供设计者参考。

1 选材考虑原则

(1)选用非金属防腐管道时，应考虑下列因素：

a．设计温度下的拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、剪切强度和弹性棋盘(长期的和短期的)；

b．设计条件下的蠕变特性；

c．确定许用应力的基础及其影响因素所取数据的可靠度；

d．材料的延伸率及热膨胀系数；

e．耐冲击性和冷热急变性；

f．操作中可能出现的温度极限及材料所能承受的温度范围；

g．材料转化温度：熔化和气化温度；

h．气孔的渗透性；

i．试验方法；

j．接头连接方法及可靠性；

k．操作中损坏的可能性。

(2)综合常用非金属管道道采取绝热防护措施，以防止环境温度超过设计温度可按表1考虑。

2 设计温度设计温度应取流体温度。如管道安装环境温度超过设计温度时，应取环境温度为流体温度，或对管道采取绝热防护措施，以防止环境温度超过设计温度时管道受热。

3 非金属材料对流体输送的限制

(1)一般限制

非金属材料对高温、震动、振动和误操作较敏感，在流体输送中应采取安全保护措施。

本限制适用于管道受压零部件，不适用于支架、衬里、垫片和填料等。

(2)特殊限制

热塑性塑料

l．不适用于在地面上输送可燃性流体。

a．当用于输送D类以外的流体时*，应采取适当的安全防护措施。

②增强热固性树脂当用于输送D类以外的流体时，应采用适当安全防护措施。

③硼硅玻璃和陶瓷

a．应考虑它没有延性，耐温急变性差，对热冲击和机械振动的敏感性。

b．不能用于输送有毒的易燃的介质。

4 非金属管道的压力设计(1)直管的最小壁厚按下式计算tm=t+c式中：tm —最小管壁厚度(包括壁厚附加显)，mm；t—设计厚度；承受内压时按4.1.1规定，承受外压时按4.1.2规定；c—壁厚附加量，包括制造厂的负公差加工余量、机械余量(螺纹或开槽)等。对带螺纹的组件，采用：A类：有毒流体(包括剧毒和一般有毒介质)；B类；易燃流体；C类：非易燃和无毒流体；D类：非易燃和无毒流体(使用范围：设计力，P≤1.05MPa，设计温度：-29~+186℃)。用公称螺纹深度。对于未规定公差的机械加工面或槽口，其公差为在规定的切割量外再加0.5mm。

①承受内压的直管内压设计厚度t按下式计算：t=PD/2[σ]t 式中：P—设计内压力(表压)MPa D0—管子外径，mm；[σ]t—设计温度下的材料的许用应力。

②承受外压的直管外压设计厚度计算较烦，若必须计算时按HGJ8—87第114页中E4.2.1.3规定确定。

4 使用非金属管件时应考虑的因素

(1) 用热风焊接的热塑性管道预制支管连接件，应将支管插入主管开孔内。主管上开孔应开成450坡口形式。

(2) 用粘接工艺连接热塑性管道的予制支管连接件，应采用整体承口加工的全补强鞍座结构。

(3) 用粘接工艺连接的增强热固性树脂管道予制支管时，应采用全补强鞍座结构。鞍座上应具有承口或一段整体的支管段，并外伸出足够的长度。

(4) 非金属管道法兰应具有合适的密封面，相关的垫片及螺栓连接，使其能达到额定的最大设计参数和承受外部载荷。

(5) 选用垫片时，应使所需的密封负荷与法兰的额定参数和密封面、法兰强度及其螺栓连接相适应。垫片材料应适合相应的条件。

(6) 热塑性管道的螺纹接头应符合下列规定：

a．管壁厚度至少应与规定的管子同等厚；

b．应确定螺纹型式标准是NPT(600)还是PT(550)；

c．螺纹应符合相应标准；

d．应采用合适的螺纹润滑和密封剂。L

(7)增强热固性树脂管道的螺纹接头应符合下列规定：

a．外螺纹应在特制壁厚管端上，在工厂内切制成或用模压法制成；

b．相配的内螺纹应在工厂内切制或模压在管件内；

c．不允许在增强热固性树脂管子未加厚的管端上切制外螺纹，除非此螺纹与内螺纹相结合仅机械锁紧作用，而内螺纹又位于管件的承口处。

6 非金属管道的膨胀和柔性，

(1)管系设计及布置时，应尽量使管道的膨胀、收缩和其它原因产生的位移引起的应力达到最小值，以防止发生下列不利因素：a．因过度应力或疲劳而损坏管道；b．支承件、管端连接设备因管系的推力和力矩过大，产生应力或变形，甚至破坏；c．接头处发生泄漏。

(2)增加管道柔性的措施管道布置设计时，改变管道走向，可使管道具有内在柔性，使位移转化为弯曲和扭转应变，不超过规定的极限范围。并可尽量减小其轴向拉伸或压缩应变，不致产生较大的反作用力。如管系处于不平衡状态或走向不合理时，可能会产生较大的反作用力或有害的过量应变。当对管道系重新调整确有困难时，可采用下列一种或几种措施增加其柔性：

a．选用弯头、环形管或偏心管；

b．选用波纹管、波形的或滑动连接式的膨胀接头，或其它允许有移动或转动的装置；

c．必要时对应采用合适的锚固件、拉杆或其它设施，以承受由于流体压力、摩擦阻力和其它原因产生的端部作用力。

(3)位移应变管道由于热胀冷缩受到某些约束，以及受到外水位移作下而引出的管道位移应变概念，原则上适用于非金属管路。但要注意，金属管道分析中关于材料的弹性假设对于非金屈管道是不适用的。非金属管道的分开生则应视具体情况而定，如：·在热塑性塑料如某些热固性树脂管中，位移应变不一定会造成管道立即损坏，但有可能产生永久性有害变形，特别是热塑性管道，反复的交变循环或长时间暴露于高温下都可能使它发生递增的变形；

·脆性管道(如陶瓷、玻璃等)和某些热固性数脂管道，其破坏的原因常常是由于过度的应变而产生较高的位移应力，直至突然发生破裂。

(4)位移应力非金属管道位移受到约束时；也会产生位移应力，但其应力—应变特性不同于金属管道，其应力(柔性)分析应根据具体材料而定。

如热塑性和热固性管道，即使出现较低的总位移量，也会产生过量的塑性应力。脆性管道应变一开始就产生较大的弹性应力，过量应变会导致管道突然损坏，而不足产生塑性变形。

(5)冷紧

冷紧是在管道安装时人为地造成管道变形(预拉伸)，以产生预期要求的初始位移和应力。以它来平衡初始位移状态和最终位移状态下的应力值。如能恰当地使用冷紧，则可以减小管系在运行初期的应力和管端对连接设备的作用力(瞬态值)，使管系较快达到应变自平衡。由于冷紧需要对管道进行预拉伸，因此对于延展性低或短的大管径的管道材料不推荐使用。在运行初期，管系中的悬吊装置会因冷紧而偏离原始位置，但由于冷紧变形量较小，一般是允许的。但在计算应力范围或计算推力和力矩中不应考虑冷紧的作用。

(6)管道柔性分析的特性参数

热膨胀系数在应力分析中按下列规定进行：

c．应力范围值：在应力范围的计算中，确定总位移应变中的热位移值所需线膨胀系数；

d．反作用力数值：对管道支架和连接设备（接口）的反作用力计算中，应正确选用线膨胀系数；弹性模数常用非金属材料的弹性模数为实验植，而一般条件下的实验数据与某些特定条件下（如载荷、温度、试件方位、纤维加强方式等）实际有效弹性摸数之间可能存在差异。在可能的情况下，应以可靠的实际有效值为准。

泊松比根据材料和温度的不同而变化，应视具体情况确定。

尺寸在进行柔性分析计算时，才用管子和管件的公称外径和厚度。

非金属管道的柔性分析下述管系不需柔性分析：

a．运转良好装置的复制管系，或曾运转良好而没有重大改动的更换管系；

b．与已分析通过的管系比较，肯定具有足够柔性的管系；

c．根据制造厂有关规定，管系布置采用较安全的内在柔性安全系数，或采用有效而可靠的方法。凡不符合上述情况的管系，应采用适合其具体情况的应力分析方法，验证管系是否具有足够的柔性。⑥位移应特别注意管道J；B对于支架和只有小间隙的移动(线位移和角位移)。在确定支管所需要的柔性时，应考虑主管在与小支管连接处的移动。

7 非金属管道的支承件设计

(1) 非金属管道的支架

对非金属管道的支架、导向件和锚固件的选用原则应符合第6节规定和要求。对于热塑性塑料管道，其支架端面不得有尖锐的边缘，以免划伤管道，并应是连续的或是相隔成合理的间距，用以防止热变形造成过分下垂。设计者应考虑制造厂非金属管道推荐的支架。

(2)脆性管道的支架支架的设计应防止划伤管道表面，在管道布置设计时应考虑减振和隔振措施。支架应能牢固支撑管道，但又不得阻碍其膨胀或其他位移(移动)。对锚固点的设置要慎重，在任何无膨胀接头的直管道上不得装设一个以上的锚固点(即在两固定点间禁止直线连接)。较重的阀门和管道上的设备应单独支撑，以免将其重量载荷传递到管道上。处于交通区内的支架应考虑装设必要的安全防护措施。

8 非金属脆性管道的连接

(1) 硼硅玻璃管道为了弥补管道制造图与现场实场安装尺寸之间的误差，可按需要长度将管子制成无法兰的短节，并在施工现场进行精加工，以满足装配和使用的要求。缺陷的修复对于非金属脆性管道，凡不符合本节规定或不符合工程设计要求有缺陷的材料、接头或其他制作，都应进行修复或更换。修复或更换完成后，应采用于原工件相同的缺陷限制范围及检验方法进行检验。