第一节　地下管道基本概念

管道由于用途不同，制备的材料、加工工艺也是不同的。一般提及管道的特征参数是指材料、管径、厚度、粗糙度、长度、管件，更严格的还可分为无缝管、有缝管、螺旋管、压力管等。材料是管子的第一特征，它不仅关系到管子的使用寿命，而且关系到管子的耐压能力以及安装方式。管件是将管子连接构成管道的主要部件，涉及管子的连接、分叉、拐弯以及输送流体的控制。因此，它属于管道的一部分，一般管道都有相对应的管件。

一、管道常用材料

大多数金属材料、高分子材料、无机材料都可以加工成不同尺寸的管子，但为了通用性和互换性，没有特殊要求时，常用的地下管子有规范的尺寸和材料。常用的地下管道主要有以下五种。

1.普通碳钢管

标准的碳钢管长度一般为6m，为普通低碳钢材料，主要用于自来水管网、热力管道、煤气的进户管网等。为了防止腐蚀，常在管子表面进行镀锌防护。

碳素钢是指含碳量小于1.35%，并含有少量的硅、锰、镍等其他合金元素的铁碳合金。按钢中碳的质量分数分类，碳素钢可分为碳含量≤0.25%的低碳钢、碳含量在0.25%～0.6%的中碳钢和碳含量大于0.6%的高碳钢。合金元素中锰含量小于0.8%，硅含量小于0.5%，镍、铬含量小于0.3%。碳素钢按杂质硫、磷的质量分数可分为：硫含量≤0.055%、磷含量≤0.045%的普通碳素钢，硫含量≤0.040%、磷含量≤0.040%的优质碳素钢，硫含量≤0.030%、磷含量≤0.035%的高级优质钢。

2.地下水管

地下水管道主要分为供水管道和排水管道。目前市售地下供水管道系统中，采用灰口铸铁、球墨铸铁及不锈钢材质的管道占了我国供水管道的大部分。灰口铸铁是碳含量在2.7%～4.0%之间的铸铁管道，可在高压下使用，并具有耐腐蚀、成本低等优点，但灰口铸铁也存在硬而脆的缺点，且质量大、施工难度较高。球墨铸铁是由灰口铸铁铁水经球化处理后获得的，析出的石墨呈球状，具有较高的强度、韧性和塑性，已逐渐取代传统的灰口铸铁，但其价格较高。对于城市给水管道，在使用过程中为了保证水质，管道内部会使用水泥砂浆作衬里，外壁用沥青等防腐材料进行涂刷。

3.输油管

目前，我国国内用于输送含硫原油的管线材质通常是16Mn钢，其化学成分为：碳含量0.12%，硅含量0.33%，硫含量0.017%，锰含量1.27%，磷含量0.020%。16Mn钢的屈服强度为341MPa，拉伸强度为490MPa，断裂伸长率为293%。

4.天然气输送管

由于早期天然气的输送动力仅靠天然气井口的压力，所以对输送管道的抗压要求不高，早期采用的管道为竹木管，后改为铸铁管。随着输送压力的逐渐提高，19世纪90年代，天然气管道开始采用钢管。由于输送距离越来越长，以及世界对天然气需求量的日益增加，输送管道朝大口径、高压力方向发展。西气东输工程中主要使用的是我国试制的X70螺纹钢管，管径为1016mm，壁厚为14.6～26.3mm，输送压力为10MPa。X70管线钢中碳含量≤0.16%，硅含量≤0.45%，锰含量≤1.70%。在西气东输二线工程中已经成功使用X80管线钢，其管径为1219mm，壁厚为22mm，输送压力为12MPa。而对于更高级别的X90、X100管线钢和管线焊管仍处于实验研究阶段。2012年，我国立项了“X90、X100高强度管线钢（管）技术开发及应用”的专项课题，旨在“西气东输”三期工程中进行该级别管线的试验铺设。

5.高分子管

高分子管材与传统的金属、水泥管道相比，具有质轻、耐腐蚀、热导率小、绝缘性能好、内部不易结垢、流动阻力小、易加工、施工安装和维修方便等优点。发达国家早在20世纪30年代就开始生产应用，目前已经广泛用于住宅建筑、市政工程、农业和工矿企业等各个领域。其中，硬聚氯乙烯（UPVC）管是各种高分子管道中消费量最大的品种，它可用于非压力管网，例如给水管道、市政排污管、工业下水管、电工穿线管等。聚乙烯（PE）管则主要用于给水管和燃气管。除此之外，无规共聚聚丙烯（PPR）管也被大量使用，主要用于冷、热水管道及工业上的腐蚀性气体、液体、固体粉末的工艺管和排放管。

二、管壁粗糙度

铺设管道按其材质的性质和加工情况，大致可分为光滑管与粗糙管。通常把玻璃管、黄铜管、塑料管等列为光滑管；把钢管和铸铁管等列为粗糙管。实际上，即使是采用同一材质管子铺设的管道，由于使用时间的长短与腐蚀、结垢的程度不同，管壁的粗糙度也会产生很大的差异。

管壁粗糙度可用绝对粗糙度与相对粗糙度来表示。绝对粗糙度是指壁面凸出部分的平均高度，以ε来表示。表1-1列出了某些工业管道的绝对粗糙度数值。在选取管壁的绝对粗糙度ε值时，必须考虑到流体对管壁的腐蚀性、流体中的固体杂质是否会黏附在壁面上以及使用情况等因素。相对粗糙度是指绝对粗糙度与管道直径的比值，即ε/d。

三、管子直径

管子直径的表示方法分为公称直径、平均直径、管子内径、管子外径乘壁厚等几种表示方法。

1.水煤气管

水煤气管用于输水、输煤气等时，大多采用公称直径表示管子直径。公称直径既不是管子的内径，也不是管子的外径。它是管子内径的数字取整后的一种表示方法。这种表示方法工程上被长期采用，并一直延续下来，一般用in（1in=0.0254m）表示。例如，1″管子，其管子的外径为33.5mm，厚度为3.25mm，则内径为27mm，内径接近1″，因此人们称为1″水管。水煤气管规格如表1-2所列。

2.无缝钢管

无缝钢管大多采用外径乘壁厚的方法表示管子直径。例如，ϕ108mm×4mm，表示管子的外径为108mm，壁厚为4mm；无缝钢管厚度变化较多，适用于不同的高压场合，因此必须给出管子的壁厚。普通热轧无缝钢管规格和常用冷轧无缝钢管规格如表1-3、表1-4所列。

3.铸铁管

铸铁管常用于城市下水管道，有些也用于低压供水管。铸铁管一般用管子内径表示管径，例如ϕ_内75mm，也被称为公称直径为75mm的铸铁管。部分铸铁管规格如表1-5所列。

4.塑料管

塑料管是近些年发展起来的，为了与现有钢铁管相匹配，因此，一般的塑料管的管径没有特别说明，与钢铁管的规格是相同的，常采用无缝钢管的表示方法，即管子外径乘壁厚。

5.管件

管件是管道的重要部分，管件包括活接头、变径接头、阀门、弯头、三通、四通、堵头、流量计等，它的管径一般与所连管道的直径相同时，才便于安装。即使管道材料与管件材料不同，但其连接部位的管径是相同的。例如，水煤气管道中使用的连接活接头，若水煤气管直径为4″，连接活接头也为4″，但4″活接头的内径和外径显然与主管道不同，但仍称为4″活接头，是指它可以把4″管子连接起来，方便工程施工和安装。

四、管道长度与直径设计

1.管道长度设计

管道直径设计与管道的长度、管道的流量是密切相关的。一般来讲，工业生产的标准管子长度为6m，而管道是一节一节管子连接而成的。管道设计得长，不仅浪费材料，而且由于流体在管道内产生阻力，使同样管径的管道流速变小，达不到预期流量。因此，在管道设计时，应尽可能使管道长度变短；若管道长度变短，同样流量下管道的直径也可能变小。在化工设计中，为了节约钢材，化工设备中使用的列管一般以6m、3m、2m、1m的长度为宜，这样一根6m的管子截下部分也可以作为另一列使用。列管换热的长度如图1-1所示。

2.经济管径设计

经济管径是指管道投资费用和管道内流体流动需要的动力费用均为最低时的管道直径。一般来讲，管道直径小，需用的钢材少，则投资低，但要完成一定的流体输送量时，管道直径小，流体在管内的流速高，高流速消耗的动力大，则日常用于动力的消耗费用高。两者之和为最低时的管径为经济管径，如图1-2所示。

经济管径取决于管道内的经济流速，根据物料守恒定律：

　　（1-1）

式中，V为体积流量；d_内为管子直径；u为管内平均流速。

　　（1-2）

根据经验，管道内经济流速的范围见表1-6。

经济管道的计算方法如下所示。

【例】　某输水管道要求输水50000kg/h，水的密度取1000kg/m³，试选一合适的输水管。

解　根据物料守恒定律

ω=Vρ

式中，ω为质量流量，kg/h；V为体积流量，m³/h；ρ为密度。

计算出体积流量

又因为

所以

由表（1-6）可知，水的经济流速为1.5～3.0m/s，因此选择供水的流速为2m/s，

即

查水煤气管规格表，所选的管径与ϕ108mm×4mm相近，则选用ϕ108mm×4mm。

由于所选管径与计算的管径不相同，因此必须重新核定管内的流速，只有管内流速在经济流速范围内，所选的管径才是经济管径。选ϕ108mm×4mm无缝钢管，管内径为d_内=108-2×4=100（mm），则

管内流速在1.5～3m/s的经济流速范围内，因此，所选管径为经济管径。