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、行標進行，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、行標
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)進口管有變徑時，偏心異徑管與泵的進口間宜設(shè)置一段直管段。當(dāng)管道從下向上進泵時，應(yīng)采用頂平安裝；當(dāng)管道從上向下進泵時，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)計標準
GB 50316-2008 《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》 “6.5 非標準異徑管”
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可參考標準
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， 進出口可用偏心異徑管或兩個45° 彎頭增大進出口管間距，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，對離心泵進口而言，平進或下進頂平（主要考慮不出現(xiàn)氣囊現(xiàn)象） ，上進底平（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《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（指按國標行標設(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”等標準的要求，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烈的渦流，形成的渦流，使周圍的壓力急劇降低，進而形成真空，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)國標或行標，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準與管道不同，通常在在泵入口要縮徑，泵出口要擴徑。
4.3一般管道上的調(diào)節(jié)閥也大部分要進行縮徑，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。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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