影響潔凈管道可清洗性因素的分析——對ASME BPE-SD 篇中“死角”的定量分析

戴欣

（德西尼布天辰(天津)化學(xué)工程有限公司上海分公司，上海 200031）

ASME BPE 標(biāo)準(zhǔn)中“SD-2.4.2 可清洗性”，第（1）條規(guī)定“所有的表面都需要能被清洗到?！?；第（4）條規(guī)定“所有的物料接觸表面都應(yīng)具有能被清洗介質(zhì)清洗到的可能，應(yīng)該具有能按照工藝清洗流程確定清洗效果的可能?！盵1]。BPE 標(biāo)準(zhǔn)中建議對于潔凈管道系統(tǒng)的死角要“L/D ≤2”。“L/D ≤2”僅是一個(gè)建議，業(yè)主或者使用方是有權(quán)力要求系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造商盡一切可能消除“L/D”大于2 的支管，同時(shí)標(biāo)識出在系統(tǒng)中“L/D”大于2 和在實(shí)際情況上無法滿足“L/D ≤2”的支管[2]。那么如何實(shí)現(xiàn)BPE 標(biāo)準(zhǔn)的可清洗性原則？如何處理“L/D ≤2”？如何進(jìn)行定量分析？各個(gè)因素對于死角會有什么影響？工程設(shè)計(jì)中具體處理流程如何？

1 “L/D ≤2”要求

圖1 L 和D 示意

見圖1，對于“L/D ≤2”還是比較好理解的，幾個(gè)行之有效的方法是[3]：

（1）在主管上連接的儀表件和管件，盡量使用BPE標(biāo)準(zhǔn)附表DT-4.1.2-2 和DT-4.1.2-7 中的短出口標(biāo)準(zhǔn)直角三通。

（2）探入主管中心線附近，且受元件制造尺寸限制的管件和儀表件，例如溫度計(jì)，盡量裝在管道走向直角拐彎處并使用BPE 標(biāo)準(zhǔn)附表DT-4.1.2-3 中的標(biāo)準(zhǔn)件。

（3）三通向上或者水平安裝，防止積液。

除上面3 條，不滿足死角要求的三通或四通的支管高度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)至少可以切割至和短出口標(biāo)準(zhǔn)直角三通支管段相同的高度，尺寸參見BPE 標(biāo)準(zhǔn)附表DT-4.1.2-2 和DT-4.1.2-7。另外必須和制造商達(dá)成以下幾點(diǎn)協(xié)議，處理流程見圖2。

（1）使用專業(yè)工具切割管件。

（2）切割尺寸至少可以手工氬弧焊接。

（3）焊縫內(nèi)外表面目測。內(nèi)表面光潔度達(dá)到BPE標(biāo)準(zhǔn)SF2 級。

（4）焊縫100%射線探傷且不低于AB 級和JB/T 4730.2 的Ⅱ級。（GB50235 中8.6.2 條第4 款和8.4.3 條第2 款，GB50184 中8.2.1 條第1 款）[4,5]。

處理后仍有支管無法滿足“L/D ≤2”，但這些努力滿足“盡一切可能消除L/D 大于2 的支管”[2]的指導(dǎo)原則。以上措施會增加成本和時(shí)間，建議用下面的閥來代替。對于配管和制造來說更簡便，也滿足BPE標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)于清洗性的建議。工程各方要尋求經(jīng)濟(jì)和技術(shù)結(jié)合的最佳方案，見圖3（圖片從http://pic.sogou.com 截?。?。

圖2 工程設(shè)計(jì)中的死角處理流程

圖3 注射用水循環(huán)系統(tǒng)閥門

2 死角定量分析理論

2.1 理論與數(shù)學(xué)模型

管件切割至和短出口標(biāo)準(zhǔn)直角三通支管相同的高度，這個(gè)措施在實(shí)踐中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但畢竟是經(jīng)驗(yàn)性的。若處理后的管件還是不滿足“L/D ≤2”，那么是否能實(shí)現(xiàn)BPE 標(biāo)準(zhǔn)中的“可清洗性”？即使?jié)M足了“L/D≤2”，也只是一個(gè)建議的值，針對業(yè)主或者使用方更高的要求，BPE 標(biāo)準(zhǔn)“并不限制新的或者可能更好的設(shè)計(jì)方式”[1]。究竟什么樣的尺寸能達(dá)到目的？這說明設(shè)計(jì)者需要一套理論工具定量判斷“可清洗性”的實(shí)現(xiàn)程度。

在管道內(nèi)部是氣液兩相流，基本滿足牛頓黏性的定義。因?yàn)榉肿娱g力的影響，在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生了分子與分子間的速度傳遞。對大多數(shù)生產(chǎn)情況下管道內(nèi)的介質(zhì)為湍流，當(dāng)流體截面突然放大或縮小時(shí)會產(chǎn)生渦流。水平安裝的支管是容易清洗的，但垂直向上安裝的支管可能會導(dǎo)致頂部集氣或者物料殘留[6]。潔凈管道不推薦死角向下。定態(tài)流動的理想流體在理想環(huán)境下，對于一個(gè)有死角的管件來說，必然滿足4 大定律：能量守恒定律、動量守恒定律、質(zhì)量守恒定律和理想氣體方程。對于能量守恒定律，前后流體狀態(tài)：

壓強(qiáng)能1+ 動能1=壓強(qiáng)能2+ 動能2+ Δ 勢能 + Δ能量損失 （1）

Δ 勢能=Δ 重力勢能，當(dāng)流體穩(wěn)定后是定態(tài)流動，所以支管內(nèi)殘留氣體的狀態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定，氣體完成壓縮后，流體不再對氣體做功，則Δ 空氣勢能在定態(tài)流動的情況下為0。

對于質(zhì)量守恒定律，前后流體狀態(tài)：

質(zhì)量流量1=質(zhì)量流量2（2）

因?yàn)榍昂鬆顟B(tài)的流體速度未知，所以這里主要使用能量守恒定律，質(zhì)量守恒定律和理想氣體方程?？紤]到管件中實(shí)際的流體情況太過復(fù)雜，所以在理論推導(dǎo)前根據(jù)實(shí)際情況建立一個(gè)簡化的數(shù)學(xué)模型，而后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)修正，見圖4。

圖4 簡化模型和各參數(shù)示意

2.2 能量守恒關(guān)系式

假設(shè)一段瞬間長度為dx的液柱，前一狀態(tài)液柱位于A2處，順液體流向流過管件，dx無限小。后一狀態(tài)液柱位于A3處，用水柱高度來表示能量，單位m，則根據(jù)式（1）：

ρ — 清洗液體密度，液體為極難壓縮流體，故認(rèn)為前后狀態(tài)的密度相同；

P1— 后一狀態(tài)的液柱壓強(qiáng)；

P2— 前一狀態(tài)的液柱壓強(qiáng)；

u2— 前一狀態(tài)的液柱平均速度；

u3— 后一狀態(tài)的液柱平均速度；

g — 重力加速度。

2.3 質(zhì)量守恒關(guān)系式

對于一個(gè)管件，進(jìn)出質(zhì)量相同。這里假設(shè)液體是不可壓縮，不可吸收，不可揮發(fā)的理想液體，氣室內(nèi)的氣體是不溶解和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的理想氣體，恒溫。這些假設(shè)可以大大簡化理論上的推導(dǎo)，而后產(chǎn)生的誤差通過實(shí)驗(yàn)修正。則根據(jù)式（2）：

A2— 前一狀態(tài)的液柱的截面積，這里是主管的截面積。

A3— 后一狀態(tài)的液柱的截面積，這里是沿主管徑向。

2.4 理想氣體方程

對于氣室，恒溫理想氣體有：

Po— 氣室的初始壓強(qiáng)；

Vo— 氣室的初始體積；

P ' — 壓縮后的氣室壓強(qiáng)；

V ' — 壓縮后的氣室體積。

2.5 直管壓力降公式

ΔH能損— 用液柱高度表示的壓力降，單位m；

λ — 阻力系數(shù)，是內(nèi)表面粗糙度ε 和雷諾數(shù)Re 的函數(shù)，見2.9 節(jié)；

u2— 介質(zhì)速度，根據(jù)簡化模型這里與主管流速u2相等；

L — 介質(zhì)流程；

d2— 當(dāng)量直徑，根據(jù)模型與主管內(nèi)直徑相等；

ε — 內(nèi)表面粗糙度。

其中雷諾數(shù)Re=d2u2ρ/μ[7]（7）

2.6 截面積

A1— 支管截面積；

A4— 支管液體沿主管軸向的截面積；

d1— 支管內(nèi)直徑；

d2— 主管內(nèi)直徑；

d3— 后一狀態(tài)液柱的當(dāng)量弦長；

h1— 支管死角高度，在后面的計(jì)算中，也把h1看成死角最大允許高度；

h — 液柱高度；

α — 為了便于理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)修正，設(shè)置的一個(gè)量綱，可以稱之為當(dāng)量弦長系數(shù)；

dx— 前一狀態(tài)液柱的瞬間長度。

2.7 ΔH重力勢能的推導(dǎo)

流體靜力學(xué)中的能量守恒方程適合水平面，而模型中A2和A3是豎直面，需要另立方程。前一狀態(tài)液柱的瞬間長度為dx，前后液柱質(zhì)量與體積不變，那么后一狀態(tài)液柱長度為A2?dx/ A3，m 為A2dxρ。因?yàn)?ΔH重力勢能積分的過程繁瑣，這里略過 。

H2— 后一狀態(tài)的重力勢能；

H1— 前一狀態(tài)的重力勢能；

m — 長度為dx的液柱質(zhì)量；

dm，dm′ — 前后狀態(tài)的液柱中的質(zhì)量微元；

dv，dv′ — 前后狀態(tài)的液柱中的體積微元；

h2— dm，dm′的標(biāo)高，假設(shè)主管內(nèi)直徑最低點(diǎn)為標(biāo)高EL.±0.000m；

dh2— 液柱標(biāo)高微元。

其中dm=ρdv= f （d2, dx, h2）ρdh2, dm′=ρdv′=f′（d2, d3, dx, h2）ρdh2。

2.8 氣室和液柱壓強(qiáng)

根據(jù)理想氣體方程式（5），設(shè)氣室初始壓強(qiáng)為大氣壓

定態(tài)流動時(shí)，氣室內(nèi)的氣體狀態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定，所以P′= P1。理論上只有液柱接觸到死角頂端，才可能實(shí)現(xiàn)“可清洗性”。因?yàn)楹罄^的渦流會將氣室內(nèi)的空氣逐步帶走，直至死角填滿液體，并且靠破碎的渦流清洗表面。多余的能量越多，渦流就會破碎得更小，實(shí)現(xiàn)更好的清洗效果。直至流體局部消耗完多余的能量，變成層流。此時(shí)h=h1，P′與P1有臨界值：

再將式（8）（11）（12）（13）代入整理，臨界值為：

這里觀察式（17）和式（18）可以得到一個(gè)重要結(jié)論，P′和P1的臨界值除了和初始支管壓強(qiáng)Po有關(guān)外，僅與當(dāng)量弦長系數(shù)α 值有關(guān)。

2.9 ΔH能損的推導(dǎo)

根據(jù)直管壓力降公式（6）和式（13）：

Re、λ 和ε/d2的曲線圖在各種關(guān)于流體靜力學(xué)的文獻(xiàn)中普遍收錄，所以在后文中，計(jì)算λ 時(shí)請根據(jù)Re和ε/d2去查λ 的值，本文不再粘貼此曲線圖。ε/d2是相對粗糙度，不過本文查圖和計(jì)算時(shí)必須用βε/d2來替換ε/d2，一般工藝流體處于湍流區(qū)：

當(dāng)4 000 ≤Re ＜396（d2/εβ）lg（3.7 d2/εβ） 時(shí),流動處于湍流過渡區(qū)[8]：

當(dāng)396（d2/εβ）lg（3.7 d2/εβ）≤Re 時(shí)，流動處于完全湍流區(qū)，此時(shí)λ 與Re 無關(guān)[8]：

ASME BPE 要求其內(nèi)表面的光潔度在25 μin（0.6 μm）以內(nèi)[6]，所以ε ≤6×10-7m。支管在主管上開孔，β 的含義是相比未開孔的情況，在介質(zhì)流程L 內(nèi)，主管還剩下多少百分比的內(nèi)表面積。β 是當(dāng)量弦長系數(shù)α、內(nèi)直徑d1和d2的函數(shù),根據(jù)簡化數(shù)學(xué)模型，液柱是少了這一段管壁的摩擦，所以有必要計(jì)算β，求解過程見2.11 節(jié)。對于一個(gè)特定的管件，d1與d2已知的，那么就可以得到，針對某種特定管件β 值的λ、Re 和（εβ/d2）的曲線圖。不過因?yàn)楹喕藢?shí)際情況，λ 和Re的對應(yīng)值要通過實(shí)驗(yàn)校正。雖然沒有新的曲線圖,但不妨礙理論推導(dǎo)。觀察式（19）和（20）可以得出一個(gè)重要結(jié)論，ΔH能損與支管高度h 無關(guān)。

2.10 ASME BPE 死角計(jì)算方程組

經(jīng)過前文的準(zhǔn)備工作，現(xiàn)在將各變量帶入式（3）、式（4）、式（17）和式（18）得：

這里ΔH重力勢能最后結(jié)果過于冗長不再列出，參見2.7 節(jié)。一個(gè)具體的管道系統(tǒng)來說d1、d2、P2、u2已知，h=h1時(shí)液柱達(dá)到最大高度，這是臨界點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)理論上的清洗。 λ 可以由u2確定。觀察上個(gè)方程組發(fā)現(xiàn)有α、P1、u3和h1四個(gè)變量卻只有三個(gè)可用方程。這是因?yàn)楦鶕?jù)動量守恒定律，實(shí)際上從前一狀態(tài)液柱到后一狀態(tài)液柱還有：

其中F平均推力、F平均阻力和t 很復(fù)雜，無法確定，且前文中的簡化模型不適合這個(gè)方程,必須找到另外的數(shù)學(xué)求解方法。經(jīng)過初步試算，可以確定式（24）和式（26）中各項(xiàng)大概的數(shù)量級，前提是“L”在“2D”的尺寸附近，用水柱高度來表示，單位m：①P2/（ρg），P1/（ρg）：101級； ②u22/（2g），u32/（2g）：10-1級； ③ΔH重力勢能：10-2級；④ΔH能損：10-3級。

發(fā)現(xiàn)整個(gè)公式中，數(shù)量上占支配地位的是第（1）項(xiàng)。對于一般的工藝管道而言，速度有上限，可以控制動能的數(shù)量級，請參考各種工藝數(shù)據(jù)手冊。因此通過以上分析結(jié)果，認(rèn)為 P1≈P2。如果P2> 2Po使用式（27）；如果P2≤2Po使用式（25）。利用式（25）和式（27）求出α 后，將h=h1和α 代入式（23）、式（24）和式（26），再將u3消元，最終得到h1。若三通支管是4″（1″=2.54 cm）時(shí)，焊接著隔膜閥，如果想讓液柱上升到死角頂端，ΔH重力勢能的量級就變成10-1，萬一此時(shí)系統(tǒng)的壓強(qiáng)又小于2倍的Po，計(jì)算結(jié)果誤差會變大。且大尺寸的三通和焊接閥門本身死角高度很高，往往需要更高的流速清洗；也可以反過來說，在有工藝標(biāo)準(zhǔn)限制的速度下，清洗效果不好。那么可以采用BPE標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法，見圖2。這樣不僅滿足BPE 標(biāo)準(zhǔn)的建議值，還可以有效避開死角高度的計(jì)算和選擇問題。

2.11 β 系數(shù)的求解

因?yàn)閐2≥d1,所以0.5 < β < 1。對于一個(gè)已知管件來說d1，d2已知，當(dāng)量弦長系數(shù)α 可以由式（25）和（27）求出，再由式（29）求出x1，再由式（30）（31）（33） （34）求出A′和A″，最后由式（32）和式（35）求出β。然后將β 代入數(shù)組（βε/d2）查λ。

A′ — 因?yàn)橹Ч荛_孔,在介質(zhì)流程L 內(nèi)，主管內(nèi)表面缺失的面積。

A″ — 在介質(zhì)流程L 內(nèi)，主管一整圈內(nèi)表面的面積。

x1— 在支管截面內(nèi)，當(dāng)量弦距離支管圓心的垂直距離。

x — 在支管截面內(nèi)，在介質(zhì)流程L 內(nèi)，與當(dāng)量弦平行的線距離支管圓心的垂直距離。

3 計(jì)算過程和各因素的影響

3.1 流速的影響

圖5 β 系數(shù)求解中的參數(shù)示意

由圖6 知道，如果支管只到三通為止，則L/D=42.925/22.1=1.942 3 ≤2，是滿足BPE 標(biāo)準(zhǔn)的建議值的。但是三通后面還緊接著焊了一個(gè)隔膜閥，三通和閥門的腔體共同構(gòu)成了一個(gè)死角。死角高度0.106 425 m。由表1 知：d1= 2.21×10-2m，d2= 3.48×10-2m。

由式（25）知：

表1 例題一管件描述

圖6 例題一配管細(xì)節(jié)圖

所以α=1。另外h=h1，V2= 1.5 m/s，重力加速度

g = 9.8 m/s2。

水在20℃時(shí)，密度ρ=998.2 kg/m3，動力黏度

μ = 1 004 μPa?s=1.004×10-3mPa?s。

粗糙度ε=6×10-7m，見表1 中的管件描述。由2.11節(jié)求得β=0.829 7，故：

數(shù)組（εβ/d2）=6×10-7×0.829 7/3.48×10-2

=1.430 5×10-5

雷 諾 數(shù)Re =d2u2ρ/μ=3.48×10-2×1.5×998.2/1.004×10-3=5.19×104

查直管阻力系數(shù)（λ）、雷諾數(shù)（Re）和管壁相對粗糙度（εβ/d2）曲線圖知λ=0.020 5。

將所有變量代入式（23）和式（24）整理且聯(lián)立方程組得：

例題二：在例題一其他條件不變的情況下，如果u2=1 m/s，求h1。

當(dāng)u2=1 m/s 時(shí)，Re=3.46×104，λ=0.022 5，代 入式（23）和式（24）得：

解出u3=0.301 9 m/s，h1=0.098 27 m，而死角高度0.106 425 m 大于h1，若想滿足可清洗性必須按圖2 的流程來處理。

例題三：在例題一其他條件不變的情況下，如果恰好想實(shí)現(xiàn)死角高度0.106 425 m 的清洗，那么u2至少是多少？

需要用試算法，根據(jù)前兩個(gè)例題的數(shù)據(jù)，假設(shè)u2=1.036 9 m/s，則 雷 諾 數(shù)Re =3.587 8×104，查 得λ=0.022 315，代入式（23）和式（24）得：

解出u2=1.036 93 m/s，u3=0.296 1 m/s, u2≈1.036 9 m/s，說明假設(shè)可行，則u2至少為1.036 9 m/s，才可以實(shí)現(xiàn)死角高度0.106 425 m 的清洗。

例題四：在前三個(gè)例題中發(fā)現(xiàn)u2與h1大概成正比，那么可以推測有一對（u2）min 和 （h1）min。在例題一其他條件不變的情況下，求（u2）min 和（h1）min。

式（7）和式（21）可以表示成λ=f（u2），式（36）可以表示成u2=f（λ，h1），其中λ=f（u2）可以查看Re和λ 的曲線圖，方程解就是2 個(gè)函數(shù)曲線的上λ 和u2相對應(yīng)的點(diǎn)。以u2=1.3 m/s 和u2= 0.4 m/s 的曲線圖為例，來說明各變量關(guān)系，見圖7?，F(xiàn)在將解用表2 列出。

表2 例題四不同u2 流速對應(yīng)的解

圖7 u2=f（λ，h1）和λ=f（u2）的函數(shù)曲線圖

從例題四可以得出兩個(gè)結(jié)論,在例題一的條件下：

（1）（u2）max=1.5 m/s 時(shí)，（h1）max=0.230 3 m，（u2）min=0.45 m/s 時(shí)，（h1）min=0.004 1 m。那么在u2小于0.45 m/s 時(shí)，不可能實(shí)現(xiàn)理論上的清洗。而u2只要大于0.45 m/s，至多可以清洗0.230 3 m 高，但是要以增大相應(yīng)的u2值作為代價(jià)，否則最多只能沖洗到0.004 1 m。另一方面，解出的h1也要大于最小手工焊接高度或BPE 標(biāo)準(zhǔn)管件尺寸，否則沒有實(shí)際意義。

（2）u2與h1成正比，與λ 值成反比。

為了使理論圓滿，還是有必要對（u2）min 和（h1）min 推導(dǎo)一番的。

3.2 壓強(qiáng)的影響

例題五：在例題一其他條件不變的情況下，若P2的操作壓強(qiáng)變?yōu)?.03×105Pa，求h1。

因?yàn)镻2是假設(shè)的Po的3 倍，所以使用式（27）：

3.03×105，則α=0.964 267，由2.11 節(jié)求得：β=0.846 9，數(shù)組（εβ/d2）=1.460 2×105。查得λ=0.020 5，將所有已知量代入式（23）和式（26）得：

解出u3=0.242 1 m/s，h1=0.230 8 m。對比例題一，h1> 0.230 3 m，所以可知增大操作壓強(qiáng)對提高h(yuǎn)1是有利的，不過效果不明顯。

例題六：在例題一其他條件不變的情況下，若P2的操作壓強(qiáng)變?yōu)?.03×105Pa，如果想實(shí)現(xiàn)死角高 0.106 425 m 的清洗，那么u2至少是多少？

由式（23）和式（26）得：

將h1= 0.106 425 m 代入，假設(shè)u2= 1.035 3 m/s，則Re = 3.582 1×104，查得λ=0.022 32，得u2= 1.035 3 m/s，u3= 0.303 6 m/s。u2= 1.035 3 m/s，假設(shè)可行。對比例題三，u2< 1.036 9 m/s。

將例題五和六對比例題一和三，得出三個(gè)結(jié)論，當(dāng)操作壓強(qiáng)P2為Po的2 倍時(shí)，進(jìn)一步增強(qiáng)壓強(qiáng)。則：

（1）對于相同的管道流速u2可以得到更大的死角最大允許高度。

（2）對于相同的死角最大允許高度需要的管道流速u2更小。

（3）在死角內(nèi)，能量轉(zhuǎn)化成動能比例升高，重力勢能比例升高，能量損失比例降低。

例題七：在例題一其他條件不變的情況下，若P2的操作壓強(qiáng)變?yōu)?.515×105Pa，求h1。

由式（25）得α=0.964 267，由2.9 節(jié)求得 ：β = 0.820 1，數(shù)組（εβ/d2）= 1.414×105。查得λ=0.020 5。由式（23）和式（24）解得：u3= 0.241 4 m/s，h1= 0.231 6 m，對比例題一h1> 0.230 3 m，不過效果不明顯。

例題八：在例題一其他條件不變的情況下，若P2的操作壓強(qiáng)變?yōu)?.515×105Pa，如果想實(shí)現(xiàn)死角高0.106 425 m 的清洗，那么u2至少是多少？

由式（23）和式（24）得：

代入h1=0.106 425 m，解得u2= 1.033 m/s，u3= 0.303 m/s。對比例題三u2< 1.036 9 m/s。

將例題七和八對比例題一和三，得出三個(gè)結(jié)論，當(dāng)操作壓強(qiáng)P2為Po的2 倍時(shí)，進(jìn)一步減小壓強(qiáng)。則：

（1）對于相同的管道流速u2可以得到更大的死角最大允許高度。

（2）對于相同的死角最大允許高度需要的管道流速u2更小。

（3）在死角內(nèi)，能量轉(zhuǎn)化成動能比例升高，重力勢能比例升高，能量損失比例降低。

綜合例題五到八的結(jié)果，可以得到兩個(gè)重要結(jié)論：

（1）操作壓強(qiáng)為2 倍Po時(shí)，相同的u2得到的死角最大允許高度最小。

（2）操作壓強(qiáng)為2 倍Po時(shí)，相同的死角最大允許高度需要的u2最大。

3.3 管件尺寸的影響

只是管件尺寸不同，求解過程和前面例題一樣，現(xiàn)在直接用表3 將結(jié)果列出，通過比較找出規(guī)律，并分析原因。

表3 例題九不同尺寸的管件對應(yīng)的解

通過比較可以得到2 個(gè)結(jié)論：

（1）主管尺寸不變，支管尺寸越大，死角最大允許高度h1越小。

（2）支管尺寸不變，主管尺寸越大，死角最大允許高度h1越大。

為何會如此呢？通過觀察式（24）和（26）可以知道：ΔH能損與支管內(nèi)徑/主管內(nèi)徑的值（d1/d2）成正比，而其他參量不變ΔH能損比例越小，ΔH重力勢能比例越大，h1越大；ΔH能損比例越大，ΔH重力勢能比例越小，h1越小。ΔH重力勢能受d1和d2的影響，但受液柱高度的影響更明顯。大管徑的閥門的高度和長度相對大，若閥門焊接在管道上，加大管徑需要更大的流速u2才能在理論上清洗死角。所以不是單純加大管徑就有利于清洗的，請綜合考慮。

3.4 坡度的影響

在BPE 標(biāo)準(zhǔn)中，重力排盡的產(chǎn)品接觸管線推薦的最小坡度等級為GSD2[1]。即坡度為1%，傾角約為0.57°，那么式（24）和（26）就是可以變?yōu)椋?/p>

觀察上面的方程組發(fā)現(xiàn)，坡度越大，死角最大允許高度也越大。

3.5 溫度的影響

溫度上升，例如從20℃升高到30℃，那么水的粘度從1 004 μPa?S,變成801.2 μPa?S，密度從998.2 kg/m3變成995.7 kg/m3，根據(jù)式（7），此時(shí)Re 變大，再查Re 與λ 的曲線圖知λ 變小，由式（19）和（20）知ΔH能損變小，最后把ΔH能損變小的結(jié)果放入式（24）和（26），知溫度上升是有助于增大死角最大允許高度的。

4 結(jié)束語

（1）u2和h1的關(guān)系是需要通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和校正的，原因有三個(gè)：

①簡化了實(shí)際情況，介質(zhì)行程L 內(nèi)的渦流會消耗機(jī)械能，所以λ 僅考慮管壁摩擦是不夠的，λ、Re 和（εβ/d2）的曲線圖需要實(shí)驗(yàn)校正，因?yàn)槿祟惖睦碚撨€沒完善到知道流體介質(zhì)分子間的所有細(xì)節(jié)的程度。

②將P1和P2做了近似處理，可能在知道流體上精確的作用力后重構(gòu)數(shù)學(xué)模型。

③在計(jì)算動能時(shí)，流體靜力學(xué)本身用流速的平均值的平方代替了流速的平方的平均值[7]。理想氣體方程本身也是做了假設(shè)和簡化的。

（2）前文所述的公式和計(jì)算在業(yè)主或者使用方同意執(zhí)行更嚴(yán)格的“可清洗性”要求，或者設(shè)計(jì)者需要驗(yàn)證清洗效果時(shí)，才有參考價(jià)值，圖2 中的流程有其局限性。新的建議，實(shí)踐和標(biāo)準(zhǔn)可以不斷完善工作流程來適應(yīng)業(yè)主苛刻多變的要求，尤其是具體場景。

（3）對于一個(gè)工程項(xiàng)目，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和工廠生產(chǎn)率是確定的，但是溫度、壓強(qiáng)和流速對設(shè)計(jì)而言有相對大的調(diào)整余地，所以這是本文的論述重點(diǎn)。醫(yī)藥工程相關(guān)從業(yè)者有一個(gè)可以參考的理論工具，也是本文的目的和心愿。

[1] 顧正輝.ASME BPE 標(biāo)準(zhǔn)的介紹和解讀系統(tǒng)設(shè)計(jì)（SD）章節(jié)簡介（1）[J].醫(yī)藥工程設(shè)計(jì),2013,34（5）:2～3.

[2] 顧正輝.ASME BPE 標(biāo)準(zhǔn)的介紹和解讀系統(tǒng)設(shè)計(jì)（SD）章節(jié)簡介-2[J].醫(yī)藥工程設(shè)計(jì),2013,34（6）:1.

[3] 朱文麗.潔凈廠房中的管道設(shè)計(jì)[J].醫(yī)藥工程設(shè)計(jì),2011,32（2）:2

[4] GB 50235-2010, 工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范[S].

[5] GB 50184-2011, 工業(yè)金屬管道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[6] 徐舟,彭彩君.ASME BPE 在醫(yī)藥工廠潔凈管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].醫(yī)藥工程設(shè)計(jì),2012,33（5）:2～3.

[7] 陳敏恒，叢德滋，方圖南，齊鳴齋.化工原理（上冊）.第1 章 流體流動[M].3 版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006.5.

[8] 王懷義.石油化工管道安裝設(shè)計(jì)便查手冊.第一章 管徑和管道壓力損失計(jì)算[M].1 版.北京:中國石化出版社,2003.