一文搞懂异径管（变径管）设计安装要点
撰文：蒋良君 成都华标企管 首席顾问
最近在“中国设备管理群”Q群内，有几位群友发了关于异径管的图片问群友是否存在设计、安装问题，他提的问题也可能是很多朋友的困惑。是否存在设计或安装问题，可根据现有的国标、行标进行，以及管道介质等具体判断。以下资料，可供您参考：
1.1 SH 3012-2011《石油化工金属管道布置设计规范》：
5.8.3 对于水平吸入的离心泵，当进口管有变径时，偏心异径管与泵的进口间宜设置一段直管段。当管道从下向上进泵时，应采用顶平安装；当管道从上向下进泵时，宜采用顶平安装，并在低点设置放净；但输送含有固体介质或浆液时，水平管段上偏心异径管应底平安装。
8.1.14.3 离心泵入口处水平的偏心管径管一般采用顶平布置，但在异径管与向上弯的弯头直接连接的情况下，可采用底平布置。异径管应靠近泵入口。
1.3 《化工管路设计手册》2.4.3 泵的设计配管，如下图：
1.4 异径管设计标准GB 50316-2008 《工业金属管道设计规范》 “6.5 非标准异径管”
GB/T 12459-2017 《钢制对焊管件类型与参数》“表12 异径管尺寸”
SH/T 3408-2012 《石油化工钢制对焊管件》“表4.1.1异径管尺寸”
1.5可参考标准
HG/T 2129.24-1991 耐酸酚醛塑料制化工设备零部件 凸缘式异径管
HG/T 2129.26-1991 耐酸酚醛塑料制化工设备零部件 异径管
HG/T 2138-2015 搪玻璃同心异径管
HG/T 2139-2015 搪玻璃偏心异径管
JB/T 1308.17-2011 PN2500超高压阀门和管件 第17部分：异径管
TB/T 811-1993 异径管接头
2.化工设计院有关异径管设计规定：
2.1离心泵的配管。泵的吸入管道： 泵吸入管道在满足热应力的前提下尽量短且少拐弯， 在任何情况下入口管道不允许有袋形。双吸入泵的吸入口要设一段至少有 3 倍管径长的直管段， 对大型泵则直管段长应为 5～7 倍管径。当双吸入泵的配管为上吸入时， 不必考虑本条第二款所要求的直管段。垂直管道可以通过弯头和异径管与吸入管口直接相连， 要求尽量短。
2.2当泵入口管系统有变径管时，管径≥DN65者要采用偏心大小头以防变径处气体积聚。变径管的安装方法，如图所示，即入口法兰前弯头向下时，变径管顶平；弯头向上时，变径管底平。 
2.4当泵的吸入口和排出口在同一垂直面上时， 为便于安装阀门， 进出口可用偏心异径管或两个45° 弯头增大进出口管间距，如图：
2.6 泵出口管道一般应配异径管， 当排出口在上部时， 应配同心异径管， 当排出口在侧面时， 一般取偏心异径管， 斜边在上面（底平）。
从上可看出，异径管设计与安装要求，对离心泵进口而言，平进或下进顶平（主要考虑不出现气囊现象） ，上进底平（主要考虑不出现液袋现象）顶平时可以保证没有积气，避免泵的汽蚀。对于顶平产生的积液一般都通过泵入口设置排净解决。
有时，也需根据物料性质和现场环境做决定顶平或底平，例如：进口管道输送介质是清洁的液态，采用顶平，防止汽缚；输送介质为含固浆料，采用底平，防止集料。
3.异径管的管径、压力、流量之间的关系
3.1管径、压力、流速的关系：可用流体力学的伯努利方程计算得出，如果管道管径突然变大，流量不变的情况下，管道压力变小。管径变大，压力变小，流速变小。管径变小，压力增大，流速增大。
3.2根据文献《变径管道流场分析》总结的：
1）突然变径的不但造成极大的压力损失，并且由于压力的突变或形成的涡流会对系统管路及元器件造成损害，如气蚀、振动等;
2）合理的变径措施（指按国标行标设计），如采用变径接头等能消除在变径处的压力剧烈波动，减小压力损失，更重要的是降低涡流的形成几率，减少气蚀、震动等影响系统工作稳定性的不利因素;
3）即使采用变径接头，管径的变化也不宜过大，应符合GB/T 12459-2017 《钢制对焊管件类型与参数》“表12异径管尺寸”等标准的要求，否则仍将造成少量的空气存留和紊流。特别是伺服系统中对系统工作稳定性、快速性及准确性要求高的场合，更要慎之。
以下变径流场分析图，可供参考：
从图1、图2 可以看出，在半径突变处，大径周围形成了涡流，同时半径变小处有强烈的涡流，形成的涡流，使周围的压力急剧降低，进而形成真空，在此作用下，充斥在管道中的空气爆破，多次反复作用，终将造成振动、气蚀等破坏。流动方向的骤然变化也引起流体对管壁的剧烈冲击。两图对比可以看出，当管径差大时，流体的变化速率加快，在变径处形成的涡流也比变径小时大。稳定的层流状态经过突变后，流体的特征也变成紊流，压力流体的力在各个方向上作用于通道，形成对管壁处形成集中、强烈的冲击。
从图3、图4 的分析结果不难判断出，管道中的流体在经过缓慢的角度变化后，输入层流有较小改变，但在经过变径后迅速恢复为层流，因此管道内的流体状态稳定，没有强烈的动量变化形成冲击，这满足理想的流体状态，有利于液压元器件的安全使用。
图5、图6 分别表示不同输入管径，在相同压力、相同流速下的变径接头处流场变化情况。从上两图可以看出，二者在变径处都形成了涡流，但通径变化大的形成的涡流范围比变化小的大。通突然缩小通径相比，突然扩大管的流体基本上未产生管道径向方向上的力。这种管道连接方式最大的缺陷就是管径扩大处存有大量的空气，需要经过长时间、多次的排气才能将内部空气排除。
根据图7、图8 可知，通径变化过大仍将在变径处形成一定的不稳定流动。
3.3阀门前后变径：调节阀前后变径是为了提高调节性能，在阀前变径是为了提高阀前压力使调节更加灵敏，更好地实现自动调节，在阀后变径为了降低出口管的压力，这样才能确保调节阀的可调性好，调节精度高。
3.4根据中国特种设备检测研究院《基于流场分析的管道内腐蚀预测》：
中国特检院曾对中石油某油田采气厂的典型管件进行了流场分析及内腐蚀 /冲蚀模拟，以大小头为例，数值模拟结果表明大小头内部的流速从靠近小头部位开始增大， 最大流速出现在距离大小头约 2 倍大小头直径的距离，而速度梯度最大的位置出现在大小头靠近连接焊缝的位置。 通过对含水两相流条件下大小头局部区域的含水率分析表明，含水天然气在大小头靠近小头区域的含水率最高，具体如图 所示。
这一分析结论大小头实际生产中的腐蚀穿孔形式相吻合，确实符合“管径变小，压力增大，流速增大”这一规则。在需要定期测壁厚时，宜测沿介质流向的小径端，如图：
4.设计在管道设计时选择变径常见原因
4.1根据国标或行标，结合实际需要，对泵的配管设计为异径管；
4.2泵入口、出口的变径大部分都是由于泵厂家的流速选择标准与管道不同，通常在在泵入口要缩径，泵出口要扩径。
4.3一般管道上的调节阀也大部分要进行缩径，为了使得调节阀获得良好的调节曲线。
4.4双相流的管道在垂直段时一般要选择缩径，为了使得气液两相能够获得混合流，不产生柱塞流。因此对变径要根据不同的部分进行分析。
4.5如果设计已经确定工艺管线，那么管道直径和变径就基本确定，如果在设备选型时忽略管道直径问题，极易出现设备管径与工艺管道直径不匹配，设备已经付款、到货，工期又紧张，一般最简单通用的做法就是增加变径来弥补。一般情况不会对生产造成大的影响，管道直径变化会造成管道内介质流速变化（压力变化），缩径流速加快、压力增大，扩径流速减慢、压力变小。因为设计时，泵的选型都有一定余量，对于泵的输送运行一般影响不会太大，肯定会增大流体的摩擦阻力。
5.值得参考的专业文章
《变径管道流场分析》李永峰 《太原科技大学学报》-2011
《管道弯管段冲刷腐蚀机理与流体动力学特征》曾莉《华中科技大学》 - 2017
《变径管段冲刷腐蚀与流体动力学相关性研究》 尚坦 等; 《第十届全国腐蚀大会摘要集》-2019年期
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