医院医用气体管路的设计计算(2014)

医院医用气体管路的设计计算

航空部第六0四研究所 高级工程师 袁明华

关键词：Medical gas医用气体 Piping design管道设计

本文根据GB50751-2012 《医用气体工程技术规范》、GB50333-2002 《医院洁净手术部建筑技术规范》、YFB001-《军队医院洁净手术部建筑技术规范》等现行国家标准和专业标准设计了一套医用气体管路计算用表——《管道最大许用流量表》和《管道尺寸选择表》，可供医用气体工程有关人员参考。

In this disquisition I bring forward a set of designed tables. They can be used for to design medical gas pipeline system in nosocomial medical zone.This paper give a reference to engineering and technical personnel .

1 前言

本文所说的“医疗区域”是指门诊部、急救部、手术部、医技部、住院部、妇产科、生殖中心、牙科等直接为病人服务的场所。

一个完整的医用气体供应系统一般由气源、输气管路（由管子、阀门、减压器、终端设备等组成）、监测报警装置等部分组成。其中医用氧气站、医用空气站、医用真空站等出于安全和集中管理等原因往往不设置在医疗区域内，它们提供的医用气体是通过输气干管输送到各医疗区域的。各医疗区域的管路系统与输气干管相连接的总管上一般都装有区域总阀、二级减压箱和区域总压报警装置。用气量较少的氧化亚氮、二氧化碳、医用氮气、氩气、氦气等医用气体一般是由设置在医疗区域附近的气体汇流排供给的。这些气体是手术部、妇产科专用的，其使用压力可在气体汇流排内直接调定。医疗区域的管路系统由区域总阀开始，到终端设备结束。它不包括输气干管，但包括从气体汇流排到医疗区域的输气管路。

医用气体管路计算包括医用氧气、氧化亚氮（笑气）、氩气、医用氮气、医用空气、二氧化碳、医用真空和麻醉废气排放管路的计算。计算的内容包括两个方面：

（1）.在已知气体种类、压力、流量的情况下，求所需要的管径；

（2）.在已知气体种类、压力、管径的情况下，求管子允许的最大流量。

本文详细介绍了《管道最大设计流量表》和《管道尺寸选择表》的编制方法以及它们在医用气体管路计算中的运用。 2 设计假定 2.1 设计压力

计算管子内径时，正压气体取气体终端处的额定压力；真空管道取管道内的平均压力。 例如真空泵抽气口处绝对压力为0.04MPa（即真空压力为0.06MPa），吸引终端处绝对压力为0.06MPa（即真空压力为0.04MPa）, 则 P =0.05MPa。

对采用抽风机排放麻醉废气的系统，排气管内的气体压力为负压，抽风机处的气体压力最低。麻醉废气排放终端处的绝对压力应为0.085MPa（即真空压力为0.015MPa），麻醉废气排放终端本身造成的负压损失见表1，排气管路造成的负压损失若为0.013MPa，则抽风机进口处的绝对压力不应高于P=0.085-0.002-0.013=0.07MPa。计算时排气管内的气体压力取中值： P=(0.085+0.07)/2=0.0775MPa。

麻醉或呼吸废气排放系统终端在设计流量下的压力损失 表1

对采用引射式麻醉废气排放终端的系统，引射器后排气管内的混合气体应为正压。为保证废气能顺利排入大气，排气管出口处绝对压力不应小于P=0.105MPa。 计算管子壁厚时，正压气体管道取安全阀的开启压力；真空管道取外压0.1MPa。 2.2 设计流量

GB50751《医用气体工程技术规范》规定的终端组件处的额定压力和设计流量见表2； GB50333《医院洁净手术部建筑技术规范》规定的终端压力和单嘴流量见表3。

医用气体终端组件处的设计参数 表2

注：1. 上表中气体压力允许的最大偏差为：0.35+0.05+0.1

+0.2

-0.04

MPa；0.4-0.08MPa；0.8-0.16MPa； 2. 在使用现场配制混合气时，与氧气混合的其它气体的压力应低于氧气压力0.05～0.08MPa， 这些气体的终端压力应为0.35MPa。

终端压力和单嘴流量 表3

治疗区域的专用气源、区域总管、支管按公式(3.1)计算气体流量：

Q =Σ[ Qa+Qb(n-1)ε] ------（2.1）

式中：

Q —— 气源、气体总管、支管的计算流量（L/min);

Qa —— 终端处的额定流量（L/min)，按GB50751附录B取值;

Qb —— 终端处的计算平均流量（L/min)，按GB50751附录B取值; n —— 由该气源、该总管、该支管供气的床位数或计算单元数; ε—— 同时使用系数，按GB50751附录B取值。 2.3 设计温度

医疗区域的气体管路一般在吊顶、夹层里走，没有空调。所以管道内气体的设计温度取35℃（夏天）。 2.4 流速限制

根据GB50333《医院洁净手术部建筑技术规范》规定，管内气体流速不得大于10 m/s。 2.5 允许的压力损失

GB50751规定：医用气体管路系统在终端设计压力、流量下的压力损失应符合表4的规定。

YY/T0187《医用中心供氧系统通用技术条件》规定：“在使用流量条件下，最远管道的压力损失不应超过10%。”

YFB001《军队医院洁净手术部建筑技术规范》的规定见表5。

标准压力和允许压力损失 表5

美国实用管道工程设计准则规定：氧气、二氧化碳及压缩空气管路单位长度的压力损失不超过230Pa/m；氮气管路单位长度的压力损失不超过460Pa/m；负压吸引管路单位长度的压力损失不超过110Pa/m。

对于正压气体管路，最大计算长度Lmax上的压力损失若控制在0.05MPa（对器械空气和氮气为0.1MPa），单位长度的压力损失若控制在230Pa/m（对器械空气和氮气为460Pa/m），则管路的最大计算长度可达到217m。

对于医用真空管路，最大负压损失若控制在0.013MPa，单位长度的负压损失若控制在60Pa/m，则管路的最大计算长度也可达到217m。

对于负压废气排放管路，最大负压损失若控制在0.013Mpa（此外，抽风机提供的负压还要克服麻醉废气排放终端造成的负压损失），单位长度的负压损失若控制在60Pa/m，则管路的最大计算长度也可达到217m。 这里所谓的“计算长度”是指一条管路中管子的总长度和该管路中管件、阀门的当量长度之和。最大计算长度是指同一种气体的管路，‘从医疗区域总阀起到气体终端止’的各条管路中流程最长的一条管路的计算长度。管件、阀门的当量长度见表6。

管件、阀门的当量长度（m） 表6

3 设计计算

医院手术部的管路最大计算长度Lmax一般不会超过217m，故可按以下条件进行计算：

（1）.在管道最大计算长度Lmax不大于217m的情况下，确保正压气体管道单位长度的压力损失不大于230Pa/m；负压吸引管道单位长度的阻力损失不大于60Pa/m 。 （2）.确保管内气体流速不大于10 m/s； （3）.忽略管道高差造成的压力损失。

3.1 管路计算的公式（公式推导见参考资料11）

1.754.75

Pi = αQ0 / （d P） ------（3.1）

0.370.21

d = k Q0/ P ------（3.2）

0.572.71

Q0 = βPd ------（3.3） 式中：

Pi —— 每米管长的压力损失（Pa/m）；

P —— 取气体终端处气体的绝对压力（MPa）； d —— 管道内径（mm）；

Q0 —— 0℃时一大气压气体的流量（L/min）。

式中的系数

0.250.75

α= 42854.9εγ0 ；

0.050.160.21

k = 9.444εγ0

/Pi；

0.570.140.43

β= 0.002255Pi/(εγ0) 。 其中：

2

ε—— 气体在设计温度下的动力黏度（kgf·s/m）；

3

γ0 —— 0℃时一大气压气体的重度（kgf/m）；

由AP1700《物质物性计算查询平台》可查得各种气体在35℃、设计压力下的动力粘度值。

对一种确定的气体，ε和γ0都是常数。当Pi设定之后，ɑ、β和k也就成了常数，见表7、表8和表9。 k值 表7

α值和δ值 表8

β值 表9

3.2 验算

3.2.1 验算雷诺数 上述公式使用的前提是雷诺数Re在106

以下，雷诺数的计算公式为：

Re =4γQ/（πgdε） ------（3.4） 式中：

γ—— 管道内气体的重度（kgf/m3

）；

Q —— 通过管段的气体体积流量（m3

/s）；

d —— 管道内径（m）；

ε—— 气体在设计温度下的动力黏度（kgf·s/m2

）。

当取压缩气体的设计温度为35℃时，根据理想气体状态方程可算得：

γ= 8.8636 Pγ0 ； Q = 0.1128 Q0/P

代入上式得：

Re =0.129834γ0 Q0/（dε） 式中：

γ3

0 —— 0℃时一大气压气体的重度（kgf/m）；

Q3

0 —— 0℃时一大气压气体的流量（m/s）；

d —— 管道内径（m）；

2

ε—— 气体在设计温度下的动力黏度（kgf·s/m）。

33

将Q0的单位由m/s 换成L/min（1L/min = 0.000017m/s），d的单位由（m）改为mm,则

Re =0.0021639γ0 Q0/（dε）

或 Re =δQ0/d ------（3.5） 式中：

δ=0.0021639γ0/ε,见表8。

3

γ0 —— 0℃时一大气压气体的重度（kgf/m）；

Q0 —— 0℃时一大气压气体的流量（L/min）；

d —— 管道内径（mm）。

6

当知道气体种类、流量和管径后，可按3.5式计算出管内气体流动的雷诺数，Re不能大于10。 3.2.2 验算流速 管道内气体的流速V不应大于10 m/s。

2

V = 4Q/（πd） 式中：

V —— 管道内气体的流速（m/s）；

3

Q —— 通过管段的气体体积流量（m/s）； d —— 管道内径（m）。

因 Q = Q0P0T/（PT0），当T = 35℃=308°K；T0 =273°K；P0 =0.1MPa时，

2

V = 0.1436475 Q0/（Pd）

33

将Q0的单位由m/s 换成L/min（1L/min = 0.000017m/s），d的单位由（m）改为（mm），则

2

V = 2.394 Q0/（Pd） ------（3.6） 式中：

V —— 管道内气体的流速（m/s）； Q0 —— 0℃时一大气压气体的流量（L/min）；

d —— 管道内径（mm）；

P —— 计算截面上气体的绝对压力（MPa）。

当知道气体的流量、压力和管径后，可通过3.6式计算出管内气体的流速，V不应大于10 m。 3.3 已知气体种类、压力和流量，求管径 3.3.1 受阻力损失限制的管径

首先根据管路最大计算长度上允许的压力损失计算出单位管长允许的压力损失Pi （Pa/m），再算出3.2式的系数k,便可利用3.2式算出管径。式中的k值也可从表7中选取。

对于负压系统（包括医用真空系统和真空泵麻醉废气排放系统），如果气体的主要成分为空气，若将最大负压损失控制在0.013 MPa以内，并取 Pi = 60Pa/m。则

0.370.21

d ≈ 2.077 Q0/ P ------（3.7）

式中：

Q0 —— 0℃时一大气压气体的流量（L/min）； P —— 管道内气体绝对压力的平均值（MPa）。

医用真空系统和负压麻醉废气排放系统如允许Pi = 110Pa/m，则

0.370.21

d ≈ 1.829 Q0/ P ------（3.8） 3.3.2 受最大流速限制的管径

当T = 35℃，管内气体流速 V = 10 m/s 时：

0.5

d = （0.24 Q0/ P） ------（3.9） 式中：

d —— 管道内径（mm）；

Q0 —— 0℃时一大气压气体的流量（L/min）； P —— 计算截面上气体的绝对压力（MPa）。

当气体种类、流量和绝对压力确定之后，可由（3.2）式、（3.7）式和（3.8）式计算管道内径d ，同时按（3.5）式和（3.6）式分别计算对应的雷诺数Re和流速V,当V＞10时改用（3.9）式计算道内径d 。 3.3.3 管子壁厚的计算

医用气体一般在常温下工作，管子设计壁厚t 按下式计算： t = tS + C1 + C2 + C3 式中：

tS —— 计算厚度（mm）。它是管子承受内压所需的壁厚。 C1 —— 管材壁厚负偏差（mm）； C2 —— 腐蚀裕量（mm）； C3 —— 工艺减薄量（mm）。 (1).管子承受内压所需的壁厚（tS）

医用气体是低压气体，一般tS/D ＜1/6，此时tS的计算公式为： tS = PD/（2［σ］φ+0.8P）

式中：

P —— 设计压力（MPa）； D —— 管子外径（mm）；

［σ］—— 管材在设计温度下的许用应力（MPa）； φ —— 焊缝系数。

设计压力一般应取安全阀的开启压力。安全阀的开启压力取为管内气体最高工作压力的1.1倍。 医用气体管道材料的许用应力见表10。

焊缝系数：无缝管取φ= 1 ；直缝焊接管取φ= 0.8 ；螺旋缝焊接管取φ= 0.6。 (2).管材的壁厚负偏差

无缝管材的壁厚负偏差C1 见表11。 (3).

腐蚀裕量

纯铜管在大气中和纯净医用气体中的年腐蚀速度很小（＜0.05mm）； 不锈钢： C2 = 0；

无缝管材的壁厚负偏差C1 表11

(4).工艺减薄量

①.当管子的弯曲半径R符合表12规定并R＞3.5D时，可不考虑弯曲工艺减薄量。即光管的C3 = 0。

②.当管子上车有螺纹时，C3 即为螺纹深度。常用管螺纹尺寸见表13。 管子的弯曲半径 表12

注:DN —— 公称直径

管子、管件、阀门的公称直径系列 表13

（5）.管子承受外压所需要的壁厚

根据Bresse-Bryan公式，当管长远大于管子外径，波形数取n = 2时，管子的失稳临界外压为：

3

Pcr = 2.19E（T/2R0） 式中：

E —— 材料的弹性模量（MPa）；

T —— 管壁的有效厚度（名义厚度扣除厚度C1、C2、C3），（mm）； R0—— 管子的外半径（mm）。

取失稳安全系数m = 3时，管子的外压P应满足：P ≤Pcr/3 的要求。由此可得负压吸引管的最小壁厚计算公式：

T =ψD ------（3.10） 式中：

0.33

ψ≈（1.37P/E）；

D —— 管子的外径（mm）。

当取管子的外压P = 0.1Mpa，温度为20℃时，系数ψ见表14。 由表16可知，估算时可取ψ = 0.011，即（3.10）式可简化为： T =0.011D

式中：D —— 管子的外径（mm）。

【管子壁厚计算示例】

TP2Y2铜管壁厚（mm） 表15

不锈钢管壁厚（

mm） 表16

3.3.4 管子尺寸的规格化

计算出所需的管子内径d和设计壁厚t后，应将它们调整为市场供应的管子规格。需要用管件连接的管子，其直径还要调整到公称直径系列中来。

管道直径之所以要选择表17的优先数值，是因为它们是与管件、阀门的规格相配套的。医用气体系统常用的管子品种、规格见表18、表19和表20。

常用铜管和不锈钢管的规格和内径（mm） 表18

3.3.5 编制《管道尺寸选择表》

手术部的主要用气单元是手术室，所以先编制以手术室数量作为流量单位的管道尺寸选择表。

制表时先按气体种类依次算出不同手术室数量所对应的流量，再根据3.2式、3.7式、3.8式分别计算单位管长压力损失Pi等于设定值时的管径，同时按（3.5）式、（3.6）式分别计算对应的雷诺数Re和流速V。当V＞0时，改用（3.9）式计算道内径d 。最后，按表18、19、20确定对应的管子规格。将手术室数量、流量、管子规格的对应关系依次列成表格即为《管道尺寸选择表》。

计算时，各种正压气体取气体终端处的额定压力作为设计压力；真空管道取管道内的平均压力作为设计压力。 其它参数取自GB50751《医用气体工程技术规范》 附录B（摘录于后）和GB50333《医院洁净手术部建筑技术规范》等文件。

管内气体流量按下式计算：

Q =Qa+Qb(n-1)ε 式中：

Q —— 设计流量（L/min);

Qa —— 终端处的额定流量（L/min)，按GB50751附录B取值;

Qb —— 终端处的计算平均流量（L/min)，按GB50751附录B取值; n —— 由该管子供气的手术室数量;

ε —— 同时使用系数，按GB50751附录B取值。

为确保同时用气的手术室都能得到足量的供气，流量计算时对GB50751和GB50333中规定的同时使用系数ε作如下处理（表21）:

向 n间手术室供气的总流量(L/min) 表21

根据GB50751附录B设定每个引射式麻醉废气排放终端每分钟消耗20升器械空气（或氮气）已计入每个手术室的器械空气(或氮气)的消耗量。

制成的手术室《管道尺寸选择表》见附表1、附表2、附表3、附表4和附表5，它们都是按手术室数量排序的。管路设计时可以根据管子的材质、允许的单位管长压力损失（Pi）、气体种类、由此管供气的手术室数量来确定管道规格。

正如GB50751《医用气体工程技术规范》 附录B所示，各科室使用的医用气体种类、流量是不尽相同的，而一根管道可能要同时供应不同的科室用气，那末它的管子规格如何确定呢？在这种情况下，我们可以把不同科室的用气量折算成手术室的用气量（或与有关手术室的用气量相加），然后根据折算后的手术室总数（或折算后的总流量）查表确定管子规格。

3.4 已知气体种类、压力和管径，求管子的许用流量 3.4.1 受阻力损失限制的许用流量

在知道气体种类、工作压力P和允许的单位管长压力损失Pi的情况下，先算出4.3式中的系数β，再利用4.3式求得各种规格管子的最大流量。式中的系数β也可从表9中选取。 Pi=60Pa/m时负压管道的β =0.137；Pi=120Pa/m时负压管道的β =0.204。 3.4.2 受流速限制的许用流量

管内气体的流量还必须满足流速 υ≤ 10 m/s的限制条件，即当T = 35℃时，

2

Q0≤Pd/0.24 ------（3.11）

式中：

Q0 —— 0℃时一大气压气体的流量（L/min）； P —— 计算截面上气体的绝对压力（MPa）；

d —— 管道内径（mm）。

根据3.3式和3.7式分别算出各种规格管子的许用流量，两者比较取其小者作为该种规格管子的设计许用流量。

按上述方法分别算出各种规格管子的许用流量，将管子规格和对应的许用流量排列成表即为《管道许用流量表》。常用规格管子的《管道许用流量表》见附表6、7、8。

按《管道许用流量表》选择管子规格的办法是：先按2.1式算出管段所需要的最大流量，再在《管道许用流量表》中查出流量能满足要求、直径又最小的管子规格，这就是您所需要的。 本文仅供参考，请同行们批评指正，不胜感激！ 【附表】

附表1：《管道尺寸选择表》（V ≤10m/s, 器械空气、氮气Pi = 460Pa/m）； 附表2：《铜管道尺寸选择表》（Pi= 230Pa/m）； 附表3：《铜管道尺寸选择表》（Pi= 460Pa/m）； 附表4：《不锈钢管道尺寸选择表》（Pi= 230Pa/m）； 附表5：《不锈钢管道尺寸选择表》（Pi= 460Pa/m）； 附表6：《对接用不锈钢管许用流量表》； 附表7：《插接用不锈钢管许用流量表》； 附表8：《铜管许用流量表》。 【参考文献】

（1）.GB50751-2012《医用气体工程技术规范》；

（2）.GB50333-2002《医院洁净手术部建筑技术规范》； （3）.GB50316-2000《工业金属管道设计规范》；

（4）.GB/ T20801.3-2006《压力管道规范 工业管道 第3部分：设计和计算》； （5）.YY/T 0186-94《医用中心吸引系统通用技术条件》； （6）.YY/T 0187-94《医用中心供氧系统通用技术条件》； （7）.YFB001-1995《军队医院洁净手术部建筑技术规范》； （8）.GB150-1998 《钢制压力容器》；

（9）.《化学工程手册》（第二版）化学工业出版社； （10）.《机械设计手册》（第三版）化学工业出版社；

（11）.《医院手术部医用气体管路设计的一种方法》 袁明华《中国医院建筑与装备》杂志2006年第二期。

附 录 （供审稿参考）

【附录A】计算公式推导

GB50316《工业金属管道设计规范》规定：当总压力损失小于起点压力的10%时，沿程摩擦阻力造成的管段压力损失可按（1）式计算：

2

ΔPf =λγυ lf/（2gd） ------（1）

式中：

2

ΔPf —— 摩擦阻力造成的压力损失（kgf/m）； λ—— 摩擦阻力系数；

3

γ—— 管道内气体的重度（kgf/m）； υ—— 管道内气体的平均流速（m/s）； lf —— 管段长度（m）；

2

g —— 重力加速度：9.80665（m/s）； d —— 管道内径（m）。

局部阻力造成的压力损失按（2）式计算：

2

ΔPk =λγυ lk/（2gd） ------（2）

式中：

2

ΔPk —— 局部阻力造成的压力损失（kgf/m）； lk —— 阀门和管件的当量长度（m），见表5。

管段的总压力损失近似按(3)式计算：

2

ΔP = ΔPf+ΔPk =λγυ L/（2gd） ------（3）

式中：

L —— 管段的计算长度（m）。 L = lf + lk

由（3）式得单位长度管段的压力损失：

2

Pi =λγυ /（2gd） ------（4）

式中：

2

Pi —— 单位长度管段的压力损失（kgf/m/m）。 Pi =ΔP/ L

6

医用气体管道一般为光滑管，当流动状态为紊流时，雷诺数Re一般在10以下，摩擦阻力系数λ可按

（5）式计算（误差不超过7.2%）：

0.25

λ =0.3164/Re ------（5）

Re =γυd/（gε） ------（6） 式中：

ε —— 气体在设计温度下的动力黏度（kgf·s/m）。

2

因 υ = 4Q/（πd） ------（7） 式中：

3

Q —— 通过管段的气体体积流量（m/s）。

将（7）式代入（6）式得：

Re =4γQ/（πgdε） ------（8）

将（8）式代入（5）式可得：

0.250.25

λ = 0.3164（πg/4）（dε/γQ） ------（9）

2

将（7）式和（9）式代入（4）式，并将Pi的单位由（kgf/m/m）改成Pa/m得：

2

0.251.750.754.75

Pi = 0.427247εQγ/ d

33

将Q的单位由m/s 换成L/min（1L/min = 0.000017m/s），d的单位由（m）改为（mm）。考虑计算误差，将Pi之值放大1.15倍，则上式变为：

0.251.750.754.75

Pi = 379850.3εQγ/ d ------（10）

由此式得：

4.750.251.750.75d = 379850.3εQγ/ Pi ------（11）

式中：

Pi —— 每米管长的压力损失（Pa/m）； d —— 管道内径（mm）； Q —— 气体流量（L/ min）；

ε—— 气体在设计温度下的动力黏度（kgf·s/m2

）；

γ—— 楼层气体报警箱处气体的重度（kgf/m3

）。

因 γ=γ0 PT0/（P0T）；

Q = Q0P0T/（PT0）。

式中：

γ—— 0℃时一大气压气体的重度（kgf/m3

0 ）； Q0 —— 0℃时一大气压气体的流量（L/min）；

P0 —— 0℃时气体的绝对压力，取P0≈0.1 MPa； T0 —— 0℃时气体的绝对温度。T0=273°K； P —— 计算截面上气体的绝对压力（MPa）； T —— 设计状态气体的绝对温度（K）。

当取压缩气体的设计温度为35℃时，则压缩气体的重度、流量分别为：γ= 8.8636 Pγ0 ------ Q = 0.1128 Q0/P ------将（12）、（13）式代入（8）、（10）、（11）式得：

Pi = 42854.9ε0.25Q1.750.754.75

0γ0 / （d P）

d = 9.444ε0.05Q0.370.160.21

0γ0 / （Pi P）

Q0.57 P0.57d2.71/(ε0.14γ0.43

0 = 0.002255 Pi0)

以上三式可写成如下形式:

Pi = αQ1.754.75

0 / （d P） ------d = k Q0.370.21

0/ P ------ QβP0.57d2.71

0 = ------式中：

Q0 —— 0℃时一大气压气体的流量（L/min）； P —— 取气体终端处气体的绝对压力（MPa）； d —— 管道内径（mm）；

α= 42854.9ε0.25γ0.75

0 ;

k = 9.444ε0.05γ0.160.21

0/Pi;

β= 0.002255P0.570.140.43

i/(εγ0) 。

（12） （13） （14）

（15）

（16）

【附录B】GB50751-2012附录B的有关规定