设计是整个管道工程建设的龙头，要建设一条管道首先要进行设计，管道设计水平的高低是管道工程建设获得成功的关键和重要保证。管道设计分前期设计、初步设计、施工图设计三个阶段。
从我国第一条长输管道大庆—抚顺输油管道，到举世瞩目的西气东输管道，如今已基本与国际先进水平保持同步。管道设计的主要内容包括：线路工程、工艺系统、自动化控制以及配套系统设施设计等。
1.线路选择
从管道首站到末站，整条管道沿途怎么走，也就是管道线路的选择（简称选线），是勘察设计的首要工作，与整个管道工程的建设投资、材料消耗、施工和运营管理都有很大关系。
选线原则 选择一条合理可行的管道线路方案一般要遵循以下原则：
线路尽可能取直以缩短长度，穿跨越工程尽可能少；尽可能避开强地震区和矿藏开采地区，避开滑坡、塌方、泥石流等不良地质地区，将管道敷设在安全平台上；便于施工和物资运输，动力供应、通信畅通；应考虑施工和运行管理时的国家文物保护、生态环境保护、土地的最少占用等；注重管道建设项目与沿线和下游市场经济发展的结合。
选线技术 选线是一项工作量大、劳动强度大，又非常艰苦的工作。特别是在地形复杂，交通不便的山区，困难就更加突出。二十世纪七十年代，勘察设计人员主要靠徒步进行踏勘选线，跋山涉水，风餐露宿，工作条件十分艰苦。八十年代以前，管道工程测量采用的仪器为光机型仪器，采用的工具主要有地形标尺、钢卷尺、皮尺、测绳等，计算工具为对数表、视距高差表、算盘、手摇式计算机等。测量方法主要是视距测量，地形图测绘采用经纬仪配半圆仪的测记法，图纸清绘全部为手工绘制。九十年代发展至今，诸多先进手段如卫星遥感技术等开始应用于选线。卫星遥感技术是集航空航天测控技术、卫星技术、光谱传感技术，以及光学、地质学、测量学、地理学、图像处理学于一体的多学科综合应用技术。利用卫星遥感影像资料和全球卫星定位系统，可在宏观上和微观上更加准确掌握管道线路本身和周边情况，全面体现地物的物理信息，提高选线的科学性、定线的导航性和设计的质量，大大缩短工期。
工程勘测 线路选定以后还要进行工程实地勘测才能确定线路的最终走向。工程勘测包括地质勘察和工程测量两部分。管道地质勘察的主要任务是查明管道线路、站场及配套工程（通信、供电、道路等）场地的地层分布、土壤的物理力学性质、地下水位及特殊土的深度、土壤的腐蚀性、大地导电率和不良地质条件（如地震活动、断裂、崩塌、滑坡、泥石流分布）等，为管道的埋深、防腐、安全及站场、生活基地等提供设计基础资料。管道工程测量是测量管道线路中线座标、转角、里程，并解析管道纵断面，对管道穿跨越河流、冲沟、铁路、公路等特殊地段施测大比例尺带状地形图，对站场和生活基地等施测地形图。为管道设计提供现场的测绘资料，并为设计、施工、管理提供大小比例尺的管道走向图。
2.工艺系统设计
工艺系统设计按照设计委托书或设计合同规定的管道输送介质、介质物性、输量等选择确定最佳输送方式，是整个设计工作的核心与基础。下面对原油管道、成品油管道和天然气管道等三种主要输送工艺进行介绍。
原油管道工艺设计 1971年之前，我国的原油管道设计均采用“罐—泵—罐”的开式流程。从1983年开始至今，输油工艺设计由开式流程改为密闭输送。密闭输送是“泵—泵”形式，各中间泵站没有旁接罐，原油从首站进入管道后直到管道末站或密闭段末站储罐为止，一直在不接触大气的密闭状态下输送。输油管道输送工艺设计中，应包括水力和热计算，并提出在密闭输送中原油流动过程的控制方法。
成品油管道工艺设计 成品油管道与原油管道的工艺设计有许多共性之处，其中，油品顺序输送是成品油管道工艺设计的难点。油品顺序输送的工艺设计，首先要确定几种油品的输送顺序和循环周期；确定形成的混油体积，混油的切割方案及处理方式；确定首末站所需建造的油罐容量；确定泵站的工艺流程和机泵的配置及工作方式。对不同季节输送各种油品时的工况进行水力计算，确定调节措施，以及在多种油品交替过程中混油浓度的有效检测。
天然气管道工艺设计 输气管道工艺设计是对设计任务要求和气源、气质条件以及用户的特殊要求等进行多方面比较的过程。在增压输送的情况下，通过管径、压比、输气压力等之间存在的某种函数关系进行比较和计算，选取最佳参数（管径、最高输气压力、站压比等）。工艺设计内容通常包括：确定输气管道的直径和设计压力；确定管道材质规格及内、外防腐材料；确定输气干线总流程和各站分流程；合理选择进出口参数；确定站场数量和站间距。各站场的工艺流程必须满足输气工艺要求，具有旁通、安全放空、越站输送等功能。整个输气系统还应根据调峰需要设计储气库。
3.自动化控制设计
管道自动控制是保证管道安全平稳，实现完成输送油品或天然气任务的重要环节。随着输送工艺技术、电子技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术的不断发展，我国的管道自动化设计也相应地经历了一个由低级向高级发展的过程，即由常规仪器仪表到遥测遥讯遥控的数字系统。如今，在站场自动化的基础上，实现了全线集中监控、管理，使管道自动化控制设计能力达到国际先进水平。
管道自动监控通常称为SCADA（SUPEPVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION）系统，即监控与数据采集系统，已成为当今管道自动控制系统的基本模式。随着计算机硬件、软件和通信系统的不断发展，SCADA系统已由传统的集中控制、集中管理发展成目前的集散控制、集中管理方式，主机更多地用作数据采集与分析，由远程终端装置配上先进的软件在现场进行集散式控制。远程终端装置是系统中的关键性装置，具有对现场工况进行最佳控制的能力，是实现管道自动监控、无人操作的基本条件。