管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度的取值及其影響分析

同濟(jì)大學(xué) 夏星星 馮良

0 前言

城市燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，需要涉及一個(gè)重要的參數(shù)，就是管道的絕對(duì)當(dāng)量粗糙度。管道的絕對(duì)當(dāng)量粗糙度包括管道內(nèi)表面粗糙度、焊接形成的焊縫、銹蝕以及輸送介質(zhì)沉積結(jié)垢造成的粗糙度，反映了管道材質(zhì)、制造工藝、施工焊接、輸送氣體的質(zhì)量、管材存放年限和條件等諸多因素使摩阻系數(shù)值增大的影響。對(duì)于未使用過(guò)的新的、潔凈的管道，其絕對(duì)當(dāng)量粗糙度只取決于管道材質(zhì)和焊接制造工藝，而使用后的管道則隨流體的性質(zhì)、腐蝕程度、運(yùn)行年限、清管方法等的不同會(huì)有很大變化，需要進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。管網(wǎng)水力計(jì)算絕對(duì)當(dāng)量粗糙度的取值將對(duì)摩阻系數(shù)、管道壓降、管道輸送距離以及管道最大輸氣量產(chǎn)生影響。本文將對(duì)實(shí)際城市燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)計(jì)工作中，管道的絕對(duì)當(dāng)量粗糙度在不同情況下的合理取值范圍及其影響進(jìn)行探討。

1 管道摩阻系數(shù)及壓降的確定

管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度的大小直接影響摩阻系數(shù)的值，從而導(dǎo)致管道壓降發(fā)生變化。通常采用適合于整個(gè)紊流區(qū)的通用公式(Colebrook公式)和阿里特蘇里公式來(lái)計(jì)算摩阻系數(shù)。

Colebrook公式：

阿里特蘇里公式：

式中：λ—管道摩阻系數(shù)；

K—管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度，mm；

D—管道內(nèi)徑，mm；

Re—雷諾數(shù)。

采用式(3)計(jì)算低壓燃?xì)夤艿滥Σ磷枇p失：

采用式(4)計(jì)算高中壓燃?xì)夤艿滥Σ磷枇p失：

式中：?p—管道摩擦阻力損失，Pa；

p1—管道起點(diǎn)壓力(絕對(duì)壓力)，kPa；

p2—管道終點(diǎn)壓力(絕對(duì)壓力)，kPa；

λ—管道摩阻系數(shù)；

Q—管道的計(jì)算流量，m3/h；

D—管道內(nèi)徑，mm；

ρ—燃?xì)饷芏?，kg/m3；

T—燃?xì)鉁囟?，K；

T0—273.15，K；

Z—壓縮因子；

L—管道長(zhǎng)度，km。

2 管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度的取值范圍

國(guó)內(nèi)外常用管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度的取值見(jiàn)表1、表2、表3。

表1 常用管材絕對(duì)當(dāng)量粗糙度

表2 國(guó)內(nèi)各管廠內(nèi)表面粗糙度

表3 美國(guó)氣體管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度估計(jì)值

法國(guó)有關(guān)手冊(cè)對(duì)管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度取值：清理后的裸管為20～50 μm；未清除的裸管取30～50 μm；有內(nèi)覆蓋層取5～10 μm。

加拿大努發(fā)公司對(duì)管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度取值：裸管取19.1 μm，大氣中暴露12個(gè)月后取36 μm，而有內(nèi)覆蓋層則6.4 μm。

由上述國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)表明，管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度隨著管材與實(shí)際的內(nèi)表面狀況而變化，新的、清潔的、未加內(nèi)涂層的焊接鋼管管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度一般取值30～50 μm左右，新的、清潔的無(wú)縫鋼管取14 μm左右。加內(nèi)涂層的鋼管取6～10 μm，PE管的內(nèi)表面比較光滑，通常取10～15 μm。

3 管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度取值的影響

3.1 絕對(duì)當(dāng)量粗糙度對(duì)摩阻系數(shù)和壓降的影響

某天然氣管道的內(nèi)徑D=259 mm，標(biāo)準(zhǔn)狀況下流量 Q=2 500 m3/h，管長(zhǎng) L=1 000 m，起點(diǎn)壓力p1=180 kPa，天然氣密度為0.78 kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘度為15×10-6m2/s，天然氣溫度0 ℃，取不同的絕對(duì)當(dāng)量粗糙度進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 絕對(duì)當(dāng)量粗糙度對(duì)摩阻系數(shù)和壓降的影響計(jì)算

由表4可以看出，隨著管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度的增加，摩阻系數(shù)和壓降皆呈現(xiàn)不同程度的增加，為進(jìn)一步分析具體的變化情況，以絕對(duì)當(dāng)量粗糙度0.05 mm的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，計(jì)算得出管道摩阻系數(shù)及壓降相對(duì)于K=0.05 mm的變化幅度，見(jiàn)表5。

表5 基于K=0.05 mm的摩阻系數(shù)及壓降變化

可見(jiàn)，當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K取0.10 mm相對(duì)于新焊接鋼管(K取0.05 mm)摩阻系數(shù)和壓降分別增加8.63%與9.05%。K取0.15 mm相對(duì)新焊接鋼管(K取 0.05 mm)摩阻系數(shù)和壓降則分別提高 15.60%與16.05%。而加內(nèi)涂層的焊接鋼管(K取0.01 mm)相對(duì)于新焊接鋼管摩阻系數(shù)和壓降分別降低 9.0%與9.05%，說(shuō)明內(nèi)涂層能夠有效的降低焊接鋼管的摩阻系數(shù)和壓降。

3.2 絕對(duì)當(dāng)量粗糙度對(duì)管道輸送距離的影響

某天然氣管道內(nèi)徑D=295 mm，標(biāo)準(zhǔn)狀況下流量Q=15 000 m3/h，起點(diǎn)壓力p1=0.5 MPa，末端壓力要求不低于0.3 MPa，天然氣溫度0 ℃，天然氣組分見(jiàn)表 6。取一系列絕對(duì)當(dāng)量粗糙度，計(jì)算分析得出最大輸送距離Lmax，結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 天然氣組分(V%)

表7 絕對(duì)當(dāng)量粗糙度對(duì)輸送距離的影響

分析表7可見(jiàn)，K從0.01 mm增加到0.05 mm和0.10mm，輸送距離分別減少了720 m和1 100 m，減少的幅度分別為18.80%與28.72%。隨著管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度的增加，輸送距離的削減是很明顯的，且輸送距離削減的速率在K位于0～0.05 mm之間較快，而隨著絕對(duì)當(dāng)量粗糙度的進(jìn)一步增加，其對(duì)輸送距離的影響慢慢減弱。

3.3 絕對(duì)當(dāng)量粗糙度對(duì)管道最大輸氣量的影響

某天然氣高壓管道的內(nèi)徑 D=495 mm，管長(zhǎng)L=30 km，起點(diǎn)壓力p1=2.6 MPa，末端壓力要求不低于1.3 MPa，天然氣溫度0 ℃，天然氣組分同表6。取一系列絕對(duì)當(dāng)量粗糙度，計(jì)算分析得出最大輸氣量Qmax，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 絕對(duì)當(dāng)量粗糙度對(duì)最大輸氣量的影響

表8說(shuō)明了隨著管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度的增加，最大輸氣量呈現(xiàn)明顯的下降。K從0.01 mm增加到0.05 mm和0.10 mm，最大輸氣量分別減少了13 800 m3/h和20 500 m3/h，減少的幅度分別為11.36%與16.87%。在K位于0～0.05 mm范圍時(shí)，最大輸氣量的減少較快，隨著絕對(duì)當(dāng)量粗糙度的進(jìn)一步增加，最大輸氣量的減少相對(duì)減弱。

4 總結(jié)

縱觀國(guó)內(nèi)外燃?xì)夤艿澜^對(duì)當(dāng)量粗糙度的取值，發(fā)現(xiàn)管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度隨著管材與實(shí)際內(nèi)表面狀況而變化。新的、清潔的、未加內(nèi)涂層的焊接鋼管絕對(duì)當(dāng)量粗糙度取值范圍為30～50 μm，新的、清潔的無(wú)縫鋼管絕對(duì)當(dāng)量粗糙度取14 μm左右，有內(nèi)涂層的鋼管取6～10 μm，PE管取10～15 μm。

通過(guò)算例的定量計(jì)算分析，表明了隨著燃?xì)夤艿澜^對(duì)當(dāng)量粗糙度的增大，摩阻系數(shù)、壓降增大，輸送距離及最大輸氣量明顯降低，對(duì)燃?xì)獾妮斔陀l(fā)不利，應(yīng)采取減阻措施，降低管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度，提高輸氣效率。