多重增強(qiáng)鋼塑復(fù)合壓力管糙率研究

毛藝倫，呂 雅，吳福生

(1.華創(chuàng)天元實(shí)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 廊坊 065001；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 225600)

糙率系數(shù)是輸水工程設(shè)計(jì)的重要技術(shù)參數(shù)，長(zhǎng)距離輸水管線糙率計(jì)算十分重要。在一定水頭和輸水流量下，管道阻力系數(shù)、如當(dāng)量粗糙度Δ，沿程阻力系數(shù)λ，海曾-威廉系數(shù)Cw、曼寧糙率系數(shù)n等都是現(xiàn)代工業(yè)管道輸運(yùn)中不可或缺的重要力學(xué)參數(shù)。供水管線的水利計(jì)算過(guò)程中涉及這些參數(shù)的取值，如果設(shè)計(jì)參數(shù)取值不合理，就會(huì)給水利計(jì)算帶來(lái)誤差，從而影響到管網(wǎng)總體布局、規(guī)模、投資乃至運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等。

多重增強(qiáng)鋼塑復(fù)合壓力管是利用鋼板與鋼網(wǎng)在同一個(gè)塑料異型帶材中的同步復(fù)合技術(shù)及復(fù)合后的管道纏繞成型技術(shù)，形成兼具防腐作用及抗內(nèi)外壓優(yōu)良的新型大口徑壓力輸水管道，其纏繞成型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將會(huì)對(duì)管材內(nèi)壁粗糙系數(shù)選取的水力計(jì)算影響很大，且新型產(chǎn)品往往無(wú)資料可查。為此，本文將對(duì)DN315規(guī)格多重增強(qiáng)鋼塑復(fù)合壓力管進(jìn)行糙率測(cè)試，利用曼寧公式等水力學(xué)計(jì)算公式得到確切的管材糙率系數(shù)，用以減少理論水力計(jì)算與實(shí)際結(jié)果之間的偏差，達(dá)到管線運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的目的。

1 測(cè)試原理與儀器裝備

在管線輸水過(guò)程中，水的內(nèi)部摩擦、水沿著管壁的摩擦及水流形態(tài)的改變(彎頭、接頭等)都會(huì)造成水頭損失。水的內(nèi)部摩擦是由于水在流動(dòng)時(shí)質(zhì)點(diǎn)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)間要產(chǎn)生內(nèi)部摩擦力來(lái)抵抗其相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種性質(zhì)稱為水的黏滯性。在雷諾數(shù)(Re=vd/μ<4000)的情況下，水頭損失與水的內(nèi)部摩擦有關(guān)，而與管壁粗糙度無(wú)關(guān)。當(dāng)雷諾數(shù)在4000～106之間時(shí)，水體紊動(dòng)加劇，黏滯底層逐漸減薄，以至于不能覆蓋壁面絕對(duì)粗糙度Δ，阻力系數(shù)λ隨著Re和Δ/D變化。雷諾數(shù)繼續(xù)增大，水流歸屬粗糙區(qū)，即阻力平方區(qū)，水頭損失與管壁粗糙度有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，而與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)；因此，管材水頭損失計(jì)算公式中阻力系數(shù)是一個(gè)綜合參數(shù)，既要反映水的黏滯產(chǎn)生的損失，又要反映管材的粗糙程度。

1.1 測(cè)試原理[1- 2]

1.1.1 曼寧糙率系數(shù)

曼寧公式的適用條件即為水流的水力平方區(qū)，當(dāng)試驗(yàn)水流處于水力平方區(qū)時(shí)，由曼寧公式得到糙率系數(shù)n計(jì)算過(guò)程為：

(1)

(2)

J=ΔH/L

(3)

式中，Q—流量，m3/s；ΔH—測(cè)壓管水頭差，m；L—相應(yīng)管長(zhǎng)，m；A—管道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，本試驗(yàn)為滿管有壓流，即為管徑截面積，m2；R—水力半徑，m，對(duì)于圓管為圓管半徑，此試驗(yàn)中與管材半徑r一致；J—水力坡降；C—謝才系數(shù)。由式(1)～(3)計(jì)算得n：

(4)

1.1.2 沿程水頭損失系數(shù)

根據(jù)魏斯巴赫-達(dá)西公式：

(5)

式中，hf—沿程水頭損失，即ΔH，m；λ—沿程水頭損失系數(shù)；L—兩測(cè)試管道斷面長(zhǎng)度，m；V—管中水流的斷面平均流速,m/s；g—重力加速度，取9.81m/s2。通過(guò)實(shí)測(cè)過(guò)水流量計(jì)管道水頭損失，即可求出阻力系數(shù)λ，由此得沿程水頭損失系數(shù)為：

(6)

1.1.3 當(dāng)量粗糙度

由于試驗(yàn)時(shí)管內(nèi)紊流處于過(guò)渡粗糙區(qū)，可采用柯爾勃洛克-懷特公式計(jì)算當(dāng)量粗糙度，該公式適用于紊流光滑區(qū)、紊流過(guò)渡區(qū)和粗糙區(qū)，其適用范圍較為寬泛、準(zhǔn)確性高。

柯爾勃洛克-懷特公式如下：

由此，經(jīng)公式變換，可得管壁當(dāng)量粗糙度的計(jì)算公式：

(7)

式中，Ks—當(dāng)量粗糙度，mm；d—管道內(nèi)徑，m；λ—管道水流沿程阻力系數(shù)，為無(wú)量綱數(shù)。

1.1.4 海曾-威廉系數(shù)

對(duì)于較光滑的圓管滿管紊流，常用海曾-威廉公式計(jì)算沿程水頭損失。海曾-威廉公式適用于各種管材的水力計(jì)算，無(wú)須判別水力分區(qū)，這些優(yōu)勢(shì)此公式應(yīng)用極為廣泛。海曾-威廉公式如下：

(8)

式中，Q—流量，m3/s；g—重力加速度，取9.81m/s2；d—管道內(nèi)徑，m；λ—水流沿程阻力系數(shù)，為無(wú)量綱數(shù)；Cw—海曾-威廉粗糙系數(shù)，為無(wú)量綱數(shù)。

1.2 試驗(yàn)方法

抽取正常生產(chǎn)過(guò)程中外徑為DN315多重增強(qiáng)鋼塑復(fù)合壓力管4根，每根管長(zhǎng)12m，平均內(nèi)徑為275.0mm，安裝在管道阻力參數(shù)檢測(cè)裝置中。管道進(jìn)口上游配有DN300電磁流量計(jì)，試驗(yàn)裝置中待測(cè)管道首尾設(shè)置有調(diào)壓井以穩(wěn)定待檢測(cè)管道中的沿程水位壓力，減小測(cè)量誤差。測(cè)量管段前后留有足夠長(zhǎng)度作為水流穩(wěn)定過(guò)渡，并布置了時(shí)均壓力測(cè)量斷面，在距離每根管兩端約0.5m處布置一個(gè)測(cè)壓斷面，4根管段共布置了8個(gè)測(cè)壓斷面以便于相互校核。通過(guò)DN300電磁流量計(jì)測(cè)出待檢測(cè)管道過(guò)流流量，并測(cè)量出試驗(yàn)時(shí)水溫，計(jì)算出管中水流雷諾數(shù)；進(jìn)而根據(jù)有關(guān)管道水流阻力特性的水力學(xué)理論，便可得出外徑為DN315多重增強(qiáng)鋼塑復(fù)合壓力管管道糙率系數(shù)n。

2 檢測(cè)結(jié)果

多重增強(qiáng)鋼塑復(fù)合壓力管具有纏繞成型特點(diǎn)，在內(nèi)壁帶材搭接處形成螺旋紋路，為驗(yàn)證螺旋紋路在水利輸送過(guò)程中對(duì)管材糙率系數(shù)的影響，對(duì)帶材正螺旋方向與反螺旋方向成型管材分別進(jìn)行糙率試驗(yàn)，得出該類管材的曼寧糙率系數(shù)及當(dāng)量粗糙度等相關(guān)參數(shù)。

表1列出了DN315多重增強(qiáng)鋼塑復(fù)合壓力管管材按帶材正螺旋成型方向安裝時(shí)的糙率率定試驗(yàn)結(jié)果，利用式(1)～(4)，計(jì)算得出該管材的各阻力系數(shù)的平均值，曼寧糙率系數(shù)為0.00899；沿程阻力系數(shù)為0.01548；當(dāng)量粗糙度為0.03658mm；海曾-威廉粗糙系數(shù)為134.0。

表2列出了DN315多重增強(qiáng)鋼塑復(fù)合壓力管管材按帶材反螺旋成型方向安裝時(shí)的糙率率定試驗(yàn)結(jié)果，利用式(1)～(4)，計(jì)算得出該管材的各阻力系數(shù)為曼寧糙率系數(shù)為0.00903；沿程阻力系數(shù)為0.01563；當(dāng)量粗糙度為0.04066mm；海曾-威廉粗糙系數(shù)為133.6。

表1 DN315多重增強(qiáng)鋼塑復(fù)合壓力管管材正螺旋方向阻力參數(shù)檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

表2 DN315多重增強(qiáng)鋼塑復(fù)合壓力管管材反螺旋方向阻力參數(shù)檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

糙率系數(shù)對(duì)于減少沿程流體壓力損失具有重要意義，當(dāng)采用同等內(nèi)徑管道、流量相同時(shí)，糙率系數(shù)越小，沿程壓力損失越小，可提高輸送能力，節(jié)省泵送費(fèi)用。不同材質(zhì)管材糙率系數(shù)見(jiàn)表3，大口徑多重鋼塑復(fù)合壓力管糙率系數(shù)與玻璃鋼管相近，遠(yuǎn)小于鋼管、球墨鑄鐵管等，在長(zhǎng)距離輸送流體方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

表3 不同材質(zhì)管材糙率系數(shù)表[4]

3 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)距離、大流量輸水管道的糙率選取應(yīng)綜合分析各種因素，選取合適的粗糙系數(shù)，使設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際情況一致，可減少工程投資和運(yùn)行費(fèi)用。本試驗(yàn)是在原型管道上進(jìn)行的，并根據(jù)管材結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別進(jìn)行了正螺旋方向和反螺旋方向試驗(yàn)，由試驗(yàn)得出確切的曼寧系數(shù)、當(dāng)量粗糙度等糙率系數(shù)，供工程設(shè)計(jì)選用。通過(guò)與其他材質(zhì)管材曼寧系數(shù)對(duì)比，多重增強(qiáng)鋼塑復(fù)合壓力管材具有較小的曼寧系數(shù)，說(shuō)明其在長(zhǎng)距離輸水工程中沿程阻力損失小，具有一定的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)考慮其內(nèi)外防腐等優(yōu)良特性，多重增強(qiáng)鋼塑復(fù)合壓力管必將在水利市場(chǎng)中得到進(jìn)一步推廣和使用。