淺談長距離壓力輸水管道設(shè)計與研究

張 婷

山東省水利勘測設(shè)計院 山東 濟南 250014

1 前言

隨著人民生活水平的逐步提高，對水質(zhì)要求越來越高，利用管道進行的長距離輸水調(diào)水工程越來越多，隨之而來的管道工程設(shè)計中出現(xiàn)的問題也越來越多，本文以甘肅省引洮供水二期配套工程某長距離管道輸水工程實例在設(shè)計中出現(xiàn)的幾個工程問題為例，簡單分析了長距離輸水工程管道水力計算公式的選擇對管道設(shè)計的影響、管道壁厚的計算、有壓重力流管道的水錘防護等問題。

2 工程概況

根據(jù)已完成并由國家發(fā)改委評估的《引洮供水二期工程項目建議書》，經(jīng)與8個受益縣(區(qū))充分溝通后，初步確定引洮二期配套工程建設(shè)內(nèi)容包括城鄉(xiāng)供水調(diào)蓄水池(庫)、村鎮(zhèn)集中供水水廠、人飲工程對接管網(wǎng)及農(nóng)業(yè)灌溉支渠、田間配套工程等五部分內(nèi)容。

本文中的長距離輸水工程為引洮二期配套工程中某縣人飲工程對接管網(wǎng)工程，該工程供水管線設(shè)計管道流量0.055 m3/s。由水廠至第一高位水池段管線起點接管點中心高程1577.11m，終點接管點中心高程1920.92 m，第一高位水池設(shè)計水位1922.95 m，采用泵站加壓，泵站揚程為360 m；第一高位水池至第二高位水池段管線起點接管點中心高程1920.92 m，終點接管點中心高程1839.20 m，高差81.72 m，該管段采用有壓重力流，末端設(shè)活塞式調(diào)流調(diào)壓閥來調(diào)節(jié)壓力及流量。

3 管道水力計算公式的選擇

管道總水頭損失，可按下列公式計算：

式中：hz—總水頭損失(m)

hy沿程水頭損失(m)

hj—局部水頭損失(m)

其中，影響計算結(jié)果較大的為沿程水頭損失，在實際工程設(shè)計計算中，沿程水頭損失一般按照水力學(xué)書或水利手冊中的公式進行計算，較為簡單，但公式較多，如何選用最適合本工程的計算公式就關(guān)系到工程設(shè)計方案在運行中的經(jīng)濟問題，是確定方案可行性和經(jīng)濟性的一個重要步驟。

常用的計算水頭損失常用公式有舍維列夫公式、謝才公式及海曾-威廉公式。

1)舍維列夫公式：適用于舊鑄鐵管和舊鋼管，水溫10℃時，

沿程水頭損失計算公式都是在一定的實驗基礎(chǔ)上建立起來的，由于實驗條件的差別，各公式適用的條件和計算精度也有差別，通過對各公式的分析和計算比較，發(fā)現(xiàn)：

1)舍為列夫公式是通過舊鋼管和舊鑄鐵管試驗資料確定的，而現(xiàn)在本工程采用的鋼管采用了涂料作為內(nèi)襯，條件發(fā)生了變化，不適用于本工程；

2)謝才公式為管渠計算的經(jīng)典公式，謝才系數(shù)C是官網(wǎng)水力損失計算正確性的關(guān)鍵；

3)海曾-威廉公式特別適用于給水管網(wǎng)的水力計算，計算長距離輸水的水力損失準(zhǔn)確率精度較高，同時適用于多種管材，由于本工程有金屬管道也有塑料管道，因此本設(shè)計采用海曾-威廉公式進行水利損失的計算。

計算結(jié)果為樁號0+000～3+444，管道流量0.055 m3/s，采用DN300 mm 鋼管，海曾-威廉系數(shù)Ch取130，總水頭損失為7.42 m，高程差為343.81 m，起點水頭360 m，止點水頭為8.77 m。

樁號3+444～11+730，管道流量0.04 m3/s，采用DN300 mm 鋼管，海曾-威廉系數(shù)Ch取130和140，總水頭損失為18.55 m，高程差為81.72 m，起點水頭2.03 m，止點水頭為65.20 m。

r—鋼管(鋼襯)內(nèi)半徑(mm)；

t0—鋼管(鋼襯)管壁計算厚度(mm)。

試驗壓力應(yīng)按以下公式計算：

P=2σψt/D

推導(dǎo)出鋼管壁厚計算公式：

t=PD/2σψ+C

式中 P—鋼管內(nèi)介質(zhì)工作壓力值，單位為兆帕(MPa)；

φ—焊縫系數(shù)，無縫鋼管φ=1，直縫焊接鋼φ=0.8，螺旋縫焊接鋼管φ=0.6；

σ—管材的許用應(yīng)力，單位為牛頓每平方毫米(N/mm2)；

D—鋼管的外徑，單位為毫米(mm)；

t—鋼管的壁厚，單位為毫米(mm)；

C—鋼管壁厚附加量(mm)。

本段管線最大水錘壓力經(jīng)水錘計算為6.0 Mpa，經(jīng)計算，管材選用Q345C無縫鋼管，根據(jù)上述公式計算得本管段管道的壁厚為4.1 mm，考慮鋼管的腐蝕、泥沙磨損、水錘防護等因素，管子壁厚附加量為3 mm，即7.1 mm，因此確定本線路中至第一高位水池加壓段管道采用壁厚為8 mm 的DN300 mm 的Q345C鋼管。應(yīng)用Mathcad軟件編程計算，經(jīng)由埋地鋼管結(jié)構(gòu)計算，所用鋼管滿足《給水排水管道埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》CECS 141：2002規(guī)定。

4 有壓重力輸水管道調(diào)流調(diào)壓設(shè)施的選擇及設(shè)置

1)本設(shè)計中所有有壓重力輸水段調(diào)流調(diào)壓的設(shè)備均采用活塞式控制閥進行調(diào)流調(diào)壓。

活塞式調(diào)流調(diào)壓閥有以下優(yōu)點：

(1)活塞控制閥出口部位的線性收縮和出口節(jié)流部件產(chǎn)生的引導(dǎo)對撞及阻力，可產(chǎn)生消能減壓的效果，并避免因節(jié)流對閥體和管道產(chǎn)生的汽蝕影響。

(2)活塞控制閥無論活塞被驅(qū)動到任何位置，閥腔內(nèi)水流斷面均為環(huán)狀，使閥門開度與流量呈線性關(guān)系，具有良好的流量或壓力調(diào)節(jié)特性。

(3)活塞控制閥調(diào)節(jié)靈敏，動作均勻，無卡阻、異常振動及壓力波動現(xiàn)象。

(4)活塞控制閥在小流量工況時，對流體具有良好的消能效果，可有效的防止汽蝕；當(dāng)大流量工況時，也可消減流體部分能量，并對流體部分能量有所保留，保證閥門具有足夠的過流能力。

(5)活塞控制閥能夠?qū)崿F(xiàn)流量的精確控制，可以保持恒定流量；能夠?qū)崿F(xiàn)大壓差范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，保持閥后壓力穩(wěn)定；能夠保證在無振動、無汽蝕、對管路無損傷的情況下，對輸水系統(tǒng)進行線性調(diào)流或穩(wěn)定減壓。

(6)活塞控制閥采用金屬與橡膠雙重密封，實現(xiàn)氣泡級密封、零泄漏，能夠阻斷靜水壓力的傳遞。

(7)活塞控制閥采用壓力平衡驅(qū)動，所需要的操作力小。

(8)只針對各段管道的活塞控制閥進行運行控制，管理運行方便。

2)活塞式控制閥的設(shè)置位置

第一高位水池至第二高位水池重力自流段管線起點接管點中心高程1920.92 m，終點接管點中心高程1839.20 m，該段管線總水頭損失為18.55 m，因此富裕水頭為65.20 m。因此在重力流管道末端設(shè)置活塞式調(diào)流調(diào)壓閥，來進行流量壓力的調(diào)節(jié)。

3)活塞式控制閥相關(guān)指標(biāo)的初步確定

根據(jù)活塞式控制閥設(shè)計參數(shù)，初步確定活塞式控制閥相關(guān)指標(biāo)如下：

確定選用公稱直徑DN250 mm 活塞式控制閥?；钊娇刂崎y相關(guān)指標(biāo)圖表如下：

圖1 活塞式控制閥設(shè)計壓差開度流量曲線圖

4 鋼管壁厚的確定

根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》(SL281-2003)及《低壓流體輸送用焊接鋼管》(GB/T3091-2015)要求：

鋼管抗外壓強度校核可采用以下公式(鍋爐公式)計算：

式中 P0—徑向均勻布壓力(N/mm2)；

圖2 活塞式控制閥設(shè)計壓差開度汽蝕曲線圖

由上兩圖可知，選擇DN250 mm 活塞閥均能滿足管線各工況流量、壓力要求。

5 結(jié)論

該段管線管徑不大，但既有水泵加壓段又有有壓重力流段，且加壓段管道壓力較大，重力流段落差也較大，在管路損失計算、管道壁厚計算及有壓重力輸水管道調(diào)流調(diào)壓設(shè)施的選擇和設(shè)置等方面具有代表性，通過準(zhǔn)確的計算、合理的設(shè)計實現(xiàn)工程實際運行的合理性、高效性及節(jié)能性。