供熱管道減阻涂層減阻效果的實(shí)驗(yàn)研究

天津大學(xué) 中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 苗慶偉天津大學(xué) 張 歡中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 王 淮 趙惠中天津大學(xué) 天津建工集團(tuán)建筑設(shè)計(jì)有限公司 常婭娜天津天地龍管業(yè)有限公司 劉秀清 劉 洋

1 概述

熱電聯(lián)產(chǎn)長(zhǎng)輸供熱系統(tǒng)因輸送距離長(zhǎng)、流量大，系統(tǒng)的輸配能耗很大。如何提高輸送效率，從而降低熱網(wǎng)輸配能耗成為亟需解決的問(wèn)題。管壁粗糙度是熱水管道水力計(jì)算的重要基礎(chǔ)參數(shù)，它反映了管壁的光潔程度及變形狀況對(duì)流動(dòng)過(guò)程的影響，其取值對(duì)熱網(wǎng)輸配能耗的影響很大。隨著管道內(nèi)壁腐蝕的逐漸加劇，管道內(nèi)壁粗糙度逐漸增大。這將大大增加管道的阻力損失，從而使管網(wǎng)的輸配能耗增大。對(duì)于供熱距離達(dá)到幾十km的長(zhǎng)輸供熱管網(wǎng)，輸配能耗的增大越發(fā)明顯。

文獻(xiàn)[1]從理論上分析了長(zhǎng)距離輸送供熱管道減阻涂層對(duì)其輸配能耗的影響：增加防腐減阻涂層后，鋼管內(nèi)壁的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K近似取0.02 mm時(shí)，管內(nèi)水的流動(dòng)狀態(tài)處于湍流過(guò)渡區(qū)；對(duì)DN1200、DN1400 2種管徑的鋼管內(nèi)壁增加防腐減阻涂層后，在20、40、60、70 ℃ 4種水溫下，比摩阻減小了28%～35%，單位管長(zhǎng)的輸配能耗相應(yīng)減少28%～35%。

在工作管內(nèi)壁增加防腐減阻涂層，可以改變流體與管道的接觸狀態(tài)，從而減緩腐蝕，同時(shí)降低摩擦阻力系數(shù)，起到減阻作用。目前主要應(yīng)用于油氣、化工行業(yè)中。常用的涂層技術(shù)包括以下幾種[2]。

1) 環(huán)氧粉末涂敷技術(shù)。

環(huán)氧粉末涂料具有黏度低、涂膜流平性好、外觀(guān)平整光滑、附著力強(qiáng)、涂膜硬度高、耐腐蝕性和耐化學(xué)品性能好、固化時(shí)沒(méi)有副產(chǎn)物、施工適應(yīng)性好、利用率高等特點(diǎn)。其主要問(wèn)題是脆性較高，另外在涂裝時(shí)需提升涂覆物的溫度以達(dá)到熔結(jié)效果，涂裝方式相對(duì)較復(fù)雜。

2) 液體環(huán)氧涂料技術(shù)。

液體環(huán)氧涂料以環(huán)氧樹(shù)脂為主要成膜物質(zhì)，多采用胺類(lèi)固化劑。液體環(huán)氧涂料具有極強(qiáng)的附著力、優(yōu)異的耐蝕性和耐磨性及良好的物理性能，但其施工厚度有限，不能達(dá)到預(yù)期值，其耐熱性也相對(duì)不理想。管道內(nèi)表面液體環(huán)氧涂料可采用空氣噴涂、旋杯靜電噴涂和高壓無(wú)氣噴涂等涂敷方法。

AW-01減阻涂層為雙組分常溫固化涂料，它在大港—滄州輸氣管道中的應(yīng)用效果表明，管道摩擦阻力系數(shù)減小26%～31%。該減阻涂層已應(yīng)用在我國(guó)西氣東輸工程中[3]。

但目前還沒(méi)有防腐減阻涂層應(yīng)用于供熱管道的案例。為研究防腐減阻涂層對(duì)長(zhǎng)距離輸送供熱管道的減阻效果，本文選取一種改性樹(shù)脂類(lèi)涂層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。該涂層為單組分，固體含量約55%，先后經(jīng)過(guò)了附著力測(cè)試、抗沖擊測(cè)試、耐磨性測(cè)試、柔韌性測(cè)試、耐化學(xué)腐蝕性測(cè)試、耐受性測(cè)試、交變環(huán)境耐受性測(cè)試、脫落形態(tài)測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

在天津市某廠(chǎng)區(qū)搭建的供熱管道減阻實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)段采用管材為20#鋼的預(yù)制直埋保溫管，管徑為DN150。位于上層的2根管道為管道內(nèi)壁增加防腐減阻涂層的直埋保溫管；位于下層的2根管道為無(wú)涂層的直埋保溫管，作為對(duì)比管道。無(wú)涂層管段通過(guò)幾次水，并且放空擱置了5 a 左右，模擬實(shí)際供熱工程中運(yùn)行使用過(guò)的管道。在直管段上安裝壓力測(cè)量裝置，壓力測(cè)量點(diǎn)離彎頭的距離大于10倍管道直徑。如圖1所示，在同一根直管段上同一流向的2個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)的間距為87 m。

注：1為熱水鍋爐；2為補(bǔ)水泵；3為管路循環(huán)水泵；4為流量計(jì)；P為泵前、后就地顯示壓力表；P1～P8為測(cè)試管道上的壓力變送器；T1、T2為溫度傳感器。圖1 供熱管道減阻實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

實(shí)驗(yàn)中采用的主要儀器設(shè)備有：

1) 模擬熱源。型號(hào)為DRE80的電熱水鍋爐，額定功率36 kW、水容量300 L，用于加熱系統(tǒng)循環(huán)水。

2) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制柜。控制電熱水鍋爐的出水溫度，根據(jù)回水溫度控制電熱水鍋爐的啟停。當(dāng)回水溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，停止加熱。

3) 循環(huán)水泵。為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供循環(huán)動(dòng)力的設(shè)備。

4) 補(bǔ)水定壓泵。為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)補(bǔ)水定壓設(shè)備。

5) 智能渦街流量計(jì)(LUGB-22I115FAZ)。用于測(cè)量管道流量。

6) Pt100溫度傳感器。配對(duì)精度為±0.5 ℃，測(cè)量供回水溫度。

7) 壓力變送器。測(cè)量壓力測(cè)點(diǎn)的壓力，精度為0.5%量程。

如圖1所示，在管段上相對(duì)應(yīng)位置安裝8個(gè)壓力變送器。壓力變送器P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8安裝位置間距相等，均為87 m。壓力變送器P1～P4測(cè)量的管段為管道內(nèi)壁帶涂層的試驗(yàn)管段，壓力變送器P5～P8測(cè)量的管段為管道內(nèi)壁無(wú)涂層的管段。在供、回水管道上安裝Pt100溫度傳感器T1和T2，測(cè)量供回水溫度。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一部分為手動(dòng)記錄，如流量計(jì)的讀數(shù)；另一部分為數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)記錄，如供回水溫度、8個(gè)壓力變送器的壓力。供回水溫度采用三線(xiàn)制Pt100鉑電阻測(cè)量，鉑電阻直接和數(shù)據(jù)采集單元連接。壓力由壓力變送器直接測(cè)量，并從信號(hào)線(xiàn)上引出2個(gè)端子接到數(shù)據(jù)采集單元上。數(shù)據(jù)記錄采用GL-820 DATALOGGER數(shù)據(jù)采集儀。

3 實(shí)驗(yàn)方案

供熱管道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)充滿(mǎn)水后，開(kāi)啟電熱水鍋爐，關(guān)閉旁通管上閥門(mén)，對(duì)管道內(nèi)水進(jìn)行加熱。同時(shí)觀(guān)測(cè)供、回水溫度，當(dāng)供、回水溫度相等時(shí)，打開(kāi)旁通管上閥門(mén)進(jìn)行測(cè)試。監(jiān)測(cè)8個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)的壓力，并通過(guò)壓力變送器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀自動(dòng)記錄。采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為10 s，連續(xù)采集5 min，取30個(gè)記錄數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。

供熱管道內(nèi)流量保持65 t/h不變，分別在水溫20、25、30、35、40 ℃ 5種工況下進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)記錄8個(gè)壓力變送器的測(cè)量數(shù)據(jù)。

有涂層管段壓降Δp1、Δp2分別為

Δp1=p1-p2

(1)

Δp2=p3-p4

(2)

無(wú)涂層管段壓降Δp3、Δp4分別為

Δp3=p5-p6

(3)

Δp4=p7-p8

(4)

式(1)～(4)中p1～p8分別為對(duì)應(yīng)壓力變送器P1～P8的壓力。

為方便反映減阻效果，減阻率定義為同等長(zhǎng)度的有涂層管段壓降比無(wú)涂層管段壓降減少值和無(wú)涂層管段壓降的比值：

(5)

式中r為減阻率；Δp為未添加涂層管段壓降，Pa；Δp′為添加涂層管段壓降，Pa。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試日期為2019年1月14—18日。實(shí)驗(yàn)測(cè)試初期，因壓力變送器P3出現(xiàn)問(wèn)題，所以取P1、P2、P5、P6的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

水溫為20、25、30、35、40 ℃ 5種工況下，有涂層管段壓降(p1-p2)、無(wú)涂層管段壓降(p5-p6)和減阻率測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同水溫下的測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出，87 m長(zhǎng)無(wú)涂層管段的壓降測(cè)試結(jié)果為9.63 kPa，有涂層管段的壓降測(cè)試結(jié)果為4.63 kPa，減阻率為51.82%，減阻效果很好。

城鎮(zhèn)供熱管道單位管長(zhǎng)的沿程阻力損失用流體力學(xué)的達(dá)西公式進(jìn)行計(jì)算[4]：

(6)

熱媒在管內(nèi)流動(dòng)的摩擦阻力系數(shù)λ取決于管內(nèi)熱媒的流動(dòng)狀態(tài)和管壁的粗糙程度，即

(7)

(8)

式(6)～(8)中R為單位管長(zhǎng)的沿程阻力損失，Pa/m；d為管道內(nèi)徑，m；ρ為水的密度，kg/m3；u為管道內(nèi)的水流速，m/s；Re為雷諾數(shù)；K為管壁的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度，m；ν為水的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

雷諾數(shù)是判別流體流動(dòng)狀態(tài)的參數(shù)。水在管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為湍流時(shí)，可分為3個(gè)區(qū)域[5]：1) 水力光滑區(qū)，2) 過(guò)渡區(qū)，3) 粗糙區(qū)(阻力平方區(qū))。從水力光滑區(qū)到過(guò)渡區(qū)的臨界速度u1和相應(yīng)的雷諾數(shù)Re1按式(9)、(10)計(jì)算：

(9)

(10)

從過(guò)渡區(qū)到粗糙區(qū)(阻力平方區(qū))的臨界速度u2和相應(yīng)的雷諾數(shù)Re2按式(11)、(12)計(jì)算：

(11)

(12)

過(guò)渡區(qū)的雷諾數(shù)范圍可以用式(10)、(12)來(lái)確定。

當(dāng)流體的流動(dòng)處于過(guò)渡區(qū)時(shí)，熱媒在管內(nèi)流動(dòng)的摩擦阻力系數(shù)λ應(yīng)按式(13)計(jì)算：

(13)

按照CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]的規(guī)定，管道內(nèi)壁當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K=0.5 mm。CJJ 101—2016《埋地塑料給水管道工程技術(shù)規(guī)范》[7]規(guī)定塑料管道的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度為0.01～0.013 mm。有涂層管道的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度較接近塑料管道的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度，故先假定其當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K為0.02 mm。

根據(jù)式(9)、(11)，可得到流體處于湍流過(guò)渡區(qū)時(shí)的臨界速度。表2給出了有、無(wú)涂層管道在水溫為20、30、40 ℃時(shí)相應(yīng)的過(guò)渡區(qū)臨界速度u1、u2。水溫越低，管內(nèi)流體的狀態(tài)從過(guò)渡區(qū)到粗糙區(qū)(阻力平方區(qū))的臨界速度也越大。城鎮(zhèn)供熱管道管內(nèi)水流速多位于0.5～4.0 m/s區(qū)間內(nèi)，鋼管內(nèi)水的流動(dòng)狀態(tài)多處于粗糙區(qū)(阻力平方區(qū))內(nèi)，管內(nèi)有涂層后，管內(nèi)水的流動(dòng)狀態(tài)改變?yōu)橥牧鬟^(guò)渡區(qū)。

表2 湍流過(guò)渡區(qū)的臨界速度

根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況的管內(nèi)流速，可以判定無(wú)涂層管段管內(nèi)流動(dòng)處于阻力平方區(qū)。按照CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]規(guī)定的管道內(nèi)壁當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K=0.5 mm，對(duì)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行計(jì)算，可以得到表3所示計(jì)算結(jié)果。

表3 實(shí)驗(yàn)管段無(wú)涂層壓降理論計(jì)算結(jié)果

從表1、3可以看出，87 m長(zhǎng)無(wú)涂層管段的壓降測(cè)試結(jié)果9.63 kPa，大于理論計(jì)算結(jié)果8.02 kPa。根據(jù)實(shí)測(cè)壓降，計(jì)算出無(wú)涂層管段的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K=1 mm。經(jīng)分析，這主要是由于該實(shí)驗(yàn)管段沒(méi)有進(jìn)行充水保養(yǎng)，放空時(shí)間太久導(dǎo)致管道內(nèi)壁腐蝕嚴(yán)重。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況管內(nèi)流速，可以判定有涂層管段管內(nèi)流動(dòng)處于湍流過(guò)渡區(qū)。根據(jù)前文的假定，有涂層管段的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K=0.02 mm，按照式(13)、(6)計(jì)算得到有涂層管段比摩阻為60.34 Pa/m，87 m長(zhǎng)有涂層管段的壓降為5.25 kPa。根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，87 m長(zhǎng)有涂層管段的壓降為4.63 kPa，小于上述計(jì)算值，故有涂層管段的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K小于0.02 mm。同樣根據(jù)式(13)、(6)，計(jì)算得到有涂層管段的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K約為0.01 mm，為CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定值0.5 mm的1/50。

因?qū)嶒?yàn)對(duì)比管段管內(nèi)腐蝕比較嚴(yán)重，因此無(wú)涂層對(duì)比管段的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K取設(shè)計(jì)值。將87 m長(zhǎng)有涂層管段的實(shí)測(cè)壓降和無(wú)涂層管段的設(shè)計(jì)計(jì)算壓降進(jìn)行比較，結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，相比無(wú)涂層管段的設(shè)計(jì)計(jì)算壓降，有涂層管段在實(shí)驗(yàn)工況下的減阻率達(dá)到42.22%，減阻效果顯著。

表4 有涂層實(shí)驗(yàn)管段實(shí)測(cè)壓降和無(wú)涂層管段設(shè)計(jì)計(jì)算值比較

以長(zhǎng)輸供熱管道常用管徑DN1200為例，在水溫為20、40 ℃ 2種溫度下，首先根據(jù)式(10)、(12)判定有、無(wú)涂層管道的管內(nèi)流體狀態(tài)，再按式(6)、(5)計(jì)算有、無(wú)防腐減阻涂層的比摩阻、減阻率，計(jì)算結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，有涂層管道的減阻率隨著流量的增大而增大，隨著水溫的升高而略有增大，減阻率為32%～37%。文獻(xiàn)[1]中，在水溫為20、40 ℃ 2種溫度下，DN1200鋼管有涂層管段，在流量為10 000～16 000 m3/h時(shí)，和無(wú)涂層管段相比，減阻率為28%～33%。兩者對(duì)比可以看出，本文實(shí)驗(yàn)有涂層管段的減阻效果優(yōu)于文獻(xiàn)[1]中有涂層管段的減阻效果，這是因?yàn)楸疚膶?shí)驗(yàn)用有涂層管段的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K約為0.01 mm，而文獻(xiàn)[1]中有涂層管段的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K假定值為0.02 mm。

表5 不同水溫及流量下DN1200鋼管增加防腐減阻涂層前后比摩阻比較

5 結(jié)論和展望

1) 通過(guò)搭建供熱管道減阻效果實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)87 m長(zhǎng)的DN150的預(yù)制直埋保溫管(管材為20#鋼)有/無(wú)減阻涂層時(shí)的壓降進(jìn)行了測(cè)試。在流量為65 t/h，水溫為20、25、30、35、40 ℃ 5種工況下，有涂層管段的壓降平均值為4.63 kPa，無(wú)涂層對(duì)比管段的壓降平均值為9.63 kPa。

2) 根據(jù)實(shí)測(cè)壓降推算得到，有涂層管段的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K約為0.01 mm，為CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]規(guī)定的粗糙度0.5 mm的1/50。在實(shí)驗(yàn)工況下,和當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K=0.5 mm下的理論計(jì)算值比較，減阻涂層的減阻率達(dá)到42.22%，減阻效果顯著。

3) 以DN1200大管徑長(zhǎng)輸供熱管道為例，在流量10 000～16 000 m3/h，水溫20、40 ℃工況下，計(jì)算得到有涂層管段的減阻率為32%～37%。

4) 用于本文實(shí)驗(yàn)的無(wú)涂層管道管內(nèi)腐蝕比較嚴(yán)重，后續(xù)應(yīng)把無(wú)涂層管道改為新鋼管進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。同時(shí)對(duì)涂層的老化實(shí)驗(yàn)繼續(xù)深入研究，確保在管道的使用期內(nèi)不出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。