球墨鑄鐵管的水力計(jì)算

1、球墨鑄鐵管的水力計(jì)算的探討圣戈班管道系統(tǒng)有限公司李華成一、前言在二十世紀(jì)九十年代以前，絕大多數(shù)供水管材都是灰口鑄鐵管，依據(jù)我國(guó)27個(gè)大中城市的給水管材的調(diào)查數(shù)據(jù)，灰口鑄鐵管所占的比例為84.72%。在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，灰口鑄鐵管有著十分成熟的設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圖集和施工規(guī)范。這些都給管道生產(chǎn)商、設(shè)計(jì)單位、施工單位帶來(lái)了很大的便利。球墨鑄鐵管是在灰口鑄鐵管基礎(chǔ)上的一次新的革命。它不但繼承了灰口管抗腐蝕、 耐磨等優(yōu)點(diǎn)，而且其機(jī)械性能遠(yuǎn)大于灰口管，更接近于鋼管。隨著球墨鑄鐵管進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，越來(lái)越多的自來(lái)水公司和建設(shè)單位了解和掌握球墨鑄鐵管的性能，球墨鑄鐵管成為供水管材的主導(dǎo)產(chǎn)品，并逐步取代灰口鑄鐵管

2、，這已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。但是遺憾的是，我國(guó)許多關(guān)于球墨鑄鐵管的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收規(guī)范都沒(méi)有及時(shí)地推出， 給管線的建設(shè)帶來(lái)了無(wú)法可依的局面。由于標(biāo)準(zhǔn)的缺乏，現(xiàn)行的做法是只能套用灰口鑄鐵管的規(guī)范。我們知道，球墨鑄鐵管與灰口鑄鐵管相比，無(wú)論是管材的本身、接口防腐層、管線 設(shè)計(jì)、安裝、驗(yàn)收都有很大的不同， 直接套用所產(chǎn)生的誤差也是相當(dāng)大的，對(duì)管線的正常運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)效益都帶來(lái)了重大影響。主要的問(wèn)題如下：- 管線的設(shè)計(jì)，由于球墨鑄鐵管內(nèi)噴涂一層光滑的水泥內(nèi)襯，粗糙度 k約為0.03;而灰口鑄鐵管沒(méi)有內(nèi)襯保護(hù)， 在管線運(yùn)行一段時(shí)間后，會(huì)有一層腐蝕，粗糙度k約為0.2 0.3。由此，兩種管道的水力阻力系數(shù)會(huì)有很大的

3、不同。由于這類(lèi)的問(wèn)題非常突出，本文就此進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并進(jìn)行了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上的比較。- 管道的安裝，球墨鑄鐵管一般采用T型滑入式柔性接口，灰口鑄鐵管接口比較多，如，青鉛接口、膨脹水泥接口、石棉水泥接口等，這些均屬于剛性接口。球墨鑄鐵管的安裝相對(duì)簡(jiǎn)單得多，在生產(chǎn)廠家提供技術(shù)安裝手冊(cè)或技術(shù)人員親臨指導(dǎo)下，很容易掌握，所 以安裝問(wèn)題并沒(méi)有給建設(shè)單位造成多大的困難。但應(yīng)當(dāng)說(shuō)明是，球墨鑄鐵管的安裝標(biāo)準(zhǔn)，包括一些特殊接頭的安裝，在現(xiàn)行的大多數(shù)設(shè)計(jì)施工規(guī)范中都沒(méi)有體現(xiàn)，這樣的形勢(shì)是 無(wú)法另人滿(mǎn)意的。- 水泥支墩，我國(guó)給排水標(biāo)準(zhǔn)圖集S3中，有對(duì)水泥支墩的定義，它的設(shè)計(jì)依據(jù)是由1965年北京、上海、成都三個(gè)地區(qū)

4、灰口鑄鐵管的試驗(yàn)做出的。由于管材、接口形式等不同，圖集中的支墩尺寸并不適合于球墨鑄鐵管。如果能推出一系列球墨鑄鐵管水泥支墩的安裝圖集，將給管線的設(shè)計(jì)、施工帶來(lái)很大的便利。- 工程的水壓試驗(yàn)，現(xiàn)行的 GB50268-97給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范的水壓試驗(yàn)中一些方法及一些參數(shù)的取值均不合理，已經(jīng)不適應(yīng)于球墨鑄鐵管的驗(yàn)收要求。目前，鄭州自來(lái)水公司在工程建設(shè)中積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)水壓試驗(yàn)的修訂提供了許多寶貴的建議，這些都為球墨鑄鐵管在中國(guó)的發(fā)展有著積極地推動(dòng)作用。- 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的陳舊與錯(cuò)誤， GB13295-91及GB13294-91歷經(jīng)了十幾年沒(méi)有更新，已不能跟上球墨鑄鐵管的發(fā)展。另外，GB

5、13295-91還包含著一些錯(cuò)誤，例如， DN700管道的重量（K9級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)工作長(zhǎng)度 6m）為1126kg,如果按照承口部分的重量加上直管部分的重 量計(jì)算，其結(jié)果是1123kg。兩者的結(jié)果相差3kg,顯然是不合理的。新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13295-200X 已經(jīng)出臺(tái)了報(bào)批稿，那么新版本也將正式推出，這無(wú)疑是個(gè)值得慶賀的好消息?？傊环矫?，球墨鑄鐵管的使用得到了供水行業(yè)決大多數(shù)技術(shù)專(zhuān)家的認(rèn)同；另一方面，由于球墨鑄鐵管規(guī)范沒(méi)有跟上，使得球墨鑄鐵管的建設(shè)出現(xiàn)了一種無(wú)所適從的窘?jīng)r，阻礙了球墨鑄鐵管的發(fā)展。 因此，及時(shí)更新我國(guó)的設(shè)計(jì)、 施工、驗(yàn)收規(guī)范及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求顯得十 分急迫，也勢(shì)在必行。二、供水

6、管線的水力計(jì)算的原理依據(jù)給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)，城市供水輸配水管道的水流速度限定為：V = 0.6 2.5m/s。依據(jù)ISO2531 ,球墨鑄鐵管的管徑范圍為：DN40 DN2600。水溫為10 C的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)為：1.301 X 10-6 m 2/s經(jīng)計(jì)算得出管線的雷諾數(shù)的范圍為：Re = VD/ = 1.84 x 104 5 x 106根據(jù)尼古拉茲的試驗(yàn)成果，可以將供水管線的水流狀態(tài)劃歸為光滑區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榇植趨^(qū)的過(guò)渡區(qū)，亦稱(chēng)過(guò)渡粗糙區(qū)。在這個(gè)區(qū)域，阻力系數(shù)入隨著Re和k/D而變化，即入=? （Re,k/D）。這是因?yàn)殡S著雷諾數(shù)的增大，液體紊動(dòng)加劇，粘滯底層逐漸減薄，以至不能覆蓋壁面 絕對(duì)粗糙度k,因此

7、壁面粗糙對(duì) 入發(fā)生影響。過(guò)渡粗糙區(qū)的阻力系數(shù)計(jì)算公式為柯?tīng)柌蹇?懷特（Colebrook- White ）公式，圣戈班穆松橋的水力計(jì)算也正是采用了這一公式。關(guān)于壓力管線上的水頭損失有如下三點(diǎn)說(shuō)明：在管線輸水過(guò)程中必須增加能量來(lái)克服水頭損失。它有三個(gè)因素：a -水的內(nèi)部摩擦（與粘性有關(guān)），b -水沿著管壁的摩擦，c -地形改變水流（彎頭、接頭等）。實(shí)際中，水頭損失的大小主要是水的內(nèi)部摩擦引起的（因素a）。水與管壁的摩擦是唯一的與管道類(lèi)型有關(guān)的因素，它所占的比例非常小：涂有水泥內(nèi)襯的球墨鑄鐵管道（k =0.03），因素b的比例最多只有7%;但灰口鑄鐵管的粗糙度相對(duì)要大得多（ k = 0.2 0.

8、3 ）, 因素b的影響也就相對(duì)大得多。地形改變水流（因素c）在與因素a比較時(shí)也扮演一個(gè)很小的角色，但針對(duì)不同的管線（如,輸水管線，配水管線）、不同的地形（轉(zhuǎn)彎、分支），應(yīng)適當(dāng)考慮局部水頭損失的取值。三、中國(guó)與圣戈班穆松橋計(jì)算公式之間的比較1 .中國(guó)的輸送管線的計(jì)算方法： 采用的是舍維列夫公式， 參見(jiàn)給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)第1冊(cè)一一常用資料。1）當(dāng)流速> 1.2 m/s ,2）當(dāng)流速 <1.2 m/s,V2J =0.00107 D1.30.3VV20.867J =0.000912 （1 +D1.3這里，J：水力坡度（m/m）V：流速（m/s）D：管道內(nèi)徑（m）-懷特公式，參見(jiàn)圣2. 圣戈班穆

9、松橋的水力計(jì)算方法：采用達(dá)西公式和柯?tīng)柌蹇?戈班穆松橋的技術(shù)手冊(cè)供水管線。達(dá)西公式：J=入JD 2g12.51柯?tīng)柌蹇斯?-=-2lg ( -=+3.71DV 入ReV這里，m計(jì))J :水力坡度（每米長(zhǎng)管道的水頭損失，以 入：阻力系數(shù)D：管道內(nèi)徑（m）V：流速（m/s）g：重力加速度 （m/s2）Re= VD/ （雷諾數(shù)）(m 2/s):在一定溫度下的液體的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)k：管道粗糙度（m）在水力計(jì)算時(shí)，其他的參數(shù)很容易就可以確定，管道粗糙度k的取值尤為關(guān)鍵。0.03 mm ,當(dāng)和絕對(duì)光5 - 7%而且特別依賴(lài)于彎頭、k = 0.1對(duì)于配水管線來(lái)k的取值可以稍微地球墨鑄鐵管采用旋轉(zhuǎn)噴涂的工

10、藝，得到一個(gè)光滑的、 均勻的水泥砂漿內(nèi)襯。 圣戈班穆松橋進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，已經(jīng)得出了內(nèi)襯的粗糙度k值。其平均值為滑的管道k = 0比較時(shí)（計(jì)算流速為1 m/s ）,對(duì)應(yīng)的額外水頭損失為不管怎樣，管道的相關(guān)表面粗糙度不僅依賴(lài)于管道表面的均勻性， 三通和其他連接形式的數(shù)量，如管線縱剖面的不規(guī)則性。經(jīng)驗(yàn)顯示 說(shuō)是一個(gè)合理的數(shù)值。對(duì)于每公里只有幾個(gè)管件的長(zhǎng)距離的管線來(lái)說(shuō)， 降低（=0.6 0.8 ）。當(dāng)然，k的取值還應(yīng)當(dāng)包括其它因素的影響，如，水質(zhì)的不同。下列表格為圣戈班穆松橋進(jìn)行k值試驗(yàn)時(shí)的部分管道數(shù)據(jù)：管徑(DN)安裝年代估算年齡（年）k值（柯?tīng)柌蹇?懷特公式）150194100.025120

11、.019160.0602501925160.148320.135390.0983001928130.160290.119360.0303001928130.054290.075360.0757001939190.027250.0467001944130.027200.046四、兩種水力計(jì)算方法結(jié)果的比較假設(shè)條件：輸送城鎮(zhèn)自來(lái)水的球墨鑄鐵管，管線長(zhǎng)度為10公里，管線使用時(shí)間為10年，水溫為10 C，局部水頭損失為沿程水頭損失的10% O設(shè)計(jì)水量Q l/sDN mm流速m/s國(guó)內(nèi)方法圣戈班穆松橋 的方法 h = hl h2 m1003001.41水力坡度J =10.176m/km水力坡度J=5.8

12、02m/km48.114管線水頭損失h1 = 111.936m管線水頭損失h2 = 63.822m3005001.53水力坡度J =6.167m/km水力坡度J =3.622 m/km27.995管線水頭損失h1 = 67.837m管線水頭損失h2 = 39.842m7008001.39水力坡度J =2.763m/km水力坡度J =1.724 m/km11.429管線水頭損失h1 = 30.393m管線水頭損失h2 = 18.964m120010001.53水力坡度J =2.505m/km水力坡度J =1.578 m/km10.197管線水頭損失h1 = 27.555m管線水頭損失h2 = 1

13、7.358m從表中的數(shù)據(jù)可以看出，國(guó)內(nèi)與圣戈班穆松橋的計(jì)算方法的結(jié)果差異很大。兩種水力計(jì)算方法的比較：1) 國(guó)內(nèi)的方法適用于舊鋼管和舊鑄鐵管，圣戈班穆松橋的方法主要針對(duì)的是供水用球 墨鑄鐵管。2) 國(guó)內(nèi)的方法并沒(méi)有考慮水泥內(nèi)襯，其考慮的是管壁腐蝕或沉垢之后的粗糙度，圣戈班穆松橋的方法考慮了水泥內(nèi)襯，其中k值的選取就是水泥內(nèi)襯粗糙度。3) 圣戈班穆松橋的方法中參數(shù)的取值是在大量試驗(yàn)和實(shí)際工程跟蹤檢測(cè)的基礎(chǔ)上得 出的。所以，對(duì)于球墨鑄鐵管的計(jì)算，圣戈班穆松橋的方法更接近于實(shí)際值；而套用舊鋼管和舊灰口管的方法來(lái)計(jì)算球墨鑄鐵管，其結(jié)果是不準(zhǔn)確的，也是不可取的。五、管線實(shí)際運(yùn)行效益影響的估算由于計(jì)算方法

14、的選用不當(dāng)，對(duì)水泵的選型及管線的實(shí)際運(yùn)行都帶來(lái)很大影響，這一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。1. 水泵的選型由于國(guó)內(nèi)還缺乏球墨鑄鐵管的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法， 設(shè)計(jì)部門(mén)往往采用舍維列夫公式， 由此計(jì)算出 的管線的水頭損失要高出實(shí)際值很多， 選用的水泵揚(yáng)程也就偏高很多， 所以，水泵的運(yùn)行嚴(yán) 重偏離最佳工況點(diǎn)，水泵的運(yùn)行效率也不可能在最佳運(yùn)行區(qū)間范圍內(nèi)，造成能源浪費(fèi)。2.動(dòng)力差額的估算假設(shè)條件：- 圣戈班穆松橋的方法接近于實(shí)際值，兩種方法的差異假定為國(guó)內(nèi)計(jì)算方法與實(shí)際值的差異。- 流量恒定，多余的揚(yáng)程通過(guò)調(diào)節(jié)消耗在管線的損失上。一年管線運(yùn)行后，所產(chǎn)生的動(dòng)力差額的計(jì)算公式：M = 24 X 365 X Q - h/ （

15、102門(mén)）M : 一年動(dòng)力差額，kW - hQ：管道流量，l/s h：水頭損失差， m , h = hl - h2門(mén)：水泵效率，這里取值為 0.8設(shè)計(jì)水量Q l/sDN mm流速m/s h = hl h2 m動(dòng)力差額Mkw h1003001.4148.1145.17X 1053005001.5327.9959.02X 1057008001.3911.4298.00X 104120010001.5310.1971.22X 104上表可知，由于計(jì)算公式的不正確， 造成水泵的選型不當(dāng)， 導(dǎo)致多余的動(dòng)力輸出也是相 當(dāng)巨大的。六、結(jié)論通過(guò)本文分析可以得出， 水力計(jì)算公式的選用不當(dāng)， 會(huì)給管徑的選擇、 水泵的選型、管 線的運(yùn)行帶來(lái)很大的不合理性， 同時(shí)也造成能源的巨大浪費(fèi)。 這種狀況不可以聽(tīng)之任之下去， 及時(shí)的更正和解決才能促進(jìn)球墨鑄鐵管更健康的發(fā)展。圣戈班穆松橋的球墨鑄鐵管的計(jì)算方法可以做為一個(gè)很好的借鑒。圣戈班穆松橋生產(chǎn)球墨鑄鐵管已經(jīng)有五十多年的歷史，也是世界上最早、最大的球墨鑄鐵管的生產(chǎn)廠家，為球墨鑄鐵管的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。其水力計(jì)算方法在大量的試驗(yàn)和工程實(shí)踐中得出的，結(jié)果也是十分真實(shí)可信的。有關(guān)規(guī)范的制定部門(mén)應(yīng)當(dāng)十分正視球墨鑄鐵管的水力計(jì)算的問(wèn)題。套用灰口鑄鐵管的做法，由于差距過(guò)大，已不適用。由此產(chǎn)生的實(shí)際后果也是相當(dāng)嚴(yán)重的， 這一