球墨鑄鐵管的水力計算

1、球墨鑄鐵管的水力計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27個大中城市的給水管材的調查數(shù)據(jù)，灰口鑄鐵管所占的比例為84.72%。在長期的使用過程中，灰口鑄鐵管有著十分成熟的設計規(guī)范、設計標準圖集和施工規(guī)范。這些都給管道生產商、設計單位、施工單位帶來了很大的便利。球墨鑄鐵管是在灰口鑄鐵管基礎上的一次新的革命。它不但繼承了灰口管抗腐蝕、 耐磨等優(yōu)點，而且其機械性能遠大于灰口管，更接近于鋼管。隨著球墨鑄鐵管進入中國市場，越來越多的自來水公司和建設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產品，并逐步取代灰口鑄鐵管

2、，這已成為不爭的事實。但是遺憾的是，我國許多關于球墨鑄鐵管的設計、施工、驗收規(guī)范都沒有及時地推出， 給管線的建設帶來了無法可依的局面。由于標準的缺乏，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，無論是管材的本身、接口防腐層、管線 設計、安裝、驗收都有很大的不同， 直接套用所產生的誤差也是相當大的，對管線的正常運行，經濟效益都帶來了重大影響。主要的問題如下：- 管線的設計，由于球墨鑄鐵管內噴涂一層光滑的水泥內襯，粗糙度 k約為0.03;而灰口鑄鐵管沒有內襯保護， 在管線運行一段時間后，會有一層腐蝕，粗糙度k約為0.2 0.3。由此，兩種管道的水力阻力系數(shù)會有很大的

3、不同。由于這類的問題非常突出，本文就此進行了詳細的闡述，并進行了技術、經濟上的比較。- 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簡單得多，在生產廠家提供技術安裝手冊或技術人員親臨指導下，很容易掌握，所 以安裝問題并沒有給建設單位造成多大的困難。但應當說明是，球墨鑄鐵管的安裝標準，包括一些特殊接頭的安裝，在現(xiàn)行的大多數(shù)設計施工規(guī)范中都沒有體現(xiàn)，這樣的形勢是 無法另人滿意的。- 水泥支墩，我國給排水標準圖集S3中，有對水泥支墩的定義，它的設計依據(jù)是由1965年北京、上海、成都三個地區(qū)

4、灰口鑄鐵管的試驗做出的。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，將給管線的設計、施工帶來很大的便利。- 工程的水壓試驗，現(xiàn)行的 GB50268-97給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范的水壓試驗中一些方法及一些參數(shù)的取值均不合理，已經不適應于球墨鑄鐵管的驗收要求。目前，鄭州自來水公司在工程建設中積累了大量的試驗數(shù)據(jù)，對水壓試驗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的發(fā)展有著積極地推動作用。- 產品標準的陳舊與錯誤， GB13295-91及GB13294-91歷經了十幾年沒有更新，已不能跟上球墨鑄鐵管的發(fā)展。另外，GB

5、13295-91還包含著一些錯誤，例如， DN700管道的重量（K9級，標準工作長度 6m）為1126kg,如果按照承口部分的重量加上直管部分的重 量計算，其結果是1123kg。兩者的結果相差3kg,顯然是不合理的。新的國家標準GB/T13295-200X 已經出臺了報批稿，那么新版本也將正式推出，這無疑是個值得慶賀的好消息?？傊?，一方面，球墨鑄鐵管的使用得到了供水行業(yè)決大多數(shù)技術專家的認同；另一方面，由于球墨鑄鐵管規(guī)范沒有跟上，使得球墨鑄鐵管的建設出現(xiàn)了一種無所適從的窘況，阻礙了球墨鑄鐵管的發(fā)展。 因此，及時更新我國的設計、 施工、驗收規(guī)范及產品標準的要求顯得十 分急迫，也勢在必行。二、供水

6、管線的水力計算的原理依據(jù)給排水設計手冊，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的運動粘滯系數(shù)為：1.301 X 10-6 m 2/s經計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)尼古拉茲的試驗成果，可以將供水管線的水流狀態(tài)劃歸為光滑區(qū)轉變?yōu)榇植趨^(qū)的過渡區(qū)，亦稱過渡粗糙區(qū)。在這個區(qū)域，阻力系數(shù)入隨著Re和k/D而變化，即入=? （Re,k/D）。這是因為隨著雷諾數(shù)的增大，液體紊動加劇，粘滯底層逐漸減薄，以至不能覆蓋壁面 絕對粗糙度k,因此

7、壁面粗糙對 入發(fā)生影響。過渡粗糙區(qū)的阻力系數(shù)計算公式為柯爾勃洛克-懷特（Colebrook- White ）公式，圣戈班穆松橋的水力計算也正是采用了這一公式。關于壓力管線上的水頭損失有如下三點說明：在管線輸水過程中必須增加能量來克服水頭損失。它有三個因素：a -水的內部摩擦（與粘性有關），b -水沿著管壁的摩擦，c -地形改變水流（彎頭、接頭等）。實際中，水頭損失的大小主要是水的內部摩擦引起的（因素a）。水與管壁的摩擦是唯一的與管道類型有關的因素，它所占的比例非常小：涂有水泥內襯的球墨鑄鐵管道（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要大得多（ k = 0.2 0.

8、3 ）, 因素b的影響也就相對大得多。地形改變水流（因素c）在與因素a比較時也扮演一個很小的角色，但針對不同的管線（如,輸水管線，配水管線）、不同的地形（轉彎、分支），應適當考慮局部水頭損失的取值。三、中國與圣戈班穆松橋計算公式之間的比較1 .中國的輸送管線的計算方法： 采用的是舍維列夫公式， 參見給排水設計手冊第1冊一一常用資料。1）當流速> 1.2 m/s ,2）當流速 <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：管道內徑（m）-懷特公式，參見圣2. 圣戈班穆

9、松橋的水力計算方法：采用達西公式和柯爾勃洛克 戈班穆松橋的技術手冊供水管線。達西公式：J=入JD 2g12.51柯爾勃洛克公式:-=-2lg ( -=+3.71DV 入ReV這里，m計)J :水力坡度（每米長管道的水頭損失，以 入：阻力系數(shù)D：管道內徑（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動粘滯系數(shù)k：管道粗糙度（m）在水力計算時，其他的參數(shù)很容易就可以確定，管道粗糙度k的取值尤為關鍵。0.03 mm ,當和絕對光5 - 7%而且特別依賴于彎頭、k = 0.1對于配水管線來k的取值可以稍微地球墨鑄鐵管采用旋轉噴涂的工

10、藝，得到一個光滑的、 均勻的水泥砂漿內襯。 圣戈班穆松橋進行了一系列的試驗，已經得出了內襯的粗糙度k值。其平均值為滑的管道k = 0比較時（計算流速為1 m/s ）,對應的額外水頭損失為不管怎樣，管道的相關表面粗糙度不僅依賴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。經驗顯示 說是一個合理的數(shù)值。對于每公里只有幾個管件的長距離的管線來說， 降低（=0.6 0.8 ）。當然，k的取值還應當包括其它因素的影響，如，水質的不同。下列表格為圣戈班穆松橋進行k值試驗時的部分管道數(shù)據(jù)：管徑(DN)安裝年代估算年齡（年）k值（柯爾勃洛克-懷特公式）150194100.025120

11、.019160.0602501925160.148320.135390.0983001928130.160290.119360.0303001928130.054290.075360.0757001939190.027250.0467001944130.027200.046四、兩種水力計算方法結果的比較假設條件：輸送城鎮(zhèn)自來水的球墨鑄鐵管，管線長度為10公里，管線使用時間為10年，水溫為10 C，局部水頭損失為沿程水頭損失的10% O設計水量Q l/sDN mm流速m/s國內方法圣戈班穆松橋 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，國內與圣戈班穆松橋的計算方法的結果差異很大。兩種水力計算方法的比較：1) 國內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的是供水用球 墨鑄鐵管。2) 國內的方法并沒有考慮水泥內襯，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襯，其中k值的選取就是水泥內襯粗糙度。3) 圣戈班穆松橋的方法中參數(shù)的取值是在大量試驗和實際工程跟蹤檢測的基礎上得 出的。所以，對于球墨鑄鐵管的計算，圣戈班穆松橋的方法更接近于實際值；而套用舊鋼管和舊灰口管的方法來計算球墨鑄鐵管，其結果是不準確的，也是不可取的。五、管線實際運行效益影響的估算由于計算方法

14、的選用不當，對水泵的選型及管線的實際運行都帶來很大影響，這一點應當引起足夠的重視。1. 水泵的選型由于國內還缺乏球墨鑄鐵管的標準計算方法， 設計部門往往采用舍維列夫公式， 由此計算出 的管線的水頭損失要高出實際值很多， 選用的水泵揚程也就偏高很多， 所以，水泵的運行嚴 重偏離最佳工況點，水泵的運行效率也不可能在最佳運行區(qū)間范圍內，造成能源浪費。2.動力差額的估算假設條件：- 圣戈班穆松橋的方法接近于實際值，兩種方法的差異假定為國內計算方法與實際值的差異。- 流量恒定，多余的揚程通過調節(jié)消耗在管線的損失上。一年管線運行后，所產生的動力差額的計算公式：M = 24 X 365 X Q - h/ （

15、102門）M : 一年動力差額，kW - hQ：管道流量，l/s h：水頭損失差， m , h = hl - h2門：水泵效率，這里取值為 0.8設計水量Q l/sDN mm流速m/s h = hl h2 m動力差額Mkw h1003001.4148.1145.17X 1053005001.5327.9959.02X 1057008001.3911.4298.00X 104120010001.5310.1971.22X 104上表可知，由于計算公式的不正確， 造成水泵的選型不當， 導致多余的動力輸出也是相 當巨大的。六、結論通過本文分析可以得出， 水力計算公式的選用不當， 會給管徑的選擇、 水泵的選型、管 線的運行帶來很大的不合理性， 同時也造成能源的巨大浪費。 這種狀況不可以聽之任之下去， 及時的更正和解決才能促進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算方法可以做為一個很好的借鑒。圣戈班穆松橋生產球墨鑄鐵管已經有五十多年的歷史，也是世界上最早、最大的球墨鑄鐵管的生產廠家，為球墨鑄鐵管的發(fā)展作出了巨大的貢獻。其水力計算方法在大量的試驗和工程實踐中得出的，結果也是十分真實可信的。有關規(guī)范的制定部門應當十分正視球墨鑄鐵管的水力計算的問題。套用灰口鑄鐵管的做法，由于差距過大，已不適用。由此產生的實際后果也是相當嚴重的， 這一