球墨铸铁管的水力计算的探讨

球墨铸铁管的水力计算的探讨

圣戈班管道系统有限公司 李华成

一、前言

　　在二十世纪九十年代以前，绝大多数供水管材都是灰口铸铁管，依据我国27个大中城市的给水管材的调查数据，灰口铸铁管所占的比例为84.72%。在长期的使用过程中，灰口铸铁管有着十分成熟的设计规范、设计标准图集和施工规范。这些都给管道生产商、设计单位、施工单位带来了很大的便利。
　　 球墨铸铁管是在灰口铸铁管基础上的一次新的革命。它不但继承了灰口管抗腐蚀、耐磨等优点，而且其机械性能远大于灰口管，更接近于钢管。随着球墨铸铁管进入中国市场，越来越多的自来水公司和建设单位了解和掌握球墨铸铁管的性能,球墨铸铁管成为供水管材的主导产品，并逐步取代灰口铸铁管，这已成为不争的事实。
　　 但是遗憾的是，我国许多关于球墨铸铁管的设计、施工、验收规范都没有及时地推出，给管线的建设带来了无法可依的局面。由于标准的缺乏，现行的做法是只能套用灰口铸铁管的规范。我们知道，球墨铸铁管与灰口铸铁管相比，无论是管材的本身、接口防腐层、管线设计、安装、验收都有很大的不同，直接套用所产生的误差也是相当大的，对管线的正常运行，经济效益都带来了重大影响。
　　 主要的问题如下：
　　 - 管线的设计，由于球墨铸铁管内喷涂一层光滑的水泥内衬，粗糙度k约为0.03；而灰口铸铁管没有内衬保护，在管线运行一段时间后，会有一层腐蚀，粗糙度k约为0.2 ~ 0.3。由此，两种管道的水力阻力系数会有很大的不同。由于这类的问题非常突出，本文就此进行了详细的阐述，并进行了技术、经济上的比较。
　　 - 管道的安装，球墨铸铁管一般采用T型滑入式柔性接口，灰口铸铁管接口比较多，如，青铅接口、膨胀水泥接口、石棉水泥接口等，这些均属于刚性接口。球墨铸铁管的安装相对简单得多，在生产厂家提供技术安装手册或技术人员亲临指导下，很容易掌握，所以安装问题并没有给建设单位造成多大的困难。但应当说明是，球墨铸铁管的安装标准，包括一些特殊接头的安装，在现行的大多数设计施工规范中都没有体现，这样的形势是无法另人满意的。
　　 - 水泥支墩，我国给排水标准图集S3中，有对水泥支墩的定义，它的设计依据是由1965年北京、上海、成都三个地区灰口铸铁管的试验做出的。由于管材、接口形式等不同，图集中的支墩尺寸并不适合于球墨铸铁管。如果能推出一系列球墨铸铁管水泥支墩的安装图集，将给管线的设计、施工带来很大的便利。
　　 - 工程的水压试验，现行的GB50268-97《给水排水管道工程施工及验收规范》的水压试验中一些方法及一些参数的取值均不合理，已经不适应于球墨铸铁管的验收要求。目前，郑州自来水公司在工程建设中积累了大量的试验数据，对水压试验的修订提供了许多宝贵的建议，这些都为球墨铸铁管在中国的发展有着积极地推动作用。
　　 - 产品标准的陈旧与错误，GB13295-91及GB13294-91历经了十几年没有更新，已不能跟上球墨铸铁管的发展。另外，GB13295-91还包含着一些错误，例如，DN700管道的重量（K9级，标准工作长度6m）为1126kg，如果按照承口部分的重量加上直管部分的重量计算，其结果是1123kg。两者的结果相差3kg，显然是不合理的。新的国家标准GB/T13295-200X已经出台了报批稿，那么新版本也将正式推出，这无疑是个值得庆贺的好消息。
　　 总之，一方面，球墨铸铁管的使用得到了供水行业决大多数技术专家的认同；另一方面，由于球墨铸铁管规范没有跟上，使得球墨铸铁管的建设出现了一种无所适从的窘况，阻碍了球墨铸铁管的发展。因此，及时更新我国的设计、施工、验收规范及产品标准的要求显得十分急迫，也势在必行。

二、供水管线的水力计算的原理

　　依据《给排水设计手册》，城市供水输配水管道的水流速度限定为：V = 0.6 ~ 2.5m/s。
　　依据ISO2531，球墨铸铁管的管径范围为：DN40 ~ DN2600。
　　水温为10℃的运动粘滞系数为：1.301×10^-6 m²/s
　　经计算得出管线的雷诺数的范围为：Re = VD/μ= 1.84×10⁴ ~ 5×10⁶
　　根据尼古拉兹的试验成果，可以将供水管线的水流状态划归为光滑区转变为粗糙区的过渡区，亦称过渡粗糙区。在这个区域，阻力系数λ随着Re 和 k/D 而变化，即λ= ƒ（Re，k/D）。这是因为随着雷诺数的增大，液体紊动加剧，粘滞底层逐渐减薄，以至不能覆盖壁面绝对粗糙度k，因此壁面粗糙对λ发生影响。
　　 过渡粗糙区的阻力系数计算公式为柯尔勃洛克 – 怀特（Colebrook - White）公式，圣戈班穆松桥的水力计算也正是采用了这一公式。
　　 关于压力管线上的水头损失有如下三点说明：
　　 在管线输水过程中必须增加能量来克服水头损失。它有三个因素：
　　 a – 水的内部摩擦（与粘性有关），
　　 b – 水沿着管壁的摩擦，
　　 c – 地形改变水流（弯头、接头等）。
　　 实际中，水头损失的大小主要是水的内部摩擦引起的（因素a）。水与管壁的摩擦是唯一的与管道类型有关的因素，它所占的比例非常小：涂有水泥内衬的球墨铸铁管道（k = 0.03），因素b的比例最多只有7%；但灰口铸铁管的粗糙度相对要大得多（k = 0.2 ~ 0.3），因素b的影响也就相对大得多。
　　地形改变水流（因素c）在与因素a比较时也扮演一个很小的角色，但针对不同的管线（如，输水管线，配水管线）、不同的地形（转弯、分支），应适当考虑局部水头损失的取值。

三、中国与圣戈班穆松桥计算公式之间的比较

1．中国的输送管线的计算方法：采用的是舍维列夫公式，参见《给排水设计手册》第1册——常用资料。

　　1）当流速≥1.2 m/s ，

　　2）当流速<1.2 m/s，

这里，J：水力坡度（m/m）
　　 V：流速 (m/s)
　　 D：管道内径（m）

　　2． 圣戈班穆松桥的水力计算方法：采用达西公式和柯尔勃洛克 – 怀特公式，参见圣戈班穆松桥的技术手册《供水管线》。

达西公式：

柯尔勃洛克公式：

这里，Ｊ：水力坡度（每米长管道的水头损失，以m计）
　　 λ：阻力系数
　　 D：管道内径(m)
　　 V：流速 (m/s)
　　 g：重力加速度 (m/s²)
　　 Re= VD/μ（雷诺数）
　　 μ：在一定温度下的液体的运动粘滞系数(m²/s)
　　 k：管道粗糙度(m)
　　 在水力计算时，其他的参数很容易就可以确定，管道粗糙度k的取值尤为关键。
　　 球墨铸铁管采用旋转喷涂的工艺，得到一个光滑的、均匀的水泥砂浆内衬。圣戈班穆松桥进行了一系列的试验，已经得出了内衬的粗糙度 k值。其平均值为 0.03 mm，当和绝对光滑的管道k = 0比较时（计算流速为1 m/s），对应的额外水头损失为 5 ~ 7%。
　　 不管怎样，管道的相关表面粗糙度不仅依赖于管道表面的均匀性，而且特别依赖于弯头、三通和其他连接形式的数量，如管线纵剖面的不规则性。经验显示k = 0.1对于配水管线来说是一个合理的数值。对于每公里只有几个管件的长距离的管线来说，k 的取值可以稍微地降低（= 0.6 ~ 0.8）。
　　 当然，k的取值还应当包括其它因素的影响，如，水质的不同。
　　 下列表格为圣戈班穆松桥进行k值试验时的部分管道数据：

四、两种水力计算方法结果的比较

　　假设条件：输送城镇自来水的球墨铸铁管，管线长度为10公里，管线使用时间为10年，水温为10℃，局部水头损失为沿程水头损失的10%。

　　从表中的数据可以看出，国内与圣戈班穆松桥的计算方法的结果差异很大。
　　 两种水力计算方法的比较：
　　 1）国内的方法适用于旧钢管和旧铸铁管，圣戈班穆松桥的方法主要针对的是供水用球墨铸铁管。
　　 2）国内的方法并没有考虑水泥内衬，其考虑的是管壁腐蚀或沉垢之后的粗糙度，圣戈班穆松桥的方法考虑了水泥内衬，其中k值的选取就是水泥内衬粗糙度。
　　 3）圣戈班穆松桥的方法中参数的取值是在大量试验和实际工程跟踪检测的基础上得出的。
　　 所以，对于球墨铸铁管的计算，圣戈班穆松桥的方法更接近于实际值；而套用旧钢管和旧灰口管的方法来计算球墨铸铁管，其结果是不准确的，也是不可取的。

五、管线实际运行效益影响的估算

　　由于计算方法的选用不当，对水泵的选型及管线的实际运行都带来很大影响，这一点应当 引起足够的重视。
　　1．水泵的选型
　　 由于国内还缺乏球墨铸铁管的标准计算方法，设计部门往往采用舍维列夫公式，由此计算出的管线的水头损失要高出实际值很多，选用的水泵扬程也就偏高很多，所以，水泵的运行严重偏离最佳工况点，水泵的运行效率也不可能在最佳运行区间范围内，造成能源浪费。
　　 2．动力差额的估算
　　 假设条件：
　　 - 圣戈班穆松桥的方法接近于实际值，两种方法的差异假定为国内计算方法与实际值的差异。
　　 - 流量恒定，多余的扬程通过调节消耗在管线的损失上。
　　 一年管线运行后，所产生的动力差额的计算公式：
　　 M = 24 ×365×Q·Δh/（102η）
　　 M：一年动力差额 ，kW·h
　　 Q：管道流量，l/s
　　 Δh：水头损失差，m，Δh = h1 – h2
　　 η：水泵效率，这里取值为0.8

　　上表可知，由于计算公式的不正确，造成水泵的选型不当，导致多余的动力输出也是相当巨大的。

六、结论

　　通过本文分析可以得出，水力计算公式的选用不当，会给管径的选择、水泵的选型、管线的运行带来很大的不合理性，同时也造成能源的巨大浪费。这种状况不可以听之任之下去，及时的更正和解决才能促进球墨铸铁管更健康的发展。
　　 圣戈班穆松桥的球墨铸铁管的计算方法可以做为一个很好的借鉴。圣戈班穆松桥生产球墨铸铁管已经有五十多年的历史，也是世界上最早、最大的球墨铸铁管的生产厂家，为球墨铸铁管的发展作出了巨大的贡献。其水力计算方法在大量的试验和工程实践中得出的，结果也是十分真实可信的。
　　 有关规范的制定部门应当十分正视球墨铸铁管的水力计算的问题。套用灰口铸铁管的做法，由于差距过大，已不适用。由此产生的实际后果也是相当严重的，这一问题的解决是颇为急切的。当然，水力计算的方法仍需要慎之又慎，大量的科学试验是成功的基础。
　　 圣戈班穆松桥的方法有着十分有用的参考价值，其参数的取值应是科学的，可信的。在我国新的球墨铸铁管的水力计算公式出台之前，在圣戈班穆松桥的计算公式的基础上，设计施工单位进行适当的安全系数的调整，也许是一种最切实可行的做法。圣戈班穆松桥来到中国，不是来垄断中国的球墨铸铁管的市场，而是带来先进的生产工艺、先进工程技术、先进的管理经验，与国内生产厂家、供水企事业协心合作，共同促进球墨铸铁管在中国的繁荣与发展。