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)，越來越多的自來水公司和建設(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，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)范都沒有及時(shí)地推出，給管線的建設(shè)帶來了無法可依的局面。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)效益都帶來了重大影響。
　　 主要的問題如下：
　　 - 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)有很大的不同。由于這類的問題非常突出，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，所以安裝問題并沒有給建設(shè)單位造成多大的困難。但應(yīng)當(dāng)說明是，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)范中都沒有體現(xiàn)，這樣的形勢(shì)是無法另人滿意的。
　　 - 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)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)了十幾年沒有更新，已不能跟上球墨鑄鐵管的發(fā)展。另外，GB13295-91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，這無疑是個(gè)值得慶賀的好消息。
　　 總之，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(shù)專家的認(rèn)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(shè)出現(xiàn)了一種無所適從的窘?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℃的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)為：1.301×10^-6 m²/s
　　經(jīng)計(jì)算得出管線的雷諾數(shù)的范圍為：Re = VD/μ= 1.84×10⁴ ~ 5×10⁶
　　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)的過渡區(qū)，亦稱過渡粗糙區(qū)。在這個(gè)區(qū)域，阻力系數(shù)λ隨著Re 和 k/D 而變化，即λ= ƒ（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，因此壁面粗糙對(duì)λ發(fā)生影響。
　　 過渡粗糙區(qū)的阻力系數(shù)計(jì)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(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(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型有關(guān)的因素，它所占的比例非常?。和坑兴鄡?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 ~ 0.3），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《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》第1冊(cè)——常用資料。

　　1）當(dāng)流速≥1.2 m/s ，

　　2）當(dāng)流速<1.2 m/s，

這里，J：水力坡度（m/m）
　　 V：流速 (m/s)
　　 D：管道內(nèi)徑（m）

　　2． 圣戈班穆松橋的水力計(jì)算方法：采用達(dá)西公式和柯爾勃洛克 – 懷特公式，參見圣戈班穆松橋的技術(shù)手冊(cè)《供水管線》。

達(dá)西公式：

柯爾勃洛克公式：

這里，Ｊ：水力坡度（每米長(zhǎng)管道的水頭損失，以m計(jì)）
　　 λ：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/μ（雷諾數(shù)）
　　 μ：在一定溫度下的液體的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)(m²/s)
　　 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。
　　 球墨鑄鐵管采用旋轉(zhuǎn)噴涂的工藝，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 0.03 mm，當(dāng)和絕對(duì)光滑的管道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 5 ~ 7%。
　　 不管怎樣，管道的相關(guān)表面粗糙度不僅依賴于管道表面的均勻性，而且特別依賴于彎頭、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k = 0.1對(duì)于配水管線來說是一個(gè)合理的數(shù)值。對(duì)于每公里只有幾個(gè)管件的長(zhǎng)距離的管線來說，k 的取值可以稍微地降低（= 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)：

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℃，局部水頭損失為沿程水頭損失的10%。

　　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 ×365×Q·Δh/（102η）
　　 M：一年動(dòng)力差額 ，kW·h
　　 Q：管道流量，l/s
　　 Δh：水頭損失差，m，Δh = h1 – h2
　　 η：水泵效率，這里取值為0.8

　　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)范的制定部門應(yīng)當(dāng)十分正視球墨鑄鐵管的水力計(jì)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(chǎn)生的實(shí)際后果也是相當(dāng)嚴(yán)重的，這一問題的解決是頗為急切的。當(dāng)然，水力計(jì)算的方法仍需要慎之又慎，大量的科學(xué)試驗(yàn)是成功的基礎(chǔ)。
　　 圣戈班穆松橋的方法有著十分有用的參考價(jià)值，其參數(shù)的取值應(yīng)是科學(xué)的，可信的。在我國(guó)新的球墨鑄鐵管的水力計(jì)算公式出臺(tái)之前，在圣戈班穆松橋的計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)施工單位進(jìn)行適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)的調(diào)整，也許是一種最切實(shí)可行的做法。圣戈班穆松橋來到中國(guó)，不是來壟斷中國(guó)的球墨鑄鐵管的市場(chǎng)，而是帶來先進(jìn)的生產(chǎn)工藝、先進(jìn)工程技術(shù)、先進(jìn)的管理經(jīng)驗(yàn)，與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家、供水企事業(yè)協(xié)心合作，共同促進(jìn)球墨鑄鐵管在中國(guó)的繁榮與發(fā)展。