球墨鑄鐵管的水力計算的探討

圣戈班管道系統有限公司 李華成

一、前言

　　在二十世紀九十年代以前，絕大多數供水管材都是灰口鑄鐵管，依據我國27個大中城市的給水管材的調查數據，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范、設計標準圖集和施工規范。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，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，現行的做法是只能套用灰口鑄鐵管的規范。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會有很大的不同。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，在現行的大多數設計施工規范中都沒有體現，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，它的設計依據是由1965年北京、上海、成都三個地區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，現行的GB50268-97《給水排水管道工程施工及驗收規范》的水壓試驗中一些方法及一些參數的取值均不合理，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據，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展。另外，GB13295-91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。
　　 總之，一方面，球墨鑄鐵管的使用得到了供水行業決大多數技術專家的認同；另一方面，由于球墨鑄鐵管規范沒有跟上，使得球墨鑄鐵管的建設出現了一種無所適從的窘況，阻礙了球墨鑄鐵管的發展。因此，及時更新我國的設計、施工、驗收規范及產品標準的要求顯得十分急迫，也勢在必行。

二、供水管線的水力計算的原理

　　依據《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ISO2531，球墨鑄鐵管的管徑范圍為：DN40 ~ DN2600。
　　水溫為10℃的運動粘滯系數為：1.301×10^-6 m²/s
　　經計算得出管線的雷諾數的范圍為：Re = VD/μ= 1.84×10⁴ ~ 5×10⁶
　　根據尼古拉茲的試驗成果，可以將供水管線的水流狀態劃歸為光滑區轉變為粗糙區的過渡區，亦稱過渡粗糙區。在這個區域，阻力系數λ隨著Re 和 k/D 而變化，即λ= ƒ（Re，k/D）。這是因為隨著雷諾數的增大，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，因此壁面粗糙對λ發生影響。
　　 過渡粗糙區的阻力系數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 ~ 0.3），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——常用資料。

　　1）當流速≥1.2 m/s ，

　　2）當流速<1.2 m/s，

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

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

達西公式：

柯爾勃洛克公式：

這里，Ｊ：水力坡度（每米長管道的水頭損失，以m計）
　　 λ：阻力系數
　　 D：管道內徑(m)
　　 V：流速 (m/s)
　　 g：重力加速度 (m/s²)
　　 Re= VD/μ（雷諾數）
　　 μ：在一定溫度下的液體的運動粘滯系數(m²/s)
　　 k：管道粗糙度(m)
　　 在水力計算時，其他的參數很容易就可以確定，管道粗糙度k的取值尤為關鍵。
　　 球墨鑄鐵管采用旋轉噴涂的工藝，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 0.03 mm，當和絕對光滑的管道k = 0比較時（計算流速為1 m/s），對應的額外水頭損失為 5 ~ 7%。
　　 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，而且特別依賴于彎頭、三通和其他連接形式的數量，如管線縱剖面的不規則性。經驗顯示k = 0.1對于配水管線來說是一個合理的數值。對于每公里只有幾個管件的長距離的管線來說，k 的取值可以稍微地降低（= 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據：

四、兩種水力計算方法結果的比較

　　假設條件：輸送城鎮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℃，局部水頭損失為沿程水頭損失的10%。

　　從表中的數據可以看出，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 ×365×Q·Δh/（102η）
　　 M：一年動力差額 ，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，這一問題的解決是頗為急切的。當然，水力計算的方法仍需要慎之又慎，大量的科學試驗是成功的基礎。
　　 圣戈班穆松橋的方法有著十分有用的參考價值，其參數的取值應是科學的，可信的。在我國新的球墨鑄鐵管的水力計算公式出臺之前，在圣戈班穆松橋的計算公式的基礎上，設計施工單位進行適當的安全系數的調整，也許是一種最切實可行的做法。圣戈班穆松橋來到中國，不是來壟斷中國的球墨鑄鐵管的市場，而是帶來先進的生產工藝、先進工程技術、先進的管理經驗，與國內生產廠家、供水企事業協心合作，共同促進球墨鑄鐵管在中國的繁榮與發展。