球墨铸铁管的水力计算.doc

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= ?（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