多重增強鋼塑復合壓力管糙率研究

毛藝倫，呂 雅，吳福生

(1.華創天元實業發展有限責任公司，河北 廊坊 065001；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 225600)

糙率系數是輸水工程設計的重要技術參數，長距離輸水管線糙率計算十分重要。在一定水頭和輸水流量下，管道阻力系數、如當量粗糙度Δ，沿程阻力系數λ，海曾-威廉系數Cw、曼寧糙率系數n等都是現代工業管道輸運中不可或缺的重要力學參數。供水管線的水利計算過程中涉及這些參數的取值，如果設計參數取值不合理，就會給水利計算帶來誤差，從而影響到管網總體布局、規模、投資乃至運行經濟性等。

多重增強鋼塑復合壓力管是利用鋼板與鋼網在同一個塑料異型帶材中的同步復合技術及復合后的管道纏繞成型技術，形成兼具防腐作用及抗內外壓優良的新型大口徑壓力輸水管道，其纏繞成型的結構特點將會對管材內壁粗糙系數選取的水力計算影響很大，且新型產品往往無資料可查。為此，本文將對DN315規格多重增強鋼塑復合壓力管進行糙率測試，利用曼寧公式等水力學計算公式得到確切的管材糙率系數，用以減少理論水力計算與實際結果之間的偏差，達到管線運行經濟性的目的。

1 測試原理與儀器裝備

在管線輸水過程中，水的內部摩擦、水沿著管壁的摩擦及水流形態的改變(彎頭、接頭等)都會造成水頭損失。水的內部摩擦是由于水在流動時質點之間存在相對運動，質點間要產生內部摩擦力來抵抗其相對運動，這種性質稱為水的黏滯性。在雷諾數(Re=vd/μ<4000)的情況下，水頭損失與水的內部摩擦有關，而與管壁粗糙度無關。當雷諾數在4000～106之間時，水體紊動加劇，黏滯底層逐漸減薄，以至于不能覆蓋壁面絕對粗糙度Δ，阻力系數λ隨著Re和Δ/D變化。雷諾數繼續增大，水流歸屬粗糙區，即阻力平方區，水頭損失與管壁粗糙度有著對應關系，而與雷諾數無關；因此，管材水頭損失計算公式中阻力系數是一個綜合參數，既要反映水的黏滯產生的損失，又要反映管材的粗糙程度。

1.1 測試原理[1- 2]

1.1.1 曼寧糙率系數

曼寧公式的適用條件即為水流的水力平方區，當試驗水流處于水力平方區時，由曼寧公式得到糙率系數n計算過程為：

(1)

(2)

J=ΔH/L

(3)

式中，Q—流量，m3/s；ΔH—測壓管水頭差，m；L—相應管長，m；A—管道過水斷面面積，本試驗為滿管有壓流，即為管徑截面積，m2；R—水力半徑，m，對于圓管為圓管半徑，此試驗中與管材半徑r一致；J—水力坡降；C—謝才系數。由式(1)～(3)計算得n：

(4)

1.1.2 沿程水頭損失系數

根據魏斯巴赫-達西公式：

(5)

式中，hf—沿程水頭損失，即ΔH，m；λ—沿程水頭損失系數；L—兩測試管道斷面長度，m；V—管中水流的斷面平均流速,m/s；g—重力加速度，取9.81m/s2。通過實測過水流量計管道水頭損失，即可求出阻力系數λ，由此得沿程水頭損失系數為：

(6)

1.1.3 當量粗糙度

由于試驗時管內紊流處于過渡粗糙區，可采用柯爾勃洛克-懷特公式計算當量粗糙度，該公式適用于紊流光滑區、紊流過渡區和粗糙區，其適用范圍較為寬泛、準確性高。

柯爾勃洛克-懷特公式如下：

由此，經公式變換，可得管壁當量粗糙度的計算公式：

(7)

式中，Ks—當量粗糙度，mm；d—管道內徑，m；λ—管道水流沿程阻力系數，為無量綱數。

1.1.4 海曾-威廉系數

對于較光滑的圓管滿管紊流，常用海曾-威廉公式計算沿程水頭損失。海曾-威廉公式適用于各種管材的水力計算，無須判別水力分區，這些優勢此公式應用極為廣泛。海曾-威廉公式如下：

(8)

式中，Q—流量，m3/s；g—重力加速度，取9.81m/s2；d—管道內徑，m；λ—水流沿程阻力系數，為無量綱數；Cw—海曾-威廉粗糙系數，為無量綱數。

1.2 試驗方法

抽取正常生產過程中外徑為DN315多重增強鋼塑復合壓力管4根，每根管長12m，平均內徑為275.0mm，安裝在管道阻力參數檢測裝置中。管道進口上游配有DN300電磁流量計，試驗裝置中待測管道首尾設置有調壓井以穩定待檢測管道中的沿程水位壓力，減小測量誤差。測量管段前后留有足夠長度作為水流穩定過渡，并布置了時均壓力測量斷面，在距離每根管兩端約0.5m處布置一個測壓斷面，4根管段共布置了8個測壓斷面以便于相互校核。通過DN300電磁流量計測出待檢測管道過流流量，并測量出試驗時水溫，計算出管中水流雷諾數；進而根據有關管道水流阻力特性的水力學理論，便可得出外徑為DN315多重增強鋼塑復合壓力管管道糙率系數n。

2 檢測結果

多重增強鋼塑復合壓力管具有纏繞成型特點，在內壁帶材搭接處形成螺旋紋路，為驗證螺旋紋路在水利輸送過程中對管材糙率系數的影響，對帶材正螺旋方向與反螺旋方向成型管材分別進行糙率試驗，得出該類管材的曼寧糙率系數及當量粗糙度等相關參數。

表1列出了DN315多重增強鋼塑復合壓力管管材按帶材正螺旋成型方向安裝時的糙率率定試驗結果，利用式(1)～(4)，計算得出該管材的各阻力系數的平均值，曼寧糙率系數為0.00899；沿程阻力系數為0.01548；當量粗糙度為0.03658mm；海曾-威廉粗糙系數為134.0。

表2列出了DN315多重增強鋼塑復合壓力管管材按帶材反螺旋成型方向安裝時的糙率率定試驗結果，利用式(1)～(4)，計算得出該管材的各阻力系數為曼寧糙率系數為0.00903；沿程阻力系數為0.01563；當量粗糙度為0.04066mm；海曾-威廉粗糙系數為133.6。

表1 DN315多重增強鋼塑復合壓力管管材正螺旋方向阻力參數檢測試驗結果

表2 DN315多重增強鋼塑復合壓力管管材反螺旋方向阻力參數檢測試驗結果

糙率系數對于減少沿程流體壓力損失具有重要意義，當采用同等內徑管道、流量相同時，糙率系數越小，沿程壓力損失越小，可提高輸送能力，節省泵送費用。不同材質管材糙率系數見表3，大口徑多重鋼塑復合壓力管糙率系數與玻璃鋼管相近，遠小于鋼管、球墨鑄鐵管等，在長距離輸送流體方面具有很大優勢。

表3 不同材質管材糙率系數表[4]

3 結語

長距離、大流量輸水管道的糙率選取應綜合分析各種因素，選取合適的粗糙系數，使設計結果與實際情況一致，可減少工程投資和運行費用。本試驗是在原型管道上進行的，并根據管材結構特點，分別進行了正螺旋方向和反螺旋方向試驗，由試驗得出確切的曼寧系數、當量粗糙度等糙率系數，供工程設計選用。通過與其他材質管材曼寧系數對比，多重增強鋼塑復合壓力管材具有較小的曼寧系數，說明其在長距離輸水工程中沿程阻力損失小，具有一定的優勢。同時考慮其內外防腐等優良特性，多重增強鋼塑復合壓力管必將在水利市場中得到進一步推廣和使用。