內襯不銹鋼管當量絕對粗糙度的實驗研究

1 概述

供熱系統的熱水輸送能耗是運行能耗中重要的組成部分，尤其對于大規模城市供熱系統和長輸管線，輸送能耗隨著供熱半徑增加、系統阻力增大而升高。除了調整網絡中的水泵布置形式、增大供回水溫差等方法，采用減阻技術降低管道沿程阻力也是降低管網阻力、減小輸送能耗的主要手段之一。目前常用的管道減阻方法如下。

① 在熱媒中添加減阻劑

在熱媒中添加少量高分子聚合物或表面活性劑。文獻[1]研究表明十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)減阻劑的應用使水泵電耗降低了28.4%。但是，添加減阻劑也降低了換熱器換熱量

。

② 在管道內壁覆蓋減阻涂層

減阻涂層在降低管道沿程阻力時也減緩了管道內壁的腐蝕。文獻[3]研究表明，使用復合高性能無溶劑環氧粉末涂層后，輸送能耗降低了26%～33%。在供熱長輸管線中，采用的新型減阻涂層減阻率可達38.7%

。但是，減阻涂層在管道快速泄壓與清洗時易出現起泡、剝離等情況

。

結合案例，因新模式增加了投資和融資，產生了財務杠桿。同時，提高經營杠桿至4.79倍，但低于同行業平均水平。因此，風險較低，較之舊模式提高綜合杠桿2.02倍，EBIT提高9%，節稅效果明顯，利于公司發展(表10)[1]。

③ 使用低粗糙度的復合管道

復合管道由外層基管材質與內層襯層材質復合而成，同時具有內外兩層材料的優點。內襯不銹鋼管是一種采用復合工藝將薄壁不銹鋼管襯入普通鋼管內壁而形成的復合型管材，具有耐高溫、耐腐蝕等特點，主要應用于市政給水和油田

等領域，在供熱系統中的應用鮮見。

CJ/T 192—2017《內襯不銹鋼復合鋼管》的發布一定程度上推進了該類型復合管材的應用。但是，其內壁當量絕對粗糙度暫無實驗測定，相對常用供熱管道的減阻效果未知，在設計階段也不易準確分析水力工況。本文以DN 100 mm與DN 150 mm兩種規格的內襯不銹鋼管為實驗對象，以焊接鋼管為對照組對象，設計管道壁面當量絕對粗糙度(簡稱當量絕對粗糙度)實驗臺，開展實驗研究。

后來，隨著我們姐妹幾個出去上學、工作，我們更多的是到店里買成衣，店里新潮的服裝琳瑯滿目，看中什么樣的掏錢買下就行，沒人再穿母親的縫紉機縫制的衣服，母親的縫紉機正式下崗了，這讓辛苦了一輩子的母親內心有些失落。可不久后，母親就想到讓縫紉機繼續發揮作用的辦法，她把舊衣服洗干凈、裁剪、上漿，然后在縫紉機上做成厚厚的鞋墊給我們姐妹幾個送來，鞋墊上密密匝匝的針腳里壓滿了母親的愛。

2 實驗臺設計

考慮實驗的流速較高、管道容積較大，管道壁面當量絕對粗糙度實驗系統按閉式系統設計，管道壁面當量絕對粗糙度實驗系統原理見圖1(圖中

為坡度)，安裝完成后，實驗臺實景見圖2。

實驗臺主體管道規格為DN 150 mm，實驗管道為未使用的Q235B直焊縫焊接鋼管與內襯不銹鋼管，包括DN 100 mm和DN 150 mm兩種規格。

為保證實驗管道內流態穩定，避免局部管件干擾流態而導致測量出現偏差，在實驗管道的測量段前后設置過渡段。同類實驗中，文獻[7]與文獻[8]分別在上游設置了20倍與35倍管徑的過渡段長度，下游設置了10倍管徑的過渡段長度。據此，實驗管道設計總長度48 m，其中測量段長度為42 m，上游過渡段4 m(約26倍管徑)，下游過渡段2 m(約13倍管徑)。同時在實驗管道上游彎頭后設置板式整流器以輔助彎頭后管道內流態的恢復

，在水泵出口后設置穩壓罐以降低管道內水壓波動

。

由于養殖生產周期性決定，集中退養導致漁獲物集中上市的銷路不暢；大量網樁等養殖設施閑置、廢棄，堆放處理困難等諸多問題錯綜復雜。

實驗臺主要設備和計量儀表見表1。其中電磁流量計前后過渡段分別為28 m與14 m直管道，滿足JJG 164—2000《液體流量標準裝置檢定規程》的要求。

3 實驗原理與方案

3.1 實驗原理

管道壁面當量絕對粗糙度是通過測量實驗管道內流體的流量、壓差和溫度，根據對應流態的計算公式推算得到的。

3.協調成立聯席工作機制。2018年5月，省農業廳與財政廳、教育廳、衛計委和民政廳召開了山西省農墾國有農場辦社會職能改革工作聯席會議，建立了省級聯席會議機制，明確了各部門的職責范圍，形成工作合力。我省承擔農墾改革任務的大同市、朔州市、呂梁市、臨汾市、長治市和忻州市也相應建立了市縣級部門聯席會議推進的工作機制，明確由五部門共同對各市縣國有農場所承擔的辦社會職能情況進行核實和界定，共同指導、協調推進改革。

管道內流體所處的流態根據雷諾數來判斷。雷諾數

為：

急性病豬主要為敗血癥變化，慢性病例有典型的病變在盲腸、結腸，甚至回腸。可見腸壁淋巴濾泡腫脹隆起，以后發生壞死和潰瘍。腸黏膜呈彌漫性壞死性糜爛，表面被覆一層灰黃色或黃綠色易剝離的麩皮樣物質，腸壁粗糙增厚。重癥病例，腸壁大片壞死脫落，肝、脾和腸系膜淋巴結常可見到針尖大灰黃色壞死灶或灰白色結節。

(1)

式中

——雷諾數

雖然至今未中過一毛錢，我的情緒倒也沒什么大的起伏。畢竟只是動動手指，也沒付出多大成本。只是成功塑造了一個價格敏感型消費者（窮鬼）的形象而已。

——管道內直徑，m

由于發表意見時操作學生不在現場，學生可以暢所欲言，比較客觀地反映問題，在點評別人的同時，也能發現自身不足。

——管道內水的運動黏度，m

/s，根據流體溫度確定

管道內水的流速按下式計算

：

(2)

式中

——管道流量，m

/s

社區教育基本沒有專職教師，為社區服務只是高校教師的無償義務，部分高校教師因此缺乏參與社區教育的興趣。社區里的專家能手很多，他們多才多藝，或者在某一方面有特殊才能，需要社區學院去發現、挖掘和利用。而這方面的工作，普通高校缺乏與兼職教師打交道的途徑、方式和經驗。

根據湍流理論

，流態在水力光滑區時沿程阻力系數只與雷諾數有關，管道壁面當量絕對粗糙度對管道沿程阻力系數無影響，而過渡區和阻力平方區內沿程阻力系數均與當量絕對粗糙度相關。因此，實驗中選擇過渡區和阻力平方區兩種流態，相應的雷諾數判定范圍和當量絕對粗糙度計算

如下。

(3)

——壓差的相對誤差

(4)

流態在阻力平方區時合成誤差為

：

——管道內水的流速，m/s

——沿程阻力系數

沿程阻力系數按式(5)計算

：

(5)

① DN 100 mm內襯不銹鋼管與焊接鋼管

——管道內水的密度，kg/m

，根據流體溫度確定

——測量段長度，m,本文取42 m

3.2 實驗方案

4) 增加吹掃流量直到其測量結果與步驟2) 的相同。如果在測試過程中視窗已變臟，需保持視窗清潔。如果獲得所要求的吹掃氣體量很困難，也可以根據測量結果選擇調整通過氣體的光路。

② 開啟循環水泵，調整變頻器頻率和手動調節閥開度，使流量達到要求，流動穩定在要求流態后，記錄溫度、流量和壓差等。對DN 100 mm與DN 150 mm的焊接鋼管分別在93.90～159.67 m

/h與108.97～201.74 m

/h的流量范圍內進行測量；對DN 100 mm與DN 150 mm的內襯不銹鋼管分別在83.46～160.53 m

/h與120.31～242.70 m

/h流量范圍內進行測量。針對每根實驗管道，在規定的流量范圍內分10個工況進行測量，每組工況中每2 min記錄1組數據，記錄10組數據。

③ 對于每個工況中的每組數據，根據溫度確定水的密度與運動黏度，根據流量計算流速。按3.1節原理，首先假設流態，根據相應公式計算管道壁面當量絕對粗糙度，再校核雷諾數判定流態是否與假設一致，若一致則該組數據計算完畢，否則改變流態重新計算。

④ 根據每個工況中的每組實驗數據推算當量絕對粗糙度，10個工況結果的平均值作為實驗管道的當量絕對粗糙度。

3.3 當量絕對粗糙度的合成誤差

根據誤差傳遞理論

，流態在過渡區時合成誤差為：

=

+

+

+

+

(6)

式中

——合成誤差

～

——相對誤差的傳遞系數，按式(7)～(11)分別計算

為防止全島失電情況發生，跨海輸電線路往往不可能輕易停電，加之海上作業修復難度大、耗時長的弱點，受損海底光纜線路不可能在短時間完整修復，島嶼間的電力通信只能依靠啟用備用光纜或迂回光纖路由來維持支撐。備用設備和路由若在此時也發生故障，則將會致使該片區電力業務的徹底中斷，觸發電網安全生產事故。海纜線路施工檢修作業如圖4所示。

——管道內直徑的相對誤差

——流量的相對誤差

本文采用數據主要來源于聯合國統計署貿易數據庫（UN Comrades）（2007年-2016年）按聯合國國際貿易標準分類（SITC Rev3）。商品分類方法如下表：

——管道內水密度的相對誤差

傳統知識服務商在集成海量二次文摘與引文數據庫，并擁有用戶行為數據的基礎上，對期刊、論文、學者、機構進行評價，以對期刊評價以便進行期刊評級（如影響因子、CS）；對學者的科研能力評估，對機構的科研能力與創新力等進行評估，以幫助機構尋找合作者、引進人才、發現投資項目等。

——管道內水運動黏度的相對誤差

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中

——管道壁面當量絕對粗糙度，m

=4

+21

-4

-8

(12)

實驗系統的合成誤差主要由壓差傳感器、溫度傳感器、游標卡尺和電磁流量計等4個測量儀器導致，在過渡區的合成誤差最大值為4.8%，在阻力平方區的合成誤差最大值為1.86%，略高于文獻[13]中阻力平方區1.5%的合成誤差。

4 實驗結果與分析

式中

——測量段管道壓差，Pa

對DN 100 mm內襯不銹鋼管，在83.46～160.53 m

/h流量范圍內分10個工況開展測試；對DN 100 mm焊接鋼管，在93.90～159.67 m

/h流量范圍內分10個工況開展測試。DN 100 mm內襯不銹鋼管、焊接鋼管各工況實驗數據平均值分別見表2、3。

① 限于實驗條件和實驗管道管徑較大，該實驗臺較難采用層流實驗法率定管徑。因此，在實驗管道安裝前，使用游標卡尺測量管道內直徑6次，取6次測量平均值作為管道內直徑。

② DN 150 mm內襯不銹鋼管與焊接鋼管

對DN 150 mm內襯不銹鋼管，在120.31 ～242.70 m

/h流量范圍內分10個工況開展測試；對DN 150 mm焊接鋼管，在流量108.97 ～201.74 m

/h流量范圍內分10個工況開展測試。DN 150 mm內襯不銹鋼管、焊接鋼管各工況實驗數據平均值分別見表4、5。

③ 實驗數據分析

根據實驗數據推算，DN 100 mm、DN 150 mm內襯不銹鋼管和焊接鋼管各流量工況當量絕對粗糙度及其平均值分別見圖3、4。

調制方式為SVPWM時能量回饋裝置上、下橋臂的輸出是互補的。其中VF1和VF4這一對橋臂的上、下橋臂DSP輸出驅動波形如圖6(a)所示,可以看出其頻率為50 Hz,邏輯高電平為3.3 V。載波頻率10 kHz。上、下橋臂互補輸出,死區時間0.5 μs。該波形圖放大后如圖6(b)所示。

匯總各流量工況的平均值，兩種規格內襯不銹鋼管和焊接鋼管的當量絕對粗糙度見表6。

由圖3、4可見，各流量工況內，兩種規格內襯不銹鋼管當量絕對粗糙度的離散程度均較焊接鋼管更小。但是由于內襯不銹鋼管當量絕對粗糙度處于較低水平，數據敏感度更高，比較各組實驗數據計算值與平均值的相對誤差，比焊接鋼管更大。DN 100 mm和DN 150 mm內襯不銹鋼管當量絕對粗糙度的最大相對誤差分別為10.11%和26.01%；DN 100 mm和DN 150 mm焊接鋼管當量絕對粗糙度的最大相對誤差分別為8.29%和22.37%。

5 減阻率分析

為了評價采用內襯不銹鋼管對降低熱水輸送阻力的作用，借用減阻率指標進行分析，并以輸送阻力較高的焊接鋼管作為參照對象。計算公式為

：

(13)

式中

——減阻率

——焊接鋼管壓差，Pa

——內襯不銹鋼管壓差，Pa

供熱管道采用焊接鋼管，設計時常取當量絕對粗糙度0.5 mm，該值代表供熱管道在整個服役期的當量絕對粗糙度平均值。以焊接鋼管為參照對象，其當量絕對粗糙度分別按設計取值0.5 mm和表6中的實驗平均值0.110 mm作為參考值；內襯不銹鋼管的當量絕對粗糙度按表6中實驗平均值0.013 mm。不同水溫下內襯不銹鋼管的減阻率評價見圖5，焊接鋼管與內襯不銹鋼管的內直徑均取207 mm。圖例紅色實線表示焊接鋼管當量絕對粗糙度取0.5 mm，藍色虛線表示取0.110 mm。

由圖5可見，減阻率隨著熱水溫度升高而增加。相對于焊接鋼管當量絕對粗糙度的設計取值0.5 mm，熱水溫度50～110 ℃時內襯不銹鋼管的減阻率為35.2%～56.2%；相對于焊接鋼管當量絕對粗糙度的實驗平均值0.110 mm，內襯不銹鋼管的減阻率為5.3%～ 36.0%。

6 結論及實驗總結

① 實驗得到內襯不銹鋼管當量絕對粗糙度為0.013 mm，Q235B直焊縫焊接鋼管當量絕對粗糙度為0.110 mm。

② 以減阻率評價內襯不銹鋼管的輸送性能，相對于焊接鋼管當量絕對粗糙度的設計取值0.5 mm，熱水溫度50～110 ℃時內襯不銹鋼管道的減阻率為35.2%～56.2%；相對于焊接鋼管當量絕對粗糙度的實驗平均值0.110 mm，內襯不銹鋼管的減阻率為5.3%～36.0%。

③ 實驗僅選用內襯不銹鋼管和Q235B直焊縫焊接鋼管各兩組管道，實驗樣本少，不能代表上述兩類管材的行業平均水平。另外，實驗中采用游標卡尺測量管徑準確度較差，有待改進。

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