管道绝对当量粗糙度的取值及其影响分析

同济大学 夏星星 冯良

0 前言

城市燃气管网设计计算时，需要涉及一个重要的参数，就是管道的绝对当量粗糙度。管道的绝对当量粗糙度包括管道内表面粗糙度、焊接形成的焊缝、锈蚀以及输送介质沉积结垢造成的粗糙度，反映了管道材质、制造工艺、施工焊接、输送气体的质量、管材存放年限和条件等诸多因素使摩阻系数值增大的影响。对于未使用过的新的、洁净的管道，其绝对当量粗糙度只取决于管道材质和焊接制造工艺，而使用后的管道则随流体的性质、腐蚀程度、运行年限、清管方法等的不同会有很大变化，需要进行实际测量。管网水力计算绝对当量粗糙度的取值将对摩阻系数、管道压降、管道输送距离以及管道最大输气量产生影响。本文将对实际城市燃气管网设计工作中，管道的绝对当量粗糙度在不同情况下的合理取值范围及其影响进行探讨。

1 管道摩阻系数及压降的确定

管道绝对当量粗糙度的大小直接影响摩阻系数的值，从而导致管道压降发生变化。通常采用适合于整个紊流区的通用公式(Colebrook公式)和阿里特苏里公式来计算摩阻系数。

Colebrook公式：

阿里特苏里公式：

式中：λ—管道摩阻系数；

K—管道绝对当量粗糙度，mm；

D—管道内径，mm；

Re—雷诺数。

采用式(3)计算低压燃气管道摩擦阻力损失：

采用式(4)计算高中压燃气管道摩擦阻力损失：

式中：∆p—管道摩擦阻力损失，Pa；

p1—管道起点压力(绝对压力)，kPa；

p2—管道终点压力(绝对压力)，kPa；

λ—管道摩阻系数；

Q—管道的计算流量，m3/h；

D—管道内径，mm；

ρ—燃气密度，kg/m3；

T—燃气温度，K；

T0—273.15，K；

Z—压缩因子；

L—管道长度，km。

2 管道绝对当量粗糙度的取值范围

国内外常用管道绝对当量粗糙度的取值见表1、表2、表3。

表1 常用管材绝对当量粗糙度

表2 国内各管厂内表面粗糙度

表3 美国气体管道绝对当量粗糙度估计值

法国有关手册对管道绝对当量粗糙度取值：清理后的裸管为20～50 µm；未清除的裸管取30～50 µm；有内覆盖层取5～10 µm。

加拿大努发公司对管道绝对当量粗糙度取值：裸管取19.1 µm，大气中暴露12个月后取36 µm，而有内覆盖层则6.4 µm。

由上述国内外数据表明，管道绝对当量粗糙度随着管材与实际的内表面状况而变化，新的、清洁的、未加内涂层的焊接钢管管道绝对当量粗糙度一般取值30～50 µm左右，新的、清洁的无缝钢管取14 µm左右。加内涂层的钢管取6～10 µm，PE管的内表面比较光滑，通常取10～15 µm。

3 管道绝对当量粗糙度取值的影响

3.1 绝对当量粗糙度对摩阻系数和压降的影响

某天然气管道的内径D=259 mm，标准状况下流量 Q=2 500 m3/h，管长 L=1 000 m，起点压力p1=180 kPa，天然气密度为0.78 kg/m3，运动粘度为15×10-6m2/s，天然气温度0 ℃，取不同的绝对当量粗糙度进行计算分析，结果见表4。

表4 绝对当量粗糙度对摩阻系数和压降的影响计算

由表4可以看出，随着管道绝对当量粗糙度的增加，摩阻系数和压降皆呈现不同程度的增加，为进一步分析具体的变化情况，以绝对当量粗糙度0.05 mm的数据为基准，计算得出管道摩阻系数及压降相对于K=0.05 mm的变化幅度，见表5。

表5 基于K=0.05 mm的摩阻系数及压降变化

可见，当量绝对粗糙度K取0.10 mm相对于新焊接钢管(K取0.05 mm)摩阻系数和压降分别增加8.63%与9.05%。K取0.15 mm相对新焊接钢管(K取 0.05 mm)摩阻系数和压降则分别提高 15.60%与16.05%。而加内涂层的焊接钢管(K取0.01 mm)相对于新焊接钢管摩阻系数和压降分别降低 9.0%与9.05%，说明内涂层能够有效的降低焊接钢管的摩阻系数和压降。

3.2 绝对当量粗糙度对管道输送距离的影响

某天然气管道内径D=295 mm，标准状况下流量Q=15 000 m3/h，起点压力p1=0.5 MPa，末端压力要求不低于0.3 MPa，天然气温度0 ℃，天然气组分见表 6。取一系列绝对当量粗糙度，计算分析得出最大输送距离Lmax，结果见表7。

表6 天然气组分(V%)

表7 绝对当量粗糙度对输送距离的影响

分析表7可见，K从0.01 mm增加到0.05 mm和0.10mm，输送距离分别减少了720 m和1 100 m，减少的幅度分别为18.80%与28.72%。随着管道绝对当量粗糙度的增加，输送距离的削减是很明显的，且输送距离削减的速率在K位于0～0.05 mm之间较快，而随着绝对当量粗糙度的进一步增加，其对输送距离的影响慢慢减弱。

3.3 绝对当量粗糙度对管道最大输气量的影响

某天然气高压管道的内径 D=495 mm，管长L=30 km，起点压力p1=2.6 MPa，末端压力要求不低于1.3 MPa，天然气温度0 ℃，天然气组分同表6。取一系列绝对当量粗糙度，计算分析得出最大输气量Qmax，结果见表8。

表8 绝对当量粗糙度对最大输气量的影响

表8说明了随着管道绝对当量粗糙度的增加，最大输气量呈现明显的下降。K从0.01 mm增加到0.05 mm和0.10 mm，最大输气量分别减少了13 800 m3/h和20 500 m3/h，减少的幅度分别为11.36%与16.87%。在K位于0～0.05 mm范围时，最大输气量的减少较快，随着绝对当量粗糙度的进一步增加，最大输气量的减少相对减弱。

4 总结

纵观国内外燃气管道绝对当量粗糙度的取值，发现管道绝对当量粗糙度随着管材与实际内表面状况而变化。新的、清洁的、未加内涂层的焊接钢管绝对当量粗糙度取值范围为30～50 µm，新的、清洁的无缝钢管绝对当量粗糙度取14 µm左右，有内涂层的钢管取6～10 µm，PE管取10～15 µm。

通过算例的定量计算分析，表明了随着燃气管道绝对当量粗糙度的增大，摩阻系数、压降增大，输送距离及最大输气量明显降低，对燃气的输送愈发不利，应采取减阻措施，降低管道绝对当量粗糙度，提高输气效率。