输水管道管材的选用及经济管径确定

陈 陆 姚青云

(宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021)



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输水管道管材的选用及经济管径确定

陈 陆 姚青云

(宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021)

结合工程实际，对管材的特性进行了比选，利用年运行费用最小的原则，建立了经济管径计算的数学模型，根据工程的具体条件，计算得出了相应的经济管径，并对影响经济管径的主要因素进行了分析，为合理确定经济管径提供了理论依据。

输水管道，管材选择，经济管径

随着国民经济的发展，人民生活水平的提高和城镇化建设速度的加快，需水量日益增多，我国水资源分配不均匀，所以长距离输水工程显得尤为重要。在长距离输水管网系统中，管道投资占整个工程投资的60%～80%[1]，是工程投资的重要组成部分。输水管道材料的选用既影响管道工程的质量，也影响管道工程的投资总额。根据工程的具体情况选择合理的管材以及研究相应的经济管径，以达到安全经济的目的。

1 供水管道管材性能比选

宁夏某长距离输水工程，输水管线长76.55 km,设计流量0.33 m3/s。该管线沿途地形起伏变化较大，要翻越3座大的山头，设3座加压泵站。管材的选择对工程的安全运行及总投资影响非常大。对于长距离输水工程，常用的管材有钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管、预应力钢筋混凝土管、PE管等。根据该工程管线的特点，考虑到施工条件、投资及各种管材在当地的应用情况等影响因素，初步选定的管材有球墨铸铁管、玻璃钢管和PE管三种进行比较。

1)球墨铸铁管道。球墨铸铁管道主要特点为适应地形变化能力较强,易安装，接口采用双胶圈,接口密封效果好,通过内外防腐处理可具有良好的防腐性能。而且承压能力好，压力在0.6 MPa～8.0 MPa之间，主要适用管径在100 mm～2 000 mm之间的供水管道。对于大管径高压强管道造价较低。缺点是管道重量比塑料管材大，安装需要配备中型机械。其中直径在400 mm～1 000 mm之间时价格优势明显。2)夹砂玻璃钢管。玻璃钢管是选用多种不同性质的树脂作为内衬渗层，和玻璃纤维增强层复合制成，具有强度较高、重量轻、耐腐蚀、内壁光滑阻力小等特点，价格较低。其连接亦采用承插式，并设置胶圈，安装较为方便。缺点是由于玻璃钢管管壁较薄，为柔性管道，对基础与回填要求较高。接口要求高，易漏水，不易施工，夹砂玻璃钢管单根管道标准长度为12 m，糙率系数取0.009～0.010 6。适用压力在0.6 MPa～3.0 MPa，管径一般在200 mm～1 600 mm之间。对于地区地形复杂，且有湿陷性黄土的地区，施工不当易产生接头渗漏现象，给工程运行和维修带来极大不便。所以此管材多用于地形平坦的砂壤土地段。近期对于压强大于3.0 MPa玻璃钢管厂家新生产一种新型分支管材——环氧高压玻璃钢管，压强2.5 MPa～4.5 MPa。3)PE管道。PE管为塑料管，采用无铅配方生产，无毒无味，优点是管材为柔性材料，适应地形变化能力较强，且抗震、抗冲、抗滑性能好，适用于有沟道冲刷和滑塌部位，管道易安装，具有良好的防腐性能。缺点是适用于管径较小(一般直径小于500 mm)，压力小于1.6 MPa的供水管道。主要缺点是大管径管材造价高，主要适用于直径小于300 mm、压强小于1.6 MPa，地形复杂地段。

2 供水管道管材价格比选

表1 管材价格比较表 元/m

通过对以上三种管材的性能、压力等级、适宜的管径范围等进行比较，结合本工程的流量，合适的管径在500 mm～800 mm之间，管材承压在2.0 MPa以下。将三种管材不同承压的价格列入表1中。从表1中看出：当管径在500 mm～600 mm之间，管压在1.6 MPa以下，玻璃钢管价格有明显的优势；管压在1.6 MPa及以上时，玻璃钢管与球墨铸铁管价格相差不大；PE管价格明显高于其他两种管材价格。从材料的单价分析，初步选定玻璃钢管和球墨铸铁管为该工程的主要管材。

3 经济管径的计算

根据年运行费用最小原则，建立计算输水管道经济管径的数学模型。年运行费用包括年耗电费E1和年生产费E2，年耗电费随着管径的增大而减小，年生产费随着管径的增大而增大。每给定一个管径值，都可求出两者之和年运行费用E；假设给定一系列的管径就可以得到一系列的E值，而E值最小时所对应的管径就是经济管径。

3.1 年耗电费用计算公式[2]

(1)

其中，f为电费价格，元/(kW·h)；Hj为净扬程，m；Q为设计流量，m3/s；t为年运行小时，h；h为管道水头损失，m；η为水泵效率。

输水管水头损失分为沿程水头损失和局部水头损失，由于高沙窝工程地形起伏大，输水管线较长，所以局部水头损失按照沿程水头损失的10%计算。水头损失用式(2)进行计算：

(2)

其中，k，n，m为常数、指数，根据水管的管材种类确定；L为管道长度，m；Q为设计流量，m3/s；D为管道直径，m。

3.2 年生产费计算

年生产费一般按管道总投资的百分数计算，其公式为：

E2=βW

(3)

W=CL

(4)

其中，β为年生产费占管道总投资的百分数；W为管道总投资，元；C为单位管长的造价，元/m；L为管长，m。

3.3 单位管道长度的造价公式

单位管道长度的造价可按下式计算：

C=a+bDα

(5)

其中，D为管径，m；a，b，α分别为与地区施工条件、管材价格、管道的压力等级等有关的参数。工程中根据管道的预算价，同时考虑管道的构筑物等价格，综合确定价格。表2列出了玻璃钢管承压0.8 MPa时，不同管径的单位管长造价。

表2 玻璃钢管预算单价

根据表2玻璃钢管的数据，利用回归方程：

(6)

可求出R最大时，对应的管材造价中的a，b，α的值[3]。利用式(5)，式(6)及表2的数据，可求得0.8 MPa玻璃钢管造价公式中的参数为a=68.16，b=1 880.92，α=1.89。

3.4 经济管径的计算公式

年总费用为年耗电费和年生产费之和：

E=E1+E2

(7)

(8)

4 经济管径确定

首先要根据管材的预算价，按式(5)，式(6)用Excel的规划求解功能，计算出管道单位长度的造价公式中的参数。其他参数根据工程的具体情况确定，这样就可根据式(8)计算出相应的经济管径。

1)计算实例。宁夏某长距离管道输水工程，管线长76 550 m,输水管道设计流量0.33 m3/s,水泵每天运行22 h,年供水天数362 d，电价0.92元/(kW·h)，年生产费按管道总投资的3%计算。其他参数与管道特性有关，根据不同的管材确定。由于管材价格与承压有关，计算时要根据不同的管道承压，计算出管材造价中的参数，利用式(8)计算相应管径。

通过计算得出：该工程选择玻璃钢管计算得出的经济管径0.73 m,若选择0.7 m管道，相应的经济流速为0.86 m/s；若选择球墨铸铁管，计算得经济管径为0.75 m～0.77 m，选择0.7 m管道相应的流速为0.86 m/s，选择0.8 m管道，流速为0.66 m/s。

2)计算结果分析。用年费用最小的原则确定经济管径，这种方法综合考虑管材价格、电费、水泵年运行小时数等多种因素。通过对具体的工程实例计算可看出：a.抽水电价越高，计算出来的经济管径越大；b.年供水时间越长，相应的经济管径越大；c.年生产费占管道总投资的比例越大，相应的经济管径越小；d.对于玻璃钢管和球墨铸铁管而言，随着管道承压的提高，管材价格也相应增加，因此，管道的承压对经济管径的影响不太明显。

5 结语

本文提出的年运行费用最小原则确定经济管径的方法，利用Excel表格中的规划求解功能很方便解决了经济管径的计算问题。这种方法综合考虑了各种因素，确定的经济管径更结合实际工程的情况，有很好的工程应用价值。

[1] 朱良华.基于整数编码遗传算法的给水排水管网优化设计[D].合肥：合肥工业大学,2007.

[2] 姚青云,李佳奇,冯淑萍.压力管道经济管径计算[J].中国农村水利电,2005(9):149-151.

[3] 冯淑萍，姚青云.宁夏农村饮水安全工程UPVC管经济流速确定[J].宁夏工程技术，2015(2)：138-140.

Aqueduct pipe selection and economic diameter determination

Chen Lu Yao Qingyun

(CollegeofCivilandHydraulicEngineering,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China)

Combining with practical engineering, the characteristics of the pipe were comparison, a mathematical model to calculate the economic use of the smallest diameter of the principle of annual operating costs, according to the specific conditions of the project, calculated the corresponding economic diameter, the impact of the economic the diameter of the main factors were analyzed, to determine the reasonable economic diameter provides a theoretical basis.

aqueduct, material selection, economic diameter

1009-6825(2016)05-0125-02

2015-12-01

陈 陆(1991- )，男，在读硕士； 姚青云(1957- )，男，硕士生导师，教授

TU991.36

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