多重增强钢塑复合压力管糙率研究

毛艺伦，吕 雅，吴福生

(1.华创天元实业发展有限责任公司，河北 廊坊 065001；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 225600)

糙率系数是输水工程设计的重要技术参数，长距离输水管线糙率计算十分重要。在一定水头和输水流量下，管道阻力系数、如当量粗糙度Δ，沿程阻力系数λ，海曾-威廉系数Cw、曼宁糙率系数n等都是现代工业管道输运中不可或缺的重要力学参数。供水管线的水利计算过程中涉及这些参数的取值，如果设计参数取值不合理，就会给水利计算带来误差，从而影响到管网总体布局、规模、投资乃至运行经济性等。

多重增强钢塑复合压力管是利用钢板与钢网在同一个塑料异型带材中的同步复合技术及复合后的管道缠绕成型技术，形成兼具防腐作用及抗内外压优良的新型大口径压力输水管道，其缠绕成型的结构特点将会对管材内壁粗糙系数选取的水力计算影响很大，且新型产品往往无资料可查。为此，本文将对DN315规格多重增强钢塑复合压力管进行糙率测试，利用曼宁公式等水力学计算公式得到确切的管材糙率系数，用以减少理论水力计算与实际结果之间的偏差，达到管线运行经济性的目的。

1 测试原理与仪器装备

在管线输水过程中，水的内部摩擦、水沿着管壁的摩擦及水流形态的改变(弯头、接头等)都会造成水头损失。水的内部摩擦是由于水在流动时质点之间存在相对运动，质点间要产生内部摩擦力来抵抗其相对运动，这种性质称为水的黏滞性。在雷诺数(Re=vd/μ<4000)的情况下，水头损失与水的内部摩擦有关，而与管壁粗糙度无关。当雷诺数在4000～106之间时，水体紊动加剧，黏滞底层逐渐减薄，以至于不能覆盖壁面绝对粗糙度Δ，阻力系数λ随着Re和Δ/D变化。雷诺数继续增大，水流归属粗糙区，即阻力平方区，水头损失与管壁粗糙度有着对应关系，而与雷诺数无关；因此，管材水头损失计算公式中阻力系数是一个综合参数，既要反映水的黏滞产生的损失，又要反映管材的粗糙程度。

1.1 测试原理[1- 2]

1.1.1 曼宁糙率系数

曼宁公式的适用条件即为水流的水力平方区，当试验水流处于水力平方区时，由曼宁公式得到糙率系数n计算过程为：

(1)

(2)

J=ΔH/L

(3)

式中，Q—流量，m3/s；ΔH—测压管水头差，m；L—相应管长，m；A—管道过水断面面积，本试验为满管有压流，即为管径截面积，m2；R—水力半径，m，对于圆管为圆管半径，此试验中与管材半径r一致；J—水力坡降；C—谢才系数。由式(1)～(3)计算得n：

(4)

1.1.2 沿程水头损失系数

根据魏斯巴赫-达西公式：

(5)

式中，hf—沿程水头损失，即ΔH，m；λ—沿程水头损失系数；L—两测试管道断面长度，m；V—管中水流的断面平均流速,m/s；g—重力加速度，取9.81m/s2。通过实测过水流量计管道水头损失，即可求出阻力系数λ，由此得沿程水头损失系数为：

(6)

1.1.3 当量粗糙度

由于试验时管内紊流处于过渡粗糙区，可采用柯尔勃洛克-怀特公式计算当量粗糙度，该公式适用于紊流光滑区、紊流过渡区和粗糙区，其适用范围较为宽泛、准确性高。

柯尔勃洛克-怀特公式如下：

由此，经公式变换，可得管壁当量粗糙度的计算公式：

(7)

式中，Ks—当量粗糙度，mm；d—管道内径，m；λ—管道水流沿程阻力系数，为无量纲数。

1.1.4 海曾-威廉系数

对于较光滑的圆管满管紊流，常用海曾-威廉公式计算沿程水头损失。海曾-威廉公式适用于各种管材的水力计算，无须判别水力分区，这些优势此公式应用极为广泛。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—管道内径，m；λ—水流沿程阻力系数，为无量纲数；Cw—海曾-威廉粗糙系数，为无量纲数。

1.2 试验方法

抽取正常生产过程中外径为DN315多重增强钢塑复合压力管4根，每根管长12m，平均内径为275.0mm，安装在管道阻力参数检测装置中。管道进口上游配有DN300电磁流量计，试验装置中待测管道首尾设置有调压井以稳定待检测管道中的沿程水位压力，减小测量误差。测量管段前后留有足够长度作为水流稳定过渡，并布置了时均压力测量断面，在距离每根管两端约0.5m处布置一个测压断面，4根管段共布置了8个测压断面以便于相互校核。通过DN300电磁流量计测出待检测管道过流流量，并测量出试验时水温，计算出管中水流雷诺数；进而根据有关管道水流阻力特性的水力学理论，便可得出外径为DN315多重增强钢塑复合压力管管道糙率系数n。

2 检测结果

多重增强钢塑复合压力管具有缠绕成型特点，在内壁带材搭接处形成螺旋纹路，为验证螺旋纹路在水利输送过程中对管材糙率系数的影响，对带材正螺旋方向与反螺旋方向成型管材分别进行糙率试验，得出该类管材的曼宁糙率系数及当量粗糙度等相关参数。

表1列出了DN315多重增强钢塑复合压力管管材按带材正螺旋成型方向安装时的糙率率定试验结果，利用式(1)～(4)，计算得出该管材的各阻力系数的平均值，曼宁糙率系数为0.00899；沿程阻力系数为0.01548；当量粗糙度为0.03658mm；海曾-威廉粗糙系数为134.0。

表2列出了DN315多重增强钢塑复合压力管管材按带材反螺旋成型方向安装时的糙率率定试验结果，利用式(1)～(4)，计算得出该管材的各阻力系数为曼宁糙率系数为0.00903；沿程阻力系数为0.01563；当量粗糙度为0.04066mm；海曾-威廉粗糙系数为133.6。

表1 DN315多重增强钢塑复合压力管管材正螺旋方向阻力参数检测试验结果

表2 DN315多重增强钢塑复合压力管管材反螺旋方向阻力参数检测试验结果

糙率系数对于减少沿程流体压力损失具有重要意义，当采用同等内径管道、流量相同时，糙率系数越小，沿程压力损失越小，可提高输送能力，节省泵送费用。不同材质管材糙率系数见表3，大口径多重钢塑复合压力管糙率系数与玻璃钢管相近，远小于钢管、球墨铸铁管等，在长距离输送流体方面具有很大优势。

表3 不同材质管材糙率系数表[4]

3 结语

长距离、大流量输水管道的糙率选取应综合分析各种因素，选取合适的粗糙系数，使设计结果与实际情况一致，可减少工程投资和运行费用。本试验是在原型管道上进行的，并根据管材结构特点，分别进行了正螺旋方向和反螺旋方向试验，由试验得出确切的曼宁系数、当量粗糙度等糙率系数，供工程设计选用。通过与其他材质管材曼宁系数对比，多重增强钢塑复合压力管材具有较小的曼宁系数，说明其在长距离输水工程中沿程阻力损失小，具有一定的优势。同时考虑其内外防腐等优良特性，多重增强钢塑复合压力管必将在水利市场中得到进一步推广和使用。