浅谈长距离压力输水管道设计与研究

张 婷

山东省水利勘测设计院 山东 济南 250014

1 前言

随着人民生活水平的逐步提高，对水质要求越来越高，利用管道进行的长距离输水调水工程越来越多，随之而来的管道工程设计中出现的问题也越来越多，本文以甘肃省引洮供水二期配套工程某长距离管道输水工程实例在设计中出现的几个工程问题为例，简单分析了长距离输水工程管道水力计算公式的选择对管道设计的影响、管道壁厚的计算、有压重力流管道的水锤防护等问题。

2 工程概况

根据已完成并由国家发改委评估的《引洮供水二期工程项目建议书》，经与8个受益县(区)充分沟通后，初步确定引洮二期配套工程建设内容包括城乡供水调蓄水池(库)、村镇集中供水水厂、人饮工程对接管网及农业灌溉支渠、田间配套工程等五部分内容。

本文中的长距离输水工程为引洮二期配套工程中某县人饮工程对接管网工程，该工程供水管线设计管道流量0.055 m3/s。由水厂至第一高位水池段管线起点接管点中心高程1577.11m，终点接管点中心高程1920.92 m，第一高位水池设计水位1922.95 m，采用泵站加压，泵站扬程为360 m；第一高位水池至第二高位水池段管线起点接管点中心高程1920.92 m，终点接管点中心高程1839.20 m，高差81.72 m，该管段采用有压重力流，末端设活塞式调流调压阀来调节压力及流量。

3 管道水力计算公式的选择

管道总水头损失，可按下列公式计算：

式中：hz—总水头损失(m)

hy沿程水头损失(m)

hj—局部水头损失(m)

其中，影响计算结果较大的为沿程水头损失，在实际工程设计计算中，沿程水头损失一般按照水力学书或水利手册中的公式进行计算，较为简单，但公式较多，如何选用最适合本工程的计算公式就关系到工程设计方案在运行中的经济问题，是确定方案可行性和经济性的一个重要步骤。

常用的计算水头损失常用公式有舍维列夫公式、谢才公式及海曾-威廉公式。

1)舍维列夫公式：适用于旧铸铁管和旧钢管，水温10℃时，

沿程水头损失计算公式都是在一定的实验基础上建立起来的，由于实验条件的差别，各公式适用的条件和计算精度也有差别，通过对各公式的分析和计算比较，发现：

1)舍为列夫公式是通过旧钢管和旧铸铁管试验资料确定的，而现在本工程采用的钢管采用了涂料作为内衬，条件发生了变化，不适用于本工程；

2)谢才公式为管渠计算的经典公式，谢才系数C是官网水力损失计算正确性的关键；

3)海曾-威廉公式特别适用于给水管网的水力计算，计算长距离输水的水力损失准确率精度较高，同时适用于多种管材，由于本工程有金属管道也有塑料管道，因此本设计采用海曾-威廉公式进行水利损失的计算。

计算结果为桩号0+000～3+444，管道流量0.055 m3/s，采用DN300 mm 钢管，海曾-威廉系数Ch取130，总水头损失为7.42 m，高程差为343.81 m，起点水头360 m，止点水头为8.77 m。

桩号3+444～11+730，管道流量0.04 m3/s，采用DN300 mm 钢管，海曾-威廉系数Ch取130和140，总水头损失为18.55 m，高程差为81.72 m，起点水头2.03 m，止点水头为65.20 m。

r—钢管(钢衬)内半径(mm)；

t0—钢管(钢衬)管壁计算厚度(mm)。

试验压力应按以下公式计算：

P=2σψt/D

推导出钢管壁厚计算公式：

t=PD/2σψ+C

式中 P—钢管内介质工作压力值，单位为兆帕(MPa)；

φ—焊缝系数，无缝钢管φ=1，直缝焊接钢φ=0.8，螺旋缝焊接钢管φ=0.6；

σ—管材的许用应力，单位为牛顿每平方毫米(N/mm2)；

D—钢管的外径，单位为毫米(mm)；

t—钢管的壁厚，单位为毫米(mm)；

C—钢管壁厚附加量(mm)。

本段管线最大水锤压力经水锤计算为6.0 Mpa，经计算，管材选用Q345C无缝钢管，根据上述公式计算得本管段管道的壁厚为4.1 mm，考虑钢管的腐蚀、泥沙磨损、水锤防护等因素，管子壁厚附加量为3 mm，即7.1 mm，因此确定本线路中至第一高位水池加压段管道采用壁厚为8 mm 的DN300 mm 的Q345C钢管。应用Mathcad软件编程计算，经由埋地钢管结构计算，所用钢管满足《给水排水管道埋地钢管管道结构设计规程》CECS 141：2002规定。

4 有压重力输水管道调流调压设施的选择及设置

1)本设计中所有有压重力输水段调流调压的设备均采用活塞式控制阀进行调流调压。

活塞式调流调压阀有以下优点：

(1)活塞控制阀出口部位的线性收缩和出口节流部件产生的引导对撞及阻力，可产生消能减压的效果，并避免因节流对阀体和管道产生的汽蚀影响。

(2)活塞控制阀无论活塞被驱动到任何位置，阀腔内水流断面均为环状，使阀门开度与流量呈线性关系，具有良好的流量或压力调节特性。

(3)活塞控制阀调节灵敏，动作均匀，无卡阻、异常振动及压力波动现象。

(4)活塞控制阀在小流量工况时，对流体具有良好的消能效果，可有效的防止汽蚀；当大流量工况时，也可消减流体部分能量，并对流体部分能量有所保留，保证阀门具有足够的过流能力。

(5)活塞控制阀能够实现流量的精确控制，可以保持恒定流量；能够实现大压差范围内的调节，保持阀后压力稳定；能够保证在无振动、无汽蚀、对管路无损伤的情况下，对输水系统进行线性调流或稳定减压。

(6)活塞控制阀采用金属与橡胶双重密封，实现气泡级密封、零泄漏，能够阻断静水压力的传递。

(7)活塞控制阀采用压力平衡驱动，所需要的操作力小。

(8)只针对各段管道的活塞控制阀进行运行控制，管理运行方便。

2)活塞式控制阀的设置位置

第一高位水池至第二高位水池重力自流段管线起点接管点中心高程1920.92 m，终点接管点中心高程1839.20 m，该段管线总水头损失为18.55 m，因此富裕水头为65.20 m。因此在重力流管道末端设置活塞式调流调压阀，来进行流量压力的调节。

3)活塞式控制阀相关指标的初步确定

根据活塞式控制阀设计参数，初步确定活塞式控制阀相关指标如下：

确定选用公称直径DN250 mm 活塞式控制阀。活塞式控制阀相关指标图表如下：

图1 活塞式控制阀设计压差开度流量曲线图

4 钢管壁厚的确定

根据《水电站压力钢管设计规范》(SL281-2003)及《低压流体输送用焊接钢管》(GB/T3091-2015)要求：

钢管抗外压强度校核可采用以下公式(锅炉公式)计算：

式中 P0—径向均匀布压力(N/mm2)；

图2 活塞式控制阀设计压差开度汽蚀曲线图

由上两图可知，选择DN250 mm 活塞阀均能满足管线各工况流量、压力要求。

5 结论

该段管线管径不大，但既有水泵加压段又有有压重力流段，且加压段管道压力较大，重力流段落差也较大，在管路损失计算、管道壁厚计算及有压重力输水管道调流调压设施的选择和设置等方面具有代表性，通过准确的计算、合理的设计实现工程实际运行的合理性、高效性及节能性。