内衬不锈钢管当量绝对粗糙度的实验研究

1 概述

供热系统的热水输送能耗是运行能耗中重要的组成部分，尤其对于大规模城市供热系统和长输管线，输送能耗随着供热半径增加、系统阻力增大而升高。除了调整网络中的水泵布置形式、增大供回水温差等方法，采用减阻技术降低管道沿程阻力也是降低管网阻力、减小输送能耗的主要手段之一。目前常用的管道减阻方法如下。

① 在热媒中添加减阻剂

在热媒中添加少量高分子聚合物或表面活性剂。文献[1]研究表明十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)减阻剂的应用使水泵电耗降低了28.4%。但是，添加减阻剂也降低了换热器换热量

。

② 在管道内壁覆盖减阻涂层

减阻涂层在降低管道沿程阻力时也减缓了管道内壁的腐蚀。文献[3]研究表明，使用复合高性能无溶剂环氧粉末涂层后，输送能耗降低了26%～33%。在供热长输管线中，采用的新型减阻涂层减阻率可达38.7%

。但是，减阻涂层在管道快速泄压与清洗时易出现起泡、剥离等情况

。

结合案例，因新模式增加了投资和融资，产生了财务杠杆。同时，提高经营杠杆至4.79倍，但低于同行业平均水平。因此，风险较低，较之旧模式提高综合杠杆2.02倍，EBIT提高9%，节税效果明显，利于公司发展(表10)[1]。

③ 使用低粗糙度的复合管道

复合管道由外层基管材质与内层衬层材质复合而成，同时具有内外两层材料的优点。内衬不锈钢管是一种采用复合工艺将薄壁不锈钢管衬入普通钢管内壁而形成的复合型管材，具有耐高温、耐腐蚀等特点，主要应用于市政给水和油田

等领域，在供热系统中的应用鲜见。

CJ/T 192—2017《内衬不锈钢复合钢管》的发布一定程度上推进了该类型复合管材的应用。但是，其内壁当量绝对粗糙度暂无实验测定，相对常用供热管道的减阻效果未知，在设计阶段也不易准确分析水力工况。本文以DN 100 mm与DN 150 mm两种规格的内衬不锈钢管为实验对象，以焊接钢管为对照组对象，设计管道壁面当量绝对粗糙度(简称当量绝对粗糙度)实验台，开展实验研究。

后来，随着我们姐妹几个出去上学、工作，我们更多的是到店里买成衣，店里新潮的服装琳琅满目，看中什么样的掏钱买下就行，没人再穿母亲的缝纫机缝制的衣服，母亲的缝纫机正式下岗了，这让辛苦了一辈子的母亲内心有些失落。可不久后，母亲就想到让缝纫机继续发挥作用的办法，她把旧衣服洗干净、裁剪、上浆，然后在缝纫机上做成厚厚的鞋垫给我们姐妹几个送来，鞋垫上密密匝匝的针脚里压满了母亲的爱。

2 实验台设计

考虑实验的流速较高、管道容积较大，管道壁面当量绝对粗糙度实验系统按闭式系统设计，管道壁面当量绝对粗糙度实验系统原理见图1(图中

为坡度)，安装完成后，实验台实景见图2。

实验台主体管道规格为DN 150 mm，实验管道为未使用的Q235B直焊缝焊接钢管与内衬不锈钢管，包括DN 100 mm和DN 150 mm两种规格。

为保证实验管道内流态稳定，避免局部管件干扰流态而导致测量出现偏差，在实验管道的测量段前后设置过渡段。同类实验中，文献[7]与文献[8]分别在上游设置了20倍与35倍管径的过渡段长度，下游设置了10倍管径的过渡段长度。据此，实验管道设计总长度48 m，其中测量段长度为42 m，上游过渡段4 m(约26倍管径)，下游过渡段2 m(约13倍管径)。同时在实验管道上游弯头后设置板式整流器以辅助弯头后管道内流态的恢复

，在水泵出口后设置稳压罐以降低管道内水压波动

。

由于养殖生产周期性决定，集中退养导致渔获物集中上市的销路不畅；大量网桩等养殖设施闲置、废弃，堆放处理困难等诸多问题错综复杂。

实验台主要设备和计量仪表见表1。其中电磁流量计前后过渡段分别为28 m与14 m直管道，满足JJG 164—2000《液体流量标准装置检定规程》的要求。

3 实验原理与方案

3.1 实验原理

管道壁面当量绝对粗糙度是通过测量实验管道内流体的流量、压差和温度，根据对应流态的计算公式推算得到的。

3.协调成立联席工作机制。2018年5月，省农业厅与财政厅、教育厅、卫计委和民政厅召开了山西省农垦国有农场办社会职能改革工作联席会议，建立了省级联席会议机制，明确了各部门的职责范围，形成工作合力。我省承担农垦改革任务的大同市、朔州市、吕梁市、临汾市、长治市和忻州市也相应建立了市县级部门联席会议推进的工作机制，明确由五部门共同对各市县国有农场所承担的办社会职能情况进行核实和界定，共同指导、协调推进改革。

管道内流体所处的流态根据雷诺数来判断。雷诺数

为：

急性病猪主要为败血症变化，慢性病例有典型的病变在盲肠、结肠，甚至回肠。可见肠壁淋巴滤泡肿胀隆起，以后发生坏死和溃疡。肠黏膜呈弥漫性坏死性糜烂，表面被覆一层灰黄色或黄绿色易剥离的麸皮样物质，肠壁粗糙增厚。重症病例，肠壁大片坏死脱落，肝、脾和肠系膜淋巴结常可见到针尖大灰黄色坏死灶或灰白色结节。

(1)

式中

——雷诺数

虽然至今未中过一毛钱，我的情绪倒也没什么大的起伏。毕竟只是动动手指，也没付出多大成本。只是成功塑造了一个价格敏感型消费者（穷鬼）的形象而已。

——管道内直径，m

由于发表意见时操作学生不在现场，学生可以畅所欲言，比较客观地反映问题，在点评别人的同时，也能发现自身不足。

——管道内水的运动黏度，m

/s，根据流体温度确定

管道内水的流速按下式计算

：

(2)

式中

——管道流量，m

/s

社区教育基本没有专职教师，为社区服务只是高校教师的无偿义务，部分高校教师因此缺乏参与社区教育的兴趣。社区里的专家能手很多，他们多才多艺，或者在某一方面有特殊才能，需要社区学院去发现、挖掘和利用。而这方面的工作，普通高校缺乏与兼职教师打交道的途径、方式和经验。

根据湍流理论

，流态在水力光滑区时沿程阻力系数只与雷诺数有关，管道壁面当量绝对粗糙度对管道沿程阻力系数无影响，而过渡区和阻力平方区内沿程阻力系数均与当量绝对粗糙度相关。因此，实验中选择过渡区和阻力平方区两种流态，相应的雷诺数判定范围和当量绝对粗糙度计算

如下。

(3)

——压差的相对误差

(4)

流态在阻力平方区时合成误差为

：

——管道内水的流速，m/s

——沿程阻力系数

沿程阻力系数按式(5)计算

：

(5)

① DN 100 mm内衬不锈钢管与焊接钢管

——管道内水的密度，kg/m

，根据流体温度确定

——测量段长度，m,本文取42 m

3.2 实验方案

4) 增加吹扫流量直到其测量结果与步骤2) 的相同。如果在测试过程中视窗已变脏，需保持视窗清洁。如果获得所要求的吹扫气体量很困难，也可以根据测量结果选择调整通过气体的光路。

② 开启循环水泵，调整变频器频率和手动调节阀开度，使流量达到要求，流动稳定在要求流态后，记录温度、流量和压差等。对DN 100 mm与DN 150 mm的焊接钢管分别在93.90～159.67 m

/h与108.97～201.74 m

/h的流量范围内进行测量；对DN 100 mm与DN 150 mm的内衬不锈钢管分别在83.46～160.53 m

/h与120.31～242.70 m

/h流量范围内进行测量。针对每根实验管道，在规定的流量范围内分10个工况进行测量，每组工况中每2 min记录1组数据，记录10组数据。

③ 对于每个工况中的每组数据，根据温度确定水的密度与运动黏度，根据流量计算流速。按3.1节原理，首先假设流态，根据相应公式计算管道壁面当量绝对粗糙度，再校核雷诺数判定流态是否与假设一致，若一致则该组数据计算完毕，否则改变流态重新计算。

④ 根据每个工况中的每组实验数据推算当量绝对粗糙度，10个工况结果的平均值作为实验管道的当量绝对粗糙度。

3.3 当量绝对粗糙度的合成误差

根据误差传递理论

，流态在过渡区时合成误差为：

=

+

+

+

+

(6)

式中

——合成误差

～

——相对误差的传递系数，按式(7)～(11)分别计算

为防止全岛失电情况发生，跨海输电线路往往不可能轻易停电，加之海上作业修复难度大、耗时长的弱点，受损海底光缆线路不可能在短时间完整修复，岛屿间的电力通信只能依靠启用备用光缆或迂回光纤路由来维持支撑。备用设备和路由若在此时也发生故障，则将会致使该片区电力业务的彻底中断，触发电网安全生产事故。海缆线路施工检修作业如图4所示。

——管道内直径的相对误差

——流量的相对误差

本文采用数据主要来源于联合国统计署贸易数据库（UN Comrades）（2007年-2016年）按联合国国际贸易标准分类（SITC Rev3）。商品分类方法如下表：

——管道内水密度的相对误差

传统知识服务商在集成海量二次文摘与引文数据库，并拥有用户行为数据的基础上，对期刊、论文、学者、机构进行评价，以对期刊评价以便进行期刊评级（如影响因子、CS）；对学者的科研能力评估，对机构的科研能力与创新力等进行评估，以帮助机构寻找合作者、引进人才、发现投资项目等。

——管道内水运动黏度的相对误差

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中

——管道壁面当量绝对粗糙度，m

=4

+21

-4

-8

(12)

实验系统的合成误差主要由压差传感器、温度传感器、游标卡尺和电磁流量计等4个测量仪器导致，在过渡区的合成误差最大值为4.8%，在阻力平方区的合成误差最大值为1.86%，略高于文献[13]中阻力平方区1.5%的合成误差。

4 实验结果与分析

式中

——测量段管道压差，Pa

对DN 100 mm内衬不锈钢管，在83.46～160.53 m

/h流量范围内分10个工况开展测试；对DN 100 mm焊接钢管，在93.90～159.67 m

/h流量范围内分10个工况开展测试。DN 100 mm内衬不锈钢管、焊接钢管各工况实验数据平均值分别见表2、3。

① 限于实验条件和实验管道管径较大，该实验台较难采用层流实验法率定管径。因此，在实验管道安装前，使用游标卡尺测量管道内直径6次，取6次测量平均值作为管道内直径。

② DN 150 mm内衬不锈钢管与焊接钢管

对DN 150 mm内衬不锈钢管，在120.31 ～242.70 m

/h流量范围内分10个工况开展测试；对DN 150 mm焊接钢管，在流量108.97 ～201.74 m

/h流量范围内分10个工况开展测试。DN 150 mm内衬不锈钢管、焊接钢管各工况实验数据平均值分别见表4、5。

③ 实验数据分析

根据实验数据推算，DN 100 mm、DN 150 mm内衬不锈钢管和焊接钢管各流量工况当量绝对粗糙度及其平均值分别见图3、4。

调制方式为SVPWM时能量回馈装置上、下桥臂的输出是互补的。其中VF1和VF4这一对桥臂的上、下桥臂DSP输出驱动波形如图6(a)所示,可以看出其频率为50 Hz,逻辑高电平为3.3 V。载波频率10 kHz。上、下桥臂互补输出,死区时间0.5 μs。该波形图放大后如图6(b)所示。

汇总各流量工况的平均值，两种规格内衬不锈钢管和焊接钢管的当量绝对粗糙度见表6。

由图3、4可见，各流量工况内，两种规格内衬不锈钢管当量绝对粗糙度的离散程度均较焊接钢管更小。但是由于内衬不锈钢管当量绝对粗糙度处于较低水平，数据敏感度更高，比较各组实验数据计算值与平均值的相对误差，比焊接钢管更大。DN 100 mm和DN 150 mm内衬不锈钢管当量绝对粗糙度的最大相对误差分别为10.11%和26.01%；DN 100 mm和DN 150 mm焊接钢管当量绝对粗糙度的最大相对误差分别为8.29%和22.37%。

5 减阻率分析

为了评价采用内衬不锈钢管对降低热水输送阻力的作用，借用减阻率指标进行分析，并以输送阻力较高的焊接钢管作为参照对象。计算公式为

：

(13)

式中

——减阻率

——焊接钢管压差，Pa

——内衬不锈钢管压差，Pa

供热管道采用焊接钢管，设计时常取当量绝对粗糙度0.5 mm，该值代表供热管道在整个服役期的当量绝对粗糙度平均值。以焊接钢管为参照对象，其当量绝对粗糙度分别按设计取值0.5 mm和表6中的实验平均值0.110 mm作为参考值；内衬不锈钢管的当量绝对粗糙度按表6中实验平均值0.013 mm。不同水温下内衬不锈钢管的减阻率评价见图5，焊接钢管与内衬不锈钢管的内直径均取207 mm。图例红色实线表示焊接钢管当量绝对粗糙度取0.5 mm，蓝色虚线表示取0.110 mm。

由图5可见，减阻率随着热水温度升高而增加。相对于焊接钢管当量绝对粗糙度的设计取值0.5 mm，热水温度50～110 ℃时内衬不锈钢管的减阻率为35.2%～56.2%；相对于焊接钢管当量绝对粗糙度的实验平均值0.110 mm，内衬不锈钢管的减阻率为5.3%～ 36.0%。

6 结论及实验总结

① 实验得到内衬不锈钢管当量绝对粗糙度为0.013 mm，Q235B直焊缝焊接钢管当量绝对粗糙度为0.110 mm。

② 以减阻率评价内衬不锈钢管的输送性能，相对于焊接钢管当量绝对粗糙度的设计取值0.5 mm，热水温度50～110 ℃时内衬不锈钢管道的减阻率为35.2%～56.2%；相对于焊接钢管当量绝对粗糙度的实验平均值0.110 mm，内衬不锈钢管的减阻率为5.3%～36.0%。

③ 实验仅选用内衬不锈钢管和Q235B直焊缝焊接钢管各两组管道，实验样本少，不能代表上述两类管材的行业平均水平。另外，实验中采用游标卡尺测量管径准确度较差，有待改进。

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