球墨鑄鐵管的水力計(jì)算的探討

一、中國(guó)與圣戈班穆松橋計(jì)算公式之間的比較
1．    中國(guó)的輸送管線的計(jì)算方法：采用的是舍維列夫公式，參見(jiàn)《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》第1冊(cè)——常用資料。

1）當(dāng)流速≥1.2 m/s ，

2）當(dāng)流速<1.2 m/s，

這里，
J：水力坡度（m/m）
V：流速 (m/s)
D：管道內(nèi)徑（m）

2．         圣戈班穆松橋的水力計(jì)算方法：采用達(dá)西公式和柯?tīng)柌�洛�?– 懷特公式，參見(jiàn)圣戈班穆松橋的技術(shù)手冊(cè)《供水管線》。

達(dá)西公式：

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這里，
Ｊ：水力坡度（每米長(zhǎng)管道的水頭損失，以m計(jì)）
λ：阻力系數(shù)
D：管道內(nèi)徑(m)
V：流速 (m/s)
g：重力加速度 (m/s2)
Re= VD/μ（雷諾數(shù)）
μ：在一定溫度下的液體的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)(m2/s)
k：管道粗糙度(m)
在水力計(jì)算時(shí)，其他的參數(shù)很容易就可以確定，管道粗糙度k的取值尤為關(guān)鍵。
球墨鑄鐵管采用旋轉(zhuǎn)噴涂的工藝，得到一個(gè)光滑的、均勻的水泥砂漿內(nèi)襯。圣戈班穆松
橋進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，已經(jīng)得出了內(nèi)襯的粗糙度k值。其平均值為 0.03 mm，當(dāng)和絕對(duì)光滑的管道k = 0比較時(shí)（計(jì)算流速為1 m/s），對(duì)應(yīng)的額外水頭損失為 5 ~ 7%。
不管怎樣，管道的相關(guān)表面粗糙度不僅依賴于管道表面的均勻性，而且特別依賴于彎頭、三通和其他連接形式的數(shù)量，如管線縱剖面的不規(guī)則性。經(jīng)驗(yàn)顯示k = 0.1對(duì)于配水管線來(lái)說(shuō)是一個(gè)合理的數(shù)值。對(duì)于每公里只有幾個(gè)管件的長(zhǎng)距離的管線來(lái)說(shuō)，k 的取值可以稍微地降低（= 0.6 ~ 0.8）。
當(dāng)然，k的取值還應(yīng)當(dāng)包括其它因素的影響，如，水質(zhì)的不同。
下列表格為圣戈班穆松橋進(jìn)行k值試驗(yàn)時(shí)的部分管道數(shù)據(jù)：
管徑
（DN） 安裝年代 估算年齡
（年） k值
（柯?tīng)柌�洛�?– 懷特公式）
150 1941 0 0.025
  12 0.019
  16 0.060
250 1925 16 0.148
  32 0.135
  39 0.098
300 1928 13 0.160
  29 0.119
  36 0.030
300 1928 13 0.054
  29 0.075
  36 0.075
700 1939 19 0.027
  25 0.046
700 1944 13 0.027
  20 0.046
四、兩種水力計(jì)算方法結(jié)果的比較
假設(shè)條件：輸送城鎮(zhèn)自來(lái)水的球墨鑄鐵管，管線長(zhǎng)度為10公里，管線使用時(shí)間為10年，水溫為10℃，局部水頭損失為沿程水頭損失的10%。
設(shè)計(jì)水量
Q l/s DN
mm 流速
m/s 國(guó)內(nèi)方法 圣戈班穆松橋的方法 Δh = h1 – h2
m
100 300 1.41 水力坡度J = 10.176m/km 水力坡度J = 5.802m/km 48.114
   管線水頭損失h1 = 111.936m 管線水頭損失h2 = 63.822m 
300 500 1.53 水力坡度J = 6.167m/km 水力坡度J = 3.622 m/km 27.995
   管線水頭損失h1 = 67.837m 管線水頭損失h2 = 39.842m 
700 800 1.39 水力坡度J = 2.763m/km 水力坡度J = 1.724 m/km 11.429
   管線水頭損失h1 = 30.393m 管線水頭損失h2 = 18.964m 
1200 1000 1.53 水力坡度J = 2.505m/km 水力坡度J = 1.578 m/km 10.197
   管線水頭損失h1 = 27.555m 管線水頭損失h2 = 17.358m 

從表中的數(shù)據(jù)可以看出，國(guó)內(nèi)與圣戈班穆松橋的計(jì)算方法的結(jié)果差異很大。
兩種水力計(jì)算方法的比較：
1）         國(guó)內(nèi)的方法適用于舊鋼管和舊鑄鐵管，圣戈班穆松橋的方法主要針對(duì)的是供水用球墨鑄鐵管。
2）         國(guó)內(nèi)的方法并沒(méi)有考慮水泥內(nèi)襯，其考慮的是管壁腐蝕或沉垢之后的粗糙度，圣戈班穆松橋的方法考慮了水泥內(nèi)襯，其中k值的選取就是水泥內(nèi)襯粗糙度。
3）         圣戈班穆松橋的方法中參數(shù)的取值是在大量試驗(yàn)和實(shí)際工程跟蹤檢測(cè)的基礎(chǔ)上得出的。
所以，對(duì)于球墨鑄鐵管的計(jì)算，圣戈班穆松橋的方法更接近于實(shí)際值；而套用舊鋼管和舊灰口管的方法來(lái)計(jì)算球墨鑄鐵管，其結(jié)果是不準(zhǔn)確的，也是不可取的。

五、管線實(shí)際運(yùn)行效益影響的估算

由于計(jì)算方法的選用不當(dāng)，對(duì)水泵的選型及管線的實(shí)際運(yùn)行都帶來(lái)很大影響，這一點(diǎn)應(yīng)當(dāng) 引起足夠的重視。
1．         水泵的選型
由于國(guó)內(nèi)還缺乏球墨鑄鐵管的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法，設(shè)計(jì)部門往往采用舍維列夫公式，由此計(jì)算出的管線的水頭損失要高出實(shí)際值很多，選用的水泵揚(yáng)程也就偏高很多，所以，水泵的運(yùn)行嚴(yán)重偏離最佳工況點(diǎn)，水泵的運(yùn)行效率也不可能在最佳運(yùn)行區(qū)間范圍內(nèi)，造成能源浪費(fèi)。
2．         動(dòng)力差額的估算
假設(shè)條件：
-  圣戈班穆松橋的方法接近于實(shí)際值，兩種方法的差異假定為國(guó)內(nèi)計(jì)算方法與實(shí)際值的差異。
-  流量恒定，多余的揚(yáng)程通過(guò)調(diào)節(jié)消耗在管線的損失上。
一年管線運(yùn)行后，所產(chǎn)生的動(dòng)力差額的計(jì)算公式：
M = 24 ×365×Q•Δh/（102η）
M：一年動(dòng)力差額 ，kW•h
Q：管道流量，l/s
Δh：水頭損失差，m，Δh = h1 – h2
η：水泵效率，這里取值為0.8
設(shè)計(jì)水量
Q l/s DN
mm 流速
m/s Δh = h1 – h2
m 動(dòng)力差額M
kw•h
100 300 1.41 48.114 5.17×105
300 500 1.53 27.995 9.02×105
700 800 1.39 11.429 8.00×104
1200 1000 1.53 10.197 1.22×104

上表可知，由于計(jì)算公式的不正確，造成水泵的選型不當(dāng)，導(dǎo)致多余的動(dòng)力輸出也是相當(dāng)巨大的。

六、結(jié)論
通過(guò)本文分析可以得出，水力計(jì)算公式的選用不當(dāng)，會(huì)給管徑的選擇、水泵的選型、管線的運(yùn)行帶來(lái)很大的不合理性，同時(shí)也造成能源的巨大浪費(fèi)。這種狀況不可以聽(tīng)之任之下去，及時(shí)的更正和解決才能促進(jìn)球墨鑄鐵管更健康的發(fā)展。
圣戈班穆松橋的球墨鑄鐵管的計(jì)算方法可以做為一個(gè)很好的借鑒。圣戈班穆松橋生產(chǎn)球墨鑄鐵管已經(jīng)有五十多年的歷史，也是世界上最早、最大的球墨鑄鐵管的生產(chǎn)廠家，為球墨鑄鐵管的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。其水力計(jì)算方法在大量的試驗(yàn)和工程實(shí)踐中得出的，結(jié)果也是十分真實(shí)可信的。
有關(guān)規(guī)范的制定部門應(yīng)當(dāng)十分正視球墨鑄鐵管的水力計(jì)算的問(wèn)題。套用灰口鑄鐵管的做法，由于差距過(guò)大，已不適用。由此產(chǎn)生的實(shí)際后果也是相當(dāng)嚴(yán)重的，這一問(wèn)題的解決是頗為急切的。當(dāng)然，水力計(jì)算的方法仍需要慎之又慎，大量的科學(xué)試驗(yàn)是成功的基礎(chǔ)。
圣戈班穆松橋的方法有著十分有用的參考價(jià)值，其參數(shù)的取值應(yīng)是科學(xué)的，可信的。在我國(guó)新的球墨鑄鐵管的水力計(jì)算公式出臺(tái)之前，在圣戈班穆松橋的計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)施工單位進(jìn)行適當(dāng)?shù)陌踩�系�?shù)的調(diào)整，也許是一種最切實(shí)可行的做法。圣戈班穆松橋來(lái)到中國(guó)，不是來(lái)壟斷中國(guó)的球墨鑄鐵管的市場(chǎng)，而是帶來(lái)先進(jìn)的生產(chǎn)工藝、先進(jìn)工程技術(shù)、先進(jìn)的管理經(jīng)驗(yàn)，與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家、供水企事業(yè)協(xié)心合作，共同促進(jìn)球墨鑄鐵管在中國(guó)的繁榮與發(fā)展。