張 婷

山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 山東 濟(jì)南 250014

1 前言

隨著人民生活水平的逐步提高，對(duì)水質(zhì)要求越來(lái)越高，利用管道進(jìn)行的長(zhǎng)距離輸水調(diào)水工程越來(lái)越多，隨之而來(lái)的管道工程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題也越來(lái)越多，本文以甘肅省引洮供水二期配套工程某長(zhǎng)距離管道輸水工程實(shí)例在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的幾個(gè)工程問(wèn)題為例，簡(jiǎn)單分析了長(zhǎng)距離輸水工程管道水力計(jì)算公式的選擇對(duì)管道設(shè)計(jì)的影響、管道壁厚的計(jì)算、有壓重力流管道的水錘防護(hù)等問(wèn)題。

2 工程概況

根據(jù)已完成并由國(guó)家發(fā)改委評(píng)估的《引洮供水二期工程項(xiàng)目建議書(shū)》，經(jīng)與8個(gè)受益縣(區(qū))充分溝通后，初步確定引洮二期配套工程建設(shè)內(nèi)容包括城鄉(xiāng)供水調(diào)蓄水池(庫(kù))、村鎮(zhèn)集中供水水廠、人飲工程對(duì)接管網(wǎng)及農(nóng)業(yè)灌溉支渠、田間配套工程等五部分內(nèi)容。

本文中的長(zhǎng)距離輸水工程為引洮二期配套工程中某縣人飲工程對(duì)接管網(wǎng)工程，該工程供水管線設(shè)計(jì)管道流量0.055 m3/s。由水廠至第一高位水池段管線起點(diǎn)接管點(diǎn)中心高程1577.11m，終點(diǎn)接管點(diǎn)中心高程1920.92 m，第一高位水池設(shè)計(jì)水位1922.95 m，采用泵站加壓，泵站揚(yáng)程為360 m；第一高位水池至第二高位水池段管線起點(diǎn)接管點(diǎn)中心高程1920.92 m，終點(diǎn)接管點(diǎn)中心高程1839.20 m，高差81.72 m，該管段采用有壓重力流，末端設(shè)活塞式調(diào)流調(diào)壓閥來(lái)調(diào)節(jié)壓力及流量。

3 管道水力計(jì)算公式的選擇

管道總水頭損失，可按下列公式計(jì)算：

式中：hz—總水頭損失(m)

hy沿程水頭損失(m)

hj—局部水頭損失(m)

其中，影響計(jì)算結(jié)果較大的為沿程水頭損失，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)計(jì)算中，沿程水頭損失一般按照水力學(xué)書(shū)或水利手冊(cè)中的公式進(jìn)行計(jì)算，較為簡(jiǎn)單，但公式較多，如何選用最適合本工程的計(jì)算公式就關(guān)系到工程設(shè)計(jì)方案在運(yùn)行中的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，是確定方案可行性和經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要步驟。

常用的計(jì)算水頭損失常用公式有舍維列夫公式、謝才公式及海曾-威廉公式。

1)舍維列夫公式：適用于舊鑄鐵管和舊鋼管，水溫10℃時(shí)，

沿程水頭損失計(jì)算公式都是在一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，由于實(shí)驗(yàn)條件的差別，各公式適用的條件和計(jì)算精度也有差別，通過(guò)對(duì)各公式的分析和計(jì)算比較，發(fā)現(xiàn)：

1)舍為列夫公式是通過(guò)舊鋼管和舊鑄鐵管試驗(yàn)資料確定的，而現(xiàn)在本工程采用的鋼管采用了涂料作為內(nèi)襯，條件發(fā)生了變化，不適用于本工程；

2)謝才公式為管渠計(jì)算的經(jīng)典公式，謝才系數(shù)C是官網(wǎng)水力損失計(jì)算正確性的關(guān)鍵；

3)海曾-威廉公式特別適用于給水管網(wǎng)的水力計(jì)算，計(jì)算長(zhǎng)距離輸水的水力損失準(zhǔn)確率精度較高，同時(shí)適用于多種管材，由于本工程有金屬管道也有塑料管道，因此本設(shè)計(jì)采用海曾-威廉公式進(jìn)行水利損失的計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果為樁號(hào)0+000～3+444，管道流量0.055 m3/s，采用DN300 mm 鋼管，海曾-威廉系數(shù)Ch取130，總水頭損失為7.42 m，高程差為343.81 m，起點(diǎn)水頭360 m，止點(diǎn)水頭為8.77 m。

樁號(hào)3+444～11+730，管道流量0.04 m3/s，采用DN300 mm 鋼管，海曾-威廉系數(shù)Ch取130和140，總水頭損失為18.55 m，高程差為81.72 m，起點(diǎn)水頭2.03 m，止點(diǎn)水頭為65.20 m。

r—鋼管(鋼襯)內(nèi)半徑(mm)；

t0—鋼管(鋼襯)管壁計(jì)算厚度(mm)。

試驗(yàn)壓力應(yīng)按以下公式計(jì)算：

P=2σψt/D

推導(dǎo)出鋼管壁厚計(jì)算公式：

t=PD/2σψ+C

式中 P—鋼管內(nèi)介質(zhì)工作壓力值，單位為兆帕(MPa)；

φ—焊縫系數(shù)，無(wú)縫鋼管φ=1，直縫焊接鋼φ=0.8，螺旋縫焊接鋼管φ=0.6；

σ—管材的許用應(yīng)力，單位為牛頓每平方毫米(N/mm2)；

D—鋼管的外徑，單位為毫米(mm)；

t—鋼管的壁厚，單位為毫米(mm)；

C—鋼管壁厚附加量(mm)。

本段管線最大水錘壓力經(jīng)水錘計(jì)算為6.0 Mpa，經(jīng)計(jì)算，管材選用Q345C無(wú)縫鋼管，根據(jù)上述公式計(jì)算得本管段管道的壁厚為4.1 mm，考慮鋼管的腐蝕、泥沙磨損、水錘防護(hù)等因素，管子壁厚附加量為3 mm，即7.1 mm，因此確定本線路中至第一高位水池加壓段管道采用壁厚為8 mm 的DN300 mm 的Q345C鋼管。應(yīng)用Mathcad軟件編程計(jì)算，經(jīng)由埋地鋼管結(jié)構(gòu)計(jì)算，所用鋼管滿足《給水排水管道埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》CECS 141：2002規(guī)定。

4 有壓重力輸水管道調(diào)流調(diào)壓設(shè)施的選擇及設(shè)置

1)本設(shè)計(jì)中所有有壓重力輸水段調(diào)流調(diào)壓的設(shè)備均采用活塞式控制閥進(jìn)行調(diào)流調(diào)壓。

活塞式調(diào)流調(diào)壓閥有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)活塞控制閥出口部位的線性收縮和出口節(jié)流部件產(chǎn)生的引導(dǎo)對(duì)撞及阻力，可產(chǎn)生消能減壓的效果，并避免因節(jié)流對(duì)閥體和管道產(chǎn)生的汽蝕影響。

(2)活塞控制閥無(wú)論活塞被驅(qū)動(dòng)到任何位置，閥腔內(nèi)水流斷面均為環(huán)狀，使閥門(mén)開(kāi)度與流量呈線性關(guān)系，具有良好的流量或壓力調(diào)節(jié)特性。

(3)活塞控制閥調(diào)節(jié)靈敏，動(dòng)作均勻，無(wú)卡阻、異常振動(dòng)及壓力波動(dòng)現(xiàn)象。

(4)活塞控制閥在小流量工況時(shí)，對(duì)流體具有良好的消能效果，可有效的防止汽蝕；當(dāng)大流量工況時(shí)，也可消減流體部分能量，并對(duì)流體部分能量有所保留，保證閥門(mén)具有足夠的過(guò)流能力。

(5)活塞控制閥能夠?qū)崿F(xiàn)流量的精確控制，可以保持恒定流量；能夠?qū)崿F(xiàn)大壓差范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，保持閥后壓力穩(wěn)定；能夠保證在無(wú)振動(dòng)、無(wú)汽蝕、對(duì)管路無(wú)損傷的情況下，對(duì)輸水系統(tǒng)進(jìn)行線性調(diào)流或穩(wěn)定減壓。

(6)活塞控制閥采用金屬與橡膠雙重密封，實(shí)現(xiàn)氣泡級(jí)密封、零泄漏，能夠阻斷靜水壓力的傳遞。

(7)活塞控制閥采用壓力平衡驅(qū)動(dòng)，所需要的操作力小。

(8)只針對(duì)各段管道的活塞控制閥進(jìn)行運(yùn)行控制，管理運(yùn)行方便。

2)活塞式控制閥的設(shè)置位置

第一高位水池至第二高位水池重力自流段管線起點(diǎn)接管點(diǎn)中心高程1920.92 m，終點(diǎn)接管點(diǎn)中心高程1839.20 m，該段管線總水頭損失為18.55 m，因此富裕水頭為65.20 m。因此在重力流管道末端設(shè)置活塞式調(diào)流調(diào)壓閥，來(lái)進(jìn)行流量壓力的調(diào)節(jié)。

3)活塞式控制閥相關(guān)指標(biāo)的初步確定

根據(jù)活塞式控制閥設(shè)計(jì)參數(shù)，初步確定活塞式控制閥相關(guān)指標(biāo)如下：

確定選用公稱(chēng)直徑DN250 mm 活塞式控制閥?；钊娇刂崎y相關(guān)指標(biāo)圖表如下：

圖1 活塞式控制閥設(shè)計(jì)壓差開(kāi)度流量曲線圖

4 鋼管壁厚的確定

根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL281-2003)及《低壓流體輸送用焊接鋼管》(GB/T3091-2015)要求：

鋼管抗外壓強(qiáng)度校核可采用以下公式(鍋爐公式)計(jì)算：

式中 P0—徑向均勻布?jí)毫?N/mm2)；

圖2 活塞式控制閥設(shè)計(jì)壓差開(kāi)度汽蝕曲線圖

由上兩圖可知，選擇DN250 mm 活塞閥均能滿足管線各工況流量、壓力要求。

5 結(jié)論

該段管線管徑不大，但既有水泵加壓段又有有壓重力流段，且加壓段管道壓力較大，重力流段落差也較大，在管路損失計(jì)算、管道壁厚計(jì)算及有壓重力輸水管道調(diào)流調(diào)壓設(shè)施的選擇和設(shè)置等方面具有代表性，通過(guò)準(zhǔn)確的計(jì)算、合理的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工程實(shí)際運(yùn)行的合理性、高效性及節(jié)能性。