天津大學(xué) 中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 苗慶偉天津大學(xué) 張 歡中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 王 淮 趙惠中天津大學(xué) 天津建工集團(tuán)建筑設(shè)計(jì)有限公司 常婭娜天津天地龍管業(yè)有限公司 劉秀清 劉 洋

1 概述

熱電聯(lián)產(chǎn)長(zhǎng)輸供熱系統(tǒng)因輸送距離長(zhǎng)、流量大，系統(tǒng)的輸配能耗很大。如何提高輸送效率，從而降低熱網(wǎng)輸配能耗成為亟需解決的問題。管壁粗糙度是熱水管道水力計(jì)算的重要基礎(chǔ)參數(shù)，它反映了管壁的光潔程度及變形狀況對(duì)流動(dòng)過程的影響，其取值對(duì)熱網(wǎng)輸配能耗的影響很大。隨著管道內(nèi)壁腐蝕的逐漸加劇，管道內(nèi)壁粗糙度逐漸增大。這將大大增加管道的阻力損失，從而使管網(wǎng)的輸配能耗增大。對(duì)于供熱距離達(dá)到幾十km的長(zhǎng)輸供熱管網(wǎng)，輸配能耗的增大越發(fā)明顯。

文獻(xiàn)[1]從理論上分析了長(zhǎng)距離輸送供熱管道減阻涂層對(duì)其輸配能耗的影響：增加防腐減阻涂層后，鋼管內(nèi)壁的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K近似取0.02 mm時(shí)，管內(nèi)水的流動(dòng)狀態(tài)處于湍流過渡區(qū)；對(duì)DN1200、DN1400 2種管徑的鋼管內(nèi)壁增加防腐減阻涂層后，在20、40、60、70 ℃ 4種水溫下，比摩阻減小了28%～35%，單位管長(zhǎng)的輸配能耗相應(yīng)減少28%～35%。

在工作管內(nèi)壁增加防腐減阻涂層，可以改變流體與管道的接觸狀態(tài)，從而減緩腐蝕，同時(shí)降低摩擦阻力系數(shù)，起到減阻作用。目前主要應(yīng)用于油氣、化工行業(yè)中。常用的涂層技術(shù)包括以下幾種[2]。

1) 環(huán)氧粉末涂敷技術(shù)。

環(huán)氧粉末涂料具有黏度低、涂膜流平性好、外觀平整光滑、附著力強(qiáng)、涂膜硬度高、耐腐蝕性和耐化學(xué)品性能好、固化時(shí)沒有副產(chǎn)物、施工適應(yīng)性好、利用率高等特點(diǎn)。其主要問題是脆性較高，另外在涂裝時(shí)需提升涂覆物的溫度以達(dá)到熔結(jié)效果，涂裝方式相對(duì)較復(fù)雜。

2) 液體環(huán)氧涂料技術(shù)。

液體環(huán)氧涂料以環(huán)氧樹脂為主要成膜物質(zhì)，多采用胺類固化劑。液體環(huán)氧涂料具有極強(qiáng)的附著力、優(yōu)異的耐蝕性和耐磨性及良好的物理性能，但其施工厚度有限，不能達(dá)到預(yù)期值，其耐熱性也相對(duì)不理想。管道內(nèi)表面液體環(huán)氧涂料可采用空氣噴涂、旋杯靜電噴涂和高壓無氣噴涂等涂敷方法。

AW-01減阻涂層為雙組分常溫固化涂料，它在大港—滄州輸氣管道中的應(yīng)用效果表明，管道摩擦阻力系數(shù)減小26%～31%。該減阻涂層已應(yīng)用在我國(guó)西氣東輸工程中[3]。

但目前還沒有防腐減阻涂層應(yīng)用于供熱管道的案例。為研究防腐減阻涂層對(duì)長(zhǎng)距離輸送供熱管道的減阻效果，本文選取一種改性樹脂類涂層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。該涂層為單組分，固體含量約55%，先后經(jīng)過了附著力測(cè)試、抗沖擊測(cè)試、耐磨性測(cè)試、柔韌性測(cè)試、耐化學(xué)腐蝕性測(cè)試、耐受性測(cè)試、交變環(huán)境耐受性測(cè)試、脫落形態(tài)測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

在天津市某廠區(qū)搭建的供熱管道減阻實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)段采用管材為20#鋼的預(yù)制直埋保溫管，管徑為DN150。位于上層的2根管道為管道內(nèi)壁增加防腐減阻涂層的直埋保溫管；位于下層的2根管道為無涂層的直埋保溫管，作為對(duì)比管道。無涂層管段通過幾次水，并且放空擱置了5 a 左右，模擬實(shí)際供熱工程中運(yùn)行使用過的管道。在直管段上安裝壓力測(cè)量裝置，壓力測(cè)量點(diǎn)離彎頭的距離大于10倍管道直徑。如圖1所示，在同一根直管段上同一流向的2個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)的間距為87 m。

注：1為熱水鍋爐；2為補(bǔ)水泵；3為管路循環(huán)水泵；4為流量計(jì)；P為泵前、后就地顯示壓力表；P1～P8為測(cè)試管道上的壓力變送器；T1、T2為溫度傳感器。圖1 供熱管道減阻實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

實(shí)驗(yàn)中采用的主要儀器設(shè)備有：

1) 模擬熱源。型號(hào)為DRE80的電熱水鍋爐，額定功率36 kW、水容量300 L，用于加熱系統(tǒng)循環(huán)水。

2) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制柜?？刂齐姛崴仩t的出水溫度，根據(jù)回水溫度控制電熱水鍋爐的啟停。當(dāng)回水溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，停止加熱。

3) 循環(huán)水泵。為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供循環(huán)動(dòng)力的設(shè)備。

4) 補(bǔ)水定壓泵。為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)補(bǔ)水定壓設(shè)備。

5) 智能渦街流量計(jì)(LUGB-22I115FAZ)。用于測(cè)量管道流量。

6) Pt100溫度傳感器。配對(duì)精度為±0.5 ℃，測(cè)量供回水溫度。

7) 壓力變送器。測(cè)量壓力測(cè)點(diǎn)的壓力，精度為0.5%量程。

如圖1所示，在管段上相對(duì)應(yīng)位置安裝8個(gè)壓力變送器。壓力變送器P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8安裝位置間距相等，均為87 m。壓力變送器P1～P4測(cè)量的管段為管道內(nèi)壁帶涂層的試驗(yàn)管段，壓力變送器P5～P8測(cè)量的管段為管道內(nèi)壁無涂層的管段。在供、回水管道上安裝Pt100溫度傳感器T1和T2，測(cè)量供回水溫度。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一部分為手動(dòng)記錄，如流量計(jì)的讀數(shù)；另一部分為數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)記錄，如供回水溫度、8個(gè)壓力變送器的壓力。供回水溫度采用三線制Pt100鉑電阻測(cè)量，鉑電阻直接和數(shù)據(jù)采集單元連接。壓力由壓力變送器直接測(cè)量，并從信號(hào)線上引出2個(gè)端子接到數(shù)據(jù)采集單元上。數(shù)據(jù)記錄采用GL-820 DATALOGGER數(shù)據(jù)采集儀。

3 實(shí)驗(yàn)方案

供熱管道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)充滿水后，開啟電熱水鍋爐，關(guān)閉旁通管上閥門，對(duì)管道內(nèi)水進(jìn)行加熱。同時(shí)觀測(cè)供、回水溫度，當(dāng)供、回水溫度相等時(shí)，打開旁通管上閥門進(jìn)行測(cè)試。監(jiān)測(cè)8個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)的壓力，并通過壓力變送器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀自動(dòng)記錄。采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為10 s，連續(xù)采集5 min，取30個(gè)記錄數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。

供熱管道內(nèi)流量保持65 t/h不變，分別在水溫20、25、30、35、40 ℃ 5種工況下進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)記錄8個(gè)壓力變送器的測(cè)量數(shù)據(jù)。

有涂層管段壓降Δp1、Δp2分別為

Δp1=p1-p2

(1)

Δp2=p3-p4

(2)

無涂層管段壓降Δp3、Δp4分別為

Δp3=p5-p6

(3)

Δp4=p7-p8

(4)

式(1)～(4)中p1～p8分別為對(duì)應(yīng)壓力變送器P1～P8的壓力。

為方便反映減阻效果，減阻率定義為同等長(zhǎng)度的有涂層管段壓降比無涂層管段壓降減少值和無涂層管段壓降的比值：

(5)

式中r為減阻率；Δp為未添加涂層管段壓降，Pa；Δp′為添加涂層管段壓降，Pa。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試日期為2019年1月14—18日。實(shí)驗(yàn)測(cè)試初期，因壓力變送器P3出現(xiàn)問題，所以取P1、P2、P5、P6的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

水溫為20、25、30、35、40 ℃ 5種工況下，有涂層管段壓降(p1-p2)、無涂層管段壓降(p5-p6)和減阻率測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同水溫下的測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出，87 m長(zhǎng)無涂層管段的壓降測(cè)試結(jié)果為9.63 kPa，有涂層管段的壓降測(cè)試結(jié)果為4.63 kPa，減阻率為51.82%，減阻效果很好。

城鎮(zhèn)供熱管道單位管長(zhǎng)的沿程阻力損失用流體力學(xué)的達(dá)西公式進(jìn)行計(jì)算[4]：

(6)

熱媒在管內(nèi)流動(dòng)的摩擦阻力系數(shù)λ取決于管內(nèi)熱媒的流動(dòng)狀態(tài)和管壁的粗糙程度，即

(7)

(8)

式(6)～(8)中R為單位管長(zhǎng)的沿程阻力損失，Pa/m；d為管道內(nèi)徑，m；ρ為水的密度，kg/m3；u為管道內(nèi)的水流速，m/s；Re為雷諾數(shù)；K為管壁的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度，m；ν為水的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

雷諾數(shù)是判別流體流動(dòng)狀態(tài)的參數(shù)。水在管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為湍流時(shí)，可分為3個(gè)區(qū)域[5]：1) 水力光滑區(qū)，2) 過渡區(qū)，3) 粗糙區(qū)(阻力平方區(qū))。從水力光滑區(qū)到過渡區(qū)的臨界速度u1和相應(yīng)的雷諾數(shù)Re1按式(9)、(10)計(jì)算：

(9)

(10)

從過渡區(qū)到粗糙區(qū)(阻力平方區(qū))的臨界速度u2和相應(yīng)的雷諾數(shù)Re2按式(11)、(12)計(jì)算：

(11)

(12)

過渡區(qū)的雷諾數(shù)范圍可以用式(10)、(12)來確定。

當(dāng)流體的流動(dòng)處于過渡區(qū)時(shí)，熱媒在管內(nèi)流動(dòng)的摩擦阻力系數(shù)λ應(yīng)按式(13)計(jì)算：

(13)

按照CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]的規(guī)定，管道內(nèi)壁當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K=0.5 mm。CJJ 101—2016《埋地塑料給水管道工程技術(shù)規(guī)范》[7]規(guī)定塑料管道的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度為0.01～0.013 mm。有涂層管道的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度較接近塑料管道的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度，故先假定其當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K為0.02 mm。

根據(jù)式(9)、(11)，可得到流體處于湍流過渡區(qū)時(shí)的臨界速度。表2給出了有、無涂層管道在水溫為20、30、40 ℃時(shí)相應(yīng)的過渡區(qū)臨界速度u1、u2。水溫越低，管內(nèi)流體的狀態(tài)從過渡區(qū)到粗糙區(qū)(阻力平方區(qū))的臨界速度也越大。城鎮(zhèn)供熱管道管內(nèi)水流速多位于0.5～4.0 m/s區(qū)間內(nèi)，鋼管內(nèi)水的流動(dòng)狀態(tài)多處于粗糙區(qū)(阻力平方區(qū))內(nèi)，管內(nèi)有涂層后，管內(nèi)水的流動(dòng)狀態(tài)改變?yōu)橥牧鬟^渡區(qū)。

表2 湍流過渡區(qū)的臨界速度

根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況的管內(nèi)流速，可以判定無涂層管段管內(nèi)流動(dòng)處于阻力平方區(qū)。按照CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]規(guī)定的管道內(nèi)壁當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K=0.5 mm，對(duì)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行計(jì)算，可以得到表3所示計(jì)算結(jié)果。

表3 實(shí)驗(yàn)管段無涂層壓降理論計(jì)算結(jié)果

從表1、3可以看出，87 m長(zhǎng)無涂層管段的壓降測(cè)試結(jié)果9.63 kPa，大于理論計(jì)算結(jié)果8.02 kPa。根據(jù)實(shí)測(cè)壓降，計(jì)算出無涂層管段的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K=1 mm。經(jīng)分析，這主要是由于該實(shí)驗(yàn)管段沒有進(jìn)行充水保養(yǎng)，放空時(shí)間太久導(dǎo)致管道內(nèi)壁腐蝕嚴(yán)重。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況管內(nèi)流速，可以判定有涂層管段管內(nèi)流動(dòng)處于湍流過渡區(qū)。根據(jù)前文的假定，有涂層管段的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K=0.02 mm，按照式(13)、(6)計(jì)算得到有涂層管段比摩阻為60.34 Pa/m，87 m長(zhǎng)有涂層管段的壓降為5.25 kPa。根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，87 m長(zhǎng)有涂層管段的壓降為4.63 kPa，小于上述計(jì)算值，故有涂層管段的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K小于0.02 mm。同樣根據(jù)式(13)、(6)，計(jì)算得到有涂層管段的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K約為0.01 mm，為CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定值0.5 mm的1/50。

因?qū)嶒?yàn)對(duì)比管段管內(nèi)腐蝕比較嚴(yán)重，因此無涂層對(duì)比管段的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K取設(shè)計(jì)值。將87 m長(zhǎng)有涂層管段的實(shí)測(cè)壓降和無涂層管段的設(shè)計(jì)計(jì)算壓降進(jìn)行比較，結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，相比無涂層管段的設(shè)計(jì)計(jì)算壓降，有涂層管段在實(shí)驗(yàn)工況下的減阻率達(dá)到42.22%，減阻效果顯著。

表4 有涂層實(shí)驗(yàn)管段實(shí)測(cè)壓降和無涂層管段設(shè)計(jì)計(jì)算值比較

以長(zhǎng)輸供熱管道常用管徑DN1200為例，在水溫為20、40 ℃ 2種溫度下，首先根據(jù)式(10)、(12)判定有、無涂層管道的管內(nèi)流體狀態(tài)，再按式(6)、(5)計(jì)算有、無防腐減阻涂層的比摩阻、減阻率，計(jì)算結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，有涂層管道的減阻率隨著流量的增大而增大，隨著水溫的升高而略有增大，減阻率為32%～37%。文獻(xiàn)[1]中，在水溫為20、40 ℃ 2種溫度下，DN1200鋼管有涂層管段，在流量為10 000～16 000 m3/h時(shí)，和無涂層管段相比，減阻率為28%～33%。兩者對(duì)比可以看出，本文實(shí)驗(yàn)有涂層管段的減阻效果優(yōu)于文獻(xiàn)[1]中有涂層管段的減阻效果，這是因?yàn)楸疚膶?shí)驗(yàn)用有涂層管段的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K約為0.01 mm，而文獻(xiàn)[1]中有涂層管段的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K假定值為0.02 mm。

表5 不同水溫及流量下DN1200鋼管增加防腐減阻涂層前后比摩阻比較

5 結(jié)論和展望

1) 通過搭建供熱管道減阻效果實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)87 m長(zhǎng)的DN150的預(yù)制直埋保溫管(管材為20#鋼)有/無減阻涂層時(shí)的壓降進(jìn)行了測(cè)試。在流量為65 t/h，水溫為20、25、30、35、40 ℃ 5種工況下，有涂層管段的壓降平均值為4.63 kPa，無涂層對(duì)比管段的壓降平均值為9.63 kPa。

2) 根據(jù)實(shí)測(cè)壓降推算得到，有涂層管段的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K約為0.01 mm，為CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]規(guī)定的粗糙度0.5 mm的1/50。在實(shí)驗(yàn)工況下,和當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K=0.5 mm下的理論計(jì)算值比較，減阻涂層的減阻率達(dá)到42.22%，減阻效果顯著。

3) 以DN1200大管徑長(zhǎng)輸供熱管道為例，在流量10 000～16 000 m3/h，水溫20、40 ℃工況下，計(jì)算得到有涂層管段的減阻率為32%～37%。

4) 用于本文實(shí)驗(yàn)的無涂層管道管內(nèi)腐蝕比較嚴(yán)重，后續(xù)應(yīng)把無涂層管道改為新鋼管進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。同時(shí)對(duì)涂層的老化實(shí)驗(yàn)繼續(xù)深入研究，確保在管道的使用期內(nèi)不出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。