輸水管道管材的選用及經濟管徑確定

陳 陸 姚青云

(寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021)

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輸水管道管材的選用及經濟管徑確定

陳 陸 姚青云

(寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021)

結合工程實際，對管材的特性進行了比選，利用年運行費用最小的原則，建立了經濟管徑計算的數學模型，根據工程的具體條件，計算得出了相應的經濟管徑，并對影響經濟管徑的主要因素進行了分析，為合理確定經濟管徑提供了理論依據。

輸水管道，管材選擇，經濟管徑

隨著國民經濟的發展，人民生活水平的提高和城鎮化建設速度的加快，需水量日益增多，我國水資源分配不均勻，所以長距離輸水工程顯得尤為重要。在長距離輸水管網系統中，管道投資占整個工程投資的60%～80%[1]，是工程投資的重要組成部分。輸水管道材料的選用既影響管道工程的質量，也影響管道工程的投資總額。根據工程的具體情況選擇合理的管材以及研究相應的經濟管徑，以達到安全經濟的目的。

1 供水管道管材性能比選

寧夏某長距離輸水工程，輸水管線長76.55 km,設計流量0.33 m3/s。該管線沿途地形起伏變化較大，要翻越3座大的山頭，設3座加壓泵站。管材的選擇對工程的安全運行及總投資影響非常大。對于長距離輸水工程，常用的管材有鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼管、預應力鋼筋混凝土管、PE管等。根據該工程管線的特點，考慮到施工條件、投資及各種管材在當地的應用情況等影響因素，初步選定的管材有球墨鑄鐵管、玻璃鋼管和PE管三種進行比較。

1)球墨鑄鐵管道。球墨鑄鐵管道主要特點為適應地形變化能力較強,易安裝，接口采用雙膠圈,接口密封效果好,通過內外防腐處理可具有良好的防腐性能。而且承壓能力好，壓力在0.6 MPa～8.0 MPa之間，主要適用管徑在100 mm～2 000 mm之間的供水管道。對于大管徑高壓強管道造價較低。缺點是管道重量比塑料管材大，安裝需要配備中型機械。其中直徑在400 mm～1 000 mm之間時價格優勢明顯。2)夾砂玻璃鋼管。玻璃鋼管是選用多種不同性質的樹脂作為內襯滲層，和玻璃纖維增強層復合制成，具有強度較高、重量輕、耐腐蝕、內壁光滑阻力小等特點，價格較低。其連接亦采用承插式，并設置膠圈，安裝較為方便。缺點是由于玻璃鋼管管壁較薄，為柔性管道，對基礎與回填要求較高。接口要求高，易漏水，不易施工，夾砂玻璃鋼管單根管道標準長度為12 m，糙率系數取0.009～0.010 6。適用壓力在0.6 MPa～3.0 MPa，管徑一般在200 mm～1 600 mm之間。對于地區地形復雜，且有濕陷性黃土的地區，施工不當易產生接頭滲漏現象，給工程運行和維修帶來極大不便。所以此管材多用于地形平坦的砂壤土地段。近期對于壓強大于3.0 MPa玻璃鋼管廠家新生產一種新型分支管材——環氧高壓玻璃鋼管，壓強2.5 MPa～4.5 MPa。3)PE管道。PE管為塑料管，采用無鉛配方生產，無毒無味，優點是管材為柔性材料，適應地形變化能力較強，且抗震、抗沖、抗滑性能好，適用于有溝道沖刷和滑塌部位，管道易安裝，具有良好的防腐性能。缺點是適用于管徑較小(一般直徑小于500 mm)，壓力小于1.6 MPa的供水管道。主要缺點是大管徑管材造價高，主要適用于直徑小于300 mm、壓強小于1.6 MPa，地形復雜地段。

2 供水管道管材價格比選

表1 管材價格比較表 元/m

通過對以上三種管材的性能、壓力等級、適宜的管徑范圍等進行比較，結合本工程的流量，合適的管徑在500 mm～800 mm之間，管材承壓在2.0 MPa以下。將三種管材不同承壓的價格列入表1中。從表1中看出：當管徑在500 mm～600 mm之間，管壓在1.6 MPa以下，玻璃鋼管價格有明顯的優勢；管壓在1.6 MPa及以上時，玻璃鋼管與球墨鑄鐵管價格相差不大；PE管價格明顯高于其他兩種管材價格。從材料的單價分析，初步選定玻璃鋼管和球墨鑄鐵管為該工程的主要管材。

3 經濟管徑的計算

根據年運行費用最小原則，建立計算輸水管道經濟管徑的數學模型。年運行費用包括年耗電費E1和年生產費E2，年耗電費隨著管徑的增大而減小，年生產費隨著管徑的增大而增大。每給定一個管徑值，都可求出兩者之和年運行費用E；假設給定一系列的管徑就可以得到一系列的E值，而E值最小時所對應的管徑就是經濟管徑。

3.1 年耗電費用計算公式[2]

(1)

其中，f為電費價格，元/(kW·h)；Hj為凈揚程，m；Q為設計流量，m3/s；t為年運行小時，h；h為管道水頭損失，m；η為水泵效率。

輸水管水頭損失分為沿程水頭損失和局部水頭損失，由于高沙窩工程地形起伏大，輸水管線較長，所以局部水頭損失按照沿程水頭損失的10%計算。水頭損失用式(2)進行計算：

(2)

其中，k，n，m為常數、指數，根據水管的管材種類確定；L為管道長度，m；Q為設計流量，m3/s；D為管道直徑，m。

3.2 年生產費計算

年生產費一般按管道總投資的百分數計算，其公式為：

E2=βW

(3)

W=CL

(4)

其中，β為年生產費占管道總投資的百分數；W為管道總投資，元；C為單位管長的造價，元/m；L為管長，m。

3.3 單位管道長度的造價公式

單位管道長度的造價可按下式計算：

C=a+bDα

(5)

其中，D為管徑，m；a，b，α分別為與地區施工條件、管材價格、管道的壓力等級等有關的參數。工程中根據管道的預算價，同時考慮管道的構筑物等價格，綜合確定價格。表2列出了玻璃鋼管承壓0.8 MPa時，不同管徑的單位管長造價。

表2 玻璃鋼管預算單價

根據表2玻璃鋼管的數據，利用回歸方程：

(6)

可求出R最大時，對應的管材造價中的a，b，α的值[3]。利用式(5)，式(6)及表2的數據，可求得0.8 MPa玻璃鋼管造價公式中的參數為a=68.16，b=1 880.92，α=1.89。

3.4 經濟管徑的計算公式

年總費用為年耗電費和年生產費之和：

E=E1+E2

(7)

(8)

4 經濟管徑確定

首先要根據管材的預算價，按式(5)，式(6)用Excel的規劃求解功能，計算出管道單位長度的造價公式中的參數。其他參數根據工程的具體情況確定，這樣就可根據式(8)計算出相應的經濟管徑。

1)計算實例。寧夏某長距離管道輸水工程，管線長76 550 m,輸水管道設計流量0.33 m3/s,水泵每天運行22 h,年供水天數362 d，電價0.92元/(kW·h)，年生產費按管道總投資的3%計算。其他參數與管道特性有關，根據不同的管材確定。由于管材價格與承壓有關，計算時要根據不同的管道承壓，計算出管材造價中的參數，利用式(8)計算相應管徑。

通過計算得出：該工程選擇玻璃鋼管計算得出的經濟管徑0.73 m,若選擇0.7 m管道，相應的經濟流速為0.86 m/s；若選擇球墨鑄鐵管，計算得經濟管徑為0.75 m～0.77 m，選擇0.7 m管道相應的流速為0.86 m/s，選擇0.8 m管道，流速為0.66 m/s。

2)計算結果分析。用年費用最小的原則確定經濟管徑，這種方法綜合考慮管材價格、電費、水泵年運行小時數等多種因素。通過對具體的工程實例計算可看出：a.抽水電價越高，計算出來的經濟管徑越大；b.年供水時間越長，相應的經濟管徑越大；c.年生產費占管道總投資的比例越大，相應的經濟管徑越小；d.對于玻璃鋼管和球墨鑄鐵管而言，隨著管道承壓的提高，管材價格也相應增加，因此，管道的承壓對經濟管徑的影響不太明顯。

5 結語

本文提出的年運行費用最小原則確定經濟管徑的方法，利用Excel表格中的規劃求解功能很方便解決了經濟管徑的計算問題。這種方法綜合考慮了各種因素，確定的經濟管徑更結合實際工程的情況，有很好的工程應用價值。

[1] 朱良華.基于整數編碼遺傳算法的給水排水管網優化設計[D].合肥：合肥工業大學,2007.

[2] 姚青云,李佳奇,馮淑萍.壓力管道經濟管徑計算[J].中國農村水利電,2005(9):149-151.

[3] 馮淑萍，姚青云.寧夏農村飲水安全工程UPVC管經濟流速確定[J].寧夏工程技術，2015(2)：138-140.

Aqueduct pipe selection and economic diameter determination

Chen Lu Yao Qingyun

(CollegeofCivilandHydraulicEngineering,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China)

Combining with practical engineering, the characteristics of the pipe were comparison, a mathematical model to calculate the economic use of the smallest diameter of the principle of annual operating costs, according to the specific conditions of the project, calculated the corresponding economic diameter, the impact of the economic the diameter of the main factors were analyzed, to determine the reasonable economic diameter provides a theoretical basis.

aqueduct, material selection, economic diameter

1009-6825(2016)05-0125-02

2015-12-01

陳 陸(1991- )，男，在讀碩士； 姚青云(1957- )，男，碩士生導師，教授

TU991.36

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