淺談長距離壓力輸水管道設計與研究

2020-03-26 09:18:06張婷

探索科學(學術版) 2020年1期

張婷

山東省水利勘測設計院山東濟南 250014

1 前言

隨著人民生活水平的逐步提高，對水質要求越來越高，利用管道進行的長距離輸水調水工程越來越多，隨之而來的管道工程設計中出現的問題也越來越多，本文以甘肅省引洮供水二期配套工程某長距離管道輸水工程實例在設計中出現的幾個工程問題為例，簡單分析了長距離輸水工程管道水力計算公式的選擇對管道設計的影響、管道壁厚的計算、有壓重力流管道的水錘防護等問題。

2 工程概況

根據已完成并由國家發改委評估的《引洮供水二期工程項目建議書》，經與8個受益縣(區)充分溝通后，初步確定引洮二期配套工程建設內容包括城鄉供水調蓄水池(庫)、村鎮集中供水水廠、人飲工程對接管網及農業灌溉支渠、田間配套工程等五部分內容。

本文中的長距離輸水工程為引洮二期配套工程中某縣人飲工程對接管網工程，該工程供水管線設計管道流量0.055 m3/s。由水廠至第一高位水池段管線起點接管點中心高程1577.11m，終點接管點中心高程1920.92 m，第一高位水池設計水位1922.95 m，采用泵站加壓，泵站揚程為360 m；第一高位水池至第二高位水池段管線起點接管點中心高程1920.92 m，終點接管點中心高程1839.20 m，高差81.72 m，該管段采用有壓重力流，末端設活塞式調流調壓閥來調節壓力及流量。

3 管道水力計算公式的選擇

管道總水頭損失，可按下列公式計算：

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，影響計算結果較大的為沿程水頭損失，在實際工程設計計算中，沿程水頭損失一般按照水力學書或水利手冊中的公式進行計算，較為簡單，但公式較多，如何選用最適合本工程的計算公式就關系到工程設計方案在運行中的經濟問題，是確定方案可行性和經濟性的一個重要步驟。

常用的計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，

沿程水頭損失計算公式都是在一定的實驗基礎上建立起來的，由于實驗條件的差別，各公式適用的條件和計算精度也有差別，通過對各公式的分析和計算比較，發現：

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

2)謝才公式為管渠計算的經典公式，謝才系數C是官網水力損失計算正確性的關鍵；

3)海曾-威廉公式特別適用于給水管網的水力計算，計算長距離輸水的水力損失準確率精度較高，同時適用于多種管材，由于本工程有金屬管道也有塑料管道，因此本設計采用海曾-威廉公式進行水利損失的計算。

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

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

r—鋼管(鋼襯)內半徑(mm)；

t0—鋼管(鋼襯)管壁計算厚度(mm)。

試驗壓力應按以下公式計算：

P=2σψt/D

推導出鋼管壁厚計算公式：

t=PD/2σψ+C

式中 P—鋼管內介質工作壓力值，單位為兆帕(MPa)；

φ—焊縫系數，無縫鋼管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水錘計算為6.0 Mpa，經計算，管材選用Q345C無縫鋼管，根據上述公式計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。應用Mathcad軟件編程計算，經由埋地鋼管結構計算，所用鋼管滿足《給水排水管道埋地鋼管管道結構設計規程》CECS 141：2002規定。