供熱管道減阻涂層減阻效果的實驗研究

天津大學 中國市政工程華北設計研究總院有限公司 苗慶偉天津大學 張 歡中國市政工程華北設計研究總院有限公司 王 淮 趙惠中天津大學 天津建工集團建筑設計有限公司 常婭娜天津天地龍管業有限公司 劉秀清 劉 洋

1 概述

熱電聯產長輸供熱系統因輸送距離長、流量大，系統的輸配能耗很大。如何提高輸送效率，從而降低熱網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算的重要基礎參數，它反映了管壁的光潔程度及變形狀況對流動過程的影響，其取值對熱網輸配能耗的影響很大。隨著管道內壁腐蝕的逐漸加劇，管道內壁粗糙度逐漸增大。這將大大增加管道的阻力損失，從而使管網的輸配能耗增大。對于供熱距離達到幾十km的長輸供熱管網，輸配能耗的增大越發明顯。

文獻[1]從理論上分析了長距離輸送供熱管道減阻涂層對其輸配能耗的影響：增加防腐減阻涂層后，鋼管內壁的當量絕對粗糙度K近似取0.02 mm時，管內水的流動狀態處于湍流過渡區；對DN1200、DN1400 2種管徑的鋼管內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%，單位管長的輸配能耗相應減少28%～35%。

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

1) 環氧粉末涂敷技術。

環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、涂膜硬度高、耐腐蝕性和耐化學品性能好、固化時沒有副產物、施工適應性好、利用率高等特點。其主要問題是脆性較高，另外在涂裝時需提升涂覆物的溫度以達到熔結效果，涂裝方式相對較復雜。

2) 液體環氧涂料技術。

液體環氧涂料以環氧樹脂為主要成膜物質，多采用胺類固化劑。液體環氧涂料具有極強的附著力、優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，不能達到預期值，其耐熱性也相對不理想。管道內表面液體環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用效果表明，管道摩擦阻力系數減小26%～31%。該減阻涂層已應用在我國西氣東輸工程中[3]。

但目前還沒有防腐減阻涂層應用于供熱管道的案例。為研究防腐減阻涂層對長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行實驗研究。該涂層為單組分，固體含量約55%，先后經過了附著力測試、抗沖擊測試、耐磨性測試、柔韌性測試、耐化學腐蝕性測試、耐受性測試、交變環境耐受性測試、脫落形態測試。

2 實驗臺設計

在天津市某廠區搭建的供熱管道減阻實驗臺如圖1所示。實驗段采用管材為20#鋼的預制直埋保溫管，管徑為DN150。位于上層的2根管道為管道內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，模擬實際供熱工程中運行使用過的管道。在直管段上安裝壓力測量裝置，壓力測量點離彎頭的距離大于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個壓力測量點的間距為87 m。

注：1為熱水鍋爐；2為補水泵；3為管路循環水泵；4為流量計；P為泵前、后就地顯示壓力表；P1～P8為測試管道上的壓力變送器；T1、T2為溫度傳感器。圖1 供熱管道減阻實驗臺示意圖

實驗中采用的主要儀器設備有：

1) 模擬熱源。型號為DRE80的電熱水鍋爐，額定功率36 kW、水容量300 L，用于加熱系統循環水。

2) 實驗臺控制柜。控制電熱水鍋爐的出水溫度，根據回水溫度控制電熱水鍋爐的啟停。當回水溫度達到設定溫度時，停止加熱。

3) 循環水泵。為實驗系統提供循環動力的設備。

4) 補水定壓泵。為實驗系統補水定壓設備。

5) 智能渦街流量計(LUGB-22I115FAZ)。用于測量管道流量。

6) Pt100溫度傳感器。配對精度為±0.5 ℃，測量供回水溫度。

7) 壓力變送器。測量壓力測點的壓力，精度為0.5%量程。

如圖1所示，在管段上相對應位置安裝8個壓力變送器。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測量的管段為管道內壁帶涂層的試驗管段，壓力變送器P5～P8測量的管段為管道內壁無涂層的管段。在供、回水管道上安裝Pt100溫度傳感器T1和T2，測量供回水溫度。

實驗數據一部分為手動記錄，如流量計的讀數；另一部分為數據采集儀自動記錄，如供回水溫度、8個壓力變送器的壓力。供回水溫度采用三線制Pt100鉑電阻測量，鉑電阻直接和數據采集單元連接。壓力由壓力變送器直接測量，并從信號線上引出2個端子接到數據采集單元上。數據記錄采用GL-820 DATALOGGER數據采集儀。

3 實驗方案

供熱管道實驗系統充滿水后，開啟電熱水鍋爐，關閉旁通管上閥門，對管道內水進行加熱。同時觀測供、回水溫度，當供、回水溫度相等時，打開旁通管上閥門進行測試。監測8個壓力測點的壓力，并通過壓力變送器傳輸到數據采集儀自動記錄。采集數據的時間間隔為10 s，連續采集5 min，取30個記錄數據的算術平均值作為實驗測量值。

供熱管道內流量保持65 t/h不變，分別在水溫20、25、30、35、40 ℃ 5種工況下進行測試，數據采集儀自動記錄8個壓力變送器的測量數據。

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分別為對應壓力變送器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 測試結果與分析

測試日期為2019年1月14—18日。實驗測試初期，因壓力變送器P3出現問題，所以取P1、P2、P5、P6的測試數據進行計算。

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)和減阻率測試結果如表1所示。

表1 不同水溫下的測試結果

從表1可以看出，87 m長無涂層管段的壓降測試結果為9.63 kPa，有涂層管段的壓降測試結果為4.63 kPa，減阻率為51.82%，減阻效果很好。

城鎮供熱管道單位管長的沿程阻力損失用流體力學的達西公式進行計算[4]：

(6)

熱媒在管內流動的摩擦阻力系數λ取決于管內熱媒的流動狀態和管壁的粗糙程度，即

(7)

(8)

式(6)～(8)中R為單位管長的沿程阻力損失，Pa/m；d為管道內徑，m；ρ為水的密度，kg/m3；u為管道內的水流速，m/s；Re為雷諾數；K為管壁的當量絕對粗糙度，m；ν為水的運動黏度，m2/s。

雷諾數是判別流體流動狀態的參數。水在管道內的流動狀態為湍流時，可分為3個區域[5]：1) 水力光滑區，2) 過渡區，3) 粗糙區(阻力平方區)。從水力光滑區到過渡區的臨界速度u1和相應的雷諾數Re1按式(9)、(10)計算：

(9)

(10)

從過渡區到粗糙區(阻力平方區)的臨界速度u2和相應的雷諾數Re2按式(11)、(12)計算：

(11)

(12)

過渡區的雷諾數范圍可以用式(10)、(12)來確定。

當流體的流動處于過渡區時，熱媒在管內流動的摩擦阻力系數λ應按式(13)計算：

(13)

按照CJJ 34—2010《城鎮供熱管網設計規范》[6]的規定，管道內壁當量絕對粗糙度K=0.5 mm。CJJ 101—2016《埋地塑料給水管道工程技術規范》[7]規定塑料管道的當量絕對粗糙度為0.01～0.013 mm。有涂層管道的當量絕對粗糙度較接近塑料管道的當量絕對粗糙度，故先假定其當量絕對粗糙度K為0.02 mm。

根據式(9)、(11)，可得到流體處于湍流過渡區時的臨界速度。表2給出了有、無涂層管道在水溫為20、30、40 ℃時相應的過渡區臨界速度u1、u2。水溫越低，管內流體的狀態從過渡區到粗糙區(阻力平方區)的臨界速度也越大。城鎮供熱管道管內水流速多位于0.5～4.0 m/s區間內，鋼管內水的流動狀態多處于粗糙區(阻力平方區)內，管內有涂層后，管內水的流動狀態改變為湍流過渡區。

表2 湍流過渡區的臨界速度

根據實驗工況的管內流速，可以判定無涂層管段管內流動處于阻力平方區。按照CJJ 34—2010《城鎮供熱管網設計規范》[6]規定的管道內壁當量絕對粗糙度K=0.5 mm，對實驗工況進行計算，可以得到表3所示計算結果。

表3 實驗管段無涂層壓降理論計算結果

從表1、3可以看出，87 m長無涂層管段的壓降測試結果9.63 kPa，大于理論計算結果8.02 kPa。根據實測壓降，計算出無涂層管段的當量絕對粗糙度K=1 mm。經分析，這主要是由于該實驗管段沒有進行充水保養，放空時間太久導致管道內壁腐蝕嚴重。

根據實驗工況管內流速，可以判定有涂層管段管內流動處于湍流過渡區。根據前文的假定，有涂層管段的當量絕對粗糙度K=0.02 mm，按照式(13)、(6)計算得到有涂層管段比摩阻為60.34 Pa/m，87 m長有涂層管段的壓降為5.25 kPa。根據表1中的實驗測試結果，87 m長有涂層管段的壓降為4.63 kPa，小于上述計算值，故有涂層管段的當量絕對粗糙度K小于0.02 mm。同樣根據式(13)、(6)，計算得到有涂層管段的當量絕對粗糙度K約為0.01 mm，為CJJ 34—2010《城鎮供熱管網設計規范》規定值0.5 mm的1/50。

因實驗對比管段管內腐蝕比較嚴重，因此無涂層對比管段的當量絕對粗糙度K取設計值。將87 m長有涂層管段的實測壓降和無涂層管段的設計計算壓降進行比較，結果如表4所示。可以看出，相比無涂層管段的設計計算壓降，有涂層管段在實驗工況下的減阻率達到42.22%，減阻效果顯著。

表4 有涂層實驗管段實測壓降和無涂層管段設計計算值比較

以長輸供熱管道常用管徑DN1200為例，在水溫為20、40 ℃ 2種溫度下，首先根據式(10)、(12)判定有、無涂層管道的管內流體狀態，再按式(6)、(5)計算有、無防腐減阻涂層的比摩阻、減阻率，計算結果如表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[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，和無涂層管段相比，減阻率為28%～33%。兩者對比可以看出，本文實驗有涂層管段的減阻效果優于文獻[1]中有涂層管段的減阻效果，這是因為本文實驗用有涂層管段的當量絕對粗糙度K約為0.01 mm，而文獻[1]中有涂層管段的當量絕對粗糙度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 結論和展望

1) 通過搭建供熱管道減阻效果實驗臺，對87 m長的DN150的預制直埋保溫管(管材為20#鋼)有/無減阻涂層時的壓降進行了測試。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，無涂層對比管段的壓降平均值為9.63 kPa。

2) 根據實測壓降推算得到，有涂層管段的當量絕對粗糙度K約為0.01 mm，為CJJ 34—2010《城鎮供熱管網設計規范》[6]規定的粗糙度0.5 mm的1/50。在實驗工況下,和當量絕對粗糙度K=0.5 mm下的理論計算值比較，減阻涂層的減阻率達到42.22%，減阻效果顯著。

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

4) 用于本文實驗的無涂層管道管內腐蝕比較嚴重，后續應把無涂層管道改為新鋼管進行對比實驗。同時對涂層的老化實驗繼續深入研究，確保在管道的使用期內不出現脫落現象。