球墨铸铁管道水力计算及设计应用.ppt课件.ppt

1、球墨铸铁管道水力计算及设计应用球墨铸铁管道水力计算及设计应用 1 交交 流流 内内 容容 一一 球墨铸铁管的水力计算球墨铸铁管的水力计算 二二 球墨铸铁管在工程设计中的运用球墨铸铁管在工程设计中的运用 一、球墨铸铁管的水力计算一、球墨铸铁管的水力计算 （一） 恒定流计算 （二） 非恒定流计算 （一）恒定流计算（一）恒定流计算 1、 计算公式 室外给水设计规范GB50013：混凝土管（渠）及采用水泥砂浆内衬的金属管道谢才公式 ； -输配水管道、配水管网水力平差计算:海曾-威廉公式； ? 建筑给水排水设计规范GB50015：海曾-威廉公式 ； ? 城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规范CECS1

2、93-2005）水力计算按室外给水设计规范GB50013的规定-谢才公式； ?消防给水及消火栓系统技术规范GB50974：水泥砂浆内衬铸铁管谢才公式 ?国外：多采用海曾-威廉公式 ? （一）恒定流计算（一）恒定流计算 1、 计算公式 技术导则中管道沿程水头损失计算给出了两种计算公式 公式一： 海曾-威廉（Hazen-Williams）公式： ?=?=? .?.?.?.? 式中： i单位管道长度的水头损失（水力坡降）（m/m）； ?管段长度（m）； q设计流量（m3/s）； Ch海曾-威廉系数， dj 计算内径 该 公 式 适 用 条 件 为 常 温 水 ， 光 滑 区 至 部 分 粗 糙 区

3、， 对 应 雷 诺 数Re=104-2X106,V3m/s,管径大于0.05 m. 2019/6/16 （一）恒定流计算（一）恒定流计算 1、 计算公式 公式二：谢才（公式二：谢才（Chezy）公式）公式： 公式二：谢才（公式二：谢才（Chezy）公式：）公式： ?=?=?2?2? 式中： ?管道断面水流平均流速（m/s）； ?谢才系数； ?水力半径（m）； 其中谢才系数?采用曼宁（Manning）公式： ? =式中：?管道的糙率系数。 1?1 6? =1?1 6 曼宁公式适用于水力粗糙区，适用条件为: n0.02, R0.5m. （一）恒定流计算（一）恒定流计算 （一）恒定流计算（一）恒定流

4、计算1、 计算公式 糙率系数n 与海曾-威廉系数Ch选取 ?室外给水设计规范给出的参考值： ? 建筑给水排水设计规范：衬水泥、树脂的铸铁管Ch=130 （一）恒定流计算（一）恒定流计算 1、 计算公式 糙率系数n 与海曾-威廉系数Ch选取 ? 美国水行业协会编制的球墨铸铁管应用手册M41球墨铸铁管道和管件采用海曾-威廉（Hazen-Williams）公式作为球墨铸铁管的水力计算公式。 ? 球墨铸铁管研究协会在试验后建议，带有水泥内衬的球墨铸铁管海澄曾-威廉系数Ch合理取值为140。，其水头损失计算误差理论上不超过13%”。. （一）恒定流计算（一）恒定流计算 1、 计算公式 ? 糙率系数n 与

5、海曾-威廉系数Ch选取 日本久保田铁工株式会社出版的球墨铸铁管手册： 水泥砂浆内衬球墨铸铁管“Ch” 值为140-150 。由于管子内面不产生锈瘤，所以这个数值经过长年使用也不变化。 （一）恒定流计算（一）恒定流计算 1、 计算公式 糙率系数n 与海曾-威廉系数Ch选取 实验室测试 ： ? 2005年和2011年，新兴铸管有限公司委托中国水利水电科学研究院，对不同内衬材料的球管进行阻力系数的试验。实验选用DN300管道，分别对水泥砂浆内衬、环氧密封层和聚氨酯内衬进行了实验。 （一）恒定流计算（一）恒定流计算 1、 计算公式 糙率系数n与海曾-威廉系数Ch选取 实验室测试 ： （一）恒定流计算（

6、一）恒定流计算 1、 计算公式 糙率系数n 与海曾-威廉系数Ch选取 实验室测试 ： ? DN300球管球管水泥砂浆内衬（水泥砂浆内衬（2011年）年） （一）恒定流计算（一）恒定流计算 1、 计算公式 糙率系数n 与海曾-威廉系数Ch选取 实验室测试 ： DN300球管环氧密封层内涂（2011年） 可以看出，实验室测出的管道摩阻系数平均值比设计规范建议的平均值低20%左右（实验室实测糙率系数n 值较设计规范小、海曾-威廉系数Ch值较设计规范大）。 （一）恒定流计算（一）恒定流计算 1、 计算公式 糙率系数n 与海曾-威廉系数Ch选取 技术导则海曾-威廉系数Ch和管道的糙率系数n的推荐值： 球

7、墨铸铁管阻力系数推荐值球墨铸铁管阻力系数推荐值 球管内衬型式球管内衬型式 水泥砂浆内衬 涂料内衬 海曾海曾-威廉系数威廉系数Ch 140120 145125 糙率系数糙率系数n 0.0100.012 0.0100.011 （一）恒定流计算（一）恒定流计算 1、 计算公式 ? 糙率系数n 与海曾-威廉系数Ch选取 水力摩阻系数的影响因素主要包括：管径、流速、水温、当量粗糙度 k等。 总体而言： ? 糙率系数n随管径的增加而增大，随流速的增加而减小。 ? 海曾-威廉系数Ch随管径的增加而增大，随流速的变化呈现先变大后减小的抛物线型。 （一）恒定流计算（一）恒定流计算 1、 计算公式 糙率系数n 与

8、海曾-威廉系数Ch选取 由于管径变化范围大，由此引起的摩阻系数变化也大，在1m/s流速下，DN80DN2600管径范围内，曼宁糙率系数n从0.0085增大到0.0108，增幅为27%；海曾-威廉系数Ch从142增加到150，增幅为5.6%。 ?-考虑管径的影响： ? 海森-威廉系数可采用经验关系Ch =147.25-4.13/ D0.5（当量粗糙度k=0.1mm、V=1.0m/s）估算 ? 曼宁糙率系数n可采用经验关系n = 0.0105D0.063（当量粗糙度k=0.1mm、V=1.0m/s）估算 管径D 对海森-威廉系数Ch 的影响要小于对曼宁糙率n 的影响，海森-威廉公式比谢才公式更适用

9、于管道的水力计算 （一）恒定流计算（一）恒定流计算 1、 计算公式 糙率系数n 与海曾-威廉系数Ch选取 当量粗糙度k=0.030mm时，Ch与n随管径和流速的变化规律 （一）恒定流计算（一）恒定流计算 1、 计算公式 ? 糙率系数n 与海曾-威廉系数Ch选取 现场测试 2018年新兴铸管公司委托中国水科院进行了球墨铸铁管道摩阻系数的现场测试工作，虽然受现场条件的限制，成果有一定的局限性，但与上图的趋势有着良好一致性。 某工程检测管段平顺、水质条件较好，DN800水泥砂浆球墨铸铁，管道检测流速0.270.37m/s范围内 ,实测海曾-威廉系数Ch从141增加到165，曼宁糙率系数n从0.011

10、5减小到0.0097。 （一）恒定流计算（一）恒定流计算 2、局部水头损失 v 2 h j = = z z 2 g 建议： 在方案设计、项目建议书及可行性研究阶段，管道的局部水头损失可按沿程水头损失5%10%进行估算，具体比例取值应综合考虑管路沿线的地形复杂程度、管道长度及阀件、管件的数量来确定，在初步设计、招标设计及施工图设计阶段，须按上述公式计算管道的局部水头损失。 （二）非恒定流计算 对于设计流速和运行压力较低且管道较短的简单有压重力流输水系统，水锤分析及防护设计采用水锤经验计算公式或参照同类工程进行；对于管道较长的输水系统，水锤分析及防护设计应进行水力过渡过程数值模拟计算分析后，确定水

11、锤防护措施；对于重要的或较复杂的长距离输水系统，还应进行对比分析计算后，确定水锤防护措施。 建议：对于重要的大型工程，应设立水锤计算分析专题，建议由两个以上专业水力分析机构对比计算，来确定最优的水锤防护方案。 （二）非恒定流计算（二）非恒定流计算 ? 有压输水系统经水锤计算分析采用水锤防护措施后，瞬态特性参数应满足以下要求： 1 、包括最不利工况下水锤压力的管道设计压力不宜超过1.31.5 倍管道工作压力； 2 、有压输水管道任何部位不应出现水流汽化、液柱分离现象。 ?（二）非恒定流计算（二）非恒定流计算 ? 常用的水锤防护措施主要有双向调压塔、单向调压塔、压力空气罐、空气阀、超压泄压阀、液控

12、缓闭止回阀等措施，对水泵扬水工程也可考虑在适当范围内增加机组自身的转动惯量值。 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 球墨铸铁管的优势：球墨铸铁管的优势： 柔性借口，适应地基不均匀沉降能力强，且接口型式多样（柔性借口，适应地基不均匀沉降能力强，且接口型式多样（T型口、型口、K型口、自型口、自锚接口、法兰接口等）锚接口、法兰接口等） 可借角，能节省弯头及镇墩等可借角，能节省弯头及镇墩等 强度，抗冲击能力强强度，抗冲击能力强 承压等级高（承压等级高（K9K9级，级，2.5Mpa-6.4Mpa2.5Mpa-6.4Mpa） 抗腐蚀性能好，寿命长。一般不需其他防护措施抗腐蚀性

13、能好，寿命长。一般不需其他防护措施 口径范围广（口径范围广（DN80DN80DN2600DN2600） 适应埋设、明敷、顶管施工和水平定向钻进施工等适应埋设、明敷、顶管施工和水平定向钻进施工等 施工周期短，节约工期。施工周期短，节约工期。 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 球墨铸铁管的优势：球墨铸铁管的优势： 柔性借口，适应地基不均匀沉降能力强，且接口型式多样（柔性借口，适应地基不均匀沉降能力强，且接口型式多样（T型口、型口、K型口、自型口、自锚接口、法兰接口等）锚接口、法兰接口等） 可借角，能节省弯头及镇墩等可借角，能节省弯头及镇墩等 强度，抗冲击能力强强度，

14、抗冲击能力强 承压等级高（承压等级高（K9K9级，级，2.5Mpa-6.4Mpa2.5Mpa-6.4Mpa） 抗腐蚀性能好，寿命长。一般不需其他防护措施抗腐蚀性能好，寿命长。一般不需其他防护措施 口径范围广（口径范围广（DN80DN80DN2600DN2600） 适应埋设、明敷、顶管施工和水平定向钻进施工等适应埋设、明敷、顶管施工和水平定向钻进施工等 施工周期短，节约工期。施工周期短，节约工期。 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 球墨铸铁管的优势：球墨铸铁管的优势： 柔性借口，适应地基不均匀沉降能力强，且接口型式多样（柔性借口，适应地基不均匀沉降能力强，且接口型

15、式多样（T型口、型口、K型口、自型口、自锚接口、法兰接口等）锚接口、法兰接口等） 可借角，能节省弯头及镇墩等可借角，能节省弯头及镇墩等 强度高，抗冲击能力强强度高，抗冲击能力强 承压等级高（承压等级高（K9K9级，级，2.5Mpa-6.4Mpa2.5Mpa-6.4Mpa） 抗腐蚀性能好，寿命长。一般不需其他防护措施抗腐蚀性能好，寿命长。一般不需其他防护措施 口径范围广（口径范围广（DN80DN80DN2600DN2600） 适应埋设、明敷、顶管施工和水平定向钻进施工等适应埋设、明敷、顶管施工和水平定向钻进施工等 施工周期短，节约工期。施工周期短，节约工期。 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、

16、球墨铸铁管在工程设计中的运用 球墨铸铁管的优势：球墨铸铁管的优势： 柔性借口，适应地基不均匀沉降能力强，且接口型式多样（柔性借口，适应地基不均匀沉降能力强，且接口型式多样（T型口、型口、K型口、自型口、自锚接口、法兰接口等）锚接口、法兰接口等） 可借角，能节省弯头及镇墩等可借角，能节省弯头及镇墩等 强度，抗冲击能力强强度，抗冲击能力强 承压等级高（承压等级高（K9K9级，级，2.5Mpa-6.4Mpa2.5Mpa-6.4Mpa） 抗腐蚀性能好，寿命长。一般不需其他防护措施抗腐蚀性能好，寿命长。一般不需其他防护措施 口径范围广（口径范围广（DN80DN80DN2600DN2600） 适应埋设、明

17、敷、顶管施工和水平定向钻进施工等适应埋设、明敷、顶管施工和水平定向钻进施工等 施工周期短，节约工期。施工周期短，节约工期。 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 TF型自锚式接口型自锚式接口 自锚式接口的设计应用：自锚式接口的设计应用： ? 用以抵消水力推力的水泥支墩无法设置时，可以用来代替水泥支墩。 ? 管线敷设地区地基不稳定，可能产生较大的土壤沉降，如河床的淤泥 层，实现接口防滑脱功能，并保持一定的偏转角。 ? 陡坡 ? 地面上明设管道 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 自锚长度 免支墩设计原理：免支墩设计原理： 当管线的水力方向

18、改变时，如弯头、三通、变径等，就会产生水力推力，球墨铸铁管采用柔性接口，通常做法是设置混凝土镇墩以抵消水力推力。如果不设置混凝土镇墩，柔性接口就需要使用防滑脱装置，即自锚接口。由于管道埋地，自推力产生处至一定距离，管道与土壤产生的摩擦力可以逐步抵消水力推力，直至为零，这段长度称之自锚长度。 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 郑州东区某工程供水工程自锚式接口管道郑州东区某工程供水工程自锚式接口管道 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 K K级管的工作压力的计算公式级管的工作压力的计算公式 PFAPFA = = 22e e minmin

19、RRm m ?P ?DSFDSF PFA：管道允许正常工作压力，MPa emin ：最小壁厚，mm K：壁厚级别系数，7，8，9，10，11，12 D：平均直径（DE - emin ），mm SF：安全系数，取3 Rm:最小抗拉强度，MPa，（ Rm = 420 MPa） emin =K(0.5+0.001DN) 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 GB13295GB13295要求的要求的K9K9管允许工作压力与最大允许工作压力管允许工作压力与最大允许工作压力 管道穿过交通荷载高的公路时的允许埋深 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用

20、二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 南水北调中线配套工程南水北调中线配套工程 ? 本段管线基础为湿陷性黄土段采取换填措施，对于填筑土基础，铺设厚度300mm土垫层和300mm三七灰土垫层。压实度要求达到0.95。 焦作段修武水厂段工程施工焦作段修武水厂段工程施工 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 鄂尔多斯哈头才当水源地引水工程鄂尔多斯哈头才当水源地引水工程 哈头才当水源地饮水工程供水规模哈头才当水源地饮水工程供水规模1010万万t/dt/d，将优质地下水输送至康巴，将优质地下水输送至康巴什新区二水厂，工程主要分为水源地工程和输水管线

21、工程两部分。什新区二水厂，工程主要分为水源地工程和输水管线工程两部分。 DN300 DN300DN900DN900的汇流管线管材为的汇流管线管材为K9K9级球墨铸铁管。总长级球墨铸铁管。总长100km 100km 工程总体输水方案：工程总体输水方案： 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 鄂尔多斯哈头才当水源地引水工程鄂尔多斯哈头才当水源地引水工程 水锤防护：水锤防护： 根据水锤计算结果，在一级加压泵站内设置根据水锤计算结果，在一级加压泵站内设置4 4个空气压力罐，直径为个空气压力罐，直径为3.8m3.8m，高度为高度为4.5m4.5m；在二级加压泵站内设置；在二级

22、加压泵站内设置4 4个空气压力罐，直径为个空气压力罐，直径为3.8m3.8m，高度为，高度为4.5m4.5m，消除负水锤。在压水总管起端设有超压泄压阀，降低管道内压力，以确，消除负水锤。在压水总管起端设有超压泄压阀，降低管道内压力，以确保泵站及管道安全。保泵站及管道安全。 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 蒙古国蒙古国OTOT矿供水管道工程矿供水管道工程 ? 该项目为蒙古国该项目为蒙古国OTOT矿工程提供生产及生活供水，在矿区外约矿工程提供生产及生活供水，在矿区外约32km67km32km67km处新处新建五处水源地，将五处水源地串联向矿区供水，最大供水量建五处

23、水源地，将五处水源地串联向矿区供水，最大供水量0.90.9m3/s/s，工程由，工程由5 5组共组共3333眼水源井，眼水源井，5 5个井群加压泵站（个井群加压泵站（CT1CT5CT1CT5），一座中途加压泵站），一座中途加压泵站(BTP )(BTP )，一座高位水池一座高位水池(LAGOON)(LAGOON)组成，主输水管线长度约组成，主输水管线长度约67.2km67.2km，井群汇流管线约，井群汇流管线约83.5km83.5km。 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 蒙古国蒙古国OTOT矿供水管道工程矿供水管道工程 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁

24、管在工程设计中的运用 蒙古国蒙古国OTOT矿供水管道工程矿供水管道工程 水锤防护：水锤防护： 压缩空气罐压缩空气罐+液控止回蝶阀液控止回蝶阀+空气阀空气阀 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 蒙古国蒙古国OTOT矿供水管道工程矿供水管道工程 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 蒙古国蒙古国OTOT矿供水管道工程矿供水管道工程 井泵房 管线 CT泵房 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 兰州水源地供水工程兰州水源地供水工程 ? 为我公司EPC项目，工程从刘家峡水库引水，经30多km的有压隧洞引入兰州市新建的两座规模分别为100万吨/天和50万吨/天的彭家坪水厂和芦家坪水，经水厂处理后重力流接入兰州市城市管网。 球墨铸铁管道用于水厂至城市管网之间，管径DN1400-DN1800 。 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 兰州水源地供水工程兰州水源地供水工程 二、球墨铸铁管在工程设计中的运用二、球墨铸铁管在工程设计中的运用 兰州水源地供水工程兰州水源地供水工程 谢谢 谢！谢！