一種管道水力摩阻的快速評價方法與流程

2023-05-04 06:48:46

本發明涉及一種管道水力摩阻的快速評價方法，是一種水工參數的測評方法，是一種對水工管道內壁摩阻測評的方法。

背景技術：

管道水力摩阻係數是流體輸送工程設計的重要技術參數之一，其取值的結果直接影響水力計算成果的精度。水力摩阻係數的精確測量和合理取值對於長距離輸水工程、城市給排水工程、農業灌溉工程，以及石油輸送等管道工程的總體布局、設計規模、設備選型、運行管理、以及節能減排具有重要的意義。

工程常用的水力計算公式為達西-魏斯巴哈（Darcy-Weisbach）公式，

式中：hf—管道沿程水頭損失（m）；λ—水力摩阻係數，或沿程水頭損失係數；D—管道內徑(m）；L—管段長度（m）；V—管道平均流速（m/s）；g—重力加速度（m/s2）。

水力摩阻係數λ計算通常採用柯爾勃洛克–懷特（Colebrook-White）公式

式中：k—當量粗糙度(m)；Re—雷諾數，計算公式為；ν—水的運動粘滯係數(m2/s)。

該式的適用雷諾數範圍廣，且與實際商用管道的阻力試驗結果吻合良好，被工程師公認為是計算水力摩阻係數的標準公式。

柯氏公式中當量粗糙度k綜合反映了管道內壁糙粒及各種因素對沿程損失的影響，一直以來主要通過流體試驗測定高雷諾數下管道的沿程損失，並按水力摩阻係數λ折算為同直徑的尼古拉茲粗糙管的糙粒高度，認為該糙粒高度與管道內壁不規則粗糙微元的平均尺寸接近，此即當量粗糙度k，但流體試驗需要固定的實驗場地和檢測平臺，且耗費較多的時間和費用，不適用於大口徑管道的檢測。

技術實現要素：

為了克服現有技術的問題，本發明提出了一種管道水力摩阻的快速評價方法。所述的方法使用現有機械加工中使用的各種觸針式表面粗糙度檢測儀器，通過改造的測量過程對管道內壁的粗糙度進行測量，快速獲得管道的水力摩阻係數。

本發明的目的是這樣實現的：一種管道水力摩阻的快速評價方法，所述方法的步驟如下：

初步估算的步驟：用於估算被測管道的粗糙度輪廓的算術平均偏差的估算值RaEitimate、粗糙度輪廓的最大高度的估算值RzEitimate；

選取測評取樣長度和測評評定長度的步驟：用於根據RaEitimate、RzEitimate或粗糙度輪廓的算術平均偏差的測評值Rae和粗糙度輪廓的最大高度的測評值Rze選取測評取樣長度lre或測評測量長度lne；

測評檢測的步驟：用於按照測評取樣長度lre沿被測管道軸線對被測管道內壁進行測評檢測，得到一組Rae、Rze值；

評估取樣長度是否在適當範圍內的步驟：用於對該組Rae和Rze的數值進行評估，其數值是否在測評取樣長度lre或測評測量長度lne所對應的粗糙度輪廓的最大高度值Ra和粗糙度輪廓的算術平均偏差值Rz值範圍內；如果「是」則確定該組Rae和Rze的數值為預選的Ra和Rz值，並進入下一步驟，如果「否」則回到「選取測評取樣長度和測評評定長度的步驟」；

選擇更短取樣長度的步驟：用於選取更短測評取樣長度lrs，並獲得一組粗糙度輪廓的算術平均偏差的更短測評值Ras和粗糙度輪廓的最大高度的更短測評值Rzs，所述的更短測評取樣長度lrs是指：比在「選取測評取樣長度和測評評定長度的步驟」所選取的最短的測評取樣長度還要短的測評長度；

確定取樣長度的步驟：如果Ras、Rzs的數值滿足相應的取樣範圍，則確定Ras、Rzs所對應的更短測評取樣長度lrs為常規測量中所使用的取樣長度lr，否則選擇在「評估取樣長度是否在適當範圍內的步驟」預選的Ra、Rz值所對應測評取樣長度lre為常規測量中所使用的取樣長度lr；

常規測量的步驟：用於使用取樣長度lr採集被測管道內壁多個部位的Rai和Rzi值，其中：i=1，2，……，n，n為正整數；

計算平均值的步驟：用於計算Rai和Rzi值平均值：

，

；

計算水力摩阻係數的步驟：用於將測量的作為k值代入柯氏公式中：

，

計算被測管道的水力摩阻係數λ，並繪製相應的水力計算圖表；

公式中：λ—水力摩阻係數；D—管道內徑；k—當量粗糙度，用代替；Re—雷諾數，計算公式為；ν—水的運動粘滯係數；V—管道平均流速；

所述的RaEitimate、RzEitimate、Ran、Rzn、Rae、Rze、Ras、Rzs、Rai、Rzi均為在檢測過程中不同階段的Ra和Rz，用腳標變化以示區別；所述的lre、lne、lrs均為在檢測過程中不同階段的lr、ln，用腳標變化以示區別。

進一步的，所述的取樣長度lr或測量長度ln所對應的Ra和Rz的範圍如下：

Ra≤10微米，lr為2.5毫米，ln為12.5毫米；10微米＜Ra≤80微米，lr為8毫米，ln為40毫米；

Rz≤50微米，lr為2.5毫米，ln為12.5毫米；50微米＜Rz≤200微米，lr為8毫米，ln為40毫米。

進一步的，在所述的計算平均值的步驟之後設置：計算標準方差的步驟和判斷管道質量步驟：

計算標準方差的步驟：

，

；

判斷管道質量的步驟：用於通過公式計算Ra和Rz的離散係數CVRa、CVRz：

，

；

並判斷CVRa、CVRz是否小於離散係數CV的閾值，如果「是」則說明被測量管道是均勻的，否則說明被測量管件非同種材質內襯，或部分管件內襯生產質量不達標。

進一步的，所述的離散係數CV的閾值為：0.3。

本發明產生的有益效果是：本發明所述的方法使用現有機械加工中的表面粗糙度測量儀器通過反覆調整測量長度，並確定表面粗糙度的輪廓的最大高度Rz可以作為當量粗糙度k，帶入柯爾勃洛克–懷特（Colebrook-White）公式計算水力摩阻係數λ。使水力摩阻係數的測量和計算更加方便、簡化，提高工程質量，降低水力管道的運行費用。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

圖1是本發明的實施例一所述方法的流程圖；

圖2是粗糙度輪廓的最大高度值Rz的示意圖；

圖3是本發明的實施例三所述方法的流程圖。

具體實施方式

實施例一：

本實施例是一種管道水力摩阻的快速評價方法。所述方法的基本思路是將機械加工中的（機械加工）表面粗糙度，引入到水利管道的內壁表面檢測，作為管道水力摩阻係數k使用。

現有的方法是以Rq值表示當量粗糙度值，並給出了k≈5Rq、k≈3Rq、k≈1.6Rq等不同計算方式。

本實施例則使用了粗糙度輪廓的最大高度值Rz，使Rz≈k。表1給出Ra、Rz、Rq的實驗結果對照。由表中1-5組數據可知，Rz≈k，與5Rq相比，Rz值更接近k值，並且Rz的定義與當量粗糙度k的物理意義更接近，更能代表管道內壁粗糙程度對水流摩阻損失的影響。

表1表面粗糙度參數和當量粗糙度k關係的試驗結果

表面粗糙度的檢測所使用的設備，可以使用觸針式表面粗糙度儀，該儀器通常用於機械加工中度量零件結構的表面粗糙度（或表面微觀不平度）。觸針式表面粗糙度儀採用金鋼石觸針來跟蹤測量表面的粗糙度，測量時將觸針搭在工件上，與被測表面垂直接觸，利用驅動器以一定的速度拖動傳感器，由於被測表面輪廓峰谷起伏，觸針在被測表面滑行時，將產生上下移動，將觸針的縱向位移轉換成電信號，並通過電子裝置把這種移動信號加以放大，從而測出人眼所不能覺查到的粗糙度，該種設備具有良好的橫向解析度，檢測精度可以達到次納米級。

其測量的主要參數包括：

取樣長度（Sampling length）lr：用於判別被評定輪廓的不規則特徵的X軸向上的長度。規定和選擇取樣長度是為了限制和減弱表面波紋度對表面粗糙度的測量結果的影響，表面越粗糙，取樣長度越大。

評定長度（evaluation length）ln：用於判別被評定輪廓的X軸方向上的長度，可包含一個或幾個取樣長度。由於表面各部分的粗糙度不一定很均勻，在一個取樣長度上往往不能合理地反映某一表面粗糙度特徵，故需在表面上取幾個取樣長度來評定表面粗糙度。

粗糙度輪廓的最大高度（maximum height of roughness profile）Rz：在一個取樣長度內，最大輪廓峰高Zp和最大輪廓谷深Zv之和的高度，如圖2所示。

圖2中m為平均輪廓線，以平均輪廓線為分界線，測量波峰和波谷。圖2中的ZP1~ZP6是六個波峰，其中最大波峰為ZP6，即為粗糙度測量長度lr內的ZPmax，ZV1~ZV6是六個波谷，其中最大波谷為ZV6，即為粗糙度測量長度lr內的ZVmax。

粗糙度輪廓的算術平均偏差（arithmetical meandeviation of roughness profile）Ra：在一個取樣長度內縱坐標值Z(x)絕對值的算術平均值

本實施例將粗糙度輪廓最大高度Rz≈當量粗糙度k，實踐中可將Rz值作為當量粗糙度k值代入柯氏公式：

中，

對管道的水力摩阻係數λ進行計算和評價。

本實施例所述方法的具體步驟如下：

（一）初步估算的步驟：用於估算被測管道的粗糙度輪廓的算術平均偏差的估算值RaEitimate、粗糙度輪廓的最大高度的估算值RzEitimate。管道內壁粗糙度檢測的重要一步是確定取樣長度，或者是測量長度。管道粗糙度的檢測與機械加工表面粗糙度的測量，其重要的不同點在於，機械加工表面的形成是與加工過程有關，例如：車加工，刨削加工等粗加工的加工痕跡十分明顯，而磨削加工等精細加工的加工痕跡比較細密，兩者十分容易辨別，因此，在多數情況下不必過多的在意如何確定取樣長度和測量長度，直接用肉眼目視即可確定取樣長度或測量長度。對於管道內壁粗糙度的測試則完全不同。主要由於管道的材質性質、加工方式等不同，而形成了管道內壁粗糙度的多樣性。因此，需要對測量長度或取樣長度進行至少一次的評估，以找到適當的測量長度或取樣長度。

本步驟是測量粗糙度的初始，首先根據肉眼觀察被測管道的表面粗糙度，根據觀察的結果，估計被測試件的粗糙度輪廓參數Ra、Rz的數值，為了便於區別，本步驟將該粗Ra、Rz的數值定義為粗糙度輪廓的算術平均偏差的估算值RaEitimate、粗糙度輪廓的最大高度的估算值RzEitimate。

（二）選取測評取樣長度和測評評定長度的步驟：用於根據RaEitimate、RzEitimate或粗糙度輪廓的算術平均偏差的測評值Rae和粗糙度輪廓的最大高度的測評值Rze選取測評取樣長度lre或測評測量長度lne。

本步驟是在兩種情況下選取測評取樣長度lre或測評測量長度lne。一種情況是初始測量，在初始測量的情況下，使用初步估計的Ra、Rz值，來下選取測評取樣長度lre或測評測量長度lne。該Ra、Rz在上一步驟定義為：RaEitimate、RzEitimate。還有一種情況是：已經進行了一次初步測量或幾次測量，但還沒有達到確定取樣長度或測量長度的要求，還要進一步調整。在這種情況下，所使用的只是實驗測試值，而不是確定的Ra、Rz值，為便於區別，本實施例定義該值為粗糙度輪廓的算術平均偏差的測評值Rae和粗糙度輪廓的最大高度的測評值Rze，以示區別。同時使用RaEitimate、RzEitimate值或Rae、Rze值所確定的測量長度和取樣長度也不一定是將來的正式測量中一定要使用的測量長度lr和取樣長度ln，為區別起見使用測評取樣長度lre或測評測量長度lne，以示區別。

為使測量達到一定精度，必須選擇適當的測量長度ln或取樣長度lr。而ln、lr的確定是根據Ra、Rz值的大小，而Ra、Rz值的大小正是需要測量的數值，因此，為得到精確的測量Ra、Rz數值，首先要進行實驗性測量，找到最佳的取樣長度ln或測量長度lr。

（三）測評檢測的步驟：用於按照測評取樣長度lre沿被測管道軸線對被測管道內壁進行測評檢測，得到一組Rae、Rze值。

本步驟的測量可以使用探針是粗糙度儀進檢測。將粗糙度儀探頭沿管道軸線水平放置，使測量方向平行於被測管道內壁軸向，按（二）中預選的測評取樣長度lre完成一次預測量。

（四）評估取樣長度是否在適當範圍內的步驟：用於對該組Rae和Rze的數值進行評估，其數值是否在測評取樣長度lre或測評測量長度lne所對應的粗糙度輪廓的最大高度值Ra和粗糙度輪廓的算術平均偏差值Rz值範圍內；如果「是」則確定該組Rae和Rze的數值為預選的Ra和Rz值，並進入下一步驟，如果「否」則回到「選取測評取樣長度和測評評定長度的步驟」。

將測得的Rae和Rze的數值，與Ra和Rz值的取樣範圍和測量範圍對照表中的測量長度和取樣長度所對應的Ra和Rz的數值範圍相比較。如果測得值超出了預選取樣長度對應的數值範圍，則應按測得值對應的取樣長度來設定，即把儀器調整至相應的較高或較低的取樣長度。然後應用這一調整的取樣長度測得一組參數值，並再次與Ra和Rz值的取樣範圍和測量範圍對照表中數值比較。這個過程可以反覆多次，以達到Ra和Rz的值在取樣範圍和測量範圍對照表值建議的測得值和取樣長度的組合。

（五）選擇更短取樣長度的步驟：用於選取更短測評取樣長度lrs，並獲得一組粗糙度輪廓的算術平均偏差的更短測評值Ras和粗糙度輪廓的最大高度的更短測評值Rzs，所述的更短測評取樣長度lrs是指：比在「選取測評取樣長度和測評評定長度的步驟」所選取的最短的測評取樣長度還要短的測評長度；

經過一兩次測評檢測後，對測量長度或取樣長度已經有了一定的範圍概念，但為使測量更加精確，還可以對取樣長度lr或測量長度ln再一次選擇一次。本步驟選擇在以前的測評步驟中沒有採用過更短的取樣長度lrs，則把取樣長度調至更短些獲得一組Ra、Rz的數值，本步驟定義為：Rae、Rze，以示區別。檢查所測得的Rae、Rze的數值和取樣長度的組合是否亦滿足Ra和Rz值的取樣範圍和測量範圍對照表的規定。

（六）確定取樣長度的步驟：如果Ras、Rzs的數值滿足相應的取樣範圍，則確定Ras、Rzs所對應的更短測評取樣長度lrs為常規測量中所使用的取樣長度lr，否則選擇在「評估取樣長度是否在適當範圍內的步驟」預選的Ra、Rz值所對應測評取樣長度lre為常規測量中所使用的取樣長度lr。

到目前為止已經獲取了兩組Ra、Rz值，一組是：Ras、Rzs的數值，另一組是Rae、Rze的數值。只要Ras、Rzs的數值符合取樣範圍和測量範圍對照表，則選擇：Ras、Rzs 所對應的lrs、lns為常規測量中的lr或ln。否則就選擇Rae、Rze值所對應的lre、lne為常規測量中的lr或ln。

（七）常規測量的步驟：用於使用取樣長度lr採集被測管道內壁多個部位的Rai和Rzi值，其中：i=1，2，……，n，n為正整數。

用上述步驟中選擇出的取樣長度lr對被檢管道內壁進行不同部位的多次測量，完成所需參數的檢測，得到多組Rai和Rzi值。

（八）計算平均值的步驟：用於計算Rai和Rzi值平均值：

，

。

（九）計算水力摩阻係數的步驟：用於將測量的作為k值代入柯氏公式中：

，

計算被測管道的水力摩阻係數λ，並繪製相應的水力計算圖表；

公式中：λ—水力摩阻係數；D—管道內徑；k—當量粗糙度，用代替；Re—雷諾數，計算公式為；ν—水的運動粘滯係數；V—管道平均流速。

所述的RaEitimate、RzEitimate、Ran、Rzn、Rae、Rze、Ras、Rzs、Rai、Rzi均為在檢測過程中不同階段的Ra和Rz，用腳標變化以示區別；所述的lre、lne、lrs、lns均為在檢測過程中不同階段的lr、ln，用腳標變化以示區別。

實施例二：

本實施例是實施例一的改進，是實施例一關於取樣長度lr或測量長度ln所對應的Ra和Rz的範圍的細化。本實施例所述的取樣長度lr或測量長度ln所對應的Ra和Rz的範圍如下：

Ra≤10微米，lr為2.5毫米，ln為12.5毫米；10微米＜Ra≤80微米，lr為8毫米，ln為40毫米；

Rz≤50微米，lr為2.5毫米，ln為12.5毫米；50微米＜Rz≤200微米，lr為8毫米，ln為40毫米。

用表格表示為：

表2 Ra值的粗糙度取樣長度

表3 Rz 值的粗糙度取樣長度

表4和表5為機械加工表面粗糙度的規範，中國國家標準（GB/T 10610 2009）中推薦的粗糙度取樣長度。取樣長度的選取對粗糙度參數測量結果有較大的影響。表1中6-9組數據Ra＞10um或Rz＞50um，此時取樣長度應為lr=8.0mm，而其取樣長度仍為lr=2.5mm，取樣長度lr偏小是造成管道的Rz值小於k值的原因。同樣，取樣長度過小，如lr≦0.8mm，測得的Rz值偏小，也不能很好地代表內壁粗糙度對水流紊動的影響。

表4機械加工中的Ra值的粗糙度取樣長度

表5機械加工中的 Rz值的粗糙度取樣長度

實施例三：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關於使用計算出的Ra、Rz值評價管道內壁質量的方法，流程見圖3所示：

所述的計算平均值的步驟之後設置：計算標準方差的步驟和判斷管道質量步驟：

計算標準方差的步驟：

，

；

判斷管道質量的步驟：用於通過公式計算Ra和Rz的離散係數CVRa、CVRz：

，

；

並判斷CVRa、CVRz是否小於離散係數CV的閾值，如果「是」則說明被測量管道是均勻的，否則說明被測量管件非同種材質內襯，或部分管件內襯生產質量不達標。

本實施例通過比較測量結果的離散係數（標準差與其均值的比值），使離散係數CV＜0.3，從而確保所測量管道的均勻性，否則應認為所測量管件非同種材質內襯，或部分管件內襯生產質量不達標。用此種方式可以判斷水力管道的材質和質量，以提高工程質量。

實施例四：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關於離散係數的細化。本實施例所述的離散係數CV的閾值為：0.3。

本實施例給出了適用於評價管道水力摩阻係數的粗糙度取樣長度（表2、表3），以及測量結果評價標準（離散係數CV＜0.3）。

最後應說明的是，以上僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳布置方案對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案（比如測量儀器的選型、各種公式的運用、步驟的先後順序等）進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。