一种减小输水管道水头损失的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及水利水电工程、水文水资源工程、水环境工程技术领域，尤其设及一种 减小输水管道水头损失的方法。
【背景技术】
[0002] 水力发电是将水能转化为电能，获取电力的一个重要手段。我国水电站装机容量 已达3亿千瓦（30万MW)，占我国发电总量的27%，在我国的能源结构中占有重要的地位。
[0003] 大多数水力发电都需要使用引水管道将水从水库引至水力发电机，引水管长视距 离水库的位置关系在几十米到几千米之间，管径和管内水流量视发电规模而不同。高速水 流在引水管道中的流动会由于水与管壁之间的素动摩擦而造成水头损失，据不完全统计， 已建电站引水管段水头损失在1~8m，占总水头的1~8%。水头损失消耗了水能，减小了 发电量，造成了能量损失。
[0004] 引水管水头损失来自于流动的水和管壁之间的摩擦力，水头损失计算按下式：
[0010] 式中屯为沿程损失，m;A为沿程阻力系数；1为管段长度，m;d为管道计算内径， m;g为重力加速度，m/s2;C为谢才系数；i为水力坡降；R为水力半径，m;v为流速，m/s;Re 为雷诺数；n为粗糖系数。
[0011] 由式（1)~（5)可见，水头损失与粗糖系数呈线性关系，通过采取措施降低糖率系 数n，即可减小摩擦，降低水头损失。
[0012] W往输水管道降低水头损失主要通过降低水流流速，增加管径实现；另外，一些减 磨减阻材料如环氧树脂、喷涂聚脈等也开始应用于输气输油管道。但是，现有输水管中涂超 疏水材料仅停留在试验阶段，管道管径小、管材W金属管材、塑料材质为主，水流流速通常 在5~20m/s之间。而随着南水北调等项目的实施，大型高水头水电站相继开始建设，应 用于抽水蓄能等高水头水电站的输水管道多为大管径、混凝上管道，其表面能更高，对水流 阻力更大，而高水头水电站的泄流最大流速可达50m/s，根据公式可W看出，水头损失会随 流速的平方而迅速放大，造成更大的能量损失。因此，高水头水电站的建立对材料的减阻性 能、疏水性能等都提出了更高的要求，现有降低水头损失的技术无法适用于高水头电站的 降低水头损失的要求。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种减小输水管内壁摩擦，从而减 小水头损失的方法。
[0014]为实现上述目的，本发明提供一种减小输水管道水头损失的方法，在输水管道内 壁涂装或黏贴一层减磨材料，该减磨材料为仿整鱼皮减磨材料、纳米疏水材料或纳米超疏 水材料。
[0015] 进一步地，所述仿整鱼皮减磨材料通过W下方式黏贴在输水管道表面：1)使用 黏贴剂将仿整鱼皮减磨材料直接黏贴在输水管道表面；或2)先喷涂一层厚度为0. 02~ 0. 15mm的基底材料，再使用黏贴剂将仿整鱼皮减磨材料黏贴至基底材料上。
[0016] 进一步地，所述纳米疏水材料或纳米超疏水材料通过W下方式喷涂在输水管道表 面：1)直接将纳米疏水材料或纳米超疏水材料涂装在输水管道表面，或2)先喷涂一层基底 材料，再涂装纳米疏水材料或纳米超疏水材料。
[0017] 进一步地，所述仿整鱼皮减磨材料为娃橡胶翻模PU(聚氨基甲酸醋简称聚氨醋） 仿整鱼皮、娃橡胶翻模PDMS(聚二甲基硅氧烷）仿整鱼皮或聚氨醋基仿整鱼皮。 阳018] 进一步地，所述纳米疏水材料或纳米超疏水材料为纳米有机娃或其改性树脂、纳 米氣树脂或其改性树脂其中的一种。
[0019]进一步地，所述黏贴剂为中性娃酬密封胶，所述基底材料为助粘剂，优选为3M94 底涂助粘剂。 阳020] 进一步地，在所述纳米超疏水材料或纳米疏水材料中添加10-30%的纳米抗冲磨 材料，二者混合使用后再进行涂装，W达到减小摩阻力和抵抗磨蚀两个目的，所述纳米抗冲 磨材料优选为纳米Al2〇3/Zr〇2环氧树脂抗冲磨涂料。
[0021] 进一步地，所述涂装方法包括刷涂、滚涂、浸涂、空气喷涂、高压无气喷涂W及静电 喷涂等，涂装时根据管材不同，可使用其中一种或同时使用几种涂装方式。
[0022] 进一步地，采用黏贴或涂装的方法对输水管道内壁进行涂装前，需对管道进行表 面处理。
[0023] 进一步地，对输水管道处理，减小水头损失，提高输水效率时，对相关设备进行调 整，如用于水电站，需对调压井和水轮机进行调整，W适应新的水头。
[0024] 本发明选用的减磨材料为仿整鱼皮减磨材料、纳米疏水材料或纳米超疏水材料。 [00巧]其中，根据研究知道，整鱼皮肤表面粗糖的V形皱權可W巧妙产生水的满流，大大 减少水流的摩擦力，使身体周围的水流更高效地流过，整鱼得W快速游动。另外，整鱼皮外 在表面还有一层水膜，运层水膜把水与皮肤的摩擦转换成了水与水之间的摩擦，降低了行 进过程中摩擦力，起到减阻作用。运个水膜具有低表面能的物理性能使海洋生物难于附着 或者即使附着其黏结力也很小，很容易被自动清除。仿整鱼皮的结构可W模拟运种V形權 皱，并在输水管道内表面形成水膜，使得管壁与水流间的摩擦力减小，降低糖率系数，减少 水头损失。同时也可W减少异物粘附于疏水管道的机会，易于清洁。 阳0%] 纳米疏水材料指接触面形成大于90D，滚动角小于10D的表面，纳米超疏水材料 则是在接触面表面形成大于150°，滚动角小于10°的表面，超疏水表面如荷叶的表面，可 产生滑移效应，从而降低输水管道的摩擦阻力，进而降低糖率系数，减少水头损失。所用纳 米有机娃或其改性树脂和纳米氣树脂或其改性树脂可W根据不同工艺制成纳米疏水材料 或纳米超疏水材料。
[0027] 采用涂装/黏贴的方法对输水管道内壁进行涂装，涂装前需对管道进行表面处 理，步骤如下：
[0028] (1)机械清理：管道内、外壁用砂纸打磨，擦掉诱迹并保留一定的粗糖度；
[0029] (2)化学清理：采用硝酸盐酸混合溶液、氨氧化钢溶液或去离子水进行清理；
[0030] (3)干燥：用冷风吹干，干燥完毕后等待涂装。
[0031] 表面处理完毕后，可用仿整鱼皮材料对输水管内壁进行黏贴或用纳米疏水材料、 纳米超疏水材料对输水管内壁进行喷装，涂装方法包括刷涂、滚涂、浸涂、空气喷涂、高压无 气喷涂W及静电喷涂等，涂装时根据管材不同，可使用其中一种或同时使用几种涂装方式。
[0032] 黏贴具体步骤如下：
[0033] (1)用刷子，滚筒（须无纤维脱落）等工具，将黏贴剂均匀涂在输水管道内表面，一 般涂层厚度为0. 02~0. 04mm。
[0034] (2)干燥时间：干燥时间一般视溫度，湿度，涂层厚度而异。正常干燥时间为1分 钟~1小时，干燥期间须注意涂层表面绝对不受污染。
[0035] (3)将仿整鱼皮材料黏贴到涂层表面，并施W-定的压力，使仿整鱼皮材料与输水 管道内表面紧密贴合。
[0036] 涂装具体步骤如下：
[0037] (1)对于大型输水管道可选用刷涂、喷涂等方法，管内喷涂时，可通过喷枪喷涂，纳 米疏水/超疏水材料或基底材料经喷枪雾化后附着于输水管内表面；喷涂完毕后在60°C干 燥2-8小时或者在室溫下干燥12-4化。
[0038] (2)对于管径较小的输水管道可采用浸涂等方法，进行浸涂时，将纳米疏水/超疏 水涂料或基底材料倒入浸涂容器中，静置3-8min;W缓慢均匀的速度将输水管垂直放入漆 液中，停留20-100S后，W同样速度从涂料中取出，放在洁净处滴干10-30min。控制第一次 涂料膜的干燥程度，W保证制涂料的膜不致因第二次浸漆后发生流挂、咬底或起皱等现象； 将输水管倒转180°，按上述方法进行第二次浸涂，滴干；浸涂完毕后在60°C干燥2-化或者 在室溫下干燥12-4化。
[0039]当将原疏水管道更换成按照本发明方法制备的疏水管道，W提高输水效率时，需 对相关设备进行调整，如用于水电站，需对调压井和水轮机进行调整，W适应新的水头。
[0040] 本发明的有益效果在于：
[0041] 本发明提供一种减小输水管道水头损失的方法，通过在输水管道内壁黏贴或涂装 减磨材料，降低管壁与水流间的摩擦力，从而降低了输水过程中的水头损失，在实际测试中 减阻率最大可达24. 6%，突破了仿生沟槽结构减阻10%的瓶颈。
[0042] 本发明提供的方法可用于水电站引水管道、输水管道、输油管道、城市供水管道， 用于减少水流摩擦阻力，减小水头损失，提高运行效率。
【附图说明】
[0043]图1为本发明中仿整鱼皮材料直接黏贴输水管道内壁的结构示意图。
[0044]图2为本发明中先喷涂基底材料再黏贴仿整鱼皮材料的输水管道内壁的结构示 意图。
[0045] 图3为本发明中纳米疏水材料或纳米超疏水材料直接喷涂输水管道内壁的结构 不意图。
[0046] 图4为本发明中先喷涂基底材料再涂装纳米疏水材料或纳米超疏水材料的输水 管道内壁的结构示意图。
[0047] 附图标记：
[0048] 1 :输水管道；2 :仿整鱼皮材料；3 :基底材料；4 :纳米疏水材料或纳米超疏水材 料。
【具体实施方式】
[0049] 下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，运些 实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据运些实施方式所作的功能、方法、 或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
[0050] 本发明所用聚氨醋基仿整鱼皮购自北京泽马新技术有限公司。
[0051] 本发明所用娃橡胶翻模PU仿整鱼皮、娃橡胶翻模PDMS仿整鱼皮为实验室自制，主 要过程为：
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