一种管道水力摩阻的快速评价方法与流程

本发明涉及一种管道水力摩阻的快速评价方法，是一种水工参数的测评方法，是一种对水工管道内壁摩阻测评的方法。

背景技术：

管道水力摩阻系数是流体输送工程设计的重要技术参数之一，其取值的结果直接影响水力计算成果的精度。水力摩阻系数的精确测量和合理取值对于长距离输水工程、城市给排水工程、农业灌溉工程，以及石油输送等管道工程的总体布局、设计规模、设备选型、运行管理、以及节能减排具有重要的意义。

工程常用的水力计算公式为达西-魏斯巴哈（Darcy-Weisbach）公式，

式中：h_f—管道沿程水头损失（m）；λ—水力摩阻系数，或沿程水头损失系数；D—管道内径(m）；L—管段长度（m）；V—管道平均流速（m/s）；g—重力加速度（m/s²）。

水力摩阻系数λ计算通常采用柯尔勃洛克–怀特（Colebrook-White）公式

式中：k—当量粗糙度(m)；Re—雷诺数，计算公式为；ν—水的运动粘滞系数(m²/s)。

该式的适用雷诺数范围广，且与实际商用管道的阻力试验结果吻合良好，被工程师公认为是计算水力摩阻系数的标准公式。

柯氏公式中当量粗糙度k综合反映了管道内壁糙粒及各种因素对沿程损失的影响，一直以来主要通过流体试验测定高雷诺数下管道的沿程损失，并按水力摩阻系数λ折算为同直径的尼古拉兹粗糙管的糙粒高度，认为该糙粒高度与管道内壁不规则粗糙微元的平均尺寸接近，此即当量粗糙度k，但流体试验需要固定的实验场地和检测平台，且耗费较多的时间和费用，不适用于大口径管道的检测。

技术实现要素：

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种管道水力摩阻的快速评价方法。所述的方法使用现有机械加工中使用的各种触针式表面粗糙度检测仪器，通过改造的测量过程对管道内壁的粗糙度进行测量，快速获得管道的水力摩阻系数。

本发明的目的是这样实现的：一种管道水力摩阻的快速评价方法，所述方法的步骤如下：

初步估算的步骤：用于估算被测管道的粗糙度轮廓的算术平均偏差的估算值R_aEitimate、粗糙度轮廓的最大高度的估算值R_zEitimate；

选取测评取样长度和测评评定长度的步骤：用于根据R_aEitimate、R_zEitimate或粗糙度轮廓的算术平均偏差的测评值R_ae和粗糙度轮廓的最大高度的测评值R_ze选取测评取样长度lr_e或测评测量长度ln_e；

测评检测的步骤：用于按照测评取样长度lr_e沿被测管道轴线对被测管道内壁进行测评检测，得到一组R_ae、R_ze值；

评估取样长度是否在适当范围内的步骤：用于对该组R_ae和R_ze的数值进行评估，其数值是否在测评取样长度lr_e或测评测量长度ln_e所对应的粗糙度轮廓的最大高度值R_a和粗糙度轮廓的算术平均偏差值R_z值范围内；如果“是”则确定该组R_ae和R_ze的数值为预选的R_a和R_z值，并进入下一步骤，如果“否”则回到“选取测评取样长度和测评评定长度的步骤”；

选择更短取样长度的步骤：用于选取更短测评取样长度lr_s，并获得一组粗糙度轮廓的算术平均偏差的更短测评值R_as和粗糙度轮廓的最大高度的更短测评值R_zs，所述的更短测评取样长度lr_s是指：比在“选取测评取样长度和测评评定长度的步骤”所选取的最短的测评取样长度还要短的测评长度；

确定取样长度的步骤：如果R_as、R_zs的数值满足相应的取样范围，则确定R_as、R_zs所对应的更短测评取样长度lr_s为常规测量中所使用的取样长度lr，否则选择在“评估取样长度是否在适当范围内的步骤”预选的R_a、R_z值所对应测评取样长度lr_e为常规测量中所使用的取样长度lr；

常规测量的步骤：用于使用取样长度lr采集被测管道内壁多个部位的R_ai和R_zi值，其中：i=1，2，……，n，n为正整数；

计算平均值的步骤：用于计算R_ai和R_zi值平均值：

，

；

计算水力摩阻系数的步骤：用于将测量的作为k值代入柯氏公式中：

，

计算被测管道的水力摩阻系数λ，并绘制相应的水力计算图表；

公式中：λ—水力摩阻系数；D—管道内径；k—当量粗糙度，用代替；Re—雷诺数，计算公式为；ν—水的运动粘滞系数；V—管道平均流速；

所述的R_aEitimate、R_zEitimate、R_an、R_zn、R_ae、R_ze、R_as、R_zs、R_ai、R_zi均为在检测过程中不同阶段的R_a和R_z，用脚标变化以示区别；所述的lr_e、ln_e、lr_s均为在检测过程中不同阶段的lr、ln，用脚标变化以示区别。

进一步的，所述的取样长度lr或测量长度ln所对应的R_a和R_z的范围如下：

R_a≤10微米，lr为2.5毫米，ln为12.5毫米；10微米＜R_a≤80微米，lr为8毫米，ln为40毫米；

R_z≤50微米，lr为2.5毫米，ln为12.5毫米；50微米＜R_z≤200微米，lr为8毫米，ln为40毫米。

进一步的，在所述的计算平均值的步骤之后设置：计算标准方差的步骤和判断管道质量步骤：

计算标准方差的步骤：

，

；

判断管道质量的步骤：用于通过公式计算R_a和R_z的离散系数CV_Ra、CV_Rz：

，

；

并判断CV_Ra、CV_Rz是否小于离散系数CV的阈值，如果“是”则说明被测量管道是均匀的，否则说明被测量管件非同种材质内衬，或部分管件内衬生产质量不达标。

进一步的，所述的离散系数CV的阈值为：0.3。

本发明产生的有益效果是：本发明所述的方法使用现有机械加工中的表面粗糙度测量仪器通过反复调整测量长度，并确定表面粗糙度的轮廓的最大高度R_z可以作为当量粗糙度k，带入柯尔勃洛克–怀特（Colebrook-White）公式计算水力摩阻系数λ。使水力摩阻系数的测量和计算更加方便、简化，提高工程质量，降低水力管道的运行费用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述方法的流程图；

图2是粗糙度轮廓的最大高度值R_z的示意图；

图3是本发明的实施例三所述方法的流程图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种管道水力摩阻的快速评价方法。所述方法的基本思路是将机械加工中的（机械加工）表面粗糙度，引入到水利管道的内壁表面检测，作为管道水力摩阻系数k使用。

现有的方法是以R_q值表示当量粗糙度值，并给出了k≈5R_q、k≈3R_q、k≈1.6R_q等不同计算方式。

本实施例则使用了粗糙度轮廓的最大高度值R_z，使R_z≈k。表1给出R_a、R_z、R_q的实验结果对照。由表中1-5组数据可知，R_z≈k，与5R_q相比，R_z值更接近k值，并且R_z的定义与当量粗糙度k的物理意义更接近，更能代表管道内壁粗糙程度对水流摩阻损失的影响。

表1表面粗糙度参数和当量粗糙度k关系的试验结果

表面粗糙度的检测所使用的设备，可以使用触针式表面粗糙度仪，该仪器通常用于机械加工中度量零件结构的表面粗糙度（或表面微观不平度）。触针式表面粗糙度仪采用金钢石触针来跟踪测量表面的粗糙度，测量时将触针搭在工件上，与被测表面垂直接触，利用驱动器以一定的速度拖动传感器，由于被测表面轮廓峰谷起伏，触针在被测表面滑行时，将产生上下移动，将触针的纵向位移转换成电信号，并通过电子装置把这种移动信号加以放大，从而测出人眼所不能觉查到的粗糙度，该种设备具有良好的横向分辨率，检测精度可以达到次纳米级。

其测量的主要参数包括：

取样长度（Sampling length）lr：用于判别被评定轮廓的不规则特征的X轴向上的长度。规定和选择取样长度是为了限制和减弱表面波纹度对表面粗糙度的测量结果的影响，表面越粗糙，取样长度越大。

评定长度（evaluation length）ln：用于判别被评定轮廓的X轴方向上的长度，可包含一个或几个取样长度。由于表面各部分的粗糙度不一定很均匀，在一个取样长度上往往不能合理地反映某一表面粗糙度特征，故需在表面上取几个取样长度来评定表面粗糙度。

粗糙度轮廓的最大高度（maximum height of roughness profile）R_z：在一个取样长度内，最大轮廓峰高Z_p和最大轮廓谷深Z_v之和的高度，如图2所示。

图2中m为平均轮廓线，以平均轮廓线为分界线，测量波峰和波谷。图2中的Z_P1~Z_P6是六个波峰，其中最大波峰为Z_P6，即为粗糙度测量长度lr内的Z_Pmax，Z_V1~Z_V6是六个波谷，其中最大波谷为Z_V6，即为粗糙度测量长度lr内的Z_Vmax。

粗糙度轮廓的算术平均偏差（arithmetical meandeviation of roughness profile）R_a：在一个取样长度内纵坐标值Z(x)绝对值的算术平均值

本实施例将粗糙度轮廓最大高度R_z≈当量粗糙度k，实践中可将R_z值作为当量粗糙度k值代入柯氏公式：

中，

对管道的水力摩阻系数λ进行计算和评价。

本实施例所述方法的具体步骤如下：

（一）初步估算的步骤：用于估算被测管道的粗糙度轮廓的算术平均偏差的估算值R_aEitimate、粗糙度轮廓的最大高度的估算值R_zEitimate。管道内壁粗糙度检测的重要一步是确定取样长度，或者是测量长度。管道粗糙度的检测与机械加工表面粗糙度的测量，其重要的不同点在于，机械加工表面的形成是与加工过程有关，例如：车加工，刨削加工等粗加工的加工痕迹十分明显，而磨削加工等精细加工的加工痕迹比较细密，两者十分容易辨别，因此，在多数情况下不必过多的在意如何确定取样长度和测量长度，直接用肉眼目视即可确定取样长度或测量长度。对于管道内壁粗糙度的测试则完全不同。主要由于管道的材质性质、加工方式等不同，而形成了管道内壁粗糙度的多样性。因此，需要对测量长度或取样长度进行至少一次的评估，以找到适当的测量长度或取样长度。

本步骤是测量粗糙度的初始，首先根据肉眼观察被测管道的表面粗糙度，根据观察的结果，估计被测试件的粗糙度轮廓参数R_a、R_z的数值，为了便于区别，本步骤将该粗R_a、R_z的数值定义为粗糙度轮廓的算术平均偏差的估算值R_aEitimate、粗糙度轮廓的最大高度的估算值R_zEitimate。

（二）选取测评取样长度和测评评定长度的步骤：用于根据R_aEitimate、R_zEitimate或粗糙度轮廓的算术平均偏差的测评值R_ae和粗糙度轮廓的最大高度的测评值R_ze选取测评取样长度lr_e或测评测量长度ln_e。

本步骤是在两种情况下选取测评取样长度lr_e或测评测量长度ln_e。一种情况是初始测量，在初始测量的情况下，使用初步估计的R_a、R_z值，来下选取测评取样长度lr_e或测评测量长度ln_e。该R_a、R_z在上一步骤定义为：R_aEitimate、R_zEitimate。还有一种情况是：已经进行了一次初步测量或几次测量，但还没有达到确定取样长度或测量长度的要求，还要进一步调整。在这种情况下，所使用的只是实验测试值，而不是确定的R_a、R_z值，为便于区别，本实施例定义该值为粗糙度轮廓的算术平均偏差的测评值R_ae和粗糙度轮廓的最大高度的测评值R_ze，以示区别。同时使用R_aEitimate、R_zEitimate值或R_ae、R_ze值所确定的测量长度和取样长度也不一定是将来的正式测量中一定要使用的测量长度lr和取样长度ln，为区别起见使用测评取样长度lr_e或测评测量长度ln_e，以示区别。

为使测量达到一定精度，必须选择适当的测量长度ln或取样长度lr。而ln、lr的确定是根据R_a、R_z值的大小，而R_a、R_z值的大小正是需要测量的数值，因此，为得到精确的测量R_a、R_z数值，首先要进行实验性测量，找到最佳的取样长度ln或测量长度lr。

（三）测评检测的步骤：用于按照测评取样长度lr_e沿被测管道轴线对被测管道内壁进行测评检测，得到一组R_ae、R_ze值。

本步骤的测量可以使用探针是粗糙度仪进检测。将粗糙度仪探头沿管道轴线水平放置，使测量方向平行于被测管道内壁轴向，按（二）中预选的测评取样长度lr_e完成一次预测量。

（四）评估取样长度是否在适当范围内的步骤：用于对该组R_ae和R_ze的数值进行评估，其数值是否在测评取样长度lr_e或测评测量长度ln_e所对应的粗糙度轮廓的最大高度值R_a和粗糙度轮廓的算术平均偏差值R_z值范围内；如果“是”则确定该组R_ae和R_ze的数值为预选的R_a和R_z值，并进入下一步骤，如果“否”则回到“选取测评取样长度和测评评定长度的步骤”。

将测得的R_ae和R_ze的数值，与R_a和R_z值的取样范围和测量范围对照表中的测量长度和取样长度所对应的R_a和R_z的数值范围相比较。如果测得值超出了预选取样长度对应的数值范围，则应按测得值对应的取样长度来设定，即把仪器调整至相应的较高或较低的取样长度。然后应用这一调整的取样长度测得一组参数值，并再次与R_a和R_z值的取样范围和测量范围对照表中数值比较。这个过程可以反复多次，以达到R_a和R_z的值在取样范围和测量范围对照表值建议的测得值和取样长度的组合。

（五）选择更短取样长度的步骤：用于选取更短测评取样长度lr_s，并获得一组粗糙度轮廓的算术平均偏差的更短测评值R_as和粗糙度轮廓的最大高度的更短测评值R_zs，所述的更短测评取样长度lr_s是指：比在“选取测评取样长度和测评评定长度的步骤”所选取的最短的测评取样长度还要短的测评长度；

经过一两次测评检测后，对测量长度或取样长度已经有了一定的范围概念，但为使测量更加精确，还可以对取样长度lr或测量长度ln再一次选择一次。本步骤选择在以前的测评步骤中没有采用过更短的取样长度lr_s，则把取样长度调至更短些获得一组R_a、R_z的数值，本步骤定义为：R_ae、R_ze，以示区别。检查所测得的R_ae、R_ze的数值和取样长度的组合是否亦满足R_a和R_z值的取样范围和测量范围对照表的规定。

（六）确定取样长度的步骤：如果R_as、R_zs的数值满足相应的取样范围，则确定R_as、R_zs所对应的更短测评取样长度lr_s为常规测量中所使用的取样长度lr，否则选择在“评估取样长度是否在适当范围内的步骤”预选的R_a、R_z值所对应测评取样长度lr_e为常规测量中所使用的取样长度lr。

到目前为止已经获取了两组R_a、R_z值，一组是：R_as、R_zs的数值，另一组是R_ae、R_ze的数值。只要R_as、R_zs的数值符合取样范围和测量范围对照表，则选择：R_as、R_zs 所对应的lr_s、ln_s为常规测量中的lr或ln。否则就选择R_ae、R_ze值所对应的lr_e、ln_e为常规测量中的lr或ln。

（七）常规测量的步骤：用于使用取样长度lr采集被测管道内壁多个部位的R_ai和R_zi值，其中：i=1，2，……，n，n为正整数。

用上述步骤中选择出的取样长度lr对被检管道内壁进行不同部位的多次测量，完成所需参数的检测，得到多组R_ai和R_zi值。

（八）计算平均值的步骤：用于计算R_ai和R_zi值平均值：

，

。

（九）计算水力摩阻系数的步骤：用于将测量的作为k值代入柯氏公式中：

，

计算被测管道的水力摩阻系数λ，并绘制相应的水力计算图表；

公式中：λ—水力摩阻系数；D—管道内径；k—当量粗糙度，用代替；Re—雷诺数，计算公式为；ν—水的运动粘滞系数；V—管道平均流速。

所述的R_aEitimate、R_zEitimate、R_an、R_zn、R_ae、R_ze、R_as、R_zs、R_ai、R_zi均为在检测过程中不同阶段的R_a和R_z，用脚标变化以示区别；所述的lr_e、ln_e、lr_s、ln_s均为在检测过程中不同阶段的lr、ln，用脚标变化以示区别。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于取样长度lr或测量长度ln所对应的R_a和R_z的范围的细化。本实施例所述的取样长度lr或测量长度ln所对应的R_a和R_z的范围如下：

R_a≤10微米，lr为2.5毫米，ln为12.5毫米；10微米＜R_a≤80微米，lr为8毫米，ln为40毫米；

R_z≤50微米，lr为2.5毫米，ln为12.5毫米；50微米＜R_z≤200微米，lr为8毫米，ln为40毫米。

用表格表示为：

表2 R_a值的粗糙度取样长度

表3 R_z 值的粗糙度取样长度

表4和表5为机械加工表面粗糙度的规范，中国国家标准（GB/T 10610 2009）中推荐的粗糙度取样长度。取样长度的选取对粗糙度参数测量结果有较大的影响。表1中6-9组数据R_a＞10um或R_z＞50um，此时取样长度应为lr=8.0mm，而其取样长度仍为lr=2.5mm，取样长度lr偏小是造成管道的R_z值小于k值的原因。同样，取样长度过小，如lr≦0.8mm，测得的R_z值偏小，也不能很好地代表内壁粗糙度对水流紊动的影响。

表4机械加工中的R_a值的粗糙度取样长度

表5机械加工中的 R_z值的粗糙度取样长度

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于使用计算出的R_a、R_z值评价管道内壁质量的方法，流程见图3所示：

所述的计算平均值的步骤之后设置：计算标准方差的步骤和判断管道质量步骤：

计算标准方差的步骤：

，

；

判断管道质量的步骤：用于通过公式计算R_a和R_z的离散系数CV_Ra、CV_Rz：

，

；

并判断CV_Ra、CV_Rz是否小于离散系数CV的阈值，如果“是”则说明被测量管道是均匀的，否则说明被测量管件非同种材质内衬，或部分管件内衬生产质量不达标。

本实施例通过比较测量结果的离散系数（标准差与其均值的比值），使离散系数CV＜0.3，从而确保所测量管道的均匀性，否则应认为所测量管件非同种材质内衬，或部分管件内衬生产质量不达标。用此种方式可以判断水力管道的材质和质量，以提高工程质量。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于离散系数的细化。本实施例所述的离散系数CV的阈值为：0.3。

本实施例给出了适用于评价管道水力摩阻系数的粗糙度取样长度（表2、表3），以及测量结果评价标准（离散系数CV＜0.3）。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如测量仪器的选型、各种公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。