●Ｉｓｓｌｏｎ 管道绝对当量粗糙度的取值及其影响分析 同济大学 夏星星 冯良 摘要：文章论述了国内外输气管道绝对当量粗糙度的取值，并分析了管道绝对当量粗糙度的取值对管道的摩 阻系数、压降、输送距离及最大输气量的影响。 关键词：城市燃气 管网 绝对当量粗糙度 ０前言 ：０．１１ｆ墨＋．６８）０．２５ （２） ｅ 城市燃气管网设计计算时，需要涉及一个重要 式中： 一管道摩阻系数 的参数，就是管道的绝对当量粗糙度。管道的绝对 －管道绝对当量粗糙度，ｍ／ｎ； 当量粗糙度包括管道内表面粗糙度、焊接形成的焊 管道内径，ｍｉｌｌ； 缝、锈蚀以及输送介质沉积结垢造成的粗糙度，反 。一雷诺数。 映了管道材质、制造工艺、施工焊接、输送气体的 采用式（３）计算低压燃气管道摩擦阻力损失： 质量、管材存放年限和条件等诸多因素使摩阻系数 值增大的影响。对于未使用过的新的、洁净的管道， 其绝对当量粗糙度只取决于管道材质和焊接制造 等＝６．２６ ｘ１０７２等砖 Ｄ ㈣ 工艺，而使用后的管道则随流体的性质、腐蚀程度、 采用式（４）计算高中压燃气管道摩擦阻力损失： 运行年限、清管方法等的不同会有很大变化，需要 进行实际测量。管网水力计算绝对当量粗糙度的取 华－１．２７ｘ１０￣２，等２ Ｔ （４） 值将对摩阻系数、管道压降、管道输送距离以及管 式中：卸一管道摩擦阻力损失，Ｐａ； 道最大输气量产生影响。本文将对实际城市燃气管 Ｐｌ一管道起点压力（绝对压力），ｋＰａ； 网设计工作中，管道的绝对当量粗糙度在不同情况 Ｐ２一管道终点压力（绝对压力），ｋＰａ； 下的合理取值范围及其影响进行探讨。 一管道摩阻系数； Ｉ＿管道的计算流量， ／ｌｌ； １ 管道摩阻系数及压降的确定 Ｄ一管道内径，ｍｍ； 燃气密度，ｋ￣Ｊｍ３； 管道绝对当量粗糙度的大小直接影响摩阻系 一燃气温度，Ｋ； 数的值，从而导致管道压降发生变化。通常采用适 厂＿＿＿２７３．１５，Ｋ； 合于整个紊流区的通用公式（Ｃｏｌｅｂｒｏｏｋ公式）和阿 Ｚ－＿压缩因子； 里特苏里公式来计算摩阻系数。 一管道长度，ｋｍ。 Ｃｏｌｅｂｒｏｏｋ公式： ２管道绝对当量粗糙度的取值范围 １＿＿２ｌｇ（而Ｋ＋昔） （１） 国内外常用管道绝对当量粗糙度的取值见表 阿里特苏里公式： １、表２、表３。 Ｊ，））２０１０年第２期上海煤气 表１常用管材绝对当量粗糙度 管材 绝对当量粗糙度Ｋ／ｍ 玻璃管、冷拔铜管、铅管 ０．Ｏ０１ ５ 钢管、熟铁管 ０．Ｏ４５ ７ 镀铁铁管 Ｏ．１５ 铸铁管 Ｏ．２６ 水泥管 Ｏ－３Ｏ～３．６ 无缝钢管 新的、清洁的 ０．０ｌ４ 使用几年以后的 ０．２０ 焊接钢管 新的、清洁的 ０．Ｏ５ 清扫过的、轻度腐蚀的 ０．１５ 中等程度锈蚀的 ０．５０ 旧的、锈蚀的 １．０ 严重锈蚀或大量沉积的 ３．０ 表２国内各管厂内表面粗糙度 钢管厂名称 内表面粗糙度／ｕｍ 新管裸管 搁置半年管 宝鸡石油钢管厂 ２５．０ ５ｏ（气候干燥有浮锈） １００（气候潮湿有锈斑、麻坑） 辽阳石油钢管厂 １２ ５ ２５ 沙市石油钢管厂 ２５．０ 有浮锈，粗糙度无明显变化 资阳石油钢管厂 参照ＧＢ １４１６４＿一９３ 表３美国气体管道绝对当量粗糙度估计值 管道条件 绝对当量粗糙度Ｋ／￣ｕｎ 新的干净裸管 １２ ７～ｌ９ 在大气中暴露６个月后 ２５．４～３１．８ 在大气中暴露ｌ２个月后 ３１＿８ 在大气中暴露２４个月后 ４４．４～５０．８ 喷砂处理过的钢管 ７．６～１２．７ 用清管器清过的钢管 ５．１～７．６ 用环氧或丙烯酸内涂后的钢管 ７．６～１２ ７ 法国有关手册对管道绝对当量粗糙度取值：清 理后的裸管为２０￣５０ ｍ；未清除的裸管取３０￣５０ ｍ； 有内覆盖层取５～１０／．ｔｍ。 加拿大努发公司对管道绝对当量粗糙度取值： 裸管取１９．１ ｐａｎ，大气中暴露１２个月后取３６ ＬＬｍ， 而有内覆盖层则６．４ ｕｍ。 由上述国内外数据表明，管道绝对当量粗糙度 随着管材与实际的内表面状况而变化，新的、清洁 的、未加内涂层的焊接钢管管道绝对当量粗糙度一 般取值３０～５０ ｌａｍ左右，新的、清洁的无缝钢管取 １４ ｍ左右。加内涂层的钢管取６～１０ ｌａｍ，ＰＥ管的 内表面比较光滑，通常取ｌ０～１５岬。 ＴｒａｎｓｍＩ ３ 管道绝对当量粗糙度取值的影响 ３．１ 绝对当量粗糙度对摩阻系数和压降的影响 某天然气管道的内径Ｄ＝２５９ ｎｌｌＴｌ，标准状况下 流量Ｑ＝２ ５００ １ＴＩ ／ｈ，管长Ｌ＝１ ０００ ｍ，起点压力 Ｐ ＝１８０ ｋＰａ，天然气密度为０．７８ ｋｇ／ｍ ，运动粘度为 １５×１０～ｍ２／ｓ，天然气温度０℃，取不同的绝对当量 粗糙度进行计算分析，结果见表４。 表４绝对当量粗糙度对摩阻系数和压降的影响计算 绝对当量粗糙度Ｋ／ｍｍ 摩阻系数／×１０。 压降／ｋＰａ Ｏ．Ｏｌ １４．９０２ ２．２ｌ Ｏ．Ｏ２ ｌ５．３ｌ２ ２．２７ ０．０３ ｌ５．６９１ ２．３３ ０．０４ ｌ６．０４５ ２ ３８ ０．Ｏ５ ｌ６－３７７ ２．４３ ０．Ｏ６ １６．６８９ ２．４８ ０．０７ １６．９８６ ２．５２ Ｏ．Ｏ８ １７．２６７ ２．５７ ０．０９ １７．５３５ ２．６１ Ｏ．１０ ｌ７．７９１ ２．６５ ０．１５ １８．９３２ ２．８２ Ｏ．２ １９ ８９７ ２．９６ Ｏ＿３ ２１．４８９ ３．２Ｏ ０．４ ２２．７９１ ３．４０ 由表４可以看出，随着管道绝对当量粗糙度的 增加，摩阻系数和压降皆呈现不同程度的增加，为 进一步分析具体的变化情况，以绝对当量粗糙度 ０．０５ ｉｎｒｎ的数据为基准，计算得出管道摩阻系数及 压降相对于Ｋ＝０．０５ ｉｎｎｌ的变化幅度，见表５。 表５基于Ｋ＝０．０５ ｎＬｎ的摩阻系数及压降变化 绝对当量粗糙度Ｋ／ｍｍ 摩阻系数变化幅度，％ 压降变化幅度／９６ ０．０１ ．９．Ｏ０ —９．０５ ０．０２ ．６．５Ｏ ．６．５８ Ｏ．Ｏ３ 一４．１９ ．４．１２ ０．０４ —２．Ｏ３ —２．０６ ０．０５ Ｏ ０ Ｏ．０６ ＋１．９１ ＋２．０６ ０．０７ ＋３．７２ ＋３．７０ ０．０８ ＋５．４３ ＋５．７６ ０．０９ ＋７．０７ ＋７．４ｌ ０．１０ ＋８．６３ ＋９．０５ ０．１５ ＋ｌ５．６０ ＋ｌ６．０５ Ｏ．２Ｏ ＋２１．４９ ＋２１．８ｌ Ｏ＿３Ｏ ＋３１．２１ ＋３１．６９ ０．４０ ＋３９．１７ ＋３９．９２ 可见，当量绝对粗糙度 取０．１０ ｍｌｉｌ相对于新 焊接钢管 ８．６３％与９．０５％。Ｋ …取０． 取…，，Ｔ ……＾ Ｉ … ０．１５ ｒｎｌＴｌ相对新焊接钢管 取 上海煤气２０１０年第２期（（Ｊ ■ｉ＃ＳｌＵ ０．０５ ｍｍ）摩阻系数和压降则分别提高１５．６０％与 １６．０５％。而加内涂层的焊接钢管 取Ｏ．０１ ｍｍ）相对 于新焊接钢管摩阻系数和压降分别降低９．０％与 Ｌ＝３０ ｋｍ，起点压力ｐｌ＝２．６ ＭＰａ，末端压力要求不 低于１＿３ ＭＰａ，天然气温度０℃，天然气组分同表 ６。取一系列绝对当量粗糙度，计算分析得出最大 ９．０５％，说明内涂层能够有效的降低焊接钢管的摩阻 系数和压降。 ３．２绝对当量粗糙度对管道输送距离的影响 某天然气管道内径 ２９５ ｍｌｎ，标准状况下流 量 ｌ５ ０００ ｍ３／ｈ，起点压力ｐｌ＝Ｏ．５ ＭＰａ，末端压力 要求不低于０．３ ＭＰａ，天然气温度０℃，天然气组 分见表６。取一系列绝对当量粗糙度，计算分析得 出最大输送距离三一，结果见表７。 表６天然气组分（Ｖ ） 甲烷ｌ乙烷Ｉ丙烷Ｉ正丁烷ｌ异丁烷ｌ二氧化碳ｌ氮气ｌ硫化氢Ｉ其它烃 ｃａ４ Ｉ Ｃ２Ｈ６ Ｉ Ｃ３Ｈ８ Ｉ—ｎ－Ｃ４ＨｌｏＩｉ－Ｃ４Ｈ１０ｌ ＣＯ２ Ｉ Ｎ２ Ｉ Ｈ２Ｓ ｌ ９６．２２６Ｉ１．７７Ｏ Ｉ Ｏ－３０ｏ ｌ Ｏ．Ｏ７５ １ ０．Ｏ６２ ｌ Ｏ．４７３ ｌ Ｏ．９６７ ｌ Ｏ．ＯＯ２ ｌ ０．１２５ 表７绝对当量粗糙度对输送距离的影响 绝对当量粗糙度Ｋ／ｍｍ 厶 ／ｋｍ ０．０１ ３．８３ ０．Ｏ２ ３．５５ ０．Ｏ３ ３－３７ ０．０４ ３．２４ ０．０５ ３．１ｌ Ｏ．１Ｏ ２．７３ ０．１５ ２．５１ ０．２Ｏ ２＿３６ ０．３０ ２．１５ ０．４０ ２．００ 分析表７可见， 从０．０１ ｔｏｎｉ增加到０．０５ ｍｎ．１ 和０．１０ｍｍ，输送距离分别减少了７２０ ｍ和１ ｉ００ ｍ， 减少的幅度分别为１８．８０％与２８．７２％。随着管道绝对 当量粗糙度的增加，输送距离的削减是很明显的， 且输送距离削减的速率在 位于０￣ｏ．０５ ｎｌｌＴｌ之间较 快，而随着绝对当量粗糙度的进一步增加，其对输 送距离的影响慢慢减弱。 ３．３绝对当量粗糙度对管道最大输气量的影响 某天然气高压管道的内径￣－４９５ ｍｉｉ１，管长 露））２０１０年第２期上海煤气 输气量Ｑ 一，结果见表８。 表８绝对当量粗糙度对最大输气量的影响 绝对当量粗糙度Ｋ／ｍｍ （ ｌｏ３ｍ’・ ‘ Ｏ．Ｏ１ １２１．５ ０．Ｏ２ ｌｌ６．１ ０．０３ ｌｌ２．５ ０．０４ ｌ０９．９ ０．０５ １０７．７ ０．１０ １０１ ０．１５ ９６．９ Ｏ．２Ｏ ９４ ０．３０ ８９．９ ０．４０ ８７ 表８说明了随着管道绝对当量粗糙度的增加， 最大输气量呈现明显的下降。 从０．０１ ａｉｍ增加到 ０．０５ ｍｉｎ和０．１０ ｍｌｎ，最大输气量分别减少了１３ ８００ ｍｊ／ｈ和２０ ５００ ｍ３／ｈ，减少的幅度分别为１１．３６％与 １６．８７％。在 位于０￣０．０５ ＩＴＩＩＩ１范围时，最大输气量的 减少较快，随着绝对当量粗糙度的进一步增加，最 大输气量的减少相对减弱。 ４总结 纵观国内外燃气管道绝对当量粗糙度的取值， 发现管道绝对当量粗糙度随着管材与实际内表面 状况而变化。新的、清洁的、未加内涂层的焊接钢 管绝对当量粗糙度取值范围为３０－５０岫１，新的、清 洁的无缝钢管绝对当量粗糙度取１４ Ｉ．ｔｍ左右，有内 涂层的钢管取６～１０ Ｉ．ｔｍ，ＰＥ管取１０～１５ ｌｘｍ。 通过算例的定量计算分析，表明了随着燃气管 道绝对当量粗糙度的增大，摩阻系数、压降增大， 输送距离及最大输气量明显降低，对燃气的输送愈 发不利，应采取减阻措施，降低管道绝对当量粗糙 度，提高输气效率。 （下转第１７页） Ｔｒａｎｓｍｌ 表３水阳江穿越工程最小泥浆压力 单位：ｋＰａ 钻孔过程 扩孔过程 回拖过程 力过大等风险，对此，结合工程选择最佳方案和科 学合理选择钻进参数是成功穿越的基本保证。 （２）导向孔是穿越设计路径地下成孔贯通的基 础，在进行导向孔作业中，严格控制曲率半径，及 时回抽调整超调，确保穿越曲线的平滑稳定和成孔 输气管道 光缆管 输气管道 光缆管 输气管道 光缆管 ｒ扩孔直径Ｏ．４～１．３ ｍ） ｌ ７４５ １ ４３２ ８７９～１ ２ｌ７ ８５８ ｌ ２４５．５ ８８９ 在穿越工程实际钻孔施工中，泥浆正常供应压 质量，是后续扩孔和回拖工序顺利进行的根本保 障。 （３）扩孔是决定管道回拖成败的关键，在扩孔过 力大于最小泥浆压力，输气管道选择１．９ ＭＰａ，光 缆管选择１．６ ＭＰａ． 通过采用入、出土点项进套管穿过卵石层，主、 程中根据导向孔作业经验，结合扩孔过程中拉力、 扭矩等基础参数，相应的调节扩孔速度，防止由于 辅钻机对接钻进导向孔，十次预扩孔的方案，以及 科学合理选择钻进参数，实现了９６２．６７ ｍ管道回拖 一扩孔速度太慢造成的塌孔、抱钻等情况的发生，避 免由于扩孔速度太快造成洞内泥浆缺失、孔形不 好。 次成功，施工周期缩减了５个月，大大减少了施 工风险、施工设备和人员成本。 ３结论 （４）管道回拖是定向钻穿越最后一步。在管线回 拖过程中要求控制好回拖速度，使拉力、扭矩、泥 浆等相关参数达到最好的结合点。 （１）定向钻穿越是一种高风险性的工程，所以在 整个穿越施工过程中，必须保证每个环节的安全 性，任何小的失误都可能带来严重的后果。对管道 长、管径大、管壁厚、地质差的穿越工程，施工过 （５）泥浆是定向钻穿越的血液。确保泥浆的粘稠 适度、压力合理、排量充足，实现孔内岩屑携带悬 浮、护壁润滑：起到定向钻在钻孔、扩孔和回拖穿 越过程中新陈代谢的作用。 程中可能会出现卡钻、断钻、抱钻和漂钻及回拖阻 ＢｒｉｅｆＩＹ Ｄｉ ＳＣＵＳＳｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ＡｐｐＩ ｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｏｒｉ ｚｏｎｔａＩ Ｄｉ ｒｅｃｔｉｏｎａＩ Ｄｒｉ Ｉ Ｉ ｉｎｇ Ｃｒｏｓｓｉｎｇ Ｓｈｕｉｙａｎｇ Ｒｉｖｅｔ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｉｎｏｐｅｃ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｈｕ Ｄｅｎｇｈｕｉ Ａｂｓｔ ｒａｃｔ：Ｕｓｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃｒｏｓｓｉｎｇ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｌａｒｇｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Ｓｈｕｉｙａｎｇ Ｒｉｖｅｒ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｏ ｇｅｔ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｋｅｙ ｉｎｄｅｘ．Ｔｈｅ ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍ，ｈａｖｅ ｇｏｏｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇ，ｌａｒｇｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｐｉｐｅｌｉｎｅ，Ｓｈｕｉｙａｎｇｊｉａｎｇ，ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ （上接第１２页） ＡｎａＩｙｓｉ ｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩｎｆＩｕｅｎｃｅ ｏｆ ＡｂｓｏＩｕｔｅ ＥｑｕｉｖａＩｅｎｔ Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ Ｔｏｎ￣ｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｘｉａ Ｘｉｎｇｘｉｎｇ Ｆｅｎｇ Ｌｉａｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｖａｌｕｅｓ ｏｆｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ， ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ ｇａｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃａｐａｃｉｙ．ｔ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｉｙ ｔｇａｓ，ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｎｅｔｗｏｒｋ，ａｂｓｏｌｕｔｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ 上海煤气２０１０年第２期（（ｔ／＇
