CN106871856A - 一种管道内壁当量粗糙度比较样块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道内壁当量粗糙度比较样块，包括：多个矩形板块体，各个所述的矩形板块体的一个最大平面上设置当量粗糙度k对比面，各个所述矩形板块体上的当量粗糙度对比面的粗糙度各不相同，构成当量粗糙度测量体系。本发明以直接比较法来选用或评定被测管道当量粗糙度k值的测量器具。所述的比较样块具有表征管道内壁当量粗糙度k值的标准表面，通过触觉和视觉与被测管道内壁表面作比较，当被测管道内壁的加工痕迹深浅不超过样块表面加工痕迹深度时，则被检管道的当量粗糙度k值一般不超过样块的标称值。所述的比较样块可为设计人员了解管道特定内衬的直观感觉和外形特征提供指导，并用于实际生产中控制管道内衬的加工质量和快速评估管道的水力性能。

Description

一种管道内壁当量粗糙度比较样块

技术领域

本发明涉及一种管道内壁当量粗糙度比较样块，是一种水工测量器具，是一种输送液体物质的管道内壁的表面粗糙度的快速评定器具。

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。工程设计时将管道内壁当量粗糙度，简称当量粗糙度k，代入流体计算公式（柯尔勃洛克–怀特公式）即可计算出管道水力摩阻系数。

现有的当量粗糙度k确定方式主要采用流体实验的方式，即直接测量实际使用的管道内液体的流量、压力等参数，依据流体公式可间接得到当量粗糙度k。但这种方式费用浩大，实验时间过长，尤其对于大口径管道。多数情况下依据经验或参考类似工程资料判断，但精度较差，有时甚至造成工程设计不足或投资浪费。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种管道内壁当量粗糙度比较样块。所述的比较样块，在现场不使用任何复杂的仪器，通过视觉和触觉即可以快速的评定管道的当量粗糙度k，并进而计算出管道的水力摩阻系数。

本发明的目的是这样实现的：一种管道内壁当量粗糙度比较样块，包括：多个矩形板块体，各个所述的矩形板块体的一个最大平面上设置当量粗糙度k对比面，各个所述矩形板块体上的当量粗糙度对比面的粗糙度各不相同，构成当量粗糙度测量体系；所述对比面的当量粗糙度的确定按如下计算：

在多个粗糙度评定长度ln中截取多个粗糙度测量长度lr，在各个粗糙度测量长度lr内测量多个表面实际轮廓的波峰Z _Pn 和波谷Z _Vn ，其中：n为正整数，并通过如下公式计算粗糙度轮廓的最大高度R _z ：

R _z = Z _Pmax +Z _Vmax ，

并将R _z 的值作为当量粗糙度k使用。

进一步的，所述的矩形板块体的长大于50毫米，宽大于20毫米，厚度大于10毫米。

进一步的，所述的粗糙度评定长度ln和粗糙度测量长度lr为：

当R _z ≤50微米时，粗糙度评定长度ln大于12.5毫米，粗糙度测量长度lr大于2.5毫米；

当50＜R _z ≤200微米时，粗糙度评定长度ln大于40毫米，粗糙度测量长度lr大于8毫米。

进一步的，所述的粗糙度轮廓的最大高度R _z 的值作为当量粗糙度k值标识在矩形板块体上。

本发明产生的有益效果是：本发明以直接比较法来选用或评定被测管道当量粗糙度k值的测量器具。所述的比较样块具有表征管道内壁当量粗糙度k值的标准表面，通过触觉和视觉与被测管道内壁表面作比较，当被测管道内壁的加工痕迹深浅不超过样块表面加工痕迹深度时，则被检管道的当量粗糙度k值一般不超过样块的标称值。所述的比较样块可为设计人员了解管道特定内衬的直观感觉和外形特征提供指导，并用于实际生产中控制管道内衬的加工质量和快速评估管道的水力性能。

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比较样块的结构示意图；

图2是粗糙度轮廓的最大高度R _z 的计算示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种管道内壁当量粗糙度比较样块，如图1所示。本实施例包括：多个矩形板块体1，各个所述的矩形板块体的一个最大平面上（通常为板材的一个板面）设置当量粗糙度k对比面101，各个所述矩形板块体上的当量粗糙度对比面的粗糙度各不相同，构成当量粗糙度测量体系；所述对比面的当量粗糙度的确定按如下计算：

在多个粗糙度评定长度ln中截取多个粗糙度测量长度lr，在各个粗糙度测量长度lr内测量多个表面实际轮廓的波峰Z _Pn 和波谷Z _Vn ，其中：n为正整数（n=1，2，……。），并通过如下公式计算粗糙度轮廓的最大高度R _z ：

R _z = Z _Pmax +Z _Vmax ，

并将R _z 的值作为当量粗糙度k使用，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中最大波峰为Z _P6，即为粗糙度测量长度lr内的Z _Pmax ，最大波谷为Z _V6，即为粗糙度测量长度lr内的Z _Vmax 。

当量粗糙度比较样块采用当量粗糙度k值作为评定计量值，实践中当量粗糙度k的公称值可使用粗糙度轮廓的最大高度R _z 值代替。实验表明，管道当量粗糙度k≈R _z ，并且R _z 的定义与当量粗糙度k的物理意义接近，能够代表管道内壁粗糙程度对水流摩阻损失的影响。

不同于机械加工表面粗糙度比较样块（如中国国家标准：《GB_T 6060.3-2008 表面粗糙度比较样块第3部分：电火花、抛（喷）丸、喷砂、研磨、锉、抛光加工表面》所规定的机械加工样块），通常的机械加工表面粗糙度比较样块采用粗糙度轮廓的算术平均偏差R _a 值作为评定计量值。这些样块通过与被检测制件表面进行触觉和视觉比较，判断制件表面粗糙度是否合乎机械加工要求。本实施例所述的当量粗糙度比较样块的检测目的是用于对管道的水力计算参数—当量粗糙度k值进行直接比较评定，从而依据水力计算公式评估管道的水力输送能力。

管道内壁当量粗糙度k是评价管道水力输送性能的重要参数。已知当量粗糙度k值时，依据柯尔勃洛克–怀特（Colebrook-White）公式（1）计算沿程水头损失系数λ

（1）

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(m ²/s)。

将计算所得λ代入达西-魏斯巴哈（Darcy-Weisbach）公式（2）即可得出管道的沿程水头损失：

（2）

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/s ²）。

柯氏公式（1）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检测平台，且耗费较多的时间和费用。

所述的测量体系是指：应用各种可能使用的管材材质，并针对各种管材材质设置各种k数值（相应R _z 值）对比表面的对比样块。

本实施例所述的矩形板材体的材料可以是钢材、工程塑料、水泥等材料，以及环氧树脂、聚氨酯、环氧陶瓷等涂层材料，以模拟各种管道的材料。本实施例的比较样块以成组的多块板块体的形式出现。每个样块有一个标准的粗糙度比较表面。比较表面通过浇注、压力加工、机械加工等各种不同方式，以模拟管道形成时的加工方式，形成各种不同粗糙度颗粒的加工表面。在实际中以每一种材料为一组，每组中的当量粗糙度从小到大均匀分布，如可以按照粗糙度每3~6微米的间隔，设置样块的粗糙度颗粒变化。

比较样块制造可采用电铸法复制出标准表面的阳模，或用塑料或其他材料复制出标准表面的阳模，或直接用与表征管道的内涂层相同的加工方法制造的表面。

比较样块评定方法：在样块标准表面10个R _z 值数据，以便能求出平均值和标准偏差，当有争议时，可根据数据的分散程度，增加测量数据。测量仪器应符合中国国家标准《GB/T 6062-2009 产品几何技术规范（GPS） 表面结构 轮廓法 接触(触针)式仪》的规定，测量方法应符合中国国家标准《GB/T 10610-2009产品几何技术规范（GPS）表面结构轮廓法评定表面结构的规则和方法》的规定。需要说明的是，比较样块取样长度的选取应参照表1。

表1R _z 值的粗糙度取样长度

样块评定所得的R _z 值的分散性(样块加工的均匀性)用标准偏差（有效值百分率）来评定。

比较样块的结构尺寸应满足使用以及测量本身表面粗糙度的要求。如，长边尺寸不应小于50mm，短边尺寸不应小于20mm。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于矩形板块体的细化。本实施例所述的矩形板块体的长大于50毫米，宽大于20毫米，后度大于10毫米。

板块体的大小与使用的材质有关，如果是钢材，其本身抗变形能力较好，可以小一些。对于类似水泥等材料的板块体，则需要大一些，并在其中混合纤维类物质，增强抗冲击性。

实施例三：

本实施例上上述实施例的改进，是上述实施例关于粗糙评定长度和粗糙测量长度的细化。本实施例所述的粗糙度评定长度ln和粗糙度测量长度lr为：

当R _z ≤50微米时，粗糙度评定长度ln大于12.5毫米，粗糙度测量长度lr大于2.5毫米；

当50＜R _z ≤200微米时，粗糙度评定长度ln大于40毫米，粗糙度测量长度lr大于8毫米。

粗糙评定长度和粗糙测量长度，应根据粗糙度的大小、材料等因素确定。

实施例四：

本实施例上上述实施例的改进，是上述实施例关于矩形板块体的细化。本实施例所述的粗糙度轮廓的最大高度R _z 的值作为当量粗糙度k值102标志在矩形板块体上。

为方便测量对比，可以将使用的k值标示在板块体上，如：可以刻印在对比面上，或者刻印在侧面，如图1所示。

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（比如比较样块的形状、所使用的材质、对比面的处理等）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。

Claims (4)

1.一种管道内壁当量粗糙度比较样块，包括：多个矩形板块体，其特征在于，各个所述的矩形板块体的一个最大平面上设置当量粗糙度k对比面，各个所述矩形板块体上的当量粗糙度对比面的粗糙度各不相同，构成当量粗糙度测量体系；所述对比面的当量粗糙度的确定按如下计算：

在多个粗糙度评定长度ln中截取多个粗糙度测量长度lr，在各个粗糙度测量长度lr内测量多个表面实际轮廓的波峰Z _Pn 和波谷Z _Vn ，其中：n为正整数，并通过如下公式计算粗糙度轮廓的最大高度R _z ：

R _z = Z _Pmax +Z _Vmax ，

并将R _z 的值作为当量粗糙度k使用。

2.根据权利要求1所述的比较样块，其特征在于，所述的矩形板块体的长大于50毫米，宽大于20毫米，后度大于10毫米。

3.根据权利要求1或2所述的比较样块，其特征在于，所述的粗糙度评定长度ln和粗糙度测量长度lr为：

当R _z ≤50微米时，粗糙度评定长度ln大于12.5毫米，粗糙度测量长度lr大于2.5毫米；

当50＜R _z ≤200微米时，粗糙度评定长度ln大于40毫米，粗糙度测量长度lr大于8毫米。

4.根据权利要求3所述的比较样块，其特征在于，所述的粗糙度轮廓的最大高度R _z 的值作为当量粗糙度k值标志在矩形板块体上。