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钢管与PE管流通能力及管径互换

本文将通过计算，分别在中、低压两种情况下，对小区内常用规格的PE管和钢管的流通能力进行比较，以便较为方便准确地确定小区中PE管的规格，使其能更好地满足工程运行。

1 相同条件下，PE管和钢管流通能力的比较

目前在小区燃气系统中，应用较多的钢管主要为以下几种：D57X3．5、D89X4、D108X4，D159X4．5；应用较多的PE管为SDR11系列(≤0．4MPa)，规格主要为以下几种：DE63、DE90、DE110、DE125、DE160、DE180；以及SDR17．6系列(≤0．2MPa)，规格主要为以下几种：DE63、DE90、DE110。本文将分别在中、低压两种情况下，对其流通能力进行计算比较。两者内径见表1：

表1 小区常用钢管、PE管规格
钢管(mm)
PE管(SDR11)
PE管(DSR17.6)(mm)
规格
内径
规格
内径
规格
内径
D57X3.5
50
DE63
51.4
DE63
55.8
D89X4
81
DE90
73.6
DE90
79.6
D108X4
100
DE110
90
DE110
97.4
D159X4.5
150
DE125
102.2

DE160
130.8

DE180
147.2

1．1公式的选用
　　计算公式选用《城镇燃气设计规范(1998年版)》GB50028—93中的管道计算公式。
　　(1)低压燃气管道单位长度摩擦阻力损失计算公式
对于低压燃气管道，根据燃气在管道中3种不同的运动状态(层流状态、临界状态和湍流状态)，其单位长度的摩擦阻力损失可按3种公式计算。其中在层流状态和临界状态下的单位长度的摩擦阻力损失只与流量、管内径、燃气密度及运动粘度、设计温度有关，而与管道内壁的当量绝对粗糙度无关(这恰恰是PE管和钢管在流通能力计算方面最大的不同)。可见，在层流状态和临界状态下，对于给定相同条件(管内径、燃气密度及运动粘度、设计温度、长度相等、压降相等)下的PE管和钢管，其流通能力一致。

对于湍流状态，其单位长度的摩擦阻力损失计算公式如下：

(2)中压燃气管道单位长度摩擦阻力损失计算公式如下：

式中：
　　P1—燃气管道起点压力，KPa．A；
　　P2—燃气管道终点压力，kPa．A；
　　△P—燃气管道摩擦阻力损失，Pa；
　　L—燃气管道计算长度，km
　　I—燃气管道计算长度，m；
　　Q—燃气管道计算流量，m3／h；
　　d—管道内径，mm；
　　p—燃气密度，kS／m3；
　　T—设计计算温度，K；
　　T0—273K；
　　V—0℃和101325kPa时燃气的运动粘度m2／s；
K—管壁内表面的当量绝对粗糙度mm。

1．2比较条件的确定
　　为了便于比较计算，对比较条件确定如下：
　　(1)低压状态下，钢管和PE管管长I为1．0m，
　　中压状态下，钢管和PE管管长L为1．0km，
　　(2)介质为天然气，设计温度按T=293K计；
　　(3)T0=273K；
　　(4)ρ取0．7kS／m3，
　　(5)v取14．5X10-6m2／s；
　　(6)管道内表面当量绝对粗糙度，钢管取0．2mm，PE管取0．01mm：
(7)本文只比较直管段的流量，不考虑两者的局部阻力损失。

1．3低压状态下(≤0．005MPa)，两种管道流通能力的比较
　　由上文可知，在层流状态和临界状态下，对于给定相同条件(管内径、燃气密度及运动粘度、设计温度、长度相等、压降相等)下的PE管和钢管，其流通能力一致。
　　下面仅比较湍流状态下管道的流通能力。本文将管内径相近的钢管和PE管分为三组进行比较。经计算，在不同的压降下，比较结果见表2。

表2 PE(SDR17．6)管和钢管流通能力比较(低压)

由表2可知，在低压、湍流状态下，三组内径相近的PE管和钢管(DE63&D57x3．5、DE90&D89x4、DE110&D108x4)在相同条件下，PE管的流通能力为钢管的125％—187％；
由图1可知，在小区燃气工程中，在相同条件下，我们可用规格为DE63、DE90、DE110的SDR17．6系列的PE管来分别代替D57x3．5、D89x4和D108x4的低压钢管。

图1 低压管道流通能力图

1．4中压状态下(≤0．4MPa)，两种管道流通能力的比较
　　在给定相同条件(燃气密度及运动粘度、设计温度、长度相等、压降相等)下，本文将D89x4的钢管分别与DE90和DE110的PE管进行比较；将D108x4的钢管分别与DE110和DE125的PE管进行比较；将D159x4．5的钢管分别与DE160和DE180的PE管进行比较。比较结果见表3、4。

表3 PE(SD11)管和钢管流通能力比较(中压)

表4 PE(S0R11)管和钢管流通能力比较(中压)

图2 中压管道流通能力图

　由表3和表4可知：
　　(1)在相同条件下，D89x4的钢管与DE110的PE管比较，PE管的流通能力较钢管大57％—85％，如用DE110的PE管代替D89x4的钢管则浪费投资；而DE90的PE管的流通能力与D89x4的钢管流通能力则比较接近(比值8．2％—8．0％)，故用DE90的PE管代替D89x4的钢管较合适；
　　(2)D108x4的钢管与DE110的PE管比较，压力降较小时，PE管的流通能力较钢管小，压力降较大时，PE管的流通能力较钢管大；而DE125的PE管的流通能力则比D108x4的钢管流通能力大23．0％—44．1％，由于实际运行情况较复杂，为稳妥起见，建议用DE125的PE管代替D108x4的钢管；
　　(3)D159x4．5的钢管与DE160的PE管比较，PE管的流通能力小于钢管流通能力；而DE180的PE管的流通能力则比D159x4．5的钢管流通能力大12．6％～31．0％，故用DE180的PE管代替D159x4．5的钢管较合适。

2 小区PE燃气管道规格的选择

在小区埋地燃气钢管中，常用的规格主要有D57x3．5、D89x4、D108x4、D159x4．5四种。通过上文的比较计算，在低压和中压两种情况下，可用相应规格的PE管分别代替这四种规格的钢管。参见表5。
表5 小区常用钢管、PE管替换表(单位：mm)
钢管
PE管(SDR11)
PE管(SDR17.6)(低压)
规格
内径
规格
内径
规格
内径
D57X3.5
50
DE63
51.4
DE63
55.8
D89X4
81
DE90
73.6
DE90
79.6
D108X4
100
DE125
102.2
DE110
97.4
D159X4.5
150
DE180
147.2

3结语

PE管由于管壁内表面的当量绝对粗糙度仅为钢管的5％，所以摩擦阻力也较钢管小许多。与钢管相比，同等内径的PE管摩阻系数约为钢管的0．47倍，流通能力约为钢管流通能力的130～150％。故可用内径与钢管内径接近的PE管来代替钢管。本文讨论的是用PE管来代替一段独立的钢管，倘若用PE管来代替整个小区系统的钢管，则整个PE管系统的加权平均管道内径将较钢管系统的加权平均管道内径小，其比值为0．87左右。