本發(fā)明涉及一種管道內(nèi)壁當(dāng)量粗糙度比較樣塊，是一種水工測(cè)量器具，是一種輸送液體物質(zhì)的管道內(nèi)壁的表面粗糙度的快速評(píng)定器具。

背景技術(shù)：

管道水力摩阻系數(shù)是流體輸送工程設(shè)計(jì)的重要技術(shù)參數(shù)之一，其取值的結(jié)果直接影響水力計(jì)算成果的精度。水力摩阻系數(shù)的精確測(cè)量和合理取值對(duì)于長(zhǎng)距離輸水工程、城市給排水工程、農(nóng)業(yè)灌溉工程，以及石油輸送等管道工程的總體布局、設(shè)計(jì)規(guī)模、設(shè)備選型、運(yùn)行管理、以及節(jié)能減排具有重要的意義。工程設(shè)計(jì)時(shí)將管道內(nèi)壁當(dāng)量粗糙度，簡(jiǎn)稱(chēng)當(dāng)量粗糙度k，代入流體計(jì)算公式（柯?tīng)柌蹇栓C懷特公式）即可計(jì)算出管道水力摩阻系數(shù)。

現(xiàn)有的當(dāng)量粗糙度k確定方式主要采用流體實(shí)驗(yàn)的方式，即直接測(cè)量實(shí)際使用的管道內(nèi)液體的流量、壓力等參數(shù)，依據(jù)流體公式可間接得到當(dāng)量粗糙度k。但這種方式費(fèi)用浩大，實(shí)驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，尤其對(duì)于大口徑管道。多數(shù)情況下依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或參考類(lèi)似工程資料判斷，但精度較差，有時(shí)甚至造成工程設(shè)計(jì)不足或投資浪費(fèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種管道內(nèi)壁當(dāng)量粗糙度比較樣塊。所述的比較樣塊，在現(xiàn)場(chǎng)不使用任何復(fù)雜的儀器，通過(guò)視覺(jué)和觸覺(jué)即可以快速的評(píng)定管道的當(dāng)量粗糙度k，并進(jìn)而計(jì)算出管道的水力摩阻系數(shù)。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種管道內(nèi)壁當(dāng)量粗糙度比較樣塊，包括：多個(gè)矩形板塊體，各個(gè)所述的矩形板塊體的一個(gè)最大平面上設(shè)置當(dāng)量粗糙度k對(duì)比面，各個(gè)所述矩形板塊體上的當(dāng)量粗糙度對(duì)比面的粗糙度各不相同，構(gòu)成當(dāng)量粗糙度測(cè)量體系；所述對(duì)比面的當(dāng)量粗糙度的確定按如下計(jì)算：

在多個(gè)粗糙度評(píng)定長(zhǎng)度ln中截取多個(gè)粗糙度測(cè)量長(zhǎng)度lr，在各個(gè)粗糙度測(cè)量長(zhǎng)度lr內(nèi)測(cè)量多個(gè)表面實(shí)際輪廓的波峰Z_Pn和波谷Z_Vn，其中：n為正整數(shù)，并通過(guò)如下公式計(jì)算粗糙度輪廓的最大高度R_z：

R_z= Z_Pmax+Z_Vmax，

并將R_z的值作為當(dāng)量粗糙度k使用。

進(jìn)一步的，所述的矩形板塊體的長(zhǎng)大于50毫米，寬大于20毫米，厚度大于10毫米。

進(jìn)一步的，所述的粗糙度評(píng)定長(zhǎng)度ln和粗糙度測(cè)量長(zhǎng)度lr為：

當(dāng)R_z≤50微米時(shí)，粗糙度評(píng)定長(zhǎng)度ln大于12.5毫米，粗糙度測(cè)量長(zhǎng)度lr大于2.5毫米；

當(dāng)50＜R_z≤200微米時(shí)，粗糙度評(píng)定長(zhǎng)度ln大于40毫米，粗糙度測(cè)量長(zhǎng)度lr大于8毫米。

進(jìn)一步的，所述的粗糙度輪廓的最大高度R_z的值作為當(dāng)量粗糙度k值標(biāo)識(shí)在矩形板塊體上。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明以直接比較法來(lái)選用或評(píng)定被測(cè)管道當(dāng)量粗糙度k值的測(cè)量器具。所述的比較樣塊具有表征管道內(nèi)壁當(dāng)量粗糙度k值的標(biāo)準(zhǔn)表面，通過(guò)觸覺(jué)和視覺(jué)與被測(cè)管道內(nèi)壁表面作比較，當(dāng)被測(cè)管道內(nèi)壁的加工痕跡深淺不超過(guò)樣塊表面加工痕跡深度時(shí)，則被檢管道的當(dāng)量粗糙度k值一般不超過(guò)樣塊的標(biāo)稱(chēng)值。所述的比較樣塊可為設(shè)計(jì)人員了解管道特定內(nèi)襯的直觀感覺(jué)和外形特征提供指導(dǎo)，并用于實(shí)際生產(chǎn)中控制管道內(nèi)襯的加工質(zhì)量和快速評(píng)估管道的水力性能。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一所述比較樣塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是粗糙度輪廓的最大高度R_z的計(jì)算示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一：

本實(shí)施例是一種管道內(nèi)壁當(dāng)量粗糙度比較樣塊，如圖1所示。本實(shí)施例包括：多個(gè)矩形板塊體1，各個(gè)所述的矩形板塊體的一個(gè)最大平面上（通常為板材的一個(gè)板面）設(shè)置當(dāng)量粗糙度k對(duì)比面101，各個(gè)所述矩形板塊體上的當(dāng)量粗糙度對(duì)比面的粗糙度各不相同，構(gòu)成當(dāng)量粗糙度測(cè)量體系；所述對(duì)比面的當(dāng)量粗糙度的確定按如下計(jì)算：

在多個(gè)粗糙度評(píng)定長(zhǎng)度ln中截取多個(gè)粗糙度測(cè)量長(zhǎng)度lr，在各個(gè)粗糙度測(cè)量長(zhǎng)度lr內(nèi)測(cè)量多個(gè)表面實(shí)際輪廓的波峰Z_Pn和波谷Z_Vn，其中：n為正整數(shù)（n=1，2，……。），并通過(guò)如下公式計(jì)算粗糙度輪廓的最大高度R_z：

R_z= Z_Pmax+Z_Vmax，

并將R_z的值作為當(dāng)量粗糙度k使用，如圖2所示。圖2中m為平均輪廓線，以平均輪廓線為分界線，測(cè)量波峰和波谷。圖2中最大波峰為Z_P6，即為粗糙度測(cè)量長(zhǎng)度lr內(nèi)的Z_Pmax，最大波谷為Z_V6，即為粗糙度測(cè)量長(zhǎng)度lr內(nèi)的Z_Vmax。

當(dāng)量粗糙度比較樣塊采用當(dāng)量粗糙度k值作為評(píng)定計(jì)量值，實(shí)踐中當(dāng)量粗糙度k的公稱(chēng)值可使用粗糙度輪廓的最大高度R_z值代替。實(shí)驗(yàn)表明，管道當(dāng)量粗糙度k≈R_z，并且R_z的定義與當(dāng)量粗糙度k的物理意義接近，能夠代表管道內(nèi)壁粗糙程度對(duì)水流摩阻損失的影響。

不同于機(jī)械加工表面粗糙度比較樣塊（如中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：《GB_T 6060.3-2008 表面粗糙度比較樣塊第3部分：電火花、拋（噴）丸、噴砂、研磨、銼、拋光加工表面》所規(guī)定的機(jī)械加工樣塊），通常的機(jī)械加工表面粗糙度比較樣塊采用粗糙度輪廓的算術(shù)平均偏差R_a值作為評(píng)定計(jì)量值。這些樣塊通過(guò)與被檢測(cè)制件表面進(jìn)行觸覺(jué)和視覺(jué)比較，判斷制件表面粗糙度是否合乎機(jī)械加工要求。本實(shí)施例所述的當(dāng)量粗糙度比較樣塊的檢測(cè)目的是用于對(duì)管道的水力計(jì)算參數(shù)—當(dāng)量粗糙度k值進(jìn)行直接比較評(píng)定，從而依據(jù)水力計(jì)算公式評(píng)估管道的水力輸送能力。

管道內(nèi)壁當(dāng)量粗糙度k是評(píng)價(jià)管道水力輸送性能的重要參數(shù)。已知當(dāng)量粗糙度k值時(shí)，依據(jù)柯?tīng)柌蹇栓C懷特（Colebrook-White）公式（1）計(jì)算沿程水頭損失系數(shù)λ

（1）

式中：k—當(dāng)量粗糙度(m)；Re—雷諾數(shù)，計(jì)算公式為；ν—水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)(m²/s)。

將計(jì)算所得λ代入達(dá)西-魏斯巴哈（Darcy-Weisbach）公式（2）即可得出管道的沿程水頭損失：

（2）

式中：h_f—管道沿程水頭損失（m）；λ—水力摩阻系數(shù)，或沿程水頭損失系數(shù)；D —管道內(nèi)徑(m）；L—管段長(zhǎng)度（m）；V—管道平均流速（m/s）；g—重力加速度（m/s²）。

柯氏公式（1）中當(dāng)量粗糙度k綜合反映了管道內(nèi)壁糙粒及各種因素對(duì)沿程損失的影響，一直以來(lái)主要通過(guò)流體試驗(yàn)測(cè)定高雷諾數(shù)下管道的沿程損失，并按水力摩阻系數(shù)λ折算為同直徑的尼古拉茲粗糙管的糙粒高度，認(rèn)為該糙粒高度與管道內(nèi)壁不規(guī)則粗糙微元的平均尺寸接近，此即當(dāng)量粗糙度k，但流體試驗(yàn)需要固定的檢測(cè)平臺(tái)，且耗費(fèi)較多的時(shí)間和費(fèi)用。

所述的測(cè)量體系是指：應(yīng)用各種可能使用的管材材質(zhì)，并針對(duì)各種管材材質(zhì)設(shè)置各種k數(shù)值（相應(yīng)R_z值）對(duì)比表面的對(duì)比樣塊。

本實(shí)施例所述的矩形板材體的材料可以是鋼材、工程塑料、水泥等材料，以及環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯、環(huán)氧陶瓷等涂層材料，以模擬各種管道的材料。本實(shí)施例的比較樣塊以成組的多塊板塊體的形式出現(xiàn)。每個(gè)樣塊有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的粗糙度比較表面。比較表面通過(guò)澆注、壓力加工、機(jī)械加工等各種不同方式，以模擬管道形成時(shí)的加工方式，形成各種不同粗糙度顆粒的加工表面。在實(shí)際中以每一種材料為一組，每組中的當(dāng)量粗糙度從小到大均勻分布，如可以按照粗糙度每3~6微米的間隔，設(shè)置樣塊的粗糙度顆粒變化。

比較樣塊制造可采用電鑄法復(fù)制出標(biāo)準(zhǔn)表面的陽(yáng)模，或用塑料或其他材料復(fù)制出標(biāo)準(zhǔn)表面的陽(yáng)模，或直接用與表征管道的內(nèi)涂層相同的加工方法制造的表面。

比較樣塊評(píng)定方法：在樣塊標(biāo)準(zhǔn)表面10個(gè)R_z值數(shù)據(jù)，以便能求出平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，當(dāng)有爭(zhēng)議時(shí)，可根據(jù)數(shù)據(jù)的分散程度，增加測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量?jī)x器應(yīng)符合中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 6062-2009 產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS） 表面結(jié)構(gòu) 輪廓法 接觸(觸針)式儀》的規(guī)定，測(cè)量方法應(yīng)符合中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 10610-2009產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）表面結(jié)構(gòu)輪廓法評(píng)定表面結(jié)構(gòu)的規(guī)則和方法》的規(guī)定。需要說(shuō)明的是，比較樣塊取樣長(zhǎng)度的選取應(yīng)參照表1。

表1R_z值的粗糙度取樣長(zhǎng)度

樣塊評(píng)定所得的R_z值的分散性(樣塊加工的均勻性)用標(biāo)準(zhǔn)偏差（有效值百分率）來(lái)評(píng)定。

比較樣塊的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足使用以及測(cè)量本身表面粗糙度的要求。如，長(zhǎng)邊尺寸不應(yīng)小于50mm，短邊尺寸不應(yīng)小于20mm。

實(shí)施例二：

本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于矩形板塊體的細(xì)化。本實(shí)施例所述的矩形板塊體的長(zhǎng)大于50毫米，寬大于20毫米，后度大于10毫米。

板塊體的大小與使用的材質(zhì)有關(guān)，如果是鋼材，其本身抗變形能力較好，可以小一些。對(duì)于類(lèi)似水泥等材料的板塊體，則需要大一些，并在其中混合纖維類(lèi)物質(zhì)，增強(qiáng)抗沖擊性。

實(shí)施例三：

本實(shí)施例上上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于粗糙評(píng)定長(zhǎng)度和粗糙測(cè)量長(zhǎng)度的細(xì)化。本實(shí)施例所述的粗糙度評(píng)定長(zhǎng)度ln和粗糙度測(cè)量長(zhǎng)度lr為：

當(dāng)R_z≤50微米時(shí)，粗糙度評(píng)定長(zhǎng)度ln大于12.5毫米，粗糙度測(cè)量長(zhǎng)度lr大于2.5毫米；

當(dāng)50＜R_z≤200微米時(shí)，粗糙度評(píng)定長(zhǎng)度ln大于40毫米，粗糙度測(cè)量長(zhǎng)度lr大于8毫米。

粗糙評(píng)定長(zhǎng)度和粗糙測(cè)量長(zhǎng)度，應(yīng)根據(jù)粗糙度的大小、材料等因素確定。

實(shí)施例四：

本實(shí)施例上上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于矩形板塊體的細(xì)化。本實(shí)施例所述的粗糙度輪廓的最大高度R_z的值作為當(dāng)量粗糙度k值102標(biāo)志在矩形板塊體上。

為方便測(cè)量對(duì)比，可以將使用的k值標(biāo)示在板塊體上，如：可以刻印在對(duì)比面上，或者刻印在側(cè)面，如圖1所示。

最后應(yīng)說(shuō)明的是，以上僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案（比如比較樣塊的形狀、所使用的材質(zhì)、對(duì)比面的處理等）進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。