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供水管网中灰口铸铁管的管垢特性与管段力学性状初探

作　者: 周煜杰
导　师: 张土乔
学　校: 浙江大学
专　业: 建筑与土木工程
关键词: 灰口铸铁管腐蚀结垢三维扫描数值模拟应力计算
分类号: TU991.33
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 15次
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内容摘要

灰口铸铁管曾作为城市给水系统中的主要管材被大量使用于我国的城镇给水管网中,虽然截至2012年,灰口铸铁管已经被禁止使用于给水系统中,但是据不完全统计我国现仍有51%灰口铸铁管在给水管网中服役。由于灰口铸铁管本身的材质原因,在使用一段时间后,灰口铸铁管内壁会发生腐蚀,形成腐蚀坑；同时腐蚀产物沉淀、粘结于管道内壁形成管垢。管道的腐蚀会使管壁变薄降低管道强度、腐蚀产物的溶解污染了管内饮用水、管壁结垢导致管道内过水断面面积减小减弱了管道的输水能力。灰口铸铁管腐蚀结垢所带来的水质污染问题、管网安全问题及供水保障问题已经严重威胁到了每一个用水者的切身利益。针对现阶段我国供水系统中由灰口铸铁管所引起的各类问题较为频繁这一实际情况出发,本文中以杭州市供水管网中的一段管龄为15年的灰口铸铁管管段作为研究对象,采用化学分析的方法对灰口铸铁管内壁腐蚀结垢瘤进行浅析；借助三维扫描建模技术,将灰口铸铁管内壁形态进行了数字化还原；通过对模型中腐蚀坑洞的测量统计,得到了管道内壁腐蚀瘤(坑)的分布情况与形态大小；最后采用计算机数值模拟的方法在不考虑土体荷载与约束的情况下对灰口铸铁管管内流态情况、管道内受力等情况进行了模拟研究；结合腐蚀管道剩余强度理论,采用数值计算的方法得出腐蚀后灰口铸铁管的剩余强度值；以灰口铸铁管的剩余强度值和模拟研究的结果作为基础,判断了管段是否安全。研究结果表明：灰口铸铁管内壁的腐蚀结垢起始于金属的电化学腐蚀,管垢的主要成分是：铁、氧、铝、硅、硫、碳。其中铁和氧的成分比例占到了管垢的90%。管内水垢主要是由腐蚀沉积物组成,形态以凸起的瘤状为主,腐蚀瘤尺寸差异较大,在管内无规则分布；这些形态各异的腐蚀沉积物的不规则分布,导致了管道内流体的流态紊乱、管内压力和流速分布不均,对供水管网造成水头损失增加、供水不足及能源浪费；管道在腐蚀破坏后,管道仅在内压的作用下极易在腐蚀坑洞处形成应力集中,应力集中点的Mises应力大小甚至能达到管道内压的数倍,同时腐蚀破坏带来的管道的剩余强度衰减也降低了管道使用过程中的安全系数。本论文得到了水体污染控制与治理科技重大专项课题：“典型城市饮用水安全保障共性技术研究与示范(编号：2008ZX07424)".’‘潮汐影响地区饮用水安全保障技术集成与示范”(编号：2008ZX07424-001)和“山地丘陵城市饮用水安全保障共性技术研究与示范”(编号：2008ZX07424-004)的资助。

全文目录

致谢  4-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-13
1 绪论  13-19
  1.1 研究背景及意义  13-17
    1.1.1 我国城市供水管道的现状  13-14
    1.1.2 我国管道漏损原因分析  14-15
    1.1.3 管道结垢腐蚀的危害  15-17
  1.2 国内外研究现状  17
  1.3 本文主要研究内容  17-19
2. 研究理论及方法综述  19-29
  2.1 引言  19
  2.2 水垢的类型  19-20
  2.3 管道腐蚀的分类及原理  20-21
    2.3.1 金属腐蚀的分类  20
    2.3.2 金属的电化学腐蚀原理  20-21
  2.4 灰口铸铁管腐蚀壁垢瘤  21-24
    2.4.1 腐蚀瘤的结构与成分  21-22
    2.4.2 腐蚀瘤的形成与生长  22-24
  2.5 管道剩余强度理论  24-27
    2.5.1 以实验试验和理论为基础的半经验公式  25-26
    2.5.2 有限元法  26-27
  2.6 逆向工程技术  27-28
    2.6.1 基于三维扫描的逆向工程  27
    2.6.2 白光式三维扫描的原理  27-28
  2.7 本章小结  28-29
3 灰口铸铁管壁垢腐蚀瘤(坑)的化学组成和物理形态  29-49
  3.1 引言  29
  3.2 壁垢腐蚀瘤的电镜扫描与能谱分析  29
    3.2.1 管样的采集和预处理  29
    3.2.2 腐蚀瘤样本制备  29
    3.2.3 对腐蚀瘤的分析检测  29
  3.3 壁垢腐蚀瘤的化学组成及微观形态  29-43
    3.3.1 腐蚀壁垢瘤的外观特征  29-34
    3.3.2 灰口铸铁管腐蚀壁垢瘤的形态结构分析  34-36
    3.3.3 铁质给水管道腐蚀壁垢瘤化学组成分析  36-41
    3.3.4 水垢形成机理及结构特征分析  41-42
    3.3.5 腐蚀瘤对管网水质的主要危害  42-43
  3.4 管段三维模型的建立  43-46
    3.4.1 三维建模仪器及软件  43-44
    3.4.2 三维模型建立的方法  44-46
  3.5 管道壁垢腐蚀瘤(坑)的物理形态  46-48
  3.6 本章小结  48-49
4 腐蚀结垢灰口铸铁管的管内水体与管段数值模拟  49-85
  4.1 引言  49
  4.2 数值模拟的理论基础及参数设定  49-55
    4.2.1 计算流体动力学模拟理论基础  49-51
    4.2.2 管段静态力学分析模拟理论基础  51
    4.2.3 流体计算网格划分  51-52
    4.2.4 流体计算边界条件设置  52-53
    4.2.5 湍流强度  53-54
    4.2.6 静态力学分析网格划分  54
    4.2.7 静态力学分析参数设置  54-55
  4.3 管内流体力学浅析  55-69
    4.3.1 腐蚀结垢管道的沿程损失  58-63
    4.3.2 管道内壁腐蚀垢层凸处受力情况  63-66
    4.3.3 管道内壁腐蚀凹陷处受力情况  66-69
  4.4 管道静态力学浅析  69-77
    4.4.1 Mises应力  69-73
    4.4.2 管段静态力学模拟结果  73-75
    4.4.3 管段应力集中点处对比讨论  75-77
  4.5 管道剩余强度计算及管段的安全评价  77-83
    4.5.1 基于断裂力学的管道剩余强度理论  77
    4.5.2 基于断裂力学的管道剩余强度计算方法  77-78
    4.5.3 管道剩余强度计算结果  78-79
    4.5.4 管道安全评价  79-83
  4.6 本章小结  83-85
5 结论与展望  85-88
  5.1 结论  85-86
  5.2 展望  86-88
参考文献  88-95
附录  95-105
作者简介  105

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