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钢铁企业管道水锤分析与对策

发表时间：2020/11/19 来源：《基层建设》2020年第22期作者：刘磊段小冰侯志广净晓星刘明远

[导读] 摘要：钢铁企业的生产过程中，供水管网的安全稳定是保证主要工程连续有效生产的重要环节，水锤问题是供水管网经常有的问题。

        北京首钢股份有限公司迁安钢铁公司
        摘要：钢铁企业的生产过程中，供水管网的安全稳定是保证主要工程连续有效生产的重要环节，水锤问题是供水管网经常有的问题。本论文结合某钢铁公司的水锤事故，深入分析产生的原因，结合其实际应用，提出了相应的防护措施以保证管道网的稳定运行。
        关键词：钢铁企业供水管网水锤预防
        供水管网是钢铁企业生产不可或缺的公共辅助服务设施。通过各管段连接，相互联系、互为作用，实现与整体结构的系统功能。钢铁企业的生产中，水锤是供水管网最重要的安全问题。不可忽视的是，从水锤产生的瞬间压力是管道正常工作压力的数十倍到几百倍。这样的大幅度波动，容易造成管道和系统中的激烈振动，并会导致压力的剧烈变动，使附件装置损坏，严重时会导致管材变形、裂纹等重大事故，严重影响企业生产。
        1供水管网中水锤发生的基本概念、特性与危害
        1.1水锤发生的基本概念
        由于流量调整、阀门开闭、紧急停止泵等边界条件的突然变化，输水过程发生了变化，水的速度和压力突然变强，溶解在水里或不溶性气体因而释放并游离出来。由于在管内，管内壁几乎平滑，水流自如，而水流和不溶性气体对阀门、泵和管壁施加压力，由于惯性作用，水的水力性能急速达到最大值，造成破坏。压力引起管道张力和噪音，好像用锤子敲打管道。这种现象就是水锤，通常也称为正水锤。相反，关闭的阀门或水泵被突然打开，也会产生水锤，也叫负水锤，但压强小于正水锤。
        1.2水锤特性
        其一，水锤压力实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。如果开闭时间短，流量变化快，产生水锤的压力总是很高，整个过程变化也很快。
        其二，由于管壁的弹性和水体的可压缩性，沿管的水锤压力将以弹性波的形式出现。
        其三，水锤波与其他弹性波一样，在边界处反射，在外部条件下，其反射特性（反射波的数值和方向）取决于极限处的物理特性。
        1.3水锤的危害
        水锤产生的压强增加，通常比正常工作压力高出数十倍到几十倍。这样大幅度的波动，通常会造成比较明显的危害，主要表现在：一是由于压强的突然增大，会引发管道强烈振动，进而导致阀门受损、管道接口断裂，甚至于管道爆裂；二是会引发水泵反向转动，继而破坏泵房内的相关设备和管道，甚至于泵房突水受淹；三是如果水锤事故发生紧急突然，预案不完善，会造成人员伤亡的严重事故，造成生产停工的严重问题。
        2案例分析
        2.1概况
        某钢铁企业设备为1120kW电机，转速1450 r/min，水泵扬程212米，流量1300 m3/h，平时运行时两备两用，干管处有一型号为PQ700-2.5的过滤器，到高炉上分为两路，一路水供应36个风口小套冷却水，一路供给高炉冷却壁，均为手动阀控制，泵出口到过滤器管线长50米，过滤器到高炉底部200米，水泵到风口小套垂直距离在18米左右。此泵站自2019年以来发生两次水锤事件：
        第一次事故：检修时，压力由平时的2.01MPa升高到2.10MPa，过滤器下部焊缝崩裂。
        第二次事故：单台泵运行，压力升高到由1.5MPa升高到2.2MPa，泵出口支管汇流到干管处的盲板崩裂，事故分析当高炉上岗位在操作过程中逐一关闭36个风口小套阀门，而保留冷却壁的冷却水供应，这时压力突然升高，流量由2400m3/h降低到1400m3/h左右，判断是由于关闭高炉风口阀门时关速过快，造成关阀水锤事故。

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        2.2原因分析
        2.1.1水锤产生的人为原因
        根据两次设备损坏事件，并根据后期事故分析，高炉用户关阀太快造成关阀水锤，造成管路和设备的损坏。根据冲量定理，Ft=mV，即阀门或管道上的水流压力的作用时间，由水流质量与水流速度相乘而得。也就是说，关阀的时间越短，作用在设备上的力越大，也就加大了水锤的破坏力。
        2.1.2管道布置因素
        过滤器处，进水管和出水管都在管廊底部，距离过滤器约有4米左右，过滤器设计在地面上，这种几字形管路设置非常容易产生弥合水锤。此处缺少自动排气阀门。在封堵盲板的检修期间，结合用水工艺，对现场管道、盲板崩裂点情况进行了综合分析，发现崩裂部位在泵出口支管汇流到干管的盲板处。也就是当水锤产生后管道没有消除水锤的设备。
        3.水锤压力的预防措施
        3.1各类阀门的使用
        通常，在泵的出口有水锤消除器、安全阀、压力释放阀等，可避免水锤危害。管线有高低起伏，管线较高的位置容易积存空气，因为空气受压后体积会被压缩变小，但内压会大幅度的增加将会产生水锤，增加远程供水时，应在合理点设置自动排气阀。也要按照相关规范标准选择合适的排气阀门、超压泄压阀门。
        3.2选用合适扬程的水泵
        经过计算，水锤大小也与泵房水泵的扬程存在关系。当水泵扬程越高时，水锤值也越大。因此，应根据实际情况选用合适扬程的水泵。
        3.3设置多级止回阀
        在较长的输水管路中，增设一个或多个止回阀，把输水管划分成几段，每段上均设止回阀。当水锤过程中输水管中水倒流时，各止回阀相继关闭把回冲水流分成数段，由于每段输水管内静水压头相当小，从而降低了水锤升压。此项防护措施，可有效的用于供水高差很大的情况；但不能消除水柱分离的可能性。其最大的缺点是，正常运行时水泵电耗增大、供水成本提高。
        3.4采用恒压控制技术
        采用PLC自动控制系统，对机泵进行变频调速控制，对整个供水泵房系统操作实行自动控制。由于供水管网压力随着工况的变化而不断变化，系统运行过程中经常出现低压或超压现象，容易产生水锤，导致对管道和设备的破坏，采用PLC自动控制系统，通过对管网压力的检测，反馈控制水泵的开、停和转速调节，控制流量，进而使压力维持一定水平保持恒压供水，避免了过大的压力波动，使产生水锤的概率减小。
        3.5严格执行操作规程
        为确保运行安全，工作人员在操作过程中要严格按照岗位操作规程中既定工序、流程来执行，防止不当操作引起压力不均时影响系统运行，并尽量延长阀门开、关闭的时间，缓开闭阀门在一定程度上可以预防水锤危害。
        4.结语
        综上，为了满足钢铁企业供水管网的正常生产，认识水锤事故的形成、特点和危害，明确防护措施，对于消除供水管网的危险、降低维修费用、确保生产，具有重要意义。
        参考文献：
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        [2]陈斌.海南木色湖供水管网水锤分析及防护[J].中国市政工程，2019，000（004）：60-62，67.
        [3]李梦颖.消减城市给水系统水锤压力防护措施[J].建材与装饰，2019，000（014）：294-295.