白云西矿水锤的成因分析与防治措施

白云西矿水锤的成因分析与防治措施

包头钢铁有限公司（集团）有限公司将供水管道设计及输送能力为2500m。三个高压离心式供水管道通过输送高差为720mm的管道将水输送至云石西矿。管道全长130公里，水泵站和云石西矿之间的高差为500米。白云供水管线是包钢乃至国内第一条超高压、大口径、长距离的输水管线,在国内没有可以借鉴的经验。一旦在今后的实际运行中发生因水锤等危害引起的爆管事故,损失将十分巨大。我们通过认真研究,优化设计,在设计中采用先进的技术和设备,并在实际运行中取得了成功。1锤子1.1水锤的水锤水锤是有压管道中的非恒定流现象。在有压力管路中,由于某种外界原因(如阀门突然关闭、水泵机组突然停车)使水的流速突然发生变化,从而引起压强急剧升高和降低的交替变化,这种变化以一定的速度向上游或下游传播,并且在边界上发生反射,这种水力现象称为水锤。交替升降的压强称为水锤压强。1.2管道实际工作压力水锤有极大的破坏性。由于水锤产生的瞬时压强可达管道中正常工作压强的几十倍甚至于数百倍,这种大幅度的压强波动,可导致管道系统强烈振动产生噪声,可能破坏管道、水泵、阀门,并引起水泵反转,管网压力降低等。1.3水体流速改变产生水锤现象的原因是由于液体存在惯性和可压缩性。水锤现象的实质上是由于管道内水体流速的改变,导致水体的动量发生急剧改变而引起作用力变化的结果。水锤产生的另一个原因是管道中有空气,空气柱在突然降压时会膨胀,推动水柱运动,这样气推水、水推气,就会形成水锤,形成大的破坏力。特别是第一次试水,必须排气,排完气后才能充水。1.4停泵水锤关闭根据水锤产生的原因,可将水锤分为3种:(1)关阀水锤。开的阀门突然关闭时引起的水锤。(2)停泵水锤。正在运行的水泵因断电或事故时突然停泵引起的水锤。(3)断流弥合水锤。管道中的压力降低可能使管道中某点的压力降至水的汽化压力或管道中有空气,空气柱在突然降压时会膨胀,形成水柱分离,而在压力升高时,被分离的水柱再度弥合,互相撞击形成水锤,形成大的破坏力。1.5水锤波的传播速度考虑到水的压缩性和管壁的弹性变形,应用连续方程可得水锤波的传播速度为式中:c0—水中声波的传播速度c0=1425m/s;E0—水的弹性模量E0=2.04MPa;D—管道直径;2白云供水管道水锤的设计白云供水管线压力高、距离长、管径大,且输水又是从低处往高处输水,较易发生水锤。因此在工程前期对水锤的防治措施进行研究是非常必要的。2.1关闭停止和快速停止的选择2.1.1缓闭断环技术当水泵停止工作时,向前的动力或水流速度会减弱。当向前的流动停止时,反向流动即将开始。取决于系统的条件,逆转的发生可能很快,并带有迅速增加的流速。逆流发展的时间越长,积累的动能和流速越大。如果允许逆流去累积动能后,并在此时止回阀突然关闭,水锤必然产生,随之产生高的水锤压力。目前止回阀应用,大致可分为两大类产品:一类是较为传统的微阻缓闭式止回阀,为降低水锤常带有缓冲油缸系统,根据关闭速度可以将其归类为慢关型,关闭时间一般为1～15s,一般会引起泵的倒转。值得注意的是,当管路中存在驼峰而发生弥合水锤时,缓闭止回阀的作用就十分有限。另一种则为目前欧美较为流行的快闭式止回阀。由于止回阀的关闭行程极短(同时配有辅助快关装置),因此可以在回流还来不及发展之前瞬时完成关闭,时间可达0.15s。前者用水锤发生时的缓冲来降低水锤,而后者则是在水锤还来不及产生时即行关闭从而防水锤。2.1.2水锤计算的曲线对设计的防护措施进行计算(以最容易发生水锤的泵站附近管道为例)(1)基本数据。供水流速:v=1.11m/s;管道外径:920mm;管道内径:886mm;管道壁厚:17mm。(2)水锤计算。水的弹性模量与管材的弹性模量之比:K=0.01;管路内径与管道壁厚之比:r=886/17=52.12;压力波传递速度:①采用快闭止回阀时,水流被突然切断时的水锤升压:H2O发生水锤时,供水管路承受的总压力:h=500+130.34=630.34mH2O=6177kPa水锤相t=2L/a=2×130×1000/1151.9=225.7s②如果采用微阻缓闭止回阀:假设水流被切断实际所花的时间为:T=15s水锤升压:发生水锤时,供水管路承受的总压力:h=500+1961=2461mH2O=24118kPa2.1.3静接合剂的使用压力如果在管路中采用在液柱发生倒流之前就已完全关闭的快闭式止回阀,发生水锤时,供水管路承受的总压力为6177kPa,其压力值小于管线的打压试验压力11770kPa,所以白云供水管线的强度没有问题。如果在管路中采用微阻缓闭止回阀,关闭时间又较短的话,会造成破坏性水锤;关闭时间太长,又起不到止回阀应有的作用,所以不适合选用。2.2氮气安全阀的安装我们采用在每台水泵的出口装设快闭止回阀以消除水锤,同时在供水出口管线上加装氮气安全阀作为消除水锤的补救措施。另外,由于地形起伏较大,所以沿线设计有6个真空排气阀。整条水管道外径是920mm,管道壁厚沿线从17mm至13mm范围内变化。3水锤防护的设计白云供水管道系统投入运行后,经历了几次突然停泵的过程,从这几次的突然停泵造成的压力波动中,我们验证了水锤防护的设计,证明这些防护措施效果较好,具有消除水锤的功能。3.11压力波动大、持续时间较短从图中可见,1台高压水泵运行时突然停车后,供水管道总出口压力波动较大,但持续时间较短,在0.3h内压力趋于稳定。停泵后的压力超过了1台泵运行时的压力,但最高压力为5450kPa,远小于管道打压试验时的11700kPa。3.22台高压水泵停车前后压力波动图2为2台泵并联运行时突然停车后,供水管道总出口压力的波动图。从图中可见,2台高压水泵运行时突然停车后,供水管道总出口压力波动较大,在压力波波动过程中,最大压力为5550kPa,但远小于管道打压试验时的11700kPa。压力波动经过0.5h后趋于稳定。3.33管道出口压力波动图3为3台泵并联运行时突然停车后,供水管道总出口压力的波动图。从图中可见,3台高压水泵并联运行突然停车后,供水管道总出口压力波动较大,停泵后管道出口压力多次高于3台泵运行时的压力,在压力波波动过程中,最大压力为6250kPa,但远小于管道打压试验时的11700kPa,供水管道是安全的。压力波动时间出较长,压力波动时间经过1.5h后趋于稳定。4水锤的防治水锤目前,包钢白云供水管道系统投入运行后,白云供水管道的水锤防护效果明显,达到了预期效果,同时我们总结出了长距离输水管道水锤防护的经验和办法。(1)工程筹备前期要进行水锤分析研究。在长距离供水管道工程筹备前期,要对水锤的防治进行研究,对产生的水锤要进行详细的计算并论证,从而提出更合理的水锤防护措施。(2)在水泵出口装设快闭止回阀。在长距离输水管道系统中,在水泵的出口装设快闭止回阀,安全可靠性较微阻缓闭止回阀要高。(3)在供水管道沿线设置排气阀。在供水管道的沿线高点要设置排气阀,避免由于水柱