曹金娣 張 平 趙 會(huì)

（天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司 天津300301）

1 概述

在冶金行業(yè)中，水淬火設(shè)備被廣泛應(yīng)用于無縫鋼管的熱處理生產(chǎn)線，通過對無縫鋼管水淬火處理可提高鋼管的硬度和耐磨性。水系統(tǒng)是水淬火設(shè)備中的重要組成部分，提供水淬火過程中所需的水量。因而水量的控制在水淬火過程中尤為重要。本文所介紹的水系統(tǒng)用在“槽內(nèi)內(nèi)噴＋旋轉(zhuǎn)＋外噴”的水淬火工藝中，通過鋼管在槽內(nèi)的浸淬、旋轉(zhuǎn)以及對鋼管內(nèi)部、外部的均勻噴水，實(shí)現(xiàn)鋼管的淬火。因此需設(shè)置內(nèi)噴水泵房及蓄水池，通過內(nèi)噴水泵提升內(nèi)噴水的壓力。對外噴水的壓力要求較小，外噴水可通過廠房直接供水。當(dāng)淬火停止時(shí)，通過閥門控制，將內(nèi)外噴水量回水到蓄水池。因?yàn)樯婕暗奖梅坎贾谩⒐苈酚?jì)算及水泵安裝高度確定，故以720槽式水淬為例，通過確定的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行介紹。

2 水系統(tǒng)布置介紹

2.1 主要技術(shù)參數(shù)（見表1）

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2.2 水系統(tǒng)布置（見圖1）

圖1 水系統(tǒng)布置圖

水系統(tǒng)主要由各條管路、水泵機(jī)組以及多種閥門組成，如圖1所示。

2.3 水泵機(jī)組布置

水系統(tǒng)水泵機(jī)組布置采用橫向雙行排列，與以往橫向排列相比結(jié)構(gòu)更為緊湊，具有節(jié)省占地面積的優(yōu)點(diǎn)，對比示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 橫向排列布置

圖3 橫向雙行排列布置

由于該水系統(tǒng)用于大管徑鋼管熱處理項(xiàng)目中，用水量較大，因此泵房內(nèi)各輸水管管徑和水泵機(jī)組占地面積都比較大，考慮整個(gè)廠房的占地，如果采用橫向排列，勢必導(dǎo)致空間狹小而無法實(shí)現(xiàn)的問題，因此采用橫向雙行排列則很好的解決了這一問題。

2.4 水系統(tǒng)管路設(shè)置

該水系統(tǒng)用在水淬火工藝為“槽內(nèi)內(nèi)噴＋旋轉(zhuǎn)＋外噴”的水淬火裝置，因此水系統(tǒng)主要由內(nèi)噴和外噴兩部分組成。

廠房提供的內(nèi)噴水首先注入蓄水池內(nèi)，吸水管從蓄水池內(nèi)引水，通過水泵機(jī)組的提升將壓力水引到壓水管，幾根壓水管匯集到一根總出水管，內(nèi)噴水通過兩個(gè)液動(dòng)三通截止閥到達(dá)內(nèi)噴噴嘴處，實(shí)現(xiàn)對鋼管的內(nèi)噴工藝。

由于每根鋼管淬火有時(shí)間間隔，而大功率的水泵經(jīng)常啟閉會(huì)造成對電網(wǎng)的沖擊，因此內(nèi)噴水泵需要處于常開狀態(tài)下，這就需要考慮不淬火時(shí)內(nèi)噴水的回水問題。該水系統(tǒng)通過液動(dòng)三通截止閥閥瓣的轉(zhuǎn)換，當(dāng)淬火停止時(shí)，將內(nèi)噴水引到回水管內(nèi)，通過回水管將內(nèi)噴水回水到蓄水池。

外噴水直接采用廠房來水，同樣在不淬火時(shí)通過液動(dòng)三通截止閥的轉(zhuǎn)換將外噴水回水到蓄水池內(nèi)。同時(shí)在三通閥進(jìn)水管上引出一根管路，用于槽內(nèi)沖渣。

2.5 閥門及配套設(shè)施布置

吸水管路上變徑管采用偏心漸縮管，且保持漸縮管的上邊水平，避免形成氣囊，影響吸水。

泵站內(nèi)壓水管路經(jīng)常承受高壓，尤其是發(fā)生水錘時(shí)，因此為安裝方便及避免管路上應(yīng)力傳至水泵，在水泵進(jìn)出口上安裝橡膠接頭。

壓水管上設(shè)置止回閥，避免停泵時(shí)水倒灌進(jìn)泵房，止回閥設(shè)置在泵和蝶閥之間，因止回閥在使用中經(jīng)常損壞，因此在檢修時(shí)可用蝶閥將壓水管路斷開。

由于該水系統(tǒng)用水量大，管路震動(dòng)及泵房內(nèi)噪音都比較大，尤其在液動(dòng)三通截止閥部分，閥瓣換向時(shí)，震動(dòng)更加明顯，同時(shí)由于流速的劇烈變化導(dǎo)致管路內(nèi)壓力的急劇交替升降，很可能導(dǎo)致水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，如管路因此而破壞將造成嚴(yán)重后果。因此在三通閥的進(jìn)水口和兩個(gè)出水口上安置水錘消除器，以消除部分水錘，減小管路震動(dòng)，保證使用過程中的安全。

在內(nèi)噴出水總管路上安裝電磁流量計(jì)，以控制內(nèi)噴水量。為確保計(jì)量準(zhǔn)確，使用中應(yīng)保證從電磁流量計(jì)的中心到上游有大于5倍管徑的直管段。

該水系統(tǒng)用于規(guī)格為φ339～φ720mm 的鋼管槽式水淬火設(shè)備中，鋼管在升降梁中上下升降實(shí)現(xiàn)槽內(nèi)浸淬。這就要求內(nèi)噴嘴隨同鋼管一起升降對中鋼管中心，實(shí)現(xiàn)對鋼管內(nèi)部的均勻淬火。因此需將內(nèi)噴管做成伸縮的形式，在保證內(nèi)噴嘴自如升降的同時(shí)，對內(nèi)噴管的淬火水還有一定的密封作用。在本設(shè)計(jì)中采用“新型槽式水淬伸縮管結(jié)構(gòu)”形式。該形式將內(nèi)密封環(huán)置于兩個(gè)法蘭中間，其中的一個(gè)法蘭與下管段焊接，再用螺栓將三者把合在一起放入上管段內(nèi)，同時(shí)，在內(nèi)密封環(huán)的螺栓孔內(nèi)安裝鋼套，以免在螺栓擰緊時(shí)使內(nèi)密封環(huán)壓縮變形過大而影響伸縮管的正常使用。此種形式避免了由于連接件的內(nèi)置而無法完成對其擰緊的問題，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。目前該結(jié)構(gòu)已獲得國家專利。［1］

3 計(jì)算及理論依據(jù)

水系統(tǒng)水量、管路管徑及布置都應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)，在符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下優(yōu)化管路設(shè)計(jì)。

3.1 內(nèi)噴水量的計(jì)算

式中 S—內(nèi)噴水通過的最大橫截面積，由產(chǎn)品大綱得最大鋼管外徑為711mm，對應(yīng)該規(guī)格的最大壁厚為40mm；

V—通過該規(guī)格鋼管的最大流速，鋼管最長為15m，要求水在2～3s內(nèi)充滿鋼管，取2.5s，因此，流速V＝15／2.5＝6m／s。

Q—內(nèi)噴水量，故取Q＝7000m3／h。

由于該水系統(tǒng)用水量較大，需使用幾臺(tái)水泵并聯(lián)工作，設(shè)計(jì)中使用少數(shù)大泵還是多臺(tái)小泵在選泵時(shí)至關(guān)重要。使用少數(shù)大泵必將增大電機(jī)功率，同時(shí)輸水管徑也會(huì)隨之增大。而使用多臺(tái)小泵需考慮多臺(tái)水泵并聯(lián)工作時(shí)水泵特性曲線，臺(tái)數(shù)過多可能會(huì)使工況點(diǎn)移出高效段范圍。因此經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定該系統(tǒng)水泵數(shù)量為四用一備。

由于四臺(tái)水泵并聯(lián)工作時(shí)單臺(tái)水泵出水量為水泵單獨(dú)工作時(shí)的70%～80%，因此與內(nèi)噴水量8800m3／h相符合。根據(jù)流量揚(yáng)程選取水泵型號，所選水泵額定流量為2800m3／h。

3.2 內(nèi)外噴管徑確定

內(nèi)噴吸水管徑：

（因泵房為自灌式取水，流速可適當(dāng)放大，取v＝2m／s）

所以吸水管徑DN700

內(nèi)噴壓水管徑：

（取v＝2.5m／s）

所以吸水管徑DN600

外噴管徑：

（取v＝2.5m／s，Q＝2800m3／h）

所以外噴來水管徑DN700

3.3 水泵安裝高度的確定

設(shè)計(jì)水泵時(shí)需考慮泵的安裝高度，由于蓄水池最低水位低于泵軸中心線，當(dāng)水泵安裝高度超過一定范圍時(shí)，泵內(nèi)的水汽化，發(fā)生氣蝕和氣穴現(xiàn)象，從而導(dǎo)致吸水出現(xiàn)問題，甚至破壞泵體。因此設(shè)計(jì)中考慮泵安裝高度至關(guān)重要。

Hmax＝10.33－NPSHr－0.5

NPSHr為水泵廠樣本中所提供的汽蝕余量。

根據(jù)所選水泵型號查得NPSHr為6.3，得

Hmax＝3.53m

即泵軸中心線到最低液位需小于等于3.53m

4 結(jié)論

該水系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，在滿足使用條件的情況下大大減小占地面積，閥門的合理使用使設(shè)備在工作過程中運(yùn)行的更為靈巧，對鋼管內(nèi)噴水處理時(shí)，新型伸縮管的使用使得設(shè)備運(yùn)行更為順暢，且安裝維護(hù)方便。內(nèi)噴水泵數(shù)量的合理選擇，大大提高了水泵的使用效率，降低了經(jīng)濟(jì)成本。水系統(tǒng)管路的合理布置及精確計(jì)算，減少了能量損失及管路沖擊。

［1］本公司專利產(chǎn)品，專利號為ZL201220288859.3.

［2］黃敏主編.熱工與流體力學(xué)基礎(chǔ).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］上海市政工程設(shè)計(jì)研究院主編.給水排水設(shè)計(jì)手冊（第3冊）（第2版）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］蔡增基，龍?zhí)煊逯骶?流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)（第四版）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.