牛夢杰，張藍月，孟玉周

(華北水利水電大學機械學院，河南鄭州450008)

指導老師:吳林峰。

0 引言

無損插樁機具供水系統(tǒng)主要由水泵、管路、閘閥及壓力表、流量表等組成。它是能量傳輸?shù)耐ǖ?，好比人體中的血管，在整個設備中占有重要的地位，管路是供水系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，對供水系統(tǒng)的性能、可靠性、安全性和維護性等均有著重要的影響。

1 供水系統(tǒng)總體方案設計

根據(jù)管樁底部地層成孔和管樁結(jié)構(gòu)中空的特點，設計兩套方案。一種是利用管樁的空心作為射流管路的一部分，射流從供水系統(tǒng)(水泵)流出的高壓水從樁的頂部流入，經(jīng)過中空部分從管樁底部射流而出(如圖1(a)所示);另一種是將供水管路系統(tǒng)穿過管樁內(nèi)部空心，設置專用的管路和射流出口(如圖1(b)所示)。

圖1 方案設計

方案(a)由射流出口1、管樁2、壓盤裝置3、橡膠管4、水泵及其電機6 和連接水泵與橡膠管的連接接頭5 等6 部分組成。方案b 由射流出口1、鋼管3、連接彎頭4、橡膠管5、水泵及其電機7、連接水泵和橡膠管的連接接頭6 組成。

圖1 中兩種方案優(yōu)缺點如下。

1)方案(a)缺點是管樁中心另外設置鋼管作為設立系統(tǒng)的一部分，增加了設備的重量，施工時，增加了施工中連接的工藝過程，增大了管路泄露概率。優(yōu)點是單獨在管樁中設計供水管路，減去了對管樁承壓及密封性要求。

2)方案(b)缺點是把管樁空心部分作為管路的一部分，增大了對管樁承壓及密封性要求，增大了管樁端板及內(nèi)徑的制作精度要求(因為設立裝置固定在端板頂部)。優(yōu)點是設備重量小，操作工藝簡單。

由于樁24 m，屬于超長樁，組成供水管路的鋼管3 由多節(jié)鋼管組成，其中，鋼管的連接方式又有3 種，如圖2 所示。

圖2 鋼管連接方案

圖2 方案中，射流裝置作為固定部件安裝在樁中心管路端部，圖2(a)方案通過在鋼管兩端加工外螺紋，與套筒通過螺紋連接，形成封閉管路;圖2(b)方案通過在鋼管兩端焊接法蘭對接，形成封閉管路;圖2(c)方案在鋼管兩端加工螺紋，直接通過內(nèi)外螺紋連接形成封閉管路。同時，樁端板與進水管連接設計圖3 所示結(jié)構(gòu)。管樁頂部有一蓋板與其端板通過螺栓連接。進水口鋼管焊接一支撐板并有凸緣，工作時放置在壓板的卡槽中，防止軸向扭轉(zhuǎn)。吊耳設置焊在壓盤上。為了減少吊耳的承載壓力，在樁周圍壓配有一抱箍，增強設備的安全與可靠性。

圖3 樁端板與壓盤連接方案

2 水泵的選型

水泵是供水系統(tǒng)提供動能的核心部件，其選型直接關(guān)系到射流沉樁的可行性和效率，其中水泵流量和揚程是兩個關(guān)鍵的參數(shù)，決定射流破土能力，但供水系統(tǒng)的設計與射流裝置的設計又相輔相成。

水泵是一種廣泛應用的通用型機械設備，它廣泛地應用于國民工業(yè)和和國防各部門，在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。合理選擇所需的水泵是正確使用水泵的先決條件:必須滿足使用流量和揚程的要求，即要求泵的運行工次點(特性曲線與性能曲線的交點)經(jīng)常保持在高效區(qū)間運行，做到既省動力又不易損壞機件;體積小、重量輕、造價便宜，具有良好的特性和較高的效率，運行平穩(wěn)、壽命長。根據(jù)本工程的使用情況(無計量要求，水流正常粘度，揚程大于20 m)，選擇單臺離心式水泵。

2.1 水泵流量Q 的確定

據(jù)流體力學伯努利方程，理想狀態(tài)下系統(tǒng)中的靜壓等于噴嘴出口的動壓為p0，流速為v0，則單個噴嘴的流量為:

多出口同時工作時，流量為

式中，K 為系統(tǒng)泄露系數(shù)，一般取 K =1.1 －1.3;A 為水泵出口面積;Q總為多出口同時工作時的水泵的流量。因此Q =145.6(m3/h)。

2.2 系統(tǒng)所需揚程H 的計算

由伯努力方程有:

式中，Hg，稱為幾何給水高度，也稱靜揚程;hw為從水泵出口到噴嘴出口之間總的管路損失，稱水頭損失。

水提升幾何高度Hg，最大值為地面上25 m(系統(tǒng)提供的能量必需能將水管中的水輸送到與壓盤連接彎管最高處)，最小值為地面下24 m(噴嘴出口最低位置)，噴嘴射流速度不小于25 m/s，出口壓力為0.5 MPa(相當于50 m 高水柱)。管路簡單、流速不大的，取∑Δp = (0. 2 － 0. 5)MPa;管路復雜的，取∑Δp=(0.5 －1.5)MPa。該設備管路簡單，可取前者∑Δp =0.2 MPa，即相當于水柱高20 m，即hw=20 m。

假設水泵進水口在水面下2 m 處，射流出口實際工作中在地面和地面以下24 m 之間，水管水最高輸送到25 m。因此在最高位置時，由式(3)有:

H1=z3－z1+hw+50 =75 m

壓盤裝置在最低位置時，則有:

H2=z1－z2+Hs+hw+50 =70 m

實際水泵揚程H≥max { H2，H2}，故水泵揚程H≥75 m。

2.3 水泵型號的選擇

根據(jù)以上分析，泵類型為清水泵，泵的揚程H ＞75 m，流量Q ＞145.6 m3/h，根據(jù)工業(yè)泵的型譜圖可選擇泵的轉(zhuǎn)速 n =2 900 r/min，D(MD)系列煤礦用清水(或耐磨)多級離心泵。選泵的型號為:D155 －30 －3，額定流量為 155 m3/h 揚程，90 m。電動機的型號為:YB2.280S.4，功率75 kW，電壓 380 V，水泵和電機為同一底座。

3 水管的選擇

在管路中改變走向、標高或改變管徑以及由主管上引出支管等均需要用管件?？紤]到水泵出口和連接彎頭之間，實際使用性能的需要，選擇膠管，膠管直徑的大小與連接法蘭端部直管的尺寸有關(guān)，膠管承壓大小由工作時壓力決定。膠管的工作壓力，對于經(jīng)常不使用的情況可提高20%;對于使用頻繁、經(jīng)常彎扭者要降低40%。根據(jù)管路最大工作水壓1 MPa，因此選擇膠管型號為D152 耐壓不小于1.5 MPa 的大口徑橡膠軟管，夾布層數(shù)為5 層，螺旋鋼絲直徑為4.0 mm，單根管長度10 m。

對于圖1b 方案管樁中心的鋼管，選擇承壓不小于1 MPa，管徑和壓盤內(nèi)控相配合的D 150 無縫鋼管。

4 閘閥及壓力表和流量表的選擇

4.1 閘閥的選擇

閘閥是安設在供水管路上通過改變其內(nèi)部通道截面積來控制管路內(nèi)部介質(zhì)流動的一種通用機械產(chǎn)品，它在管路中的作用極為關(guān)鍵，有“管路的咽喉”之稱。為了保證整個管路水射流的壓力和流量穩(wěn)定以及遇到意外情況時(噴嘴堵塞等)便于管路射流的控制和安全，需要設置閘閥及壓力表和流量表等儀表。在供水過程中使用的閥門種類繁多，主要有閘閥、蝶閥、止回閥、自動排氣閥。有防腐要求的選用化工閥門。由于蝶閥具有結(jié)構(gòu)簡單、外形尺寸小、啟閉方便迅速、調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)點，同時蝶閥廣泛用于2.0 MPa 以下的壓力和溫度不高于200℃的各種介質(zhì)。閥桿只做旋轉(zhuǎn)運動，操作簡單可靠。根據(jù)管路尺寸，選擇公稱直徑為D150 的蝶閥即可。

4.2 流量表的選擇

流量是一個動態(tài)量，其測量過程與流體流動狀態(tài)、流體的物理性質(zhì)、流體的工作條件、流量計前后直管段的長度等有關(guān)。流量有速度式流量計、差壓式流量計、容積式流量計、浮子流量計、渦輪流量計、渦銜流量計、超聲波流量計、電磁流量計等幾種。其中電磁流量計由傳感器、轉(zhuǎn)換器及顯示器等部分組成。其主要優(yōu)點:無壓損，節(jié)能效果好;不受流體的濕度、密度、黏度、壓力和電導率變化影響;流量范圍大，口徑范圍寬。根據(jù)管路尺寸要求，選擇公稱直徑為D150 的分體式電磁流量計。

4.3 壓力表的選擇

為了合理、經(jīng)濟使用儀表，儀表的量程不能選得太大，但為了保證測量精度，一般被測壓力的最小值不低于儀表滿量程的1/3 為宜。同時為了延長彈性元件的使用壽命，避免彈性元件因長期受力過大而永久變形，壓力表的上限值應該高于被測量的最大值(量程的1/2 ～1/3)，留有余量。在滿足工藝要求的前提下，盡可能選用精度較低、價廉耐用的儀表。因此選擇最大壓力為1.6 MPa、精度0.2 MPa、表盤直徑為150 mm 的壓力表。

為了保證壓力表和流量表能夠準確反映管路中流量和壓力，安裝時，儀表要遠離水泵出口3 倍的管徑，如果水泵出口和儀表座進口型號不符時，需要用變徑管將兩者連接起來，壓力表、流量表和閘閥與水泵連接如圖4 所示。

圖4 儀表與水泵連接圖

5 結(jié)語

對以上設計的供水系統(tǒng)，結(jié)合水利部公益性行業(yè)專項項目的其他構(gòu)成部分，由鄭州黃河水電公司在鄭州市花園口南裹頭進行30 根重復導流樁壩的施工試驗。試驗結(jié)果表明，本供水系統(tǒng)的管路設計是可行的，流量表在實際度數(shù)時需要取多個瞬時流量求得平均值，壓力表度數(shù)在最大值和最小值中間波動，在管路配件的選取上，應考慮循環(huán)水的流速和流量損失。

［1］禹華謙.流體力學［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［2］陳文義，張偉. 流體力學［M］. 天津:天津大學出版社，2004.

［3］成大先.機械設計手冊(1 －5)［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2008.

［4］《簡明管道工設計手冊》編寫組. 簡明管道工設計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1993.

［5］范德明.工業(yè)泵選用手冊［M］. 北京:化學工業(yè)出版社，1998.

［6］吳林峰，謝友成，陳欣. 射流式拔樁器供水系統(tǒng)管路設計［J］.中國水利，2010(4):40 －42.