劉景樹

（天津鋼鐵集團有限公司煉鋼廠，天津300301）

煉鋼水系統(tǒng)主過濾器振動故障原因分析及排除

劉景樹

（天津鋼鐵集團有限公司煉鋼廠，天津300301）

針對煉鋼水系統(tǒng)主過濾器振動故障，從過濾器的工作壓力、水處理流量、反洗水流量、反洗管道的管徑等方面分析出故障產(chǎn)生原因，通過計算校核并結(jié)合現(xiàn)場情況實施技術(shù)改造，徹底消除了振動故障，杜絕了重大生產(chǎn)安全隱患，取得了較高的經(jīng)濟效益。

過濾器；流速；振動；水質(zhì)；流量

隨著煉鋼工藝的快速發(fā)展，對水系統(tǒng)運行的可靠性、穩(wěn)定性、配水精準(zhǔn)度的要求越來越嚴(yán)格。水質(zhì)、水壓、水量等，對產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備和設(shè)施壽命周期及故障率的影響至關(guān)重要。其中，水質(zhì)的優(yōu)劣關(guān)乎設(shè)備的安全，尤其是電氣設(shè)備，如EAF爐、LF爐主變壓器的油冷卻器和二次短網(wǎng)的間接冷卻水，水質(zhì)達(dá)不到要求，容易引發(fā)電氣故障，進(jìn)而中斷生產(chǎn)。煉鋼水系統(tǒng)因主過濾器振動而無法正常使用，致使水質(zhì)從根本上得不到保障，為此必須分析出過濾器振動的內(nèi)因，并制定相應(yīng)的技改措施，使之正常使用，以杜絕重大生產(chǎn)安全隱患。

2　煉鋼水系統(tǒng)工藝及設(shè)備配置和存在問題

2.1煉鋼水系統(tǒng)簡介

循環(huán)水泵房為煉鋼系統(tǒng)配置吸水井1座、供水泵組8臺（開六備二）、過濾器4臺（兩臺一組）分供兩條生產(chǎn)線，總循環(huán)水量約為13 000m3/h，總管壓力為0.65MPa。循環(huán)水泵房局部管網(wǎng)示意圖見圖1。

圖1　循環(huán)水泵房局部管網(wǎng)示意圖

2.2設(shè)備參數(shù)

設(shè)備參數(shù)見表1。

2.3主過濾器振動特征及危害

煉鋼水系統(tǒng)采用多濾柱式自動清洗管道過濾器，設(shè)置在供水主干管上。當(dāng)過濾器的進(jìn)、出水壓差累計到0.03 MPa時，控制裝置發(fā)出指令，打開過濾器反洗出口管道上的電動閥，利用系統(tǒng)內(nèi)外壓差產(chǎn)生的虹吸原理，實現(xiàn)過濾器的自動清洗。每次反洗過程中，過濾器本體和與之相連的局部供水管網(wǎng)都會產(chǎn)生間隔性的劇烈振動，其特征是以過濾器本體為振源，振動峰值間隔時間短且強度越來越大，在整個反洗過程持續(xù)發(fā)生。其危害為：振動導(dǎo)致過濾柱變形和移位，過濾精度和反洗效率均降低，供水水質(zhì)不能滿足工藝要求；供水主干管與泵組各出水管連接焊口，延環(huán)向間斷出現(xiàn)裂紋而滲水，越靠近過濾器本體的水泵出水管，焊口上的裂紋較長滲水越嚴(yán)重，且存在逐步劣化的趨勢；水泵運行不穩(wěn)定，致使電機因過載損壞；潛在的危害是在振動力的反復(fù)作用下，過濾器和水泵基礎(chǔ)的強度降低，地腳螺栓傾斜甚至松動，導(dǎo)致突發(fā)性管網(wǎng)泄漏，最終釀成重大事故。

表1　主要設(shè)備參數(shù)表

3　主過濾器振動故障及所造成危害的原因分析

3.1引發(fā)過濾器振動的內(nèi)因

煉鋼水系統(tǒng)過濾器采用多濾柱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由60個不銹鋼過濾柱延3個同心圓均勻布置，過濾精度為100μm，處理水量Qc=3 500m3/h，反洗排出水量Qf=6%×Qc，每次反洗時間Tf=3min。過濾器可設(shè)置為定時、壓差、手動3種反洗控制方式，本系統(tǒng)設(shè)定為壓差反洗方式。當(dāng)進(jìn)、出水壓差達(dá)到設(shè)定值時，控制器發(fā)出反洗信號，啟動反洗機構(gòu)的驅(qū)動電機帶動反洗機構(gòu)做圓周運動，同時打開反洗出口的電動排污閥，開始反洗過程。過濾柱分成10組，每組6個，從第一組濾柱開始虹吸反沖洗8 s后結(jié)束，間隔10 s開始反洗第二組濾柱，這樣重復(fù)10次，控制器發(fā)出停止驅(qū)動電機信號并關(guān)閉電動排污閥，過濾器反洗過程結(jié)束。

圖2　原設(shè)計過濾器局部管網(wǎng)示意圖

從過濾器的局部管網(wǎng)圖（見圖2）可看出，反洗排水的設(shè)計管徑為D159×5且延伸30多米至廠區(qū)排水系統(tǒng)。而每臺過濾器的反洗排水量，Qf=6%× Qc，即Qf=6%×3 600=216 m3/h，若兩臺過濾器同時反洗，排水量為432 m3/h。過濾柱的公稱直徑為DN80，排水管的公稱直徑為DN150，首先，在均勻流速條件下，滿足流量與管徑的平方成正比，即=（）2，D1=150 mm、D2=80 mm，由此得出，（150/ 80）2≈3.52＜6，排水管徑不能滿足反洗排水量的要求；其次，在過濾器反洗出口處，水的勢能全部轉(zhuǎn)化為動能流入排水管，由于沿程阻力、局部阻力與流速的平方成正比，期間流速會逐漸下降，排水管更加不能滿足要求。加之反洗排水管過長，這樣，在相鄰兩組過濾柱反洗間隔時間內(nèi)，上一次反洗出水因不能及時排至廠區(qū)排水系統(tǒng)，而滯留在反洗排水管道中。

如前所述，反洗出水因勢能全部轉(zhuǎn)化為動能，以高流速的流態(tài)進(jìn)入反洗排水管，并與滯留其中近似靜態(tài)的水發(fā)生激烈撞擊而相互作用，類似于水錘現(xiàn)象，水錘波傳遞并施加給過濾器，由此使過濾器發(fā)生振動。與此同時，反洗排出水因撞擊導(dǎo)致流速降低而排放量下降，濾柱反洗間隔時間內(nèi)，反洗排水管道積水段長度加大，待下組過濾柱反洗時再次發(fā)生撞擊，且發(fā)生撞擊的斷面離過濾器本體更近，從而引發(fā)過濾器更強的振動。據(jù)此整個過濾器反洗過程共發(fā)生9次振動，因為撞擊部位逐漸靠近過濾器本體，所以振動越來越劇烈。

3.2引發(fā)危害的原因分析

在主過濾器發(fā)生振動的同時，會引發(fā)對過濾柱的沖擊，使過濾縫隙的均勻度改變，致使過濾精度降低，反復(fù)的振動沖擊導(dǎo)致過濾柱移位，部分水未經(jīng)過濾直接進(jìn)入系統(tǒng)，且反洗效果變差，水中粒徑較大的雜質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)，將安裝在支干管上Y型過濾器的過濾網(wǎng)擊破，過濾精度大大降低，是引發(fā)水質(zhì)劣化的原因。

振動波沿供水主干道傳播，在主管道與水泵壓水管道連接的焊口處產(chǎn)生剪切力，在剪切力的反復(fù)作用下焊口處因疲勞而出現(xiàn)裂紋，距離主過濾器越近，剪切力的作用越強，焊口劣化越嚴(yán)重。振動波通過水泵的壓水管道傳播，作用到水泵及電機上，在地腳螺栓處產(chǎn)生剪切力，反復(fù)作用將使其安裝精度和運行精度發(fā)生變化而產(chǎn)生附加荷載，導(dǎo)致電機過載損壞。

上述分析中，因第一組1#、2#過濾器與第二組3#、4#過濾器，產(chǎn)生的剪切力的方向相反，從而加強了其破壞力。每臺過濾器平均每天反洗5次，若不考慮過濾器同時反洗的情形，每天發(fā)生的振動次數(shù)為，4×5×9=180（次）。焊口在長時間的高強度、高頻率剪切力的反復(fù)作用下，最終會發(fā)生斷裂，導(dǎo)致系統(tǒng)水大量泄出，淹沒泵房設(shè)備和配電系統(tǒng)，引發(fā)重大事故。

4　技術(shù)改造措施

4.1技改措施的構(gòu)想

若要徹底消除過濾器的振動，首先要加大過濾器反洗排水管道的管徑，以減小反洗出水的動能，加大排水量；同時又要縮短排水管道的長度，使反洗水在相鄰兩組過濾柱反洗間隔時間內(nèi)快速排出，而避免發(fā)生撞擊。技術(shù)改造措施見圖3，反洗出先水經(jīng)D273×7管道就近快速排入擴容池中，使其變?yōu)殪o態(tài)；然后再靠重力流經(jīng)D630×9管道排入廠區(qū)排水系統(tǒng)。過濾器設(shè)置為定時反洗，每隔5 h反洗一次，同組的2臺過濾器反洗啟動時間錯開2 h，避開因2臺過濾器同時反洗而產(chǎn)生的迭加效應(yīng)。

4.2技改措施的相應(yīng)計算校核

4.2.1從過濾器本體至擴容池間的反洗排水管道校核

圖3　實施技改措施后反洗管網(wǎng)示意圖

從圖3可知，管道的公稱直徑為DN250mm，有效長度L=6m。由（公式1），D1=250mm、過濾柱直徑D2=80 mm，得出，（250/80）2≈9.77＞6，管徑可以滿足6只過濾柱要求。反洗水流速v≥3m/s，取最小值v=3m/s，反洗水從過濾器本體流至擴容池的最大時間，T=L/v=6/3=2 s＜10 s。即在下一組濾柱反洗前，反洗水已排入擴容池，管道內(nèi)無殘留水，因而不會產(chǎn)生撞擊。

4.2.2擴容池和重力流管道的校核

由圖3算出，擴容池的有效容積，Vy=2×1.5×（1.2-0.2）=3m3。根據(jù)3.1節(jié)中的計算結(jié)果，Qf=216 m3/h，反洗過程需3 min，反洗出水分10次排出，則每組過濾柱的反洗出水量m3＜3m3，擴容池的有效容積可滿足要求。重力流管道公稱直徑為DN600，流速vg≮0.6m/s。根據(jù)流量計算公式，，其最小排水流量Q= 0.25×3.14×0.62×0.6×3 600=610.4 m3/h＞216 m3/h，可以滿足反洗水量要求。

4.3對產(chǎn)生的隱患處理

利用定修時間對過濾器進(jìn)行拆檢，更換變形和損壞的過濾柱，檢查過濾器基礎(chǔ)、法蘭連接處，根據(jù)具體問題進(jìn)行處理；對焊口裂紋處進(jìn)行清根處理后重新焊接；按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《機械設(shè)備安裝工程施工及驗收通用規(guī)范》GB50231—2009的規(guī)定，重新找正和調(diào)整水泵、電機的安裝精度，直至符合規(guī)范要求；按《工業(yè)金屬管道工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50184—2011的規(guī)定，對泵房局部管網(wǎng)進(jìn)行壓力試驗，試驗合格后方可投入使用。

5　采取技改措施后的效益

實施技術(shù)改造后，因杜絕了文中所述的危害和隱患。每年可節(jié)省因更換不銹鋼過濾柱的備件費用120萬元；更換Y型過濾器不銹鋼過濾網(wǎng)備件費用30萬元；節(jié)省水泵電機修理費用35萬元；節(jié)省隱患和故障搶修需投入的人工、材料、機械設(shè)備費用30萬元。在不計因突發(fā)性重大事故造成經(jīng)濟損失下，每年的總效益為215萬元。

6　結(jié)束語

本文針對煉鋼水系統(tǒng)主過濾器的振動及其危害，結(jié)合水泵房的局部管網(wǎng)和實際運行情況，介紹過濾器的振動特征及危害，從過濾器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)、反洗機理、反洗水量、流速和排水管原設(shè)計等方面分析出引發(fā)過濾器振動及危害的內(nèi)在原因。在此基礎(chǔ)上構(gòu)想出技術(shù)改造措施，通過計算校核并結(jié)合現(xiàn)場情況實施技術(shù)改造，從而徹底消除了過濾器的振動及危害，杜絕了重大生產(chǎn)安全隱患，實現(xiàn)了年創(chuàng)效215萬元。

［1］余金鳳，張永偉.水泵與水泵站［M］.北京：中國水利與電力出版社，2001.

［2］孫東坡.水力學(xué)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［3］張玉先.排水工程［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1987.

Cause Analysis on Vibration Fault of M ain Filter of Steel-making W ater System and Trouble Shooting

LIU Jing-shu
（Steel-making Plant，Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）

Aiming at the vibration fault at themain filter of steel-making water system，the author analyzed from aspects of filter working pressure，water treatment flow，backwashing flow and backwashing pipe diameter and found the cause.The vibration fault was completely eliminated through calculation calibration and the implementation of technicalmodification in combination with site conditions and the major hidden trouble in production safety avoided.High economic benefitwas obtained.

filter；flow velocity；vibration；water quality；flow

1引言

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.015

2016-03-07

2016-04-07

劉景樹（1964—），男，天津人，高級工程師，主要從事冶金設(shè)備運行管理工作。