孔立群，王 震，王 果

（中國(guó)重型機(jī)械研究院，西安710032）

鋼管水壓試驗(yàn)循環(huán)水隔油沉淀池設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

孔立群，王 震，王 果

（中國(guó)重型機(jī)械研究院，西安710032）

為了保證鋼管水壓試驗(yàn)循環(huán)用水的水質(zhì)能夠維持正常生產(chǎn)，通過對(duì)循環(huán)水隔油沉淀池設(shè)計(jì)目標(biāo)要求進(jìn)行分析，給出設(shè)計(jì)流量、隔油池表面面積、隔油池過水?dāng)嗝婷娣e、隔油池有效水深和池寬、隔油池長(zhǎng)度、沉淀池面積以及沉淀池容積等關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算公式，并對(duì)相關(guān)參數(shù)取值進(jìn)行了討論，以某大直徑焊管水壓試驗(yàn)隔油沉淀池設(shè)計(jì)為例進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算。最后，提出了鋼管水壓試驗(yàn)隔油沉淀池設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算應(yīng)注意的事項(xiàng)。

鋼管；水壓試驗(yàn)；隔油沉淀池；設(shè)計(jì)參數(shù)；表面負(fù)荷率

Abstract:In order to guarantee the water quality of steel pipe hydraulic test circulation water can maintain normal production,through analysis on design goal task of circulating water oil separation tank,some key parameters calculation formula and process were given,such as the design flow,the oil separation tank surface area,oil separation tank water cross section area,the effective water depth and pool width of oil separation tank,the length of the oil separation tank,oil separation tank area and volume,and the parameter values were discussed.Taking large diameter welded pipe hydraulic test oil separation tank design as an example to conduct parameters calculation,finally put forward the precautions for calculating the design parameters of steel pipe hydrostatic test oil separation tank.

Key words:steel pipe;hydrostatic test;oil separation tank;design parameter;surface loading rate

水壓試驗(yàn)作為鋼管生產(chǎn)過程中的重要工序，其生產(chǎn)工藝用水采用循環(huán)利用模式。由于循環(huán)水處在一個(gè)開放的系統(tǒng)中，直接與產(chǎn)品、生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)環(huán)境相接觸，導(dǎo)致水中帶入許多氧化鐵皮、金屬粉塵、車間灰塵沙粒、生產(chǎn)設(shè)備潤(rùn)滑油以及跑、冒、滴、漏進(jìn)入水中的液壓油等。為了保證循環(huán)水質(zhì)以維持正常生產(chǎn)，需要對(duì)循環(huán)水進(jìn)行水質(zhì)處理。平流式隔油沉淀池由于造價(jià)低、操作維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)行管理方便、除油沉淀效果穩(wěn)定等特點(diǎn)，成為首選水處理構(gòu)筑物。本研究以隔油沉淀池的規(guī)劃設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，探討其關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算及參數(shù)選取時(shí)應(yīng)注意的問題。

1 鋼管水壓試驗(yàn)循環(huán)水隔油沉淀池設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

鋼管水壓試驗(yàn)循環(huán)水中的懸浮物主要是氧化鐵皮、金屬粉塵和泥沙灰塵。其中，大粒的懸浮物對(duì)設(shè)備正常生產(chǎn)影響顯著，嚴(yán)重情況下會(huì)磨損設(shè)備、破壞閥門密封面，甚至附著在產(chǎn)品表面。從設(shè)備使用角度來看，循環(huán)水的懸浮物處理，主要是去除粒徑大于0.15 mm的懸浮物顆粒。

循環(huán)水中的油和油脂主要是液壓元件和油缸泄漏以及檢修時(shí)外漏產(chǎn)生的。循環(huán)水中含油量偏高，一是污染生產(chǎn)環(huán)境，甚至污染產(chǎn)品，油污附著在鋼管表面給后序生產(chǎn)造成影響；二是造成循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備故障，油污會(huì)腐蝕一些特定的密封件。更為嚴(yán)重的是，循環(huán)水中的油污牢固粘附在氧化鐵皮、泥沙粉塵的細(xì)粒上，隨著固體顆粒沉淀或懸浮于水體中長(zhǎng)期積累容易形成油泥，其數(shù)量多，危害大，可堵塞管路或破壞密封，加劇設(shè)備腐蝕等。另外，油泥最終排放處理難度也較大。

一般來說，循環(huán)水中的油有4種分布狀態(tài)。

（1）浮油。這種油漂浮在水面上，顆粒較大，油粒直徑一般＞100 μm，易從水中分離出來，上浮至水面而被撇除。此種油約占水中含油量的60%～80%。潤(rùn)滑油、機(jī)油、液壓油在水中主要以浮油形式存在。

（2）分散油。油粒直徑10～100 μm，以微小油珠懸浮于水中，不穩(wěn)定，靜置后易形成浮油，約占水中含油量的10%～30%。

（3）乳化油。這種油的油粒直徑很小，一般＜10 μm，形成穩(wěn)定的乳化液，長(zhǎng)期分散在水中不易上浮。乳化油對(duì)于鋼管水壓試驗(yàn)設(shè)備的使用無明顯影響，但對(duì)環(huán)境影響較大，排放處理難度很大。因此，對(duì)鋼管水壓試驗(yàn)循環(huán)水中的浮油應(yīng)盡早去除，以免在循環(huán)過程中由于泵的提升攪動(dòng)以及試壓、加壓等過程而加劇循環(huán)水的乳化程度。

（4）溶解油。這種油在水中的含量極小，油粒直徑一般在0.1 μm以下，以分子狀態(tài)或化合物狀態(tài)分散于水中。在鋼管水壓試驗(yàn)循環(huán)水處理中一般不予考慮。

綜上所述，鋼管水壓試驗(yàn)循環(huán)水除油的目標(biāo)就是最大限度地去除浮油。

1.2 平流式隔油沉淀池

平流式隔油沉淀池是集傳統(tǒng)平流式隔油池和平流式沉淀池于一體，水池既滿足隔油的功能又能達(dá)到沉淀的作用。在工程實(shí)踐中將沉淀池、隔油池合建在一起，充分發(fā)揮一池多用的功能，大大減少了循環(huán)水處理構(gòu)筑物占地面積，節(jié)約了工程投資，并且易于運(yùn)行管理。

平流式隔油沉淀池是一個(gè)敞開式的矩形水池，含油及顆粒物污水從池的一端流入，因油與水比重不同，在整個(gè)池長(zhǎng)流程內(nèi)油水被分離，分離后的水從池的另一端流出，浮至上部的油可用集油管或機(jī)械設(shè)備收集，水中顆粒物沉于池底，污泥不斷堆積、濃縮，可采用刮泥設(shè)備或人工方法清除。平流式隔油沉淀池有著傳統(tǒng)隔油池和沉淀池的優(yōu)點(diǎn)，其構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低、管理方便、應(yīng)變能力強(qiáng)。不足之處是受外界影響，池底、池壁摩擦而引起水的不穩(wěn)定流，使隔油沉淀池長(zhǎng)度較大，且難以分離直徑較小的油粒。

綜合考慮水壓試驗(yàn)循環(huán)水處理目標(biāo)要求，平流式隔油沉淀池成為首選一級(jí)水處理構(gòu)筑物方案。

2 隔油沉淀池關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

隔油沉淀池設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算采用隔油池設(shè)計(jì)計(jì)算方法，然后再用沉淀池設(shè)計(jì)方法對(duì)所選參數(shù)進(jìn)行校核。

2.1 參數(shù)計(jì)算方法

（1）設(shè)計(jì)流量

可根據(jù)鋼管水壓試驗(yàn)工作效率計(jì)算出所需設(shè)計(jì)流量。由于鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)工作鋼管規(guī)格范圍比較大，生產(chǎn)頻率也不同，因此，計(jì)算出的設(shè)計(jì)流量跨度較大。設(shè)計(jì)流量的選取應(yīng)考慮到各個(gè)流量在生產(chǎn)大綱中出現(xiàn)的頻次，在滿足工程許可的前提下盡量取大值。

（2）隔油池表面面積

式中：A—隔油池表面面積，m2；

Q—污水設(shè)計(jì)流量，m3/h；

u—油珠的設(shè)計(jì)上浮速度，m/h；

α—隔油池表面積修正系數(shù)，與池容積利

用率和水流紊動(dòng)狀況有關(guān)。

表1為α與速度比v/u的關(guān)系，其中v為污水在隔油池中的水平流速。通常取v≤15u，但不宜大于15 mm/s， 通常取2～5 mm/s。

表1 隔油池表面積修正系數(shù)α與速度比v/u的關(guān)系

油珠的設(shè)計(jì)上浮速度u可通過污水凈浮試驗(yàn)來確定。按試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制油水分離效率與上浮速度之間的關(guān)系曲線，再根據(jù)應(yīng)該達(dá)到的效率選定上浮速度u。另外，也可根據(jù)修正的Stokes公式計(jì)算，即

式中：u—靜止水中直徑為d的油珠上浮速度，m/s；

ρW—水的密度， kg/m3；

ρO—油珠的密度， kg/m3；

d—可上浮最小油珠的粒徑，m；

g—重力加速度，m/s2；

μ—水的絕對(duì)黏度， Pa·s；

K—污水中油珠非圓形的修正系數(shù)，一般取K≈1.0；

（3）隔油池的過水?dāng)嗝婷娣e

式中：Ag—隔油池的過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

Q—污水設(shè)計(jì)流量，m3/h；

v—污水在隔油池中的水平流速，m/h。

（4）隔油池有效水深和池寬

平流式隔油池有效水深h一般取1.5～2.0 m。隔油池寬度b（每隔間）的具體取值參考所選用除油設(shè)備對(duì)寬度的要求，通常不大于6.0 m，人工除油寬度一般≤3.0 m。

（5）隔油池長(zhǎng)度

隔油池每隔間的長(zhǎng)寬比（L/b）不宜＜4.0。

（6）隔油池隔間數(shù)

（7）沉淀池面積

式中： q0—表面負(fù)荷， m3/（m2·h），q0可通過試驗(yàn)或參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得。

（8）沉淀池長(zhǎng)度和寬度

式中：L—沉淀池長(zhǎng)度，m；

B—沉淀池寬度，m；

t—水在池中的停留時(shí)間，h，可通過試驗(yàn)或參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得。

為保證水在池內(nèi)均勻分布，要求長(zhǎng)寬比≥4，以4～5為宜。不滿足長(zhǎng)寬比時(shí)，應(yīng)分為n格，即

（9）沉淀區(qū)有效水深

式中：h—沉淀區(qū)有效水深，m。

沉淀池長(zhǎng)度與有效水深之比L/h≥8。

（10）沉淀區(qū)有效容積

式中：V—沉淀區(qū)有效容積，m3。

除上述參數(shù)外，隔油沉淀池的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)符合有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)范要求。

通過上述公式可以看出，要使平流隔油沉淀池的出水恰到好處，就必須正確設(shè)定油粒上浮速度u或表面負(fù)荷q0，如果其取值太小，隔油沉淀池面積增大，不經(jīng)濟(jì)；如果取值偏大，提高了隔油沉淀池產(chǎn)水量，但會(huì)引起顆?；蚋∮腿コ粌舻默F(xiàn)象。通常理論上設(shè)計(jì)參數(shù)也只是經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值，最好采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得的結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.2 設(shè)計(jì)實(shí)例

表2為某鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)循環(huán)水流量表，本研究以Φ1 422 mm大直徑焊管水壓試驗(yàn)機(jī)所需循環(huán)水流量作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)流量，計(jì)算其所需配套的隔油沉淀池參數(shù)。

表2 某鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)循環(huán)水流量表

根據(jù)表2確定污水設(shè)計(jì)流量為230 m3/h（取最大值）；油珠的上浮速度由修正的Stokes公式計(jì)算或參考設(shè)計(jì)資料取u=0.65 mm/s（2.34 m/h）；污水的水平流速 v=4 mm/s（14.4 m/h）； v/u=6.15，查表1取α=1.38；根據(jù)公式 （1），隔油池表面面積A=16.0 m2；根據(jù)公式（3），隔油池的過水?dāng)嗝婷娣eAg=135.6 m2；隔油池的寬度b取3 m，有效水深h取1.8 m；根據(jù)公式（5），隔間數(shù)n=2.96，取n=3間；根據(jù)公式（7），隔油池的長(zhǎng)度L=15.3 m；隔油池L/b=5.1＞4，符合要求。

根據(jù)沉淀池設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行核算：污水在池中的設(shè)計(jì)停留時(shí)間t=15.3/14.4=1.06 h；沉淀池的表面負(fù)荷 q0=230/135.6=1.7 m3/（m2·h）。 此隔油沉淀池為一級(jí)沉淀池，主要目的是去除粒徑大于0.15 mm顆粒物，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)資料數(shù)據(jù)，污水在池中停留時(shí)間為 1.06 h， 其表面負(fù)荷為 1.7 m3/（m2·h）， 因此污水在池中停留時(shí)間和表面負(fù)荷這兩項(xiàng)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。另根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，一般設(shè)計(jì)手冊(cè)上有關(guān)表面負(fù)荷等經(jīng)驗(yàn)參數(shù)數(shù)值趨于保守，由此可見此隔油沉淀池完全可滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過隔油池設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算，然后再用沉淀池設(shè)計(jì)方法對(duì)所選參數(shù)進(jìn)行校核，最終隔油沉淀池關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 最終隔油沉淀池關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

一般鋼管生產(chǎn)車間為了方便管理，需將平流式隔油沉淀池設(shè)于室內(nèi)，這就要求其占地面積不能太大。此次設(shè)計(jì)在保證流量為230 m3/h前提下，隔油沉淀池占地尺寸為15.3 m×9.0 m，作為室內(nèi)水處理構(gòu)筑物，其占地面積在可接受范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

（1）鋼管水壓試驗(yàn)循環(huán)水隔油沉淀池關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算時(shí)，應(yīng)首先明確循環(huán)水處理的要求，即主要去除循環(huán)水中浮油和粒徑＞0.15 mm的顆粒物，在此基礎(chǔ)上通過試驗(yàn)或資料手冊(cè)確定出合適的油粒上浮速度或表面負(fù)荷。

（2）由于生產(chǎn)規(guī)格范圍較大，引起流量變化范圍大，設(shè)計(jì)流量的確定應(yīng)考慮到生產(chǎn)大綱不同生產(chǎn)流量出現(xiàn)的頻次，在滿足工程許可范圍內(nèi)盡可能取大值。

（3）構(gòu)造尺寸參數(shù)的確定。根據(jù)設(shè)計(jì)流量、油粒上浮速度、水平流速、表面負(fù)荷或循環(huán)水在池中的停留時(shí)間，通過本研究相關(guān)計(jì)算公式可以得出隔油沉淀池構(gòu)造尺寸參數(shù)。

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編輯：羅 剛

Calculation of Design Parameters of Circulating Water Oil Sedimentation Tank for Steel Pipe Hydrostatic Test

KONG Liqun,WANG Zhen,WANG Guo
（China National Heavy Machinery Research Institute,Xi’an 710032,China）

TG115.6

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.08.014

孔立群（1974—），男，工程師，主要從事焊管設(shè)備及鋼管水壓試驗(yàn)機(jī)設(shè)備成套設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。

2017-05-05